[01235796]复杂结构井岩屑床预测及清洁工具配套技术

本项目针对复杂结构井岩屑运移规律复杂、岩屑床清除困难、水力参数难准确预测的难点问题,开展了复杂结构井岩屑运移规律室内实验和CFD数值分析,建立了复杂结构井全井段岩屑运移力学模型,开发了复杂结构井水力参数优化设计软件和岩屑床分布预测软件;开创了井眼清洁工具沿大斜度井段和水平井段分布位置优化技术;进行了复杂结构井井眼清洁工具CFD模拟和结构优化设计,发明了旋转钻进井眼清洁工具;在国内外首次提出了液力-磁耦合自旋转传动的相关机理概念,开发了适用于滑动钻进和连续油管钻井的井眼清洁工具;取得了以下创新性研究成果： 为了解决复杂结构井大斜度井段存在的井眼清洁问题,开展了复杂结构井岩屑床预测及岩屑清洁工具配套技术研究。以环空岩屑运移力学模型、固液两相流理论等为基础,结合井眼轨道、井身结构等输入参数,利用C#开发了可以优化钻井参数以及计算环空任意井深处的压力、岩屑床高度等参数的水力学软件,登记软件著作权1项（复杂结构井水力参数优化系统V1.0）,获得授权专利1项（钻井循环系统综合模拟实验装置）;通过室内实验研究得到岩屑颗粒在钻井液中的沉降规律,建立适用于非牛顿流体中岩屑阻力系数模型并求解岩屑沉降末速度方程;研究了直井段钻井液最小悬浮岩屑临界速度,大斜度井段岩屑启动速度,岩屑悬浮速度,以此为基础,编制了岩屑床预测软件,获得软件著作权1项（岩屑床分布预测软件V1.0）;通过CFD数值模拟,研究了井眼清洁工具旋转增速器的压力作用、机械作用、轴向加速等工作原理,并通过建立螺旋器叶片效率模型及螺旋面-岩屑耦合作用模型,分析了螺旋角、井斜角等参数对岩屑运移速度的影响,完成了井眼清洁工具的结构优化设计,开发了旋转钻进岩屑清洁工具,获得授权专利2项（一种钻具上使用的岩屑清洁装置,水平井用井眼清洁工具）;提出了岩屑床休止井斜角的概念,基于该概念和实测数据,提出了井眼清洁工具沿大斜度井段和水平井段分布数量及安放位置的岩屑清洁工具分布位置优化技术;在国内外首次提出了液力-磁耦合自旋转传动的相关机理概念,开发了适用于滑动钻进和连续油管钻井的井眼清洁工具,获得授权发明专利2项（分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具;一体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具）,与国内外同类产品相比,该类工具竞争优势明显,尤其适合我国水平井、大位移井多用滑动钻进方式的大背景,具有广阔的市场前景和良好的应用空间。以上成果组成了岩屑清洁领域的一整套技术体系：通过岩屑床分布预测软件预测岩屑携带困难的节点,据此下入井眼清洁工具,利用岩屑清洁工具分布位置优化技术合理布放井眼清洁工具,以实现环空岩屑的有效运移,该配套技术研究成果适用于多种钻进方式,有助于实现钻井单元的有机结合,最大化提高井眼清洁效率。 申请人依托该项目,形成了复杂结构井水力参数优化系统、岩屑床预测软件、岩屑清洁工具分布位置优化技术、旋转钻进岩屑清洁工具、液力-磁耦合自旋转岩屑清洁工具等系列科技成果,涵盖岩屑清洁技术各个方面。并取得了软件著作权2项,发明专利10项（其中授权8项,受理2项）,发表论文12篇（其中SCI收录1篇,EI收录8篇）等一系列知识产权,其中液力-磁耦合自旋转岩屑清洁工具属国内外首创,尤其适用于我国水平井、大位移井多用滑动钻进方式的大背景,具有广阔的市场前景和良好的应用空间。 本项目的系列成果首先在玉门油田Y5-XH水平井进行了上井应用,根据岩屑床分布预测软件V1.0,预测出该井在井斜大于60°的井段易形成岩屑床,应用岩屑清洁工具分布位置优化技术,计算出需要下入3只工具,并给出具体分布位置,分别位于钻头后方84.7,275.8,466.9m,即第1根钻杆立柱、第7根钻杆立柱和第14根钻杆立柱上,并利用复杂结构井水力参数优化系统V1.0软件优化Y5-XH水平井水力参数,应用该成套技术后,岩屑清洁效率提高30%,复杂结构井水力参数优化系统软件预测精度高于95%,通过岩屑床分布预测软件、复杂结构井水力参数优化系统软件、岩屑清洁工具分布位置优化技术以及井眼清洁工具的配套使用,使单井平均钻井周期缩短了4天7小时,井队人工、工具租赁和其他费用约4.5万/天,因此单井人工、工具租赁成本平均节约：4.5万/天×4.29天=19.3万元;另外,使用该旋转钻进井眼清洁工具,及利用水力参数优化系统后可减少钻井液增粘剂、包被剂等化学药剂的使用,单井平均节省药剂成本2.6万元;因此单井钻井成本共减少了19.3+2.6=21.9万元。该成套技术先后在大庆油田、吉林油田和玉门油田共计应用50口井,平均钻井周期缩短4天7小时,单井平均成本节省21.9万元,累积节省1095万元。