自动垂直钻井系统BHA力学分析的一维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的一维力学分析模型,建立了自动垂直钻井系统的BHA的普遍力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式。应用所建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度,同时也可以计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过分析钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为指导自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。     

自动垂直钻井执行系统试验研究

在自动垂直钻井系统中,要求执行系统能够对控制系统的指令做出迅速、准确的响应。由于执行系统的结构复杂,通过理论模型研究的方法很难得到其准确的性能参数。建立了室内模拟试验系统,完成了执行系统工作性能的试验研究,得出了其压力-上盘阀驱动扭矩、流量-压力、压力-纠斜力拟合曲线和关系式,并证明了研制的执行系统的工作性能符合自动垂直钻井系统的控制要求。     

一种新型垂直钻井工具

井斜在石油钻井过程中经常发生，它的危害很大。文中介绍的垂直钻井工具的工作原理与常规的“钟摆”、“满眼”不同，它通过柱塞把侧向力直接施加在钻头上。由于侧向力大且与钻具组合和钻井工况无关，因此，防斜效果好。这种垂直钻井工具是纯机械结构，没有电子器件，所以结构简单、维护方便、工作时间长、成本低。文章介绍了该工具的结构、工作过程，通过理论分析证明原理可靠。该工具已获国家专利，专利号是2004200894716。     

捷联式自动垂直钻井系统

针对高陡构造及大倾角地层的防斜打快难题,成功研制了具有自主知识产权的捷联式自动垂直钻井系统。该系统采用动态推靠方式实现钻进中的主动防斜和纠斜,主要由捷联式稳定平台和防斜纠斜执行机构组成,其中由基于旋转基座的测控短节、电源短节、伺服短节组成的捷联式稳定平台是捷联式自动垂直钻井系统的核心。在稳定平台的控制下,伺服短节驱动防斜纠斜执行机构中的盘阀对过流的钻井液进行控制,利用活塞驱动翼肋推靠井壁,产生具有纠斜作用的侧向推靠力,以实现有效的防斜、纠斜功能。通过捷联式稳定平台地面联调试验和现场试验,初步验证了系统工具的可行性、稳定性和可靠性,为工具进一步改进和现场试验提供了技术支撑。     

自动垂直钻井系统执行机构性能模拟试验

为了实现自动垂直钻井功能,要求执行机构能够对控制系统的指令做出迅速、准确的响应。由于执行机构的结构复杂,通过理论模型研究的方法很难得到其准确的性能参数。因此,建立了室内模拟研究系统,完成了对执行机构工作性能的试验研究,得出了其压力-上盘阀驱动扭矩、流量-压力、压力-纠斜力的拟合曲线方程,为自动垂直钻井系统现场试验提供了选择技术参数的依据。试验结果还表明,研制的执行机构的工作性能符合自动垂直钻井系统的控制要求。     

捷联式自动垂直钻井系统的研制及现场试验

为了有效解决钻井工程中高陡构造及大倾角地层防斜打快的技术难题,自主研发了捷联式自动垂直钻井系统。该系统采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜,其中捷联式稳定平台是该系统的核心。该系统主要由基于旋转基座的测量短节、井下发电机、无刷力矩电机、旋转变压器和防斜纠斜执行机构等组成。在稳定平台的控制下,力矩电机驱动执行机构中的盘阀对过流的钻井液进行控制,利用活塞驱动翼肋推靠井壁,产生具有纠斜作用的侧向推靠力,以实现防斜、纠斜功能。宁深1井的现场试验证明,捷联式自动垂直钻井系统工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效释放钻压,提高钻速。该系统的研制成功为直井的防斜打快提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。      

捷联式自动垂直钻井系统现场试验研究

研制的捷联式自动垂直钻井工具由稳定平台及防斜纠斜执行机构2部分组成,采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜,释放钻压。在安顺1井的2 436.00～2 610.79m井段试验,井斜由6.25°成功纠斜到了0.25°;平均机械钻速1.02m/h,比常规钻进方式提高25.9%;平均钻头进尺87.4m,比常规钻进方式提高18.3%。该工具的可靠性及使用寿命符合设计要求,降低了钻井成本。     

国产垂直钻井系统在永川地区的首次探索试验

永川地区是中国石化深层页岩气勘探开发新阵地,整个陆相地层砂泥岩交互频繁,易井斜,通常采用“轻压吊打”保证井身质量。但陆相深部地层自流井组须家河组富含石英砂岩,需要释放钻压才能提高机械钻速,防斜与打快矛盾突出。为了解决上述难题,在YY5-1HF井首次引进了国产垂直钻井系统。现场应用表明,井斜控制在0.73°以内,机械钻速提高了158.85%,为区块低成本防斜打快找到了新的技术手段。     

贝克休斯垂直钻井系统在大湾1井的应用

大湾1井在钻进千佛崖组到须家河组地层时,由于地层倾角较大,自然造斜能力强,从而造成其井斜很难控制,采用常规纠斜钻具组合亦不能有效控制井斜,井斜控制十分困难,钻速极慢。为了解决上述问题,在该井从1828．96m千佛崖组开始试验使用贝克休斯公司的VertiTrak垂直钻井系统。介绍了现场应用情况,分析了VertiTrak垂直钻井系统的应用效果,指出了应用中需要注意的问题。实践表明：应用VertiTrak垂直钻井系统能够较好地解决钻井提速施工中井斜与钻压之间的矛盾,提高机械钻速并缩短钻井周期。     

φ311mm自动垂直钻井系统在宣页1井的应用

宣页1井的地质构造具有地层倾角大、各向异性、可钻性差及自然造斜能力强等特点,采用多种传统防斜钻具组合钻进,依然无法较好地防止井斜。为此,研制了φ311 mm自动垂直钻井系统。该钻井系统包括稳定平台及防斜纠斜执行机构2部分,可以有效解决高陡构造及大倾角地层的防斜打快问题,能够完全释放钻压,在保证井斜精度的前提下,可大幅度提高机械钻速,缩短钻井周期,降低钻井成本。该系统在宣页1井的应用中总进尺210.88 m,纯钻时间64 h,机械钻速3.29 m/h,与传统钻具相比,钻速提高114%,并收到明显的纠斜效果。     

自动垂直钻进系统的液压系统设计

研制的自动垂直钻进系统由随钻测量系统、信号传输系统、信号采集与处理系统、钻具纠斜系统等组成 ,其中具有 3个可伸缩支撑滑块的钻具纠斜系统的液压部分是设计的重点。根据液压系统的特点和纠斜工作要求 ,优选了主要由柱塞泵和电磁压力比例控制阀组成的压力调节回路 ,对纠斜系统 3个油缸的输出压力进行了测试 ,并对出现的压力不稳和高压泄漏问题做了调整和改进 ,结果表明 ,液压系统的设计是合理可行的。     

机械式自动垂直钻井工具的研制

为了有效地提高直井的钻井速度和质量,根据现有技术研制了机械式自动垂直钻井工具。这种钻具能适时感应井斜的重力信号,并由重力驱动执行机构,利用钻井液循环在钻柱内外形成的压差,在钻柱旋转的情况下推动活塞靠向高边井壁,对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力,在钻进过程中实现对井斜的适时修正。现场试验结果表明,机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效地释放钻压,提高钻速。该工具的研制成功为直井的防斜打快工艺提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。     

自动垂直钻井系统大功率开关电源的研制

针对以泥浆发电机为供电方式的自动垂直钻井系统,需要大功率电源系统来驱动随钻测量仪器与液压动力组件,为了适应较宽的泥浆发电机电压输入范围,并在提供大功率、高稳定性的基础上满足井下高温环境工作要求,研制出了一种额定功率为200W的移相全桥（ZVS）软开关电源,性能稳定可靠、电能效率达到92％。     

国产自动垂直钻井系统的改进与优化

高陡构造及岩性变化复杂条件下的井斜问题一直是困绕钻井工作者的一大技术难题。中国石化南方探区河坝、普光等构造的岩性变化频繁,地层倾角大,自然造斜力强,井斜控制十分困难,极易发生井斜,严重制约了钻井速度的提高。国外自动垂直钻井系统在该地区进行了多井次的应用,效果良好,在控制井斜的同时大幅度提高了钻井速度,较好地解决了钻速提高与井斜控制之间的矛盾。但国外自动垂直钻井系统服务价格昂贵,钻井成本居高不下。为了降低钻井成本,决定在该地区应用中国石化自主研发的捷联式自动垂直钻井系统。然而,该系统在之前的现场试验过程中暴露出降斜、提速效果不明显等问题;经过原因分析,对系统进行了进一步的改进与优化,之后又进行了2井次的现场试验,显示出非常好的防斜打快效果,为系统的推广应用打下了坚实的基础。     

自动垂直钻井中井斜动态测量理论与实验研究

井斜动态测量是指在钻井过程中对井眼的井斜角、工具面角等物理量的实时检测和信息的提取,比静态测量复杂,钻具的振动和转动均会导致相应的井斜测量信号严重失真,但其中的振动信号可用低通滤波器滤除,而钻具转动对加速度计所产生的离心力导致的测量信号的失真,则必须通过诸如转速补偿之类的修正才能去除.低通滤波器可选用一定阶数和转折频率的巴特沃斯滤波器,而加速度计输出的转速补偿则须预先对加速度计进行标定.利用专门的实验装置对井斜动态测量的方法及其具体实现进行了有效的验证.     

UPC-VDS垂直钻井系统在顺南地区的应用

顺南地区是中国石化塔里木盆地增储上产的主要区块,钻井地质环境复杂,其中桑塔木组埋藏深、厚度大,且井斜控制困难。在充分调研国内外井斜精细控制技术的基础上,优选UPC-VDS自动垂直钻井系统,在顺南3井和顺南2井开展了探索试验。结果表明,该系统能将井斜角控制在3.0°以内,但井斜控制能力对钻头压降的依赖程度较高。为此对系统结构进行了改进,大幅度降低推靠力对钻头压降的依赖程度,并在顺南4井和顺南5井进行了试验。结果表明,该系统能将井斜角控制在1.0°以内,且使用寿命长（纯钻时间高于213 h）、性能稳定,为中国石化在西北地区的提速提效提供了技术支撑。     

垂直钻井系统配合单稳定器力学性能研究

国内外研发的垂直钻井系统在防斜快速钻进过程中表现出良好的优越性,在高陡构造地层得到了越来越广泛的应用。在充分调研垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的结构特征和工作原理的基础上,应用三弯矩方法建立了垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的力学模型,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式,编制了计算程序,采用宣页1井的现场施工数据进行数值求解,分析了垂直钻井系统导向块与稳定器配合位置、井斜角、井眼扩大率、钻井液密度、稳定器外径、钻压、井眼曲率等因素对垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合造斜特性的影响规律,并以井斜趋势角为衡量参数,讨论了主动力与最大钻压的关系。     

预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型

建立了预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型,对其动力学特性进行的仿真研究。结果表明,这种模型可以较好地反映出钻具组合在井下的涡动轨迹、涡动速度和涡动方向,同时能近似地计算出这种钻具组合的动态相对防斜力大小。钻具组合的涡动使得钻头对下井壁的动态侧向冲击力明显大于对上井壁的动态冲击力,从而使钻头具有较大的动态防斜力。通过合理设计结构参数和施工参数,可以有效地改善预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征,从而使这种钻具组合具有较好的防斜效果。预弯曲动力学防斜打快技术的使用钻压比钟摆极限钻压提高50%以上,相应地提高了机械钻速。