气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击，气体钻井中的钻柱产生了交变应力，而钻柱旋转加剧了交变应力的变化，同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀，加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂，这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分，因此，开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究，掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律，是减小和防止钻柱失效的基础工作，对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置，进行了不同钻具组合情况下，气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明，气体钻井过程中，配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上，扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%，因此，扶正器和减振器的配合使用，将大幅降低钻柱所受交变应力，并延长交变应力作用周期，从而降低钻柱失效的概率。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题，不可能得到比较完美的解析解，如果采用室内试验或者现场试验研究，其成本又会很高且很难实现。因此，在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上，以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据，采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型，并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型，对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果，得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法，对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析

针对深井、超深井、高压油气井等钻井作业中安全高效的扩眼问题，研究随钻扩眼钻具组合在井下的实际受力情况，对随钻扩眼钻进钻柱扭转振动进行了三维有限元模拟，提出了研究扩眼器的质量偏心、钻机顶部支撑等因素对扭转振动作用的力学分析模型，并讨论了随钻扩眼钻具组合的扭转振动频率和动力学强度等力学问题。通过分析提出了在实际施工作业中减少扭转振动带来危害的技术措施，为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻进提供了理论基础和参考依据。     

井筒中钻柱系统非线性螺旋屈曲稳定性分析

针对钻井过程中钻柱工作载荷或钻压超过某一临界值导致钻柱失稳现象,建立了钻柱非线性稳定性问题的分析模型,用数值分析的方法对整个钻柱系统的非线性屈曲过程进行了有限元仿真分析,解释了钻柱的失稳机理以及钻柱自重、钻压、转速、扭矩和井斜角等因素对钻柱屈曲的影响规律,研究了钻柱在井筒中发生屈曲时的位移、受力状况和各种工况下的失稳临界载荷。结果表明，在相同条件下钻柱螺旋屈曲临界载荷随井斜角增大而增大,呈非线性变化;临界载荷随扭矩的增大而减小,井斜角较大时临界载荷减小的幅度较小。对钻柱在井筒中的非线性屈曲行为研究和钻具组合设计的优化具有一定的参考价值。     

连续油管柱振动分析

研究了连续油管柱内流体的液动压力对连续油管柱纵向振动的影响问题。建立了一个考虑流体液动压力的连续油管柱纵向振动微分方程,并给出了这种情况下连续油管柱纵向振动的频率方程,是探讨连续油管柱内流体对连续油管柱纵向振动规律影响的一个尝试。     

流体诱发换热器管束弹性不稳定性的数值模拟

针对常规换热器频发的振动破坏现象，课题组基于动网格技术和双向流固耦合方法，建立了流体诱发管束振动的三维数值模型。采用数值模拟对实验难以 获得的管束振动轨迹进行了补充；研究了管束发生流体弹性不稳定性时主振方向的变化；分析了管子位置的分布对振动的影响；探究了管束的排列方式和节径比 对流体弹性不稳定性的影响。结果显示：流体弹性不稳定性先发生在曳力方向，后发生在升力方向；位于边缘的管子的振幅大于中间管子的振幅；在4种排列方 式的管束中，发生流体弹性不稳定性从难到易依次为正方形、正三角形、转置正方形、转置正三角形；在一定的范围内，节径比越小，越易于发生流体弹性不稳 定性。课题组对换热器管束在模拟方面的研究可对工程应用起到一定的指导作用。     

用等效外径法对塔式钻具组合防斜问题探讨

针对气体钻垂直井中塔式钻具组合防斜效果具有不确定性,在三弯矩方程的基础上,提出等效外径法对不等截面的塔式钻具进行力学特性研究,以等效外径法计算为依据,开发了简易的VB程序实现塔式钻具组合的力学分析以及对钻具组合优化设计和钻井参数调整,同时用ANSYS有限元软件二次开发ADPL语言编程实现塔式钻具组合侧向力的计算,这样不仅可以得到等效外径法计算的钻具侧向力大小,也可以得到有限元软件计算出的侧向力数据,并进行两种结果的对比分析。通过实例分析,所编写的VB程序能得到比较准确而且高精度的计算结果,同时探讨了影响钻具防斜效果的原因和改进方案。     

相关技术在随钻地震中的应用

随钻地震技术采用钻井期间钻头产生的振动作为井下震源,使钻头产生的连续信号记录于安装在钻柱顶部的参考传感器和布置在井轴附近已选好位置的检波器上。通过参考信号和检波器信号进行互相关实现了两个目的:1)建立了互相关函数—钻头振动通过地层传播到地面检波器的旅行时间减去钻头振动向上经钻柱到参考传感器的旅行时间的一种量度,即使钻头振动是连续的,在互相关函数中它们仍被压缩成脉冲信号;2)互相关过程加强了弱反射钻头能量。互相关既可计算钻头波传播的时间;也可减弱不相干噪声。     

气体钻井井下燃爆分析

与常规钻井相比,气体钻井在提高机械钻速、发现和保护油气藏等方面优势明显,由于负压钻进时,地层流体极易进入井筒,地层产出的可燃气体和氧气混合后具有燃烧、爆炸的潜在危险,容易发生严重的灾害性事故,在气体钻井应用中往往需要充分预测和评估钻遇气层的危险程度并提前采取应对措施。结合气体钻井实际施工情况,简要介绍了气体钻井过程中井下燃爆方面的研究进展,分析了气体钻井过程中可燃气体发生燃爆的条件。并从混合可燃气体组成、温度、压力,以及惰性气体含量等几个方面,展开论述了爆炸极限的主要影响因素。依据经验公式计算了某井气体钻井过程中可燃气体爆炸极限的变化情况,得出可燃气体下限值随井深增加略有减小,可燃气体上限值随井深增加明显增大的结论。结合该井实际施工情况,验证了计算的可靠性,可以看出氮气钻井过程中的氧含量安全范围很窄（2.43%4.20%）。     

气体钻水平井稳定器安放位置与井斜控制研究

针对XS–001H 气体钻井水平井段的井眼轨迹控制问题,建立了全井段水平井井斜控制的有限元模型,该有限元模型可以任意调整水平段钻具组合参数和稳定器的安放位置来进行井斜控制的力学机理研究。重点研究了钻铤钻具组合、无磁抗压缩钻杆钻具组合、稳定器不同安放位置与井斜控制的力学机理和关系,并得到了相应钻具组合下,钻头侧向力与稳定器间距的定量关系曲线,不同钻具组合在水平段的最大挠度与稳定器的变化关系曲线,这些结果为气体钻水平井段的井斜控制提供了定量的理论数据,并得到了现场应用。     

砂岩基质酸化中的化学平衡研究

纯高岭土和油田实际岩心的流动模拟试验都验证了在相同温度下,加入盐酸会加快氟硅酸与铝硅酸盐的二次反应。在砂岩基质酸化过程中,H₂SiF₆-AlF_x^(3-x)+ -HCl 之间存在一种化学平衡,该平衡用以控制氢氟酸与铝硅酸盐的一次反应和二次反应的化学计量系数。在土酸酸化反应中,盐酸不仅用来溶解碳酸盐矿物,而且具有调节氟硅、氟铝配合物平衡的另一作用;盐酸的浓度越高,F/Al越低,所造成的酸化二次伤害几率越小。     

低压及欠平衡钻井中注气量对井内压力的影响

以多相瞬变流理论为基础,建立了井筒内气液两相流动模型,并对低压欠平衡钻井中注气量对井内压力的影响关系和规律进行计算和分析。计算分析结果表明,注气量对井内压力的影响除与注气量本身大小有关外,还与井深、井眼与钻柱结构尺寸、井内液相流量和性质等因素密切相关。单纯增大注气量并不一定就必然会导致井内压力的降低,这取决于所给条件下构成井筒内气液两相流体的静液压力和流阻间的平衡关系。介绍的模型及方法对确定低压欠平衡钻井过程中各相关参数、地面压缩机组的配置、以及设计方案等有一定指导意义。     

小井眼长水平段水平井摩阻扭矩控制技术

小井眼长水平段水平井+ 分段压裂的开发方式在大牛地气田的开发中取得了理想效果，然而仍然存在一系 列的问题，尤其是水平段后期的摩阻扭矩控制问题。以理论分析和实钻工程特征为基础，建立了摩阻扭矩分段计算 模型，并对水平段长度、轨迹剖面、钻具组合和钻井液流变性等影响规律进行了分析，结果表明：随着水平段长度的增 加，钻进和起钻的摩阻扭矩均在增加，当摩阻扭矩不再增加时，此时便是水平段的极限长度；随着单增剖面靶前位移的 增加，摩阻扭矩增加；采用组合钻杆（?101.6 mm/?114.3 mm+?88.9 mm）既有利于水平段和大斜度井段携岩，同时又能 有效地控制摩阻扭矩；钻井液屈服值和塑性黏度越低，摩阻扭矩越小。将摩阻扭矩综合控制技术应用于DPH7 井，水 平段轨迹平稳，平均全角变化率1.79°/30 m。     

尤拉屯高产气井完井管柱振动损伤研究

针对尤拉屯气田典型管柱在生产过程中高速气流诱发的振动问题，展开了管柱振动损伤研究，研究中采用了 大型有限元分析软件ANSYS 建立高产气井带封隔器油管柱振动的有限元模型。利用该模型对管柱进行了振动分析， 分析结果表明：离封隔器越远振动位移、速度和加速度的幅值越大。详细地研究了全井段油管柱的轴向应力变化、屈 曲损伤和中和点变化，同时分析了不同位置和不同产量下，屈曲管柱与套管柱的接触压力随时间的变化关系，为管柱 摩擦磨损损伤机理的深入研究提供了定量的数据。最后对管柱进行了疲劳寿命预测，为管柱振动损伤预防措施的提 出提供了理论基础。     

热膨胀系数对气体钻井井底岩石应力场的影响

气体钻井中高压气体通过喷嘴发生焦耳—汤姆逊效应,导致井底温度降低,井底低温影响井底附近岩石应力分布。在热膨胀系数为常数和随机变量两种情况下,研究了低温对气体钻井中井底岩石应力分布的影响。结果表明：井底温度降低,切向应力增大,径向应力减小,意味着井底温度降低,岩石变得容易破裂,有利于提高机械钻速;热膨胀系数为常数和随机变量两种情况下,应力分布趋势相同,只是数值上有所差别,热膨胀系数为随机变量时的切向应力数值大于热膨胀系数为常数时的切向应力。     

川西须家河组气藏气井采气新技术探索

针对川西须家河组气藏埋藏深、裂缝发育、含CO₂、采气过程中见水快和采气管柱易腐蚀的生产难题，从地层流体流动能力随压差增大而增加、管柱腐蚀随CO₂分压增高而加剧出发，提出在采气过程中，运用临界产量（最大生产压差）配产，延长无水采气期；采用井下节流技术降低采气管柱CO₂分压，降低油管腐蚀速率。二者结合既能合理配产，延长气井污水采气时间，也能从工程上保证控制生产压差和降低井筒CO₂分压的实现，从而达到提高气井生产效率的目的。     

ASS－1屏蔽暂堵钻井完井液体系的实验研究

根据现场实际钻井过程,在实验室模拟ASS-1钻井完井液体系对储层岩芯进行动、静态伤害,岩芯渗透率平均恢复率可达到89%,经高压气体反向驱排之后恢复率可以提高到93%,滤饼的脱落压力小于1.0MPa,表明该体系只对储层产生轻微伤害,暂堵颗粒与储层孔隙直径相匹配,变形材料与暂堵剂、储层等配伍性良好,还可以通过储层自身压力实现解堵;岩芯从伤害端切除长约1cm后,岩芯渗透率的恢复率大幅度上升,平均可达137%,表明钻井液对岩芯的伤害深度在1cm以内;最后对岩芯不同部位通过电镜扫描,发现岩芯内部孔隙或喉道内没有任何固相颗粒侵入,进一步证明ASS-1体系的暂堵保护只发生在岩芯表面。研究认为,ASS-1钻井完井液体系选用适当粒度级别的碳酸钙作为暂堵剂是合理的,暂堵只是在井壁表面,达到了保护储层的目的,并且进一步拓宽了ASS-1体系的使用范围。