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气体钻井声波超前测距方法与数值模拟

石油钻探技术 2022年第3期50卷 132-138页

作者：简旭李皋王军韩旭黄兵王松涛中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司重庆401147 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学) 四川成都610500 中国石油西南油气田分公司蜀南气矿四川泸州646000

气体钻井的安全性受储层地质条件影响明显,在钻井过程中,受气体所产生噪声影响,地层反射信号识别难度大。为提高探测准确度,降低气体钻井过程中钻头前方岩性界面的不确定性,设计了近钻头随钻冲击震源短节,基于地震波自激自收原理,提出... 详细信息

气体钻井的安全性受储层地质条件影响明显,在钻井过程中,受气体所产生噪声影响,地层反射信号识别难度大。为提高探测准确度,降低气体钻井过程中钻头前方岩性界面的不确定性,设计了近钻头随钻冲击震源短节,基于地震波自激自收原理,提出了一种适用于气体钻井的声波超前测距方法。通过冲击试验分析聚四氟乙烯对振动尾波的衰减效果,通过数值模拟验证气体钻井声波超前测距方法的可行性,分析探测距离对反射波振幅的影响。冲击试验表明,使用聚四氟乙烯后空心圆柱上振动尾波衰减显著。数值模拟结果表明,PML边界条件可有效消除模型边界反射的干扰,利用反射纵波信号到达时间所计算测距的误差为1 m。随着探测距离增大,反射纵波相对强度逐渐增大,反射波振幅显著降低。研究结果验证了近钻头冲击震源探测钻头前方岩性界面的可行性,为气体钻井随钻声波超前探测技术的发展提供了新思路。

关键词：气体钻井近钻头冲击震源超前探测岩性界面

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气体钻井系统横向振动及防斜特性研究

气体钻井系统横向振动及防斜特性研究

作者：王伟武汉科技大学

学位级别：硕士

气体钻井技术是我国油气钻井领域不可或缺的主流技术之一,气体钻井的钻柱振动和井斜问题是气体钻井工程中普遍存在但一直未能很好解决的经典性难题,现如今更是成为制约气体钻井发展的重要因素,钻柱剧烈振动会引起钻柱失效,而井斜会导致... 详细信息

气体钻井技术是我国油气钻井领域不可或缺的主流技术之一,气体钻井的钻柱振动和井斜问题是气体钻井工程中普遍存在但一直未能很好解决的经典性难题,现如今更是成为制约气体钻井发展的重要因素,钻柱剧烈振动会引起钻柱失效,而井斜会导致井眼轨迹难以控制,两者均会造成严重的钻井事故,严重影响钻进工作效率甚至带来重大的经济损失。从钻井安全和效率方面考虑,对气体钻井钻柱振动及防斜特性研究显得尤为重要。本文对气体钻井危害最大的横向振动开展分析,为得到准确的横向振动固有频率,对比分析了全井钻柱和底部钻具的横向振动模态特征,然后确定了更符合实际情况的全井钻柱为研究对象。工作中的钻柱时刻受到轴向力导致的应力刚化作用,因此对全井钻柱进行了预应力模态分析、预应力谐响应分析、预应力瞬态动力学分析。研究表明:轴向力为拉力时,会提高钻柱的横向振动固有频率,轴向力为压力时,会降低钻柱的横向振动固有频率;当钻压为50 k N时、钻柱转速在0～90 r/min之间时,存在0.4～0.6 Hz(对应24～36 r/min)的共振微弱区,同时钻压越大,共振微弱区的频率越低;钻柱与井壁发生碰撞后,应力刚化效应会导致中性点处的振动能量增大但振幅降低。由于横向振动会导致钻井中井斜的变化,研究了斜直井中双稳定器钟摆钻具的横向振动与防斜打直的关系,引入底部钻具与井壁的互作用,建立了一套双稳定器钟摆钻具的动态井斜模型,并研究了双扶正器钟摆钻具的屈曲、碰撞、横向振动和防斜特性。研究发现:钻具的屈曲形式随钻压的增大从正弦弯曲→螺旋弯曲,且屈曲的程度越大,与井壁的接触点越多,进而影响钟摆钻具的防斜特性;双扶正器钟摆钻具各部分与井壁碰撞的顺序依次为下稳定器→上稳定器→第一段钻铤→第二段钻铤;各部分钻铤的横向振动轨迹多集中于斜井的下井壁边,且在较为固定的区域波动;当钻压给定时,钻柱的屈曲形态变化不大,但仍然发生稳定器与井壁的间歇碰撞;横向振动下的动态防斜力呈现正弦趋势,钻压对动态侧向力影响不大,且井斜力和方位力的振幅在频率3.2 Hz同时达到最大值。为研究下部边界条件对底部钻具的横向振动以及钻头轨迹的影响,引入钻头实时破岩动态边界条件,建立钻柱-钻头-岩石耦合动力学模型,研究了PDC钻头与混合钻头破岩时的运动轨迹,以及对底部钻具横向振动的差异性、动态应力的影响和混合钻头系统下的不同钻压、转速时底部钻具的横向振动。研究表明:混合钻头的轨迹沿着左下偏移,PDC钻头的轨迹沿着左上偏移,且混合钻头的偏移距离和转角都很小,钻进姿势更稳定;PDC钻头系统中底部钻具的横向振动速度比混合钻头系统的速度更大,振动更剧烈,且近钻头钻柱截面中心与钻头质心的轨迹方向具有相似性;混合钻头系统中钻压越大,底部钻具的横向振动越剧烈;当钻压150 k N,中间转速180 r/min的底部钻具的横向振动比120 r/min,240 r/min时更激烈。本文研究结果有助于系统性地了解气体钻井系统横向振动及防斜特性,为有效预防共振、认识双扶正器钟摆钻具的横向振动特征与防斜打直的联系提供理论依据,为避免钻具横向振动失效和混合钻头定向作业技术提供参考。

关键词：气体钻井横向振动防斜打直混合钻头数值模拟

气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究

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石油钻探技术 2022年第6期50卷 14-20页

作者：李皋黎洪志简旭王军王松涛油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学) 四川成都610500 中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司重庆401147

为了实现气体钻井钻头前方风险地层的超前探测,设计了适用于气体钻井环境的井下冲击震源工具,并对其力学性能进行了研究。基于气体钻井的环境,设计了冲击震源工具的关键结构;根据室内冲击试验,优化了震源工具的吸振结构和冲击能量;使用R... 详细信息

为了实现气体钻井钻头前方风险地层的超前探测,设计了适用于气体钻井环境的井下冲击震源工具,并对其力学性能进行了研究。基于气体钻井的环境,设计了冲击震源工具的关键结构;根据室内冲击试验,优化了震源工具的吸振结构和冲击能量;使用RecurDyn软件,分析了冲击块的运动过程,优化了关键结构的参数;模拟研究了底部吸振圆盘的抗冲击能力和传动杆限位结构的抗拉强度,以及冲击震源工具的力学性能;给出了现场施工方案,分析了其主要优势。研究结果表明:聚四氟乙烯能显著衰减钻铤波及尾波,有利于识别时域内的地层弱反射波信号;冲击能量为50 J时,冲击振动波的传播距离为18.61 m,可满足气体钻井超前探测的目的;聚四氟乙烯受到的最大冲击力为1796.88 N时,其相对变形不超过0.03%,且传动杆限位结构处承受下部钻具的重量不能超过1150 kN。通过气体钻井随钻超前探测震源工具结构设计及力学性能模拟研究,为近钻头冲击震源工具的研制与应用提供了依据。

关键词：气体钻井超前探测震源工具冲击震源聚四氟乙烯冲击能量

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致密砂岩气钻完井技术进展及展望

天然气工业 2022年第1期42卷 159-169页

作者：汪海阁周波中国石油集团工程技术研究院有限公司

加快致密砂岩气(以下简称致密气)高效勘探和规模效益开发,对提高我国天然气自给能力,保障国家能源安全、实现“双碳”目标具有重要意义。为进一步促进致密气的规模增储上产,将资源量转化为储量、产量,在系统总结分析“十三五”期间致密... 详细信息

加快致密砂岩气(以下简称致密气)高效勘探和规模效益开发,对提高我国天然气自给能力,保障国家能源安全、实现“双碳”目标具有重要意义。为进一步促进致密气的规模增储上产,将资源量转化为储量、产量,在系统总结分析“十三五”期间致密气钻完井技术进展的基础上,对标分析了致密气钻完井技术面临的挑战,对“十四五”及中长期致密气钻完井技术的发展进行了展望分析。研究结果表明:①创新形成了致密气钻完井技术体系,主要包括:长水平段水平井快速钻井技术、大井丛工厂化钻井提速提效技术、小井眼钻完井技术、侧钻井技术、气体钻井技术等。②致密气水平井迈上5000m水平段新台阶,最长水平段长度达5256m,钻井时效逐年提升,保障了鄂尔多斯盆地、四川盆地致密气效益开发和持续上产。③“十四五”期间,持续提升大井丛工厂化钻完井作业水平,探索混合井组下更高效的批量化、标准化的作业模式;升级改造装备、配套关键工具,提升长水平段一趟钻比例;完善致密气小井眼钻完井配套技术,成熟区全面推广应用小井眼钻完井技术;加强老区致密气剩余气挖潜攻关,加快连续管侧钻技术、柔性钻杆径向钻孔研究与试验;探索气体钻水平井/侧钻水平井技术。结论认为,“十四五”及中长期,致密气仍是中国天然气增储上产的重点领域,致密气钻完井技术的不断发展和进步是确保致密气高效规模效益开发的关键。

关键词：致密气钻完井大井丛工厂化小井眼侧钻井气体钻井发展展望

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气体钻井钻头泥包风险预测及影响因素研究

天然气工业 2016年第6期36卷 60-65页

作者：苏义脑陈烨闫铁孙晓峰王丽敏王克林东北石油大学石油工程学院中国石油大庆油田有限责任公司第四采油厂地质大队中国石油塔里木油田公司油气工程研究院

为深入研究气体钻井过程中地层出水后的岩屑运移情况、避免或减少钻头泥包风险、指导气体钻井的顺利实施,在分析出水量预测模型的基础上,引入工程岩土学中的稠度指标,将黏土的黏着界限作为泥包的临界条件,对地层出水后的泥包情况进行数... 详细信息

为深入研究气体钻井过程中地层出水后的岩屑运移情况、避免或减少钻头泥包风险、指导气体钻井的顺利实施,在分析出水量预测模型的基础上,引入工程岩土学中的稠度指标,将黏土的黏着界限作为泥包的临界条件,对地层出水后的泥包情况进行数学建模,利用编制的计算机程序对所建模型进行求解计算,并对计算结果进行分析,预测泥包风险;然后对影响钻头泥包的岩性、钻头表面性质及钻井参数等因素进行分析。结果表明:1所建模型能够预测地层出水后形成泥包的时间,并以泥包时间为指标对钻头泥包风险进行预测,进行风险评级;2岩性及钻头表面性质对钻头泥包影响很大;3钻头泥包风险随着机械钻速、井口回压、井深和井径扩大率等的增加而降低。结论认为:从钻遇水层到钻头形成泥包,时间非常短暂,基本在数十分钟之内就会发生井下事故。因此,现场操作过程中,一定要提前做好对出水层的预测和转换钻井方式的准备工作;发生水侵后也可根据数值模拟结果采取适当的措施延缓发生钻头泥包的时间。

关键词：气体钻井水侵钻具黏卡稠度黏着界限钻头泥包风险预测数学模型

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气体钻井预弯曲钟摆钻具控斜的动力学行为

天然气工业 2019年第7期39卷 94-98页

作者：狄勤丰胡菲菲周波王春生李宁娄尔标王文昌上海大学力学与工程科学学院上海市应用数学和力学研究所中国石油塔里木油田公司

井斜控制困难一直都是制约气体钻井技术发展的难题之一。为此,在研究带预弯结构的井底光钻铤钻具组合(BHA)动力学行为的基础上,基于拉格朗日方程建立了预弯钟摆BHA的非线性动力学模型,由简支梁静态模型求取钻头上的动态侧向力,进而设计... 详细信息

井斜控制困难一直都是制约气体钻井技术发展的难题之一。为此,在研究带预弯结构的井底光钻铤钻具组合(BHA)动力学行为的基础上,基于拉格朗日方程建立了预弯钟摆BHA的非线性动力学模型,由简支梁静态模型求取钻头上的动态侧向力,进而设计、评价不同结构的预弯钟摆BHA在气体钻井中的控斜能力,并进行了现场验证。研究结果表明:①合理的预弯钟摆BHA在气体钻井中可以提供较大的动态降斜力,从而发挥出很好的降斜效果,当预弯短接弯角为0.75°时,BHA形心运动的最大半径较小,说明0.75°的弯角时BHA具有最佳的稳定性;②当钻头与近钻头稳定器之间为两根钻铤时,BHA的运动稳定性大幅提高,基本上处于井眼中心,这对于井眼质量控制十分有益;③所设计的预弯钟摆BHA在现场应用中能够较好的控制气体钻井井斜。结论认为,预弯钟摆BHA的动力学控制方程能够很好地描述预弯结构的运动特征,所设计的预弯钟摆BHA不仅适用于常规地层,而且在非均质性较强的砾石层钻井中控斜效果也同样显著;该研究成果对于气体钻井低成本控斜技术发展具有很好的推动作用。

关键词：预弯短接钟摆BHA 钻铤气体钻井非线性动力学动态载荷井斜控制

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气体钻井发电机涡轮设计与性能试验

钻采工艺 2023年第6期46卷 94-99页

作者：王磊窦修荣滕鑫淼刘珂范锦辉中国石油集团工程技术研究院有限公司油气钻完井技术国家工程研究中心

近年,电磁波和微波随钻测量传输技术被应用于气体钻井井眼轨迹的测量与控制,但由于电池供电功率较低,无法满足大于3000 m井深的随钻测控需求,井下发电机技术可有效提高传输功率,只是气体密度低且可压缩,涡轮和导轮构成的常规组件无法驱... 详细信息

近年,电磁波和微波随钻测量传输技术被应用于气体钻井井眼轨迹的测量与控制,但由于电池供电功率较低,无法满足大于3000 m井深的随钻测控需求,井下发电机技术可有效提高传输功率,只是气体密度低且可压缩,涡轮和导轮构成的常规组件无法驱动井下发电机正常运转。文章在研究了二维流场中涡轮叶片的速度矢量三角形基础上,结合气体钻井工况分析了涡轮的输出转速、扭矩关系,提出借助行星轮机构提高涡轮输出抗扭特性的设计思路,设计出适用于气体钻井的井下发电机驱动涡轮,使发电机在负载改变时依然可维持稳定输出,并运用计算流体动力学软件(CFD)对涡轮进行全三维流场仿真模拟,通过测试装置验证了发电机的输出效果。结果表明:发电机稳态输出功率可达500 W,满足气体钻井随钻测量传输电磁波和微波传输的大功率需求。

关键词：气体钻井井下发电机涡轮行星轮机构抗扭特性

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气体钻井钻柱失效因素分析与对策研究

钻采工艺 2022年第2期45卷 45-51页

作者：代锋旷正超徐冰青王德坤邓广东陈晗颜海王跃江中国石油西南油气田分公司四川长宁天然气开发有限责任公司中国石油川庆钻探苏里格项目经理部工程技术部中国石油西南油气田分公司工程技术处中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司中国石油川庆石油钻采科技有限公司中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

文章通过对2005~2021年期间川庆气体钻井所发生的76次断钻具故障的统计分析,认为气体钻井中钻具失效的主要原因在于钻具疲劳、钻具振动、化学腐蚀以及高速冲蚀破坏等几个方面。其中,采用空气锤钻进时,在冲击力作用下钻具的瞬时中和点上... 详细信息

文章通过对2005~2021年期间川庆气体钻井所发生的76次断钻具故障的统计分析,认为气体钻井中钻具失效的主要原因在于钻具疲劳、钻具振动、化学腐蚀以及高速冲蚀破坏等几个方面。其中,采用空气锤钻进时,在冲击力作用下钻具的瞬时中和点上移,疲劳点不一定集中于近钻头的∅228.6 mm钻铤;高频段的钻具振动对钻具产生的破坏影响较小,而低频段的钻具振动会引发低阶钻柱共振,进而引起钻具振动失效;在地层产水条件下实施气体钻井时,钻具易发生溶解氧腐蚀和二氧化碳弱酸性腐蚀,造成钻具的点蚀破坏;井底岩屑伴随高速气体呈间歇性的高速撞击钻柱形成冲蚀破坏,是造成钻具磨损失效的主因。基于上述原因分析,从优化钻具组合、完善雾化基液缓蚀工艺和气体注入参数等方面提出了具体的对策,为减少后期气体钻井过程中钻具失效机率做参考。

关键词：气体钻井钻具断裂受力分析对策研究

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气体钻井低温破岩机理分析

岩土工程学报 2016年第8期38卷 1466-1472页

作者：杨顺吉李军柳贡慧中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 北京工业大学北京100124

气体钻井有着较高的机械钻速在很大程度上归因于钻头水眼处的焦耳–汤姆森低温效应。这种效应对井底岩石产生了热冲击应力,使得井底岩石的强度降低,进而促进了机械破岩的作用。首先建立了非对称冷却条件下井底岩石的温度场的分布模型,... 详细信息

气体钻井有着较高的机械钻速在很大程度上归因于钻头水眼处的焦耳–汤姆森低温效应。这种效应对井底岩石产生了热冲击应力,使得井底岩石的强度降低,进而促进了机械破岩的作用。首先建立了非对称冷却条件下井底岩石的温度场的分布模型,并以此建立了井底岩石三维动态热应力分布模型,对气体钻井井底热冲击应力进行了深入的剖析。其次,通过莫尔–库仑准则,对岩石的黏聚力变化进行了分析,得出随着冷却时间的加长,岩石强度迅速降低,有利于岩石的破坏。最后,为验证理论模型,对砂岩岩样进行液氮冷却试验,并对其进行声波实时测量,声波的首波波幅也有明显的延迟,说明冷却处理对岩心内部结构产生了很大影响。

关键词：气体钻井低温热应力莫尔-库仑准则声波试验