长宁超长水平井钻井摩阻数值模拟分析

CN-H21-5井是四川长宁页岩气区块一口超长水平段水平井,存在高摩阻、高扭矩和钻柱屈曲变形等一系列页岩气水平井典型技术难题急需解决。为了控制钻柱屈曲变形和接触摩阻扭矩,基于Hamilton原理建立全井钻柱动力学模型并采用 ＨＨＴ-α法对模型求解,分析了造斜段造斜率和水平段钻具组合对摩阻扭矩的影响规律。通过数值模拟表明：增加造斜段的造斜率能够降低造斜段的接触摩阻总值,同时也能降低全井段的接触摩阻;小尺寸钻杆传递较大轴向力时会发生严重屈曲变形,导致接触摩阻不降反增;在水平段采用“大 ＋小”的钻具组合,既能减小钻柱发生严重屈曲变形的概率,也能降低水平段接触摩阻。结论认为,减少造斜段长度并提高水平段前半段钻柱尺寸能够有效降低全井的接触摩阻,该结论能为长宁页岩气超长水平井的降摩减阻提供理论支撑。     

塔中862H超深水平井摩阻扭矩分析

钻成1 500 m水平段的超深井,是开发塔中上奥陶统良里塔格组灰岩油气的关键钻井技术,针对斜深超过8 000 m塔中862H井起下钻、旋转钻井中各井段摩阻扭矩变化的特点,在水平井段优化钻具组合使用水力振荡器,使钻柱在复合钻进、滑动钻进作业中大幅降低扭矩与摩阻。通过对此井长直段、增斜段、水平井段的摩阻扭矩进行数据分析研究,找出了此类超深水平井的各井段摩阻扭矩变化规律,并提出产生附加扭矩的钻柱临界钻压的计算方法,该研究成果对国内超深水平井大规模实施具有指导性意义。     

深水平井钻柱摩阻扭矩模型适应性研究

深水平井钻进实践中,由于井眼弯曲,钻柱摩阻扭矩较难准确预测,可能导致钻头无法加压、钻具起不上来或发生断钻具事故。基于此建立钻柱摩阻扭矩模型,编程预测所钻井段摩阻扭矩,并利用回归方法在保证钻具强度的情况下建立井深和摩阻的数学关系。钻柱摩阻扭矩是深水平井钻井可行性、钻具组合、钻机设备选择的依据,提出的摩阻扭矩预测模型对于深水平井钻井可行性分析、钻具组合设计、钻机设备选型有重要的工程意义。     

水平井钻柱动态摩阻扭矩计算与分析

国内近年的页岩气开采水平井井型主要有常规水平井、大斜度井和勺型水平井,为便于施工决策,有必要对上述3种井型的摩阻扭矩特性、钻压传递效率、重点关注井段或环节、极限延伸钻进长度等进行研究。为此,以上述3种水平井井型为分析对象,基于全井钻柱动力学模型和全井钻柱系统动态特性仿真计算,探究了其摩阻扭矩、载荷传递和延伸钻进情况,并在四川盆地长宁地区的3口对应井型页岩气井进行了现场应用实验。研究结果表明:(1)勺型水平井造斜段后半段的接触摩擦强度很高,造斜段后段接触强度是稳斜段接触强度的1.67倍,造斜段的总接触力是大斜度水平井的1.62倍;(2)大斜度水平井稳斜段的接触摩擦强度不仅高于造斜段,而且也高于相同井深的3种井型中的任一特征段;(3)3种井型延伸钻进中钻柱的工作应力都不大,但对于勺型水平井的弯曲段,延伸钻进时还需要重点关注稳斜段钻柱的扭断问题;(4)勺型水平井的钻压传递效率低于常规水平井和大斜度井。结论认为,该研究成果初步揭示了3种页岩气水平井井型的摩阻扭矩特性和主动载荷传递机理,指出了安全评估重点关注井段,对页岩气水平井的高效安全施工具有参考价值。     

水平井管柱摩阻扭矩的计算模型

根据水平井的轨道设计、管柱与井壁接触和受力特点,利用分段计算方法,建立水平井管柱摩阻扭矩计算模型。根据水平井的轨道,采用三维纵横弯曲梁模型,计算处于增斜段管柱的摩阻扭矩;采用修正软模型,求 解处于直井段、稳斜段、水平段管柱的摩阻扭矩;并考虑管柱屈曲的影响,建立适合水平井的摩阻扭矩三维分段计算模型。利用该模型,对现场实际问题进行计算,结果表明,该模型计算精度较高,可为现场实践应用提供技术参考。     

三维长水平段钻井中的钻柱摩阻扭矩分析

根据固平24-23井现场实际,通过数据分析和模拟计算钻柱的摩阻扭矩,得出钻柱的摩阻和扭矩随井斜角的增大、水平段长度的增加,钻柱与井壁(套管)的接触面积增大而增大。并提出了降低摩阻,实现三维水平井长水平段的施工措施。     

页岩气双二维水平井轨迹优化设计与应用

水平井井眼轨迹设计是“井工厂”模式开发页岩气的重要组成部分,研究合理的井眼轨迹有利于降低页岩气钻井施工难度,提高经济效益。针对页岩气水平井的钻井难点,提出了双二维井眼轨迹设计方法。从降低钻井成本、减小钻柱摩阻扭矩、防止丛式井相碰等方面对比分析了双二维水平井相对于三维水平井的优点。结果表明：将水平井的轨迹设计在2个相交的铅垂面中,在每个铅垂面内只有井斜变化没有方位变化,大大降低了钻井施工难度;在钻具组合和工程参数相同的情况下,双二维水平井的水平段摩阻扭矩更小;同时,双二维水平井在降低导向钻井成本和邻井碰撞风险等方面具有明显优势。双二维水平井轨迹优化设计方法可有效降低页岩气井水平井钻井成本,实现页岩气藏的高效开发。     

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。     

四川盆地泸州区块深层页岩气水平井钻井关键技术

四川盆地泸州区块深层页岩气水平井钻井周期长、机械钻速低、钻具振动大,特殊岩性地层可钻性差、水平段井眼易失稳、地层温度高,且摩阻扭矩大、卡钻风险高。为保证作业安全,降低钻井成本,开展了水平井井身结构优化、水平段井眼轨道优化及轨迹控制等技术研究,推荐了激进钻井方式的最优参数,优选了特殊岩性地层减振提速和高效破岩技术;结合地面降温设备先导试验,优选了钻井液体系,并优化了钻井液性能参数,最终形成了泸州区块深层页岩气水平井安全高效钻井关键技术。该技术在泸州区块 4 口井中进行了试验,试验井平均井深5 601 m,水平段长1 884 m,钻井周期平均缩短14.5%,未发生井下故障。研究结果表明,该技术满足泸州区块安全高效钻井和推广应用要求。      

川渝地区三维水平井钻柱力学模型研究

近年来川渝地区的水平井多设计为三维水平井,特别是页岩气井多设计为丛式三维水平井井组。三
维水平井大幅度扭方位后均不同程度的出现摩阻、扭矩增大、钻具偏磨、定向托压等严重现象,严重影响了钻井安
全和钻井速度。为此,在调研分析国外钻柱力学试验数据的基础上,研究三维水平井整体钻柱三维力学模型,结合
有限元理论对钻柱受力力学分析方法,考虑井眼几何形状、钻柱屈曲、钻柱刚性对钻柱力学的影响,提出了三维空
间中的整体钻柱与井壁接触力、摩擦力分布的计算方法,采用微软ｎｅｔ平台ｃ^＃语言编制了相应的计算机软件,使现
场施工人员能够根据钻柱力学仿真数据及时了解井下钻柱形态与受力状态,及时调整施工参数,避免井下复杂情
况的产生。     

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。     

大位移井、水平井扭矩摩阻分析与三维建模

定向钻井作业中,特别是复杂井、大位移井和水平井钻井过程中极度的钻柱扭矩和摩阻给钻井作业带来了极大的困难和挑战。为了监测钻井过程中可能出现的类似问题,作为一种预测和监测方法,扭矩摩阻模型可以在井的设计阶段和钻井过程中预测和分析此类问题。当今钻井业界广泛使用的扭矩摩阻模型大都基于20多年前推出的方程,这些方程至今没有多大改变。本文对钻井作业中有关扭矩摩阻的基本原理、导致扭矩摩阻大的因素、井眼轨迹、钻杆屈曲以及岩屑运移等问题做出一些阐述和分析,简要介绍了标准扭矩摩阻模型,同时,引入了一组最新推出的三维扭矩摩阻模型,并分别给出了不同井段的扭矩摩阻模型。最后,根据大位移井和水平井钻井扭矩和摩阻大的特点,给出了水平井降低扭矩摩阻的钻柱设计准则,目的在于有效传送井底钻压,减小钻柱屈曲,提高井身质量和钻井效率。     

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中，但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中，如果扭矩过大易造成钻柱失效，而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少，并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此，在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上，设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型；采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置，对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试；进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明：①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大，扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大，长短轴半径比为1.065时，扭矩的均值和最大幅值均明显降低，可以起到减摩降扭的作用；②减小钻速和转速，可以降低扭矩均值；③转速超过45 r/min后，扭矩最大幅值随转速的增加变化不大；④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系，与钻速和长短轴半径比无关。结论认为，该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。     

钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力分析

页岩气井的发展方向是垂深更深、水平段更长，长水平段延伸钻进困难已成为制约深层长水平段页岩气井效益开发主要的瓶颈，而采用轻质钻杆则是解决页岩气井水平段延伸钻进难题的方案之一。为了定量化评价钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力，基于Hamilton原理建立全尺寸钛合金钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模型进行求解；进而以钢制钻杆作为比较对象，分析钛合金钻杆的降摩减阻、抵抗变形和轴向力传递能力及其影响因素。研究结果表明：①钛合金钻杆能够有效减少钻柱摩阻，当钻井液密度为1.30 g/cm3时，?101.6 mm钛合金钻杆的接触摩阻比同规格的钢制钻杆减少18.5%，?127.0 mm钛合金钻杆的接触摩阻比?101.6 mm钢制钻杆减少34.8%；②较之于钢制钻杆，钛合金钻杆更容易发生屈曲变形，但通过调控钛合金钻杆尺寸规格可以缓解屈曲变形，从而降低屈曲导致的局部摩阻增加；③钻井液密度提高，能够明显增强钛合金钻杆的降摩减阻效果。结论认为，轻量化的?127.0 mm钛合金钻杆的降摩减阻能力高于?101.6 mm钛合金钻杆，更高于?101.6 mm钢制钻杆，更加有利于解决长水平段水平井延伸钻进困难的问题。     

钻柱摩阻扭矩智能实时分析与卡钻趋势预测

钻柱摩阻扭矩的实时分析对提高钻井效率、规避钻井卡钻风险具有重要作用,目前摩阻扭矩分析以钻前预测为主,但钻井过程中摩阻扭矩的实时分析尚不成熟。针对当前井底钻压扭矩预测不准、钻柱摩阻系数的确定存在盲目性等问题,提出一种钻柱摩阻扭矩智能实时分析方法。该方法利用神经网络模型实时计算井底钻压扭矩,结合摩阻扭矩刚杆模型采用二分法实时反演摩阻系数,准确分析钻柱受力。考虑到钻柱摩阻系数在一定程度上表征钻柱卡钻趋势,进一步利用该方法对钻井卡钻趋势进行预测。将该方法应用于现场数据,发现某井钻柱摩阻系数在6 000~6 100 m区间整体呈现逐渐增大的趋势,且在6 100 m处附近,钻柱摩阻系数从0.35附近陡增至0.75,变化极为剧烈,说明即将发生卡钻。经过对该井的钻井日志查证,该井在6 100 m处附近蹩停顶驱钻具卡死。说明利用该方法对卡钻趋势进行预测具有良好的效果,便于现场实时调整钻井参数,有效规避卡钻风险,提高钻井效率。     

浅层大位移水平井轨迹控制技术

建页HF-1井由于靶前位移非常小,只有235.11m,造斜段进尺只有370m,不适合用悬链线等降低摩阻的轨道设计方法,因为这几种剖面都要求有相对较为充足的靶前位移才可实现。因此,将剖面类型选为单圆弧剖面(直-增-水平),这种剖面轨迹简单,减少了大斜井段稳斜井段进尺,增加了连续定向增斜进尺,能保证井眼轨迹平滑,同时减少了局部增斜和降斜井段,减小了钻柱与井壁接触面积,能有效降低全井摩阻和扭矩。在此基础上做出了比较符合现有施工条件的0.35°/m造斜率的井眼剖面。文章介绍了该井技术难点和施工经过,阐述了大位移水平井摩阻扭矩分析的重要性,对高摩阻产生的原因和如何避免进行了分析,对国内实施页岩气水平井的开发施工具有一定的指导意义。     

气体钻井钻柱摩阻扭矩新解析模型

随着国内外气体钻井技术的不断发展,以及最大储层接触钻井开发理念的提出,气体钻井技术与水平井等钻井技术相结合在致密低渗油气藏开发方面展现了巨大的潜力。但在气体钻水平井或特殊轨迹井的井眼轨迹测量、井眼轨迹控制技术领域仍然面临一些关键技术难题和挑战。摩阻扭矩就是其中的一项关键技术,摩阻扭矩问题贯穿整个井的设计到钻井再到完井、井下作业全过程。文章提出了一种新的钻柱摩阻扭矩计算解析模型,通过对三维狗腿度的矢量化,以及将重力和张力对摩阻影响的分离,简化了复杂的摩阻扭矩解析模型。并分别对某气体钻井三维拐角井及其复合运动的钻柱摩阻扭矩进行了实例计算。计算结果与经典解析算法进行对比分析,得到该解析模型具有较高的精度,可为油田应用提供简便而可靠的计算方法。     

建立在钻柱受力变形分析基础之上的钻柱摩阻分析

在定向井和水平井中,钻柱的摩阻负荷分析是一个不容忽视的问题。本文把钻柱整体看成是一弹性梁,按钻柱与井壁的接触情况计算摩阻负荷,而没有采用以前的"软模型"。它能够考虑钻柱刚度、钻柱与井壁的间隙、下部钻具组合扶正器的安置等因素,从模型上进一步接近了钻柱的实际工作状况,提高了摩阻分析的准确性。并对一口水平井增斜段的钻柱上提和下放时的摩阻负荷进行了分析计算,能看出钻柱在上提和下放时的受力及变形状况,为钻柱的摩阻负荷分析提供了一种新的计算方法。     

摩阻分析在翻156-平158井的应用

水平井钻井技术是提高油田的采收率，降低开采费用的一项综合性实用技术，然而水平井较大的造斜率和水平延伸距离，对钻井提出了苛刻的要求，需要考虑更多问题，其中．摩阻与扭矩问题就是其中一个重要问题，这一问题贯穿从设计到作业的全过程。在水平井钻井过程中，通常钻柱与井壁间存在着接触压力，在钻柱运动时，由于摩擦作用，就会在钻柱上施加轴向阻力和旋转扭矩，     

水平井钻井的降摩阻问题综述

水平井钻井中钻柱摩阻随井斜角增大而变大，钻柱摩阻与井壁接触面积增大而愈大。文中在分析钻柱受力情况下，提出了降摩阻的措施，掌握影响井下摩擦系统的因素及其变化规律。