深水携表层钻井工艺技术

深水钻井通常采用喷射法下入表层导管和低压井口头.针对南海深水表层导管喷射钻井速度慢、时效低的问题,通过综合分析影响导管喷射钻井速度的因素,包括地层强度、导管外径、钻头大小、钻头伸出量、钻压、排量、导管上下活动次数和活动幅度等,找出了三个主要关键因素,分别是钻头伸出量、排量和导管上下活动幅度.在确保安全前提下,通过综合考...     

深水钻井喷射下导管水力参数优化设计方法

针对目前现有深水钻井喷射下导管水力参数设计方法没有较强理论支撑的问题,以射流和岩土力学理论为基础,推导出了导管喷射下入临界出口速度及临界排量的计算公式,并据此提出了深水钻井喷射下导管水力参数的优化设计方法,给出了设计原则和设计步骤.分析了深水钻井喷射下导管常用钻头与导管组合采用不同直径喷嘴时的临界排量,对于φ660.4 mm钻头和φ762.0 mm导管的组合,喷嘴当量直径为24.0 mm时,临界排量为69.5 L/s;喷嘴当量直径为26.0~30.0 mm时,破土直径最大为762.0 mm.在排量一定的情况下,喷嘴当量直径越小,能够破碎地层的强度也越高.对西非深水JDZ区块深水钻井喷射下导管的水力参数进行设计,选用φ14.3 mm喷嘴时,设计排量与实钻排量对比,误差不超过10%,证明该优化设计方法的设计结果合理,可用于深水钻井喷射下导管水力参数设计,指导现场施工.      

深水钻井喷射下导管排量设计方法

深水钻井喷射下导管过程中,为预防导管安装不到位或导管承载力恢复时间过长,需要根据海底土质参数对喷射排量进行合理的设计。基于淹没水射流理论及海底弱胶结土质破坏准则,建立了满足破土能力的最小喷射排量计算模型。采用φ339.7 mm导管进行了喷射下导管的模拟试验,分析了排量对水力破土效果及表层导管承载力的影响规律。结果表明:当喷射排量小于最小喷射排量时,导管下入速度缓慢;当喷射排量大于最小喷射排量时,导管下入速度随喷射排量增大快速增大;导管承载力随喷射排量增大呈指数降低,当喷射排量超过1.2倍最小破土排量时,导管承载力降低幅度达到最大。根据最小喷射排量计算模型和模拟试验结果,建立了基于"水力破土能力、导管承载力"双因素约束的喷射排量设计方法。在南海22口深水油气井的应用表明,采用该方法设计喷射排量,可以提高导管喷射下入效率,保证导管稳定。      

深水表层导管喷射钻进过程中钻井液排量优化研究

通过喷射法下表层导管模拟试验,综合分析了深水表层导管喷射钻进过程中钻井液排量对钻进速度、表层导管承载力及钻井液携砂能力的影响规律,并在此基础上提出了钻井液排量优化方法。本文研究成果已在我国南海荔湾、流花,西非,以及赤道几内亚等深水钻井实践中取得了成功应用,经济效益显著。     

深水钻井喷射下导管模拟试验装置的研制

深水钻井下喷射导管的钻井参数与陆地及浅水钻井存在较大不同.为了模拟喷射下导管过程,为深水钻井喷射下导管作业参数计算提供试验数据,根据深水喷射下导管的特点,以其工具及组合形式为基础,结合土力学基础理论,研制了深水钻井喷射下导管模拟试验装置.该装置主要由土箱、管柱系统、起吊系统、循环系统、加载系统和测量系统组成,可以模拟喷射下导管全过程,通过改变模拟试验中的喷射参数和岩土性质,并对导管的下入速率、承载能力(横向应变、竖向应变及承载能力)进行测量,进而可以研究深水钻井导管喷射作业过程当中,不同岩土性质条件下的喷射参数与导管下入速度和承载能力之间的相互关系和影响规律,建立导管作业参数优化设计方法,为深水油气钻探中导管喷射下入的优化设计提供参考.      

深水钻井喷射法安装表层导管极限下入深度确定

准确了解深水钻井导管喷射极限下入深度对安全、高效深水钻井具有重要的意义。根据导管喷射下入系统的受力分析,对影响导管极限下入的土质参数及施工参数进行了研究,土质参数的影响因素主要包括土体抗剪强度和土体摩阻力;施工参数的影响因素主要包括喷射钻压、喷射排量及导管垂直度。基于对喷射过程中导管下入系统合力为0 的工况进行研究,建立了深水钻井导管极限下入深度的预测模型;运用预测模型对南海某深水井的导管喷射进行了实例计算,得出了实际工况下导管喷射最小下入深度及最大下入深度。现场应用结果表明,该研究成果对安全喷射施工设计具有指导意义。     

深水导管设计及喷射安置工艺技术研究

海洋深水区域日益成为海洋油气勘探开发的热点,但海洋深水地层因其特殊的沉积环境,致使深水钻井面临不稳定的海床、地层破裂压力低及海底低温等诸多的挑战,喷射导管技术是解决深水浅层所面临挑战的技术之一。该技术采用在导管内下入喷射动力钻具的方式,依靠导管串自身重力边钻进边下入导管,喷射到位后利用地层的黏附力和摩擦力稳固住导管,起出送入工具和管内钻具,完成导管的安装,避免因水泥浆密度过大而压破地层,也可避免由于深水低温等因素影响固井质量。通过对导管的受力分析,提出了导管的下深及导管串组成结构,同时也研究了导管在喷射安置过程中如何优选喷射钻进参数及采取的技术措施,确保导管喷射安置到预定位置,为海洋深水井导管设计与喷射安置导管提供了很好的参考与借鉴。     

深水钻井导管喷射过程中钻头与海底土的相互作用

为分析喷射下入导管过程中钻头与海底土相互作用情况,建立了导管下入过程中钻头的力学模型。根据射流理论和土力学的分析,得到了喷嘴射流力与土层临界破坏力的计算方法。研究结果表明,钻头与海底土相互作用力可分为直接作用力和射流作用力,只有当射流力较小时才有钻头直接作用地层的压力,排量是影响其作用力的主要因素。通过对现场实际案例计算,对比出施工过程中射流力与土层抗冲蚀力并得出了喷射下入过程中钻头距井底的高度。该研究成果能够结合具体海域的海底土特性,进行喷射过程中钻头及钻柱受力分析,为深水钻井喷射下入导管的钻井参数设计提供理论依据。     

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道,是水下井口装置的主要持力结构,表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法,针对不同海底的土力学特性,开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析,揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系,建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发,揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律,建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2 619 m的几十口深水井得到成功应用,该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。     

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道，是水下井口装置的主要持力结构，表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法，针对不同海底的土力学特性，开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析，揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系，建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发，揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律，建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2 619 m的几十口深水井得到成功应用，该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。     

深水表层导管喷射钻进机理研究

深水浅层土质松软,抗剪强度极低,采用喷射钻进技术能有效提高表层导管及深水水下井口安装作业时效。通过理论分析和数值模拟计算,研究了水力喷射成孔和喷射钻进机理,对海底软黏土层受喷射冲刷作用下的应力和位移场进行了分析。计算结果表明,处于钻头附近的土体出现应力和位移集中现象,土体受到的剪切力远大于土体抗剪强度,土体被冲刷破坏发生大变形。通过在原状土海域的现场模拟试验,对比分析了喷射排量对导管下入钻速和土体承载力恢复的影响;研究结果表明随着排量的增大,导管下入钻速增加,导管与土体摩擦力恢复减缓。由于导管内部环空较大,在满足钻速和承载力恢复的情况下,还需对满足最小携岩能力的最小排量进行计算。研究成果在国内外深水钻井实践中取得了良好的应用效果。     

深水喷射钻井导管力学分析与强度校核

深水喷射钻井作业中导管强度是确保井口稳定以及后续钻井作业顺利进行的有力保障。对最危险工况下的导管柱横向受力进行了分析,并基于有限元技术提出一种导管强度校核的方法。分别建立隔水管和导管系统的力学分析模型,尤其针对下入有倾斜及固井有缺陷的导管进行了强度校核,求得钻井船最大许用偏移。算例表明,钻井船偏移对导管强度的影响主要集中在泥线下较短一段管柱,导管2°内倾斜与固井缺陷对其横向承载能力影响较小。     

喷射导管技术在深水钻井作业中的应用

深水油气日益成为海洋石油勘探开发的热点，但深水钻井作业面临着许多难题和挑战，喷射导管技术是解决深水浅层钻井难题的技术之一。该技术采用在喷射管柱内下动力钻具的方式，用钻入泥线以下的管串自身重力钻进，喷射到位后利用地层的粘附力和摩擦力稳固住导管，起出送入工具和管内钻具，完成导管的安装。喷射导管技术可避免因水泥浆密度过大而压破地层，也可避免深水由于低温等因素影响固井质量。我国第一口水深超千米的深水井——荔湾3-1-1井利用该技术成功完成了导管的安装，井口装置没有出现井口失稳的问题。随着我国深水勘探步伐的加快，越来越多的深水区块将投入勘探开发，喷射导管技术具有良好的应用前景。     

水力喷射工具射孔过程液固两相流冲蚀数值模拟

鉴于国内外运用多相流数值模拟方法对水力喷射工具冲蚀研究有待深入的现状,基于多级水力喷射工具单级喷枪,采用颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日离散相模型,对水平井水力喷砂射孔过程进行流场分析及冲蚀速率计算。分析了单级喷枪上、下游喷嘴流场分布的不均匀性,以及这种不均匀性导致的工具内部各个喷嘴冲蚀速率的差异。分析结果表明,水力喷砂射孔过程中,水力喷射工具单级喷枪上、下游喷嘴流场呈现不均匀性,上游喷嘴单位时间通过的液体多于下游喷嘴,下游喷嘴的砂浓度高于上游3个喷嘴;水力喷射工具单级喷枪内壁面和外壁面都会受到液固两相流体的严重冲蚀,最大冲蚀速率发生在喷枪内壁下游喷嘴入口区域。     

深水钻井防喷器温度场数值模拟研究

深水防喷器所处环境为低温高压,如有气侵出现,容易在防喷器位置生成天然气水合物,阻塞防喷器,产生井口安全隐患。为此,结合深水钻井工况,建立了深水钻井条件下闸板防喷器与环形防喷器的三维空间模型,并利用Fluent软件进行了温度场数值模拟,得到了防喷器不同位置的温度场分布。在此基础上,结合天然气水合物生成条件分析了防喷器的温度场分布,以及加热管对防喷器温度场的影响规律,并优选了加热管的布置位置。结果表明,在模拟环境条件下,闸板防喷器横向位置依靠防喷器通径内壁加热即可满足天然气水合物预防要求,在纵向侧面1/4处布置加热管效果较好;管线数量对环形防喷器温度场的影响很大,为满足温度高于天然气水合物形成温度的要求,可以将优化加热管数量与保温措施结合起来进行。      

新型双射流喷嘴冲击井底流场数值模拟研究

为了克服组合双射流的缺点,提出了新型双射流喷嘴,并采用RNGκ-ε湍流模型计算了新型双射流喷嘴冲击井底的流场。建模时采用有限体积法离散各控制方程,采用松弛迭代法求解各离散方程,壁面采用无滑移固壁边界。模拟结果表明,新型双射流不存在等速核,且轴心线冲击力小,但作用面积大;与旋转射流相比,轴心线附近流速最大,从而实现了高效破岩。漫流层的径向流速最大值出现在距离外流场轴线2.5D距离处,大小约为喷嘴出口速度的23%。新型双射流利用圆形射流冲击和旋转射流剪切破岩,能形成直径较大、深度较大的破碎坑。     

Numerical Simulation on Deepwater Drilling Wellbore Temperature and Pressure Distribution

Abstract

Considering the effect of temperature and pressure on the characteristics of drilling fluid, a coupled model of deepwater drilling wellbore temperature and pressure was established. By numerical simulation, the wellbore temperature and pressure distribution were obtained. Studies have shown that minimum temperature appears in the position slightly upward of the mud line, and maximum temperature appears in the position slightly upward of the bottom hole. Maximum equivalent circulation density (ECD) appears in the shallow layer. In order to accurately predict wellbore temperature and pressure, the effect of temperature and pressure on mud should be coupled; moreover, the variation of convection heat transfer coefficient should be considered.