铝合金钻杆在塔里木油田推广应用前景分析

介绍了铝合金钻杆的结构特点和材料特性,分析了其适用范围.认为:铝合金钻杆在塔里木油田含H2S井使用可有效防止钻杆发生应力腐蚀开裂和电化学腐蚀;在水平井和大斜度定向井使用可以减缓钻杆接头的热裂问题;在深井和超深井使用可减轻钻柱重量,增加钻井深度;在复杂井使用可增加套管下入深度.铝合金钻杆发生断裂事故之后容易将落鱼部分磨掉,这有利于提高处理井下复杂情况或事故的能力.同时指出了使用铝合金钻杆存在的问题和应注意的事项.     

具有特殊用途的新型钻杆

钻井工艺技术的迅速发展 ,对钻杆的结构、技术性能和使用寿命提出了更高的要求。近期以来 ,国外又研制出适用于短半径水平井钻进的钛合金钻杆和适用于高温井的隔热钻杆。1 .钛合金钻杆在老井内侧钻短半径小井眼水平井时 ,钻杆要通过的曲率半径小于 1 8ｍ ,所承受的应力增加。疲劳、磨损和机械损坏 ,大大降低了钻杆的使用寿命和可靠性 ,在使用旋转导向技术增斜时需要旋转钻柱的情况下尤其如此。在这种工作环境条件下 ,则要求钻杆材料具有较高的屈服强度和良好的柔性。为寻求解决办法 ,美国ＧｒａｎｔＰｒｉｄｅｃｏ公司和ＲＴＩ能源系统公司…     

铝合金钻杆的特点及应用前景

随着油气勘探向深井、超深井、定向井、水平井、含H2S和CO2油气井、海洋井等复杂井的发展,研究适合复杂井况勘探开发的钻具成为必然趋势。分析介绍了铝合金钻杆在提高钻井深度、耐蚀性、降低大钩载荷和定向井及水平井钻井作业等方面的显著优势以及铝合金钻杆的应用前景。     

国外ReelWell钻井新技术及其应用

ReelWell钻井法是一项新的钻井技术,它以双壁钻杆为基础,钻井液从双壁钻杆环空泵入井内,并从内部钻杆返回,从而实现了钻井液的闭环循环。该技术在井底压力精确控制、钻井液微流量控制、钻压控制、欠平衡钻井、大位移井钻井、井眼清洗、尾管钻井、海洋深水钻井、实现单一直径的井身、提高钻井安全性与作业效率以及有压力挑战性的地层钻进方面具有较大的潜力和优势。详细地分析了ReelWell钻井法的系统组成、工作原理、特点及其应用情况,并建议我国要结合实际情况,尽快研发适合我国油田开发的相关钻井新技术。     

铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4 000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此,基于Hamilton原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型,通过HHT-α法对模型进行求解,进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明:①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆;②因其材质较软,小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲,导致钻压传递效率下降,甚至发生"钻杆自锁"现象;③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小,其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆,外径147 mm的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129 mm铝合金钻杆的71.9%。结论认为,小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件,而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。     

铝合金钻杆拉伸性能及应用特点

利用拉伸试验结果,通过与G105钢钻杆进行对比,分析了铝合金钻杆的拉伸弹性、塑性和强度性能,结果表明:铝合金钻杆拉伸性能完全符合GB/T 20659标准要求;与G105钢钻杆相比较,铝合金钻杆虽然强度较低,但具有良好的弹性变形能力和足够的塑性储备;铝合金钻杆强度质量比高,弹性模量小,在钻深井、超深井中可大幅减轻钻柱质量,在通过定向井和大位移水平井弯曲井段时产生的弯曲应力小。有利于提高钻井安全和效率,延长钻柱使用寿命。     

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/cm~3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。     

钛合金石油管材应用前景研究

钛合金是一种高强度耐腐蚀性金属材料,在我国资源极其丰富。钛合金的性能特点为:优异的耐酸性气体与海水耐蚀性能、极高的比强度,这些特点决定了在石油钻井行业的广泛应用前景。钛合金在钻井中应用领域包括钻杆、油套管、连续管、隔水管,钛合金钻杆以其重量轻,比强度高可取代钢钻杆延伸三维水平井与大位移井的延伸能力,减少钻杆与驱动系统的故障;钛合金油套管性价比可取代镍基合金管;钛合金连续管可以大幅度提升连续管作业适用的井深范围,使我国所有井都可以应用连续管进行作业;钛合金隔水管可以提升平台适用水深,避免海水对隔水管腐蚀。     

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。     

ReelWell钻井方法——一种新的控压钻井技术

ReelWell钻井是一种新的控压钻井技术,主要由双壁钻杆、滑动活塞、双浮动阀等组成.钻井液从双壁钻杆环空泵入井内,并从内部钻杆返回,能够实现钻井液的闭路循环及对井底压力的精准控制.该技术具有井底压力精确控制、钻井液微流量控制、井眼清洗、水力加压钻头、井底压力隔离、保护储层的特征,对于控压钻井、大位移井钻井、海洋深水钻井、无隔水管钻井、尾管钻井,提高钻井安全性与作业效率以及有压力挑战性的地层钻进方面具有较大的潜力和优势.文章详细地分析了ReelWell钻井的系统组成、工艺原理、特点及其应用情况,并建议我国结合实际情况,尽快开展这方面的相关配套钻井技术研究.     

高性能钻杆研究进展

近年来,随着酸性气田的勘探开发及特殊钻井工艺的应用,钻具失效事故时有发生,对钻具的安全性能提出了新要求。对国内外的抗硫钻杆、铝合金钻杆、钛合金钻杆等高性能钻杆的性能和特点进行了综合分析和评价,为复杂环境和服役工况下的钻具选用提供参考。针对这些高性能钻杆的性价比,提出了我国自主研发高性能钻杆的建议。     

大位移井减阻工具性能试验与数值模拟

为解决大位移井、长水平井等在钻进过程中摩阻大、托压等问题,设计了新型大位移井减阻工具。该工具利用水力脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,有效减小钻柱与井壁间的摩阻,改善钻压传递,延伸定向井、大位移井、水平井等井眼长度。通过工具性能试验和数值模拟相结合的方法,验证了减阻工具设计的可行性和振动的稳定性。分析了叶轮的叶片数、承压板的通孔面积、钻井液排量等参数对减阻工具脉动压力频率和幅值、压降、轴向振动位移等的影响规律。研究结果可为大位移井降摩减阻技术研究、减阻工具参数优选等提供参考。     

φ127塔标钻杆

为满足深井、超深井安全快速钻井的需要,塔里木油田研制了φ127mm塔标钻杆。该钻杆设计的是新型加厚过渡区结构,改善了应力分布,降低了应力集中系数,提高了钻杆防刺漏性能;加大了接头内径,降低了钻柱内压力损耗;提高了接头材料屈服强度和螺纹基面节径,增加了接头连接强度。该钻杆具有低循环压耗、高疲劳寿命的特点,对提高钻速、预防失效、提高水力破岩能力、延长钻头寿命有显著的作用,满足了塔里木油田超深复杂井强化钻井的需要。     

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。     

Ф101mm非标钻具及工具在苏里格气田的应用

鉴于API标准S135钢级Ф88.9和Ф101 mm钻杆均不能适应以深井、大位移井为主的苏里格气田的施工要求,推广应用了非标钻具进行施工。推广措施包括非标螺纹钻具设计和配套工具的改进。钻杆接头选用双台肩非API标准螺纹ST39,锥度为1∶12。将吊卡台肩上部开口直径改为127 mm,高度不变。方钻杆采用107.95 mm非标四方钻杆。现场应用结果表明,研制的Ф101mm非标钻具及配套工具管体和接头的抗拉、抗扭强度较API标准螺纹更加合理,更加符合长水平段水平井钻井施工要求。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

水平井、大位移井井眼净化技术研究

水平井、大位移井井眼净化已成为影响勘探与开发速度的关键因素,是目前亟待解决的重大技术问题。鉴于此,对影响水平井、大位移井井眼净化的因素,即钻杆偏心度、环空返速、转速、钻井液性能等方面进行了详细分析,并对近年来国内外水平井、大位移井井眼净化新技术进行了分类归纳总结,从实时监控调节设备参数、井眼净化机械设备以及携屑剂等方面进行了介绍,其中,携屑剂涉及加重携屑剂、高粘度携屑剂、纤维携屑剂、岩屑包裹剂以及浮选携屑剂等。以上井眼净化新技术对于保证安全钻井、提高钻井速度、缩短钻井周期及加快油气资源勘探开发进程具有一定的理论意义和实用价值。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。