基于机械比能理论优化钻井效率新方法在大牛地气田的应用

为进一步提升大牛地气田水平井机械钻速,从影响钻井效率的关键因素分析入手,以Teale机械比能理论为基础,基于水平井钻井中滑动钻进、复合钻进特点,引入螺杆容积效率和机械效率,计算螺杆实际输出转速和扭矩,建立了水平井钻井效率优化新模型,以新模型计算的比能值作为主要指标评判钻头使用效率,优选各井段最优钻头,并在钻进中依据实时比能值对钻井参数及时调整,确保钻头破岩效率最大化。在大牛地气田水平井钻井现场应用效果显著,优化后机械钻速较优化前提高10.35%,钻头使用数量降低12.5%,该方法可借鉴应用到同类岩性地层钻井效率优化。     

地层力计算的新模型

根据钻头与地层相互作用理论,结合钻头的力学分析,建立了地层力计算的新模型.模型重点考虑了井眼轨迹变化和地层各向异性的影响,克服了以往只能由稳斜稳方位(或稳斜)条件确定地层力的缺点,它适用于井眼轨迹任意变化的状态.模型具有广泛的使用价值.文中还讨论了地层力的影响因素和分布特征.并结合大庆油田南Ⅱ区的实钻井史资料,得出了该地区的地层力数值和地层力与钻压的平均比值为0.74%.     

基于机械比能理论的钻头磨损监测新方法

现有基于机械比能理论的钻头磨损监测方法,都是通过机械比能趋势线对钻头钝化趋势作定性分析,没有一种定量计算钻头磨损等级的有效方法。在前人研究成果的基础上,选取合理机械比能模型,通过优化钻头扭矩回归数据对其进行了优化;综合考虑钻头设计参数、切削结构、钻井参数及钻头磨损等的影响,选取了合适的牙轮钻头和PDC钻头钻速方程,提出了一种定量计算与定性分析相结合的钻头磨损监测新方法。该方法充分考虑了钻速、钻压、转速、扭矩以及钻头设计参数等因素,采用钻速方程和测录井数据计算机械比能、岩石抗压强度和钻头磨损等级分级系数。该方法在南海油田宝岛区块A井、准噶尔盆地风城区块B井、吐哈油田某区块C井等的多个井段进行了PDC钻头和牙轮钻头的磨损监测,结果表明,较之钻头磨损实测数据,PDC钻头的平均相对误差为9.87%,牙轮钻头为21.15%,即新方法能有效监测钻头磨损情况且更适用于PDC钻头。      

基于钻井参数的钻头磨损泥包监测识别方法

现有的钻头磨损及钻头泥包识别方法多是利用钻井参数变化规律进行主观判断,没有一种确定的模型或方法来准确识别钻头磨损及泥包。本文在前人研究的基础上,提出了不同钻井条件下钻头摩擦系数及切削深度的计算模型,并结合临井测井数据、钻头破岩机械比能模型建立了钻头磨损泥包监测识别方法。该方法在综合考虑了地层岩石强度、机械钻速、钻压、转速、扭矩、水力参数等因素前提下形成了一套监测识别模型。在西南油气田三口井中进行了现场试验中,试验结果证明该方法能够在钻井过程中准确识别钻头磨损及泥包。现场试验主要用于PDC钻头,需要在不同钻头的井中进一步验证。     

扭矩波动系数法监测钻头运行状况

钻头扭矩参数的变化可以反映钻头运行状况,现有的扭矩参数监测方法受扭矩传感器、钻机型号、操作人员等因素影响较大,用设置扭矩门限值的方法监测钻头运行状况,监测效果较差。为此,提出了用监测“扭矩波动系数”代替现有监测扭矩绝对值的方法,并给出其计算模型：通过对现有采集的扭矩参数进行实时数据处理,实时计算测量点扭矩曲线的平均值、扭矩值的标准差,用测量点扭矩值的标准差与扭矩曲线的平均值的比值绘制出“扭矩波动系数”随使用时间的移动曲线,该移动曲线消除了不同扭矩传感器、不同钻机、不同的操作人员所造成的人为影响,更加客观地反映了钻头牙齿、牙轮的实时工作状况。该方法经过现场试验,能更好地预测钻头寿命终结,提高了钻井效率,取得了较好的效果;该方法立足于现有钻头扭矩参数的测量技术,不增加软硬件设备及人员,可在所有的钻井现场推广使用。     

基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法

为了进一步提高深部地层钻井速度,利用机械比能理论对复合钻井参数进行优化。从岩石力学和能量守恒角度出发,分析了基于机械比能理论的钻井优化机理,得出了钻进参数与机械钻速之间的相互关系。在Teale机械比能模型的基础上,引入钻头滑动摩擦系数和钻头破岩效率系数,将扭矩表示为钻压的函数,解决了常规钻井中扭矩难以直接测量的问题,建立了基于比能理论的复合钻井参数优化模型,并开发了钻井优化系统。该系统在实钻过程中可以进行钻井参数的动态监测,实时反馈钻井参数优劣,提示井下复杂情况。现场试验应用后,优化井段平均机械钻速提高20%~30%,钻头使用寿命延长。研究结果表明,机械比能理论能够用于钻进参数优化,达到深层提速和降低钻井成本的目的。      

机械比能理论及其在钻井工程中的应用

论述了机械比能理论的进展概况,对现有的机械比能模型进行了系统的分类与评价,分别指出了机械比能、钻进比能及水力机械比能不同模型的适应性及其各自的优缺点。从钻前预测机械钻速、随钻评价钻井效率、随钻诊断井底工况并优化钻井参数、随钻监测钻头磨损、钻后优选与评价钻头与提高机械钻速六个方面分析了机械比能理论在钻井工程中应用的发展状况。其应用效果良好,具有良好的推广价值与应用前景,但还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术,对机械比能研究的未来发展趋势作了初步探讨。基础模型研究、钻头力学动态特性测试、应用范围的控潜及拓展将成为机械比能研究的主要发展方向。     

泥岩地层PDC钻头钻井参数优化方法

钻井费用是勘探开发过程中最主要的成本来源,提高机械钻速和降低非生产时间可实现钻井费用的有效控制,因此钻井优化设计关系到钻井作业的优劣成败。钻头稳定性和钻头泥包是影响钻头使用效果的两个关键因素,目前的钻井参数优化方法主要考虑了钻头稳定性,钻头泥包的影响基本没有考虑。为了进一步提高钻头使用效果,提出了钻井方式选择和钻头泥包预测方法,利用机械比能模型建立了泥岩地层PDC钻头钻井参数优化方法,通过钻头选型和钻井参数整体优化有效缓解了现场存在的钻头泥包等问题,取得了较好的应用效果。     

虚拟强度指数法钻井新方法的研究与应用

针对影响钻井速度的各种不同钻井参数,提出了利用虚拟强度指数法对钻井参数进行优化的新方法。通过建立虚拟强度指数优化的数学模型,利用现场录井对实际钻井参数时时采集的数据,经过专用软件计算得出虚拟强度指数法曲线,钻井操作人员根据该曲线变化情况及时对钻井参数进行优化和调整,确保钻头一直处于最佳破岩状态。虚拟强度指数法消除了人为的影响因素,使参数优化结果更为准确。经过现场多口井的试验应用,虚拟强度指数法能有效分析判断井下钻头的工作状况,根据钻井速度的变化来调整钻井参数,提高了钻头破岩效率,实现了提高钻井速度的目的。     

基于地表数据的井下振动识别与控制

钻柱振动识别与控制对于减少钻井过程中事故复杂、防止钻头提前失效具有重要意义。全球每年与钻柱振动相关的失效和破坏的经济损失高达3 亿美元。若能实时监测钻头破岩状态,有效识别并控制钻柱有害振动,则能大大降低这种损失。调研了国内外对钻井振动问题的研究和应用情况,讨论了钻具振动的产生机理及其地表数据响应关系。在基于比能优化技术基础上,建立了一套根据地表数据实时识别并控制井下振动的方法。现场应用表明,振动识别与控制技术能够准确判断井下振动,通过不断优化钻井参数可以消除井下瓶颈因素,挖掘提速潜力,有望为钻井提速和降低成本探寻一条新途径。     

气体钻井钻头泥包风险预测及影响因素研究

为深入研究气体钻井过程中地层出水后的岩屑运移情况、避免或减少钻头泥包风险、指导气体钻井的顺利实施,在分析出水量预测模型的基础上,引入工程岩土学中的稠度指标,将黏土的黏着界限作为泥包的临界条件,对地层出水后的泥包情况进行数学建模,利用编制的计算机程序对所建模型进行求解计算,并对计算结果进行分析,预测泥包风险;然后对影响钻头泥包的岩性、钻头表面性质及钻井参数等因素进行分析。结果表明:1所建模型能够预测地层出水后形成泥包的时间,并以泥包时间为指标对钻头泥包风险进行预测,进行风险评级;2岩性及钻头表面性质对钻头泥包影响很大;3钻头泥包风险随着机械钻速、井口回压、井深和井径扩大率等的增加而降低。结论认为:从钻遇水层到钻头形成泥包,时间非常短暂,基本在数十分钟之内就会发生井下事故。因此,现场操作过程中,一定要提前做好对出水层的预测和转换钻井方式的准备工作;发生水侵后也可根据数值模拟结果采取适当的措施延缓发生钻头泥包的时间。     

长庆气田水平井PDC钻头防泥包技术

为实现长庆气田水平井钻井提速的目的,在斜井段中试验了PDC钻头,但均不同程度地发生了钻头泥包的问题。经过广泛的调研分析,找到了导致PDC钻头泥包的主要因素--钻井液问题,另外还有地层、钻井参数、PDC钻头流场设计等影响因素。为此,从强化钻井液抑制性出发,研制出了双钾盐聚合物钻井液体系并在现场应用获得成功,较好地解决了PDC钻头泥包问题。其中GP12 6井实现了斜导眼水平井单只PDC钻头穿越5套地层,平均机械钻速达11.25 m/h,起下钻、电测和下套管等作业均安全顺利完成。     

小井眼提速钻井液体系

小井眼钻井由于自身特点如环空间隙小等,对钻井工艺和钻井液性能提出了更高的特殊要求,不断提高钻井速度是钻井作业的一直追求,其中钻井液的作用至关重要。通过室内实验,研究出了针对小井眼钻井提速的钻井液配方,优选出了适合小井眼提速钻井液体系的增黏剂PLUS+流型调节剂、降滤失剂HFL-X+SPNH、提速剂HDS以及用甲酸钠和重晶石联合加重的方式。提速剂HDS是室内研制的,其具有良好的防黏附聚结能力和降低亚微米颗粒含量的效果。结果表明,该小井眼提速钻井液具有良好的润滑性、抑制性以及提高钻井速度的效果。现场应用结果表明,小井眼钻井液可以较好控制循环当量密度,并且具有显著的提高机械钻速的效果,能够满足小井眼钻井的要求。      

水平井钻井过程中井底钻压预测及应用

钻头的性能主要通过机械钻速来评判,而井底钻压是影响机械钻速的主要参数。特别对于水平井,其水平段摩阻大、不易施加钻头载荷,导致井底钻压与地面钻压差异较大,因此计算和测量井底实际钻压非常重要。综合Johancsik模型和Aadnoy 3D模型并考虑管柱的刚度,建立了摩阻扭矩模型。井底钻压的计算分为两步,即先使用钻头空钻数据计算钻柱与井壁间的摩擦因数,然后用所得摩擦因数预测钻井时的井底钻压。同时,在Visual C++2013的集成开发环境下,利用C#开发了井底钻压的计算程序,使用开发的程序对摩擦因数和井底钻压进行了计算。结果表明:计算所得井底钻压在数值和变化趋势方面与实测值吻合较好,钻压计算模型和程序能够依据地面钻井数据准确预测井底钻压。井底钻压计算模型和程序可用于钻井事后分析,也可与常规自动送钻系统集成实现井底钻压的准确控制,从而提高钻头性能和钻井效率、降低钻井成本。     

空气钻井提高钻速机理研究

我国一些地区为提高深井和大尺寸井眼的机械钻速，降低钻井成本，采用了气体钻井技术，因此需要对气体钻井技术提高钻速的机理进行研究。首先对石油钻井过程中降低井底压降、旋冲钻井、提高清洁效率、避免重复破碎等提高破岩效率的方法进行了简单总结．然后通过对相关文献提供的数据和图表资料的分析，比较了空气钻井与常规钻井液钻井的差别，最后指出空气钻井能大幅度提高机械钻速的主要机理是：负压差作用、井底岩石力学性质和应力状态发生变化、钻头旋转；中击破碎岩石、井底清洁及热应力等。这为进一步研究提高空气钻井的机械钻速机理提供了参考依据。     

冲旋钻井机械钻速仿真研究

结合三牙轮钻头有关的理论,建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了冲旋钻井机械钻速.应用结果表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,这些仿真模型可用于冲旋钻头优化设计和钻井参数的优选.     

虚拟强度指数优化钻井技术的发展与应用

随着勘探开发的不断深入,新的钻井技术难题不断出现,对钻井速度的要求也越来越高.钻探过程中影响钻井速度的因素很多,尤其是钻井参数的影响最明显,因此合理选用钻井参数非常重要.通过调研不同的钻井参数优化模型,优选出了较为完善的虚拟强度指数(VSI)法.利用相关软件,实时采集转盘转速、扭矩、钻压等钻井参数,计算出VSI曲线,然...     

新型聚胺钻井液在都护4井泥岩段的应用

为了解决新疆塔河油田泥岩段缩径阻卡、钻头泥包及井壁失稳问题,都护4井在二开和三开井段应用了新型聚胺钻井液。室内试验表明,新型聚胺钻井液具有强抑制性、优良的润滑性能。都护4井二开井段应用新型聚胺钻井液,有效解决了胶泥岩段阻卡和钻头泥包难题,没有出现任何复杂情况,钻井周期比邻井都护1井缩短了15d。三开井段应用新型聚胺钻井液,解决了大段复杂膏泥岩段泥页岩水化膨胀造成的井壁失稳和缩径问题,井下正常,钻井周期比都护1井缩短了50d,平均井径扩大率仅为4.37%。新型聚胺钻井液在都护4井的成功应用表明,该钻井液可以有效解决胶泥岩段阻卡和钻头泥包难题,保证井下安全,缩短钻井周期,提高钻井效率。     

大庆外围三低油田小井眼开发井钻井动态系统的建立与应用

小井眼钻井是一项复杂的工艺过程，其影响因素很多，改变钻井某一条件即可改变钻井某一指标，有时也可能带来负面影响，在分析小井眼钻井系统特点的基础上，建立起小井眼钻井动态系统的钻速数学理论模型，模型的基本思想是根据常规井的经验，以常规钻井参数为基础，分析小井眼钻井与常规井的区别，只考虑发生变化的因素，文中给出了小井眼钻井钻速数学模型比例系数的计算方法，为大庆油田经济有效的小井眼钻井起到积极作用。     

塔河油田大尺寸井眼提高钻井速度初探

塔河油田的深井、超深井数量日益增多,上部大尺寸井眼机械钻速低的问题十分突出,而且已经影响到全井的钻井周期和钻井成本,甚至影响到油田勘探开发的速度.详细分析了影响深井钻井速度的主要因素,指出大尺寸钻头型号少、机械破岩能量不足、水力能量小、井壁失稳、钻井设备能力有限、钻井液维护处理难度大等是深井钻井机械钻速低的主要原因,并从优选钻头、应用大尺寸钻具、应用井下动力钻具、优选钻井液体系等方面给出了提高机械钻速的主要技术措施.