小井眼钻井装备及配套工具新进展

介绍了近年来国内外开发和研制的小井眼钻井装备及配套工具 ,包括小井眼钻机 ;小井眼井下钻具 ,如各种小井眼钻头、钻井液马达、小井眼用高强度特殊钻杆、减小钻柱振动和疲劳破坏的井下工具、射流冲击器、小井眼打捞和震击工具、小井眼钻具报警系统 ;小井眼连续取心装置 ;小井眼井控设备 ;小井眼固井工具等。对发展国内的小井眼钻井技术提出了建议     

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响,取得上千组试验数据。试验结果表明:随环空返速增加,小井眼环空压耗增加很快;在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降,但下降幅度很小,在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大;随偏心度增大,环空压耗降低;随环空间隙减小,压耗对钻柱旋转变得更为敏感;随钻井液幂律流性指数增加,环空压力损耗增大;随宾汉塑性粘度增加,环空压耗增加;随钻井液密度增加,环空压耗增大;钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。     

小眼井环空压力损耗计算

在常规井眼环空压力损耗计算模型基础上，根据小眼钻井特点提出了小井眼环空压力损耗的理论模型，探讨了以钻井液流变性、钻柱偏心、钻柱旋转和钻柱接头为主要影响因素的直井、近直井小间隙环空压力损耗计算问题，同时给出了模型中各因子的确定方法。通过实例计算，定量分析了钻柱偏心、钻柱旋转和钻柱接头对环空压力损耗的影响。     

小井眼直井SAGD数值模拟

在阿萨巴斯卡油藏MacKay River SAGD工艺的基础上,使用油藏属性和操作条件进行了二维和三维数值模拟。研究了小井眼直井对与水平井对的横向偏移为7m的、油藏中有无页岩层或泥岩夹层的影响,以及小井眼井的截面和小井眼井的间距对SAGD性能的影响。同时,研究了油藏、小井眼井渗透率的影响以及从注入井或生产井上钻出的水平小井眼的效果。小井眼井是利用高渗透垂直通道采用加密网格来实现的,而各小井眼井之间气体和液体的对流是通过调整小井眼井的相对渗透率来实现的。对于一个有连续页岩层的油藏,小井眼直井提高了SAGD性能,因为在页岩层上方形成了第二个蒸汽腔,采收了之前无法采出的原油。     

小井眼环空压力损耗计算

在大井眼环空压耗计算模型的基础上，根据小井眼钻井的特点，从理论上分析了影响小井眼环空压耗的诸多因素，建立了以钻井液流变性、钻柱偏心，钻柱旋转和钻柱接头为主要影响因素的直井、近直井小间隙环空压耗计算模型，同时给出了模型中诸因子的确定方法。为便于现场应用，给出了计算步骤和计算实例，定量分析了钻柱偏心、钻柱旋转和钻柱接头对小间隙环空压耗的影响。     

小井眼环空循环压耗预测系统方法

结合小井眼钻进的实际工况建立了适合小井眼的循环压耗计算模型。该模型考虑了钻杆接头、钻柱旋转和钻柱偏心对循环压耗的影响，适用于幂律和HB钻井液流变模式。应用该模型编制的软件对某井进行了循环压耗校核计算，相对误差小于10％，表明该方法具有较高的准确性，能够应用于小井眼水力参数设计、现场分析和指导施工。     

小井眼环空压耗模式的建立及其在吉林油田的应用

小井眼环空压耗计算与常规井不同。文中通过对大量试验数据分析,回归得到了钻柱旋转和偏心弯曲对小井眼环空压耗影响的经验模式,并在常规井压耗模式基础上建立了小井眼环空压耗模式。给出了小井眼中由轴向流动雷诺数和旋转泰勒数共同判别钻井液流态的经验表达式。编制了小井眼水力参数优化和钻井液流变参数优选的程序。计算结果表明小井眼中的环空压力损失与钻柱内压力损失的比值高达25%~30%。利用吉林油田庙1-40井的数据,对理论模式及室内试验结果进行了现场验证。验证结果表明,利用文中建立的小井眼压力损失模型去预测现场小井眼中的压力降,相对误差在6%以内,证明所建立的压耗模型完全可以满足工程施工的需要。对该油田庙5-40井水力参数进行了预测计算,计算结果同样表明了模式的准确性。     

水力加压器的研制与现场应用

随着大斜度井、水平井钻井工艺技术的日趋成熟和小井眼井技术的应用和发展,受井斜角增加、井壁摩阻大及小尺寸钻具刚性差等因素影响,常规钻井中传统的依靠钻柱重力施加钻压的方法已经不能很好地满足施工需要。为此,研制出一种利用柔性水力施加钻压的井下工具——水力加压器。从水力加压器的功能、结构、特点、技术参数、使用方法、性能试验等方面进行了详细阐述,台架性能试验中,该产品性能和可靠性达到了设计要求。经现场直井段应用验证,该水力加压器使用效果良好,钻压施加稳定,提高了机械钻速和钻井质量,明显减轻了钻柱振动,延长了钻具使用寿命。     

卫侧317-7井小井眼侧钻钻井实践

介绍中原油田卫侧317－7井小井眼侧钻的施工情况，分析了该井轨迹控制的特点、钻具组合特征、完井方法等，指出目前小井眼侧钻技术中的可取与不足之处，反映出中原油田目前小井眼侧钻技术的基本情况。     

小井眼波动压力影响因素分析

在常规井眼中，钻柱在充有钻井液的井筒内运动时会引起波动压力，破坏井眼系统压力平衡，导致井喷、井漏和井塌或卡钻等井下复杂情况和事故。在小井眼中，由于水力学系统各流道组合发生了改变，预测和控制小井眼波动压力就显得尤为重要。结合小井眼钻井实例，定量分析了有关因素对小井眼波动压力的影响，提出了在小井眼起下钻中，严格控制起下钻速度的重要性。     

三维井眼全井钻柱系统动力学模型研究

依据Hamilton原理,利用有限元法建立了综合考虑钻柱纵向横向扭转耦合振动、钻柱与井壁的碰撞及摩擦、钻井液对钻柱的黏滞阻尼、钻柱内钻井液对运动钻柱的弯曲效应、环空钻井液对运动钻柱的压差效应、地层压差效应、屈曲对摩阻的增益、钻头与岩石相互作用等因素的三维井眼全井钻柱系统动力学模型。研究了具有不确定性和动态边界的大型非线性系统的求解方法,开发了钻柱系统动力学特性仿真软件。该软件可以计算任意钻井参数、钻具组合、钻井液参数及地层参数下任意钻柱单元的动力学特性参数(包括位移、速度、加速度、载荷等)。     

深井钻具纵向振动规律分析研究

以深井中的整体钻柱为研究对象 ,建立了深井钻柱一维纵向振动分析模型 ,采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程 ,并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件 ,最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。通过对现场的统计分析发现 ,该分析计算结果具有很高的实用价值 ,对今后深井钻进中提高钻井效率、减少钻具失效有一定的指导意义     

小井眼环空循环压耗计算

小井眼钻井的技术关键是环空水力学。小井眼钻具外径与内径之比较大,环空间隙较小,引起环空压耗、钻井液流变性发生较大变化,许多常规钻井中可忽略的因素在小井眼中却显得尤为重要。用Her-schel-Bulkley模式描述钻井液的流变性,考虑钻柱偏心和旋转对钻井液在环空和钻柱内流动的影响,导出了计算小井眼环空循环压耗的模型,将所建立模型和传统方法的计算结果与实测数据比较表明,该模型具有较高的精度,可以满足现场作业的要求。     

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞,建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程,还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收,并用Newmark法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验,对理论计算结果进行了验证,也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田14口小井眼井应用表明,由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故,防斜性能也比较好,机械钻速得到明显提高。     

气体钻井钻具失效预防技术研究与应用

气体钻井中钻具失效频率明显高于钻井液钻井。失效钻具检验与分析表明,钻具失效类型为疲劳或腐蚀疲劳,钻具腐蚀类型为氧腐蚀。钻具失效的主要原因是：氧腐蚀与冲蚀、钻具疲劳（由钻柱反转、钻柱纵向振动、井眼弯曲引起）、钻具带伤工作、钻铤螺纹连接弯曲强度比不足等。空气锤冲旋钻井技术、钻柱防共振技术、加强钻具探伤及使用新钻具等能够有效预防和减少钻具失效。特别是牙轮气体钻井中,利用钻柱振动分析软件优选钻具组合和转速来避免钻柱共振以及及时对钻具进行探伤非常重要。这些措施已经成功应用于普光及周边区块,与2006年相比,2007年度、2008年度钻具失效频率分别降低37．7％和57．5％。此外,建议加强钻杆管体探伤、空气螺杆复合钻井技术、防涡动稳定器、选用API螺纹钻铤、钻柱振动监测与钻井参数优选相结合等方面进行综合研究和实施来全面预防钻具失效。     

钻柱拉力扭矩模型在侧钻水平井中的应用

在油气井作业中,由于钻柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻井和修井作业均有很大的影响，甚至成为作业成败的关键。钻柱的拉力和扭矩分析是水平井和大位移井设计和施工的重要内容。为此，介绍了钻柱拉力扭矩分析的数学模型、钻柱稳定性判别方法和屈曲后的附加压力和附加应力的钻柱强度校核方法。对钻进过程中的G104-5CP12侧钻水平井钻柱的各种运动状态进行了力学分析。计算表明，在正常施工过程中钻柱一直处于稳定状态，具有比较大的安全系数。     

底部钻具振动特性分析及信息传输实验

振动问题一直是引起底部钻具失效的主要原因,对其进行研究能减小钻具损害和各类井下事故的发生。设计了振动测量系统,测量了底部钻具组合(BHA)在井底受到的各类作用力下的振动特性并分析了其规律,利用钻柱的振动特性传输井下信息。BHA振动实验是在分析井下钻柱受到的作用力的基础上,通过对某组合的钻柱施加3种典型的井下作用力进行实验,利用设计的振动测量系统检测并分析数据,得到BHA的部分振动规律;信息传输实验是以钻柱为媒介、振动波为载体,在激励端施加信号、接收端分析钻柱传递的信号的初步试验。把钻井作业中几种常见行为引起的振动进行了分类实验,定性分析了各种作用引起的振动特征。该研究是国内对底部钻具各类振动及利用振动传输信息的全面研究。     

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在深井和硬地层钻井中，地质构造复杂、地层倾角大、地层研磨性强，机械钻速低、钻具失效严重，钻柱设计是其中的制约因素之一。为此，文章提出以钻柱的强度和沿程水力损失为依据，对深井、强化钻井钻柱设计进行了探讨。针对Φ127 mm钻杆在深井、强化钻井的不足，提出采用Φ139.7 mm或Φ149.2 mm钻杆；对深井尾管段小井眼，针对88.9 mm钻柱的不足，提出采用Φ102 mm钻杆。同时,以钻杆材料的力学性能为例，指出在正确认识API标准的基础上，制定高于API标准的企业标准势在必行。     

小井眼环空水力学评述

讨论了小井眼环空水力学中的环空压耗的理论及其主要影响因素,导出了环空压耗的具体表达式,描述了库特流、戴劳旋涡和戴劳数等流变模式,钻具的各种运动形式,钻井液粘滞性及流变性对环空压耗的影响。小开眼钻具外径与内径之比(k值)较大,环空间隙较小,引起环空压耗、钻井液流变性、流态发生较大变化,许多常规钻井中可忽略的因素在小井眼中却显得尤为重要。     

气体钻水平井的钻柱振动分析

在水平井的钻井过程中,钻柱处于复杂的运动状态,振动是一种常见的现象,钻柱的共振是引发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大,容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象,利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动,建立了钻柱各种振动的模型;通过实例分析获得了钻柱振动的规律,得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。