钻具组合造斜率预测方法

根据井底最近测点数据，计算井底轨迹参数。利用下部钻具力学计算模型进行钻头力学计算。引入钻头各向异性指数和地层各向异性指数后，建立三维钻速方程，依此预测计算钻具组合的造斜率。并将该方法编制成计算机软件。实例计算表明，这种方法比较可靠。     

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本文在分析钻头对岩石破碎方式的基础上,综合考虑了钻头各向异性和地层各向异性对井眼轨迹的影响,建立了在岩石不同破碎方式下的钻头与地层相互作用的钻速方程并据该方程,得出了变井斜力和变方位力的计算式。     

钻头与地层相互作用的新模型

本文综合考虑了地层各向导性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,经过力学分析和数学处理,建立了更为一般的钻头与地层相互作用模型即UPC模型。它是目前已有类似模型的推广。在此基础上,本文给出了有效钻力的概念,从而找到了确定钻头钻进方向的根据。利用UPC模型,并结合底部钻具组合三维分析程序,既可预测井眼轨迹,又可反求地层因素或钻头各向异性指数等。     

正交各向异性地层对井斜的影响

本文用各向异性指数表征地层的各向异性性质,通过严格的力学分析及数学处理,建立了钻头与正交各向异性地层相互作用的三维钻速方程,在此基础上,推演出地层力的计算模式.文中定义了两个地层特征参数,用来表达地层各向异性、地层倾角、地层走向、井斜角及井斜方位角对井斜的综合影响效果.通过分析和算例表明,正交各向异性地层对井斜的影响,主要符合上倾规律或下倾规律;横观各向同性地层,可作为正交各向异性地层的特殊情况处理,它对井斜的影响,也符合上倾规律或下倾规律.另外,本文通过三维分析指出,Lubiski的两维分析模式,由于没有考虑地层走向和井斜方向的影响,不适用于定向井轨迹预测和控制的模拟计算.     

根据新的钻头—岩石相互作用模型预测井眼的轨迹

文中提出了一个新的钻头—岩石相互作用模型.该模型没有采用地层各向异性指数的概念,而是从横观各向同性岩石(地层)的本构方程出发,考虑了地层各向异性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,编制了相应的井眼轨迹模拟程序,该程序可在微机上运行.模型有利于现场推广使用,对定向钻井有一定的参考价值.     

钻头与地层相互作用分析及井眼轨迹预测

本文对钻头与地层相互作用进行了全面的三维分析,在综合考虑钻头各向异性和地层各向异性对井眼轨迹影响的基础上,建立了钻头与地层相互作用的三维钻速模式.利用该模式并结合钻柱力学三维分析,可以预测定向井井眼轨迹,还可以利用定向井井史资料,反求有关系数.通过对大庆油田萨中区四口定向井井史资料的分析,得出该地区10个层段3种常用钻头的10组数据.在此基础上,对该地区两口实验井分四个井段进行了跟踪预测,其结果是,井斜平均误差为0.162°/100m,方位平均误差为0.988°/100m.     

利用岩石可钻性预测井眼轨迹

本文利用我国各油田岩石可钻性研究成果及地层各向异性研究结论[1],分析钻碎各类岩石所表现的非线性位移性质对井眼轨迹的影响,在分析岩石可钻性的同时,还分析了地层各向异性、钻头各向异性等反映井下环境因素对形成井眼轨迹的影响。在给定钻头外力的前提下,运用钻速方程列出预测井眼轨迹的计算式,为反映井下环境的综合影响因素提供了定量计算方法。研究表明,由岩石可钻性决定的非线性位移性质、地层各向异性和钻头各向异性等三种性质是影响井眼轨迹的井下环境因素,在钻井设计和施工中都应计算其影响数值。由岩石可钻性级值Kd表示的井下环境因素,引入钻达预测方程中进行运算,可以获得影响井眼轨迹的定量结果,从而使定向井预测由定性进入定量研究阶段。     

井眼轨迹控制问题的力学分析方法

对井眼轨迹控制问题的力学分析模型进行了讨论.给出了底部钻具组合三维受力和变形的控制方程及其简化形式的通解;综合考虑地层和钻头的各向异性钻井特性,建立了钻头与地层相互作用的一个矢量模型;讨论了井眼轨迹预测和控制计算方法.     

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利用下部钻具力学分析和钻头与地层相互作用模型来预测和控制井眼轨道对于大多数钻井作业来说仍是一个难题。文章分析了沿钻头的瞬时钻进方向向前差分存在的问题；在分析井眼轨道形状的基础上，提出了井眼轨道预测的4点新认识，建立了侧向钻速等于零的预测和控制准则；分别建立了井眼轨道预测方程、井眼轨道控制方程、钻具导向能力预测方程，并应用于国家重点科技攻关项目和“863”项目中。预测数据与实测结果误差较小。以井眼轨迹光滑为目标，将下部钻具组合三维力学分析与三维钻速方程相结合建立的井眼轨迹预测方程较其它轨迹预测方法具有明显的理论上的先进性和实际应用上的可靠性与准确性。     

高研磨性火山岩地层岩石可钻性计算

火山岩地层研磨性强,钻井过程中钻头磨损严重,钻头磨损变钝将会导致机械钻速的显著降低;通用钻速方程计算地层岩石可钻性级值的方法,没有考虑钻头磨损对机械钻速的影响,计算所得的地层可钻性级值偏高。通过建立高研磨性地层机械钻速与牙齿磨损量之间的关系模型,对通用钻速方程进行了修正。计算结果表明:钻头使用较长时间时,考虑钻头磨损和不考虑钻头磨损计算所得的可钻性级值存在较大差别,在高研磨性火山岩地层中,考虑钻头磨损所计算出的地层可钻性级值更为真实准确。     

长庆油田小井眼超长水平段水平井钻井技术

针对长庆油田小井眼超长水平段水平井钻井施工中井眼轨迹控制困难、储层钻遇率低、机械钻速低、井壁易垮塌和易发生井漏等问题,分析了钻井技术难点,研究了旋转导向智能井眼轨迹控制技术、近钻头方位伽马成像技术和工程参数监测技术,进行了钻头选型优化,并研究应用纳米成膜封堵水基钻井液技术,形成了长庆油田小井眼超长水平段水平井钻井技术,能够精准控制井眼轨迹、提高储层钻遇率、保障井下安全和提高机械钻速。长庆油田桃XX井应用旋转导向技术及相关配套技术,安全高效地完成了水平段长4466 m、井深8008 m的钻井施工,储层钻遇率高达96.6%,创造了长庆油田井深最深、亚太区陆地水平段最长的纪录。研究结果表明,长庆油田小井眼超长水平段水平井钻井技术的现场应用效果良好,具有较好的推广应用价值。      

Modeling and Optimizing Rate of Penetration Using Intelligent Systems in an Iranian Southern Oil Field (Ahwaz Oil Field)

Abstract

For drilling optimization, an equation for the rate of penetration (ROP) is necessary. The rate of penetration depends on many factors such as formation properties, mud properties, weight on the bit, rotary speed, mud hydraulics, and size/type of bit. Due to the difficulty of mathematical modeling of ROP, researchers have used experimental results or field data to develop a correlation for ROP. In this study, a new model based on artificial neural networks (ANNs) is designed that is able to predict the ROP using real field data gathered in an Iranian oilfield (Ahwaz oilfield). The new model was successful in predicting ROP. To obtain operating parameters that lead to maximum ROP, the corresponding mathematical equation of an ANN model was implemented in a procedure using a genetic algorithm, which is one of the most reliable methods of optimization, and at different depths the parameters leading to maximum ROP were obtained. This model and its results can be used in Pabdeh and Gurpi formations in all Iranian oilfields and similar shaly formations in the Middle East such as the Iraq, Jaddia, and Aaliji formations corresponding to the Pabdeh formation and the Shiranish formation corresponding to Gurpi.     

重庆南川页岩气钻井关键技术与思考

重庆南川SY14-3HF井和SY14-4HF井是中石化在国内为钻完井日费制市场化管理试行实施的第一和第二口页岩气井,钻遇地层存在缝洞发育、漏失风险高、倾角大、研磨性强和可钻性差等特点,钻井过程中面临浅表地层坍塌掉块、漏塌同存、蹩跳钻严重、机械钻速低、压裂气窜以及异常高压等诸多复杂难题。通过新技术集成应用,一开井段采用电磁波随钻测量仪器监测井身质量,保障井下安全;二开井段采用高效射流冲击器提高机械钻速,研制“三低两强”钾基聚合醇钻井液体系降低井下复杂风险;三开优选高效破岩钻头,采用旋转导向配合高扭矩低转速螺杆精准控制井眼轨迹,研发低黏高切油基钻井液体系保持井壁稳定,创新性使用高、低速离心机串联回收重晶石清除有害固相,形成安全高效的钻井关键技术;两口井在钻完井周期、复杂情况时效及平均机械钻速等方面实现了突破,SY14-4HF井平均机械钻速10.75 m/h,钻完井周期较同平台其他井缩短11.95%;SY14-3HF井平均机械钻速9.70 m/h,生产时效96.89%,钻完井周期较同平台其他井缩短39.01%,创南川胜页工区井深超过5 000 m页岩气水平井钻完井周期最短记录。技术已经在南川...     

VTK垂直钻井系统在龙深1井钻井中的应用

龙深1在钻遇推覆体地层时，地层倾角变化大，自然造斜能力强，采用塔式钻具、钟摆钻具、大尺寸PDC钻头等多种防斜技术，其结果是井斜控制十分困难、钻井速度极慢；利用弯螺杆＋转盘钻井复合技术，虽然钻井速度有一定的提高，但仍不能达到提速的目的。为提高机械钻速，引进贝克休斯的VTK垂直钻井技术，它是由AUTOTRAK（闭环旋转导向系统）、高性能X-TREME马达、可靠的MWD三种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井技术，能够根据井眼的偏斜，经井下微处理器分析判断，使导向稳定地靠近井眼高边方向导向肋板伸出顶向上井壁，这样使钻头产生合理的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。现场应用表明：该技术较好地解决了钻井提速工作中井斜与钻压之间的矛盾，使钻井效率明显提高；为充分发挥该技术的作用，需要选择合适的钻头类型和合理的钻井液性能     

旋转导向钻井地面监控系统研究

为了将井眼轨迹以及其他有关的钻井参数用图形和数据三维可视化地显示出来,便于现场工程技术人员直观地掌握和分析钻头所在位置以及井下导向工具对井眼轨迹的控制情况,研制了地面监控和井眼轨迹可视化子系统,该系统是调制式旋转导向钻井系统(MRSS)的指挥中心。可实时监控井下导向工具,控制井眼轨迹按设计的轨迹逼近靶区并中靶。文中介绍了MRSS地面监控子系统的总体设计;在导入设计数据和实时采集MWD上传的实钻数据的基础上,进行了设计井眼和实钻井眼的轨迹描述、轨迹偏差分析和轨迹修正设计、进而计算出MRSS轨迹控制参数及相应的下传控制指令;研究了控制指令下传给井下导向工具的方式并给出最佳指令编码方案。系统的各项功能集成在一个一体化的地面监控和井眼轨迹三维可视化软件系统中,是信息化、智能化钻定向井的创新工程。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

焦石坝区块?311.2mm井眼定向段钻头优选与应用

针对焦石坝区块页岩气水平井?311.2 mm井眼定向段长、钻遇地层复杂、非均质性强,易导致钻头失效快、机械钻速低等问题,建立了基于地层可钻性和实钻效果评价的钻头选型方法。利用测井资料获取地层岩石力学参数,建立了岩石可钻性剖面,确定了合理的钻头类型;基于虚拟强度指数原理建立了综合考虑地层破岩效率和进尺的钻头性能评价指数,对完钻井钻头使用效果进行了定量评价。利用该方法分地层推荐了焦石坝?311.2 mm井眼定向段钻头选型方案,并在焦页49-1HF等5口井进行了应用,平均机械钻速同比提高了207%,单只钻头平均进尺提高了139.2 m。应用效果表明,基于地层可钻性和实钻效果的钻头选型方法能够定性地优选钻头类型、定量地评价钻头性能,有效提高了钻头与地层的匹配性。     

涪陵江东与平桥区块页岩气水平井井眼轨迹控制技术

涪陵江东与平桥区块断层发育、地层倾角大，水平井井眼轨迹控制存在着与地质预测偏差大、轨迹调整频繁、中靶难度大和定向托压严重等难题，为此，开展了井眼轨道参数及剖面优化设计，钻具组合与钻井参数协同优化等研究，引入了旋转导向技术和近钻头随钻测量技术等导向钻井技术，配套了超短保径PDC钻头、PDC-牙轮复合钻头及水力振荡器等降摩减阻及提速工具，形成了适用于涪陵江东与平桥区块的水平井井眼轨迹控制技术。现场应用表明，通过井眼剖面优化、钻具组合及钻进参数协同优化等措施，提高了定向施工效率；应用旋转导向和近钻头随钻测量等导向钻井技术，机械钻速提高161%，储层钻遇率达到90%以上；通过配套降摩减阻及提速工具，机械钻速提高20%以上，定向托压现象得到缓解。涪陵江东与平桥区块水平井井眼轨迹控制技术为钻井提速提效、加快产能建设提供了技术支撑。      

Investigations into the coiled tubing partial underbalanced drilling (CT-PUBD) technique for drilling hard formations

To improve the rate of penetration (ROP) in drilling deep and hard formations, this paper proposes a new drilling method called coiled tubing partial underbalanced drilling (CT-PUBD). As a preliminary investigation into the new drilling method, this paper presents predictions of hole cleaning efficiency, drilling speed, cuttings migration and pressure loss in the drilling process with CT-PUBD. Based on numerical simulation and full-scale experimental studies, we conclude that using CT-PUBD, an underbalanced drilling condition can be achieved near the bit while maintaining wellbore safety at the same time. This condition can be achieved using a cuttings discharge device, a rotary packer and a backflow controller. According to the numerical simulations performed in this study, CT-PUBD can achieve high efficiency of hole cleaning. Along the cuttings migration process, the fluid velocities can reach the maximum values in the backflow holes. A full-scale laboratory experimental system was used to test the hydraulic characteristics and obtain the drilling performance of the new technology. The result shows that CT-PUBD significantly improves the ROP compared to the conventional drilling method.