液压自动防斜钻具设计

目前国内所使用的各种防斜钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力,在井斜角很小时,降斜力一般很小,在某些区块钻井时不能满足防斜要求。为此,根据不倒翁原理,设计了一种液压自动防斜钻具。这种液压自动防斜钻具主要由钻铤体、偏心套筒、钢球、阀腔、阀杆、活塞杆等组成。该钻具能够自动利用液压力来产生很大的降斜力,从而能够防止井眼的偏斜。该钻具原理可行,结构简单,若能在现场得到应用,可节省钻井时间,从而节省钻井投资,其应用前景十分广阔。     

自动防斜钻井钻具设计

目前所使用的各种钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力,在井斜角很小时,降斜力一般很小,在某些区块钻井时不能满足防斜要求。据此,设计了一种自动防斜钻井钻具,该工具包括钻铤体、偏心套筒、钢球、活塞及螺栓等。偏心套筒通过钢球挂在钻铤体外表面上,该偏心套筒一端部的内壁上有一环槽,并且该端部上位于薄边处还沿轴向延伸出一个凸台,该凸台内有一与有环槽贯通的两端封闭的弧形半环槽。在钻铤体上,与环槽对应处有与该钻铤体内腔贯通的通孔,与半环槽对应处有导流孔,该导流孔通过流道与钻铤体上的活塞腔相连通。在活塞腔内有一活塞。该钻具根据不倒翁原理和千斤顶原理,能够自动利用液压力量来产生降斜力,从而防止了井眼的偏斜。     

偏重偏心防斜钻具的研究与应用

大庆油田海拉尔、延吉、汤原等新探区地层倾角大,井外控制困难,严重影响了钻井速度并增加了钻井成本、研制的偏重偏心防斜钻具,经理论分析和现场试验证明,该钻具在井下旋转过程中所产生的离心力使其偏重段重边的稳定器始终贴向井壁,使钻具产生公转特性,有效地克服钻头自转引起的井斜,其离心力与转速平方成正比,转速越高产生的离心降斜力越大。该钻具能防斜、稳斜和降斜,其结构简单,安装方便,能较好地解决钻定向丛式井直井段的防碰技术难题。该钻具还适应地层倾角大的软到中硬地层,其偏心距的确定、优化组合钻具结构以及合理地选择钻压和转速,对防斜钻井及提高钻速均具有十分重要的作用。在12口井的现场试验中,井斜角均控制在1°以内,满足了钻定向丛式井造斜点井斜角小于1°的要求。     

连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能分析

针对小井眼连续管水平钻井过程中导向控制的要求,提出采用可控偏心垫块控制井眼轨迹的方法。在下部钻具组合(BHA)中按照一定的分布规律安装可独立控制的偏心垫块,通过控制偏心垫块的伸出与缩回,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,从而改变钻具组合的力学特性;对该钻具组合形式采用纵横弯曲连续梁法,建立了连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能的力学模型与控制方程,并针对具体算例采用控制方程进行了求解。计算结果表明,在不同钻压条件下,钻头井斜力、钻头方位力、井斜平面内钻头转角和方位平面内钻头转角均随偏心稳定器在井斜平面与方位平面内的偏心位移呈线性变化;钻铤内径增大,钻头井斜力、方位力均表现为先缓慢减小后快速降低,钻头转角的变化很小。研究表明,控制钻具组合偏心垫块的伸出与缩回可以改变BHA的力学性能,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,达到控制井眼轨迹的目的。      

偏心钻头钻进时的底部钻柱力学分析

采用静力分析的方法,建立了偏心钻头底部钻具组合的力学模型,并完成了对力学模型的求解。应用数值计算方法,分析了偏心钻头底部钻具组合的受力和变形特性。通过对切点位置、钻头侧向力、井斜角及钻压分配比的分析发现:使用偏心钻头时钻柱与井壁的切点位置要比没有偏心时低得多;在倾斜井眼中,钻头偏心块在上方时,随钻压的增加钻具的降斜趋势减弱,增斜趋势增强;当偏心块在下方时,随钻压的增加钻具的降斜趋势增强;钻压分配比对钻头侧向力的变化趋势有重大影响。     

普光3井防斜打直技术

普光3井上部地层属于高陡构造,地层倾角大,极易发生井斜,地层可钻性差,蹩跳钻严重,上部地层防斜打直是施工的难点。该井在施工过程中应用了钟摆钻具组合、大直径钻铤组成的塔式钻具组合和螺杆钻具组合。应 用效果表明,钟摆钻具组合在表层钻进时,要防斜打直要求钻压很小,这样制约了钻井速度;大直径钻铤塔式钻具组合防斜效果较好,且匹配好合适的钻井参数并优选好钻头,能有效提高钻井速度;上螺杆扭方位钻具组合是一种较积极的防斜打直措施,有必要进一步探索。     

空气钻井钻具组合动力学特征及井斜机理研究

研究了用牙轮钻头进行空气钻井时光钻铤钻具组合动力学特征及井斜机理,建立了光钻铤钻具组合的转子动力学模型,分析了空气钻井与泥浆钻井时光钻铤钻具组合动力学特征的区别。结果表明,高碰摩系数使空气钻井时钻具组合反向涡动,空气的低阻力使空气钻井的涡动速度增大。泥浆钻井则相反,钻具组合以较低的涡动速度向前涡动。这些特征的综合作用使得空气钻井时钻头上的降斜力小于泥浆钻井,成为引起空气钻井井眼易斜的主要原因之一。     

双扶正器钟摆钻具组合的优化设计

为了提高钟摆钻具的防斜侧向力,本文应用纵横弯曲连续梁理论,研究在井斜角很小的垂直井中,对双扶正器的钟摆钻具组合如何使用优化方法合理选择钻具参数。采用“对分法”和“伸缩保差法”作为搜索方法,得出防斜侧向力最大的并随着钻压增加而增大的“双扶正器柔性钻具组合”(即两扶正器之间为柔性钻杆)。又对“双扶正器刚性钻具组合”(即两扶正器之间用刚度较大的钻铤)进行优化设计,从而取得了对不同造斜地层打钻时进行参数优选的规律性。优化设计后具有双扶正器的柔性和刚性钟摆钻具可较光钻铤钻具的防斜侧向力有显著的提高(可提高40～60%)。     

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形，减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138-6井进行的试验表明，这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比，这种钻具组合的钻压提高50％以上，机械钻速则提高120％。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。     

钻压防斜技术的实践与理论探讨

常规防斜钻具要求小钻压或带有多个稳定器,因而钻速低,且易发生事故。新的防斜技术──光钻铤加压防斜,除具有常规防斜钻具的钟摆力和惯性离心力外,还有动态轴向附加力。新的防斜理论认为,增加钻压引起钻柱屈曲,保持钻柱涡动,有井斜时使钻柱产生周期性变化的轴向附加力,无井斜时轴向附加力消失。轴向附加力给钻头与地层的接触增加一个周期性附加分量,改变了钻头的破岩速率和方向,所以轴向附加力具有防斜和纠斜的作用,而绝不会增斜。新的光钻铤加压防斜技术,在塔西南地区试验取得极好效果。     

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随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，对地质中靶的要求也越来超高，特别是高陡构造的防斜打快问题更是钻井技术小的难点和重点。传统的满眼钻具组合和钟摆钻具组合只是以钻具侧向力作为井斜控制的理论依据，具有较大的局限性。发展中的偏心钻具、偏轴钻具、柔性钻具、反钟摆钻具、导向钻具等防斜技术，在有效地控制钻具侧向力的基础上，增强了钻柱的公转效应，削弱了钻头倾角的增斜作用，可以较好地控制井斜、提高机械钻速。但是，钻具组合的内在力学性质决定了它们仍然没有抵抗地层造斜力的功能，因此对于高陡构造和强造斜地层，其井斜控制效果仍难以得到充分的保证。要从根本上解决防斜打快问题，除了有效地控制钻具侧向力和钻头倾角之外，还必须具有足够的抵抗地层造斜力的能力。只有同时考虑这三方面的因素，并使之相互协调，才能真正地解决高陡构造和强造斜地层的防斜打快问题。     

河坝1井高陡构造带防斜打直技术

河坝1井上部陆相地层属于高陡构造，地层倾角大，极易发生井斜。为解决大井眼高陡构造带易井斜和机械钻速低的难题，该井在钻井过程中试验应用了偏轴钻具组合、大尺寸钻铤组成的塔式钻具组合和直螺杆钻具组合。应用效果表明，在目前的技术条件下，大尺寸塔式钻具组合是川东地区高陡构造带大倾角地层防斜打直的较好选择，但同时须优选钻头及钻井参数．并强化井身质量监测。     

气体钻井钟摆钻具组合的有限元分析法

在现行的钟摆钻具设计过程中,将第一个稳定器及其以下钻铤简化为简支梁进行计算。常规钻井液钻井时,钻压常远远大于稳定器以下钻铤浮重,忽略钻柱自身重力对轴向力的影响;而气体钻井时,钻压小,钻铤浮重大,此时钻铤自身重力的影响不得不考虑。以管单元模拟钻具的物理及几何特性,以间隙单元模拟钻具与井壁接触,采用有限元法,对气体钻井过程中下部钻具组合受力及变形进行了动态数值模拟,对单稳定器及双稳定器钟摆钻具组合进行了分析。该有限元模型不仅考虑了钻铤自身重力的影响,而且考虑了钻铤自转对其变形的影响,为钻柱力学分析提供了一种有效的手段,也为气体钻井防斜打直提供了理论依据。     

指向式旋转导向钻井系统角位置测量方法

指向式旋转导向工具在国内的研究起步晚,许多技术环节还处于攻关阶段。该系统钻头轴(或偏心轴)与钻铤的相对角位置测量是工具在导向过程中保持工具面相对大地稳定的关键和前提,其精确度和实时性至关重要。在研究指向式旋转导向系统工具结构和工具面测量原理的基础上,对利用旋转变压器的2种角位置测量方法——反正切法和鉴相法进行适用性对比分析,对2种算法进行了仿真,并优选鉴相法开展实验室平台验证。仿真及实验结果证明,在电动机模拟井下转动并受干扰的情况下,鉴相法比反正切法处理后的信号具有更强的稳定性,能够较好地实时跟踪并高精度还原工具偏心轴相对于外部钻铤的转动角度,为钻头轴工具面角的测量、导向控制以及整个工具的研制提供了基础。     

VTK垂直钻井系统在龙深1井钻井中的应用

龙深1在钻遇推覆体地层时，地层倾角变化大，自然造斜能力强，采用塔式钻具、钟摆钻具、大尺寸PDC钻头等多种防斜技术，其结果是井斜控制十分困难、钻井速度极慢；利用弯螺杆＋转盘钻井复合技术，虽然钻井速度有一定的提高，但仍不能达到提速的目的。为提高机械钻速，引进贝克休斯的VTK垂直钻井技术，它是由AUTOTRAK（闭环旋转导向系统）、高性能X-TREME马达、可靠的MWD三种技术开发出来的一种闭环自动垂直钻井技术，能够根据井眼的偏斜，经井下微处理器分析判断，使导向稳定地靠近井眼高边方向导向肋板伸出顶向上井壁，这样使钻头产生合理的降斜力，从而使井眼回到垂直轨道上来。现场应用表明：该技术较好地解决了钻井提速工作中井斜与钻压之间的矛盾，使钻井效率明显提高；为充分发挥该技术的作用，需要选择合适的钻头类型和合理的钻井液性能