随钻扩眼钻具组合与钻井参数优化研究

鉴于国内现有随钻扩眼系统钻具组合与钻井参数优化研究缺乏,同时考虑领眼钻头及扩眼器几何结构、地层岩石强度及钻井参数等3种影响因素的计算模型少有报道,以及扩眼系统扭矩分配比计算方法缺失等现状,通过建立模型分析了领眼钻头钻压和扭矩分配比随钻具组合、钻柱转速及地层强度的变化规律,进行了钻前不同扩眼钻具组合对比与优选以及随转扩眼...     

双动力随钻扩眼工艺提速特性分析

常规随钻扩眼工艺只能进行井眼简单扩大作业,功能单一,效率较低。因此,提出了一种双动力随钻扩眼方法,即扩眼钻头与领眼钻头分别由2个动力源驱动破岩,且缩小2个钻头间距。该方法既能用于扩眼作业,又能提高设计井眼钻速。根据提速机理,采用数值模拟方法分析钻压、转速和工具结构尺寸等钻井参数对机械钻速的影响规律。研究结果表明:双动力随钻扩眼工艺卸载岩石内应力效果明显,能在更短时间内使岩石达到损伤破坏;扩眼钻速随钻压增加逐渐减小,随领眼钻头转速的增加而增大,随钻头高度差的增加先增大后减小,随钻头直径比的增大而增大。研究结果可为双动力随钻扩眼装置的优化设计及参数优选提供重要依据。     

随钻扩眼技术在渤海某油田的应用

随钻扩眼技术采用随钻扩眼工具配合常规钻头钻具组合,在正常钻进的同时扩大原井眼,不仅减少了起下钻时间,提高了机械钻速,同时也降低了卡钻风险,已逐渐成为一种应对塑性蠕变复杂地层、优化井身结构、提高油气井建井质量、提高钻井速度、降低钻井作业成本的钻井新技术。     

可膨胀扩眼钻头

美国Gauge公司开发成功一种可膨胀扩眼钻头，它可用于深水钻井。其可靠的球控机构可打刮刀的刃口，保证其在流体循环下使用，并可在刀刃变钝后中止循环。这一设计消除了早先的钻压、液流和底部钻具压力触发的不可靠性。其先进的领眼钻头设计，可在钻具组合中与可膨胀扩眼钻头同步，用户可同时钻进和扩眼，也可扩大早先领眼钻头所钻的井眼。     

扩眼器在定向造斜段的应用可行性研究

随钻扩眼器可有效扩大下部井眼直径,对于优化井身结构、提高完井质量、提高钻进效率、降低后续作业风险具有重要意义。随钻扩眼时该工具相当于一个满眼扶正器,在直井段工作时扩眼器具有防斜作用,但在定向段随钻扩眼时该工具将改变常规造斜钻具的造斜特性,因此该工具在定向造斜段应用的可行性需要研究。以一套常用造斜钻具为例,计算了其初始造斜率以及直接扩眼工况和随钻扩眼工况的造斜率,发现使用扩眼器后对原有钻具组合的造斜特性影响很大。为达到原有造斜要求,通过单独和组合调整BHA参数(主要有螺杆钻具弯角、上稳定器外径、上稳定器距离钻头距离等)获得与原有BHA造斜特性基本相当的多种方案,这说明扩眼器可在既定的造斜要求下完成定向随钻扩眼钻进施工。     

新疆油田呼探1井随钻扩眼钻具组合优选与实践

准噶尔盆地南缘深探井属于山前构造,地层倾角大、油层埋深深,普遍采用五开非标井身结构设计.在四开井段的随钻扩眼施工时,需考虑钻具组合的防斜性能.采用纵横弯曲法对随钻扩眼钻具组合力学分析模型进行求解,以钻头侧向力和钻头转角为指标评价变井斜率大小.理论分析表明:双心钻头配合钟摆钻具组合能够在随钻扩眼中起到防斜打快效果,随着扶...     

多级变径随钻扩眼器研制及刀翼受力与钻压分配分析

深层小井眼采用随钻扩眼器进行扩眼作业时存在井眼缩径、固井质量差和卡钻频繁等问题。为解决该问题,基于随钻扩眼器基本结构和工作原理,采用新型变径结构,研制了一种多级变径随钻扩眼器;建立了随钻扩眼尺寸与主动活塞轴向位移之间的函数关系,并分析了扩眼器刀翼的受力情况;采用双因素计算方法分析了该扩眼器的钻压分配情况,得到了随钻扩眼器钻压分配比对扩眼尺寸、钻具锐度及地层抗压强度的影响规律。分析得知,随钻扩眼器的钻压分配比与钻遇地层抗压强度、扩眼尺寸呈正比,与扩眼器锐度呈反比,该扩眼器的理论井径扩大率为7%～20%。研究认为:对随钻扩眼器进行钻压分配分析,可以指导扩眼器的设计及领眼钻头的选型;研制的多级变径随钻扩眼器为提高扩眼效率提供了技术支撑。      

钻具组合对扩眼器振动的影响

已有研究表明扩眼器的横向振动是引起扩眼钻具失效的主要原因,而合理的扩眼器与领眼钻头的钻压分配与井下钻具组合则可以改善扩眼器的横向振动。以前在计算钻头与扩眼器的钻压比时常采用几何面积法,但这种方法影响因素单一。在PDC单齿受力模型的基础上,通过求出每个齿的受力,进而求出领眼钻头和扩眼器所受的钻压,再求得钻压比; 通过有限元仿真,分析了钻具组合对扩眼器振动的影响。结果表明:领扩眼钻具间的距离对扩眼器的振动有一定的影响,适当的距离可以有效降低扩眼器钻进时振动强度; 在本文工况下,领扩眼钻具间钻铤数量为2根时振动最小; 稳定器数量的增加可以减缓扩眼器的振动强度。研究结果可为随钻扩眼作业的提速提效给予技术支持。     

随钻扩眼技术成功地用于钻澳大利亚海上井

西方矿业公司在钻澳大利亚一口海上探井的过程中，用最新开发的随钻扩眼技术取代常规管下扩眼技术获得了成功。用随钻扩眼系统钻了一段９１２ｍ长的２０ｉｎ井眼，机械钻速与１７１／２ｉｎＰＤＣ钻头相当，而且９８％的井眼直径符合要求。与常规管下扩眼技术相比，节省时间４ｄ，节省费用４６．５万美元。     

随钻扩眼钻压分配的双因素计算方法

随钻扩眼过程中扩眼器与领眼钻头的钻压分配关系对扩眼钻进工作状态具有重要影响。传统计算方法仅考虑扩眼器与领眼钻头的几何结构因素,精度不高,难以合理指导工具设计。为此,在充分考虑岩石特性、钻具切削结构双参数的基础上,提出一种计算随钻扩眼钻压分配关系的双因素法,以分析各因素对钻压分配的影响规律。理论计算表明,扩眼钻压比与扩眼器钻遇岩层强度成正比,与扩眼刀翼锐度成反比。这一结果与文献的试验结果基本一致,可用于指导随钻扩眼装置的设计和应用。     

随钻扩眼工具的研制与应用

随钻扩眼技术是近年来兴起的一项钻井新技术,其原理是采用随钻扩眼工具在套管下边钻边扩,最终实现井眼尺寸比领眼钻头尺寸大,以达到提高完井质量及解决复杂事故的目的。胜利油田钻井院研制开发了随钻扩眼工具JK215-237,介绍了随钻扩眼工具的结构及特点,详细叙述了该工具在垦628井现场试验情况,试验结果表明,JK215-237随钻扩眼工具结构合理,能够实现套管下边钻边扩,扩眼的结果能够提高完井质量,该工具的研制与应用对随钻扩眼技术的应用以及随钻扩眼工具的研制具有重要的指导意义。     

提高大直径井眼机械钻速的几项措施

随着我国西部地区石油勘探开发的进展，5000－7000m的深探井所钻数量不断增多，套管程序增加，特别是大尺寸井眼所钻深度明显加大。由于国产大尺寸钻头结构单一、型号少，破岩机械能量和水力能量不足，在易斜井段目前尚无可靠的防斜保直措施，以及钻井液性能不适宜等原因，大尺寸井眼的钻这远远低于215．9mm井眼的钻速。据此，提出了几项可以提高大尺寸井眼钻速的措施：增加大尺寸钻头的种类，采用阶梯式扩眼钻头，强化钻井参数和水力参数，选用中速动力钻具，改善钻井液性能以及采用冲击旋转钻具等。     

PDC扩眼钻头的研制与试验

为了提高深井、超深井上部大尺寸井眼的钻井速度,常采用小钻头先钻一个井眼后再下入扩眼钻头扩眼的办法,由于改进牙轮钻头的难度较大。而PDC钻头在钻进软到中硬地层时具有钻速高、寿命长的特点,为此,在对深井大尺寸井眼的钻井特点、先钻后扩的破岩机理进行研究的基础上,研制了新型PDC扩眼钻头——PD6352SF- 311．1×444．5扩眼钻头。该扩眼钻头在DB1井φ444．5 mm井眼的平均机械钻速为21．68 m／h,与邻井莱深1井和郝科1井相比,分别提高了5．2％和38．0％,而且钻头起出后新度达80％,还可继续使用,从而进一步降低了钻井成本。     

史密斯钻井新技术介绍——史密斯随钻扩眼器系统和犀牛稳定器

史密斯具有全球领先的扩眼技术，主要产品包括犀牛XS扩眼器和Reamaster，这些产品是同史密斯钻头一同研制开发的钻井新工具及系统软件，产品还包括双心钻头和IDEAS。史密斯的随钻扩眼器是建立在技术、经验和全球资源等基础上，以为用户提供高质量井眼为宗旨，通过大量的作业前期分析、优质的作业记录和作业之后的数据统计而证实有效的扩眼工具。史密斯能够提供广泛的随钻扩眼器工具系列产品和全方位的技术服务，确保在复杂的工况下实现优质井眼。     

JK215—237型随钻扩眼工具的研制

在考察国外随钻扩眼工具技术的基础上 ,研制成功JK2 15— 2 37型随钻扩眼工具。利用此工具可实现小间隙套管程序设计 ,成本低 ,安全性好 ,增大生产套管尺寸 ,有利于完井及修井作业。介绍了新型随钻扩眼工具的结构、设计要点和主要技术参数。首次采用该扩眼工具在 2 15 9mm井眼内下 177 8mm套管 ,以提高固井质量而进行扩眼作业试验。试验结果表明 ,该随钻扩眼工具结构合理 ,使用可靠 ,能满足随钻扩眼的需要 ;随钻扩眼的机械钻速与相同领眼钻头的机械钻速相当。     

随钻微扩眼器研制及应用

弯螺杆钻具组合在水平井钻进中会形成螺旋状井眼,井壁上微台阶、微狗腿现象突出,导致实际井径比预期井眼小,易造成起下钻困难,划眼、电测和下套管时间长。在调研国内外随钻微扩眼器相关技术的基础上,研制了一种适用于Φ215.9 mm水平井的偏心式随钻微扩眼器,采用上、下两组螺旋刀翼清除井壁上微台阶、修整井壁改善井身质量,同时对岩屑床具有扰动破坏作用。现场应用表明,随钻微扩眼器微扩井眼效果好,应用井段的井径扩大最高9.53%;有助于减少划眼作业时间,提高起下钻时效,应用井段电测、下套管期间无遇阻现象。     

随钻扩眼工具钻压分配比的计算方法及对钻速的影响

为了研究随钻扩眼工具在钻井过程中的破岩特性,更好地发挥其在钻井过程中的优点,建立了随钻扩眼工具井底钻压的计算模型。依据岩石破坏的应变能密度基本原理,推导出了阶梯效应指数计算表达式,并得出了用阶梯效应指数与井眼几何参数为变量的阶梯井眼的钻压分配比计算方法,并分别进行了理论和实例分析研究。理论分析结果表明,随钻扩眼形成的阶梯式井底岩石要比领眼井底岩石接近屈服状态,岩石更容易破碎。实例分析也表明,随钻扩眼工具比相同尺寸钻头的钻具有更好的快速钻井效果,验证了理论计算结果的正确性。     

岩石力学性质对井眼轨迹走向的影响机理

为了提高在极软、极硬地层中钻井时的井眼轨迹预测与控制能力,研究了岩石力学性质对井眼轨迹的影响机理和相应的控制措施。基于纵横弯曲连续梁理论,分析了地层力学性质对下部钻具组合导向性能的影响,在此基础上,建立了考虑地层力学性质的钻头导向模型,利用钻头导向模型定量描述钻压、造斜力、地层可钻性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响。对于Φ215.9 mm井眼,井眼瞬时扩径率小于3%时,宜采用弯壳体螺杆钻具,井眼扩径率大于3%时,弯接头配合直螺杆导向能力更强;地层可钻性级值由1增大为10时,趋势角从6.00°降为1.00°。软地层和侧钻井眼推荐使用弯接头配合直螺杆钻具,硬地层推荐使用侧切能力强的钻头配合单弯螺杆钻具。      

随钻扩眼系统

继随钻测量和随钻测井之后，美国休斯-Christensen公司开发出一种随钻扩眼（RWD）系统，直接装在三牙轮或PDC领眼钻头顶部，有三种型号：RWD用于旋转扩眼作业，SRWD型用于可转向扩眼作业，STRWD型尽三小井眼扩眼作业。两年来已有120台用于墨西哥湾，一位经营商在这段时期使用60台，比常规扩眼及套管下扩眼作业节省500万美元。     

随钻扩眼钻柱结构优选及现场应用效果评价

在随钻扩眼作业过程中,扩眼工具组合是最重要的可控参数,不合理的钻柱结构会使钻柱振动加剧。鉴于此,基于有限元动力学分析方法,建立钻具-地层有限元动力学分析模型,模拟不同扩眼工具和钻柱结构对钻具运动轨迹、扭转角速度及钻杆等效应力的影响。研究结果表明:随着2段承压钻杆间普通钻杆长度的增加,下部钻具组合在高低边方向的运动加剧,承压钻杆长度增加,下部钻具振动减小;近钻头钻杆长度和位置对承压钻杆钻柱所受的等效应力和扭转角速度影响不大,但会改变加重钻杆的位置,使井口轴向力有很大变化。推荐目标区块φ149.2mm侧钻井眼内随钻扩眼工具组合为:双中心钻头+φ120.0 mm单弯螺杆+φ88.9 mm无磁承压钻杆1~2根+φ88.9 mm钻杆10~20根+φ88.9 mm加重钻杆15根+φ88.9 mm钻杆。所得结论可为解决小井眼随钻扩眼作业中稳定性差以及扭矩突变所引起的钻柱破坏提供参考。