氮气钻井多功能四通防冲蚀结构改进

针对氮气钻井中高速携岩气固两相流对井口多功能四通旁通流域造成的严重冲蚀破坏,运用Fluent软件模拟四通流体域在测试、放喷工况下(携带岩屑气固两相流)的冲蚀情况。基于仿真分析结果,对氮气钻井井口装置中损伤最为严重的四通旁通管路进行防冲蚀结构改进。改进后的防冲蚀结构在旁通管路增加了法兰短节和内嵌的硬质合金套,并在四通旁通入口段采用堆焊625镍基合金替代了原来Ni45合金材料,有效地保护四通的旁通段。基于仿真结果中气体速度和湍流动能分布规律优选出法兰短节长度为600 mm,避免了下游平板阀因靠近四通旁通段流域的易冲蚀区域而造成的冲蚀破坏,提高了井口装置的整体安全性,延长了其使用寿命。     

氮气钻井多功能四通冲蚀磨损计算与预测

高产储层在采用氮气钻井时,由于气体流量大、携岩能力强、作业时间长,从井底返回的高压、高速和高携岩量气固两相流极易使多功能四通产生冲蚀。应用流体动力学与冲蚀磨损模型耦合计算方法,计算了实际放喷工况下多功能四通的流体特征和冲蚀磨损情况,并将计算结果与四通的实际冲蚀损伤检测结果进行对比;依据多功能四通的冲蚀磨损深度与工作时间的关系曲线,结合实际的主要冲蚀区域分布,对作业过程中的多功能四通冲蚀磨损情况进行了提前预测。分析结果表明,多功能四通的旁通冲蚀损伤最为严重,旁通的损伤主要是在放喷工况下造成;冲蚀磨损计算结果与实际冲蚀检测结果吻合,说明冲蚀磨损计算能准确地揭示放喷工况下高速、高压、高携岩量气固两相流对多功能四通的磨损情况。     

气体钻井对井口四通冲蚀磨损规律研究

气体钻井中携岩气体冲击四通内壁是导致四通失效的主要原因。基于气固两相流和冲蚀理论,运用CFD软件对四通本体流体域进行数值计算,分别研究了实际钻井工况下钻杆偏心的情形和不同钻井工艺对四通本体的冲蚀规律。研究结果表明,随着偏心距的增大,岩屑的轴向速度逐渐增大,局部冲蚀速率也呈现增大的趋势;由于偏心造成的岩屑粒子轨迹偏转向四通宽流道一侧冲击,容易在局部造成严重的冲蚀缺陷,导致四通承压能力下降;在不同钻井工艺下,冲蚀速率峰值和流体速度峰值都随注气量和岩屑质量流量的增加而基本呈线性递增趋势,而与岩屑粒径成反比关系,四通出口压力对冲蚀速率的影响不大。因此,在实际钻井中应尽量减少钻杆的偏心作业,合理控制注气量、岩屑质量流量,以保证钻井作业的安全进行。     

水力压裂对油管头四通冲蚀磨损分析

页岩气水力压裂对井口装置的冲蚀破坏性较大,且油管头四通为永久性连接装置,一旦破坏将带来较大风险。基于喷射型冲蚀磨损机理及计算流体力学,结合冲蚀磨损试验及模拟计算,研究水力压裂下油管头四通材料的冲蚀磨损特性以及分析计算固-液两相流冲蚀下油管头四通冲蚀磨损程度。结果表明,冲蚀角度对油管头磨损影响较大;冲蚀介质的形状及表面因素决定油管头材料冲蚀磨损量;陶粒较石英砂冲蚀磨损率大;粒度对基材的冲蚀磨损满足"尺寸效应"。基于CFD预测水力压裂下油管头的减薄率,满足作业安全要求。     

基于流场分析的压裂四通管汇冲蚀预测

四通接入式压裂管汇是使用较多的一种管汇布置方式,该布置下的流场性能、冲蚀性能备受设计和现场应用人员的关注。建立了压裂管汇四通冲蚀预测模型,使用CFD方法及Fluent软件,在压力、速度流场分析基础上,研究不同粒径、入流速度、陶粒密度对管道内壁的冲蚀影响与机理,并开展寿命预测。研究结果表明,四通内壁冲蚀率随陶粒粒径、流速、密度增大而增大,且四通交汇区域冲蚀现象严重。安全范围内,预测压裂四通管汇在最大平均冲蚀速率下的最小使用寿命为30 000 min。     

大四通多功能井喷封堵装置研制

大四通多功能井喷封堵装置是一种针对采油树大四通本体部位发生刺漏而进行快速封堵抢险的一种专用装置。该装置完善了油气井井喷快速封堵抢险工具系列,为井口本体损坏后快速封堵抢险工艺技术提供了一种新方法。     

气体钻井钻具冲蚀磨损试验装置

针对现有冲蚀磨损试验方法和试验装置不能模拟实际气体钻井过程气体携岩冲蚀钻具的问题,开发了气体钻井钻具冲蚀磨损试验装置。该装置由风机、送风管、加料管、混合室、加速管、试验管、连接管、旋风分离器、尾管、水箱、气体流量计等组成。它能模拟气体钻井过程中,不同气体排量、机械钻速等钻井工艺参数及不同属性岩屑对钻具冲蚀磨损的情况,具有结构简单、管道封闭、不污染环境、运行噪声小等特点;也可以开展管道气固两相流的相关试验研究。     

气体钻井井口装置冲蚀规律研究及优化配置

针对气体钻井中携岩气固两相流对井口装置中多功能四通造成的严重冲蚀问题,提出在原配置基础上加装排砂四通的井口优化配置方案。在结合气-固两相流和冲蚀理论,应用耦合运算模型对原配置下多功能四通的冲蚀情况进行仿真计算,并与实际检测的冲蚀情况吻合较好的基本上,利用该模型研究两种配置在放喷工况
下所用四通受放喷量、旁通出口压力、岩屑质量流量以及岩屑粒径大小影响的最大冲蚀速率和最大流体速度变化规律。研究表明,多功能四通和排砂四通内最大冲蚀速率都随放喷量和岩屑质量流量的增大而增大,随旁通出口压力和岩屑粒径的增大而减小;而最大流体速度都随放喷量增大而增大,随出口压力的增大而递减,受岩屑质量流量和岩屑粒径的影响基本不大。而优化后的配置相比原配置能大幅降低井口装置内的最大冲蚀速率和最大流体速度,可有效降低冲蚀风险,避免冲蚀破坏,提高井口装置整体的使用安全和工作寿命。     

氮气循环钻井开环现场试验

为降低气体钻井成本,提高钻井技术水平,对氮气循环钻井新工艺首次进行了开环现场试验,即气体分离处理后再行排放,以考察分离过滤设备的工作性能以及分离过滤设备对钻井工艺的适应能力。为保证试验的顺利进行,设计了气密性试验、正常钻进过程试验、地层出水过程试验等。试验结果表明,该工艺简单易行,系统运行稳定可靠。分离后的气体介质所含固相颗粒粒径与浓度低于当地大气条件,可满足重新进入压缩机和增压机的要求,为实现氮气的再次注入井内循环利用创造了有利条件。根据现场试验暴露出来的问题,进行了具体分析并提出了改进方案。该系统完善后,可以在气体钻井中推广应用。     

储层氮气钻井技术研究与应用

目前低渗、致密油气藏已成为勘探开发的重要对象,尽管我国该类油气资源丰富,但普遍埋藏较深、地质条件复杂、开发难度较大.为有效开发这些难动用油气资源,历经10余年的室内研究和现场试验,逐步形成了较为完善的储层氮气钻井工艺和配套装备,拥有地层适应性评价技术、钻井优化设计技术、井斜控制技术、一体化集中监控技术、氮气钻井井控技术...     

PDC钻头复合片磨损规律研究

在理论分析的基础上,建立了一种简便实用的复合片磨损实验方法,即采用了复合片在车床上磨损方式模拟ＰＤＣ钻头切削齿切削岩石的方法进行了大量的实验研究。研究分析了复合片齿的体积磨损速度与切削正压力、切削线速度、磨损弦长及岩性间的关系,并由实验结果得出了复合片磨损速度模式。     

国外PDC切削齿研究进展

PDC切削齿是PDC钻头的基本切削单元,其性能的优劣对PDC钻头的钻进效果有着决定性的影响。为了提高硬地层、研磨性地层及非均质地层的钻井效率,降低作业成本,国外钻头厂商研发了一系列新型PDC切削齿。重点介绍了新型PDC切削齿的结构特征、破岩机理、优势和现场应用情况。国外钻头厂商在切削齿形状、材料优选和制造工艺等方面持续创新,创新设计的新型PDC切削齿层出不穷,极大推动了PDC钻头技术的进步,钻井性能得到不断提高,显著提高了机械钻速。建议开展混合PDC切削齿钻头的研发,进行精细化设计,充分发挥不同独特几何形状切削齿各自的优势,以适应硬度更高和研磨性更强的地层,为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井提速提效提供技术支撑。     

PDC钻头异形切削齿研究进展

为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要,提高钻井效率,国外一些公司在PDC钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新,研发了一系列创新型几何设计的新型PDC钻头异形切削齿。介绍了脊形切削齿、楔(V)形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。个性化异形切削齿是未来发展的主要方向,深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化PDC钻头的研发,对钻头的切削结构进行优化,合理布置各种切削齿,充分发挥各自的优势,以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。     

Experimental Research on the PDC Bit Wear Model

Chemistry and Technology of Fuels and Oils - Optimal parameter drilling has been an effective means to improve drilling efficiency for years now. It is an important theoretical basis to build the...     

非平面三棱形PDC齿破岩机理研究与现场试验

非平面三棱齿的破岩机理不清晰,导致三棱齿PDC钻头达不到预期的破岩效果。为此,采用有限元法对非平面三棱齿进行数值模拟分析,分析破岩过程中的各项切削力的变化规律,研究其破岩机理。数值模拟和刮切试验结果表明,三棱齿与平面PDC齿在破岩过程中的岩石受力状态存在明显的差异,相同条件下三棱齿切削破碎砂岩时的切向力及切向力的波动幅度均小于常规平面齿。三棱齿PDC钻头现场试验表明,其在研磨性高、冲击性强地层中的破岩效率较高,抗冲击性能较好。研究表明,三棱齿主要通过拉剪作用破坏岩石,切向力和扭矩更小,抗冲击性和耐磨性更高,能够提高破岩效率、延长钻头使用寿命。      

冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究

为研究动载侵入岩石过程中的裂纹演化规律和预测裂纹长度,根据牛顿第二定律及波动理论,建立了岩石在冲击过程中的最大冲击力与冲击速度间的数学模型,结合岩石在静载作用下的载荷与裂纹长度间的关系,建立了岩石在冲击载荷作用下形成裂纹的长度预测模型,并利用离散元数值模拟方法研究了岩石动态破碎过程中裂纹的形成与扩展特征以及冲击速度对裂纹长度的影响规律。分析研究发现,岩石在冲击力作用下形成的裂纹以张性裂纹为主,且径向裂纹向着岩石自由表面扩展,侧向裂纹从损伤区萌生并向岩石内部逐渐扩展;径向裂纹长度和侧向裂纹长度均与冲击速度呈幂函数关系,数值模拟结果与理论模型结果基本吻合;冲击速度由15 m/s增大至35 m/s,岩石的破碎范围和破碎深度逐渐增大,形成的径向裂纹长度从3.47 mm增大到9.03 mm,侧向裂纹长度从7.29 mm增大到14.58 mm。研究结果为研究岩石的动载侵入断裂和动态破碎机理提供了理论依据。      

一种新的PDC钻头设计模型研究

在PDC钻头设计过程中,刀具岩石互作用模型是一个很重要的要素。过去设计使用的模型只考虑了剪力、法向力和侧向力3种力,对有倒角或特殊形状的PDC刀具不适用。介绍了一种新的刀具岩石互作用模型,该模型考虑了影响机械转速的倒角、刀具背部力、岩石变形、破碎材料回流等因素,已应用于钻头设计中,全比尺测试和现场试验表明,可提高钻头可钻性。     

基于MATLAB的PDC钻头布齿软件设计

PDC钻头结构形式变化多样,设计灵活性大,对地层变化的敏感性强,合理的布齿设计是保证PDC钻头工作性能的关键,目前采用的图解调整法设计PDC钻头存在着效率低、欠灵活、有误差等缺点。本文在研究PDC钻头布齿设计理论和方法的基础上,开发了PDC钻头布齿设计软件。该软件用MATLAB语言编写,具备强大的数据处理和图形绘制功能,具有布齿设计速度快、精度高、可操作性强、使用方便等优点。     

组合射流PDC钻头试验研究

为了将不同射流方式应用于PDC钻头以改变井底流场,并给钻头提供设计依据,通过数值模拟和室内试验分析了反向射流对井底流场的影响规律,并对旋转射流的破岩能力进行了评价。结果表明:PDC钻头加装反向射流喷嘴之后,钻头破岩部位压力降低,并且压降随着反向射流喷嘴距钻头底部距离的增大而减小,随反向射流流量的增大而增大,上部钻井液液柱压力对压降影响不大;在相同压降或排量下,旋转射流较普通直射流有更好的破岩能力。根据试验结论研制出了反向射流与旋转射流组合的PDC钻头,并在坨747井进行现场试验。结果表明,坨747井采用组合射流PDC钻头后,与采用普通PDC钻头的邻井相比,钻速提高40%以上。这表明,将反向射流和旋转射流组合应用于PDC钻头,可以明显提高机械钻速。      

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。