水力振荡器最优安放位置研究与应用

复杂结构井滑动钻进过程中,托压现象严重,钻头无法获得有效的钻压,导致滑动钻进机械钻速低。水力振荡器通过轴向振动带动钻具产生轴向蠕动,从而使滑动钻进的静摩擦转变为动摩擦,可以大幅降低摩阻,从根本上解决托压问题。对井眼轨迹进行了力学简化,通过钻柱瞬态动力学分析,建立了工具有效传播距离的数学模型和计算方法。针对张海31-26井的现场试验提出了相对于钻头的最佳安放距离,并对试验中机械钻速、百米定向次数和滑动钻进进尺比例等参数进行了统计分析,验证了模型的有效性。研究内容为该工具的有效应用提供了理论指导。     

基于摩阻和振荡力的水力振荡器安放位置计算方法

水力振荡器是目前缓解定向托压最有效的方法之一。在大斜度井、大位移井、水平井等复杂结构井中应用越来越广泛,并取得了较好的应用效果。但目前没有形成一套水力振荡器合理安放位置计算方法,导致应用效果参差不齐。基于摩阻和振荡力,建立了安放位置计算模型,并制作了优选图版。现场应用效果表明,该安放位置计算方法有效可行。可为水力振荡器现场应用提供理论支持和技术指导。     

综合钻井及水力压裂的水平井井眼方位优化

地应力是井眼失稳和裂缝起裂的直接控制因素,如何分析不同断层机制下的井眼稳定性和水力压裂随井眼方位变化的响应规律对页岩气钻完井显得更加重要。为此,基于线弹性力学原理、改进的摩尔库伦准则及张性破裂准则,建立了井眼稳定性和裂缝起裂的力学模型,计算分析了不同应力状态下井眼稳定性和水力压裂对井眼方位的设计要求。结果表明,对于正断层应力状态,钻直井或沿最小水平主应力方向的小斜度井有利于井眼稳定,且裂缝的起裂压力主要受射孔方位角控制;对于滑移断层应力状态,钻水平井有利于井眼稳定,安全钻井方位处于最大水平主应力与最小水平主应力之间,且起裂压力受井眼方位角和射孔方位角双重控制;对于逆断层应力状态,沿最大水平主应力方向钻水平井有利于井眼稳定,而起裂压力主要受射孔方位角控制。最后,结合井眼稳定性和水力压裂分析结果,提出了井眼方位优化方法,并针对性地分析不同断层机制下的最优井眼方位。该研究为矿场井眼方位优化提供了理论支撑。     

大位移水平井下套管漂浮接箍安放位置优化分析

大位移水平井由于水平段长、垂深浅、水垂比大、套管加压能力有限,易因为粘卡造成套管不能顺利下到位,给固井作业带来了困难.预测了大位移水平井采用常规下套管工艺的摩阻载荷,分析了漂浮下套管的技术原理与优势,计算了漂浮接箍安放在井深不同位置处的摩阻载荷,对摩阻载荷随井深的变化趋势进行了分析,结果表明,运用漂浮下套管技术能够保证大位移水平井套管的安全下入,漂浮接箍的初始安放位置选择在临界阻力角处,且经过优化分析,当漂浮接箍安放在最优化井深处时,摩阻载荷最小,漂浮下套管的技术优势得到了最大程度的发挥.     

水力振荡器在塔中地区水平井中的应用

塔里木盆地塔中地区奥陶系缝洞型碳酸盐岩储层非均质性强、连续性差,为同时钻遇多个缝洞单元,钻井方式以超深水平井为主,水平段长度通常介于800~1 400 m。水平段长度主要由钻井过程中的井下摩阻决定,随着水平段的延伸,越来越大的井下摩阻会带来机械钻速减慢,起下钻困难等问题。当水平段超过800 m后,滑动钻进时托压现象非常严重,导致滑动机械钻速很低,同时也增加了卡钻的风险。针对这一问题,采用水力振荡器,并运用三维管柱力学分析确定水力振荡器最佳安放位置。现场应用结果表明:(1)通过水力振荡器自身产生的轴向震动减小井下摩阻,有效解决了钻进过程中托压、黏卡等问题;(2)使用水力振荡器的井平均机械钻速比未使用水力振荡器邻井的机械钻速提高了67%,缩短了钻井周期,降低了钻井风险,节约了钻井成本。在塔中地区实际应用的效果表明:水力振荡器在长水平井段钻井中具有较高的推广价值。     

水力振荡器在川渝地区水平井的应用

川渝地区地质结构复杂,在水平井施工过程中出现严重的托压、粘卡现象,尤其在滑动钻进过程中,无法保证给钻头施加真实、有效的钻压。水力振荡器可以使常规的钻具组合克服定向钻进过程中遇到的常见问题。为此,介绍了水力振荡器的结构及工作原理,并在在长宁H2-1井、高石12井施工过程中应用了水力振荡器。应用效果分析表明,水力振荡器在水平井中把单纯的机械式加压改为机械与液力相结合的加压方式,为钻头提供了有效、真实的钻压,改善井下钻压传递效果,明显降低摩阻,提高机械钻速,缩短钻井周期。     

超深水平井钻井水力参数优选

基于传热学理论和井筒流动特性,通过建立超深水平井的井筒物理模型和温度场模型,考虑螺杆钻具的工作特性,以钻头和螺杆钻具组合的最大水力能量作为优选目标,建立了水力参数优选模型,分析了温度、压力对最小携岩排量的影响,并计算了最优排量和其他水力参数。结果表明:与不考虑温度、压力影响时相比,考虑温度、压力影响时的最小携岩排量增加了1倍;最小携岩排量随着钻井液密度和塑性黏度的降低而增大,塑性黏度是其主要影响因素;不同时刻的最小携岩排量存在一临界点,在临界点上、下井段确定最小携岩排量时,应采用不同时刻对应的最小携岩排量。因此,在超深水平井复合钻井时,应充分考虑温度、压力对水力参数优选的影响,以保证井眼清洁,提高钻井效率。     

水力喷射径向水平井钻井关键技术研究

水力喷射径向水平井技术可在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼,从而增大与储层的接触面积,建立高导流通道,是一种经济高效的油田挖潜和增产增注技术,其关键技术包括射流破岩钻孔能力、水力参数计算、射流钻头自进与井眼延伸能力、井眼轨迹测量与控制等。针对上述关键技术开展了深入系统的研究:分析了目前应用于径向水平井钻井的各类型射流钻头的基本原理,建立了射流破岩比能模型,通过对比分析认为旋转多孔射流钻头综合破岩效果最佳;建立了径向水平井喷射钻进系统压耗计算模型,对比分析了不同直径连续油管的循环压耗,分析了相关参数对系统压耗的影响规律,为水力参数设计提供了依据;建立了旋转多孔射流钻头自进力计算模型与径向水平井延伸极限计算模型,对比了不同作业条件下径向水平井的延伸极限,为装备优选和径向井眼设计提供了依据;探讨了微机电惯性元件测量径向井眼轨迹的方法原理,为径向井眼轨迹测量提供了一种可行的方法。该研究成果可为形成水力喷射径向水平井技术体系与推广应用奠定基础。      

水力振荡器的研制与现场试验

为了解决水平井钻进过程中摩阻大、托压的问题,提高水平井钻井效率,研制了水力振荡器。依据机械振动理论,井下钻具在一定频率轴向振动时,可以将钻具与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦,且动摩擦力小于静摩擦力;水力振荡器是以钻井液作为动力源,驱动振荡器轴向运动带动井下钻柱沿轴向振动。在卫 186-平142 井进行了水力振荡器现场试验,进尺501.00 m,累计工作时间96 h,托压减小20~40 kN,滑动钻进36.77 m,机械钻速提高54.9%,复合钻进464.23 m,机械钻速提高23%。现场试验结果表明,应用水力振荡器钻进时能够降低水平井摩阻,减小托压,提高机械钻速。      

水力振荡器的室内试验研究

水力振荡器主要应用于大位移水平井钻进,能有效降低摩阻,增加井底钻压,提高机械钻速。主要从这种新型井下工具的室内试验情况进行研究,论证该工具的试验指标与理论计算的一致性问题。测试目的在于测定水力振荡器在不同来流条件下的振动加速度与压力脉动情况,为其理论分析与计算提供对比的依据。通过对比分析稳态和瞬态工况下时域内的振动峰值、有效值、对比分析频谱瀑布图,可以得出试验结果与该工具开发设计时的理论计算结果基本一致。     

遥控变径稳定器安放位置的优化与应用

史南油田长稳斜井段采用常规“单弯双稳”螺杆钻具组合控制方式,普遍存在滑动进尺比例高、钻进效率低、起下钻趟数多等问题。为此,通过分析长稳斜段轨迹控制效率偏低的原因,以及KB型遥控变径稳定器的工作原理和技术特点,基于“平衡趋势法”造斜率预测理论和纵横弯曲连续梁理论,建立“单弯双稳”螺杆钻具造斜率预测方法,分析活塞伸出和收回时复合钻进的造斜规律。研究结果表明：史南油田长稳斜段钻进期间变径稳定器宜安放在距螺杆本体扶正块小于8.20 m的位置。通过在史3-斜A井开展现场应用,一趟钻完成了二开长稳斜段的施工,平均机械钻速13.44 m/h,进尺1 153.00 m,复合钻进尺比例高达98.05%,井斜变化幅度仅为2.80°,大幅提高了长稳斜段的轨迹控制效率和井眼质量。研究结果可为史南油田长稳斜井段的钻井提速提效提供有益指导。     

水力振荡器在A油田水平井钻进过程中的运用

随着石油钻探技术的发展,水平井和大位移井的施工数量逐年增多,如何高效的完成裸眼段轨迹控制成为新的技术难题。在水平井施工过程中,由于裸眼段增长,井斜角增大,逐渐在下井壁形成岩屑床,造成钻具与井壁之间的摩擦阻力越来越大,出现严重的拖压、粘附卡钻现象。本文着重对水力振荡器的结构组成、工作原理进行分析,结合试验井数据对水力振荡器在哈A油田的应用进行详细说明。     

水力振荡器的研制及现场试验

应用水力振荡器可有效降低滑动钻进钻具组合与井壁间的摩擦力并有效改善钻压传递,减小井下扭转,减轻横向振动并提高机械钻速,延长PDC钻头的使用寿命。为此,开展了水力振荡器的研制工作。介绍了水力脉冲轴向振荡减阻钻井技术的减阻原理,对水力振荡器的主要结构进行了技术分析。胜利油田3口井的试验结果表明,工具原理正确,结构可靠,压力损耗4.5MPa左右,工作寿命超过100 h,可提高机械钻速20%以上;同时还可改善定向钻进工具面的控制,有效提高定向能力。水力振荡器对常规PDC钻头及牙轮钻头具有良好的适应性。     

水力振荡器性能影响因素试验研究

水力振荡器性能与其振荡频率、压降、流量和阀盘参数相关。为此,开展了阀盘参数对水力振荡器性能影响的试验研究,得到如下结论:1当水力振荡器的动阀尺寸及螺杆型号一定时,在相同定阀阀口直径下,流量越大,压降越大;在相同流量下,定阀阀口直径越大,压降越小。2当动阀尺寸及螺杆型号一定且定阀阀口直径相同时,流量越大,振荡频率越大;在相同流量下,定阀阀口直径对振荡频率的影响很小,也即定阀阀口直径对阀闭合频率影响很小,决定阀闭合频率的主要因素为螺杆自身结构。3当动阀尺寸及螺杆型号一定时,振荡频率与流量呈线性关系。研究结果可为水力振荡器的结构优化及现场应用提供理论依据。     

小井眼水力振荡器工作特性与试验研究

在小井眼开窗侧钻作业中,利用减摩阻工具的振荡效应可有效缓解钻杆的托压现象,但常用的减摩阻工具有较多活动部件,加工复杂且易损坏。为解决托压问题,延长减摩阻工具的使用寿命,设计了一种无活动部件且适用于小井眼开窗作业的减摩阻工具(水力振荡器)。基于数值模拟技术开展了水力振荡器在不同流量、流道深度和出口直径下的工作特性研究,并进行室内试验以验证工具性能。研究结果表明：水力振荡器能形成周期性压力波动;压力波动值、波动频率分别随流量呈二次函数关系、线性函数关系;压力波动值、波动频率随流道深度的增加而减小;压力波动值随出口直径变大而减小,但出口直径过大时将不能形成压力波动;数值模拟和试验之间压力波动值的相对误差为14.3%,表明水力振荡器结构设计合理且模拟结果可靠。研究结论可为水力振荡器的工程应用提供理论指导。     

水力脉冲空化射流钻井机理与试验

在分析水力脉冲与空化射流调制机理的基础上,设计出一种新型水力脉冲与空化射流耦合的水力脉冲空化射流发生器,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动.钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流,产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,从而提高井底净化和辅助破岩效果.塔里木盆地6口井的现场试验结果表明,水力脉冲空化射流钻具对钻头类型、地层特性、钻井液密度、排量、动力钻具等具有良好的适用性,机械钻速提高10.1%～53.4%.水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点,完全可以满足现场的需要.水力脉冲空化射流技术将为提高深井钻速提供一种切实有效的途径,具有较好的推广应用价值.图4表4参12     

低压耗增强型水力振荡器的研制与现场试验

应用水力振荡器可以解决复杂结构井钻井过程中存在的摩阻大、托压严重等问题,但常规水力振荡器压耗高,易使地面机泵超负荷运转而出现故障.为此,通过采取在振荡短节中增加1个固定活塞、增大偏心阀过流孔直径、在花键芯轴的花键端部和底部过渡位置增加过流槽等措施,对常规水力振荡器的结构进行了优化,增大了活塞反馈面积和过流面积,降低了水...     

神木区块水平井钻井提速与钻井液优化研究

神木区块上部延长组由于地层压实作用小,渗透性强、可钻性极好、泥岩段吸水膨胀快,常出现全井段缩径;刘家沟组和石千峰组地层可钻性极差且造浆性极强,常出现钻头泥包;为了满足斜井段正常施工,钻井液相对密度达到一定程度时导致刘家沟底界发生压差渗透性漏失;进入山西组出现大段的煤层,常出现煤层垮塌;在 水平段施工期间,由于部分砂岩储层发育较好,渗透性极强,孔斜度较大,常导致渗透性漏失,这些情况的出现,严重制约着钻井提速!不仅增长了钻井周期,还严重影响着钻井井身质量、钻井速度、钻井成本和施工风险。为此,结合神木区块低成本开发实际,进行该区块的钻井液优化设计,制定了具体的措施,形成了该区块提速的钻井液技术,在钻井中得到推广应用,取得了较好的应用效果,为该区块低成本开发提供了技术支持。     

水平井水力裂缝延伸物理模拟试验研究

试验研究水平井裂缝扩展形态,对于正确认识水平井压裂机理具有重要的意义。根据水平井模拟压裂试验的要求,对中国石油大学(北京)岩石力学试验室组建的一套大尺寸真三轴模拟试验系统进行了改造和完善。研究共进行了2组模拟压裂试验,第1组试验研究水平井方位的变化对裂缝起裂和扩展的影响,而第2组试验研究水平主应力比由原来的1.5变为2.0时裂缝起裂和扩展的情况。结果表明:水平井水力裂缝并非发生在与最小地应力垂直的方向,在水平方向的2个主应力差异小时,水平井的水力裂缝的扩展方向具有随机性;在相同物理条件下,裂缝的起裂及近井裂缝形态除了与井筒方位角有关外,还受地应力大小比值的影响。     

水平井套管柱抗弯强度设计与扶正器安放设计的试验研究

通过室内台架试验与理论研究，对水平井套管设计与强度校核中套管抗弯强度安全系数的取值与水密封性能及套管扶正器安放间距设计的新方法进行了研究。