钻井利器的故事之“井下动力钻具”

钻井是能源矿产勘探开发最直接的工程技术手段,井下动力钻具作为破碎地层岩土的有利器具,或直接驱动钻头形成滑动钻进,或与顶驱(或转盘)的回转共同组合驱动钻头形成复合钻进,具有降耗增速、减小井下事故风险等优点。为促使井下动力钻具被更多技术人员了解和认识,物尽其用充分发挥其钻井优势并利用技术特点开发新功能、新器具,本文从科普的角度介绍了井下动力钻具的用途、主要种类、工作原理及发展历程,并综合对比不同井下动力钻具的优劣势。最后,结合深井、超深井等钻井新形势对钻探器具、工艺等的新要求,以及材料、测控、智能化等新科技的在钻井工程中的应用趋势,指出了当前主流井下动力钻具的更新换代、技术革新的发展方向。

2023年探矿工程十大新闻

1我国第一口万米深地科探井开钻2023年5月30日,我国第一口万米科探井——深地塔科1井在新疆塔里木盆地开钻。这标志着我国向地球深部探测技术系列取得新的重大突破,钻探能力开启“万米时代”,将为我国未来的科学研究和油气资源开发提供重要的基础和支持。

复合钻井用新型金刚石钻头研制及现场试验

针对复合钻井钻头转速高、井下动力钻具的输出扭矩受限制的特点,研制了一种尖圆混合布齿、低扭矩的新型金刚石钻头。现场试验证明,新型金刚石钻头扭矩小,寿命长,在相近条件下,比邻井常规金刚石钻头的机械钻速提高30.1%～36.2%,能更好地适应复合钻井的需要。

螺杆钻具传动轴力学特性评价

传动轴是螺杆钻具中的关键零部件,也是易失效件之一。针对传动轴常见失效特征,结合常用工况,进行了力学分析和有限元计算。通过大量的数值计算,完成了扭矩、轴向力、侧向载荷、几何边界等相关因素对传动轴力学特性影响的定量评价,可以较好地指导传动轴总成的设计与使用。

自适应钻头与井下动力钻具研究进展

深井、超深井勘探开发不断深入,所面临的地层条件越来越复杂,钻井过程中钻具会出现粘滑振动、跳钻、突然回转等问题,导致钻头崩齿、钻具扭转变形,影响钻头的使用寿命,降低钻井速度。对此,新型自适应钻头和井下动力钻具被研发出并得到应用。介绍了TerrAdapt钻头、Cruzer钻头、Tektonic钻头等自适应钻头,以及Navi-Drill马达、Rival PDM马达等井下动力钻具的研究进展。这些新技术的应用推动了钻井的智能化发展,并且降低了石油开采的成本。

螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究

为提高石油钻井破岩效率,将螺杆高速旋转与冲击器高频冲击相结合,设计了一种螺杆钻具驱动的新型机械式旋冲钻井工具。在设计旋冲钻井工具结构的基础上,建立了直井中单次冲击功、冲击频率等关键参数的计算模型,并进行了实例计算分析。计算结果表明,直井中单次冲击功仅是凸轮推程和钻压的函数,当钻柱结构确定且存在一定长度(大于500m)的Ф127.0mm钻杆时,单次冲击功与钻压成正比关系,改变钻压可实时调整冲击功。工程样机测试表明,该工具结构设计合理,能够实现螺杆驱动钻头高速旋转和高频冲击,进一步提高工具的耐磨性能后具有良好的应用前景。

浅谈滑动导向钻井过程中钻具的选择与配置

对滑动导向钻井过程中常用钻具在使用过程中表现出的特点进行了总结,得出牙轮钻头造斜效果较好,定向施工过程中工具面稳定,PDC钻头造斜效果相对较差,工具面不易稳定,且稳斜过程方位飘动严重;动力钻具上部及本体的稳定器关系到造斜效果、稳斜效果及钻进摩阻,配置时需要根据现场条件进行选择;在能满足造斜率要求的情况下,一般应尽量使用弯角较小的动力钻具;无磁钻铤应尽量安装在靠近钻头位置的结论.

大度数可复合钻进动力钻具的研究与应用

为了保证墨西哥EPC油田施工井的井身轨迹质量,提高钻井效率,并有效避免井下事故的发生,研究开发了大度数可复合钻进动力钻具技术。在充分认识施工难点的基础上,研究了大度数可复合钻进动力钻具的结构及性能特点,并优选了高效PDC钻头型号。现场5口井的试验结果表明,采用大度数可复合钻进动力钻具技术完成斜井段施工仅需要1趟钻,比试验前平均每口井节约82.2 h;该技术可以大大缩短钻井周期,提高钻井时效,从而节约钻井成本,同时也说明该技术对该地区同类型井的施工有较高的推广应用价值。

井下全金属非圆齿轮动力钻具设计与可行性研究

高温高压井下动力钻具受高温的影响,其所含的橡胶等不耐高温件的寿命会大大降低,进而严重影响井下动力钻具的性能和使用寿命。而全金属非圆齿轮钻具作为一种新型的全金属容积式动力钻具对温度的变化并不敏感,十分适合高温井下工况,具有良好的发展前景。本文介绍了非圆行星齿轮马达的基本原理和特性,调研了国内外非圆行星齿轮马达的发展现状,分析了非圆行星齿轮液压马达节曲线的设计和使用寿命等关键技术。在此基础上,开展了行星马达应用于井下动力钻具的可行性研究,研制了非圆齿轮动力钻具原理样机,提出了该钻具的研发建议与方向。并通过流体力学对该钻具的端面泄漏量进行了分析,得出了对端面泄漏量影响最大的因素为端面间隙的大小,然后对改进前后的结构分别进行了有限元分析,得出改进后结构的端面间隙为+0.11~0.18μm,远小于改进前的端面间隙-0.13μm,验证了该结构的可行性。

基于功率信号的钻锪刀具监测及其系统开发

刀具切削状态直接影响了加工质量与效率,在柔性制造和计算机集成制造生产线中,监测设备常以功率阈值的方式判断刀具加工状态。而在实际加工中,如切削参数发生改变,则需要对各工序重新设定阈值参数,且无法适用于变切削加工过程。为解决这一问题,提出在功率监测法的基础上,利用自适应神经模糊系统与支持向量回归建立功率与加工参数之间的模型,计算标准切削功率,并与实际切削功率进行实时对比分析,从而判断刀具加工状态并执行换刀策略。最后,在西门子840Dsl数控系统中进行二次开发,完成了刀具状态监测系统的开发并应用于实际生产加工中,验证了所提方法的有效性。

适应单弯滑动导向钻进的新型动力钻具优化设计

单弯导向钻具组合在钻井过程中要承受一个周期性的弯扭载荷,因此,其传动轴、联接扣易发生疲劳破坏、而马达的寿命较低,这在一定程度上限制了该钻具组合的推广应用。在分析产生上述问题的基础上,采取轴体防断措施,并对马达进行了改进,大幅度提高了动力钻具的使用寿命及安全系数。

基于PIC单片机的随钻声波测井仪电源管理设计

为了保证随钻声波测井仪在井下长时间高效率工作,需要对电源管理板进行高效管理;根据随钻声波测井仪电子系统的供电特点设计了电源管理控制电路,低功耗微处理器PIC单片机根据随钻测量系统的指令对电源电路开关阵列进行控制,通过CAN-UART对主控板进行工作参数下发,利用实时钟电路提供的时间信息完成对井深和井下存储数据的映射,实现对随钻测井仪间歇式定时工作目的;实验测试结果表明,电源控制电路功耗为0.116 W,开关通断时间为微秒级,输出电压稳定;经实际应用满足了随钻声波测井仪的实际工作需求。

磁力冲击电锤钻的仿真模型

文章对永久磁铁性能进行分析,然后通过分析磁力计算模型,并以电锤钻为研究对象,以磁力冲击原理为理论基础,进行新型电锤钻的设计。并进行了基于磁力计算模型简化计算的仿真分析,对磁力冲击转换机构的设计模型及响应快速性和平稳性进行了讨论。

膨胀管技术在塔河油田T816KCH2井的应用

老井侧钻是降低油气开采成本的有效途径之一。塔河油田受井眼尺寸、避水要求、不稳定泥岩、复杂压力体系等原因影响,侧钻难度极大。在T816KCH2井试验了膨胀管技术,对T816KCH2井膨胀管方案进行了充分的论证,并进行了现场试验。采用Ф139.7 mm膨胀管封固上部不稳定地层和压力体系,膨胀后内径可达Ф134 mm,采用Ф130 mm钻头钻进,顺利完钻。膨胀管钻井技术在T816KCH2井的成功应用对塔河油田老井改造具有重大意义。

动力猫道技术国内外现状和发展趋势

随着机械化自动化技术在石油钻机行业的应用,我国石油钻机制造技术得到了较快的发展,但对钻机外围配套设备的自动化问题研究和投入明显不足。目前我国钻机的钻具排放和上、下钻台的操作还停留在20世纪60~70年代的水平,这与钻机整体技术的发展水平不相适应。介绍了国内外各种动力猫道技术水平和未来的发展趋势,并对我国进行相关研究提出了建议。

正安页岩气水平井优快钻井难点与对策

在正安区域地层特征及已钻井情况分析基础上,阐述了该地区水平井优快钻井技术难题,通过个性化高效PDC钻头、高扭长寿命动力钻具、钻井参数优化技术、减摩降扭工具、近钻头地质导向技术及治漏防塌钻井液技术的研究与优化,提出了针对性的解决方案。通过相关技术的应用,有望进步一提高该区水平井机械钻速、缩短钻井周期,实现优快钻井。

复合动力钻进工艺在干热岩钻井中的应用研究

2011年山东省地矿局在山东省利津县实施了国内第一个干热岩调查评价项目,采用转盘回转钻进,但钻效低、能耗高。为提高在高温硬岩条件下的钻进效率、缩短钻井周期、降低生产成本,2015年在福建省漳州市实施的中国地质调查局东南沿海深部地热HDR-1干热岩科学钻探工程井(井深4000.86 m,孔底温度109℃)和2017年在青海省共和县完成的GR1干热岩科学勘探井(井深3705 m,孔底温度236℃),在施工中均探索使用了“转盘+螺杆钻具”复合钻进工艺,并在高温取心段首次测试应用了“转盘+涡轮钻具”复合取心钻进工艺,取得了良好的效果并就下一步研究方向提出了意见和建议,为螺杆钻具和涡轮钻具的深入研究提供了宝贵的高温施工经验,也将为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供新的技术支撑。

螺杆钻具在深部矿床钻探中应用初探

文章介绍了螺杆钻具的研究和应用现状,分析了螺杆钻具在深部固体矿床钻探应用的必要性和可行性,提出了将螺杆马达组合钻具引进深部固体矿床钻探的新构想。

钻进式井壁取心器地面变频电源的研制

为了解决最初定型的钻进式井壁取心器在油田测井实验过程中出现的卡钻问题,根据变频调速的原理设计了变频电源系统。在现场试验及应用中,变频电源系统很好地完成了对仪器的控制,解决了钻头卡钻这个技术难题,提高了钻进式井壁取心测井作业的时效。

桃2区块水平井钻井技术研究

钻具结构的合理选择,井身剖面的优化,钻井参数合理调整,井下动力工具和钻头的优先选择是快速钻进的前提,在桃2区块连续两口井实现快速钻井,主要是通过桃2区块井成功的施工经验,为以后桃2区块水平井的施工提供经验和教训。