现代井下动力钻具发展的四大特征

<正> 行业现状涡轮钻具和螺杆钻具是当今井下动力钻具的主体。在80年代,井下动力钻具、聚晶金刚石(PDC)钻头和随钻测量(MWD)系统这三大技术工具得到了高速发展和广泛应用,特别是这三者的有机组合体——井下动力钻具导向钻井系统的问世,极大地促进了丛式井、大     

井下动力钻具滑动钻进钻桥塞钻头加压技术

在定向井和水平井钻桥塞时,为了减少磨损,可以采用井下动力钻具滑动钻进,钻头加压技术成了关键。应用钻柱拉力扭矩模型向司钻提供了包含桥塞深度、不同摩擦因数下的下钻到底时的大钩负荷和加不同钻压时的大钩负荷的钻压控制参考表。司钻根据下钻到底时的大钩负荷从表中找到所加钻压对应的大钩负荷,然后下放钻具,让大钩负荷与设计值一致,加上钻压。现场4口井钻桥塞过程中,没有观察到明显的托压现象。     

井下钻具动力学参数测试技术进展

为深入了解钻井系统对启动旋转、钻进过程、参数修正、钻机升沉、BHA组件不平衡和钻头与地层相互作用等激励源的响应,研究开发了井下钻具动力学参数测试技术。该技术利用最新研发的测试工具可测量包括力、加速度、转速、压力和温度等实时信息,还可记录频率为50~2 000 Hz之间连续数据的长持续时间。通过对高频数据长持续时间的解释分析,有助于理解各种振动模式间转变发生的方式和驱动因素,在此基础上,可以优化BHA设计、钻头优选以及研究新型钻井工艺、井下工具和涡动识别算法,以避免或缓解涡动的发生,从而改善钻井性能,提高钻井效率,防止井下事故,提高井眼质量;实时测量数据还有助于由于涡动而施加在井下工具上的载荷分析,这对预测井下工具寿命和制定措施极为有利。最后建议开展新型井下钻具动力学参数测试技术研究,从而为我国深井、超深井及深水钻井提速提效提供有效的技术支撑和手段。     

基于螺杆钻具的近钻头井斜测量误差及修正

为了研制具有自主产权的基于现有螺杆钻具的随钻近钻头测量装置,结合井下工况,对近钻头井斜测量过程及仪器本身存在的误差进行了分析,阐述了利用声波或电磁波传输近钻头信号的优势,并提出了近钻头井斜精确测量的误差修正思路。分析结果认为,当前的近钻头井斜测量仪器还存在一些未考虑到的问题,如动力钻具的振动影响测斜精度,动力钻具弯角的存在导致近钻头仪器与井眼不同轴产生误差等。利用声波传输近钻头信息及远程传输井下信息是实现测量的静态及传输信号过程静态的有效方法,建议加快该技术的研究进度,争取早日应用于现场。     

井下动力钻具配合高效钻头提高钻井效率的实验研究

深井和超深井钻井中普遍存在着机械钻速低、钻头用量大等问题,这在很大程度上归咎于所采用的钻井方式上。由于“转盘钻＋牙轮钻头”限制了钻头转速的提高,影响了钻头单位时间内的切削次数,进而制约了钻速的提高,因此转换钻井方式,采用高转速的井下动力钻具配合高效钻头无疑是加快深井段钻速的主攻方向之一。据此,在青海油田冷科１井三个井段上进行了“螺杆钻具配合高效钻头”提高钻井效率的实验研究。第一次在３７２７ｍ～３７５１ｍ井段进行,进尺２４ｍ,平均机械钻速０８７ｍ／ｈ,比四开以后使用最好的牙轮钻头钻速提高２０８３％;第二次在３７５７ｍ～３８９９ｍ井段进行,进尺１４２ｍ,平均机械钻速１２７ｍ／ｈ,比四开以后使用最好的牙轮钻头钻速提高７５８３％,进尺提高近３倍;第三次在４２００ｍ～４３０５ｍ井段进行,进尺１０５ｍ,平均机械钻速０７４ｍ／ｈ,比同等条件下的牙轮钻头钻速提高６０８７％。实验结果表明：使用井下动力钻具配合高效钻头不仅能够提高深部井段中的机械钻速,而且还可以大幅度提高单只钻头的进尺,从而达到提高钻井效率的目的。     

旋转冲击钻井中冲击器在井下工作状态判断与分析

旋转冲击钻井中冲击器在井下工作状态判断与分析秦红祥徐国强陶兴华（中国新星石油公司石油钻井研究所，２５３００５山东德州东风路）旋转冲击钻井，简称旋冲钻井，是一种新兴的钻井工艺技术，经过多年的研究与现场应用，表明旋冲钻井较目前采用的旋转钻井具有机械钻速...     

井下动力钻具性能微机测控系统

针对井下动力钻具性能检测的要求，采用微型计算机控制整个测试试验过程，可实现循环流量的给定及自动调节，自动施加扭矩载荷，自动采集各测试参数。经运算处理后可输出动力钻具的性能参数，并绘制特性曲线。该系统提高了动力钻具性能测试的自动化程度。大量试验证明，该测控系统具有较高的准确性及可靠性，使用效果良好。     

硫化氢腐蚀井下钻具的机理与防护

随着对油气资源勘探开发的力度加大,越来越多的油气田中发现有硫化氢气体的存在。H2S对钢材质工具的腐蚀研究一直是油气田生产作业过程中高度重视的问题。通过对H2S腐蚀机理研究,分析了H2S对钢材的的腐蚀类型,其中应力导向氢致开裂(SOHIC)对井下钻具的腐蚀危害性最大,并对影响H2S腐蚀的因素进行了探讨,包括环境因素和材质因素,最后提出了防护井下工具H2S腐蚀的措施,具有一定的工程指导意义。     

井下动力钻具近十年的研究与发展

本文综述了国外井下动力钻具近１０年来的行业水平和企业发展现状，介绍了该技术的进展，基础理论与应用成果以及国外科研机构情况。提出我国应树立以转盘钻井为主休，涡轮钻具和螺杆钻具为技术储备的中长期发展战略。     

底部钻具组合运动状态及钻进趋势评价方法研究

应用室内模拟试验装置,研究了转速、钻压对底部钻柱运动状态的影响,得出：当钻压一定时,底部钻柱随转速变化存在3种运动状态,即低转速时的规则正向公转、中转速时的无规则摆动和高转速时的规则反向涡动;当转速较低时,钻压对底部钻柱运动状态影响较大,转速较高时,影响较小;当转速较低时,底部钻柱处于同步正向公转状态,当转速较高时,底部钻柱处于反向公转状态。通过理论分析,提出了“井斜趋势角”的概念,推导出了“井斜趋势角”的计算公式,并给出了应用“井斜趋势角”评价底部钻具组合防斜打直能力的方法。应用所提出的评价方法,对钟摆钻具和偏轴钻具组合的钻进趋势进行了评价。     

三维井身底部钻具组合受力分析计算方法

推导出了在一跨内在两个平面上由一个端点的弯矩和转角计算另一个端点的弯矩和转角的计算公式，然后根据空间解析几何的有关知识，利用上下两跨钻柱在节点处切线方向向量相同的条件，先将上一跨的端点处转角合成为方向向量，再在下一跨进行分解，从而推导出了上下两跨钻柱在节点处的转角关系；又利用向量投影法则，将上一跨在井斜平面和方位平面的弯矩及扭矩分别向下一跨的井斜平面和方位平面及扭矩轴进行投影计算，推导出了上下跨间的弯矩关系公式。给出了带弯接头结构钻具组合的处理方法及扭矩的计算方法。     

下部钻具组合造斜能力的预测方法研究

预测下部钻具组合(BHA)的造斜能力对准确控制井眼轨迹十分重要。在现有BHA造斜能力预测方法的基础上,探讨了一种更能为现场广泛应用的新型预测方法。通过确定一个区块不同地层中的稳斜钻具组合,可以求得该地层中特定条件下的平衡侧向力。以此为基础,可以确定给定BHA的造斜能力。结果表明,这种方法既考虑了井眼轨迹、施工参数的影响,也能很好的考虑地层参数的影响。文中利用长庆油田某区块上的资料,给出了这种方法的计算实例。     

井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

利用根据相似理论设计出的底部钻柱动力学研究试验装置,进行了井底光钻铤钻具在不同钻压、转速条件下旋转及钻压波动规律的试验研究.试验结果表明:光钻铤钻具组合在井底的旋转大部分为正向涡动及谐波振动,要想使其产生反向涡动必须合理选择钻进参数;使用光钻铤钻具组合时井底钻压振动幅度较大;单从减轻钻柱振动危害方面讲,不建议采用光钻铤钻具组合,但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度看,该钻具值得推荐;光钻铤钻具组合的防斜机理有待于进一步研究.     

底部钻具组合的涡动特征分析

编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序,模拟结果与文献中的结果对比表明,所编模拟程序的模拟结果正确。利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、径向加速度、涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图,较全面地反映了井底钻具组合的动力学特性。结果表明:井底钻具组合在特定的情况下可以做规则涡动,更多的是做非规则涡动,没有运动周期;做规则涡动时,钻铤形心的涡动速度较小,其径向速度、径向加速度和涡动加速度均为0。在文中条件下,钻铤形心的涡动速度高达568.73 r/min,远大于规则向后涡动速度(79.41 r/min),该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响,值得进一步探讨。     

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合（RSBHA）的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时, RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。      

Gilligan钻具组合特性分析与设计

用纵横弯曲法对水平井中双稳定器变截面柔性钻具组合（Ｇｉｌｉｇａｎ钻具组合）的力学特性作了详细分析，并通过现场数据验证了理论分析的正确性。用配套软件系统设计出适合于三种不同尺寸井眼的Ｇｉｌｉｇａｎ钻具组合，并给出了其极限曲率值     

带双心钻头底部钻具组合的分析

针对使用双心钻头钻进时扩孔尺寸不理想、钻具工作不稳定、井斜趋势引起钻头工况对钻压非常敏感等问题,对底部钻具组合的受力、变形和运动状态等方面进行了分析研究表明,由于双心钻头几何设计的独特性,工作时钻头上受有不平衡力,这使得钻头切削不稳定,且影响钻柱变形。钻柱变形后,钻头相对井底偏转,偏转的方向和角度影响钻头的有效切削面积;钻柱的运动方式,即自转和公转,也影响扩孔尺寸和钻头稳定性。通过简单试验,认为钻头的不平衡力使钻具倾向公转;另外井斜、井眼弯曲也对钻具运动状态有很大影响,表现为钻具稳定性对钻压的变化非常敏感。     

探测与分析井底模式的新方法

井底模式就是钻头在钻凿岩石的过程中,钻头牙齿在井底岩石上打出凹坑的集合。使用井底模式探测与分析系统,探测与分析井底模式,能精确测定整个井底模式包括划痕与破坏坑大小、形状、深度、面积、体积等在内的井底三维形态的数据信息,能在2～3分钟内完成整个井底模式采样,10～12分钟内完成信息处理,输出模式的三维坐标数字量,对井底形状进行多位的三维显示。     

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下部钻具组合力学性能分析中,稳定器与井壁的间隙是影响其性能的重要因素。对于多稳定器组合,事先设定稳定器与井壁接触情况既困难也不准确。本文从有限单元的基本总势能表达式出发,采用最优化理论中的罚函数法,分析了稳定器间隙对下部钻具力学性能的影响,为解决稳定器与井壁的接触问题找到了一个新方向。