沙特B区块高效破岩钻井技术

沙特B区块为典型的高温高压低孔低渗砂岩储层,平均机械钻速2.25 m/h,平均钻井周期250 d。为了提高机械钻速,缩短钻井周期,进行了沙特B区块高效破岩技术研究与应用。根据建立的沙特B区块岩石可钻性剖面,以岩石可钻性为基础,不同类型钻头的现场实钻效果为依据,与钻头厂家共同研究优选出了该区块不同地层的钻头推荐方案;参照沙特B区块地层的可钻性,根据螺杆钻具和涡轮钻具工作特征参数,优选出了适用于该区块的螺杆钻具和涡轮钻具。现场应用表明,沙特B区块采用优选出的钻头推荐方案“螺杆钻具+PDC钻头”和“涡轮钻具+孕镶金刚石钻头”复合钻井方式可以实现高效破岩,使该区块平均机械钻速提高46.8%,钻井周期缩短23.3%。      

幂律流体环空及钻头水力参数的计算方法

给出一种求幂律流体环空循环压耗及钻头和参数的计算方法。使用牛顿迭代法求紊流时的范宁摩阻系数，根据求出的压耗，并以最大钻头水功率或最大射流冲击力的工作方式为依据确定最优水力路线，建立了压耗－排量方程，以此来优化钻井水力参数和优选最佳喷嘴尺寸。     

基于因子分析法的玉北区块钻头优选及应用

现场使用的钻头与所钻地层的匹配程度较差,导致钻井速度缓慢,需在常规优选钻头的基础上对因子选取进行补充,考虑水力参数对钻头选型的影响。鉴于此,采用因子分析方法对吐哈盆地玉北区块实钻钻头进行了选型,选型中增添了水力参数(排量、立管压力、喷射速度和钻头水功率)作为影响因子,并与仅考虑破岩参数作为优选钻头结果进行对比,分析了增添水力参数后对钻头选型产生的影响。分析结果表明:机械钻速与立管压力呈线性关系,与排量呈二次多项式关系,与钻头水功率呈对数关系,与喷射速度呈指数关系;应用给定的钻井水力参数钻进,YB-1井克拉玛依组、梧桐沟组和桃东沟组平均机械钻速分别达到7.12、6.62和4.51 m/h,与邻井同一地层相比分别提高25.35%、26.58%和22.61%。所得结论可为吐哈盆地玉北区块的钻头优选提供参考。     

螺杆钻具工作特性和结构参数的分析研究

为了提高现代螺杆钻具的设计和使用水平,分析研究了螺杆钻具在空转工况、最优工况、稳定工作区边界工况和制动工况下的工作特性,以及螺杆钻具主轴转矩、工作容积、压力降、螺杆 衬套副的效率和直径过盈值等结构参数。提出了以螺杆钻具 钻头 油井系统的综合负载特性曲线作为螺杆钻具正确选择和使用的依据。为提高定向井和水平井用螺杆钻具的主轴转矩,推荐在减小工作容积的同时,增加其导程数以及减小其直径过盈值。最后建议开发设计多功能螺杆钻具,以扩大螺杆钻具在钻井和修井中的适应性以及缩减其零配件的种类和数量。     

超深水平井钻井水力参数优选

基于传热学理论和井筒流动特性,通过建立超深水平井的井筒物理模型和温度场模型,考虑螺杆钻具的工作特性,以钻头和螺杆钻具组合的最大水力能量作为优选目标,建立了水力参数优选模型,分析了温度、压力对最小携岩排量的影响,并计算了最优排量和其他水力参数。结果表明:与不考虑温度、压力影响时相比,考虑温度、压力影响时的最小携岩排量增加了1倍;最小携岩排量随着钻井液密度和塑性黏度的降低而增大,塑性黏度是其主要影响因素;不同时刻的最小携岩排量存在一临界点,在临界点上、下井段确定最小携岩排量时,应采用不同时刻对应的最小携岩排量。因此,在超深水平井复合钻井时,应充分考虑温度、压力对水力参数优选的影响,以保证井眼清洁,提高钻井效率。     

PDC钻头钻井水力参数优选设计探讨

本文从实践和理论两个方面讨论了水力参数对PDC钻头和牙轮钻头机械钻速的影响。在泵功率一定的条件下,PDC钻头的机械钻速对排量更敏感,而泵压对牙轮钻头机械钻速的影响更重要,其原因是钻头结构和破岩机埋不同。通过水力因素的分析,认为井底漫流与射流对机械钻速都有极其重要的作用,最佳水力效果不能仅仅在射流水功率最大时达到,还必须同时考虑漫流的水力作用。作者提出漫流水功率的概念,并以漫流水功率最大为约束条件求取射流水功率的极值,建立了PDC钻头最优排量与泵压的关系式,提出了实用的PDC钻头钻井水力参数优选设计方法。     

单弯双稳钻具旋转钻进防斜打直效果分析

与传统的钟摆钻具组合和满眼钻具组合相比,弯螺杆钻具组合复合钻进防斜打直技术具有优越性.针对常用的单弯双稳导向钻具组合,考虑弯螺杆钻具公转产生的离心力影响,应用纵横弯曲连续梁方法和达朗伯原理,建立了单弯双稳钻具复合钻进条件下防斜打直效果分析模型.以提高(Φ)215.9 mm直井段防斜打直效率为目标,模拟分析了钻具结构和钻进参数以及井眼参数对钻头侧向力和井斜趋势角的影响规律,推荐了钻具结构优化和钻井参数优选方案.     

赫-巴流体钻头水力参数优化程序设计方法

循环压耗的准确计算是钻头水力参数优化程序设计的基础。在给出用赫-巴流体准确求解循环压耗的基础上,以最大钻头水功率或最大冲击力的工作方式为依据设计出最优的水力路线,以此来优选钻井水力参数和最优喷嘴尺寸。最后通过计算实例和编制的程序对宾汉模式、幂律模式和赫-巴模式进行了分析对比,指出采用赫-巴流体模式进行计算准确度高,完全能满足钻井工程设计要求。     

水力脉冲空化射流钻井技术适应性分析

为了推广应用水力脉冲空化射流钻井技术,在介绍该技术提高机械钻速机理的基础上,通过理论分析、统计总结的方法对该技术的现场试验进行了适应性分析,包括适用的钻具组合、地层、井径、钻头以及钻进参数等。结果表明:水力脉冲空化射流发生器可与常规钻具、井下动力钻具、欠平衡钻具以及Power V钻具等多重钻具组合配合钻进;适用于新生代至古生代地层,包括软、中硬、硬地层,最大试验井深达6 162 m;可在?216~?406 mm不同井眼配合不同型号PDC和牙轮钻头应用;适用的钻井参数范围较大,对钻井参数没有特别要求;一般工作寿命在230 h以上。水力脉冲空化射流钻井技术对现有的钻井装备、工艺参数等具有较好的适应性,平均机械钻速提高10.1%~104.4%,为深井钻井提供了一种安全高效的钻井新技术。     

赫-巴流体钻头水力参数优化程序设计方法

循环压耗的准确计算是钻头水力参数优化程序设计的基础。在给出用赫-巴流体准确求解循环压耗的基础上，以最大钻头水功率或最大冲击力的工作方式为依据设计出最优的水力路线，以此来优选钻井水力参数和最优喷嘴尺寸。最后通过计算实例和编制的程序对宾汉模式、幂律模式和赫-巴模式进行了分析对比，指出采用赫-巴流体模式进行计算准确度高，完全能满足钻井工程设计要求。     

定向井滑动钻进送钻原理与技术

定向井和水平井钻进经常采用滑动钻进方式。地面间歇向井内送入钻杆是如何转化成井下钻柱对钻头的推进的？如何减小钻柱与井壁的滑动摩擦力给钻压带来的误差？现有的滑动钻进送钻技术各有什么优缺点？这些都是业界关心的问题。为此,把钻具送到井底并加上钻压,暂停地面送钻操作的工况作为研究区间,分析了井底的钻柱弹性、水力振荡器和液力推进器3种送钻原理。阐述了带井下动力的钻具组合、带水力振荡器的钻具组合和带液力推进器的钻具组合的滑动送钻技术,给出了地面钻进参数与井底钻进参数的关系。进而比较了3种送钻技术的特点：带井下动力的钻具组合在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进;带水力振荡器的钻具组合依靠其产生的水力振动来降低钻柱与井壁间的滑动摩擦力,改善钻压传递效率;带液力推进器的钻具组合在其工作钻压区间,依靠活塞推动钻头前进。结论认为,带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优,钻压可调、平稳,液力推进器可串联使用,钻进时可以活动上部钻柱。     

井下螺杆增压提速装置关键部件设计

钻井提速是各大石油钻井公司研究的重要方向,油气钻井工程实践表明,提高井底钻头喷嘴射流压力可以大幅提高钻井速度。在分析现有井下增压的基础上,研制了井下螺杆增压装置。该装置以螺杆泵作为动力,通过新型换向机构将旋转运动转换为增压泵的往复运动,成功实现了井底增压;钻头超高压喷嘴射流压力达到80～100MPa,有效地实现了超高压射流钻井,达到了提高钻速、降低钻井成本的目的。     

水力喷射径向钻孔器的流场特性

水力喷射径向钻孔器的结构优化设计和破岩性能直接决定了钻进速度。文中利用CFX软件建立水力喷射径向钻孔器的有限元数值模型,开展了钻孔器内外流场的三维流动特性分析,研究了入口排量、井眼内径对流场特性的影响规律。结果表明:随着入口排量的增加,前、后喷孔的最大流速均有所增加,且后喷孔的最大流速大于前喷孔;随着井眼内径和入口排量的增加,钻孔器最大流速增大。同时开展的水力喷射钻水泥环实验研究发现,岩样硬度对钻水泥环的喷射效果有较大影响。若岩样硬度较大,形成的水眼较浅;若岩样硬度较小,喷射速度快,易于破岩,形成的水眼较深。研究成果可为优化钻孔器的结构参数、提高钻孔器的工作性能以及完善水力喷射径向钻孔工艺提供理论指导。     

水平井连续油管钻磨桥塞工艺研究与应用

针对连续油管钻磨桥塞过程中经常由于工艺参数选择不合理导致施工效率低的问题,通过分析连续油管钻磨工艺特点、钻磨工具的工作特性以及井底磨屑在不同井段的运移规律,结合"上提扫屑和定点循环"的钻除桥塞模式,对施工工艺进行了调整,对工作参数进行了优化,形成了水平井连续油管钻磨桥塞的工艺方案:选用PDC镶齿5刀翼磨鞋,螺杆钻具选择"中扭矩、中转速"工作模式,排量不低于420 L/min,钻压控制在14.7~19.6 kN。该工艺在数十口井进行了现场应用,与优化调整前相比,单个桥塞的平均钻除时间缩短46.5 min,钻磨动力液消耗量减少49.4%,一趟钻具能够连续钻除12个复合桥塞。应用结果表明,连续油管钻磨桥塞工艺在压裂后可以迅速恢复井筒畅通,达到提速增效的目的,具有很好的推广应用价值。      

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

微小井眼水力加压器结构设计及钻压计算

微小井眼钻进过程中,连续管的直径小、刚度低,采用传统的钻铤施加钻压不能满足钻井需要,为此设计了一种用于88.9mm井眼的微小井眼水力加压器。综合考虑井下马达、水力加压器以下钻柱与井壁的摩擦力、水力加压器运动部件与缸体内壁的摩擦力等因素对井底钻压的影响,建立了水力加压器串联在井下马达上方时井底钻压计算模型,通过对模型的求解可以得到钻井液流量、喷嘴直径与钻压关系曲线,为水力加压器在微小井眼钻进中的应用提供了理论依据。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

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中原油田文东地区属于典型的盐间高压油气藏，油气层埋藏深，上部大直径井眼井段长。因而，如何提高大井眼钻井速度，是文东高压油气井钻井的重要课题。经过大量的实践，提出了解决这一问题的途径。从优选喷嘴组合，喷嘴类型和水力参数，增大双喷嘴直径差，配备大功率泥浆泵，降低钻井液水眼粘度等几个方面入手，以多种途径提高泵压和钻头水马力，从而提高了水力破岩能力。同时，优选钻头类型，总结出适合文东高压油气区快速钻进的三套钻头系列，从而充分发挥了钻头的工作效率，并使用合适的钻具组合及钻井参数，在满足井身质量的前提下，大幅度地提高了钻井速度，有效地降低了钻井成本。     

新型PDC钻头井底流场数值模拟与优化

为了提高在某些硬岩和研磨性地层钻进效率,减少井底岩屑堆积,基于传统PDC(聚晶金刚石复合片)钻头进行了结构调整,无中心喷嘴,设置三个轴向夹角为20°的斜喷嘴孔,改变六刀翼分布。利用数值模拟分析方法,采用SST k-ω模型,对PDC钻头射流流场特性进行研究,分别对井底、喷嘴、刀翼表面射流流速和压力梯度进行了数值分析。在此基础上,对其水利参数再次优化,并对不同参数的PDC钻头井底流场进行分析对比。结果表明,钻头喷嘴直径越小,直射点速度越大,越利于破岩,但水力能量过于集中,高速漫流无法充分覆盖井底,不利于清洗岩屑;轴向夹角度数在20°～30°时,钻头喷嘴轴向夹角度数变大,直射点速度变化不大,但钻头肩部涡旋减少,上返区域速度提高,有利于岩屑快速排出井底,刀翼表面不易产生泥包;当钻头喷嘴直径在24～28 mm,喷嘴轴向夹角度数在25°～30°时,该PDC钻头水力情况最佳。     

深井小井眼定向随钻扩孔技术研究与应用

深井小井眼斜井段钻后扩孔存在扭矩大、工具易折断、周期长、扩孔效果差等技术难题,为此,开展了定向随钻扩孔研究与试验。在分析国内外主要扩孔工具的特点和现场应用效果的基础上,优选CSDR型双心钻头作为扩孔工具,配套475K4570型可调式单弯螺杆钻具为其提供动力。根据水功率合理分配原则,优化了钻头喷嘴组合和水力参数,在THA井进行了现场试验。THA井一趟钻钻进153 m,成功实现了井斜14.13°~42.50°段内的定向随钻扩孔,作业段井眼轨迹平滑,平均全角变化率5.554°/30m,平均井径173.99 mm,作业周期较设计周期缩短50%。现场试验表明,双心钻头配合螺杆动力钻具可以实现深井小井眼大斜度段的定向随钻扩孔作业,扩孔效果好,作业周期短,是进行斜井段扩孔作业的有效技术手段。