基于无线随钻测量式超短半径水平井钻井技术

为了解决油田开发后期老井产量低、含水高的难题,通过采用小尺寸高弯曲度MWD随钻仪器配合高造斜率螺杆的方法,实现了在老井上部井段侧钻出超短半径水平井,攻关研究大曲率造斜和水平钻进的技术,通过设计研发小尺寸高弯曲度MWD随钻仪器、高造斜率螺杆等专用工具,并结合现场施工要求,创新基于无线随钻测量方式的超短半径水平井钻井技术。结果表明:该技术具有施工效率高、实时监测井下参数、轨迹控制精度高等优点,可以实现老井剩余油储层定向挖潜改造,扩大泄油面积,改善油井生产条件,提高采收率。

探管式智能钻头参数测量装置研制与现场试验

现有螺杆上游的测量装置无法获得钻头位置处的真实数据,智能钻井在决策控制层面存在严重的数据偏见与不可预测的实施风险。为此,研制了一种探管式智能钻头参数测量装置,可以安装在钻头内部,在不改变现有钻具组合与施工工艺的前提下直接采集钻头处的真实数据;硬件结构仿真优化结果表明,30 L/s排量与80 MPa环空压力下,理论水力压耗小于0.1 MPa、安全系数为3.06。同时,基于六面法与ARMA+移动Kalman滤波,实现了该装置的误差标定与降噪。该装置在胜利工区现场试验9井次,配套井下工程参数测量短节进行了装置功能验证与井下数据对比,融合综合录井数据进行了试验井提速分析与参数优化决策。试验结果表明,探管式智能钻头参数测量装置能够获取钻头位置处的真实数据,能够为针对性提速提效分析与钻井参数优化提供可靠依据。

数字钻头技术现状与发展建议

传统钻具组合力学结构和动力钻具工作特性的限制,测量装置无法获取钻头位置处的真实数据,导致智能钻井在决策与控制层面存在风险。国内外油服公司开发了多种数字钻头测量系统,在不改变钻头结构的前提下能够安装在钻头内部进行数据采集,为理论研究、钻井设计和钻井决策控制等提供了数据支持。为推动我国数字钻头的发展,调研了现有各类数字钻头发展现状,讨论了数字钻头技术的应用场景和发展趋势,并提出了技术发展建议。

牙轮钻头密封试验技术研究及密封圈性能评价

牙轮钻头在深井钻进时会受到高温、高压、摩擦以及腐蚀等多个因素的共同作用,直接影响密封圈的使用寿命,进而影响钻头寿命。为此,进行了牙轮钻头密封试验技术研究。首先,设计了牙轮钻头密封试验机,设计了试验机各功能模块;其次,对O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈在多因素影响下的密封性能进行了有限元分析,同时结合接触应力评判准则和von Mises准则对密封圈性能进行了评价和对比;最后,进行了密封圈在多因素作用下的寿命测试实验,并将实验结果与仿真结果进行了对比。实验结果验证了试验机进行牙轮钻头密封试验的可行性及可靠性。所设计的牙轮钻头密封试验机能预测牙轮钻头密封圈的使用寿命,具有广阔的工程应用前景。

圆柱形PDC切削齿磨损对钻井工艺规程的影响

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻头因其较高的耐磨性与钻井时效,在油气和地热的深部钻井中得到了广泛应用。PDC切削齿性能与切削齿磨损程度相关,直接影响钻头的寿命和钻进效率,所以研究切削齿的磨损对钻井工艺规程至关重要。针对切削齿在磨损阶段与岩石接触区域形状复杂、面积计算困难的问题,通过使用平面斜截复合片所在圆柱面的方法,推导出接触区域为部分椭圆,得到了接触面积与磨损高度、后倾角的函数表达式,分析了磨损高度、后倾角的变化对接触比压、片内剪应力的影响。结果表明:切削齿与岩石的接触面积受复合片磨损高度、后倾角大小的影响,磨损高度越大,后倾角越小,接触面积及面积变化率越大;相同载荷下的接触比压和片内剪应力随接触面积增大而越小。因此应根据复合片的磨损状态选择合适的钻井工艺参数,以维持PDC钻头的破岩效率。

衡扭矩技术在钻井工程中的应用

面对钻井工程中软硬交替等复杂地层中PDC钻头十分容易发生卡钻、崩齿、断脱的技术难题,提出衡扭矩技术的应用思路,对该技术工具配置、工作原理、执行机构等展开分析,并对其在试验井中的应用过程及效果进行阐述探析。结果表明,PDC钻头衡扭矩工具以碟簧蓄能装置和螺旋化键短节为主体,具备钻压自动调整功能,可确保钻头匀速转动,避免卡钻蹩滑等情况发生;有利于维护井下工具仪器的运行安全,可在我国井深与地层复杂程度较大的油井推广应用。

基于多目标遗传算法的PDC复合片交界结构优化设计

为改善PDC复合片界面处的结合能力,提升其整体的抗冲击性和稳定性,提出了一种新型交界结构。采用有限元方法,对比了外界载荷影响下所设计交界结构和常规界面结构复合片的应力分布状态,并基于提出的交界结构,考虑其结构参数的影响,使用最优填充空间法进行采样,结合最小二乘法构建了结构场的二阶响应面近似模型;以交界结构参数为设计变量,结构场等效应力、最大剪应力和最大主应力的最大值为设计目标,采用多目标遗传算法对响应面近似模型进行优化。研究结果表明,相同模拟条件下,相比常规交界结构,新型交界结构的等效应力最大值降低了50.7%,剪应力最大值降低了52.0%,最大主应力最大值降低了22.4%。优化后的PDC复合片在相同条件下,等效应力、最大剪应力及最大主应力均降低14%以上,且具有更好的破岩稳定性,能有效避免应力集中,同时热稳定性增强。研究结果为PDC复合片优化设计提供了理论依据,同时提供了新的优化方法,有助于降低研发成本。

水平井PDC钻头的井底流场数值模拟

为了解决页岩水平井岩屑运移困难、钻头泥包等问题,提高聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)PDC钻头在钻井过程中的钻井效率和使用寿命,采用数值模拟方法、低雷诺数k-?湍流模型建立井底的流场模型,对PDC钻头的水力结构在不同钻井液排量、PDC钻头转速和岩屑粒径工况下的井底流场变化和岩屑运动状态进行分析并优化改进。结果表明:重力作用对低排量下的岩屑运动状态影响较大,当钻井液排量增加到一定程度后,岩屑运移效率变化较小;在旋转工况下,钻井液排量和钻头转速不匹配,降低了钻井液的冲刷作用和岩屑运移效率;在一定排量和钻头转速下,钻头转速对大粒径岩屑运移效率的提升作用大于对小粒径岩屑的;在相同的喷嘴面积下,优化后的8喷嘴钻头岩屑运移效率优于6喷嘴钻头的;相比非等径喷嘴组合,等径喷嘴组合的性能表现更均衡。

五宝场硬塑性地层斧形曲面PDC齿破岩性能研究

为解决川东油气钻井中五宝场沙溪庙组硬塑性地层PDC钻头磨损严重、起下钻频繁的问题,开展了斧形曲面PDC齿在硬塑性地层破岩性能的研究。首先采用X射线衍射试验与三轴力学试验分别获取该地层岩石性质和力学参数,然后采用有限元仿真与试验相结合的方法开展斧形曲面PDC齿破岩性能研究。研究结果表明:斧形曲面PDC齿主要以剪切、挤压、犁切共同作用破岩;相较于常规PDC齿,斧形曲面PDC齿有更强的吃入岩石的能力和稳定性,能有效减小钻头异常振动,提高钻头寿命,并在不同磨损高度(0~3 mm)时,破岩比功降低2.2%~8.2%;根据试验得到斧形曲面齿较常规齿破岩性能提高了11.39%,且试验与仿真平均切削力误差仅为7.46%,验证了仿真模型的正确性。本研究表明斧形曲面PDC齿在硬塑性地层对提高破岩性能具有重要意义。

圆弧锯形仿生PDC齿的破岩机理及钻头钻进分析

为进一步提升聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond composite, PDC)钻头在深部硬地层的钻井性能,抑制黏滞滑动现象的发生,以鼹鼠爪趾为原型,在仿生相似原理和锯形齿结构基础上提出一种圆弧锯形仿生齿。基于弹塑性力学和有限元非线性动力学理论建立了切削齿、钻头破岩的仿真模型,对比锯形齿与圆弧锯形齿的破岩过程,并对比了布置两种齿形钻头的整体钻进过程。结果表明:圆弧锯形齿破碎岩石主要以犁削和铲削为主,能够将载荷集中一点,更容易达到岩石的屈服极限,同时使岩石受拉应力更容易破碎,相比锯形齿所受切削力减小15.8%,效率更高。使用圆弧锯形仿生PDC齿的钻头破岩量更大,进尺提升明显,所受扭矩更小,能有效解决钻头的黏滞滑动。研究结果对国内高性能钻头的设计具有重要参考价值。

基于响应面法的仿生PDC钻头水力结构优化设计

合理的钻头水力结构能避免泥包现象发生,提升钻井效率。为完善仿生PDC钻头的水力结构,基于κ-ε湍流模型和离散相模型对4种不同水力结构方案进行数值计算,确定了最佳方案为喷嘴和辅助喷嘴结合。为确定该方案下最佳结构参数,使用响应面法建立了以喷嘴直径x_(1),辅助喷嘴直径x_(2)、喷嘴距钻头中心径向距离x_(3)为设计变量,采样点最大速度D和采样点平均速度E为目标函数的数学模型,基于回归分析对钻头水力结构进行优化设计,求出最佳参数为喷嘴直径16.36 mm,辅助喷嘴直径8 mm,喷嘴距钻头中心径向距离63.85 mm,并对该参数下的水力结构性能进行了数值计算。结果表明:优化后的钻头水力结构不仅减少了流体井底速度波动次数,且明显提升了整体速度,解决了原有的涡流现象,增强了钻井液携岩性能,减小了粒子浓度。

扭力冲击器在鸭深1井志留系地层的试验应用

玉门鸭儿峡油田志留系地层埋藏深,岩性致密坚硬、研磨性强、可钻性差(7级以上),PDC及牙轮钻头磨损严重,寿命短,平均钻速低。扭力冲击器配合个性化PDC钻头可以保持钻进过程中钻柱稳定,扭矩平稳,可有效克服钻头的"黏滑"现象,减少反冲扭力,强化钻压,提高钻速。扭力冲击器在鸭深1井志留系地层应用355.05 m,平均钻速1.7 m/h,相比邻井提高110%。该项技术的成功应用为玉门深井段钻井提速找到新的途径。

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44mm切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大 ,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想 ,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了 PDC钻头的优化设计 ,开创了钻头切削结构设计新方法 ,改进了钻头的水力结构设计 ,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式 PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比 ,使用新型复合 PDC钻头机械钻速高 ,进尺多 ,井身质量好 ,对加快油田勘探开发速度。

旋转齿PDC钻头研制及应用

为进一步提高PDC钻头的破岩效率,延长钻头进尺,研制了旋转齿PDC钻头,该钻头切削齿破碎岩石的同时保持旋转,旋转能够均匀分散磨损,同时也有效地冷却切削齿保持切削齿锋利;切削齿的周边都得到充分利用,提高切削齿的利用率。本文设计了旋转齿结构,通过有限元模拟优化各部位参数,研制出旋转齿,设计研制了旋转齿PDC钻头,并进行了现场试验,进尺高、机械钻速快,具有极高的推广应用价值。

锥形与常规PDC齿混合布齿破岩机理研究及钻头研制

常规PDC钻头在砾岩地层中易发生崩齿和碎齿,钻头进尺短、钻速低,钻井周期长、成本高等问题突出。为了提高砾岩地层的钻进效率,本文开展了锥形PDC齿与常规PDC齿混合切削砾岩实验,探究了齿间距和齿高差等参数对切削力、破岩体积及破岩效率的影响规律,研制了Φ215.9 mm混合布齿PDC钻头,并在砾岩地层某口定向井中开展了现场试验。结果表明:随着齿间距增大,切削力和破岩体积逐渐增加,破岩效率先升高后降低,且在齿间距为18 mm时达到最大值;随着齿高差的增加,破岩体积呈线性增加,破岩效率先升高后降低,在齿高度差为0.5 mm时破岩效率最高;与邻井同井段用的牙轮钻头和常规PDC钻头相比,研制的混合布齿PDC钻头的机械钻速分别提高了37.93%和52.38%,进尺分别提高了117.45%以及86.87%。研究结果为适用于砾岩地层钻井的混合布齿PDC钻头设计提供理论依据。

切削-犁削混合钻头设计及现场应用

为解决常规PDC钻头在非均质硬地层使用寿命短、机械钻速低的问题,设计并加工了一种切削-犁削混合钻头。新型钻头以PDC复合片作为主要工作元件,以锥形PDC齿作为次要工作元件,形成混合切削结构,具有切削和犁削双重破岩作用,提高了PDC钻头在非均质性硬地层中的抗冲击性能和破岩效率。现场试验表明,切削-犁削混合钻头机械钻速对比常规PDC钻头提高了57.6%,钻头进尺对比常规PDC钻头提高了91.6%,取得了非常好的使用效果。新型PDC钻头具有机械钻速高、寿命长、进尺多等特点,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。

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。

自振空化射流钻头喷嘴研制及现场试验

在风琴管谐振腔模型的基础上,给出了自振空化喷嘴的设计模式。用硬质合金为主要材料研制出了石油钻井用自振空化射流喷嘴。现场试验表明,自振空化喷嘴钻头与普通中长喷嘴钻头相比,钻井速度提高10.5%～49.3%,平均机械钻速提高31.2%,钻头进尺也相应增加29.1%。自振空化射流喷嘴具有广泛的应用前景。

牙轮钻头损坏分析及应对措施

大庆油田徐家围子地区深部地层岩石可钻性差、研磨性强、硬度高,在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层,钻井难度大,严重地影响钻头和钻具使用寿命;统计分析表明,该地区牙轮钻头损坏的主要表现为齿磨、掉齿、断齿、牙轮卡死和外径磨损等。据此提出了一系列应对措施:大力改进了硬质合金齿材料,开发新齿形的硬质合金齿;采用复合齿与稀土齿混装以增加抗研磨和冲击能力;改进相应配套钻井措施等。