某井区储层可钻性分析及钻头选型参考

2016年某井区试验了3口水平段长达1 200 m的井,储层致密含砾、非均质性强,实钻过程水平段PDC钻头磨损严重,单只钻头行程短、寿命短,严重制约了该区的钻井效率。在对实钻情况总结的基础上,结合岩石力学可钻性及IDEAS(4维动态钻井分析系统)分析,对某井区长水平段钻头选型给出建议,为下一步规模开发,提高钻井效率提供技术参考。     

新型液力衡扭旋冲提速工具的研制与应用

新疆塔里木盆地却尔却克组地层研磨性强、机械钻速低、单只钻头进尺少。新研制的液力衡扭旋冲提速工具具有衡扭旋冲和水力脉冲功能,在深井坚硬地层提速方面取得较好效果,应用于新疆城探1井提速效果显著,各项指标超过了国外产品,取得了较好的经济效益。     

仿生石油钻头试验成功

日前,拥有自主知识产权的仿生石油钻头在中国石化中原油田元坝103井试验成功。 2006年,为加快川东北地区油气勘探开发的进程,解决钻速慢和钻头寿命短等技术难题,中原油田钻井管具工程处博士后科研工作站博士高科及其团队开始立项研究新型钻头。他们巧妙地将仿生非光滑理论和自再生理念应用到破岩钻头中,有针对性地进行仿生钻头研制,成功研制出仿生石油钻头。     

新型单牙轮钻头研究及应用

川西地区探井多用小尺寸钻头(6"左右)钻头钻三开后的井段,由于井眼直径小,小尺寸牙轮钻头不但机械钻速慢,而且钻头消耗多、起下钻作业增加。人们研制了一种新型小尺寸钻头,它主要由一个偏置的多锥形牙轮、一个圆柱形滚轮及两个牙掌组成。通过新型单牙轮钻头前期科学研究、产品试制和台架试验,进行相关工艺技术研究及应用,有助于解决川西地区探井小井眼机械钻速慢、钻井效益低的实际生产难题。结果表明,单牙轮钻头钻速接近PDC钻头,远高于三牙轮钻头,具有较好的技术经济指标,值得进一步推广应用。     

基于轴向振动的水力振荡器参数优化

威远区块页岩气长水平井钻井摩阻大、钻压传递效率低、机械钻速慢，水力振荡器参数选取大多凭借经验，缺乏有效理论指导。考虑水力振荡器轴向振动特性，基Dieterich-Ruina摩擦定律建立起带水力振荡器的水平井摩阻预测模型，通过威远X平台X-1井实测数据验证模型精度。优化结果表明，威远区块页岩气龙马溪组三开215.9 mm井眼中水力振荡器最佳安放位置为距离钻头150 m处，最佳钻井排量不低于35 L/s。现场试验结果表明，采用推荐的优化参数能够大幅提高该区块水平段机械钻速，值得进一步推广应用。研究成果不仅能够为威远区块水平井降摩减阻提供指导，还能为水力振荡器参数优化提供新的思路和方法。     

新型复合PDC钻头填补中国石油集团空白

<正>12月7日,由宝石机械成都公司研制的8.5英寸新型复合PDC(聚晶金刚合金片)钻头,顺利完成盘锦大51井井下作业试验,效果良好,填补了集团公司钻头类产品空白。目前,宝石机械成都公司已经研制成功8.5、9.5、12.25、17.5英寸4种型号的系列新型复合PDC钻头,并取得国家实用新型专利授权。试验结果表明,新型复合PDC钻头在同一类型的钻井过程中,比邻井平均机械钻速提高43%,寿命提高92.1%,     

超高温高压曲井钻柱纵-横-扭耦合振动模型及黏滑振动特性研究

针对超高温高压曲井钻柱系统振动失效问题,采用能量法结合哈密顿原理,建立了全井段钻柱系统纵-横-扭耦合非线性振动模型,考虑了井眼轨迹变化、井筒约束作用、钻头与岩石的互作用力以及井筒超高温高压对管柱弹性模量和钻井液黏度的影响。借助有限元理论实现了非线性振动模型的数值求解。采用现场实测数据,与所建立模型理论计算结果对比,验证了钻柱纵-横-扭耦合非线性模型的正确性和有效性。基于此,借助中国南海乐东超高温高压区块M定向井参数,探究了转盘转速、钻压、扭冲提速工具以及底部钻具组合(Bottom hole assembly, BHA)长度对钻柱系统黏滑振动特性的影响规律,发现：在满足其他要求(如经济成本、工具强度、磨损问题、工具通过能力等)的情况下,应尽可能提高转盘转速和BHA长度,有效提高钻井效率。现场钻压和扭冲工具的扭矩值存在一个设置最优值,与井身结构、工具尺寸等因素有关,可采用所提出的分析方法确定不同工况下的最优钻压和冲击扭矩,有效提高现场钻井效率和BHA工具的安全性。     

空气锤钻头本体与钻齿的过盈数值分析

正空气钻井技术用于解决提高机械钻速和复杂硬质地层条件下的井漏等重大的钻井难题。但是,钻井过程中也暴露出许多技术难题,其中钻具损坏问题相当突出。空气锤钻头的失效方式主要以断齿、磨齿、掉齿、本体缩径和钻头断脱等为主,掉齿造成钻头过早地失效,严重降低了钻头破岩效率。钻     

自适应PDC钻头研制

传统固定式PDC钻头在一次性钻穿不同岩性地层时，会出现扭转振动、跳钻、黏滑等问题，导致钻头磨损严重，甚至崩齿，影响钻头使用寿命，降低钻井速度。为此，研制一种在钻井过程中可自主调节切削深度的PDC钻头，从其结构特点、工作原理、技术参数选取等方面进行了详细阐述，并通过CAD三维仿真软件对自适应PDC钻头进行力学性能分析，评价其结构合理性和方案可行性。分析结果表明：PDC钻头刀翼采用独立悬挂模式，利用活塞原理使钻头刀翼根据地层变化进行轴向运动来避免钻头振动、黏滑的结构是合理可靠的，满足现场应用条件。自适应PDC钻头研制推动了钻井智能化发展，为解决钻头使用寿命短、钻井效率低问题提供了新的思路和方法。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的研究

PDC钻头在实钻过程中井底流场非常复杂,而优化其水力学参数是提高钻头钻井能力的有效手段。根据实际钻头结构,建立了不同孔径的四喷嘴PDC钻头井底流场模型并对之进行了数值模拟,分析了流场的总体特点,得出了在相同出口射流速度和相同流量条件下喷嘴孔径对PDC钻头井底流场的各种影响,并通过试验进行了验证,为PDC钻头的水力学设计提供了一定的指导。     

PDC齿磨损前后钻头钻进能力对比实验与分析

PD C钻头能钻进的地层越来越宽,已能钻进硬地层和复杂夹层,但在硬地层中其机械钻速普遍较低。针对上述现象开展了PD C齿正常磨损前后的钻头钻进能力对比实验和分析,并提出建议。P D C钻头能正常钻进的前提是P D C齿能有效地吃入岩石;钻头磨损后攻击性减弱,PD C齿不能很好地吃入地层,是钻头机械钻速下降和发生打滑的根本原因;钻头磨损后加大钻压能增加PD C齿吃入岩石的能力,改善钻速,但也加快了钻头的进一步磨损,当磨损到一定程度时,加压提速的效果并不明显。建议,作钻头分析设计时针对硬地层应充分考虑钻头的攻击性;应进一步开展磨损状态下的钻头分析。     

Ⅱ型钻柱式偏心微扩眼工具设计及参数优化

钻井过程中由于缩颈、微狗腿、微台阶等造成的井眼小于钻头直径易造成起下钻困难、井眼漏失、井塌、井涌甚或井喷、划眼、憋泵等事故。在现有Ⅰ型钻柱式偏心微扩眼器的研究基础上,借鉴双心钻头设计理论开展Ⅱ型钻柱式偏心微扩眼工具设计研究。同时借助流体动力学软件对工具外形结构,刀翼长度和布齿方案进行优化分析,最终形成Ⅱ型钻柱式偏心微扩眼工具设计方案。     

钻井转矩保护器的研制

PDC钻头在钻遇复杂地层时,转矩波动较大、蹩跳钻现象严重,其不仅会缩短PDC钻头的使用寿命,还容易导致井下钻具断裂,影响钻进效率。为此,研制了钻井转矩保护器,并完成了厂内试验。钻井转矩保护器主要由压扭转换机构、储能机构和密封油浴机构组成,能够起到轴向和周向的减震作用。工作时一旦井下转矩超出工具的预设值,碟簧组被压缩,储存能量,工具收缩,钻头上齿的切削深度减小;当钻头转矩正常时,储存的能量会缓慢释放。厂内试验结果表明,钻井转矩保护器缩回、伸出和转动灵活,试验数据全部满足设计要求。     

复合钻头技术及应用

复合钻头是近年来针对深部难钻地层提速开发的一种具有全新破岩理论的钻头。介绍了复合钻头理念诞生、产权竞争及工业化应用等几个阶段的发展历程,深度剖析复合钻头结构特征与几何学、运动学的数学分析模型,并以此为基础讨论复合钻头破岩机理。通过国内外典型应用案例分析,体现复合钻头在复杂难钻地层中的提速能力和经济效益。结果表明:在含砾、软硬交错、研磨性强等复杂地层中,复合钻头钻速同比提高30%以上,部分极难钻地层提速达100%,每米钻进成本节约40%以上。最后分析PDC-牙轮复合钻头下一步工作思路,为后续研究提出建议。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

北方风雷公司成功试制钻具新产品——PDC钻头

近日,中国兵器工业集团北方风雷公司成功试制出了外观精美、性能合格的5刀翼双排齿PDC钻头。PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称,是石油钻井行业常用的一种钻井工具。自接到研发任务后,研发设计人员进驻油田钻井一线,认真观察钻井实际情况,根据油田的地质情况,设计出最适合油田使用的5刀翼双排齿PDC钻头,在齿的设计技术和布齿方面实现了重大的突破。     

减震稳扭旋冲钻井提速工具可变节流口特性分析

底部钻具组合耦合振动,不仅降低了钻头的稳定性和攻击性,还易造成钻具疲劳破坏,诱发井下事故.目前,大部分常规的辅助破岩工具只能抑制单一形式的钻具振动,针对多种振动形式耦合的复杂工况,提速效果有限.为此,提出一种减震稳扭旋冲钻井提速工具,该工具集复合冲击和减震稳扭功能于一体,可有效抑制钻头不规则振动,保证钻头平稳快速钻进.以该工具冲击能量发生单元为研究重点,建立了动静阀盘可变节流口数学模型,基于MATLAB仿真模型数值分析得到了可变节流口过流面积与节流压差之间的关系,确定了动静阀盘的几何结构参数.最后完成样机试制和地面性能测试,节流压差测试结果与仿真分析结果相符,满足现场应用需求.     

水力振荡器在中深水平井中的提效应用

水力振荡器在常规井中有一定的应用范围,在深水平井上应用较少。它是在钻井液水力的作用下,将流动的钻井液冲击力转化为轴向的振动,破坏钻具与井壁间的粘附力,将静摩擦力转变为动摩擦力,减小粘附卡钻的几率,缓解托压现象,提升破碎岩屑的效率,提高机械钻速。文章分析了水力振荡器的结构组成、工作原理,并结合水平井实际的地层特征、钻进过程中的难点分析以及在水平井中的应用,结果表明,水力振荡器的应用能够解决钻进过程中出现的托压、粘附卡钻等问题,提高机械钻速,缩短钻井周期,且不会增加钻头磨损。