旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析

通过旋转钻井中破碎岩石的能耗分析,应用分形岩石力学理论,从钻井过程中钻头破碎岩屑的粒度分布、能量耗散等角度,建立旋转钻井中钻头破碎岩石所需能量的分形描述模型,详细分析影响钻头破碎岩石能耗的因素。该模型显示出旋转钻井岩石破碎能耗不仅与钻压、转速等钻井参数关,还与地层岩石破碎体的尺度和粒度分布分形维数等因素有关。应用该模型不仅可以确定钻井过程中破碎岩石所需的能量,还可以反演计算,根据所需岩石的破碎能量优选钻进参数。将所建立的模型进行适当简化,可得到经典岩石破碎比功三大学说表达式,说明该模型具有一定的普遍性。

井眼清洁工具作用下岩屑颗粒运动规律研究

在复杂结构井钻井过程中常有岩屑成床现象发生,容易造成一系列井下复杂问题,严重影响施工效率。目前一种螺旋式工具已被用于解决井眼清洁问题,应用效果较好。针对这种工具的基本结构,通过研究岩屑颗粒在螺旋式工具叶片上的运动,建立数学模型,得出这种工具螺旋角在不同井斜角条件下对岩屑颗粒通过该工具后的轴向、切向速度影响关系。研究结果表明:该螺旋式工具对岩屑颗粒运移有明显的加速作用,利于清除岩屑床;螺旋角作为清除岩屑床螺旋式工具的可控参数对工具性能产生重要影响;随着螺旋角增大,经过螺旋工具作用的岩屑颗粒切向速度逐渐增大,轴向速度逐渐减小,调整螺旋角可以使岩屑颗粒产生所需的速度以提高工具清屑效率。

一种基于破碎比功的岩石破碎效率评价新方法

在石油钻井工程中,评价钻进效率差别的方法是利用钻速方程来计算各单因素对钻速的影响,计算工作量大,缺乏综合性。根据岩石破碎的基本理论,对牙轮钻头破碎岩石所消耗的能量进行分析,建立了岩石破碎比功的计算模型,并提出一种基于破碎比功的岩石破碎效率评价方法。应用所建立的模型和方法,可以有效地分析和确定不同条件下的岩石破碎效率,分析评价不同钻头、不同钻进措施条件下所产生的钻井效果,为钻井工程设计中优选钻头类型、优化钻进参数以及钻井事后效果分析提供了依据。应用该方法所得的计算结果,很好地解释了过平衡钻井和欠平衡钻井条件下同种地层而钻速差异较大的根本原因。

中国智能化钻井技术研究发展

基于智能钻井技术基础理论和发展进程,分析随钻测量技术、智能导向钻井技术、智能钻机、智能钻头、智能钻杆、智能控压钻井技术、远程智能钻井决策控制系统等钻井关键技术。中国智能钻井技术存在地面智能化钻井设备研制不足、井下智能化控制核心技术未突破、钻井信息传输控制技术与国外先进水平差距较大等问题。实现中国钻井技术由自动化向智能化升级,将钻井技术与认知智能、深度学习、云计算、计算机视觉、人机交互、虚拟与现实等前沿技术深度融合,是中国多维度、复合式钻井技术智能化发展需要。

水平井钻柱摩阻扭矩分段计算模型

根据水平井接触和受力特点,利用分段计算方法,建立水平井钻柱摩阻扭矩计算模型;采用三维纵横弯曲梁理论,计算钻柱BHA(底部钻具组合)段摩阻扭矩;采用软杆模型,求解BHA以上钻柱段的摩阻扭矩;对井眼曲率变化较大及刚度较大的加重钻杆井段软杆模型加以修正,考虑钻柱屈曲的影响,建立适合水平井的摩阻扭矩三维分段计算模型.应用结果表明,该模型计算精度较高,平均相对误差为10%,可为现场实践应用提供技术参考.

地层抗钻能力相似性评价及钻头选型新方法

综合考虑地层岩石抗钻特性、钻头工作条件、钻头使用效果及钻头经济效益,利用灰色关联分析理论对地层抗钻能力相似性进行评价,筛选出具有参考价值的备选钻头,然后通过构造绝对理想解、改变相对距离度量方法和引入熵权建立钻头综合性能评价新模型,进而计算备选钻头与理想钻头的贴近度并确定合理的钻头选型。研究表明,通过绝对理想解的构造、相对距离度量方法的改进及熵权的引入可以克服逼近理想解排序法(TOPSIS)无法绝对排序、存在逆序现象及权重设定不合理的固有缺陷,且计算简便、易于理解,对采用动态变化钻头数据库进行钻头选型具有很好的适应性;现场应用证明,采用钻头选型新方法优选出的钻头,在实际钻进中平均机械钻速大幅提高,钻头磨损率较低,与钻遇地层具有良好的配伍性,可作为油田优选高效、长寿及具有较好经济性钻头的技术手段。

基于分形维数的钻头优选指数标度法及其应用

应用指数标度法的基本理论,建立了钻头优选的层次结构模型。指数标度中的相邻重要度比率采用新的方法来确定,其中准则层的相邻重要度比率按照一般的经济问题选取,钻头方案层的相邻重要度比率应用岩屑分形维数进行确定。改进后的选取方法有效地增强了模型的定量评价功能,同时保留了该模型的灵活性。该模型的使用不受区域限制,准则选取灵活,准则资料易于获取。经现场应用验证,该模型能够定量评价牙轮钻头方案的综合性能的优劣,优选结果准确。

丛式井平台井口布置方法

为了进一步优化丛式井的设计,研究了丛式井平台井口和靶点的优选和分配问题。当井口分布呈多排多列且不均匀分布时,首先对井口和靶点进行直线或同心圆划分,再基于井口与靶点的连线在水平面上的投影两两不相交且水平位移平方和最小的方法(即不相交水平位移最小距离法),建立了不相交水平位移最小距离法计算模型,并编制了相应的分析计算软件。以吉林油田某丛式井组为例,利用编制的软件进行了井口和靶点的优选及分配,快速求出了最优分配结果。这表明采用不相交水平位移最小距离法可以快速求出最优的分配结果,可提高设计人员的工作效率。

清水压裂裂缝闭合形态的力学分析

近年来,清水压裂以其现场施工简单、压裂成本低等优点受到人们的广泛关注,并且在一些低渗透油层已经取得了明显的压裂增产效果。尽管人们已经认识到清水压裂的效果主要来源于裂缝面的粗糙性和相对剪切错动,但对于清水压裂裂缝的闭合形态等理论问题研究得不多,也缺乏有效的理论指导现场施工。在充分调研国内外相关文献的基础上,从分析清水压裂的裂缝特征入手,从力学角度就清水压裂的裂缝闭合形态等问题进行分析研究,建立清水压裂情况下局部裂缝张开、裂缝面错动和裂缝面抗剪能力的计算模型,深入揭示清水压裂油井增产的机制和原因,为今后清水压裂施工设计提供理论依据。

大位移井钻井极限延伸能力的研究

大位移井钻井极限延伸能力是大位移井钻井设计和施工的关键参数,它往往被人们所忽视,目前有关此方面的研究尚不多见。针对大位移井的钻井实际,应用大位移井整体钻柱摩阻力分析的间隙元理论,给出了大位移井的延伸极限力学判断准则和计算模型。应用编制的大位移井极限延伸能力计算机软件,对影响大位移井的延伸极限能力因素进行分析,确定影响大位移井极限延伸能力的主要因素。得出了从对极限延伸能力的大小程度分依次为井眼摩阻系数最大、井眼曲率次之、门限钻压第三、转盘转速最小的重要结论,为今后大位移井的钻井设计和施工提供依据。

阶梯水平井轨迹优化设计

阶梯水平井轨迹优化以设计井深或者摩阻为目标函数,这些都是基于纯技术层面上的,对经济和钻井安全考虑较少。根据其特点,提出了阶梯水平井井眼轨迹的最优化设计方法,以安全、有用和费用最低为井眼轨迹的设计原则,根据阶梯水平井井眼轨迹的设计原理,应用数学优化理论,建立了追求费用最低的最优井身轨迹的目标函数,这是一个非线性有约束的目标函数,利用外罚函数法可以对其求解,进而求得最优井身轨迹。现场试验表明,提出的阶梯水平井井眼轨迹最优化设计方法是正确的、可靠的,可以满足现场要求。

牙轮钻头的岩屑破碎机理及可钻性的分形法

为满足优质高速钻井的要求,需要对岩石可钻性做出快捷、精确的判断。利用分形几何理论,研究了钻井过程中牙轮钻头的破岩机理以及岩屑的等破碎概率问题;依据Bond裂纹学说,提出了一种以井底返出的岩屑为对象的岩石可钻性测试方法,并建立了岩石可钻性极值和岩屑分形维数的关系模型。室内实验表明:微钻头岩石可钻性级值与破碎岩屑分形维数存在明显的相关性,由此制定了一个基于岩屑粒度分布分形维数表示的岩石可钻性预测指标。经现场检验,分形法确定岩石可钻性级值具有较高的精度。这表明钻井过程中上返岩屑的分形维数能反映岩石可钻性程度,可以用分形维数衡量岩石可钻性大小。

控压钻井回压压力波在井筒中传播的速度和时间规律

控压钻井过程中当监测到井底发生气侵尤其是溢流时,通常通过调节回压泵和节流管汇阀门给井筒施加回压来重新构建井底压力平衡。但气侵后回压压力波到达井底的时间有一个明显的滞后,如仍认为井口回压瞬间加载到井底,由此计算得到的井筒相关参数与实际井筒流动参数必然存在着较大的误差,有可能造成井控失效甚至引发井喷。为此,基于整体平均气液两相流模型,以回压压力波在井筒中传播速度和时间为研究对象,建立了环空气液两相流动的压力波传播方程,并引入气液相间作用力对方程组进行耦合求解。计算结果表明:(1)压力波波速随钻井液密度的增加而增大,随含气率、虚拟质量力系数的增加而呈现出减小的趋势,先急剧变化,之后变化幅度缓慢;(2)当含气率大于0.10或虚拟质量力系数大于0.20时,气液相间动量已充分交换,压力波波速的减小幅度变缓,趋于稳定。以四川盆地蓬莱9井为例,计算得到压力波单次传播的平均时间约为50 s,4个回合的总传播时间约为200s,占系统控制响应总时间的67%以上。结论认为,采用该方法计算得到的压力波在环空中的传播速度及传播时间更加符合实际井况,可大幅度提升MPD钻井系统控压响应时间的准确性和自适应节流阀控制的精度。

基于支持向量机和聚类分析理论的钻具失效分析方法

针对钻具失效影响因素比较复杂的问题,建立了基于支持向量机和聚类分析理论的钻具失效原因分析模型。应用该模型可收集钻具失效样本数据,并对数据进行机器学习及优化,得到最佳的内部结构,从而可以计算和分析出钻具失效的原因。对大庆油田某区块的钻具失效数据进行了处理和分析,确定了该区块钻具发生失效的根本原因,并且有针对性地提出了6点预防钻具失效措施。通过计算证明,这种新模型的计算和分析结果真实、可靠。

基于蚁群算法的丛式井井口分配方法研究

为充分利用井口,降低成本,提高钻井效率,保证钻井安全,以井口—靶点的水平投影距离之和最小为目标函数,构建蚁群算法,求解丛式井井口分配模型,以投影不相交或很少相交为约束条件,建立惩罚函数及丛式井井口分配蚁群算法模型,并编制软件。实例表明,该模型求解分配方案能够较好地满足现场应用,可以快速有效地求出较优的分配方案。

徐家围子地区地层岩石可钻性级值的确定

针对徐家围子地区下部地层的复杂情况,岩石可钻性级值较高,钻井机械钻速低、进尺慢和钻井周期长的问题,迫切需要准确预测徐家围子地区下部地层的岩石可钻性级值,为科学制定钻井计划提供有力依据。为此,通过对徐家围子地区大量实际钻井资料进行统计、分析、计算,利用通用钻速方程,得出徐家围子地区下部地层岩石可钻性级值规律,并对所求岩石可钻性级值进行分析,得出地层岩石可钻性与地层深度的剖面图,进而拟合出岩石可钻性级值与地层深度的表达式。

钻铤螺纹联接处载荷分布规律研究

根据弹性力学理论，通过对钻铤接头螺纹的受力分析，分别建立了上扣扭矩、轴向外载和内外水压力作用下的螺纹载荷计算模型。依据此模型，详细分析了钻铤螺纹的载荷分布规律，提出了改进钻铤接头受力状态，减少应力集中的主要措施。

斜井眼内钻柱轴向振动的有限元分析

在斜井眼(弯曲井眼)钻进过程中,钻柱存在各种振动行为,其中跳钻是制约斜井钻进的主要因素之一,跳钻是由于钻柱轴向强烈振动引起的。严重跳钻现象表明斜井眼内钻柱的轴向振动是不能忽略的。以斜井眼的钻柱整体为研究对象,分析了钻柱整体在周期性激振力存在情况下轴向动态行为所遵循的规律。采用有限元法,对钻柱整体进行了分析,获得了钻柱整体的质量和刚度矩阵,进一步获得了动力学矩阵方程,并编制了计算程序,计算出了钻柱轴向振动的固有频率,结果表明受迫振动频率与钻柱固有频率接近时出现跳钻现象。这为深入研究斜井眼内钻柱动态行为提供了理论依据,并为进一步分析大位移井钻柱振动奠定了理论基础,具有现实的指导意义。

基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究

在充分分析国内外多孔介质有效应力研究基础上,针对石油工程中深层岩石复杂结构特征,应用分形几何理论,分别建立了深层多孔介质岩石有效应力的二维和三维分形计算模型。该模型能反应任意孔隙结构下的应力作用关系,是现有相关有效应力模型的补充和完善。为了现场应用方便,进一步给出多孔介质有效应力分形模型的简化式。实例计算表明,应用简化式计算的有效应力值误差在7%以内,可以满足油田现场的要求,并且应用简化式有利于应用测井数据获得连续的有效应力剖面。

复合钻井技术在庆深气田的应用研究

庆深气田中下部地层岩石坚硬,可钻性级值较高,地层倾角较大,因此,防斜打快成为庆深气田钻井工作急于解决的首要问题。利用复合钻井恰恰可以达到防斜快打,保证井身质量,提高庆深气田泉头组到登娄库组地层机械钻速,节约钻井成本的目的。针对复合钻井技术在庆深气田上的应用开展了研究,力求使该技术发挥更大的作用。