煤层气水平井钻柱摩阻计算与优化

煤层气的开发方式主要分为多分支水平井和从式水平井,由于两种生产方式均采用了水平井,因此钻柱在钻井过程中的摩阻和托压一直是业界关注的热点,但到目前为止,该问题仍未得到有效解决。为此,文章以大吉-吉县区块的深部煤层气水平井为例,通过对全井钻柱系统建立动力学模型和应用数值仿真方法进行水平井摩阻研究。研究结果表明:钻压对煤层气水平井造斜段的摩阻影响较大,其中小井斜造斜段的摩阻与钻压成反比,大井斜造斜段的摩阻与钻压成正比,稳斜井眼段的摩阻对钻压变化不敏感;受钻柱屈曲变形的影响,水平段钻柱摩阻上升10.2%。因水平井大井斜井眼段和水平段较长,因此煤层气水平井的总摩阻整体来讲与钻压成正比。文章通过建模和数值仿真方法,揭示了深部煤层气水平井各井段摩阻对钻压的敏感性,并可根据不同钻压条件下对井眼轨迹进行了优化,以此指导现场作业,降低井下摩阻,提高机械钻速。

古龙页岩油GY15-Q8-H1井优化二开实践与认识

松辽盆地北部古龙页岩油开发以来,受地层地质特点影响和钻井技术限制,试验区水平井均采用三层套管井身结构,2000~2500 m水平段长水平井二开Ø311.2 mm井眼一趟钻比例100%,Ø215.9 mm井眼一趟钻技术由初期的造斜段和水平段分别一趟钻,逐渐过渡为造斜段+水平段一趟钻。随着页岩油Ø215.9 mm井眼钻井技术的完善,为进一步缩短钻完井周期,降低钻井投资,综合考虑邻井气顶气、浅层气发育情况和破裂压力等情况优选在GY15-Q8-H1井进行了三开变两开和二开Ø215.9 mm井眼一趟钻应用实践。本文详细阐述了GY15-Q8-H1井优化设计过程,技术难点、风险与对策实践认识,为页岩油三开变两开钻井技术的完善,降低钻井施工复杂提供了可借鉴经验。

长水平段水平井钻进摩阻控制

长水平段水平井能够增加钻遇油层的长度和数量,提高单井油气开采量,在薄油层开发、海油陆采方面具有明显的技术优势。但由于水平段过长,钻进过程中面临着严重的摩阻问题。以胜利油田某长水平段水平井为例,采用有限元方法,从井身剖面结构参数优化、钻井作业参数优选等方面,分析其对摩阻的影响规律及其内在影响机理。研究结果表明,案例井造斜段曲率半径对长水平段水平井摩阻影响较为明显,应综合考虑地层特点、造斜率控制难度以及后期送钻能力进行合理选取;起钻过快会导致钻柱与造斜段上井壁摩擦严重,下钻时应平衡下入效率、钻柱变形和摩阻的关系,防止遇阻;复合钻进时低速区的转盘转速不会引起摩阻的明显变化。

连续油管侧钻径向水平井循环系统压耗计算模型

通过分析相同条件下高压软管段压耗实测值与已有金属直管压耗公式计算值之间的关系,提出了高压软管段压耗计算公式,经理论推导建立了完整的连续油管侧钻径向水平井循环系统压耗计算模型。利用所建压耗计算模型研究了管径、管长、泵排量和流体动力黏度等参数对循环系统各部分压耗的影响规律。结果表明:0.025 4 m(1 in)连续油管的螺旋段、直管段压耗都明显大于0.038 1 m(1.5 in)连续油管,约为后者的8～10倍;高压软管段压耗在循环系统总压耗中占有较大比重,文中算例结果为86%;相同条件下,清水加减阻剂后压耗约为清水压耗的1/2。

浅层水平井管柱摩阻与力学分析

针对浅层水平井的"浅"、直井段短、水平段长的特点和直井段的钻具重量不足以推动钻具前进与井眼延伸,管柱的受力及安全问题突出的难点,通过软件对楼平2井的管柱摩阻与力学进行分析,成功克服浅层水平井钻柱在造斜率高达(58°～65°)/100m中的大摩阻,合理优化井口大尺寸钻具倒装加压技术,保证了浅层水平井最大限度地实现地质设计目标,降低了井下管柱的复杂情况发生,使楼平2井的实钻位垂比达到2.51,对其它类似水平井的施工有着重要的指导意义。

钻进扭矩与摩阻分析及减扭措施

详细分析了大斜度定向井和水平井钻进过程中摩阻和扭矩较大的原因 ,并从井眼轨迹优化、钻具组合优化设计、钻井液设计、减扭工具的研制与应用四方面给出了减扭措施 ,在大港油田张巨河地区、港东地区的应用表明 ,该减扭措施能提高有效破岩扭矩 ,加快钻进速度。

考虑井壁摩擦随机性的钻柱动力学模型

针对新型油气资源的实际情况,为研究更为复杂地层工作环境下的钻柱动力学特性,进行井壁摩擦随机性及其对钻柱动力学的影响研究。首先结合井下实际情况,进行井壁摩擦行为描述,研究构建井壁随机场的步骤与方法。然后基于页岩气工程背景,进行水平井钻柱动力学模型分析,给出模型中各力的求解表达式,以及动力学模型的离散方法。同时,根据试验测试确定算例基本参数,将不同方法得到的结果进行对比分析,验证研究方法的准确性,然后对关键参数特性进行定量分析。研究成果可为新型油气资源开采条件下的钻柱动力学研究提供参考,也可为井下安全生产、提速增效方法与工具研究提供理论依据,对指导现场生产具有实际意义。

顺北超深水平井环保耐温低摩阻钻井液技术

为解决顺北油气田超深水平井高摩阻难题,缓解环保压力,根据润滑机理,研制了抗高温环保润滑剂(SMLUB-ET),并以SMLUB-ET为核心,形成了适用于顺北油气田超深水平井的环保耐温低摩阻钻井液体系。研究表明:SMLUB-ET抗温达180℃,极压润滑系数降低率为92. 8%,生物毒性、生物降解性、重金属含量等指标均满足环保要求;该环保耐温低摩阻钻井液体系抗温达180℃,高温流变性稳定,极压润滑系数为0. 12。现场试验显示,顺北1-16H井钻进过程中未出现黏卡、托压问题,且摩阻低,机械钻速快,表明该环保低摩阻钻井液体系具有优异的抗温稳定和润滑降摩性能。该项研究为实现顺北深层油气钻井安全、快速、环保开发提供了技术保障。

钻柱与实钻水平井眼接触形态及摩阻影响分析

水平井钻进过程中,地层结构、钻具振动、钻头侧向力、岩屑沉积等因素易导致实钻井眼轨迹发生连续小幅偏斜。该种偏斜虽不会引起实钻井眼轨迹的严重偏离,但将改变钻柱与井壁的接触形态。受现有测井方法的限制,该种偏斜常被忽略。通过理论分析与仿真,研究水平段井眼轨迹在井斜平面内连续小幅偏斜波动条件下的钻柱与井壁接触形态及其对摩阻的影响。研究认为,钻柱与偏斜波动水平井眼间易发生"悬跨"接触,该现象降低了现有解析法求解钻柱力学相关问题假设条件"钻柱与井壁连续接触"的合理性。钻柱自重和轴向力对悬跨钻柱弯曲位移及悬跨接触最大临界跨距的影响最大。悬跨接触将减小钻柱与井壁的接触面积、增大钻进摩阻。

侧钻水平井钻柱摩阻力分析

建立了考虑井壁弹性及钻柱接头影响的侧钻水平井钻柱摩阻力模型 ,给出了受弹性井壁约束钻柱的三弯矩方程及其数值解法 ;数值计算表明钻压、井身曲率、地基弹性、钻柱刚度、长度、钻柱与井壁间摩擦系数等因素都影响摩阻力的大小及分布 ,对于侧钻水平井而言 ,井身曲率的影响更为显著 ;该方法可适用中短半径水平井的摩阻力分析 ,供实际钻井作业参考。

新沙21-27H长水平段水平井钻井实践

川西新场构造蕴藏丰富的天然气资源,截至2010年底,仅新场构造沙溪庙组气藏累计提交探明储量已达600×108m3,但由于储层低孔低渗,开发效果一直欠佳。随着长水平段水平井和大型加砂压裂技术的应用,该类型气藏开发效果得到显著提升。新沙21-27H井是部署在新场构造北翼的一口以沙溪庙组为目的层的长水平段水平井,具有裸眼段长、水平段长、位移大、摩阻和扭矩大等特点。文中对该井施工的难点进行了分析,通过井眼轨迹控制措施、摩阻和扭矩监测技术以及良好的钻井液性能,并配合高效PDC钻头,大大提高了钻井效率,取得了良好效果。

大位移井减阻工具合理安放位置研究

大位移井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业的目的而得以迅速推广应用,但水平井段摩阻扭矩又成为了制约大位移井推广应用的关键因素。为了减少大位移井摩阻扭矩的目的,首先根据用测斜数据,应用3次样条函数拟合井眼轨迹。将多维井段装有减阻工具套管柱作为类连续梁,并考虑弯曲载荷的影响,综合考虑了井斜角、方位角以及套管柱自身几何参数等多因素对套管柱挠曲变形综合影响,以此建立大位移井不同井段套管柱力学模型,完善了部分国外学者计算套管柱挠度“软模型”的不足;进而给出了优化大位移井减阻工具合理安放位置理论计算方法。

长庆致密气超长水平段水基钻井液技术

2020年长庆气田在致密气井区先后完成了3口超长水平段水平井,水平段长度分别为3321、4118和4466 m,均使用水基钻井液完成施工,不断刷新亚洲陆上最长水平段记录。超长水平段给降摩减阻、钻屑清洁、泥岩防塌等工作带来极大难度,针对这些难点并结合地层岩石结构特点进行了针对性的技术攻关,形成了超长水平段井眼净化、井眼稳定等技术和CQSP-RH水基钻井液体系,现场应用效果良好,水平段井壁保持稳定,完钻钻具下放摩阻控制在500 kN左右、套管摩阻控制在350 kN以内,顺利完井。随着长庆油气田开发力度的加大,为了动用水源保护区、林区并提高单井产量,长水平段井的开发成为必然,这些井的顺利完成,为油气田的后续开发带来了极大的示范作用。

长庆油田页岩油井5000 m水平段高性能水基钻井液钻井实践

长庆页岩油井区在2019年完成亚洲陆上首口4000 m级水平段水平井的基础上,2021年施工完成了5000 m级水平段水平井,该井采用了水基钻井液技术进行施工。超长水平段水平井的关键问题是钻井液润滑性和井眼清洁,为了较好地解决这两个技术难题,以天然材料为骨架,通过基团接枝、发酵等方式进行改性,自主研发了高性能提切剂TQ-8和高效润滑剂HTZ,并以这2种处理剂为核心研制了5000 m水平段高性能水基钻井液体系。体系的主剂配方为(4%~6%)高效润滑剂HTZ+(0.5%~2%)高性能提切剂TQ-8+(0.5%~2%)泥岩抑制剂YYZ-1+(1%~2%)PAC-LV+(1%~2%)BLA-LV+(3%~4%)成膜封堵剂FDJ-1+(20%~80%)可溶性加重剂+烧碱,该体系在井眼清洁、润滑性和抗污染等方面,均比4000 m水平段水基钻井液性能更优。该技术在长庆页岩油华H90-3井进行了试验应用,下套管前的钻具摩阻为400 kN,下完套管后钩载余17 t,具备将水平段长度进一步延长的能力。

油气管道水平定向钻穿越回拖力分析

水平定向钻穿越是油气管道穿越最重要的非开挖方式,而管道回拖力的计算是选择穿越设备、校核穿越设备能力的重要基础。目前国内工程设计中采用国家标准《油气输送管道穿越工程设计规范》和行业标准《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》中推荐的公式进行计算,在国际上一般采用PRCI报告中推荐的计算方法。通过理论计算和实际工程回拖力对比,推荐采用国标公式进行最大回拖力的计算,同时对国标中摩擦系数和黏滞力系数进行验证,给出了较为确定的数值。经过实际工程的验算,与回拖结果基本相符,可以作为后续的回拖力计算使用。

水平井井眼摩阻因数的确定方法

摩阻是水平井钻井极为不利的因素之一。准确地估价摩阻力对水平井钻井与完井的设计和施工都有重要的指导作用。而在摩阻力计算中,恰当地给定摩阻因数非常重要,文中在所建立的摩阻力理论模型的基础上,编制了确定井眼实际摩阻因数和由设计轨道模拟实钻井眼轨迹计算软件。通过水平井钻井实测数据,确定不同摩阻性能井段的井眼实际摩阻因数,并采用适当提高摩阻因数的方法由设计轨道模拟实钻井眼轨迹,适当提高摩阻因数的方法是通过将同一口已钻水平井的设计轨道和实钻轨迹对应井段的摩阻力进行对比、迭代计算来完成的。由多口井数据的统计计算和分析,可得某一油田或区块的水平井设计轨道各井段的摩阻因数放大因数。

水平井钻柱摩阻力几何非线性分析研究

针对石油钻井技术的特点，探讨了编制钻柱力学有限元专用程序所遇到的问题；并在国家级重点攻关课题“水平钻井”中，首先提出引入非线性力学分析的论点。在接触非线性分析中，使用了“约束－放松法”；在几何非线性分析中，首次考虑了四次非线性对钻具弯曲应力的影响；还建立了一个方便于钻柱分析的坐标转换系统；据此编制的计算机程序，为大港油田官H1水平井提供了较为准确的力学参数预测。

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Newton迭代法 ,计算了斜直井段管柱螺旋屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响 ,提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明 ,当轴向压力较小时 ,钻杆接头引起钻柱弯曲应力 ;当轴向压力较大时 ,接头会抑制螺旋屈曲的发生 ,降低钻柱的弯曲应力。另外 ,给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。

微小井眼水平伸长影响因素研究

微小井眼钻井技术是近10年提出的一项低成本勘探开发浅层油气藏的技术。微小井眼钻井技术与水平井技术结合,在薄油藏、稠油藏、边际油藏、枯竭油藏等领域具有明显的优势。由于工艺技术及装备水平限制,微小水平井眼水平延伸能力受到多种因素的制约。分析了地面装备性能、井壁稳定因素、摩阻及产能等因素对微小井眼水平伸长的影响。结果表明,水平段伸长极限随着钻井泵额定泵压、地层破裂压力及连续油管抗弯刚度的增加而增大,而经济性产能表明水平段存在最优长度。其中,连续油管与井壁的摩阻对微小井眼水平伸长的限制较大。各影响因素决定的微小井眼最大允许水平伸长值中的最小值即为微小井眼水平段的设计长度。

钻柱在水平分支井段中的摩阻力分析

钻具摩阻力计算一直是水平多分支井钻井工艺设计与施工过程中的一个关键问题。由于水平分支井眼曲率的变化,将会使钻具的摩阻力增加,钻具的通过能力下降,严重时会导致钻头无法加压、钻柱早期破坏等复杂情况,不仅关系到安全钻井,还会增加油气井的生产成本。建立了在水平分支井眼中的钻柱摩擦阻力微分方程,并得到了在起、下钻过程中钻柱的总摩阻。