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。

鄂尔多斯盆地深层煤岩气水平井安全钻井技术

鄂尔多斯盆地苏里格区块本溪组8#煤层夹矸发育,使煤层结构复杂化,给煤岩气水平井安全钻进带来很大困难。对比施工情况,通过地质导向避免进入夹矸,以及研究在夹矸中安全钻进是煤岩气水平井安全施工必须攻克的难题。在分析煤矸石特性的基础上,梳理水平段钻遇煤矸石的难点,综合考虑物理防塌和化学抑制等因素,结合工程技术措施,给出钻遇煤矸石的针对性措施及建议,为煤岩气水平井安全高效施工提供参考。

井研地区筇竹寺组页岩储层水平井钻井井壁稳定性评价

川西南井研区块筇竹寺组页岩气具有良好的开发前景,但由于对其岩矿组分、力学性质、水化特征等认识程度较低,钻井井壁稳定性认识不清,导致出现掉块、阻卡等复杂情况。为了充分认识该区寒武系筇竹寺组地层的井壁稳定性,明确粉砂质页岩水化作用及其对坍塌压力的影响规律,在岩石力学实验的基础上,研究不同钻井液浸泡时间对岩石力学参数的影响规律,建立考虑水化作用的井壁稳定性预测模型,分析不同井斜方位下坍塌压力的差异。研究结果表明:筇竹寺组伊蒙混层含量高,具有一定膨胀性,水化作用后导致岩石强度降低,对井壁稳定性有较大影响;不同钻井液体系对井壁稳定性的影响有差异,总体上油基钻井液更有利于井壁稳定;考虑了水化作用的井壁稳定预测模型更加符合实际,以此为依据,通过优化钻井液设计可以有效降低井壁失稳风险,提高钻井时效。

考虑“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱与钻柱碰摩运动规律

深水钻井时,旋转钻柱与海洋环境力作用下发生振动的隔水管柱易发生接触,造成钻柱与隔水管柱的碰撞或者摩擦。为了解隔水管柱与钻柱间的运动状态,减轻两者间碰摩,保证作业安全性,提出了一种模拟深水隔水管柱-钻柱组成的“筒中筒”耦合系统模型,通过分析二者间的位移与接触力,实现海洋深水钻井作业时隔水管柱与钻柱的耦合动力学模拟的建立。模拟结果表明,考虑隔水管柱与钻柱接触的情况下,海流作用和涡激作用对钻柱的动力学特征具有较大影响;海流速度增加,隔水管柱弯曲程度变大,隔水管柱的振动特征会限制钻柱运动;井口转速增加对钻柱的涡动特征影响小,但会增大钻柱与隔水管柱内壁的接触力,增大钻柱与隔水管柱的失效风险。该理论为海洋深水钻井摩阻分析提供了新的借鉴。

窄河道砂高含水井侧钻地质设计优化与应用——以大庆外围葡萄花油层为例

针对窄河道砂高含水井超短半径水平侧钻后含水上升快的问题,通过优化入层距、侧钻方向、水平段长度、完井方式等影响因素,形成窄河道砂高含水井侧钻优化设计技术;并在此基础上,综合考虑地质参数、生产动态、数模预测结果,建立了窄河道砂高含水井侧钻选井、选层标准。现场实施结果表明,窄河道砂高含水井侧钻后含水上升速度明显减缓,可实现较好的降水增油效果。该研究结果可为高含水长关低效井治理提供重要的技术支撑。

压裂水平缝水平井邻井注水补充地层能量机理研究

文章针对浅层低渗透油藏压裂水平缝水平井开发过程种出现的产量递减快,能量补充技术缺乏,水窜治理技术欠缺的问题,开展实施邻井注水补充能量的可行性分析与设计优化研究。首先对目标油藏目前实施的水平井邻井注水补充能量实例的实施情况与效果及存在问题进行剖析,然后综合油藏工程与数值模拟技术对邻井注水补能过程中的关键因素及其作用规律进行了研究;最后确定了该技术实施的原则与技术政策。

水平井尾管完井与钻井一体化设计控制技术

针对水平井尾管导向钻井技术存在的钻机旋转系统负载大、地面扭矩传动效率低、使用与维护成本高等问题,提出了水平井双管柱尾管差速旋转钻进新方法,揭示了相应的技术原理,设计了双管柱差速旋转传动、复合旋转导向及悬挂器等井下专用工具,优化了相关工艺流程;提出了导向钻具组合工具面控制方法,建立了水平井双管柱尾管差速旋转钻进延伸极限计算模型。结果表明:水平井双管柱尾管差速旋转钻进技术配备常规随钻测量仪器和螺杆钻具,通过调节钻柱转速可以控制导向钻具组合的工具面,实现了水平井双管柱尾管差速旋转导向钻进;基于鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气水平井工程案例计算水平井双管柱钻进延伸极限,与常规尾管钻井方式相比,采用双管柱尾管差速旋转钻进方式显著增大了水平井延伸极限,为水平井尾管完井与钻井一体化设计控制提供了参考。

基于MACF-CKF多传感器融合的姿态解算算法

针对惯性导航测量单元姿态解算精度低的问题,提出了一种基于多传感器隶属度自适应互补滤波(Membership Adaptive Complementary Filtering,MACF)和容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)相融合的姿态解算算法。使用指数加权移动平均修正陀螺仪噪声偏差,为了避免出现陀螺仪和加速度计的权重在互补滤波中分配不当而导致俯仰角和横滚角误差较大的现象,通过构造陀螺仪偏差的隶属度函数,判断互补滤波对陀螺仪的信任度,根据信任度动态调整互补滤波自适应因子,同时用磁力计和陀螺仪进行CKF来解决航向角发散的问题。实验表明:所提出的算法无论在静态条件还是动态条件下均能快速、准确实现姿态解算,在动态车载实验中,横滚角和俯仰角精度分别提升了24.5%和63.2%,航向角提升了48.8%,可以保证解算精度。

定射角射孔工艺在大位移定向井中的应用与实践

通过对萨中开发区112#断层区块构造特征和开发井网情况的深入研究,部署距离断层50 m平行断层面钻井的大位移定向井。考虑射孔油层保护要求,结合定射角射孔工艺原理,确定射孔工艺、射孔输送方式及匹配的射孔枪、弹等射孔参数,选用合理的射孔液,采用负压射孔工艺、确定合理负压值,保证了定射角射孔工艺效果。实现了单井日增液17.6 t,日增油4.2 t,年节电约2.56×10^(4) kWh,创造较好的经济效益,保证了油田开发效果。

泸州地区深层页岩气水平井套变成因机理探讨

四川盆地南部泸州地区深层页岩气储量丰富,是继长宁、威远等中浅层页岩气之后重要的天然气资源接替领域。但在泸州地区深层页岩气开发过程中水平井套管变形(以下简称套变)频发,对水平井压裂施工产生明显影响,制约了该区深层页岩气的规模建产。业内普遍认为套管变形是地层中的断裂发生滑移并对水平井产生剪切和挤压作用引起的,但基于该理论的套变模型与诸多实测数据不相吻合。为了进一步明确套管变形机理,提高套变的防控效果,以泸203井区18口套管变形水平井为对象,基于多臂井径成像测井,逐个对比套变形态、套变层位以及平面断裂发育情况,建立了断裂滑移和层理面滑移2种地质模型,并分析了2种地质模型下的不同套管变形特征。研究结果表明:(1)断裂滑移诱发的套变具有以下规律,即平面上套变仅出现在水平井与断裂带的交会处;套管的变形长度理论上应在10 m以内;套管的变形程度应呈近似对称关系,中部变形强,向两侧逐渐减弱。(2)该区多数套变不在预测的断裂带内,且部分套变段变形长度与形态不符合断裂滑移的特征。(3)层理面滑移可诱发多个相似的套变,在该机制下套管变形长度等于井筒与滑移面相交的距离,且层理面滑移的垂向分布与地层的页理发育程度一致。(4)层理面滑移与断裂滑移具有相似的力学机理,通过三维莫尔圆可以分析钻井和压裂过程中诱发断裂/层理面滑移的关键参数变化。结论认为,除断裂滑移外,层理面滑移是诱发页岩气水平井套管变形的另一重要机理,该研究成果可为深层页岩气规模效益开发的套变防控提供理论指导。

深层煤层气水平井安全钻井技术

针对吐哈盆地深层煤层气的勘探,前期以直井试采为主,水平井的钻井技术仍处于探索阶段。由于该区块属于高陡斜坡区、煤系地层发育,导致直井段井斜易超标、煤系地层的井眼井壁易失稳、水平井井段的轨迹难以控制及固井质量差等问题,文章通过分析高陡斜坡区提速限制因素,引入自动垂钻系统,形成直井段防斜打快技术,解决了高陡斜坡区防斜和大钻压快速钻进的矛盾;分析煤层井壁失稳机理,开展浸泡实验,优选了胺基有机盐钻井液体系,提高抑制性和封堵固结井壁性能,强化了煤系地层井壁稳定;结合深层煤层三压力剖面预测数据优化井身结构及轨迹控制,设计防卡PDC钻头和钻具组合,配套强抑制、强封堵性胺基有机盐钻井液,实现了煤层水平段安全延伸;强化钻井参数,应用岩屑清洁工具和个性化通井钻具组合,提高了井眼清洁效率;优化套管选型、扶正器配置及水泥浆体系,保障了固井质量。该系列技术为实现吐哈盆地深层煤层气水平井安全高效钻探奠定了基础。

基于Web端的三维井筒几何模型及信息可视化方法

为解决当前井筒可视化实现过程复杂、展示内容单一、实用性不强的问题,基于Three.js框架提出了一种适用于实际井眼轨迹与三维可视化井眼轨迹坐标信息的数据处理与映射方法,研究了一种新的基于Web端的三维井筒几何模型及井筒信息可视化方法。结果表明:通过该方法可以更加直观地观察井眼轨迹变化规律,展现反映井径变化的三维井筒。同时,自然伽马值、环空压力等测井录井信息以及地层岩性信息也可以较为方便地沿井筒通过颜色或者井径变化所展现。此外,通过敏感性分析,揭示了可视化效果与井径缩放因子、井眼轨迹缩放因子、井筒信息缩放因子的规律,有效提高模型仿真可视化效果,还提供一种用于展示井筒内部数据变化规律的井筒漫游方法。研究结果为油气钻探过程及钻遇地层的直观呈现提供了新方法。

页岩气井地质工程套管变形类型及影响因素研究进展

通过调研国内外大量页岩气井套管变形方面的文献,总结了页岩气井套管变形的类型,探讨了深、浅层页岩气套管变形影响因素差异及面临的问题,并提出了针对性的防治措施及下一步主要研究方向。研究结果表明:(1)页岩气井套管变形类型主要包括挤压缩径变形和剪切变形,深层页岩气井出现套管变形的概率较中浅层更大,主要为剪切变形。(2)造成套管变形的工程因素包括井筒降温、固井质量、套管疲劳、套管质量以及井眼狗腿度等,地质因素包括岩石力学特性、非均匀地应力以及天然裂缝/断层滑移等;深层页岩气井套管变形主要受天然裂缝/断层滑移的影响。(3)页岩气井套管变形风险防治措施包括控制井筒温度及注入强度,采用水泥环力学性能参数较低的水泥进行固井作业,适当减小套管外径、增大壁厚、提升钢级等提高套管质量,以及尽量让井轨迹平滑等;对深层页岩气井可通过将井眼水平段延伸方向与岩层层理方向设计为一致,掌握裂缝分布情况、尽量避开高风险剪切滑移层段,对不同级别滑移风险层段合理降低压裂规模、调整井筒方位等措施来降低套管剪切变形的风险。(4)页岩气井套管变形防治研究方向主要包括优选岩石力学特性好的压裂层段、最优井轨迹与地应力的关系分析、裂缝识别与评价、断层滑移量与套变量计算等方面。

近钻头随钻测量系统天线参数试验优化研究

近钻头随钻测量系统能够有效避免传统随钻测量系统所面临的数据滞后问题,而天线的参数设计及优化是提高信号传输距离及稳定性的重要因素。本文对某近钻头随钻测量系统的天线参数展开优化研究,通过试验探讨了天线线圈直径、线圈匝数、负载及磁芯等参数与信号传输距离之间的规律。试验结果表明发射线圈匝数为100匝及线径为0.8 mm,接收线圈为180匝及线径为1 mm,且需引入二级功率放大电路并采用铁氧体磁芯或磁片时,信号传输距离及稳定性最优。相关研究成果可为近钻头随钻测量系统天线的优化设计提供理论依据和实践指导。

复兴地区页岩油优快钻井技术

川东复兴地区侏罗系湖相、河流相砂泥岩储层发育,油气类型为凝析油、页岩气同产,该区陆相页岩油气水平井具有大井眼、井段长、造斜困难、地层压力安全窗口窄、水平段可钻性差、轨迹控制难、水平段易垮塌等难点。通过井身结构、钻井方式、提速工具、轨迹控制、钻井液类型、完井方式等进行技术集成与优化。结果表明:通过二开井身结构、强化参数钻井、PDC钻头+预弯曲钻具组合、强封堵油基钻井液、旋转导向钻井、不承压防漏固井等关键技术,克服井壁失稳、水平段可钻性差、漏溢转换频繁等复杂情况,提高了钻井效率,节约了钻井周期,形成了一套适合复兴地区页岩区块的优快钻井技术,为该区后续水平井勘探开发提供了借鉴。

地面钻柱扭摆导向钻井的理论建模及应用研究

在滑动导向钻井中,钻柱的扭摆可以将钻井过程中井眼与钻柱的静摩擦改为滑动摩擦,可有效减少钻探摩阻,并缓解滑动钻井中普遍存在的“托压”情况。基于滑动钻井技术,分区域构建了钻柱扭摆运动控制方程,通过理论模型研究扭摆角度(100°~600°)和扭摆速度(20~80 r/min)对扭摆深度、钻压及工具面变化的影响,并利用钻柱扭摆试验装置进行了试验。研究结果表明:随着扭摆角度、扭摆速度的增加,扭摆深度不断增加,钻压趋于平稳,扭摆减阻效果更好;过度增加扭摆角度、扭摆速度会造成工具面波动,影响钻井效率。现场应用结果表明,工具面平稳度高符合率达到96%,防“托压”效果明显,能够满足现场作业要求。研究结果可为钻柱扭摆导向钻井技术提供技术参考。

基于CFD-DEM方法的泥水平衡盾构排屑效率影响因素敏感度

泥水平衡盾构机气垫仓内岩屑的快速排出对于保证施工安全和提高掘进效率至关重要,已有研究主要集中在岩屑在排浆管中运输的运动特性,而从气垫仓进入排浆管直至排出的完整过程却往往被忽略,因此现有研究对于指导实际工程还存在局限性。基于CFD-DEM(computational fluid dynamics-discrete element method)计算流体力学-离散单元耦合计算方法并结合实际工程建立了可以完整反映气垫仓内岩屑排出的数值计算模型,对比了不同冲刷管布设情况下(垂直距离h1、水平距离h_(2)和转角β)岩屑的排出情况,总结了不同因素对岩屑排出率的敏感度。研究结果表明排出率随着h1的增加而减小,随着h_(2)和β的增加而增加,三个因素的平均敏感度排序从大到小依次为h1(1.6)>h_(2)(0.79)>β(0.61),因此在实际工程中降低冲刷管高度是提高岩屑率最有效的措施。研究结果可为优化冲刷管的布设和制定相关施工措施提供实用参考。

钻井WELLPLAN软件系统在S9-P4井施工中优化分析应用

随着钻井深度不断增加,钻井难度越来越大,水平井钻井技术降本增效需求逐年上升。S9-P4井施工中通过应用钻井WELLPLAN软件系统,在现场实践中经过分析更好地优化配置施工参数,有效预防工程事故的发生,达到了优快钻井的目的,为类似特殊工艺井优快钻井提供了参考作用。

泌阳凹陷页岩油水平井随钻定测录导一体化模式探索

水平井是油藏开发实现少井高产、一井多靶、降本提效的主要手段之一,但泌阳凹陷核三段页岩油藏地质条件复杂,不利于水平井钻井提速提效。文中以地震、测井、录井及分析化验资料为基础,通过对泌阳凹陷核三段页岩油藏地质特征剖析,梳理了页岩油水平井钻井施工难点,从一体化组织运行、一体化协调施工及一体化支撑保障等方面阐述了泌阳凹陷定测录导一体化模式的探索及应用。研究表明:泌阳凹陷核三段页岩油层存在局部微构造及断层发育、地层倾角变化快等特点,同时其地震资料品质差。这些导致钻井施工中靶点预测及井眼轨迹调整难度大,影响随钻资料评价的准确性。通过优选定向系统、钻具组合及高效钻头,应用正反演结合测井数据及校正后的元素录井资料综合评价,实现了井眼轨迹优化着陆及长水平段持续追踪。随钻定测录导一体化模式在YYY1HF井进行了应用,提高了机械钻速,目的层钻遇率达100%,助力了区域页岩油水平井优快钻井,对于水平井优快钻井技术的发展及页岩油高效开发具有重要的意义。

柯柯亚深层煤岩气水平井钻井实践

吐哈盆地侏罗系煤岩天然气区块位于山前高陡构造,地层倾角大,地质条件复杂,为国内陆地埋藏最深的煤岩气气藏,煤层水平井钻探技术在该领域尚属空白,钻井过程中“斜、慢、阻、卡”矛盾突出,亟须开展煤岩气水平井钻完井技术研究。为此,针对井身结构优化、井眼轨道优化、防斜打快技术、煤层坍塌机理、水平段安全钻完井开展了深入分析研究,柯新1H先导试验结果表明:①大三层井身结构可以满足水平井安全钻进,但具有较大的优化潜力;②垂直钻井技术在2500 m以浅的煤上地层应用效果佳,为中上部地层防斜打快提供了技术手段;③技术套管下深的确定是关键,是保障水平段能否成功实施的基本条件;④水平段通过多靶点轨道设计、随钻岩性追踪、无扶单弯螺杆+缩小底部钻具外径、双向通井工具、强抑制强封堵钻井液等手段降低卡钻风险,在煤层起伏变化大的情况下,确保了千米长水平段钻进与下套管作业顺利实施。