Calculation of the Gas Injection Rate and Pipe String Erosion in Nitrogen Drilling Systems

Detailed information is provided for the design and construction of nitrogen drilling in a coal seam.Two prototype wells are considered.The Guo model is used to calculate the required minimum gas injection rate,while the Finnie,Sommerfeld,and Tulsa models are exploited to estimate the ensuing erosion occurring in pipe strings.The calculated minimum gas injection rates are 67.4 m^(3)/min(with water)and 49.4 m^(3)/min(without water),and the actual field of use is 90–120 m^(3)/min.The difference between the calculated injection pressure and the field value is 6.5%–15.2%(formation with water)and 0.65%–7.32%(formation without water).The results show that the Guo model can more precisely represent the situation of the no water formation in the nitrogen drilling of a coal seam.The Finnie,Sommerfeld,and Tulsa models have different sensitivities to cutting densities,particle size,impact velocity and angle,and pipe string hardness.

基于管柱动力学的特深井通井组合刚度评价方法与应用

我国特深井钻井正处于快速发展阶段,受井眼尺寸大和深度深的影响,钻井过程中极易出现微井斜、扩径缩径和井壁台阶等,导致套管下入困难,因此通井钻具组合评价尤为重要。目前,现场使用的评价方法常忽略了管柱下入过程中与井壁的碰撞和变形,导致通井效果时好时坏。为了辅助现场施工,文章基于全井管柱动力学模型和HHT-α数值计算方法提出了一种能够模拟管柱下入的动态过程的通井钻具组合的评价方法,该方法考虑了实测井眼轨迹、井眼扩大率和下入阻力等要素。通过某特深井三开下套管前的钻具组合进行实例计算分析,表明井眼扩大率和套管串下入阻力对通井能力和套管下入影响较大,当井眼扩大率较小且套管串下入阻力较大时,需要使用刚度较大的多扶正器通井钻具组合。本方法可以实现实测井况条件下比较精准的刚度对比模拟,也成功指导了案例井?486 mm套管的安全下入。

注氮气机抽防腐防垢一体化管柱的研制与应用

针对塔河油田注氮气机抽井井筒及井下工具严重腐蚀结垢,易造成抽油泵卡泵、封隔器解封困难等井下故障的问题,在现有技术的基础上,优化改进结构、技术创新,研制了一种注氮气防腐防垢机抽一体化管柱。该管柱包括注气防垢杆式泵、防腐封隔器等关键工具,注气防垢杆式泵优化改进了柱塞和泵筒的结构,泵筒上部设计注气孔、下部设计封堵筒,柱塞下部设计密封堵头,注气时柱塞下部堵头将进油通道密封,能防止高压油液倒灌进入泵腔发生腐蚀结垢,消除柱塞下放失败的风险;防腐封隔器采用新型护肩式的胶筒组件及双“O”型圈、双向支撑密封结构、分级解封机构和分体式双向卡瓦锚定结构,提高封隔器胶筒的耐腐蚀性能、降低上提解封力和保证卡瓦锚定性能。经过理论校核和室内模拟试验均满足现场需求,现场应用表明,该管柱坐封、解封及注气均正常,转采成功率100%,满足开发需求,解决了注气腐蚀结垢卡泵和封隔器解封困难的工程难题,具有很高的推广价值。

钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

储气库注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹力学分析

采用有限元方法,研究了注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹的应力强度因子K_(Ι)和J积分。首先,由于储气库注采管柱是长直圆管结构,通过建立含外表面裂纹直管的有限元模型,对其进行有限元验证。然后,基于子模型法,建立了管柱屈曲后裂纹力学计算模型,计算了屈曲后不同裂纹形状参数、裂纹相对深度和轴线夹角下的应力强度因子K_(Ι)和J积分,分析了管柱不同螺距数对K_(Ι)和J积分的影响规律。结果表明,有限元法在计算应力强度因子时精度较高,造成有限元法误差明显的主要因素是网格尺寸和裂纹前缘网格划分份数;管柱螺旋屈曲后,K_(Ι)和J积分随裂纹形状参数的增加而减小,随裂纹相对深度的增加而增大;随着注采管柱屈曲螺距数以及轴线夹角的增加,K_(Ι)和J积分均呈增长趋势,且裂纹为周向裂纹时的增长速率最大。

大跨度料场封闭结构设计问题探讨

针对大跨度料场封闭结构设计中的关键问题,对预应力管桁架弧段的模拟、节点分析、等效风荷载取值等进行了研究并给出建议。

油田分层测试工艺及数智化技术

为解决油田传统注入井分层测试工艺效率低、精度差和成本高的问题,研究了一种基于油田数智化推进发展的新技术。该技术整合了智能管柱测调技术、预制电缆以及智能配水器和封隔器等技术,实现了对注入井的分层测试过程的自动化和智能化;通过使用由智能管柱组成的多功能装置,实时监测和采集地质资料;借助可视化界面展示测试数据,增强了数据分析和管理的可视化程度;通过远程控制可实时检测和重新设定每层注水量、查看注水层位的压力和温度,以及进行封隔器密封性检测等;井口智能校准自检仪还能定期对井下仪器参数进行重新标定和校准。该技术为智能化测试技术在油田行业的应用提供了新的思路和方向。

储气库Y型井口携砂采气临界冲蚀模拟研究

目的研究储气库携砂采气过程中储气库生产通道冲蚀磨损的主要影响因素及规律。方法在辽河油田双6储气库注采井管柱结构和生产工况条件下,开展室内冲蚀模拟实验和生产通道冲蚀数值模拟研究,通过数值分析,明确采气速度、生产压力、出砂速率、出砂粒径对管柱冲蚀速率的影响规律。结合临界冲蚀理论计算结果,设计适用于出砂工况条件下储气库生产通道临界冲蚀系数取值的图版。结果出砂速度、采气速度、生产压力在管柱冲蚀中起着主要作用,实验数据与预测结果的一致性较高,管柱最大冲蚀速率与日产气量的二次幂、井筒内压力的负二次幂、出砂速率的一次幂成正比。此外,管柱变径部位的冲蚀速率随着服役时间的延长呈下降趋势,最终与管壁的冲蚀速率基本保持在相同数量级。根据构建的临界冲蚀系数取值图版,在当前储气库出砂工况条件下,为了保证储气库满足服役年限,将临界冲蚀系数(C)取值为180,进一步考虑到储气库的最大产能情况,推荐C介于175~200之间。结论通过储气库管柱冲蚀的实验模拟和数值模拟研究,建立了储气库注采井管柱的冲蚀速率模型,构建了储气库注采管柱临界冲蚀系数设计图版,有利于工程技术人员准确判断实时生产工况条件下储气库注采管柱的生产工况负荷、服役安全工况条件等,可以提供关键的实时性、安全性基础数据。

基于灰色理论的储气库管柱剩余寿命预测研究

储气库在天然气的运输和储存方面发挥着不可替代的作用。针对储气库管柱腐蚀变量众多、关系复杂,且获取数据样本困难等问题,提出了基于灰色理论的储气库管柱剩余使用寿命预测方法。首先,结合灰色理论,设计了一种可动态更新建模数据的GM(1,1)(Grey Model)模型。其次,通过中石油某地下储气库中C5井中管柱剩余壁厚的样本数据集,建立了储气库管柱定量腐蚀剩余寿命预测模型,统计预测模型的平均相对误差,并与监测数据、最小二乘预测法进行比较。结果表明:基于灰色理论的预测方法平均相对误差为0.27%,模型预测达到一级精度,可作为预测储气库管柱安全性的一种新方式。最后,使用Matlab进行软件界面设计,开发储气库管柱剩余寿命预测软件,更加直观、快捷地实现其剩余寿命定量预测,最大限度地延长管柱乃至整个储气库的寿命。

旧油管及油管柱可靠性的控制方法研究与应用

针对油管服役过程中各种失效形式的特征,依据实际情况设计了旧油管现场检测方法,开发了能够满足旧油管使用的专用密封脂,设计并制造了可溶型油管柱试压专用工具,结合现场条件,进一步规范了作业方法。并在某天然气生产区块进行规模应用。结果表明:以上现场检测方法、操作方法和两种产品实施535口井后,保证了入井油管的可靠性,同时结合开发现状,进一步延长了油管的使用寿命,节约各项成本达700万元。

石油钻井平台装备电动化进程及趋势

针对国内外电驱动管柱自动化作业装备开展技术研究,分析了美国Canrig公司钻台机器人、排管机器人、电动铁钻工、输管机器人,美国NOV公司钻台机器人及其相关自动化作业系统,法国道达尔公司巡检机器人7类产品的功能、特性等;论述了国内电动扶管手、二层台机械手、指梁、巡检机器人等技术和应用现状。通过技术对标分析得出:国内外石油钻机装备均向智能、高效、绿色化发展,钻井作业由传统人力操作逐步向自动化、智能化转变;国外装备在小体积大功率驱动、防尘防水、防爆防盐雾、多轴协同等关键技术突破方面优于国内,而其在产品多样性以及应用推广方面与国内差距明显。建议国内基于电传动系统的特点,突破传统理念,研发新型高效装备;以及在装备自主决策、故障诊断等方面加大技术攻关力度。研究结果可为我国石油钻井装备技术发展提供参考。

疏松砂岩水平井分段压裂分层开采一体化工艺研究

针对疏松砂岩具有高孔、高渗、且强度低、塑性强的特点,裂缝起裂与延伸机理较为复杂,储层非均质性强,裸眼水平井全井段单次压裂起裂位置具有不可控性。压裂充填是为了提高疏松砂岩储层产能,增强低渗层导流能力,解除近井地带污染,实现防砂、增产、调剖和控水等多重目的的有效技术手段。通过对水平井全井段单次压裂和多段压裂的产能模拟对比分析,结果表明,疏松砂岩裸眼水平井分段压裂是可行的、必要的。研制了一套适用于疏松砂岩地质的裸眼水平井分段压裂、分层开采一体化工艺管柱。该工艺管柱通过裸眼封隔器对长水平段进行封隔,每层段设置有双层复合筛管、充填滑套、生产滑套和循环滑套,其中双层筛管基管不打孔。一趟管柱下入即可实现裸眼水平井分段压裂充填防砂作业,且留井管柱保留有分层开采手段,无需后期单独下入分采管柱即可选择性隔离含水、含气储层。该工艺管柱可为海上疏松砂岩储层的高效开采、防砂控水提供新的思路和方向。

水下油管挂送入管柱系统液控球阀技术研究

水下油管挂送入管柱系统为完井作业期间的主要井控安全屏障,在出现井下安全风险时可通过控制液控球阀实现水下管柱的应急关断,也可实现剪断连续油管、电缆和钢丝等柔性措施管串后实现紧急关断,提高井控反应的时间。球阀本体总成的设计与加工制造工艺是实现液控球阀剪断柔性措施管串后密封的关键技术。针对球阀本体总成的设计结构、选材和表面措施处理的工艺,阐述液控球阀实现剪切后密封关键技术,提供了一种可行的球阀总成结构及其制造工艺方案。研究成果对水下油管挂送入管柱技术国产化研究和现场应用具有指导意义。

降低射孔爆轰伤害的超深探井测试管柱安全控制措施

国内超深探井试油采用射孔-测试联作工艺,超深井小井眼射孔易出现封隔器下部管柱及封隔器中心管弯曲和断裂等井下复杂情况。根据气体克拉柏龙方程和爆轰气体能量公式,导出射孔爆轰井底和封隔器处最大峰值压力计算公式;根据管柱力学屈曲理论和材料力学弯曲理论,导出射孔段管柱的弯曲应力计算公式;结合峰值压力下的活塞效应,导出射孔冲击载荷作用下管柱的应力计算公式,判断管柱的强度安全。根据射孔段管柱力学分析成果,采用改变管柱组合、调整工具下入顺序、加入双向减震器、分段延时射孔等技术,建立了超深探井测试管柱安全控制措施。以LX1井为例,实测了管柱震动加速度,上、下高速压力计实测上、下峰值分别为100、150 m/s^(2)和60、80 m/s^(2),相差40%~50%,说明双向减震器可以起到减震降损的作用。经多口超深井探井现场应用,验证了安全控制措施的可靠性。

海上混积岩储层酸压工艺研究与实践

BH油田是砂岩、碳酸盐岩混积低渗储层,由于其岩性分布复杂、平面上连通性差、纵向上薄互层发育等特征,投产后产能递减快,一方面常规解堵处理半径短,无法实现有效增产,另一方面由于井下存在筛管,进行加砂压裂经济性不足。针对以上两个难题,优化一趟多层投球滑套压裂管柱和多级交替注入工艺。目前酸压工艺在BH油田混积岩储层顺利完成施工,实施后日增油超70方,有效解决了混积岩储层连通性差,纵向无法充分动用的难题,为BH油田混积岩储层规模开发提供技术保障,为同类储层有效动用提供借鉴。

多层防砂管柱正反循环砾石沉积研究分析

针对中海油服一趟多层充填/压裂施工管柱工具存在的砾石流动沉积问题,开展防砂工具砾石沉积实验和流动仿真模拟研究。本文依托于防砂工具正反循环砾石沉积装置,通过模拟不同倾角、不同砂比等条件下混砂液在充填工具中的流动情况,监测混砂液在防砂工具内复杂结构的沉积形态与沉积量,分析规律优化管柱结构,为解决管内沉积造成上提管柱困难提供思路。

Y管压裂生产一体化管柱工艺及配套工具研究

针对常规压裂管柱压裂后需先起压裂管柱,再下入电潜泵生产管柱,压裂与返排间隔时间过长增加压裂液污染储层的风险,且其无法批量压裂,作业成本高等问题,研究了Y管压裂生产一体化管柱工艺。通过在Y接头内预置密封隔套的方式防止砂液进入电泵,压裂后通过钢丝作业可将密封隔套捞走,不影响后期的启泵。为了压裂时可监测环空压力同时保证电潜泵的顺利运行,研发了液控穿越隔离封隔器,该封隔器在压裂时不坐封,压裂后通过向地面的液控管线加液压完成该封隔器的坐封。通过对预置Y接头密封隔套总成进行数模和物模分析,得到该工具压裂后的打捞上提力约为2.65 kN。现场应用结果表明,该封隔器通过液控管线坐封,可减少2趟钢丝作业,缩短井口占用时间,也适用于设备不足的无人平台。研究结果可为我国海洋石油装备提供更多选择。

井下管柱渗漏导致注采气井A环空带压模拟分析研究

注采气井存在井下管柱渗漏导致A环空带压的现象,影响日常正常运行,测井工具可定位井下管柱漏点位置,但操作繁琐、成本高,有必要开展基于数值模拟的漏点参数诊断研究,定量化剖析环空带压规律。将A环空带压过程划分为气体渗漏、“气泡”膨胀、气柱聚并三个阶段,采用微元分析的思想,基于压力平衡、气液体积耦合等理论,创新建立了“气泡”膨胀阶段的数学模型。结合小孔模型形成A环空带压模拟方法,编制形成注采气井A环空带压计算模拟分析软件,通过参数假设、拟合对比可反向确定渗漏点的数量、深度、当量直径等参数。同时对渗漏点参数进行敏感性分析,研究表明渗漏点深度主要影响A环空的稳定带压值,渗漏点数量与当量直径主要影响A环空压力变化速率。现场注采气井实际运行中,若井下管柱在浅部产生多个大尺寸的渗漏点,A环空会快速产生较大的井口压力,应优先处理最上部渗漏点,避免环空压力过大导致井屏障失效。该研究为注采气井的管柱完整性评价提供了新的技术手段。

涠洲11-1-A24H1井下入一体化管柱中钻井液的优化应用

涠洲11-1-A24H1井8-1/2"井段完钻后,下入3-1/2"预充填筛管+永久式裸眼封隔器+5-1/2"尾管一体化管柱,坐封裸眼封隔器直接进行完井作业。项目三维轨迹复杂、井眼摩阻大、裸眼长黏卡风险大、控制最大遇阻量40klbs以内防止封隔器提前坐封,顺利下入一体化管柱难度很大。对于井眼清洁,井径规则和钻井液润滑要求高的特点,在组充分调研资料的基础上,大量配方实验对比,优化钻井液钻体系方案。取得了南海西部首次顺利下入钻完井一体化管柱,储层保护良好的成功应用,降本增效显著。

试油测试一体化工艺在GT1井的应用

GT1井是集团公司海上潜山构造上的一口“高温、高压”重点风险探井,针对该井储层特点、井身结构、试油测试目的及施工周期安排等,优化设计了射孔-测试-排液-酸化解堵一体化管柱,可实现射孔、测试、排液、解堵4项功能,实现了四联作工艺技术。确保探井测试成功,并取全取准测试资料。解决了海上施工周期短、污液处理难等问题,减少了地层污染,与常规试油工艺相比,缩短试油周期6 d,提高生产效率35%,生产污液回收减少260 m^(3),同时获取了原始地层压力、酸后解堵地层能量及排液后地层能量。提高了海上高温高压深井测试作业效率,降低了井控风险,保护了储层。该井的顺利完成为海上高温高压深井测试、解堵作业积累了宝贵经验,对后续探井勘探开发具有重要的指导意义。