顺北油气田二叠系火成岩钻井技术研究与应用

塔里木盆地顺北区块二叠系火成岩地层厚度大、硬度高、裂缝发育、非均质性强,导致机械钻速低与堵漏耗时长,相比邻区平均钻井周期增加达1.5倍。近几年,通过持续强化钻井液堵漏技术与优选高效钻井工艺,漏失量与堵漏时间逐步缩短,钻井指标逐年提高。本文分析了影响堵漏时间长与机械钻速低的主控因素,提出堵漏浆中加入竹纤维、变形颗粒以改善堵漏工艺技术,明确了冲击工具的适用条件,优选攻击性与抗冲击性的PDC钻头,改进混合钻头结构以及配套大扭矩、长寿命螺杆等技术对策,提速降本成效显著,为加快顺北油气田的高效勘探开发提供了指导。

Penetration and impact resistance of PDC cutters inclined at different attack angles

In order to develop a rotary percussive bit with diamond enhanced cutters assisted by high pressure water jets, it is necessary to study the damage mechanism and the penetration properties of PDC cutters subject to different impact load level and rock types. Therefore the impact experiments of the single PDC cutters with different attack angles in four rocks: black basalt, Missouri red granite, Halston limestone, and a very soft (Roubidoux) sandstone were carried out, and the effects of rake angles of PDC cutters on both the penetration and impact resistance of PDC cutters have been discussed in detail. Test results show that a PDC insert can withstand a very strong impact in compression but is easily damaged by impact shearing, the PDC cutters are more easily damaged by shearing if the attack angles are relatively small, the 45? PDC cutters have the least penetration resistance among the cutters tested. Thus it is suggested that the attack angles of PDC cutters should be larger than 30? for bits which must withstand impact from a hammer.

复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明:复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素。岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大,但钻齿所受的切削力也会同步增大;冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果,较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大;提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积,但钻齿所受的切削力也相对较大,不利于钻具寿命的延长。研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化PDC钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义。

基于三维复合冲击的延长气田钻井钻进参数自动控制技术

在钻井过程中受到多方面参数的影响,导致钻机钻速波动,为此提出三维复合冲击下延长气田钻井钻进参数自动控制技术。根据气田地层对钻压的敏感程度选择钻头,计算钻头的扭矩变化、轴承的磨损速度以及钻头磨损系数,利用PID控制算法,获得泥浆的消耗量参数、孔深参数、钻压参数、漏水状态参数、烧钻参数以及岩层的软硬变化参数所对应的电流和电压信号,得到标准的参数数据,自动调整钻速、遇到岩石层增大扭矩、降低钻压以及确认钻井的方向,实现自动控制技术。实验证明技术可有效降低钻速的大幅度波动,提升工作效率。

煤岩两用液动锤钻头的结构设计研究

为了提高煤矿井下穿层孔硬岩施工的效率,解决液动锤一趟钻实现煤岩互层钻孔的问题,设计了煤岩两用液动锤钻头,并分析了其工作原理。通过对钻头水力结构参数的计算和模拟分析,得出了可以通过调整切换阀的水力结构以及阀芯和阀座弹簧弹力匹配设计,实现对钻头功能切换所需的压力和钻头切削推力的精确控制,从而达到液动锤随钻切换冲击-切削模式的目的,实现不退钻完成煤岩互层的高效钻进。

准噶尔盆地砂岩铀矿绳索取心钻探适用性研究

20世纪90年代核工业二一六大队开始在新疆准噶尔盆地砂岩型铀矿地层开展钻探施工,一直延用普通单管取心钻进工艺,人工劳动强度高,随着钻孔深度的逐年增加,传统钻进工艺的辅助时间也大幅增加,施工周期变长,钻探生产成本随之上涨。为提高地浸砂岩铀矿钻进效率,减少600 m以深钻孔的提下钻辅助时间占比,大队在新疆准噶尔盆地东部、南缘、西部等地区砂岩型铀矿中进行了绳索取心钻探的试验,通过试验确定适宜的钻具组合和钻进参数,配备的高速离心机等固控设备使冲洗液含砂量降至2%左右,试验了液动冲击器和不同类型的PDC钻头,总结了绳索取心钻进工艺在沉积岩地层中应用的施工经验。

高研磨性硬地层钻井提速技术

川东北陆相自流井组和须家河组地层岩性致密、研磨性强,机械钻速低、钻头消耗量大,是制约该区域钻井提速的关键层段。为实现提速,各种新型井下工具得到了试验应用,但效果参差不齐。通过计算分层段岩石可钻性,推荐自流井组至须家河组采用孕镶金刚石钻头提高破岩效率;为降低硬地层和软硬交互层段钻头失效导致的钻速低问题,开展了三开井段典型钻具组合扭转和纵向振动理论分析,提出东岳庙段以浅地层采用扭力冲击器配合PDC钻头降低黏滑,珍珠冲段含砾岩层段需使用减震工具或改变钻具组合降低纵振,砂泥岩互层段需推广使用双向减震器或水力加压器降低纵振;采用高速螺杆+孕镶金刚石钻头的复合钻进,提高自流井组至须家河组大井眼定向速度。5口井现场实施后,机械钻速成倍增加、钻头新度提高30%,须家河组?311.2 mm井眼定向速度提高1.32倍。

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。

粒子冲击钻井系统研究初探

介绍了粒子冲击钻井系统的原理及优势,并对美国Particle Drilling Technologies,Inc.粒子冲击钻井系统的相关技术和现场试验情况做了论述,结合国内的研究成果,阐述了粒子冲击钻井系统的3大组成部分:粒子冲击钻井钻头、粒子注入系统和粒子回收处理系统的组成及其相应的工艺流程。粒子冲击钻井系统及相关项目的研究,为国内深井、超深井钻井速度的进一步提高提供了一种全新的思路和办法。

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中的应用

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中应用可有效提高机械钻速。在简要介绍旋冲钻井破岩机理和射流冲击器的工作原理与性能特点之后,对应用于新疆塔河工区的YSC-178射流冲击器的技术参数进行了优化,选择冲击器活塞行程15 mm,冲锤质量45 kg,分流孔直径13 mm,确定冲击功193～268 J,冲击频率6～19 Hz,压耗1～3 MPa。最后对YSC-178射流冲击器在S116-3井的应用情况进行了详细分析,指出该型射流冲击器与PDC钻头配合进行超深井钻井提速是可行的,应用井例的机械钻速较邻井显著提高。

粒子冲击钻井技术述评

为了解决提高硬地层钻井速度的钻井难题,以粒子冲击钻井系统的整个工艺流程为依据,论述了粒子冲击钻井技术的优点和缺点,阐述了其破岩机理。该方法改变了传统钻头切削地层的方式,提高了钻越硬地层的速度,但是地面设备和井下钻头还存在一些需要完善的地方。它代表着高效钻越硬地层的一个发展方向。我国东部地区和西部地区存在着广泛的基岩为火成岩的沉积盆地,粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段,目前正在迈入商业应用阶段。

新型涡轮扭力冲击器的试验研究

PDC钻头广泛应用于深部硬岩钻井中,在其钻进过程中经常出现粘滑振动现象,导致钻进效率低、钻头寿命较短,针对这一难题,研制了一种新型涡轮扭力冲击器,不仅能够通过扭转冲击技术来减轻PDC钻头的粘滑振动现象,还能够适应深孔的高温钻井环境。为了充分利用泥浆的能量,考虑使用涡轮组作为动力源,然后通过万向节和减速器进行扭矩传递,最终通过冲击组件旋转实现扭转冲击。根据这一设计思路,进行了扭力冲击器的结构设计、样机试制、测试平台搭建及性能测试等工作。测试表明,新型涡轮扭力冲击器的设计方案是可行的,其冲击频率为4~5 Hz,经过计算可得单次冲击扭力为651.45~814.28 N·m,实现了初期的设计目标。

扭转冲击提速工具在文安区块的现场应用

钻具黏滑振动现象造成PDC钻头过早失效是限制PDC钻头在深井、超深井硬地层应用的一个重要因素。针对该问题,研制了扭转提速冲击工具。该工具通过给钻头提供一定频率的扭转冲击力,从而抑制钻具黏滑振动,提高钻速。通过室内实验验证了周期性扭转冲击外载能够有效地抑制PDC钻头的黏滑效应。现场试验结果表明,使用扭转冲击提速工具后的机械钻速提高了102%。该研究为扭转冲击提速工具在钻井过程中的合理应用提供了理论依据。

粒子冲击钻井钻头内流道冲蚀特性研究

粒子钻头喷嘴及内流道水力参数设计、冲蚀规律及防冲蚀和耐磨损研究对粒子冲击钻井技术的成败至关重要。通过理论分析、数值模拟及试验研究相结合的方法,设计了粒子钻井用射流喷嘴及流道结构,研究了粒子钻头内流道冲蚀特性,并提出了粒子钻头内流道防冲蚀和耐磨措施。研究结果表明,粒子钻头采用等径12 mm锥直型双喷嘴组合,内流道收敛段和加速直线段长度分别为37和60 mm,喷嘴入口直径25 mm,收缩角半角10°;粒子钻头内流道由于过流断面突变存在多个低压漩涡区,可能导致内流道空蚀磨损,而冲蚀磨损主要在内流道底部,可通过倒角直径变大和内流道镀镍表面强化处理措施解决;钻头内流道最大冲蚀磨损率不到1%,冲蚀磨损较轻,说明内流道结构设计合理。

塔里木山前地区超深井钻井提速技术研究

塔里木山前地区地质条件复杂,钻井速度慢。通过优化井身结构,优选钻头,应用扭力冲击器+PDC钻头提速技术、涡轮+孕镶金刚石钻头复合钻井技术、防斜打快技术、BH-WEI钻井液体系,形成一套钻井提速配套技术。提速技术应用的9口井中,井身质量合格率100%,井斜小于0.5°,平均机械钻速1.5 m/h,较之前提高46%,平均单只进尺提高4.54倍,平均钻井周期206 d,较之前缩短27.8%,复杂时率为1.7%,较之前降低57.5%。结果表明,钻井提速配套技术能够大幅度提高机械钻速,可缩短钻井周期。

高频液力扭转冲击钻井提速工具设计与分析

PDC钻头钻遇中硬及软硬交替地层时极易产生黏滑现象,导致钻柱扭转振荡、钻进过程不稳定,机械钻速急剧下降。为解决上述难题,设计一种高频液力扭转冲击钻井提速工具。该设备主要由扭转冲击元件、承载连接元件及相应附件组成,通过内部流道产生的节流压差驱动扭转冲击元件产生高频往复的冲击扭矩,减弱或消除黏滑振动对钻头使用寿命的影响。地面试验和现场应用结果表明:该工具通过水力循环可稳定输出高频冲击扭矩,在桃2-4-18A井、坨203井、延491井进行了现场应用,与邻井相比机械钻速平均提高30%以上。该设备具有较好的市场应用前景且为深井、超深井钻井提速降本增效提供了技术支撑。

复合冲击钻具的研制及现场试验

为了进一步提高硬地层的机械钻速,同时控制PDC钻头的黏滑振动,将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合,研制了同时给PDC钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击的复合冲击钻具。通过地面试验验证了复合冲击钻具的可行性并测试了其性能,结果表明,复合冲击钻具能实现轴向冲击和扭转冲击功能,冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大,随喷嘴直径增大而减小。在葡4-32井的现场试验结果表明:使用复合冲击钻具后,与邻井"螺杆+PDC钻头"复合钻井相比,机械钻速提高了60.2%;试验过程中,PDC钻头未出现黏滑振动和崩齿现象。研究结果表明,复合冲击钻具能提高硬地层机械钻速,并能控制PDC钻头的黏滑振动,起到保护PDC钻头的作用。

空气锤钻头断落打捞机构

空气锤钻井技术的高效、高质量钻井效果在川东北探区须家河组以上陆相地层得到广泛的认同。但是,空气锤、特别是配套冲击钻头断脱导致的井下事故时有发生,影响因素极为复杂。研究空气锤配套钻头颈部断落机理,分析几种石油矿场用空气锤钻头打捞机构的特点,并设计钻头断落打捞机构是进一步发挥空气锤钻井效率的保证。

液压在PDC高效破岩测试系统中的应用与研究

随着深井、超深井逐步成为油气开采的一种趋势,提高破岩效率、钻进速度至关重要。为了提高PDC钻头在层理岩层的破岩效率,分别设计伺服液压夹持系统,液压钻进系统,液压高速旋转系统,高频径向冲击系统和高频轴向冲击系统,对钻杆在不同钻压、不同转速、不同冲击频率、不同冲击力下,对破岩效率、钻进速度进行了规律研究。

冲击-回转钻进工艺在超硬岩层中的应用

阐述了冲击-回转钻进工艺的原理,分析了影响其钻进效率的几个工艺参数,列出了选用此工艺施工所需的设备。通过气动冲击器在重庆松藻煤矿的应用,证明了在超硬岩层或复杂岩层中钻进时,采用冲击-回转钻进工艺不仅效率高,而且成本更低。