深度学习与Eaton法联合驱动的地层孔隙压力预测方法

海上深部复杂地层孔隙压力的精确预测一直以来是钻井工程面临的难题之一。针对传统Eaton法的局限性和现有数据驱动法的不足,通过构建地层压力实测点的扩充方法,构建卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)和长短期记忆网络(long short term memory, LSTM)组合模型,充分挖掘钻测录震多源数据与Eaton指数之间的复杂非线性关系,可基于区块内已钻井的有限实测地层压力数据,实现全井Eaton指数的精细预测,为新探区地层压力实测点较少且分布不均等条件下地层孔隙压力的准确预测提供有效手段。结果表明:建立的方法预测深部复杂地层孔隙压力的平均相对误差为2.70%,而传统Eaton和LSTM方法的平均相对误差分别为7.60%和5.12%;通过深度学习与Eaton法联合驱动,不但提高了深部复杂地层孔隙压力的预测精度,也为传统方法融入了多源数据响应特征,为数据驱动方法提供了理论支撑。

海上CO_(2)埋存井井筒温度压力影响因素研究

准确预测CO_(2)埋存过程中井筒温度压力场以及CO_(2)的物性参数变化对安全埋存至关重要。为此,建立了埋存井井筒温度、压力与CO_(2)物性参数的耦合计算模型,计算得到了实例井井筒温度压力分布以及CO_(2)物性参数随井深的变化规律,并对注入参数对于井筒温度压力分布影响规律进行分析。研究结果表明:井筒内CO_(2)流体的流速、努塞尔特数和对流换热系数随井深的增加而增大,密度、黏度、摩阻系数、导热系数和普朗特数随井深增加而减小,定压比热容在温度压力综合作用下有一定波动;注入温度对井筒压力和井底温度压力影响很小;注入速率增大会使相同井深处温度降低、压力升高,调节注入速率可以在对压力影响较小的同时有效调节井筒温度分布;注入压力的变化对压力梯度几乎无影响,在压力较大时对温度梯度影响较大,通过调节注入压力可以有效调节井筒压力分布。研究结果可为海上CO_(2)埋存井井筒完整性的准确评价提供理论基础。

推靠式自动垂钻系统轨迹控制能力实验评价装置及其实验方法

综合考虑影响推靠式自动垂钻系统在直井钻进时井眼轨迹变化趋势的各个因素,设计开发了推靠式自动垂钻系统轨迹控制能力实验评价装置,介绍了实验评价装置实现功能情况,装置主要结构组成及关键参数的确定情况,不同工况井眼钻进趋势影响规律模拟过程功能设计及特点。通过该实验评价装置,能够了解推靠式自动垂钻系统轨迹控制的实现过程,改变井眼趋势的原理、地质因素及钻进参数对轨迹控制效果的影响,及综合考虑各因素情况下,井眼的变化情况,可开展新型推靠式自动垂钻系统研究及攻关。该评价实验装置为加深自动导向技术的认识和理解提供了平台,为自动垂钻系统的创新和发展提供了支撑。

高温高压井油套环空早期圈闭压力研究

高温高压井生产初期,油套环空中由完井液热膨胀引起的环空圈闭压力会降低管柱、井口及封隔器的可靠性。为此,基于密闭空间能量传递理论、状态方程和弹塑性理论,建立了热膨胀影响下油套环空压力分布计算模型,分析了井底温度、井底压力、坐封深度及产量对油套环空圈闭压力的影响,并研究了气液共存状态下油套环空圈闭压力的变化规律。研究结果表明:井底温度能够大大提高环空圈闭压力,且油套环空距离油管最近,受到的影响最大;井底压力对油套环空圈闭压力影响较小,因为它不会直接改变环空的温压分布;气体的存在会大大降低油套环空圈闭压力,如果在气液共存状态下,油套环空仍存在较高的持续圈闭压力,则说明井筒完整性破坏,有窜流进入环空,现场作业时须采取注入气体的方式缓解环空圈闭压力。所得结果有助于提前预测井筒完整性状况并采取必要措施。

气体钻井钻柱拉应力对纵波特性的影响

为分析气体钻井钻柱中拉应力对纵波传播特性的影响,提升声信号传输质量及距离,采用声弹理论建立了应力-纵波波速分析模型,对波速随拉应力的变化规律进行了分析,并利用研制的试验装置测试了纵波波速及频谱特性随拉应力的变化规律。研究结果表明:拉应力是钻柱中纵波特性的重要限制因素,波速随拉应力增加呈线性减小,实际钻柱中的声-应力系数需进行标定;随拉应力增大,频谱低频与中频段表现出通带发生偏移、带宽变窄、幅值降低及衰减为阻带的不利变化,高频段通阻带特性相互转变尤为明显。所得结果可用来指导气体钻井钻柱中声载波参数优选及系统结构设计,从而降低拉应力对钻柱中声信号的不利影响。

协同钻头推靠与指向作用控制井眼轨迹的旋转导向系统

推靠式旋转导向钻井系统其核心工作原理为“速度杠杆”原理,因原理限制,导致进一步提升其轨迹控制能力、延长其使用寿命和提高其钻井速度成为“卡脖子”难题。提出基于“省力杠杆”原理的新型旋转导向方法,建立轨迹控制能力有限元分析模型,开展模拟研究并与常规推靠式旋转导向钻井系统钻头所获侧向推靠力、钻头指向角及钻进趋势角进行对比。结果表明:新型旋转导向方法可将旋转导向工具推靠力提升数倍施加于钻头,可达到协同钻头推靠与指向作用控制井眼轨迹的目的,且为不影响轨迹控制能力及工具寿命基础上提速工具的安装提供空间;该方法可为旋转导向钻井系统同时实现强轨迹控制能力、长工具使用寿命和提高钻井速度提供可行性方案。

锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

为了解锥形齿在旋转冲击和扭转冲击载荷作用下的破岩过程和破岩效率,采用数值模拟和试验数据验证的方法,研究了2种破岩方式下不同冲击幅值和冲击频率对应的岩石内部应力变化、岩石损伤特征、岩石破碎体积和破碎深度、破岩比功。数值模拟分析结果表明,锥形齿在旋转冲击和扭转冲击破岩过程中均表现为切削齿侵入岩石、岩石损伤贯通裂纹萌生、岩石损伤贯通裂纹扩展、裂缝贯通岩屑崩落4个阶段,拉应力是引起岩石内部到表面贯通裂缝产生的主要原因,压剪应力是岩石内部出现损伤和形成微裂纹的主要原因。随着冲击幅值和冲击频率增大,旋转冲击和扭转冲击破岩方式下,锥形齿破碎岩石的体积都会增大,但当冲击幅值和冲击频率增加到一定值时,岩石破碎体积的增加趋势趋于平缓;锥形齿旋转冲击破岩方式下的最大破碎体积高于扭转冲击破岩方式。常规切削、旋转冲击和扭转冲击3种破岩方式下,锥形齿常规切削的破岩比功最大,不同冲击幅值和冲击频率条件下,锥形齿扭转冲击破岩方式下的破岩比功普遍比旋转冲击破岩方式低。

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。

基于多孔弹性力学理论的深井井底应力场分析

基于Biot多孔弹性力学理论,分析复杂应力条件下井底岩石的受力情况,建立考虑时间效应的渗流场与应力场全耦合模型,通过数值求解得到井底应力、孔隙压力随时间的动态变化规律,计算结果与Warren模型进行对比验证;结合三维莫尔库伦准则建立井底岩石强度破坏的预测模型,使用自定义损伤函数分析井底应力状况对岩石强度破坏的影响规律。通过计算损伤函数分析不同工况、不同时刻井底岩石的强度破坏情况。研究表明求解所建立的流固耦合模型可以实时评估井底岩石的动态响应情况,通常在钻开井眼的瞬间三向应力达到最大值(压应力),而在数十秒后三向应力会达到最小值(部分拉应力),数小时后井底岩石应力状况趋于稳定;过平衡钻井工况下,只在井眼打开瞬间近井底面而非井底面处存在强度破坏风险;欠平衡钻井,当压差大于1.75 MPa时,井底岩石在全时段出现强度破坏的趋势,且随压差增大强度破坏区域扩大。

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环孔周产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论计算水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝沿井筒轴向扩展长度的影响规律。结果表明:压裂中水泥环的裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝的扩展长度,保证水泥环在井下的有效封固。研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与封隔段长的选取提供参考。

基于DPM模型的双级PDC钻头流场特性研究

针对双级PDC钻头领眼钻头井眼空间上返的钻井液与扩眼钻头井底流场相互干扰的问题,通过在分流传力总成上增加级间喷嘴形成了一种新的双级PDC钻头水力结构。基于FLUENT软件中的DPM模型,模拟计算了井底钻井液流速、井底压降及井底岩屑质量浓度分布,证实了级间喷嘴对于流场改善的有效性,并在此基础上分析了级间结构对双级PDC钻头井底流场的影响规律。仿真结果表明:级间喷嘴倾角为75°时钻井液清洗效果相对较好;领眼钻头与扩眼钻头的刀翼位置应尽量重叠,这样形成了自下而上的流动通道,利于岩屑的快速上返;领眼钻头与扩眼钻头级间段长增大到40 mm时,级间喷嘴的抽吸作用最显著而后逐渐减弱;领眼钻头与扩眼钻头喷嘴流量比值的增大,提高了领眼钻头井底流场清洗效率,降低了扩眼钻头井底流场清洗效率,领眼与扩眼体喷嘴间最佳流量分配比例为5∶5。研究结果可为双级PDC钻头的水力结构设计及井底流场特征研究提供理论依据。

聚能射流作用下固井水泥裂纹特征实验研究

针对射孔完井作业中水泥环完整性失效,导致后续压裂过程中出现环空窜流的问题,通过柱形靶射孔实验模拟射孔弹对井筒的侵彻过程,借助数码显微镜与Nano Measurer软件对射孔后水泥石的裂纹特征及分布情况进行了显微观察分析,同时研究了水泥养护前浆体密度、射孔弹药型罩直径及地层围压等参数对射孔段水泥环裂纹特征的影响规律。结果表明:水泥第一界面受到射孔冲击后损伤程度明显大于第二界面,第一界面水泥石主要产生了3种裂纹:宏观主裂纹、螺旋状裂纹和径向微裂纹,且裂纹数量在孔道周围和靶体边缘较多。浆体密度的增加使得固井水泥第一界面裂纹数量和平均宽度均逐渐减小。射孔弹药型罩直径主要影响孔道周围螺旋裂纹数量。围压则主要影响水泥边缘径向裂纹数量。

一种新型井下声波发生装置及其声波传播特性

井下有限空间内声波的有效发生与声能量的高效传递是声波在钻柱中稳定、长距离传输的前提,高效可靠的发生装置是实现井下信息声波传输技术现场化应用的关键。为了实现速度快、准确性高、抗外界因素干扰能力强的井下信息传输,基于超磁致伸缩换能器设计加工了一种井下声波发生装置,并通过建立试验系统,对该装置的功能性及关键参数设计开展了研究。研究结果表明:①带内孔的单级圆锥变幅杆是辐射声波首选,换能器在圆锥变幅杆小端激励的声波辐射进入钻柱中能够获得平面波;②在变幅杆放大系数极小值点附近设计长径比能够有效提高低频段声波能量传递效率;③黄铜材料的声传递介质具有较高的滤波质量与声能量传递效率;④声波能量传递效率随换能器预紧力增加,先增加后保持不变,7.20 kN预紧力能够获得最佳传递效率。结论认为,在井下声波发生与中继装置的设计过程中,应充分考虑换能器声波辐射方式与结构参数对声波能量传递效率的影响;建议进一步研究声发射端机械结构、声载波参数等因素对钻柱中声传播特性的影响,以加快井下信息声传输技术现场应用的步伐。

微环隙带压对套管可靠性的影响

页岩气开发目前仍存在诸多问题,水平井分段体积压裂中套管失效是其中之一。基于弹塑性力学原理和平面应变问题求解方法,应用ABAQUS软件建立了微环隙带压下套管受力和位移的有限元计算模型。应用该模型进行了算例分析和现场验证,并分析了施工压力、套管的几何及物理参数等可控因素对套管可靠性的影响。研究表明,套管本身强度足以应对正常设计方案中的受力情况,然而微环隙带压等特殊事件会导致套管失效。另外,套管压力和微环隙压力共同对套管可靠性产生影响,两者差值越小套管可靠性越高。而对于套管的弹性模量和壁厚来说,数值越大,套管可靠性越高。结合模型和影响因素分析,建立了一套工作流程作为控制方法,使得在压裂设计阶段,可以对现有设计方案进行优选及改进,从而能够在存在微环隙带压的恶劣情况的实际作业中,保护套管的可靠性。

一种带保护层的套管及其环空密封性

针对高套管压力井出现的环空密封失效问题,设计一种能够减轻高套管交变内压力对水泥环的挤压破坏的套管,并将其命名为抗压及保护型套管(compression resistance&protection casing,CRP套管)。建立井筒的多层厚壁圆筒模型,分析水泥环内壁的最大径向应力和位移;建立试验设备验证设计的工程可行性,并通过控制温压模拟实际井筒工况。计算结果表明相较于常规套管,CRP套管水泥环内壁的最大径向应力和位移的降低幅度分别为20.75%~26.66%和33.3%~76.8%,理论上可以保护水泥环密封完整性;试验中CRP套管能够使水泥环多承受19.4 MPa的套管压力,证明了该套管良好的工程可行性。

固井水泥射孔力学响应规律及损伤特征

为解决射孔完井作业中固井水泥损伤问题,建立射孔弹侵彻井筒数值模型,基于LS-DYNA有限元软件,计算射孔段固井水泥的力学响应,分析固井水泥射孔力学响应特征;利用射孔弹侵彻实验,确定射孔后固井水泥的损伤特征,研究水泥抗压强度、抗拉强度、剪切模量对射孔过程中水泥等效应力峰值影响规律。结果表明:射孔弹起爆后形成的应力波初期振荡减小,随后逐渐趋于稳定。固井水泥应力峰值位置出现在水泥第一界面上孔道表面。在射孔过程中,孔道周围首先出现主裂纹,而后在孔道附近出现网状微裂纹。随水泥抗拉强度、抗压强度的增加,固井水泥等效应力峰值增加。随水泥剪切模量的增加,固井水泥等效应力峰值降低。为提高水泥抗冲击能力,建议选取高强度、低剪切模量固井水泥。

领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟

针对领眼与扩眼双级PDC钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级PDC钻头与六刀翼双级PDC钻头井底的速度场、压力场特征。仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较低,清洗效果较差;从领眼钻头井底上返的钻井液流过阶梯状环空井眼台阶处时出现压力波动。对比两种双级PDC钻头仿真结果,四刀翼双级PDC钻头领眼体与扩眼体井底水力能量分配更加均衡,同时领眼空间与扩眼空间均形成了较大的轴向压差,更加利于钻井液携岩上返。领眼钻头的井眼尺寸、领眼钻头与扩眼钻头喷嘴的过流面积配比对于双级PDC钻头的井底流场有着较为明显的影响。

一种周期性管柱中声波频谱评价方法

基于声波频谱特性对钻杆等周期性管柱中信息传输的重要性,提出了基于改进雷达图法的声波频谱多级评价方法.该方法针对频谱中通阻带交替分布的特性,选取通带上限频率、通带下限频率、通带宽度、通带内峰值、通带内峰值对应频率和通带能量作为评价通带特性的三级指标,将通带评价函数值作为评价频谱特性的二级指标.基于雷达图法构造了多指标的评价向量与评价函数,通过对评价函数值的计算量化表征通带与频谱特性.研究了轴向拉应力对管柱中声波频谱特性的影响,并建立了判别标准.结果表明:拉应力的存在对声波频谱及频谱中通带特性影响显著,随拉应力增加,频谱特性评价指标先增后减,存在频谱特性最优的峰值点.该结果能够用来指导载波频率的优选和声波中继器位置的设计,从而降低井下因素对钻柱中信号的不利影响.