大位移井钻具组合设计及摩阻扭矩分析

大位移井技术是衡量钻井技术水平高低的关键因素,大位移井钻具组合设计是大位移井钻探中的核心内容之一。国外大位移井的钻具组合设计主要考虑摩阻和扭矩及不均匀转动和震动这两大类问题。摩阻和扭矩分析主要校核钻柱的三轴应力、侧向力、屈曲变形。文中简要介绍了钻具组合设计中的三轴应力、侧向力、屈曲、不均匀转动和震动等五个基本概念。重点介绍了国外大位移井钻具组合设计的基本原则,结合实例作了简略分析。提出了国内水平井钻柱设计需要关注的技术要点,阐述了随钻测量仪对不均匀转动和震动测量等参数的现场需求及重要性。文章认为,不断地消化吸收国外先进的技术和理念,国内未来的水平井技术、大位移井技术将会不断进步和稳步发展。     

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。     

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。     

钻具屈曲影响下的管柱摩阻扭矩分析

现有摩阻扭矩分析模型，常采用单一的刚杆或软杆模型，且鲜有考虑钻具屈曲的影响，预测结果与实测值存在较大误差。文章针对钻具的不同受力特点，分别采用软杆模型、刚杆模型和连续梁模型，在综合考虑钻具屈曲影响下，建立了考虑钻具屈曲的摩阻扭矩分段计算模型，通过模型计算值与现场钻井过程中实测值对比，模型扭矩和轴向载荷预测值与实测吻合好，平均相对误差分别为6%和7%。模型分析发现钻柱正弦屈曲与螺旋屈曲随轴向压力的增大交替出现；管柱的屈曲会随井斜的变化出现跳跃性变化；在滑动钻进过程中，如果忽略钻柱屈曲的影响，井口轴向载荷明显增大，实际传递到钻头的钻压将比预计的要小。在现场试验中，通过该模型计算的摩阻扭矩值及时调整了井口钻压及措施，有效降低了钻柱发生屈曲的程度，提高了钻井机械速度，对于指导现场钻井参数实时调整，提高钻井效率具有重要意义。     

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。     

滑动钻进造斜率预测与分析

滑动钻进工况下造斜率的准确预测是钻井工程面临的难点问题。首先利用加权余量法,建立了导向钻具组合的三维力学模型,得到了滑动钻进过程下钻头机械载荷及导向钻具组合的摩阻分布;其次考虑滑动钻进过程中工具的造斜特性,建立了零侧向钻速准则下的滑动钻进造斜率预测模型及折算系数反演方法;最后利用一口页岩气水平井钻井数据,反演计算了该井造斜率折算系数,验证了滑动钻进造斜率预测模型的精度,并分析了钻井参数、轨迹参数、钻头切削特性、工具结构等对工具造斜率和摩阻的影响规律。研究结果表明:滑动导向模式下,通过适当增加工具结构弯角、降低钻压、提高钻头侧向切削能力等,有利于发挥工具的造斜性能,提高滑动钻进效率,为导向钻井参数优化、工具结构优化设计及井眼轨迹控制等提供重要依据。     

水平井钻井管柱力学模型与软件开发

在充分考虑侧钻水平井的屈曲、钻压、扭矩和摩阻的基础上,将侧钻水平井分为直井段、曲率段和水平段,建立了侧钻水平井钻井管柱力学分析模型。采用基于COM组件的VB与MATLAB混合编程软件制作技术,开发了水平井管柱力学分析软件,同时结合某井的钻井参数对软件进行了应用。应用结果表明,软件可以对井身轨迹进行预览,能够进行钻压、扭矩、应力及稳定性分析,并能得到一定钻井轨迹下的水平钻进延伸极限。     

页岩油超长水平井钻井关键技术分析

本文针对页岩油超长水平段水平井在陇东钻进过程中井眼轨迹控制、井壁稳定、摩阻扭矩以及钻井液优选等关键技术进行了分析研究。对钻具摩阻扭矩过大的问题总结和采用滑动钻进钻柱双向扭转降阻提速技术分析。     

卫 68-FP1 井泥页岩油藏水平井钻井技术

为了解决卫68-FP1 井水平段井眼尺寸小、井下摩阻大、井眼轨迹不易控制等问题,在计算不同井眼曲率下摩阻、扭矩的基础上,结合邻井实钻资料,优化了井眼轨道设计,以降低摩阻和扭矩;根据非常规水平井的实钻经验,选用"小角度螺杆+欠尺寸双稳定器"钻具组合,并对螺杆钻具的弯角和稳定器外径进行了优化,以提高井眼轨迹控制精度;选用合理密度的油基钻井液,以保证水平段的井壁稳定性;采用C1+伽马地质导向技术,以提高油层钻遇率;制定了安全钻进技术措施,以确保钻井安全。实钻结果表明:合理的井眼轨道设计能够有效降低钻进摩阻;"小角度螺杆+欠尺寸双稳定器"钻具组合能精确控制井眼轨迹,并能提高旋转钻进比例;C1+伽马地质导向技术能确保水平段始终在油层穿行。卫 68-FP1 井的顺利完成,可为泥页岩油藏水平井的钻井施工提供借鉴。      

垣平1井长水平段水平井设计与施工

为确保大庆油田第一口长水平段水平井垣平1井的安全顺利钻进,开展了该井钻井工程设计方案研究。针对该井水平段较长,钻井过程中存在钻柱易屈曲、摩阻/扭矩大、井眼净化难、套管难以下入等技术难点,运用Landmark软件对不同设计剖面、不同靶前距和井眼曲率下的摩阻/扭矩及钻柱屈曲情况进行了模拟,以模拟结果为基础,设计了该井的井眼轨道;根据Landmark软件模拟钻柱滑动钻进与旋转钻进时的钻柱屈曲情况,对三开水平段钻具组合进行了优化设计;根据钻井参数对岩屑床厚度影响的模拟结果,优化了三开水平段的钻井参数;模拟计算结果表明,采用漂浮接箍下套管工艺能降低下套管时的摩阻和屈曲程度,因此该井三开采用漂浮接箍下套管工艺。该井钻井过程中没有出现井下故障,完井、电测及下套管安全顺利,说明该井工程设计合理,有效克服了钻井过程存在的技术难题。      

推靠式旋转导向工具造斜能力影响因素

旋转导向工具相比于滑动导向工具具有机械钻速快、摩阻扭矩小、水平位移延伸能力强、井眼轨迹易调控等优点。推靠式旋转导向工具引入国内市场后,总体应用情况较好,但在部分地区也出现了工具造斜能力不足的问题。根据底部钻具组合纵横弯曲梁方法,建立了推靠式旋转导向工具变截面BHA力学模型以及井斜趋势角分析模型,并在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,偏置力、第1跨钻柱长度及外径、第2跨钻柱外径、钻头侧向切削能力对工具造斜能力的影响较大。根据分析结果对推靠式旋转导向工具的底部钻具结构进行了优化,在塔中地区取得了较好的应用效果。     

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。      

转盘与单弯螺杆钻具联合钻进的力学分析及其应用

对转盘与螺杆钻具联合作业进行了运动学分析,给出了钻头在不同条件下的绝对速度和加速度,以及给实际钻井工作带来的影响;给出了转盘与螺杆钻具联合作业时新井眼直径的理论值。本文首次提出了井下钻具自转与反向公转的K-H-V运动模型,据此论证了转盘与单弯螺杆联合作业时,弯接头上将产生反向卸扣力矩及其所带来的危害。所得出的转盘与螺杆联合钻进作业时的有关结论,将有利于现场技术人员指导水平井和丛式井的钻井工作。     

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。     

浅层大位移水平井钻井关键技术分析

高平1井是胜利油田第一口位垂比达到4的大位移水平井。为了最大限度降低和克服井下摩阻扭矩,利用井眼轨道优化设计、下部钻具组合及钻进参数优选、工程保障措施和钻井液性能调控等关键技术,实现了对井眼轨迹的有效控制。所完成的高平1井位垂比达到了4.019 8,水平段长3 462.07 m。结论认为：①造斜率相对较低的单增轨道更适用长水平段水平井井眼轨道优化设计;②优选底部钻具组合、钻进参数和钻头,在特定区域能有效降低长水平段滑动钻进的比例;③水基钻井液在大位移井钻井中拥有较广阔的应用空间。     

可旋转钻柱定向钻进工具设计及测试

针对滑动定向钻进时摩阻高、机械钻速低的技术难题,设计了一种滑动定向钻进时可旋转钻柱的降阻工具RSD,建立了底部钻具组合扭转动力学模型,分析了RSD扭矩及RSD安放位置对于螺杆钻具工具面角的影响规律。利用可模拟螺杆反扭矩振动的试验装置,进行了RSD原理样机室内测试,并利用测试井进行了RSD原理样机现场测试。理论分析及测试结果表明,RSD工作原理可行、结构设计合理,在钻柱旋转时可以稳定和调节螺杆钻具的工具面角。研究认为,利用RSD既可以实现螺杆钻具滑动定向钻进,又可以旋转RSD以上的钻柱,降低摩阻。