钻柱减振增压提高钻速技术 及复杂深井钻井工程风险评价钻柱减振增压提高钻速技术 及复杂深井钻井工程风险评价报告人：管志川中国石油大学（华东）报告人：管志川中国石油大学（华东）一、钻柱减振增压提高钻速技术一、钻柱减振增压提高钻速技术（一）钻柱纵向振动特性及钻压波动规律 （二）减振增压装置工作原理 （三）超高压射流钻头及连接装置 （四）现场应用试验及效果评价（一）钻柱纵向振动特性及钻压波动规律 （二）减振增压装置工作原理 （三）超高压射流钻头及连接装置 （四）现场应用试验及效果评价 二、小井眼水平段长度延伸能力分析二、小井眼水平段长度延伸能力分析（一）水平井筒内钻柱的运动特征 （二）水平段长度延伸能力分析方法 （三）水平井钻具组合设计方法（一）水平井筒内钻柱的运动特征 （二）水平段长度延伸能力分析方法 （三）水平井钻具组合设计方法三、三、复杂深井设计及工程风险评价复杂深井设计及工程风险评价（一）地层信息不确定性的定量描述方法 （二）地层信息不确定条件下钻井液安全密度窗口确定 （三）地层信息不确定条件下套管层次与下入深度设计方法 （四）钻井工程风险的种类与评价方法（一）地层信息不确定性的定量描述方法 （二）地层信息不确定条件下钻井液安全密度窗口确定 （三）地层信息不确定条件下套管层次与下入深度设计方法 （四）钻井工程风险的种类与评价方法汇报内容汇报内容1、改变井底岩石应力状态（如气体钻井、欠平衡钻井等）2、改变破岩方式（钻头类型：如牙轮钻头、PDC钻头等）3、优化钻井参数（钻压、转速、水力参数）1、改变井底岩石应力状态（如气体钻井、欠平衡钻井等）2、改变破岩方式（钻头类型：如牙轮钻头、PDC钻头等）3、优化钻井参数（钻压、转速、水力参数）4、水力机械联合破岩（4、水力机械联合破岩（井下水力增压器井下水力增压器、粒子钻井等）、粒子钻井等）提高破岩效率和钻速的途径：提高破岩效率和钻速的途径：提高钻头喷嘴射流压力（100MPa），实现射流水力辅助破岩提高钻头喷嘴射流压力（100MPa），实现射流水力辅助破岩一、钻柱减振增压提高钻速技术一、钻柱减振增压提高钻速技术射流切割岩石断口外观形貌超高压水射流作用下岩石切槽形状超高压水射流作用下岩石切槽形状(a) 规则长形切槽 在常规的在常规的311.1mm和216mm311.1mm和216mm之间的井眼中使用之间的井眼中使用100kN100kN到到200kN200kN的、钻压，转速在的、钻压，转速在70r/min70r/min至至120r/min120r/min之间变化时，钻压波动量在之间变化时，钻压波动量在100～200kN100～200kN之间，波动频率是转速的之间，波动频率是转速的3～43～4倍。
倍一）钻柱纵向振动特性及井底钻压波动规律（一）钻柱纵向振动特性及井底钻压波动规律0.511.522.533.500.511.522.533.544.5 时间（×2.8s)钻 压 （ × 8 9 . 5 k N )0.511.522.533.500.511.522.533.544.5 时间（×2.8s)钻 压 （ × 8 9 . 5 k N )00.511.522.500.511.522.533.544.55 时间（×2.8s)钻压（×8 9 . 5 k N ）模拟实验装置模拟实验装置转 速 对 钻 柱 运 动 状 态 的 影 响转 速 对 钻 柱 运 动 状 态 的 影 响井 眼 内 的 钻 柱 运 动 规 律井 眼 内 的 钻 柱 运 动 规 律钻 压 对 钻 柱 运 动 状 态 的 影 响钻 压 对 钻 柱 运 动 状 态 的 影 响井 眼 内 的 钻 柱 运 动 规 律井 眼 内 的 钻 柱 运 动 规 律底 部 钻 柱 运 动 状 态底 部 钻 柱 运 动 状 态23.046.057.769.092.0 115.0 r/min23.046.057.769.092.0 115.0 r/min转速逐级增加转速逐级增加转速逐级增加转速逐级增加钻钻钻钻 压压压压 逐逐逐逐 级级级级 增增增增 加加加加44.7kN89.5kN134.2kN178.9kN223.7kN268.4kN44.7kN89.5kN134.2kN178.9kN223.7kN268.4kN 利用钻井过程中由于钻柱纵向振动所引起的井底钻压波动作为能量来源。
利用钻井过程中由于钻柱纵向振动所引起的井底钻压波动作为能量来源 通过钻柱的纵向振动带动井下柱塞泵的柱塞上下运动，并利用钻压波动压缩钻井液使之增压并通过钻头上的某一特制喷嘴产生超高压射流（通过钻柱的纵向振动带动井下柱塞泵的柱塞上下运动，并利用钻压波动压缩钻井液使之增压并通过钻头上的某一特制喷嘴产生超高压射流（可达100MPa以上可达100MPa以上） 既减小了钻柱振动，保护了钻头和钻柱，又提高了射流压力，实现水力破岩变有害为有利既减小了钻柱振动，保护了钻头和钻柱，又提高了射流压力，实现水力破岩变有害为有利二）减振增压装置工作原理（二）减振增压装置工作原理减振增压装置的数值仿真减振增压装置的数值仿真4Hz、10吨脉冲力作用时的泵压曲线4Hz、10吨脉冲力作用时的泵压曲线0.000.250.500.751.000.020.0M40.0M60.0M80.0M100.0M120.0M输入峰 值10吨脉冲力 P1P3压力 （ Pa）Time ( S)4Hz波动频率、10吨钻压波动幅度条件下可以 产 生 近100MPa的泵压4Hz波动频率、10吨钻压波动幅度条件下可以 产 生 近100MPa的泵压。
二）减振增压装置工作原理（二）减振增压装置工作原理减振增压装置的数值仿真减振增压装置的数值仿真0.000.250.500.751.000.020.0M40.0M60.0M80.0M100.0M120.0M140.0M160.0M输入峰 值15吨脉冲力 P1P3压力 （ Pa）Time ( S)4Hz、15吨脉冲力作用时的泵压曲线4Hz、15吨脉冲力作用时的泵压曲线4Hz波动频率、15吨钻压波动幅度条件下可以 产 生 近140MPa的泵压4Hz波动频率、15吨钻压波动幅度条件下可以 产 生 近140MPa的泵压二）减振增压装置工作原理（二）减振增压装置工作原理减振增压装置的数值仿真减振增压装置的数值仿真0.000.250.500.751.00-20.0M0.020.0M40.0M60.0M80.0M100.0M120.0M140.0M160.0M180.0M输入峰 值18吨脉冲力 P1P3压力 （ Pa）Time ( S)4Hz、18吨脉冲力作用时的泵压曲线4Hz、18吨脉冲力作用时的泵压曲线4Hz波动频率、18吨钻压波动幅度条件下可以 产 生 超 过160MPa的泵压4Hz波动频率、18吨钻压波动幅度条件下可以 产 生 超 过160MPa的泵压。
二）减振增压装置工作原理（二）减振增压装置工作原理超高压喷嘴超高压流道钻头扶正接头超高压管超高压钻头及连接装置示意图超高压钻头及连接装置示意图（三）超高压射流钻头及连接装置（三）超高压射流钻头及连接装置（三）超高压射流钻头及连接装置（三）超高压射流钻头及连接装置超 高 压 射 流 钻 头 及 连 接 装 置 实 物 照 片超 高 压 射 流 钻 头 及 连 接 装 置 实 物 照 片装置组装现场装置组装现场根据整体结构设计及结构参数计算的结果，考虑到第一次设计的强度安全可靠性，第一代样机设计选择应用 在根据整体结构设计及结构参数计算的结果，考虑到第一次设计的强度安全可靠性，第一代样机设计选择应用 在 311.15mm311.15mm 井 眼中，减振增压装置外径为井 眼中，减振增压装置外径为288.6mm288.6mm减振增压装置的设计、加工及组装减振增压装置的设计、加工及组装（四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价减振增压装置的设计、加工及组装减振增压装置的设计、加工及组装装 置 地 面 测 试装 置 地 面 测 试（四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价 现场试验井：现场试验井：胜利油田桩古10-58井胜利油田桩古10-58井 钻进地层：钻进地层：中生界地层（地层厚度大约250m）中生界地层（地层厚度大约250m） 岩性特点：岩性特点：中上部主要由一套灰白色砾状砂岩与肉红、棕红色泥岩不等厚互层，下部为一套煤系地层，发育有碳质泥岩、煤层、灰色泥岩，局部夹厚层灰色砾状砂岩；与下伏下古生界地层呈不整合接触。
中上部主要由一套灰白色砾状砂岩与肉红、棕红色泥岩不等厚互层，下部为一套煤系地层，发育有碳质泥岩、煤层、灰色泥岩，局部夹厚层灰色砾状砂岩；与下伏下古生界地层呈不整合接触 下井工作情况：下井工作情况：2007年11月1日凌晨2：00开始下钻（井深3457.5m），13：52分开始钻进，当日20：39出现钻速减慢，扭矩减小情况，结束试验（井深3482.5m）11月2日上午10：46起出井口2007年11月1日凌晨2：00开始下钻（井深3457.5m），13：52分开始钻进，当日20：39出现钻速减慢，扭矩减小情况，结束试验（井深3482.5m）11月2日上午10：46起出井口四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价第一次下井试验：第一次下井试验：试验井段钻具组合及钻进参数：试验井段钻具组合及钻进参数： 钻具组合：钻具组合：Φ311.2mm井下超高压钻头(PDC)+JZ-ZY-1装置 +Φ228.9mm 钻 铤 3 根 +Φ203.2mm 钻 铤 3 根 +Φ177.8mm钻铤6根+Φ127.0mm钻杆Φ311.2mm井下超高压钻头(PDC)+JZ-ZY-1装置 +Φ228.9mm 钻 铤 3 根 +Φ203.2mm 钻 铤 3 根 +Φ177.8mm钻铤6根+Φ127.0mm钻杆。
钻进参数：钻进参数：钻压30～50kN；转盘转速75r/min； 排量30L/s；钻井液密度1.43g/cm钻压30～50kN；转盘转速75r/min； 排量30L/s；钻井液密度1.43g/cm3 3邻井对比井段钻具组合及钻进参数：邻井对比井段钻具组合及钻进参数：钻具组合：钻具组合：Φ311.2mm牙轮钻头+Φ228.9mm减震器+Φ228.9mm钻铤3根+Φ203.2mm钻铤3根+Φ177.8mm钻铤6根+Φ127.0mm钻杆Φ311.2mm牙轮钻头+Φ228.9mm减震器+Φ228.9mm钻铤3根+Φ203.2mm钻铤3根+Φ177.8mm钻铤6根+Φ127.0mm钻杆钻进参数：钻进参数：钻压200～220kN；转盘转速80r/min；排量32L/s；钻井液密度1.42g/cm3钻压200～220kN；转盘转速80r/min；排量32L/s；钻井液密度1.42g/cm3四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价钻柱减振增压装置下井前实物照片钻柱减振增压装置下井前实物照片3320334033603380340034203440346034803500020406080100120140160180200 试验井段未试验井段钻 压 转 速 钻 时井深(m)钻 时 (min/m)、钻 压(×10kN)、转 速(r/min)012345678910机械钻速机械钻速(m/h)桩古10-58井试验效果分析桩古10-58井试验效果分析（四）现场应用试验及效果评价（四）现场应用试验及效果评价在邻井未使用减振增压装置的相同地层和井段:平均钻时为在邻井未使用减振增压装置的相同地层和井段:平均钻时为50min/m50min/m；；在试验井相同地层下入减振增压装置之前，平均钻时在试验井相同地层下入减振增压装置之前，平均钻时90.10min/m90.10min/m；；在试验井相同地层下入减振增压装置之后，平均钻时在试验井相同地层下入减振增压装置之后，平均钻时9.67min/m9.67mi。