定向井轨道控制中的地层力分析与验证

地层力是影响定向井井眼轨道的一个重要因素.为了预测和控制井眼轨道,必须对地层力进行定量分析.本文提出了钻头各向切削指数、钻头各向切削异性指数和综合切削各向异性指数等新慨念,在此基础上,考虑实际钻头的各向切削异性、地层各向异性、地层倾角、钻压、钻头倾角、体积破碎和表面破碎等因素,推出了地层自然造斜力的普遍表达式和各种简化条件下的相应计算公式.本文运用钻压圆锥方法,考虑地层走向的影响,进一步导出了在定向钻井中计算地层变井斜力F_α和地层变方位力F_φ的一组公式.导出了临界地层倾角方程,对钻头趋向问题的经验说法作出了定量解释.文中给出多例验证,表明了上述理论分析与钻井实践具有较高的相符程度.     

各向异性地层钻井井斜问题研究

在实验室内以全尺寸实物钻头破岩,系统地研究各向异性地层对井斜影响程度的成本较高。随着计算机硬件和数值模拟计算软件，尤其是有限元软件的发展，使得有限元仿真模拟各向异性地层钻井井斜是经济可行的。在弹塑性力学、岩石破碎力学的理论基础上，建立了三牙轮钻头齿面与井底岩石接触问题的动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性建立为各向异性材料模式。提出了以岩石临界塑性应变为判据，来判断岩石材料是否被切削或剥落，并在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用文中建立的模型，动态模拟、分析了钻头钻进时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下，钻头与井壁间产生不对称的侧向力，使钻头产生侧向偏移，累积形成井斜，给出了定量的模拟结果。调整参数可以模拟和分析不同钻井参数、各向异性地层以及地层倾角对井斜的影响关系，从而为各向异性地层以及高陡构造地层防斜打快提供理论参考，同时为防斜工具的设计、改进以及井眼轨迹控制提供理论基础。     

气体钻井破岩过程动态仿真模拟

应用弹塑性力学、岩石破碎力学建立了气体钻井破岩过程动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性为各向异性材料模式。以岩石临界塑性应变为依据来判断岩石材料是否被切削或剥落，在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用所建立的模型，动态模拟、分析了PDC钻头钻井时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下PDC钻头破岩过程的瞬时冲击接触压力、井底和井壁的应力分布。为气体钻井的推广应用以及高陡构造地层防斜打快提供了理论基础和依据。     

地层各向异性-岩石可钻性研究

本文引用岩石可钻性试验方法导出地层各向导性,依据可钻性变化规律将地层各向异性分成椭球、扁旋转椭球及圆球三类。并根据变钻压、变转速及变钻头结构的试验结果,导出广义各向异性指数H′的计算式,可直接用于钻井设计,也为直接获取地层各向异性资料提供了新方法。     

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.     

岩石可钻性呈椭球型分布时地层与钻头相互作用模型

综合考虑钻头各向异性、地层各向异性、钻进效率、地层产状、钻头与地层的作用力和钻头转角等因素的的影响，建立了以矩阵形式表达的岩石可钻性呈椭球型分布时地层与钻头相互作用模型。     

气体钻井地层自然造斜力计算研究

气体钻井循环介质为气体,井底压力很小,井底岩石受力状态及对井底钻头及岩石的冷却性能等差异,造成岩石破碎方式与常规钻井液钻井的差异。常规钻井液钻井中地层造斜力的求取与气体钻井必然存在差异。以岩石力学为基础,分析了气体钻井破岩机理,认为气体钻井破岩机理不同于常规钻井液钻井,井底岩石破坏方式为体积破坏;建立了气体钻井地层造斜力的计算模型,实例计算表明该模型可用于气体钻井地层造斜力的求取,     

基于分形岩石破碎比功方程的钻井优化

利用分形岩石破碎比功方程研究了深部地层岩石破碎产物的分形特征对单位进尺成本及钻头优选的影响。以大庆徐家围子火山岩地层钻井数据为基础,将分形岩石破碎比功方程与进尺成本函数结合起来,给出了具有分形参数的进尺成本分析方程,再根据岩石破碎比功方程和进尺成本分析方程计算数据,应用层次分析法对大庆徐深使用钻头进行优选。研究结果表明：岩石破碎比功及分形参数对单位进尺成本及钻头选型具有明显影响,深部地层岩屑粒度分布的分形维数越大,进尺成本越大;岩屑最大尺寸越小,进尺成本越小;破碎比功越大,进尺成本越高,钻头使用效果越好。     

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。     

以井斜趋势角为指标优化防斜钻具设计

应用钻头与地层相互作用模型，综合考虑钻头和地层各向异性、钻头侧向力及钻头转角对井斜的影响，提出了“井斜趋势角”概念。针对各向同性地层，推导了“井斜趋势角”计算公式。分析表明：进行防斜钻具设计、优选钻井参数时，综合考虑侧向力、钻头转角及钻头各向异性等因素对井斜的影响是十分必要的；与“钻头侧向力最大”或“钻头转角最小”等单一指标相比，“井斜趋势角”指标考虑因素更全面、设计(或评价)结果更可靠。     

液动旋冲钻井技术在青西地区的试验与应用

青西地区属山前构造带,地质构造复杂,特别是窟窿山逆掩推覆带老地层具有地层高陡、可钻性差等特点,导致该地区钻井速度慢、周期长,钻井成本居高不下。旋冲钻井技术是利用钻头的冲击动载和静压旋转的联合作用来破岩,其破岩方式决定了该项技术在硬地层钻进中具有破岩效率高、钻头寿命长、井眼规则的特点。为解决青西地区钻井速度慢与井斜控制难的技术难题,结合本地区现场钻探实际情况,通过采用液动冲击旋转钻井技术和对射流冲击器的改进与防空打机构的设计来大幅度加快逆掩推覆体地层的钻井速度,利用小钻压钻井来有效控制井斜。经现场多次试验应用,液动冲击旋转钻井的机械钻速比采用转盘钻井提高了31%以上,大幅度缩短了上部井段的钻井周期,同时有效地控制了推覆体地层的井斜,确保了井身质量合格,取得了理想的效果。     

单牙轮钻头动力学研究

单牙轮钻头是小井眼钻井的重要工具。对单牙轮钻头在井底工作过程中的受力进行了分析,在此基础上建立了单牙轮钻头所受阻力矩计算模型,该模型反映了钻压、钻头尺寸、岩石性质等因素对阻力矩的影响。建立了单牙轮钻头动力学基本方程,该方程真实描述了钻头的受力与运动情况,即钻压越大,钻头阻力矩则越大,钻头转速则越低;反之,钻压越小,钻头阻力矩也越小,钻头转速则越高。单牙轮钻头的阻力矩计算模型和动力学基本方程对小井眼钻井中的钻柱设计具有重要的参考价值。     

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。     

基于离散元法的砾岩地层三棱齿切削破岩数值模拟

三棱齿因具有强抗冲击性与高耐磨性,可提高PDC钻头在砾岩地层中破岩效率及寿命,但在砾岩地层中的破岩机理及破岩效果不明确,导致砾岩地层中三棱齿PDC钻头设计缺乏理论依据。针对上述问题,基于离散元法建立了三棱齿切削破碎砾岩的数值仿真模型,研究不同砾石与胶结物基质黏结强度差情况下砾岩破岩形式与过程,并分析了三棱齿直径及后倾角对三棱齿切削力及砾岩破碎过程中岩石裂纹拓展的影响。结果表明：在黏结强度差大于70 MPa时,砾石会直接被剥离,而强度差小于40 MPa时,砾石直接被破碎;2种黏结强度差情况下,三棱齿直径为16 mm,后倾角为15°时,切削破碎砾岩效率均能达到最高。该研究对三棱齿PDC钻头设计具有理论意义。     

考虑水平刮切作用的旋转钻井牙齿侵入规律

考虑旋转钻井钻头牙齿对井底岩石产生的水平刮切作用,分析了井底岩石侵入系数的变化规律以及初次侵入破碎坑的形状,得出旋转钻井重复侵入时井底岩石的破碎过程以及载荷侵深曲线形态,进一步揭示了旋转钻井牙轮钻头破岩机理:随着摩擦因数的增大,刃前岩石侵入系数线性降低,刃后岩石侵入系数线性增加;初次侵入时破碎坑为非对称的不规则形状,岩石破碎体积比只考虑垂向压入作用时小,发生剪切破碎时所需的载荷低;刃前岩石发生剪切破碎以后,刃后岩石由于应力集中效应,达到剪切破碎时所需的整体载荷降低,存在水平刮切作用时岩石多次侵入剪切破碎更为容易;重复侵入时井底岩石剪切破碎频数是只考虑垂向压入作用时的两倍,剪切破碎时载荷下降的幅度降低。     

九自由度牙轮钻头动力学模型研究

根据牙轮钻头动态和受力互为因果关系的特点,分别建立了钻头体和牙轮的动力学模型,并建立了9个自由度的牙轮钻头动力学模型。新建的牙轮钻头与岩石相互作用模型中考虑了扭矩、弯矩、横向力的平衡以及这些因素对钻头破岩过程的影响,并在此基础上建立了轮速比计算模型、牙轮钻头位移模型和岩石破碎仿真模型。通过仿真计算,得到了两种工况下牙轮钻头的位移和轮速比,模拟了破岩过程,为研究钻头与岩石相互作用机理提供了理论依据。     

适用于特定地层的PDC钻头个性化设计

破碎性地层的井下掉块常常导致常规设计的PDC钻头出现卡钻现象,严重的甚至会造成钻头掉齿、断刀翼等井下事故,严重影响了PDC钻头的推广使用。为此,对Φ215.9 mm六刀翼PDC钻头进行了全面改进设计：冠部形状为“直线-圆弧-直线”,相邻刀翼之间夹角约为60°;主切削齿直径为16 mm且按照“中密度”方式布置;将刀翼尾部的保径块整体上移一定距离,且4个保径块围绕钻头轴线成90°。之后采用PDC钻头数字化钻进仿真系统和CFD软件对设计方案进行了力平衡和井底流场优化分析：优化布齿参数的钻头横向力约为钻压的3.9%;高的流速分布在1号、5号刀翼工作面鼻部位置及2号、3号、4号、6号刀翼背面,有利于岩屑及时清除出PDC齿表面。改进后的新型Φ215.9 mmPDC钻头在吐哈油田破碎性地层中应用总进尺1 339 m,与邻井同井段相比,节约了5次起下钻工作量和作业时间,钻头出井后,仅两颗齿损坏,其余PDC齿磨损均衡,冠部冲蚀情况与钻头的井底流场分析的结果完全吻合,说明PDC钻头的个性化设计能够为此类地层钻井提速提供切实可行的技术思路。     

三牙轮钻头井底横向力的计算机仿真

在定义钻头的井底横向作用力后，建立了钻头结构参数、钻井参数和岩石性质与钻头井底横向力的定量关系、相应的仿真模型和仿真程序。用计算机仿真实验得到井底轮廓和任意时刻井底岩石对钻头的横向作用力。实验结果表明，钻头旋转一周的井底横向作用力矢量统计平均值始终很小，说明钻柱作用在钻头上的横向力为零时，井底横向力表现为扩眼力。     

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。