让钻头拥有“加速度”

8月2日,中原石油工程公司的技术人员,在焦页1-S2井用他们自主研发的水平井钻井减摩阻技术,顺利解决了深井长水平段水平井摩擦阻力和扭矩大、定向托压等技术难题,机械钻速提高了63.3%,钻井周期缩短了54.7%。近日,该公司完成的“水平井钻井减摩阻技术研究与应用”项目通过集团公司技术成果鉴定,整体达到国际先进水平。

建立水平井动态摩阻计算模型,确定影响摩阻的因素

百日攻坚创效行动开展以来,中原石油工程公司从生产实际出发,加大科研技术攻关,为钻井提速提效和低成本勘探开发提供技术支撑。

随着中石化油气井钻井市场的不断开拓,钻探区域不断扩大,水平钻井所遇到的复杂性也越来越大,特别是在川渝页岩气、新疆、陕北等地区,钻遇地层复杂,高摩阻高扭矩导致阻卡、断钻具等故障,严重制约了钻井提速提效和低成本勘探开发。”钻井工程技术研究院钻井工艺研究所副所长孔华介绍。

为此,科研人员迅速开展深井水平井减摩降扭技术攻关。从钻柱刚度和钻井实际工况等方面综合考虑,采用赫兹接触理论和库仑摩擦定理,优化了三维井眼钻柱摩阻扭矩计算模型。明确了井眼净化程度、管柱运动状态等因素为影响钻柱摩阻、扭矩的主要可控因素,并开展针对性攻关研究,揭示了钻柱摩阻扭矩分布规律,为研制出减摩阻工具和减摩降扭工艺提供了关键的依据。

研制减摩降扭关键工具,为钻头加速

“传统的钻井工艺技术,已无法满足深层页岩气井开发需求,不利于提高深部油气资源的低成本开发效益,为此,我们从解决大斜度井段级水平段易形成岩屑床着手,从高摩阻扭矩易导致滑动钻压传递困难等方面开展技术攻关,寻求技术突破,研制减摩降扭关键工具,为钻头加速。”钻井工艺研究所主任师王志远说。

随着深井水平井水平段进尺的不断延伸,易形成岩屑床,岩屑床沉积导致钻完井施工严重阻卡,甚至造成卡钻、断钻具和填井侧钻等故障发生。为解决这种技术问题,科研人员根据钻井液携岩机理和流体动力学原理,研制出高效燕尾式岩屑床破坏工具,钻井中,该工具随钻柱旋转,搅动并挖掘岩屑床,具有专利设计的燕尾型导流槽更为有效地将沉积于井眼低边的岩屑卷入燕尾槽道,在燕尾槽道的作用下,提高了岩屑的悬浮能力及上返速度,从而更容易被钻井液带走,提高了携岩清砂效率。

“在研发滚珠式低摩阻稳定器前,我一直苦思冥想,在上班路上,无意中看到一位修自行车的师傅在自行车的轴承里安装钢珠,我瞬间得到了灵感,给扶正器也加上滚珠,这样可以解决钻柱钻进施工中,因扭矩消耗大导致钻压传递困难的问题,从而达到减阻降扭和扶正的效果。” 钻井工艺研究所主任师王志远回忆时说。

针对深井水平井滑动钻进时,大部分钻压传递不到钻头,基于负压脉冲引发管柱轴向振动减摩的工作机理,科研人员研制了负压式脉冲水力振荡器,将静摩擦转变为动摩擦,从而减小摩阻,提高钻压传递效率。

一井一案,实现个性化减摩降扭钻井工艺技术

为了起到更好的减摩降扭作用,科研人员依据摩阻扭矩分布规律及岩屑床运移机理,针对不同井型的深井水平井,实施一井一案策略,计算分析岩屑床沉积和大摩阻高扭矩重点井段,优化设计减摩工具安放位置、工程参数,并采用钻井液低摩阻控制技术协同减摩,形成个性化减摩降扭工艺技术。

该技术成果在川渝工区、西北工区应用62口井。实行“一井一案”,减摩降扭效果显著,较好地解决了现场的技术难题,取得了良好的应用效果。随后,该技术在山西、延长、冀东等区域推广应用了79口水平井。

“该技术获得国家发明专利1件,实用新型专利6件,应用井平均单井定向周期和完井周期同比缩短6.68天,节约钻井成本3697.58万元。为解决水平井易形成岩屑床、滑动钻进时“托压” 和钻速慢等井下复杂情况,提供了有力的技术支撑,经济和社会效益显著。”钻井工艺研究所书记梁应红说。(许颖 杜嘉 杨玄

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