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。      

井下增压装置提高钻速机理与适用性

利用井 下增压装置产生高压射流辅助钻头机械破岩是提高机械钻速的有效手段之一,现有井下增压装置可分为利用钻井液水力能量和钻柱振动能量2种增压方式。针对不同地层对井下增压装置输出压力要求和不同增压方式适用井深条件等问题,通过数值模拟和现场试验分析等手段,研究了地层岩石力学参数对增压射流破岩的压力要求,探讨了2种井下增压方式的适用条件。结果表明,在地层岩石的摩擦角为20°~50°、内聚力小于60 MPa、当井下增压装置输出射流压力达到100 MPa以上、喷距不超过10倍当量喷嘴直径时,增压射流具备直接破岩能力。钻柱减振增压集钻柱减振和井底钻井液增压为一体设计新思路,装 置活动部件少,受井深、钻井液性能参数等影响小,井下最长工作时间已达230 h以上,比利用钻井液水力能量的增压方式具有更宽的适用范围。     

基于钻柱振动的井下提速技术研究现状及展望

钻井提速技术一直是钻井工程领域的研究热点,寻找井下可用新能量并开发出配套的能量转化方法来提高破岩效率是深井超深井提速领域重要研究方向。分析了井下可获得能量特征,阐述了利用钻柱纵向振动能量提升井下钻井液喷射压力辅助破岩提速的理念,总结了已研制的井下钻柱减振增压装置、吸振式井下液压脉冲发生装置、多效协同提速钻井装置的结构及优点,并对深井提速装备未来发展方向进行了展望。井下能量的获取及合理利用是未来提速工具开发的重要研究方向。基于钻柱振动的提速技术研究成果开拓了深井提速技术新思路,为加快深部油气资源的勘探与开发提供了设备支撑,建议进一步加强井下钻柱振动基础理论、基于钻柱振动的提速技术装备、利用振动提速方法等方面的研究工作,以便将钻柱振动能量应用到钻井工程其他领域之中。     

吸振式井下液压脉冲发生装置

为了提高钻井过程中井底钻井液能量及其利用效率,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置,建立了装置的仿真模型并进行了仿真分析,对装置的性能进行了现场测试。基于将钻柱振动能量转化为井底钻井液液压的思路,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置的结构并分析了其工作原理,在此基础上建立了装置的仿真模型。仿真分析结果表明:该装置可调制出较高幅值的井底脉冲压力,产生高出常规钻进喷嘴压降2~6 MPa的射流压力,且通过优选钻井液排量和钻头喷嘴当量直径可提高脉冲压力幅值。现场试验结果表明:与常规钻进相比,该装置可大幅提高钻进速度,有效延长钻头使用寿命;装置性能稳定、使用寿命长,可满足现场钻井施工要求。图5表3参13     

平台运动对井下钻井液压力波动的影响分析

无隔水管钻井技术通过控制海底钻井液举升泵的转速和流量来控制旋转防喷器内的钻井液液面,进而达到控制井筒压力的目的.针对深水无隔水管钻井系统作业过程中钻井平台的运动响应对井下钻井液压力扰动的问题,建立了钻井平台-升沉补偿-钻柱纵向振动耦合模型和井下钻井液压力计算模型,分析了海洋环境因素对平台运动响应、钻柱升沉运动响应及井底...     

带有井下增压器的连续管射流钻井

高压旋转水射流钻井可以提高钻井的速度,减小钻压、扭矩振动,因此可以采用常规的地面泵送设备和连续管,利用高压旋转水射流钻机、增压器和油气分离器进行喷射钻井.利用高压反作用式涡轮射流可以钻1 1/8～3 5/8in的井眼.喷射钻井实验显示70 MPa的射流可以有效地钻穿最常规的油气产层.常规泵、旋转接头和管线达到28 MPa才能够操作,而一个压力比为2.5:1的增压器可以在所要求的压力下进行有效的钻进.增压器可以利用气锚对两相流产生作用,从两相流中分离出来的气可以供给增压器和要通过射流喷嘴的高压水,并可以传到钻头上用来延伸射流的喷射范围.实验表明,井底钻具组合的喷射钻井可以有效地铣削胶结物,但是钻进速度比电动机和磨铣钻头的组合慢,且要求更高的泵压.可以在无法应用电动机的地方应用这种工具,例如这个工具可以通过超短半径的流动给小直径喷管射流钻井提供能量来进行水平钻井.可用于去除对井底设备有害的硬水垢等油井服务.     

基于CFD的双流道钻头井底流场数值模拟

针对高低压双流道钻头的井底流场建立了二维模型,利用CFD及有限元方法对模型进行网格划分、设置边界条件并进行计算。通过分析喷嘴压力、井底流场压力及流体速度等数据表明:增加双流道钻头高压喷嘴的射流压力,在井底形成高压喷射可以降低井底流场的静压力,能够释放地层压力,提高PDC钻头的切削破岩能力,从而提高机械钻速。     

气体钻井技术的改进

一种可以提高钻井性能的新技术已在理论上和实践中得到证实.该技术取得的进步在于应用一种能够精确论证井底压力、流量、动能的模型,因此,可以迅速估算不同钻柱、不同井眼几何尺寸以及气体流量.该模型论证了在钻头之上将一部分气体分流转入井眼的作用.一种新的工具--井下空气分流器安装在钻柱上,可以根据模型的模拟,精确分流最适宜的气体流量.应用这种新技术控制钻头处的井底压力的结果是,通常由于摩擦而损失的能量可以转化为有利因素,可以降低地面压缩气体的费用、减少井眼冲蚀、提高机械钻速、延长钻头寿命、提高钻达总井深的成功率,而不会转化为不可压缩流体.压力波动效应(文丘里效应)一般用于在地面从井口脱气,在井底也可以产生压力波动效应以降低井底环空压力.通过这种方式降低井底压力后,可用较少的空气和较低的摩擦提高气体流量.该技术已成功地应用于现场不同条件的井眼,提高了机械钻速,增强了井眼稳定性,延长了钻头寿命,降低了总成本.     

冲击振动钻井工具流固耦合模拟试验

深井超深井钻井过程中,旋转冲击钻井技术是解决硬岩钻速慢的有效方法之一。目前液动冲击器多采用水力能量驱动,随着井深的增加,管路水力能量损耗增大,依靠钻井液驱动的液力冲击装置同样需要消耗水力能量,使得钻头有效压降进一步降低。因此,液力驱动冲击钻井技术在深井超深井中的应用受到局限。基于钻柱振动原理,提出一种利用水力能量和钻柱振动耦合作用的新型冲击旋转钻井装置,通过建立流固耦合物理模型,运用流固耦合方法,获得入口流量、运动位移、振动频率以及入口和出口直径等对装置所产生的载荷特征影响规律。结果表明,装置所产生动载荷幅值随流量、振动位移以及振动频率的增加而增加,而静载荷仅与流量变化有关。     

螺杆式井下增压钻井装置的原理及设计

井下螺杆动力增压系统是从一种全新的原理出发,利用现有成熟技术,研制出一套将螺杆钻具作为动力的井下增压装置,产生超高压水射流,实现水力机械联合破岩,提高钻井效率.增压装置主要由动力单元、动力转换单元、固液分离单元、增压单元以及高压流道单元组成,动力单元将钻柱内的钻井液压能转化为转子的旋转扭矩,由现场用螺杆钻具改进而成;动力转换单元将转子的旋转运动转换为柱塞的轴向往复运动,设计关键是两个斜置圆柱凸轮槽的轨迹;固液分离单元用以过滤进入增压缸的钻井液,防止增压缸阀门阻塞;增压单元通过柱塞的往复运动来压缩增压缸内的钻井液实现增压;高压流道单元将增压后的钻井液输送给钻头上的超高压喷嘴,改进高压合金管的连接方式,提高密封效果.该装置流道简单,制造容易,并且性能稳定、强度高、使用寿命长,能满足现场使用的需要,为新型井下增压器的设计奠定了基础.     

新型超高压井下增压系统的研制与应用

油气钻井工程实践表明,利用高压射流辅助破岩是提高深井机械钻速的有效途径,而井下增压技术是一种产生高压射流的方法,井下增压系统装置的稳定性、可靠性是该技术工业应用的关键。为此,围绕井下增压系统配套的关键工具进行了研究与实验:①优选的螺杆增压器可将螺杆钻具输出的旋转运动转换为轴向往复运动,达到对部分钻井液实施增压的目的;②依据室内实验获得的不同喷距、射流角度下高压流体对岩石的冲蚀数据,研制了与螺杆增压器适配的超高压双流道钻头;③在地面采用清水作为试验介质进行了测试,高压喷嘴直径1.5 mm,泵压为4 MPa,排量18 L/s,地面测试期间高压喷嘴出口明显可见脉冲高压射流,井下螺杆增压装置运行稳定。在5口井上完成钻井总进尺1 015 m、纯钻进时间206 h,与邻井相比平均机械钻速提高了51.4%。试验结果表明,该井下增压系统在钻井作业中提速效果明显、设计合理、工作可靠。     

Theoretical and experimental study of the pulling force of jet bits in radial drilling technology

Radial drilling technology,of which the jet bit is the key device,is a research focus in the field of oil drilling and production.This paper establishes mechanical equations for jet bits and analyzes the hydroseal of backward jets in bottom holes.Meanwhile this paper establishes a mechanical equation for a high pressure hose and analyzes the axial force distribution.Laboratory experiments indicate that the flow rate,the angle between the backward nozzle axis and the jet bit axis,and the hole diameter are the major influencing factors;the generation of the pulling force is mainly due to the inlet pressure of the jet bit;the backward jets can significantly increase not only the pulling force but also the stability of jet bits.The pulling force would reach 8,376 N under experimental conditions,which can steadily pull the high-pressure hose forward.     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

井下增压器水力设计的探讨

喷射钻井可以提高钻速,超高压射流钻井又可提高钻速2~3倍,但由于设备要承受超高压,所以未获实际应用。80年代末研制成双管钻井系统,用常压大排量携岩,高压小排量破岩,用的是地面增压器,其可靠性差、成本高。目前引起钻井界普遍重视的是井下增压.它克服了双管钻井系统的缺点。本文阐述了井下增压器研究对提高钻井速度的意义,分析了静压式井下增压器的动力来源和要求,并提出了两种典型井下增压器水力设计的计算方法。     

井底围压对高压水射流的影响规律研究

随着油气资源开发的不断深入,井底围压对高压水射流的影响问题越来越突出.为了对比研究井下围压及地面模拟围压条件下高压水射流破岩性能,通过试验研究了高压水射流在井下真实围压条件与3种地面模拟条件下的破岩能力,并研究了锥形喷嘴、直旋混合喷嘴和空化射流喷嘴的破岩效率.研究结果表明:在650 m深的井底,围压约6.45 MPa,...     

JZZY-1型井下钻柱减振增压装置结构优化及现场试验

现场试验结果表明,利用钻柱的纵向振动可以实现井下钻井液增压以达到超高压射流辅助破岩的目的。井下钻柱减振增压装置能够大幅度提高钻井速度。为进一步提升井下钻柱减振增压装置的工作性能,对其结构进行了优化,并研制了井下钻柱减振增压装置用超高压钻头流道系统。优化后的装置整体结构大大简化,每个零部件的加工、安装、拆卸和维修都比较容易;研制的超高压钻头流道系统无需生产专用钻头,与普通钻头组装后便可配合井下钻柱减振增压装置使用。在胜利油田临盘地区的2口井现场试验评价表明,改进后的井下钻柱减振增压装置配合超高压钻头流道系统结构可靠,工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求。     

用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器

针对常规的欠平衡钻井工艺不能解决起下钻、完井等作业过程中井底欠平衡压差的连续保持,无法实施全过程的欠平衡作业问题,研制了可用于全过程欠平衡钻井作业的井下控制工具——井下封井器。室内试验与现场应用情况表明(1)采用井下封井器实现了全过程的欠平衡钻井,显著提高了欠平衡钻井工艺水平和作业水平,起下钻过程中不需预先加入重钻井液,因此可有效地保护和发现油气层;(2)井下封井器与使用不压井强行起下钻设备相比,大大减少钻井作业时间,其适应性和使用性能更好,完全可以取代不压井强行起下钻设备。