中国石化超深层钻完井关键技术挑战及展望

超深层是中国石化油气勘探开发的重要增储上产领域。针对超深层勘探开发需求和高温高压及复杂地质环境带来的工程挑战,中国石化持续开展关键技术攻关,在钻完井基础理论和方法、钻完井装备、高温井筒工作液、耐高温井下工具仪器和完井测试等方面取得关键技术进展,保障了120口超8 000 m油气井的安全钻探,钻深能力突破9 000 m,助推塔里木盆地顺北大型超深油气田建设、四川盆地海相特深层油气勘探开发突破,为保障超深层油气勘探开发提供了有力的工程技术支撑。随着油气勘探开发不断向更深层推进,技术升级转型需求日益迫切,需进一步夯实理论研究基础,突破耐高温关键工具仪器和井筒工作液,加快推进钻完井工程技术向数智化转型,为保障深层、超深层油气高效勘探开发和加快技术升级转型提供工程技术支撑。

基于管柱动力学的特深井通井组合刚度评价方法与应用

我国特深井钻井正处于快速发展阶段,受井眼尺寸大和深度深的影响,钻井过程中极易出现微井斜、扩径缩径和井壁台阶等,导致套管下入困难,因此通井钻具组合评价尤为重要。目前,现场使用的评价方法常忽略了管柱下入过程中与井壁的碰撞和变形,导致通井效果时好时坏。为了辅助现场施工,文章基于全井管柱动力学模型和HHT-α数值计算方法提出了一种能够模拟管柱下入的动态过程的通井钻具组合的评价方法,该方法考虑了实测井眼轨迹、井眼扩大率和下入阻力等要素。通过某特深井三开下套管前的钻具组合进行实例计算分析,表明井眼扩大率和套管串下入阻力对通井能力和套管下入影响较大,当井眼扩大率较小且套管串下入阻力较大时,需要使用刚度较大的多扶正器通井钻具组合。本方法可以实现实测井况条件下比较精准的刚度对比模拟,也成功指导了案例井?486 mm套管的安全下入。

川西地区深层致密砂岩气氮气钻完井试验及发展建议

深层低渗致密砂岩气藏基质黏土胶结物含量高、孔喉细小、低渗透率、低孔隙度、强亲水,采用常规水基工作液勘探开发易产生储层伤害,且伤害后渗透率难以恢复。氮气钻完井技术可从根本上避免钻井液中的固液相侵入引起储层损害,有效保护储层,提高单井产量。文章回顾了近年来氮气钻完井技术开发深层致密砂岩气的实践应用情况,从储层保护、及时发现气层、自然建产、提供地质甜点依据、为气藏富集规律确定提供辅助依据五个方面系统评价该项技术开发深层致密砂岩气的效果,同时针对井眼轨迹控制、井壁失稳及井下岩爆诱发卡钻、钻杆完井和井位及井段优选四个方面阐述了将来氮气钻完井技术的研究方向,以期为四川盆地须家河组致密砂岩气及国内外其他相似气藏的高效开发提供借鉴。

尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究

为探究尺寸效应对小尺寸岩样单轴压缩试验的影响规律,通过在室内伺服试验机上对直径25 mm,不同长度的花岗岩岩样进行单轴压缩试验,研究尺寸效应对小尺寸花岗岩岩石力学参数以及破坏形式的影响规律。试验结果表明,随着长径比增加,岩样表现出抗压强度和泊松比逐渐减小,弹性模量增加的趋势。其中,多项式模型较为适合小尺寸岩样尺寸效应强度模型;不同长径比岩样的单轴压缩试验应力应变曲线加载趋势不同,其峰值应变随着长径比的增加而减小;随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏,岩样破坏面数量与角度出现规律性变化。当长径比在1.1~2.2时,岩样破坏形式遵循相同的破坏准则,通过拟合公式推导不同长径比岩样的力学参数存在可行性;岩石单轴试验破坏过程中的能量与长径比呈负相关,且当长径比在1.9~2.2时,各能量变化幅度趋于平缓,岩样破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,可作为小尺寸岩样单轴试验的最佳长径比。

迪北区块深层致密砂岩气藏氮气钻完井技术应用及认识

针对塔里木油田迪北区块目的层阿合组致密砂岩储层岩性致密、地层压力高、煤层发育,应用常规液体介质的钻完井技术对储层损害严重,为此特引入氮气钻完井技术,并在DX1井开展现场试验,获得日产气量82.39×104m3,日产油量100.8 m3的高产。但由于地层岩性的复杂性,氮气钻完井过程中,出现了井壁垮塌严重、内防喷工具失效、井控装备冲蚀等问题,制约了氮气钻完井技术在该区块的推广应用。通过对井身结构、钻具组合、井口装备、排砂管线、内防喷工具以及配套工艺流程等关键工艺、装备的改进优化,形成适用于高压高产深层致密砂岩储层的氮气钻完井配套工艺技术,并在DB104井开展了现场试验,试验效果显著。与同区块液体介质钻井的钻完井方式相比,DB104井日产气增加了400余倍,日产油量增加了6倍。通过DX1井和DB104井证明,只要工艺、装备、措施得当,氮气钻完井技术在迪北区块这类高温高压深层致密砂岩气藏中对储层具有重要的保护作用,可为塔里木油田乃至全国高压高产致密砂岩储层的高效勘探开发提供技术支撑。

库车山前巨厚砾石层震动控制方法的研究

库车山前巨厚砾石层软硬交错,钻进过程中钻具震动强烈,“蹩跳钻”现象严重,对钻头、地面设备等损伤严重,制约了山前主力油气区块的提速提效。为有效降低井下震动,保护井下工具、提高钻头使用寿命,文章设计了一款具有较好抗冲击、抗涡动和稳定性的PDC钻头;针对正在使用的碟簧减震器、防粘滑工具等减震工具存在的不足,研制出了震动解耦工具DDS,结合工作经验,提出了带震动解耦工具DDS的钻具组合。现场试验表明,新配置的钻具组合在井下工作时钻头处测得的震动均值平均降幅达到30.2%,震动峰值平均降幅17.4%,新研制的钻头减小了对钻头和复合片的冲击,延长了钻头的使用寿命,满足了快速钻进需求,为国内砾石层钻进过程中的震动控制提供了重要参考。

古龙页岩油开发试验钻井设计优化与实践

古龙页岩油与国内外陆相页岩油相比,陆相淡水沉积环境的青山口组黏土矿物体积分数较高,且多孔多缝,呈纹层状结构,易发生层间散裂、性脆,易吸水膨胀垮塌,独特的地质特性给古龙页岩油钻井带来了巨大挑战。针对钻井过程中容易出现井壁失稳、井漏、摩擦阻力大、钻井周期长等钻井技术难题,从平台井部署、井身结构、井眼轨道、提速技术、钻井液、固井等方面开展优化技术研究,创新采用了“双二维”轨道模型、“一趟钻”技术、油基钻井液、多级固井顶替等一系列新技术。结果表明:与GYP1井相比,试验区的平均钻井速度从11.44 m/h提高至27.75 m/h、水平段固井质量优质率从71.51%提升至86.27%,平均钻井周期从108.17 d缩短至26.82 d。研究成果为古龙页岩油实现储量动用最大化、施工效率最优化提供了强有力的技术支撑,也为古龙页岩油立体化、规模化、效益化开发奠定了基础,对推进中国陆相页岩油技术革命具有重要指导意义。

智能钻井多目标协同优化系统研究与应用

在深井超深井钻探过程中,井眼中高强度、高研磨性地层导致的钻头早期磨损、井下钻具振动剧烈、井眼清洁不足等,严重制约了深井超深井的安全快速钻进。针对上述问题,文章提出了一种智能钻井多目标协同优化系统,可以实时跟踪、优化钻井参数,提高钻井性能。同时基于机械钻速和机械比能,定义了钻井性能综合评价指标;结合地应力、钻具振动、摩阻扭矩、井眼清洁和破岩能效等地质、物理模型,提出了包含探索、学习和应用三种模式的钻井参数实时优化流程,训练了融合支持向量回归模型和随机森林回归模型的钻井参数实时优化算法。该系统在深地川科1井进行了现场应用,提速比达到了41.5%,为深井超深井钻井优化提速提供了一种新的技术手段。

塔里木油田超深层钻井技术进展及难题探讨

当前,塔里木油田以超深特深层为代表的深地油气资源开发对满足我国经济发展需求和保障能源安全至关重要。经过数十年的探索和实践,塔里木油田创新形成了超深复杂井井身结构设计、超深难钻地层钻井提速、超深大斜度井水平井钻井、超深复杂地层钻完井液、超深复杂地层固井、高温高压井完整性、超深复杂井井控等一系列超深层钻井技术,保障深地油气勘探获得重大突破并创造多项纪录。伴随超深井数量持续增加,工程地质条件更加复杂,井下环境更加苛刻,超深层钻井过程势必面临新的工程难题和挑战,严重制约深地油气资源安全高效开发。为此,通过概括塔里木油田钻井工程技术发展历程,系统梳理了深地钻井工程技术取得的主要技术进展,并结合新的勘探开发形势与油气开发要求,指出了塔里木油田钻井工程技术从超深层迈入特深层新时期的焦点问题及攻关发展方向,为国内外深地复杂油气井安全高效钻进提供借鉴和参考。

采气井站高效生产运行机制的探索与实践

中石化西南油气分公司采气三厂为推进“集中监控、无人值守、少人巡检、专业维修”管理模式落地,以生产指挥中心为核心,以生产组织运行关键业务为重点,以扁平化组织架构为支撑,利用信息化手段,明确内外操职能和工作界面,做强生产指挥中心“内操”职能,做实基层班组“外操”职能,内操通过信息化平台对生产现场实时管控,通过气田PCS系统一体化联动;外操对生产异常及时处置,有效提高了异常发现和管控的及时率,促使生产运行管理理念由管正常向管异常转变。逐步形成了“全面覆盖、无缝链接、精准高效”的立体管理体系,无人值守场站比例由标准化建设前23%提升至49%。

万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究

油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺寸钻具使用寿命远低于预期。为此,在对比研究了深地川科1井(以下简称SDCK-1井)和毗邻8000 m超深井上部井段钻柱振动问题基础上,基于全井钻柱系统动力学模型和数值仿真方法,针对性研究了大尺寸井眼中的钻柱动力学特性。研究结果表明:①井眼尺寸越大,钻头和下部钻具的振动越剧烈,SDCK-1井二开大尺寸井眼与邻井中等尺寸井眼相比(井深500 m处),其钻头及下部钻具振动强度均值分别增加了48.0%和41.5%,比SDCK-1井三开中等尺寸3000 m井深的钻头及下部钻具振动强度均值分别高了29.0%和2.9%;②相同井眼尺寸和岩石特性情况下,下部钻具组合比钻柱整体长度对钻头振动的影响更大,优化下部钻具组合能够明显改善钻头振动,保护钻头,同时还可以提高钻头破岩能量利用效率实现钻井提速;③在大尺寸井眼中钻头破岩激励向上传播,横向振动衰减慢于轴向振动衰减,大尺寸钻头扭矩更大且钻压和扭矩波动更加明显,因此从保护下部钻具的角度出发,大尺寸井眼钻具组合对抑制横振更加有效;④大尺寸井眼中下部钻具弯矩和弯矩波动更大,现场频繁出现的钻具裂纹除受控于整体振动强度较大以外,交变弯矩是裂纹发生的重要原因。结论认为,该研究成果揭示了超深井大尺寸井眼中钻柱的动力学特性,指出了应着重控制横振和交变弯矩,该认识可以为超深井上部大尺寸井眼钻井提供技术指导。

溱潼凹陷红页201井组钻完井关键技术研究与应用

溱潼凹陷红页201井组以定向井方式开发页岩油,通过井身结构优化,形成二开制(变径)井身结构,优选高效钻头复合钻井技术(PDC)钻头实现钻井提速,使用偏心扩眼器应对上部井段缩径问题,优选高性能水基钻井液体系维持井壁稳定,实现红页201井组高效钻完井。

深层、超深层定向钻井中若干基础研究进展与展望

深层、超深层定向钻井具有“垂深大与水平延伸远”的双重特征,受到复杂地层、高温高压、超长裸眼等多重因素约束,其安全高效作业面临着更大的全方位技术挑战。为此,着眼于深层、超深层定向钻井的提速提效问题,系统总结了定向钻井的发展概况与技术特点,选取了深层、超深层定向钻井中力学方面的几个重要基础问题,分析了国内外专家学者的相关研究进展和最新研究成果,最后展望了深层、超深层定向钻井基础理论研究发展趋势并提出相关建议。研究结果表明:①大小偏差融合控制算法兼顾了井眼轨迹的控制精度、光滑度等多目标约束,适应于深层、超深层条件下井眼轨迹实时控制要求;②合理优化振动减阻工具个数、安放位置及其激励力幅值,可显著降低井下管柱摩阻,并有效提高机械钻速;③基于误差补偿机制的机械钻速融合预测模型既保留了机理模型的可解释性,又具有较高的预测精度;④套管复合磨损预测模型突破了经典“单月牙”模式的局限性,实现了复合模式下套管磨损形状与深度的同步预测。结论认为,深层、超深层定向井和水平井是未来油气井工程的重要发展方向之一,需要加强多因素耦合机理、钻井延伸极限、机理与数据融合驱动等方面的基础研究,以推动复杂油气井工程基础理论的创新与发展,为深层、超深层钻井工程技术进步提供必要的基础理论支撑。

库车山前气体钻井技术应用效果评价

塔里木油田从2006年来在库车山前大北、博孜、迪北3个区块开展了气体钻井技术的探索与应用,取得了显著效果。其中,针对塔里木库车山前高陡巨厚砾岩层研磨性强、可钻相差、井壁稳定性差等,开展了空气钻井技术的探索、升级配套以及优化完善,有效解决了库车山前砾石核心区地层难钻的问题,大幅提高了钻井效率,新实施井平均机械钻速达到6.93 m/h,是同区钻井液钻进的两倍以上,钻井周期较设计缩短54.2%;针对迪北构造阿合组致密敏感性储层采用氮气钻完井技术,“零污染”钻进,扩大了勘探发现,提高了开发产能,DB104井日产气量高达72.6×104m3,日产油量51.36 m3,与同区块常规钻完井方式相比,大幅度提高了日产气量。但气体钻完井中仍然存在油钻杆完井管柱不能满足长效安全生产等问题,建议持续开展技术攻关,以保障氮气钻安全钻进和开发。通过文章的梳理,有助于塔里木油田气体钻井技术进一步发展,同时为国内其他区块的气体钻井技术升级提供借鉴。

中东地区碳酸盐岩油藏钻井工程技术现状及发展趋势

中国石油自进入中东地区以来在该地区5个国家获得14个项目,已钻井3 200余口,其中作业者项目1 100余口。中东地区碳酸盐岩油藏通常从上到下分布4~7套储层,井深及温度压力变化范围大,主要采用立体井网多井型组合丛式平台钻井。巨厚碳酸盐岩地层岩性及压力系统复杂,地层软硬交错,漏失通道复杂,同层漏垮矛盾突出,钻井过程中普遍存在漏失、垮塌阻卡频发等问题。为此,系统总结了十多年来中国石油及西方石油技术服务公司在该地区的钻井工程技术进展与实践成果,着重介绍了中东碳酸盐岩防漏堵漏技术、典型薄弱地层防塌技术及定向井钻井技术,分析了中国石油在该地区与西方公司在钻井工程技术方面存在的差距,并结合中东地区油田目前钻井存在的问题及未来开发面临的新形势与新要求,指出中东地区未来钻井工程将面临深部油藏、低渗透及超低渗透油藏、大平台钻井、分层规模注采和老井利用等方向的发展需求,为该地区未来钻井工程技术发展提供了参考。

冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议

提高钻井速度不仅是提高我国油气效益开发及深地勘探等方面的重要技术手段,同时对保障国家能源安全意义重大。冲击破岩钻井技术在国内外油田现场应用并获得了良好的提速效果,持续开展此类技术攻关有望攻克当下我国深地高温高压硬岩地层进尺低、提速难的技术痛点。介绍和分析了轴向冲击、扭力冲击和轴-扭耦合冲击辅助钻头破岩钻进技术方面的实践及发展动态。结合冲击破岩钻井技术现状,阐明了冲击辅助钻头破岩力学原理是冲击破岩钻井提速技术的关键问题,综述了国内外研究学者在冲击辅助钻头破岩物理实验、理论模型和数值模拟等研究方法上取得的科学进展。针对冲击破岩钻井提速技术的发展提出了相关建议,即加强在材料结构优化设计、智能化控制、多元技术融合和井场应用优化等方面的研究力度,为我国能源高效开发做出贡献。

石油钻井中旋冲钻井技术的应用分析

油田开发企业肩负石油开采,保障国家能源战略安全的重任,应及早引进利用旋冲钻井技术,更快更好地开采优质原油,为经济发展和国计民生提供有力保障。本文对旋冲钻井技术的作用原理和技术特点进行详细分解,结合石油钻井案例,深入探讨包括气动旋转冲击钻井技术和液动旋转冲击钻井技术等在内的适用旋冲钻井技术,在石油钻井作业中的应用工艺流程和操作规范,旨在把旋冲钻井技术推广到更广泛的应用范围,惠及更多油田开发企业的石油钻井作业,提高石油开发质量和效率。

考虑深井井下动力钻具影响的钻柱粘滑振动规律

油气勘探开发统计数据显示,深井钻井过程中粘滑振动频发,占钻进时长的50%以上,严重影响了钻井井下安全,延长了钻井周期,增加了钻井成本。由于深井钻柱结构较为复杂,井下动力钻具应用普遍,但动力钻具对井底钻头粘滑振动的影响规律缺乏深入研究,目前尚未有学者提出深井动力钻具下的钻柱全尺寸动力学模型。为此,基于弹簧集中质量原理,建立了包含井下动力钻具的粘滑振动仿真模型和螺杆钻具输出参数的计算模型,研究了螺杆钻具、扭力冲击器及两种工具复合使用对钻头粘滑振动的影响,并基于模型分析了现场实钻案例。研究结果表明:(1)使用螺杆钻具复合钻进时,转盘转速与螺杆转速对粘滑振动影响较大,复合转速越大,越有利于消除粘滑振动;(2)钻压和钻头尺寸越大,需要消除粘滑振动的转速就越大;(3)在保证水力参数的情况下,螺杆输出较高的扭矩和转速,能够有效地抑制钻头粘滑;(4)扭力冲击器和螺杆钻具复合使用情况下,当螺杆钻具的输出参数不足以抑制粘滑振动时,提高扭力冲击器的冲击扭矩和冲击频率,可降低螺杆钻具的临界转速,抑制井底粘滑振动。结论认为,该动力学模型可以为深井合理使用动力钻具、避免粘滑振动和提高机械钻速提供有效的技术支撑,该理论新认识在指导钻井现场钻进,提高钻井效率和降低钻井成本等方面具有重要的现实意义。

万米超深层油气钻完井关键技术面临挑战与发展展望

万米超深层油气科学探索是践行国家“四深”探测计划的重要任务,也是推动实现我国能源战略接替、保障国家能源安全的重要举措。现有钻井工程技术对于实现钻达万米超深层的地质目标,存在众多瓶颈难题,包括:超大吨位钻具提升、极限深度井身结构拓展、超深特深层高效破岩提速、多因素耦合井壁稳定控制、耐超高温高压井下工具等,亟需在12 000 m自动化钻机、P110钢级膨胀管、减振增能工具、超高温高压井壁稳定与钻井液降摩阻技术、耐高温螺杆、机械式随钻测斜仪等关键核心攻关突破。因此中国石油深入开展研究,并在2023年启动了两口万米深地科探井任务,进一步加速相关技术研发进程,取得阶段性成果,正逐步形成“打成、打快、打好”万米超深层油气钻井技术体系,助力我国早日实现油气工程技术制高点、石油科技高水平自立自强。

降低井底岩石抗钻能力的钻速提高方法研究及钻头设计

为解决深部地层岩石硬度大、研磨性强、地应力高及可钻性差导致的钻头破岩效率低、钻井速度慢的问题,在分析现有提速技术的基础上,提出了释放地层应力、降低井底岩石抗钻能力的钻井提速新思路,基于该思路设计了井底应力诱导卸荷钻头、聚能攻击卸荷井底应力钻头、差压式钻头、中心差压式钻头、诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头、阶梯式钻头和自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头等7种新式钻头。通过室内试验、现场试验,验证了其中2种钻头的提速效果:中心差压式钻头在室内试验中提速30.01%,现场试验最高提速318.11%;诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头在室内试验中钻进石灰岩和红砂岩时分别提速59.0%和336.0%。该方法的提出及钻头的研制,为解决深部难钻地层的提速问题提供了新途径。