Limit analysis of extended reach drilling in South China Sea

Extended reach wells （ERWs）, especially horizontal extended reach well with a high HD （horizontal displacement） to TVD （true vertical depth） ratio, represent a frontier technology and challenge the drilling limitations. Oil and gas reservoir in beaches or lakes and offshore can be effectively exploited by using extended reach drilling （ERD） technology. This paper focuses on the difficult technological problems encountered during exploiting the Liuhua 11-1 oil field in the South China Sea, China. Emphasis is on investigating the key subjects including prediction and control of open hole limit extension in offshore ERD, prediction of casing wear and its prevention and torque reduction, φ244.5mm casing running with floating collars to control drag force, and steerable drilling modes. The basic concept of limit extension in ERD is presented and the prediction method for open hole limit extension is given in this paper. A set of advanced drilling mechanics and control technology has been established and its practical results are verified by field cases. All those efforts may be significant for further investigating and practicing ERD limit theory and control technology in the future.

水平井尾管完井与钻井一体化设计控制技术

针对水平井尾管导向钻井技术存在的钻机旋转系统负载大、地面扭矩传动效率低、使用与维护成本高等问题,提出了水平井双管柱尾管差速旋转钻进新方法,揭示了相应的技术原理,设计了双管柱差速旋转传动、复合旋转导向及悬挂器等井下专用工具,优化了相关工艺流程;提出了导向钻具组合工具面控制方法,建立了水平井双管柱尾管差速旋转钻进延伸极限计算模型。结果表明:水平井双管柱尾管差速旋转钻进技术配备常规随钻测量仪器和螺杆钻具,通过调节钻柱转速可以控制导向钻具组合的工具面,实现了水平井双管柱尾管差速旋转导向钻进;基于鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气水平井工程案例计算水平井双管柱钻进延伸极限,与常规尾管钻井方式相比,采用双管柱尾管差速旋转钻进方式显著增大了水平井延伸极限,为水平井尾管完井与钻井一体化设计控制提供了参考。

膨胀管技术的应用研究初探

膨胀管技术被称为二十一世纪钻井、完井方面最具革命性的技术 ,对膨胀管技术在钻井、完井、采油、修井方面的应用和膨胀原理进行了初步研究 ,认为膨胀管技术在理论上和工艺上是可行的。

斜直井眼中管柱变形参数仿真实验

根据物理相似原理 ,设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置 ,利用该装置对管柱在斜直井眼中的钻压传递规律、位移与载荷的关系以及临界屈曲载荷进行了研究。通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力、无因次摩擦系数和无因次轴力分布系数的值 ,对管柱在斜直井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行了模拟实验。由钻压传递、位移及载荷的实验结果与理论计算曲线相比较得知 ,两者之间的最大差值不超过 10 % ,理论临界屈曲载荷与实验求得的临界屈曲载荷之差不超过 6%。其结果可为修正理论模型提供依据。

深水导管喷射安装过程中管柱力学分析

根据深水导管喷射安装作业特点,建立了该过程中的管柱静力学模型,并应用加权残值法进行了求解,得出了在考虑环境载荷、钻柱结构及钻井船偏移等因素影响下的管柱变形和应力分布规律。研究结果表明,中深层海流对管柱变形影响最大,合理设计钻柱结构和控制钻井船偏移是保证深水导管垂直安装和钻柱抗拉强度安全的关键。深水管柱的弯曲正应力在钻柱的上下两端作用明显,进行钻柱强度设计时,必须考虑管柱横向变形引起的弯曲正应力,提出了相适应的钻柱结构优化方案。作业初期,钻井船向海流负方向适当偏移,有利于控制导管的入泥倾角;遇阻活动管串时,钻井船向海流正方向适当偏移,能够有效地降低钻柱危险截面上的最大拉应力。

四川盆地元坝气田超深水平井井身结构优化与应用技术

四川盆地元坝气田具有超深、高含硫、高压特性,地质环境异常复杂。为此,在充分总结前期探井和开发评价井经验教训的基础上,从完井方式入手,综合考虑地层3个压力剖面、必封点、邻井井下复杂情况、完井方案及钻井成本等因素,采用自中间向两边推导的井身结构设计方法,优化确定出了元坝气田超深水平井的5层套管层序的井身结构。生产套管封隔器坐封位置以上采用高抗硫材质,封隔器坐封位置以下采用国产高镍基抗蚀合金套管,既满足了高含硫气田的长期安全生产,又减少了镍基合金套管的使用量,降低了开发成本。该井身结构在实际生产应用中,有利于气体钻井安全、高效、连续施工,将高压、易塌的陆相地层和海相地层分开,用厚壁套管封固膏盐层,将低压的上二叠统长兴组与其上部的海相高压地层分开,大幅度减少了复杂故障处理时间,有效保护了储层;同时,新完成的超深开发水平井与先期4口开发评价水平井相比,平均钻井周期减少130.3 d,大幅度提高了钻井技术经济指标。

一种抗疲劳钎杆的理论与实验研究

基于有限寿命设计原理,运用波动力学、冲击钻进动力学,分析了钎杆抗断性能及其疲劳寿命影响因素,提出了具有低应力、高抗断阻力特性的薄壁管式钎杆结构·薄壁管式钎杆,以不增加钎钢消耗量为前提,通过显著增大钎杆外圆直径,达到提高钎杆抗断性能、降低钎杆循环应力水平的目的·同时,结合材料的S-N曲线和钎杆的理论载荷谱,运用电算程序,预估了新型结构钎杆的抗疲劳寿命·工业考核表明,薄壁管式钎杆的疲劳寿命达到1200m,比国产传统钎杆提高近70%·

考虑剪力环、泥皮和防腐涂层作用的钢管复合桩推出试验研究

依托港珠澳大桥建设,开展5组钢管复合桩推出试验,其中2组试件设有剪力环,研究钢管内置剪力环、泥皮和防腐涂层对钢管复合桩黏结-滑移性能的影响规律。试验结果表明:考虑剪力环、泥皮和防腐涂层作用的钢管复合桩的平均黏结强度为0.242~0.404MPa;剪力环、泥皮和防腐涂层的存在显著影响了其黏结-滑移性能;剪力环明显改善了钢管的受力和变形,同时增强了钢管与核心混凝土之间的联结,使钢管复合桩的平均黏结强度提高67%,而泥皮和防腐涂层使两者间的黏结强度降低;当剪力环间距为1D(D为桩径)时,泥皮和防腐涂层对钢管复合桩的不利影响可不计,钢管与混凝土两者黏结可靠;在泥皮和防腐涂层作用的条件下,剪力环试件的界面黏结应力沿轴向降低,无剪力环试件界面黏结力沿轴向变化不明显。

武汉青山长江公路大桥主桥施工方案

武汉青山长江公路大桥主桥为主跨938 m的双塔双索面全飘浮体系斜拉桥,主墩采用钻孔灌注桩基础、哑铃形承台,桥塔采用A形混凝土结构,主跨主梁采用整体式钢箱梁、边跨主梁采用钢-混凝土结合梁。针对该桥结构特点及水文、地质条件,南主墩钻孔桩采用“吹填筑岛+旋挖钻机”方案施工、承台采用锁口钢管桩围堰方案施工;北主墩基础采用双壁钢套箱围堰平台一体法施工;塔柱采用液压爬模分节施工,在两塔肢间设13道临时横撑,并采用新型超高压地泵和特制超高压泵管一次将混凝土泵送到位;边跨结合梁采用先顶推架设钢槽梁,再安装预制混凝土桥面板,最后浇筑湿接缝的方案施工;主跨钢梁采用500 t架梁吊机悬臂架设方案施工;主跨合龙段采用顶推辅助合龙方案施工。

BINGO9000半潜式钻井平台疲劳强度分析

本文对BINGO9000半潜式钻井平台进行了疲劳强度分析。首先 ,建立了该平台整体三维有限元模型 ,结合北海波浪长期分布资料 ,计算了72种波浪载荷工况下的整体结构应力 ,为管节点结构局部应力分析提供边界条件。其次 ,建立了管节点结构局部有限元模型进行疲劳强度分析。在计算管节点结构应力范围时 ,本文应用热点应力法 ,并根据DNV规范提供的S -N曲线 ,以及Miner线性疲劳累积损伤准则计算出管节点结构的疲劳寿命。本文最后给出了一些有意义的结论 。

可膨胀管旋转膨胀系统设计研究

早期的膨胀锥在应用于实体管膨胀时,不但需要较大的轴向力,而且存在套管膨胀后的轴向尺寸会有较大的减小等难题。文章根据旋转膨胀系统结构中滚轮上所受的压力、滚轮轴强度、所需的液体压力及活塞直径等参数,从保证套管能被顺利膨胀出发,结合工程实际,建立了力学分析模型,并设计了旋转膨胀系统的具体结构,对主要零件及主要参数(本体、活塞、滚轮轴、滚轮等)进行了强度设计和尺寸设计。所设计的整套膨胀系统在钻压作用下沿轴向有一位移,同时限压阀因为压力降低而复位,液体压力再次逐渐升高,这样就完成了一个周期动作。上面的动作周而复始,形成了一个连续的膨胀过程,从而完成对套管的膨胀作业。

深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展

深水钻井作业主要包括导管喷射安装、表层套管井段钻井、水下防喷器组和深水钻井隔水管安装及后续钻井等4个主要作业环节,涉及导管、钻井隔水管、送入管柱等3类管柱系统。与陆地及浅水近海钻井不同,由于深水钻井工况的独特性,管柱在作业过程中产生复杂的力学行为,严重影响深水钻井的安全高效作业。因此,开展深水钻井管柱力学与设计控制技术研究,对于推动深水钻井科技进步具有重要意义。深水导管喷射安装技术是适应深水钻井的特殊要求而发展起来的一种浅层作业技术,也是深水钻井作业程序的第一步。作业过程涉及导管和送入管柱2类管柱系统,主要目的在于建立安全稳定的水下井口,为后续的钻井作业奠定基础。例如送入管柱的力学行为分析与优化设计研究、水下井口的管土相互作用与导管承载能力研究等,对实现水下井口安全稳定的目标具有重要意义。本文从工程应用与技术研发2个方面,对涉及其中的送入管柱强度设计与校核、导管喷射安装工艺和导管承载能力等3个方面的研究进展进行了综述与展望。认为深水导管喷射安装的未来研究将侧重于极限工况下导管的入泥深度与承载力计算、喷射钻进参数优化、导管喷射安装风险评估与可靠性预测,以及深水导管喷射安装模拟实验等内容。深水钻井隔水管是连接浮式钻井平台与水下井口的重要设备,可提供钻井液循环通道、支持辅助管线、引导钻具、下放与回收防喷器组等。深水钻井隔水管在整个钻井作业过程中涉及安装、正常钻进、回收与紧急撤离等作业过程。由于波流联合作用力的动态效应,深水钻井隔水管在服役期间会产生轴向拉伸、横向弯曲、耦合振动等一系列复杂力学行为,给深水钻井安全作业带来巨大挑战。因此,对深水钻井隔水管力学行为进行研究,确保其安全可靠性,是深水钻井研究的关键问题之一。本文着眼于深水钻井隔水管的顶张力控制、纵横弯曲变形、横向振动特性、纵向振动特性、耦合振动特性及涡激振动特性等主要力学问题,从载荷计算、控制方程、边界条件及求解方法等方面入手,总结了深水钻井隔水管系统在力学与设计控制技术方面取得的新进展,对目前研究中仍然存在的问题进行了剖析和探讨。研究认为在以后的工作中,应在深水钻井隔水管安装作业窗口分析预测、隔水管涡激振动响应与抑制、隔水管疲劳寿命计算与评估,以及隔水管力学行为模拟实验等方面加强研究。在深水井筒整个寿命期间,最大限度地使井筒中地层流体处于有效控制的安全运行状态,防止浅层气和浅水流入侵,提高固井质量,避免水下套管柱变形甚至挤毁等,对于提高深水油气井筒的完整性具有重要的实际意义。本文以深水井筒的温度分布规律、套管环空压力变化及套管应力分布等研究为主,对深水井筒完整性预测和预防研究进行了综述,主要内容包括地层非稳态传热、套管环空循环温度分布、密闭环空内流体升温膨胀引起的附加载荷和预防措施、多层套管柱环空压力计算、套管—水泥环—地层系统热力耦合响应等。分析认为充分考虑深水钻井特殊工艺与环境约束条件、建立适用于深水井身结构与套管柱优化设计方法、开展深水井筒完整性风险评估与设计控制技术研发将是未来关注的重点。开展深水钻井管柱力学模拟实验研究,获取相关的有效数据,对于提高深水管柱力学与设计控制研究水平具有必要性。本文建立了"深水管柱力学模拟实验系统",并对其结构组成、操作方法、技术参数及主要功能等进行了详细说明,介绍了深水钻井隔水管力学行为模拟实验与疲劳寿命测试方面取得的新进展。本文对深水导管喷射安装技术、深水钻井隔水管系统力学与设计控制技术以及深水井筒完整性预测和预防研究等方面的新进展进行了综述和展望,对指导今后的深水钻井管柱力学与设计控制技术研究具有参考价值。

考虑剪力环、泥皮和防腐涂层作用的钢管复合桩工作性能模型试验研究

依托港珠澳大桥建设,通过5组不同组合的钢管复合桩模型试验,其中2组试件设有剪力环,开展了内置剪力环、泥皮和防腐涂层对钢管复合桩工作性能影响的研究,比较和分析试件的荷载-变形曲线、截面变形规律、钢管与剪力环变形等。试验结果表明,剪力环、泥皮和防腐涂层对钢管复合桩的工作性能具有一定的影响;泥皮和防腐涂层使钢管复合桩的黏结强度降低,而剪力环加强了钢管与核心混凝土的联结,钢管的受力及变形显著增加。在泥皮、防腐涂层和剪力环共同作用下,桩截面变形呈"倒v"或"m"型,不再满足经典力学的平截面变形假定。在泥皮、防腐涂层和剪力环间距S≤2D(D为桩径)的条件下,剪力环的嵌固作用可以完全克服泥皮和防腐涂层的不利影响。在试验结果研究的基础上,进一步探讨泥皮、防腐涂层和剪力环不同组合下钢管复合桩的刚度计算问题,并给出了在弹性阶段范围内钢管复合桩刚度计算公式,泥皮(厚度0.1 mm)和防腐涂层使其刚度降低,剪力环则使其增加。其研究结果可为钢管复合桩基工程设计提供重要的参考。

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程,取得了许多重要的研究成果,并主要在油气井工程中获应用实效.然而,由于井眼约束和作业工况的复杂性,目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为,导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题.本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络,重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程,然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题,包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等,分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等,并在一定程度上进行了总结与展望,以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.

钢管复合桩承载特性模型试验研究

为研究钢管复合桩的承载性能,进行了剪力环、泥皮和防腐涂层共同作用下的钢管复合桩和钢筋混凝土桩室内模型试验,对比分析了试件的荷载-变形曲线、钢管变形等参数,并采用分解分析法对钢管复合桩的套箍效应进行了分析.试验及计算结果表明,钢管复合桩承载性能较钢筋混凝土桩显著提高,套箍效应使得钢管复合桩承载力较空钢管和钢筋混凝土桩承载之和提高9.8%,混凝土抗剪强度提高了1.2倍;钢管对核心混凝土产生的紧箍作用沿界面长度增大,且随荷载的增加而增大;在防腐涂层、泥皮和剪力环(间距90 cm)共同作用下,钢管套箍效应带来的混凝土紧箍力最大值可达2.32 MPa;规范ACI(2005)适合于泥皮、防腐涂层和剪力环共同作用时钢管复合桩极限承载力的计算.

可膨胀管工艺

可膨胀管 (SET)工艺是国外开发的一项新技术 ,采用膨胀锥通过钢管就地膨胀 ,从而使钢管内径减小最少。它可以广泛地用于深水、深井、大位移井、分支井等的钻井和完井 ,还可用于采油、修井等作业中。文中在简要介绍膨胀系统的基础上 ,主要介绍了裸眼可膨胀尾管 (OHL)系统、套管井可膨胀尾管 (CHL)系统、可膨胀尾管悬挂器 (ELH) ,最后概述了其现场应用。利用可膨胀管工艺 ,可以最大程度地降低钻井和采油成本 ,提高产量。

漂、卵石层大直径钻孔碎岩技术应用研究

结合长春市某桥梁钻孔灌注桩基础施工实例,介绍了大漂石和卵石地层的筒钻法钻进原理、潜孔锤钻进工艺、岩心聚能爆破工艺、以及筒钻回转切石工艺等。工程实践表明,筒钻法对大漂石和卵石地层钻进成孔是非常有效的,这为该类地层的顺利成孔积累了成功的经验。

钻柱力学与套管磨损预测若干研究进展

随着油气勘探开发活动向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的力学行为更加复杂,失效问题频发。针对钻柱屈曲、钻柱动态特性及套管磨损等复杂钻井力学问题,综合分析了国内外的研究进展、不足之处及未来发展趋势,介绍了笔者团队的一些相关研究成果。目前,钻柱屈曲研究基本上还停留在静力学范畴,今后有必要加强动力屈曲问题的研究;钻柱动力学的研究重点逐渐转移到多重耦合非线性振动问题,需要探讨更加高效的求解算法;现场实测的套管磨损形状非常复杂,需要建立更加准确的套管磨损预测模型。通过综合阐述这些研究进展,以期为复杂钻完井工程优化设计与安全高效作业控制提供有益参考。

塔河油田Φ177.8 mm套管开窗侧钻井技术难题与对策探讨

近年来,塔河油田为满足部分侧钻井的地质避水要求,采取从石炭系巴楚组或奥陶系上部桑塔木组泥岩段进行开窗侧钻,但泥岩在井内液体浸泡下存在易坍塌、掉块等不稳定问题,给钻井、完井带来了巨大的安全隐患。此文介绍了塔河油田φ177.8 mm套管开窗侧钻井技术现状与难题,探讨了下φ127 mm套管、膨胀波纹管、实体膨胀管封隔泥岩三种技术方案的可行性。

NB35-2油田应用膨胀坐挂定位分支井新技术实践

膨胀坐挂定位分支井技术是国家863“可控(闭环)三维轨迹钻井技术”研究课题分支井钻完井技术研究内容及关键技术。膨胀坐挂定位分支井技术具有以下特点:①采用膨胀管作为坐挂工具,操作简便;②可对老井套管起到保护作用,无需采用传统的卡瓦式坐挂工具;③膨胀管坐挂膨胀后留在井筒内的内径大,便于下入修井工具及井下作业。该项技术首次用于渤海NB35-2油田244.5mm套管井获得成功,为渤海复杂河流相沉积油藏后期调整积累了经验,对于有效降低我国海上油田开发成本具有重要意义。