摇摆旋转钻具解决定向钻井托压难题

定向钻井过程中,滑动钻进托压、马达工具面调整和保持困难,始终是影响滑动钻进机械钻速的主要问题。为了解决这些问题,一种新的基于顶驱的控制系统已完成室内试验。该系统配有一个可编程控制器,接收控制顶驱所需的MWD、钻杆扭矩、立管压力、大钩悬重等多个传感器数据。依据定向钻井控制流程,对顶驱进行程控编程,控制顶驱精确转动调整和保持工具面;运用扭矩摇摆技术顺时针逆时针交替旋转钻具,降低井眼摩阻,解决滑动托压,提高机械钻速。类似的控制系统应用证明,该系统用于滑动钻进非常有效,能显著提高造斜段和水平段的钻进能力,适用于难度较大的定向井和水平井的钻井作业。     

定向滑动钻进控制系统与控制方法研究

针对螺杆钻具在定向钻井过程中由于井眼摩阻大所导致的工具面调整困难和滑动钻进托压问题,利用顶驱精确定位和左右旋转的特点,研究开发基于顶驱可编程控制器(PLC)和传感器于一体的滑动钻进控制系统。本文深入研究和分析了钻具滑动前后摩擦力的变化规律和控制扭矩旋转钻具减小井眼摩阻的方法。通过5个传感器的实时数据采集,依据定向工程师的经验和推理方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立以PLC为核心的人机控制界面,PLC计算调整工具面所需的旋转角度,将工具面准确调整到设计的工具面角度;根据大钩悬重和压差?P判断托压,出现托压时PLC计算不改变工具面的旋转扭矩,以计算的扭矩为限值左右旋转钻具减小井眼摩阻,直到压差?P0,解决滑动托压。研究表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速;其方法是目前解决螺杆钻具滑动钻进最有效的控制方法。     

定向滑动钻进控制新方法研究

在用螺杆钻具进行定向钻井时,由于井眼摩阻大,常导致工具面调整困难和滑动钻进托压。针对该问题,研究了有效结合了顶驱可编程控制器和传感器的滑动钻进控制新方法。首先,分析研究了钻具滑动前后摩擦力的变化规律和控制扭矩旋转钻具减小井眼摩阻的方法。然后,通过5个传感器的实时数据采集,依据现场技术人员的经验和操作方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立了以可编程控制器为核心的人机控制界面,用可编程控制器计算了调整工具面所需的旋转角度,并将工具面准确调整到设计的角度;根据大钩悬重和压差Δp判断是否出现托压,出现托压时用可编程控制器计算不改变工具面的旋转扭矩,以计算的扭矩为限值左右旋转钻具减小井眼摩阻,直到压差Δp0,解决滑动托压。相关应用表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速,是目前螺杆钻具滑动钻进中最有效的控制方法。      

认识控制扭矩是改善定向滑动钻井的关键

20 0 4 0 3 0 2 ,在美国Texas州Dallas市召开的SPE钻井技术会议上,美国Nobel公司宣读一篇题为“认识与控制扭矩是定向滑动钻进的关键”的论文。该公司在钻机上安装1套“扭矩自动控制系统”,进行钻井地面技术整合及MWD数据的处理,从而达到增加机械钻速及增加水平段钻进能力;钻进时进行工具面的修正;提高井眼轨迹质量;延长井下马达寿命;工具面快速与精确定向;迅速进行滑动与旋转钻进的转换。该系统是由软件与硬件组成,硬件部分为液压动力旋转器,安装在钻机顶驱上,其基本原理是根据各个传感器所获得的数据,根据滑动钻进时钻具每一旋转周期…     

认识与控制扭矩是改善定向滑动钻井的关键

今年3月2日在美国Texas州Dallas市召开的SPE钻井技术会议上,美国Nobel公司宣读一篇题为“认识与控制扭矩:定向滑动钻进的关键”的论文(SPE/IADC 8716 2 )。该公司在钻机上安装了一套扭矩自动控制系统,进行钻井地面技术整合及MWD数据的处理,从而达到以下目的:增加机械钻速及增加水平段钻进能力;钻进时进行工具面的修正;提高井眼轨迹质量;延长井下马达寿命;工具面快速与精确定向;迅速进行滑动与旋转钻进的转换。这套扭矩自动控制系统由软件与硬件组成,硬件部分为一液压动力旋转器,安装在钻机顶驱上。其基本原理是根据各个传感器所获得…     

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明：研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。     

水力振荡器与液力推力器集成应用研究

为了解决复杂结构井滑动钻进托压问题,提出了水力振荡器与液力推力器集成应用缓解托压的方法,从原理上进行了技术可行性分析。该集成技术可以起到3方面的作用:降低滑动钻进钻柱与井壁间的摩阻,缓解滑动钻进托压,提高滑动钻进行程钻速;当摩阻增加到一定值时,出现小幅度的托压释放时,保证工具面稳定;滑动钻进时,为钻头提供足够钻压,提高滑动钻进机械钻速。在G962-24井进行的现场试验中,滑动钻压维持在40~50 k N之间,托压现象明显缓解;滑动行程机械钻速由1.48 m/h提高到5.14 m/h,机械钻速平均提高到3.10 m/h。该项集成技术的成功应用,为同类型的井缓解滑动钻进托压现象提供了理论依据和技术支持。     

四川页岩气旋转导向钻井技术应用

四川长宁－威远区块页岩气资源储量丰富,开发利用价值大,但是水平井钻井过程中存在滑动钻进
托压、钻井速度慢、效率低、水平段长度不满足地质需求等问题,影响了四川页岩气的勘探开发进程和经济效益。
为此,基于四川长宁－威远页岩气示范区地质、工程特点,分析了四川页岩气地质特征和水平井斜井段主要钻井技
术难题,优选了旋转导向工具,优化了井身结构和井眼轨迹,完善了配套工艺,研究形成了适合四川页岩气旋转导
向钻井技术,现场应用２８口井,机械钻速大幅提高,水平段长度增加５００ｍ,钻井周期缩短５０％,取得了较好的提速
提效效果,为页岩气资源高效开发和长宁－威远国家级页岩气示范区建设提供了良好的技术支持。     

基于静摩擦扭矩释放的快速滑动定向钻井技术

由导向马达、随钻测量系统构成的滑动钻井仍然是目前的主要定向钻井方式。国外近年发展起来的一种依靠控制钻柱旋转扭摆的工艺方法,突破了滑动钻井工艺中马达导向所面临的局限性,同时费用又低于旋转导向系统。该方法以滑动动摩擦原理及其优势为基础,建立了钻柱物理模型,把滑动钻井时井下钻柱摩擦力的分布状态划分为3个典型区间:地面扭摆作用区、静摩擦区、反扭矩作用区;由自动扭摆控制软件系统对顶驱扭矩、钻头钻压和钻进速度的连续不断地测量,自动计算和最大限度地扩展地面扭摆作用区的长度(或减少下部动力钻具静摩擦区的长度),实现钻柱摩阻的减少,从而有效地提高了滑动钻井的机械钻速、提高定向作业纯钻时效,减少导向马达和钻头的损坏。实例运用结果表明:该方法能够提高机械钻速近50%,与常规复合导航钻井相比,节省了调整工具面角的时间损失,因而是一种极具发展前景的技术。     

弯角马达工具面动态控制系统研制及试验

常规方法调整弯角马达工具面时作业效率低,易发生工具面漂移、托压等复杂情况。基于顶驱和MWD系统研制了一套弯角马达工具面动态控制系统,该系统可自动判断工具面偏移情况并发送指令至顶驱定位系统,实现连续滑动钻进过程中对工具面的实时监测和自动控制。仿真测试及现场试验结果表明,所研制的弯角马达工具面动态控制系统具有良好的快速响应及稳定性,滑动钻进时工具面可控制在目标值±10°范围内,具有较好的现场应用价值。     

工具面动态控制钻井系统的室内研究

常规钻井作业中,造斜段一般使用弯角马达滑动钻进完成,易产生工具面漂移,传统方法对工具面调整时需要停钻,易引起作业效率低和卡钻等问题。为此,设计了工具面动态控制钻井系统,并完成软件控制和顶驱角度精确定位系统研制。钻井系统主要由现场监测系统、软件控制系统和顶驱精确定位系统组成。通过实时监测工具面,软件控制系统可自动判断工具面偏移情况并发送指令至顶驱精确定位系统,定位系统调整顶驱角度,从而实现滑动钻进过程中工具面的自动控制。室内试验结果表明,电机无论是在空载、带载还是正反转情况下,顶驱角度精确定位系统的定位精度都控制在2°以内,响应时间不超过4 s。     

PIPE ROCK钻柱扭摆系统应用评价

国外以斯伦贝谢公司Slider系统为代表的钻柱扭摆系统在常规滑动定向钻进时,取得了较好的减轻摩阻、克服钻进"托压"的应用效果,但国内钻柱扭摆系统仍处于试验与完善阶段。为此,从分析自主研发的PIPE ROCK钻柱扭摆系统的原理及系统构成、操作流程、使用方法、试验实钻结果等方面入手,结合与常规滑动钻进方式的技术效果比较结果,总结了该系统现场试验所取得的成果,分析了该系统的缺陷并提出了改进措施。研究结果表明:(1) L204井应用该系统前后的数据表明,扭摆钻井防托压效果明显;(2) Long016-H1井水平段共定向调整轨迹20次,使用常规滑动定向平均纯钻时效为64.3%,而使用钻柱扭摆系统的定向纯钻时效提高到83.4%,提升效果明显;(3)使用扭摆系统后,可以在钻进过程中不停钻调节定向工具面,使工具面保持长期稳定,提高了定向精准度;(4)钻柱扭摆系统目前还存在着自动化程度较低、需要人工实时调整扭矩设定值、使用效果受人员个体差异影响较大等缺点,因而有必要持续改进该系统以最终实现轨迹的智能控制。结论认为,该钻柱扭摆系统成功地解决了定向钻进托压难题,具有提高定向纯钻时效、提高定向精准度的作用,减少了定向次数和定向段长,大幅度提高了定向机械钻速和单趟钻的行程钻速,能够满足现场作业要求,具备工业化应用的条件。     

BH-HVT 水力振荡器在三维绕障井ZH30-38 井的应用

大位移、大井斜井段钻井施工中,因钻具与井壁间摩阻大,导致钻压无法平滑地传递,经常出现托压现象,需频繁提放钻具,调整工具面,严重影响施工效率。为缓解钻具托压,在ZH30-38井三开稳斜扭方位井段应用BH-HVT水力振荡器,通过工具产生的轴向振动,使滑动钻进摩阻由静摩擦转变为动摩擦,降低了钻井摩阻、改善了钻压传递效率,提高了机械钻速。与邻井同层位未使用该工具时相比较,滑动机械钻速提高26.1%～40.4%,行程钻速提高133.1%～187.5%。水力振荡器在该井的成功应用,为大位移、大井斜井及水平井的钻井提速提供了有益的借鉴。     

焦石坝页岩气水平井钻井提速工具应用

针对焦石坝区块页岩气水平井在钻进过程中遇到的地层可钻性差、摩阻扭矩大、井下动力钻具寿命
短等问题,在详细分析钻井施工难点的基础上,优选多种新型提速工具进行了现场应用。采用旋冲钻具改变破岩
方式提高了研磨性地层的破岩效率;采用水力振荡器和旋转导向工具将定向过程中的静摩擦变为动摩擦,实现了
长裸眼段降摩减阻和轨迹高效控制;采用低速螺杆、等壁厚螺杆和耐油螺杆延长了井下动力钻具单趟钻寿命及进
尺。现场应用效果表明,通过新型提速工具的优选应用,机械钻速同比提高２８％～８６．３９％,实现了一趟钻完成一开
进尺,一趟钻完成水平段进尺,有效提高了钻井效率,为焦石坝及邻近区块后续页岩气水平井钻井提速提供了技术
参考和支撑。     

旋转导向在高压高含硫气井的成功应用

在高温、 高压、 高含硫气井中使用 Ａ ｕ ｔ ｏＴ ｒ ａ ｃ ｋ旋转导向钻井技术, 可以随钻检测钻头或井下工具的工作状态, 不断优化钻井参数, 减少或避免托压现象, 保证钻压的正常传递, 机械钻速明显高于同地区同层位邻井的机械钻速; 减少了常规钻井方法导致的起下钻更换钻具组合时间、 稳斜段水平段扭方位起下钻时间和井下螺杆钻具损坏导致的起下钻时间, 提高了钻井作业效率, 降低钻井成本; 如果选择使用 Ｘ－Ｔ ｒ ｅ ｍ ｅ 大扭矩高温螺杆钻具配合转盘或顶驱进行复合钻进, 机械钻速还可能有大幅度提高, 进一步缩短钻井周期。使用旋转导向钻井技术, 成功解决了一系列的钻井技术难道, 优质、 高效地完成了一口大斜度定向井和一口水平井, 水平井无阻流量达１ ０ ３× １ ０ ４ｍ ３／ ｄ , 为该区的油气开发积累了宝贵的经验。     

水力振荡器最优安放位置研究与应用

复杂结构井滑动钻进过程中,托压现象严重,钻头无法获得有效的钻压,导致滑动钻进机械钻速低。水力振荡器通过轴向振动带动钻具产生轴向蠕动,从而使滑动钻进的静摩擦转变为动摩擦,可以大幅降低摩阻,从根本上解决托压问题。对井眼轨迹进行了力学简化,通过钻柱瞬态动力学分析,建立了工具有效传播距离的数学模型和计算方法。针对张海31-26井的现场试验提出了相对于钻头的最佳安放距离,并对试验中机械钻速、百米定向次数和滑动钻进进尺比例等参数进行了统计分析,验证了模型的有效性。研究内容为该工具的有效应用提供了理论指导。     

缩进式长冲程水力加压器的研制与应用

大斜度大位移定向井和水平井滑动钻进的托压严重影响机械钻速的提高,为此,研制了缩进式长冲程水力加压器。该加压器由水力加压推进机构和悬挂机构组成。推进机构中间筒体的托台嵌于心轴的导向长槽中,心轴导向长槽沿托台滑动,可避免外壳体与心轴之间自由转动,实现扭矩传递;另外,钻井液流过心轴及下部钻具的压降产生推力,给钻头提供足够、稳定和可控的钻压。悬挂机构使心轴在起下钻时处于缩进状态,并悬挂在定位短槽内,避免心轴受到损伤,从而延长加压器的使用寿命。2口井的应用结果表明,缩进式长冲程水力加压器具有很好的悬挂和推进功能,对复合钻进和滑动钻进机械钻速均有不同程度的提高,解决了滑动钻进的托压问题。     

VARCO-10SA顶驱导轨滑动架故障原因分析及预防

VARCO-10SA顶驱的导轨滑动架承受的反扭矩和冲击力较大,经常出现10SA顶驱导轨滑动架固定螺栓松动的故障,是影响顶驱正常运转的重大隐患。针对故障现象,计算顶驱正常钻进及上卸扣过程中的反扭矩,分析反扭矩对导轨滑动架固定螺栓的影响。计算顶驱上提及下放过程中导轨对滑动架的冲击力,计算导轨对滑动架的冲击力对滑动架固定螺栓组产生的旋转扭矩和横向作用力,分析得出滑动架固定螺栓受到的横向作用力是造成螺栓松动的主要原因,提出相应的预防措施。     

定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用

旋转导向工具由于尺寸大，在钻井过程中井壁不稳定时容易发生卡钻、埋钻等复杂故障，处理难度大，现场应用受到一定限制。针对这种情况，文章研究了一种适用于定向钻进过程中的电控式扭矩离合控制工具。该工具在定向过程中可以将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离，实现上部钻具随钻盘低转速旋转送钻，下部钻具与螺杆工具配合滑动定向钻进。该工具由两部分组成：地面信号下传单元和井下信号接收及离合控制单元。井下信号接收及离合控制单元安放在近钻头位置，地面信号下传单元通过钻井液将信号传递到井下，离合控制单元接收指令后，用电液控制方式执行钻柱扭矩分离与结合动作。该工具使用的关键点是安放位置和反扭矩的控制，通过对下部钻具摩阻扭矩的分析，运用Landmark软件计算工具安放位置，抗反扭矩工具可抵抗并吸收螺杆钻具的反扭矩。现场应用表明，该系统可有效缓解托压，降摩减阻，稳定工具面，提高钻压传递效率，较大幅度提高机械钻速，实现低成本代替旋转导向工具，具有广阔应用前景。     

微流量精细控压钻井技术在冀东油田的研究与应用

冀东油田南堡２号潜山储集层裂缝发育,地层压力系统复杂且具有高气油比的特点。欠平衡钻进过
程中时常发生井漏、溢流和漏喷同存等复杂情况,钻井时效低,井控风险大。为解决这一技术难题,在ＮＰ２３－
Ｐ２０１２井奥陶系储层段开展了微流量精细控压钻井作业。通过井下环空微流量监测,地面节流设备自动调整回压
及调整钻井参数等手段,实现了对井底压力的实时监测和精确控制;及时发现并快速控制了钻进过程中的溢流、漏
失情况,避免了井下情况的进一步恶化,成功实现了“零密度”窗口条件下的安全钻进,极大地降低了井下复杂时间
和井控风险,并使得水平段延伸能力大大提高;作业过程中共发现７个油气显示段。该项技术的成功应用为相似
复杂地层控压钻进作业积累了经验。