频率可调脉冲提速工具深井提速现场试验研究

脉冲射流技术是提高钻井机械速度的一种有效方法。根据机械强制脉冲与自激振荡脉冲相结合的原理,研制了频率可调脉冲提速工具。现场2口井的试验结果表明,频率可调脉冲工具在深井井段提高机械钻速21.30%⁵9.17%,提高钻头进尺36.07%59.17%,提高钻头进尺36.07%¹48.15%。频率可调脉冲提速工具结构简单、可靠性高,在现有钻井设备和工艺参数基本不改变的情况下,能在深井下部地层取得较好的提速效果。作为一种能有效提高钻井机械钻速的技术,频率可调脉冲提速工具在深井钻井中具有广阔的应用前景。     

负压脉冲射流辅助钻井模拟试验研究

负压脉冲射流是以负压脉动为特征的非连续射流。通过在钻头上部使用负压脉冲射流调制器，使井底压力产生负压脉动，能够瞬间减小井底岩石上的压持效应，降低岩石的抗破碎强度．从而达到提高机械钻速的目的。利用中围压模拟钻进试验系统进行了负压脉冲射流辅助钻进效果试验。通过在天然砂岩岩心中钻进，考察了负压脉动值、围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响。试验结果表明。随着脉动负压值的增加。负压脉冲射流辅助破岩钻进速度线性增大；围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响较常规钻井小；与常规钻井相比。室内模拟钻井试验条件下负压脉冲射流辅助钻井可以使钻速提高0．7～3.0倍。     

负压脉冲钻井技术理论及方法

国内油气勘探开发逐渐向深部地层发展,钻井施工中遇到的地层更加复杂、坚硬,岩石可钻性级别不断上升,机械钻速大幅度下降。井底负压脉冲技术既可实现井底负压又可提高射流能量,因此在提高深部地层机械钻速上具有独到的优势。分析了负压脉冲钻井提高机械钻速的原理及特点,介绍了国内外具有代表性的几种负压脉冲工具的工作原理及特点,着重介绍了胜利油田MCP-178型机械阻断式脉冲钻井工具的研制与应用,对提高深部地层钻井速度,降低钻井成本具有重要意义。     

水力脉动冲击钻井工具初步研究与试验

掘力脉动冲击钻井是将水力脉冲、机械冲击振动结合为一体提高钻井速度的一种方法，介绍了辽河油田研制的脉动冲击钻井工具的结构、工作原理及现场试验情况。在潜山混合花岗岩、砂岩，硬脆性泥岩等不同地层的现场试验表明：水力脉动工具工作平稳，未出现蹩跳钻现象，也没有出现脱、落、断、掉等问题，主体安全性、可靠性较好；在潜山混舍花岗岩、砂岩、硬脆性泥岩地层机械钻速提高幅度较大，但在部分泥岩地层效果不佳。试验中发现密封圈耐温性差、脉冲腔易磨损等问题，并据此提出了水力脉动冲击工具的下一步研究方向。     

自激振荡式旋冲工具在深井超深井中的试验应用

针对深井、超深井钻井机械钻速低的问题,根据调制水力脉冲激发钻头冲击振动的原理,研制了自激振荡式旋冲钻井工具。工具性能参数测试结果显示,工具产生的压力脉动与冲击力随排量的增加而增大。在塔河油田进行了3口井的试验应用,结果表明,自激振荡式旋冲钻井工具研制思路正确可行,与钻头类型、地层岩性、钻井液密度和排量等相关钻井参数具有良好的适应性,机械钻速相对提高31.8%~80.5%。自激振荡式旋冲钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长、延缓PDC钻头磨损等特点,可推广性较强,为深井、超深井钻井提速提供了一条有效的技术途径。      

井下它激振荡脉冲射流机理研究

在油气井钻井中,为了充分利用井下水力能量,利用井下环空流体液柱压力作为激励源,实现了它激振荡脉冲射流.探讨了井下环空流体作为它激源实现它激振荡脉冲射流的机理,建立了物理模型.利用室内实验研究揭示了井下水力它激振荡脉冲射流的机理,为井下水力增压的研究提供了理论依据.实验结果表明,它激共振腔结构参数(容积,上、下喷嘴直径,比值),它激孔位置、数量、直径以及水力参数(流量、射流速度、环空液柱压力)是影响它激作用的重要因素.在实验条件下,共振腔自增流量为泵入流量的20%左右;它激振荡脉冲射流出口动压力比自激振荡脉冲射流提高两倍.     

双向耦合冲击钻具设计与数值模拟

为了提升硬质地层破岩效率,满足深井、超深井钻井的提速需求,结合扭转冲击破岩及水力脉冲空化射流提速方法的特点,提出了双向耦合冲击钻井提速方法,并基于该方法研制了新型双向耦合冲击钻具。分析了双向耦合冲击提速方法及工具的结构特点,并从理论上进行了可行性分析与论证。采用数值模拟的方式分析了脉冲射流结构流场压力变化规律和脉动特性。分析结果表明：随着排量的增大,脉冲结构入口和出口压力脉动幅值呈线性增大,压降呈幂次方增长;叶轮叶片数量增加,入口和出口压力脉动幅值减小,但对压降的影响不大;叶轮直径增大,出口压力脉动幅值和压降均增大;振荡腔体中心流道直径增大,出口压力脉动幅值和压降均减小。研究结果可为双向耦合冲击钻具的系统化设计及现场应用提供理论支撑。     

环空液体它激振荡脉冲射流数值模拟

钻井过程中,对于如何利用井下环空液体的水力能量问题是钻井界关注的重大理论与实践问题。为此,利用这个水力能量作为它激源,形成它激振荡脉冲射流的方法,基于流体动力学、瞬变流和边界层理论．采用CFD软件,对它激共振腔的流体流动特征、几何参数和流体参数进行了数值模拟。结果表明,在相同条件下,它激振荡自增流量可达20％左右,出口动压力比自激振荡脉冲射流提高一倍左右,环空返速对自增流量的影响极小,模拟结果与实验结果十分吻合,提高了井底辅助破碎岩石的水力能量。在此基础上,对它激共振腔的结构参数进行了优化设计,为开发新产品提供了理论依据。
     

低压脉冲空化射流复合钻井技术

低压脉冲空化射流复合钻井技术是在钻头与钻具组合之间安装一个低压脉冲空化射流调制装置,通过其对射流进行调制,产生脉动低压改变井底岩石的受力状态,降低抗破碎强度,提高钻头机械破岩效率,同时变常规连续射流为空化射流,增加井底水力破岩和清岩效率,进一步提高深井钻井速度。塔河油田现场实验结果分析表明,实验井段5349～6162m,纯钻时间为129．36～136．63h,低压脉冲空化射流调制器工作正常,与临井相同井段对比,机械钻速平均提高40．6％～85．1％。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田的应用

自激振荡式旋转冲击钻井工具是安装于钻头与钻铤之间.钻井液流经该工具的自激振荡器产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;同时钻井液高速流经振荡器所产生的脉冲射流作用于井底,改善井底岩石的受力状况和井底流场,强化清洗效果,从而有效提高钻头的破岩效率.自激振荡式旋转冲击钻井工具在大港油田共进行了7口井试验,试验井段机械钻速提高20.57％一132.63％,为中深层钻井提速开辟了新途径.     

高温高压对超深井钻井液密度的影响

井眼内钻井液密度是进行各种钻井施工和设计的必要的基础数据,高温高压环境下的超深井钻井液密度不再是一个常数,而是随温度和压力的变化而变化,因此有必要对超深井钻井中高温高压对钻井液密度的影响进行研究。利用高温高压钻井液密度模拟实验装置,采用胜科1井现场配制的超深井钻井液,测量了温度、压力对超深井水基钻井液密度的影响特性,根据测量结果,建立了温度、压力影响下的水基钻井液密度预测模型。结果表明,水基钻井液密度受温度变化影响比受压力变化影响大,随着温度、压力的增大,钻井液密度降幅较大,同时,高温高压下钻井液更具有可压缩性。建立的预测模型为合理确定现场钻井液密度范围提供了一种新方法。     

自激式涡流控制水力振荡器研制与应用

自激式涡流控制水力振荡器具有无易损件、制造成本低和压降小的优点，可减小钻进过程中的摩阻，降低压差卡钻的可能性，改善钻压传递效果，提高机械钻速。为了解决大位移井、长水平段水平井钻井过程中的高摩阻问题，研制了自激式涡流控制水力振荡器。该振荡器由稳态射流元件和涡流可变液阻区2部分组成，主要利用射流的附壁效应和特定的流道形式产生周期性涡流，以产生轴向振荡。采用二维平面模型，基于计算流体动力学方法，采用数值模拟方法，分析了自激式涡流控制水力振荡器内部的流动状态和其性能参数与入口流量的关系。数值模拟结果表明，自激式涡流控制水力振荡器的主要性能参数压力脉动幅值与入口流量呈平方关系，压力脉动频率与入口流量呈线性关系。现场应用表明，自激式涡流控制水力振荡器不仅能显著提高机械钻速，而且不会对随钻测量工具产生影响，具有结构简单、功能可靠和工作特性优良的特点。      

深水动态压井钻井井筒压力模拟

动态压井钻井技术可有效解决深水表层钻井过程中出现的溢流或井漏、井塌等井下复杂事故。为研究深水表层动态压井钻井过程中的压力变化特征,结合动态压井钻井基本原理,建立了动态压井钻井井筒物理模型,通过设定海水和加重钻井液的初始排量、排量随时间的变化率,推导出了变排量、变密度模式下的动态压井钻井井筒压力数学模型。根据墨西哥湾深水钻井实例数据,计算分析了动态压井钻井过程中环空密度、环空压力、环空压耗以及井底压力随时间的变化关系。结果表明,动态压井钻井技术的关键在于通过实时调整海水排量、加重钻井液排量控制混浆密度,进而控制环空液柱压力,达到深水表层安全钻井的目的;机械钻速是影响井底压力的重要因素,机械钻速越大,由岩屑产生的附加密度越大,井底压力越大。     

Hydraulic Pulsed Cavitating Jet-Assisted Drilling

Abstract

How to improve drilling rate in deep wells has been a hot subject. Based on modulating pulse jet and cavitating jet, a new drilling tool is designed which couples advantages of both pulse jet and cavitating jet. When drilling fluid flows through the tool during the drilling process, fluid is modulated to pulse and cavitate. Thus, pulse cavitating jet is formed at the outlet of the bit nozzle. Because of jet pulsation, cavitating erosion and local negative pressure affect bottomhole rock. Cleaning and breaking is enhanced and penetration speed is improved. Oil field tests in five wells show good applicability of the tool to bit types, formation, drilling densities, flow rates, and dynamic hydraulic drilling motors, etc. As a result, penetration rates are improved ranging from 10.1 to 31.5%; the maximum working time is about 235.5 hr in downhole. Pulse and cavitating jet coupling will afford an effective means to improve drilling rate for deep wells.     

西非深水JDZ-2-1井钻井工程整体风险分析

由于深水钻井具有高投资、高风险的特点,在西非深水JDZ-2-1井钻前对其进行风险评价,对做好应急备案具有重要意义。分别阐述了雷暴、暴风、波浪、潮汐、雾、水深、水下洋流、浅层地质灾害、天然气水合物、异常压力、狭?的地层孔隙/破裂压力窗口和地震因素等对深水钻井作业的影响及危害,并结合JDZ-2区块的实际自然环境和地质条件,利用层次风险评价方法（APH）,按照深水钻井常规作业的组成部分,建立钻井工程整体风险层次结构,对其进行整体风险评价。分析结果表明,JDZ-2-1井在钻井液性能受到各因素的影响较为明显时,其风险值最大,而钻进作业、取心和测井作业风险次之。该分析研究为制定应对风险的措施提供了参考。     

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     

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经过钻探证实,南海莺琼地区中深部地层同时存在着高温高压。实践也证明,高温高压在地层中的同时存在,比只是常温常压地层或者是高温常压地层、常温高压地层,给钻井作业造成的困难和风险大很大。南海西部石油公司组织人员,针对南海莺琼地区高温高压井钻井作业中遇到的问题,对国内外高温高压井的作业情况开展考察、研究,对适合南海莺琼地区高温高压井钻井的技术,进行了初步的探索,并取得初步认识。文章主要是在介绍南海莺琼地     

井下压力温度测试工具的开发应用

由于深层勘探钻井中井底压力温度的不确定性，以及井内油、气、水和岩屑等多相流的复杂特性，很难在井底保持某一确定的压力范围，经常出现各种复杂的钻井工程事故。另外，常规的MWD或LWD在多相流条件下难以测量井内压力，虽然国外开发的电磁随钻测量系统(EMWD)可以解决问题，但成本很高。介绍了一种用以测量深层气探井井底压力、温度的新型测试系统，起钻后对测试数据进行分析处理，能够解决井底压力控制问题。大庆油田应用该系统为深层钻井完井设计施工提供了准确的井下数据，同时建立了一种新的随钻气层解释方法。该系统结构简单，成本低，应用该系统完成了达深2井和徐深6井深层气探井的钻井作业，在徐深6井完井压裂后获得工业气流，取得较好的勘探效果。     

深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向

"十二五"期间,为解决塔里木、四川等盆地超深油气藏勘探开发所遇到的深井超深井钻完井难题,中石油研制了一批具有自主知识产权的重大装备、工具、仪器、工作液等,包括:①8 000 m钻机、四单根立柱超深井钻机、5 000/7 000 m钻机管柱自动化处理装置、精细控压钻井技术与装备、双燃料/高可靠性钻机动力机组、气体/欠平衡钻井装备等6项深井超深井核心装备;②自动垂直钻井工具、涡轮钻具、高效PDC钻头、系列复合钻头、水力脉冲提速工具、钻井井下安全监控系统、顶驱下套管装置等7项核心工具;③高温高密度水基钻井液、油基钻井液、高温大温差固井水泥浆、韧性水泥浆体系等4项钻井液和水泥浆体系。研究认为,"十三五"期间深井超深井钻完井所面临的挑战包括:深井超深井高温、高压、窄密度窗口、井筒完整性等,以及降本增效的巨大压力,亟待在深井超深井高效运移钻机、高效破岩钻头和辅助工具、井筒完整性、井下宽带信息传输技术等方面开展攻关并力争取得技术突破。结论认为:上述研究和试验成果有力地提升了中石油超深井钻完井的能力和水平,将对中石油油气勘探开发业务起到重要的支撑作用。