微小井眼电机驱动CT牵引器控制系统设计

微小井眼连续管(CT)井下作业技术在钻井、测井、修井、完井、气举采油等方面优势突出,但因微小井眼直径小,CT在井眼中不旋转,井下遇阻严重,送进困难,严重影响该项钻井技术的应用与推广。在分析国内外牵引器研究现状的基础上,设计了一种微小井眼井下电机驱动CT牵引器控制系统。该系统直接利用4个伺服电机驱动与控制牵引器牵引井下CT下入和取出,减少了利用循环液驱动时对液压能的依赖性和利用循环液压阀来控制管路的复杂性,节省了液压管路的空间,使作业过程能正常循环井底液体。CT牵引器控制系统适用于小井眼井下牵引作业,稳定性好,牵引灵活,牵引速度快,解决了因井下CT摩阻较大,下入和取出困难等技术难题,增加了CT在井下的延伸长度,将促进我国微小井眼CT井下作业技术发展。     

微小井眼水力加压器结构设计及钻压计算

微小井眼钻进过程中,连续管的直径小、刚度低,采用传统的钻铤施加钻压不能满足钻井需要,为此设计了一种用于88.9mm井眼的微小井眼水力加压器。综合考虑井下马达、水力加压器以下钻柱与井壁的摩擦力、水力加压器运动部件与缸体内壁的摩擦力等因素对井底钻压的影响,建立了水力加压器串联在井下马达上方时井底钻压计算模型,通过对模型的求解可以得到钻井液流量、喷嘴直径与钻压关系曲线,为水力加压器在微小井眼钻进中的应用提供了理论依据。     

基于R-S模型的微小井眼钻井连续油管内钻井液流阻计算分析

微小井眼连续油管（CT）滑动钻井技术是一项易于实现钻井信息化、自动化和智能化的高效、低成本、环保的新型钻井技术，有广泛的应用前景。但微小井眼钻井使用的CT内水眼直径小，钻井液的流阻大。针对该问题，运用数值模拟方法，使用R-S模型计算微小井眼钻井在滚筒上和井筒中CT内钻井液流阻，分析微小井眼钻井CT内钻井液流阻与CT内水眼直径、循环流速、CT长度或井深、滚筒直径、钻井液密度等参数的定量变化规律。结果表明：微小井眼CT钻井技术可使用的CT管柱外径为44.45～73.03mm，可使用的钻井液流速为2～3m/s。该研究结果对于推动微小井眼CT钻井技术在中国的推广使用有一定理论意义。     

基于赫-巴模型的微小井眼连续油管钻井环空流阻计算分析

微小井眼连续油管（简称CT）钻井井眼直径小,井眼环空中钻井液流阻较大,严重制约微小井眼CT钻井的推广应用,根据微小井眼CT钻井特点,运用非牛顿的赫-巴流体循环流阻计算模型,分别计算不同外径、不同长度的CT在不同偏心度情况下钻Φ89.0mm井眼时的环空流阻,研究微小井眼CT钻井环空流阻随CT外径、长度、井眼偏心度、流速等参数的变化规律。结果表明：使用外径为25.4～73.0mm的CT钻井,推荐CT环空钻井液流速为0.54～3.10m/s。该研究可解决微小井眼CT钻井循环流阻较大的问题,推动微小井眼CT钻井技术的应用与发展。     

水平井自扶正式电缆牵引器的设计

在水平井测井、修井等作业过程中,通过电缆牵引器可将仪器输送至井下准确位置,能大大降低成本,缩短作业时间。针对牵引器在井眼中的牵引力、越障能力以及井眼适应能力不足的问题,设计了一种水平井自扶正式电缆牵引器。该牵引器主要由地面控制系统和上、下2组牵引装置组成。牵引装置的传动齿轮机构啮合性好、传动稳定,牵引器控制灵活;呈120°轴向均布的3组驱动机构起自扶正作用,能大大缩短牵引器的整体长度,提高牵引器在井下驱动的稳定性、承载能力和适应井眼能力,增强牵引器在井下作业的柔性弯曲适应能力和越障能力。     

气体钻水平井用减阻器

在气体钻大位移定向井、 水平井中, 随着井眼的延伸, 摩擦阻力越来越大, 使得钻压难以施加到钻头上, 使钻井无法继续进行; 此外, 还使得卡钻等井下事故频繁。文章介绍的钻具减阻器不仅能降低钻具在滑动钻进中的摩擦阻力, 并且能满足旋转钻进时对钻具的要求, 同时减小旋转钻进时的扭矩, 满足气体钻水平井、 大位移水平井等特殊工艺钻井的需求。     

基于赫—巴模型的微小井眼钻井连续油管内钻井液流阻计算分析

微小井眼连续油管(CT)钻井技术具有诸多优点,但微小井眼尺寸小,导致钻井液流动空间小、排量较小、返速较高、循环损失较大,限制了该技术的推广使用。为解决微小井眼CT钻井循环钻井液流阻过大的问题,基于赫—巴模型,结合微小井眼CT钻井的特点,计算了CT内钻井液流阻,探讨了CT内钻井液流阻与钻井液平均流速、CT长度或井深、CT内水眼直径、滚筒直径等参数的关系。研究结果表明:①滚筒上CT内流阻随钻井液流速增大而呈线性增加且增加幅度更大,使用小排量进行钻进能降低滚筒上的流阻;②滚筒上和井筒中CT内钻井液流阻均随CT的长度增加呈线性增加,而随着CT内水眼直径增加呈线性减小,钻深井时,可使用大管径进行钻进;③CT内钻井液流阻受滚筒直径的影响很小,但随钻井液的流速增大呈线性增加,因此当滚筒上缠绕的CT较长时,可使用多个滚筒进行缠绕,以降低滚筒上CT内钻井液流阻。结论认为,寻找控制和减小微小井眼钻井CT内钻井液流阻的方法和优选适合CT钻井的相关参数,有助于加快该技术的推广应用。     

水平井可差速电缆牵引器设计

为解决水平井中井下仪器下入的难题,设计了水平井可差速电缆牵引器。介绍了机械机构和工作原理。根据差速传动特性设计了传动机构,将电机输出的扭矩分配到各驱动轮上,使牵引器两侧驱动轮可差速调节。在力学分析的基础上设计支撑臂长度,使牵引器在不同直径井眼内能产生足够正压力。该电缆牵引器避免了驱动轮与井壁产生滑动,从而提高了牵引器的负载能力和对井眼的适应性。     

井下机器人研究进展与应用展望

针对水平井测井、压裂等作业中井下管柱下入困难的问题,国内外开展了井下机器人的研究与应用。根据井下机器人的结构特点及功能,将其分为井下牵引机器人和井下钻井机器人2大类,并详细介绍了其支撑机构、驱动系统、控制系统和能源供给系统等4大关键技术的功能、设计方案及性能参数。同时,总结归纳了国内外井下机器人的最新研究进展,指出小型化和安全性是井下机器人研究的目标、伸缩式智能控制钻井机器人是井下钻井机器人的主要发展方向,并基于井下机器人技术提出了连续油管多分支微小井眼水平井完井技术、连续油管智能闭环钻井技术和无线单桥塞水平井分段压裂技术。研究结果为我国井下机器人的研究、设计和应用提供了参考和借鉴。      

钻井机器人的连续油管钻压和钻速控制模型

连续油管钻井机器人利用机身内外的钻井液压力差作为动力源，可在牵引连续油管的同时加载钻压。以钻井机器人为基础，建立连续油管钻柱动力学模型，并推导出通过钻井液排量控制钻压和钻速的单参数控制数学模型；对钻井机器人引入调速回路，建立具有调速功能的钻柱动力学模型；在溢流阀调定压力大于机身内外压差时，推导出利用钻井液排量和节流阀流通面积两种参数控制钻压、钻速的数学模型，在溢流阀调定压力小于机身内外压差时，推导出利用钻井液排量、节流阀流通面积和溢流阀调定压力3种参数控制钻压、钻速的数学模型；以11.43 cm（4.5英寸）井眼为例，对上述3种数学模型进行了分析。分析结果表明：钻压、钻速随钻井液排量的增加基本呈线性增加，在钻井液排量大于0.005 m³/s时，钻井机器人能够向前爬行，在钻井液排量大于0.005 7 m³/s时，钻头能够正常钻进；调节节流阀流通面积和溢流阀调定压力，可以在一定范围内无级调钻压和钻速；3种控制方法相结合，可以实现小排量、大钻压，及大排量、小钻压等钻井参数的控制。以控制模型为基础，针对不同井下工况建立钻进工艺的专家数据库，以钻井机器人为"大脑"，结合井下随钻测量数据就能够实现闭环控制，自动钻进。     

定向井滑动钻进送钻原理与技术

定向井和水平井钻进经常采用滑动钻进方式。地面间歇向井内送入钻杆是如何转化成井下钻柱对钻头的推进的？如何减小钻柱与井壁的滑动摩擦力给钻压带来的误差？现有的滑动钻进送钻技术各有什么优缺点？这些都是业界关心的问题。为此,把钻具送到井底并加上钻压,暂停地面送钻操作的工况作为研究区间,分析了井底的钻柱弹性、水力振荡器和液力推进器3种送钻原理。阐述了带井下动力的钻具组合、带水力振荡器的钻具组合和带液力推进器的钻具组合的滑动送钻技术,给出了地面钻进参数与井底钻进参数的关系。进而比较了3种送钻技术的特点：带井下动力的钻具组合在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进;带水力振荡器的钻具组合依靠其产生的水力振动来降低钻柱与井壁间的滑动摩擦力,改善钻压传递效率;带液力推进器的钻具组合在其工作钻压区间,依靠活塞推动钻头前进。结论认为,带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优,钻压可调、平稳,液力推进器可串联使用,钻进时可以活动上部钻柱。     

连续管钻井减摩技术综述

连续管钻井应用越来越广泛,但由于连续管弯曲和连续管不旋转造成连续管钻井摩阻较大,限制了其应用范围,因此,减摩降阻成为连续管钻井扩大应用范围的关键。连续管钻井减摩降阻的思路是避免连续管屈曲和减小摩擦系数,主要措施包括使用大尺寸连续管、钻小尺寸井眼、在钻井液中添加减阻剂以及应用减摩工具等,其中牵引器和振动减摩器是较为理想的减摩工具。      

气体钻井井壁稳定性评价方法分析

由于气体钻井技术在某些方面有着常规钻井液钻井不可比拟的优势，在国内得以大范围地试验应用。但是，作为一项新技术，气体钻井本身具有一定的局限性，其实用范围尚不完全清楚。因此，在现场试验过程中已经暴露出不少问题，井壁稳定性就是其中最为突出的问题之一。在常规钻井液钻井过程中，井筒与地层孔隙压力之间存在正压差，正压差对井壁起到一定的支撑作用，在一定程度上抑制了井壁坍塌，有利于井壁稳定。而在气体钻井中，这种支撑作用并不存在。为此，从气体钻井井壁岩石力学的基础着手，建立了气体钻井条件下井壁稳定性分析的评价方法，并结合实际工程地质特征，对川西特殊复杂地层没有流体产出情况下气体钻井井壁稳定性进行了定量评价，分析评价结果与现场施工情况吻合。     

钻井牵引机器人摩擦块—井壁接触性能分析

钻井牵引机器人的牵引力主要来源于支撑机构摩擦块与岩石井壁之间的相互作用力,牵引力与等效摩擦系数是机器人力学特性分析和结构设计的关键。基于此,文章建立了摩擦块与井壁数值仿真模型,分析了摩擦块牙齿轮廓尺寸、数量、正压力、嵌入深度等对当量摩擦系数、牵引力的影响规律。结果表明,正压力和齿前角是影响摩擦块当量摩擦系数的主要参数,也是影响钻井牵引机器人是否能稳定抓靠井壁的主要因素;当摩擦块牙齿齿前角35°、齿后角60°、齿斜角30°、嵌入深度2.5～3.0 mm时,单个摩擦块可提供的轴向牵引力约30 000 N,则钻井牵引机器人三个摩擦块可提供牵引力约90 000 N。该研究成果可为钻井牵引支撑机构力学特性分析和结构优化设计提供理论依据。     

四川盆地深层页岩气水平井优快钻井技术——以泸203井为例

泸203井是中国石油天然气集团有限公司部署在四川盆地南部泸县—长宁页岩气区块的1口重点超深页岩气探井,实际完钻井深达5 600 m,测试日产气量为137.9×10~4 m~3,成为目前国内首口单井测试日产量超百万立方米的页岩气井。为了给深层页岩气井优快钻井提供借鉴和经验,以泸203井为例,在分析储层特征对钻井要求的基础上,归纳总结了保障该井页岩气水平井钻井井身质量、优质储层钻遇率、快速钻进以及降低复杂事故率的优快钻井综合配套技术,并对其应用效果进行了评价。研究结果表明:(1)采用旋转导向工具并配合钻柱扭摆系统钻进,减少了滑动定向钻进进尺,成功地控制了钻具托压现象,大幅度降低了定向辅助时间;(2)实施的4种削减钻具振动措施很好地解决了水平段钻进中螺杆故障问题,进一步提高了钻井速度;(3)采用近钻头伽马测量系统实时追踪储层,控制轨迹在优质产层内钻进,保证了优质页岩储层钻遇率;(4)优配钻井装备及高密度的油基钻井液的应用保证了井下动力钻具的动力和井眼携砂的需求以及钻井液性能的净化,确保了井眼畅通、保持了井壁稳定,起到了提高钻井速度的重要作用。结论认为,泸203井按照地质工程一体化的技术思路,采取先打直导眼再侧钻水平井的方式,优质页岩储层钻遇率达到100%,该井的实施进一步完善了四川盆地新区块超深页岩气水平井配套优快钻井技术。     

钻柱涡动理论研究的必由之路——钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合

浸泡在钻井液内的旋转受压钻柱,在屈曲和涡动的作用下,容易发生疲劳断裂和使井眼倾斜。对此现象业界已进行了较深入的研究,但还有一些问题没有解决,如随着井斜角的增加涡动现象减小直至消失的原因、屈曲后的钻柱是否一定与井壁接触、钻柱表面与井壁间是否存在滑动及滑动的影响因素、钻柱的稳定性和偏心率随转速的变化规律等。为了寻求上述问题的研究方法,在介绍钻柱的正弦屈曲和螺旋屈曲、旋转钻柱的最大涡动角速度、旋转钻柱与钻井液的相互作用、旋转钻柱与井壁的碰撞和涡动4方面的研究进展基础上,分析了这些研究方法中存在的问题,提出钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合是钻柱涡动理论研究的必然。     

维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法研究

随着我国西部和海洋深层天然气勘探开发不断加快、深入，钻井不断遇到高温、高压、气侵环境，受气体侵入的井筒钻井液其密度随温度和压力的变化而变化，这导致常规井壁稳定研究确定的当量静态钻井液密度不能有效地阻止井下井壁坍塌、缩径引起的复杂情况。国内外高温高压条件下钻井液密度计算模型存在着明显的问题：①没有考虑气体在环空中的影响，此时环空中是气液两相流体的流动，不能用单相液体的情况来对待；②井筒温度用地温梯度来代替不合理。为此，在确定有气侵、压耗和温度影响的有效安全钻井液密度时，分析了气液两相钻井流体受井筒压力、温度、气侵量与钻井液密度的相互影响关系，结合地层参数、钻井水力参数和钻柱结构，通过对温度场与压力场的耦合求解，获取了有效安全钻井液密度的下限和上限，计算结果在实际钻井中得到了较为成功地应用。     

基于滑移网格技术的振荡器脉冲压力数值模拟

针对现有水力振荡器的阀盘接触压力高、零件冲蚀及磨损严重、自身压耗偏大,且螺杆马达工作寿命短的问题,研制了一种采用涡轮马达作为动力系统的水力振荡器。该水力振荡器通过涡轮马达将钻井液的动能转化为机械能并驱动阀系产生周期性变化的脉冲压力,该脉冲压力作用在振荡短节使工具产生周期性高频轴向往复蠕动,改变钻柱与井壁间的摩擦状态,减小摩阻、提高机械钻速和钻压传递效率。采用理论计算及滑移网格技术进行CFD仿真的方式,重点研究了阀芯的运动规律及脉冲单元压降随阀芯转角的变化关系。结果表明:阀系开口的连通和关闭改变了流场结构,使得阀系脉冲压力发生周期性变化;采用滑移网格技术可真实地模拟阀系流场结构变化所导致的压力场和速度场的变化情况,提高了水力振荡器的研制效率,并为其优化设计提供了技术支持。滑移网格技术能够满足水力振荡器理论设计的要求,并可弥补试验研究的高成本、长周期等缺陷。     

大位移井减阻工具性能试验与数值模拟

为解决大位移井、长水平井等在钻进过程中摩阻大、托压等问题,设计了新型大位移井减阻工具。该工具利用水力脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,有效减小钻柱与井壁间的摩阻,改善钻压传递,延伸定向井、大位移井、水平井等井眼长度。通过工具性能试验和数值模拟相结合的方法,验证了减阻工具设计的可行性和振动的稳定性。分析了叶轮的叶片数、承压板的通孔面积、钻井液排量等参数对减阻工具脉动压力频率和幅值、压降、轴向振动位移等的影响规律。研究结果可为大位移井降摩减阻技术研究、减阻工具参数优选等提供参考。