连续管钻井振动减阻工具设计与分析

连续管钻井振动减阻工具对连续管钻井技术的发展和应用具有重要意义。国外已有较为成熟的减阻工具,而国内的减阻工具研发工作尚处于起步阶段。鉴于此,设计了一种用于73.0 mm连续管的减阻工具,对其关键参数频率和振幅进行了计算分析,并用ANSYS有限元分析软件完成了工具的强度校核,同时通过对工具进行模态分析,得到各阶固有频率和振型。其动态性能分析结果表明:工具能够满足强度和功能要求,无发生破坏结构的危险,工具结构安全可靠。研究内容可以为我国连续管钻井技术和减阻工具的发展提供支持。     

连续管钻井减阻技术发展

连续管钻井技术在油气开发领域的应用越来越广泛,尤其在水平井、大位移井、多分支井、老井加深和侧钻等技术领域更具有其独特的优势。连续管因其刚度小、不旋转等原因,导致摩擦阻力大,压力传递困难、易屈曲,严重限制了连续管的应用。针对连续管钻井减阻技术,阐述了振荡减阻器、润滑剂和牵引器减阻原理。介绍了几种先进减阻工具的结构、原理和应用情况。提出了我国连续管减阻技术的研究方向。     

水力诱振式双向耦合连续管减阻器设计

连续管刚度小,在下入或加压钻进过程中容易屈曲,导致摩阻增大甚至锁死。为此,基于附壁效应和卡门涡街效应,创新设计了可诱发连续管轴向与径向振动的水力诱振式双向耦合连续管减阻器。该减阻器通过流体诱发持续振动,将连续管与井壁间的静摩擦转化为滑动摩擦;涡轮动力源、径向振动组和流体振动腔室的多级耦合产生轴向冲击力,克服了连续管与井壁之间的摩阻,避免了纯机械式减阻器振动间断以及动力源驱动复杂等缺点。利用有限元软件进行减阻器径向振动组模态分析,分析结果表明:其固有频率远大于工作频率,避免了共振导致的结构破坏。在轴向冲击力测试试验中,该减阻器在10、14和18 L/s的注液排量下可分别产生23.3、30.1和34.6 kN耦合轴向冲击力,随着注入流量的线性增加,轴向冲击力呈非线性增大。应用该减阻器可增大连续管在水平段的延伸范围。     

连续管钻井震击工具的设计及研究

在连续管钻井过程中,由于连续管自身的特性,其加压后易出现摩擦自锁,进而导致轴向力传递效率低下、在水平段延伸困难等问题。为此设计了一种连续管震击工具,该工具通过提升泵入排量来启动工具,同时产生轴向震击和周向旋转,一定程度上解决了连续管钻井过程中的加压和托压问题,并且能提高机械钻速,延长钻头寿命。对工具关键部件冲击砧和圆柱销进行了有限元分析,结果表明其强度设计合理。针对工具的工作机理、震击频率和密封强度进行了地面试验,工具在工作频率达17～25 Hz、工作转速为3～11 r/min时,经长时间反复震击,没有出现泄漏,可正常工作,证明其设计合理、技术性能可靠。研究结果为国内连续管震击工具的研制提供了技术支持。     

轴向振动减阻工具实现页岩气钻井提速增效

当前,页岩气等非常规资源已成为能源开发领域的热点。页岩既是天然气生成的源岩,也是聚集和保存天然气的储层和盖层。     

连续管振动减摩钻井技术研究

连续管振动减摩钻井技术可以较好地降低连续管钻井过程中的摩擦阻力。构建了连续管振动减摩钻井模型,对连续管的受力及运动进行了分析。通过搭建振动钻进试验台,模拟激振器在连续管屈曲段的微井眼振动能量,开展相应的振动试验对连续管振动钻井技术进行了验证,并对不同条件下的井筒摩阻进行了比较分析。分析结果表明,轴向振动减摩效果优于旋转振动减摩效果,适当增加振动频率可提高减摩效果,应优先发展轴向振动减摩工具与钻井工艺方法;合适的振动幅度、振动频率与连续管的整体力学性能、地层特性有关;单纯通过井下工具虽可达到减摩降阻效果,但增加了井下结构的复杂性,给钻井带来了额外风险。     

连续管钻井电液定向装置工具面调整方法

针对连续管钻井过程中工具面难以及时摆正的问题,研究了连续管钻井电液定向装置工具面调整方法。在设计连续管钻井电液定向装置结构的基础上,应用空间圆弧轨迹矢量描述方法,按照工具面调整方式及该电液定向装置的结构特点,提出了适合该装置调整工具面的方法,并建立了滑动螺母运动位移与工具面调整角度的函数模型。研究发现,控制滑动螺母在一个行程（0~110 mm）内往复轴向移动,可带动定向装置中的螺旋芯轴双向旋转工具面;工具面角在0°~360°范围内变化时,滑动螺母运动位移与工具面角调整量呈“折线”关系,且在每条“折线”的两斜直线段上,滑动螺母运动位移随工具面角调整量均呈线性增加关系。研究结果表明,该新型连续管钻井电液定向装置的工具面调整方法切实可行,有助于提高连续管钻井效率,有利于推动国内连续管钻井技术的研究与应用。      

连续管钻井电液定向器工具面角度调整分析

针对连续管钻井(CTD)过程中无法实时摆正工具面的问题,在设计CTD电液定向工具(EHO)的基础之上,分析了该工具实时调整工具面的方法。以连续管钻水平多目标井为例,在建立大地坐标系与EHO局部坐标系的空间位置变换关系基础上,根据工具面角度调整特点及电液定向工具的结构参数,得到了适合EHO控制工具面角度的调整方法,即控制活塞的往复轴向移动,使工具面角度能够在-180°~+180°范围内精确调整,并得出工具面角度变化与活塞位移的关系。现场试验结果表明,在该调整方法的指导下,新型EHO满足实时精确双向摆正工具面的要求,解决了传统定向工具定向效率低下的问题。研究结果有助于国内连续管钻井技术的发展。     

连续管钻井技术与装备

国外技术发展和应用实践表明,连续管钻井技术将成为利用钻井工程技术提高油气采收率的重要手段。研究总结了连续管钻井技术的系统构成和技术特点,认为此项技术的最佳应用点是应用欠平衡工艺实施老井加深和过油管侧钻。分析归纳了连续管钻机的典型结构型式,认为连续管钻机的种类繁多,个性化特征鲜明,完全采用连续管钻井技术钻新井,钻深会受到很大限制。研究分析了连续管钻井工艺过程,提出了实施连续管钻井工程项目的基本程序,认为采用连续管钻井技术和欠平衡工艺进行老井重入加深、老井重入钻水平井和过油管侧钻将在油田增产、难动用储量开采、利用现有井筒低成本开采深部储层、提高最终采收率等方面发挥积极作用。     

我国连续管钻井技术的十年攻关与实践

我国连续管作业技术与装备的深入研究、快速突破及规模应用,为连续管钻井技术的攻关与实践奠定了基础。依托十二五和十三五国家科技重大专项,攻克了整机多维状态特征空间与要素重构、整机动力控制系统、重载底盘装载与移运、连续管注入提升与夹持、大容量动力信息滚筒、注入头安装装置和方法、连续管穿电缆装置和方法、多参数模拟试验系统和方法、电液控定向工具等关键技术和部件,成功研制了LZ580-73T和LZ900/73-3500两种结构型式和用途的连续管钻机;研究配套了连续管侧钻无电缆和有电缆两种BHA,探索形成了连续管侧钻工艺技术。现场试验与应用了12口井,单井最大进尺802 m,最大水平位移414. 50 m,最长工具串达123. 99 m。试验结果提升了业内对连续管钻井技术难度、特征、适应性和局限性等认识的全面性和客观性。     

连续管钻井液压定向器的研制

连续管钻井定向器是连续管钻井必不可少的一种工具,但现有液压棘轮式定向器存在单次转向角度大,转向精度低且单次转向角度不可调等缺陷。为此,设计了连续管钻井液压定向器。该定向器通过控制地面泵的排量和压力来完成转位和复位动作,实现对井下工具面角的调整;同时可以在入井前改变转角控制机构的长度,来控制单次转位角度。对该定向器的工作排量及输出扭矩进行了计算,确定其工作参数为:转角可调范围5°～30°,工作排量8.02～12.74 L/s,最大扭矩89.46～125.37 N·m。通过对关键部件进行强度校核,验证了工具结构设计的合理性。地面测试结果表明,该液压定向器能够根据排量的变化来控制转位动作,从而达到调整工具面角的目的。     

连续管钻定向井工具面角调整方法研究

为了解决连续管钻井定向过程中存在的工具面角调整偏差问题,提出了两段式定向施工设计方法.以斜面扭方位计算模式为理论基础,根据工具面角的调整特点,建立了双圆弧定向轨道设计模型,利用数值迭代法对其轨道约束方程组进行求解,从而得到符合定向设计要求的井眼轨道方案.实例计算结果表明,工具面角调整符合定向调整特点,设计的井眼轨道光滑,满足各项井眼约束条件.研究结果表明,两段式定向施工方法理论设计切实可行,符合定向要求,解决了连续管定向偏差问题,具有现场实际应用价值.      

连续管钻井减摩技术综述

连续管钻井应用越来越广泛,但由于连续管弯曲和连续管不旋转造成连续管钻井摩阻较大,限制了其应用范围,因此,减摩降阻成为连续管钻井扩大应用范围的关键。连续管钻井减摩降阻的思路是避免连续管屈曲和减小摩擦系数,主要措施包括使用大尺寸连续管、钻小尺寸井眼、在钻井液中添加减阻剂以及应用减摩工具等,其中牵引器和振动减摩器是较为理想的减摩工具。      

连续管井下减阻器研究进展

连续管井下减阻器能有效地减小连续管与井壁之间的摩擦阻力,提高连续管作业效率,延长连续管的水平进尺。重点对国外Thru Tubing Solutions公司的机械减阻器、Ander Gauge公司的轴向减阻器、Smith International公司的偏心减阻器、Baker Hughes公司的阀体减阻器和水力减阻器的结构、工作原理、技术特点及关键技术等进行了分析,并简要介绍了国内的涡轮减阻器和滚轮减阻器,在此基础上总结国内的发展现状并提出几点建议。研究内容对国内连续管井下减阻器的开发与应用有一定的借鉴作用。     

连续管钻井系统摩阻计算方法与试验研究

连续管应用越来越广泛,但是由于连续管管径小、流阻大等特点,系统性地研究连续管钻井系统摩阻压降已迫在眉睫。基于理论研究,筛选相关计算模型,得到了符合连续管钻井实际的摩阻计算模型;筛选了4种数值模拟计算模型,并进行多盘管规格和多流量的数值模拟计算,通过分析计算结果与理论计算的误差,采用标准κ-epsilon模型作为数值模拟计算模型更为合适。开展了连续管钻井系统盘管摩阻压降试验,将理论计算、数值模拟计算与试验数据进行比较,在绝大多数试验流量测点处,它们的误差范围均在10%以下,数值模拟计算和理论计算结果与试验测量值具有较好的一致性,说明选择的理论计算模型和数值模拟计算模型正确,且有一定的适用性。研究成果对连续管钻井现场作业具有一定的指导作用。     

连续管钻井水力加压器结构设计

连续管钻井过程中,底部钻具组合无钻铤,钻压施加困难。为此,设计了一种适用于88.9 mm微小井眼连续管钻井的73 mm三级水力加压器,建立了水力加压器串联在涡轮钻具上方时产生的轴向推力计算模型。为了延长水力加压器的工作寿命,设计了密封性能优良的车氏密封结构;主活塞杆与主缸体之间采用矩形花键连接方式,并进行了矩形花键连接副的接触应力分析。计算与分析结果表明,在钻井液排量5.0～6.0 L/s、密度1.05～1.20 g/cm3条件下可产生50～90 kN的轴向推力,完全满足88.9 mm微小井眼连续管钻井需要。