四川盆地超深井钻井关键技术及发展方向

四川盆地海相碳酸盐岩油气资源丰富,但构造地层条件复杂,井筒环境苛刻。近年来,盆地深井超深井钻井关键技术的形成,支撑了油气的增储上产,为特深层油气资源勘探开发奠定了技术基础。特深层油气资源的开发需持续开展地质工程一体化设计技术攻关,通过精细刻画复杂地质体建立三维地质力学模型,指导井身结构和井眼轨道设计,同时开展基于膨胀管、随钻扩眼技术的井身结构拓展研究,并通过岩石可钻性剖面指导钻头及提速工具设计。针对深井超深井井口溢流异常监测识别滞后及钻柱振动剧烈的问题,持续研发基于大数据分析的复杂防控技术。深入开展适用于超高温超高压环境的工具、钻井液研发,研发攻关110钢级及以上膨胀管管材、抗220℃的高密度水基钻井液、抗260℃的油基钻井液体系、抗温240℃以上的水泥浆体系、高性能固井材料以及抗高温堵漏材料。同时,应紧密结合物联网、新型通信、大数据等智能技术,实现钻井全过程运算分析及管理。

中国深水钻井关键技术与装备现状及展望

随着陆上和浅水区域钻井技术日渐成熟,石油行业将研究重心转向深水区域,近10年全球重大油气发现70%来自海洋深水区域。深水钻井具有高风险、高技术、高投入的特点,其关键技术和装备是世界油气强国竞相角逐的技术制高点。随着在超深水、深层、远海“两深一远”区域勘探开发的持续推进,深水钻井需要面对深水、海况恶劣、浅层土质不稳定以及深层地质条件复杂等挑战。通过多方联合技术攻关和工程实践,中国已成功构建了具有国际竞争力的深水钻井技术与装备体系,包括深水钻井工程设计关键技术、深水钻井安全控制及高效作业技术、深水钻井关键装备。对相关成果进行了系统介绍,提出了融合人工智能和大数据技术创新钻井技术、加快工程地质一体融合、促进工程装备和软件研发、加强深远海钻井作业应急能力等建议,进一步推动深水油气勘探向深远海发展,实现深水钻井作业的安全高效和自主可控。

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。

四川盆地深层页岩气钻井关键技术新进展及发展展望

四川盆地页岩气资源丰富,目前深层页岩气已成为该盆地天然气增储上产的重点领域,但随着埋深增加和构造背景变化,地质工程条件将更加复杂,钻井过程中将面临井漏风险高、井下工具高温易失效、水平井轨迹控制难度大等技术难题。为此,在系统分析已完钻井实钻数据的基础上,依据深层页岩气区块地质工程特征,系统梳理了影响安全优快钻井的关键技术难点,形成了以地质工程一体化导向技术、钻井提速技术、防漏治漏与复杂防治技术为主体的深层页岩气安全优快钻井关键技术系列。研究结果表明:(1)以精细地质建模优选地质工程“双甜点”、实时靶体追踪为主的地质工程一体化导向技术,实现了地质目标的精准优选和精确追踪;(2)以“高效PDC钻头选型+个性化优化+大扭矩螺杆”高效破岩技术、“MSE+CCS”参数实时优化技术、油基钻井液地面降温+高温旋转导向技术为主的钻井提速技术,实现了页岩气钻井提速提效;(3)以井壁稳定性评价、裂缝性漏层识别、井漏与复杂防治为主的复杂防治技术,从源头降低了井下漏失和卡钻风险。结论认为:(1)形成的深层页岩气安全优快钻井技术,显著提高了机械钻速和铂金靶体钻遇率,在现场规模化推广应用200余口井,单井平均钻井周期降低42.7%,钻井提速效果显著,有力支撑了深层页岩气效益规模开发;(2)深层页岩气钻井将聚焦“地质工程一体化、水平段一趟钻、防漏治漏及智能钻井决策”等方面的技术攻关。

陇东地区深井钻井循环温度预测及应用分析

长庆油田陇东地区部分天然气井深度约为5000 m,相应的地层温度会超过130℃。然而随着该地区对深层油气、非常规油气以及页岩气等资源的不断开发,高温已成为钻井作业的重要制约因素。为了防范井下高温可能引发的工程事故,构建了一个二维钻井循环温度预测模型,对井筒温度特性进行了分析,并为钻井液和钻井工具的选择提供了理论支持。研究结果表明:1)在开始泵送循环的初期,井口温度迅速升高,井底温度迅速下降,之后的1.5 h内,井口和井底温度变化逐渐趋缓;2)在相同的井深下,随着循环时间的增加,井筒内的钻柱内钻井液温度和环空内钻井液温度逐渐下降,同时相应位置的环空内钻井液温度和钻柱内钻井液温度也下降;3)在预测的温度范围内,对该井的3种钻井液体系进行了表观黏度和塑性黏度实验,结果显示黏度的变化受温度影响较大;4)在预测的温度范围内,以三元乙橡胶为研究对象,随着老化时间的增加以及温度的升高,橡胶密封圈的厚度逐渐减小,硬度逐渐增加,压缩永久变化率也逐渐增加。该预测模型的预测结果与实际生产相符,为设计和选型提供了有价值的指导,具有重要的研究意义。

深层超深层钻井液技术研究进展与展望

系统论述目前国内外深层超深层钻井液技术研究进展,分析存在的关键问题并提出未来发展方向。针对深层超深层复杂油气层钻井过程中面临的高温高压高应力、裂缝发育、井壁失稳、钻井液漏失等问题,国内外学者研发了深层超深层抗高温高盐水基钻井液技术、抗高温油基/合成基钻井液技术、储层保护钻井液技术以及钻井液防漏堵漏技术,但仍存在抗高温高压和高应力能力不足、井壁易失稳以及钻井液漏失严重等关键问题。由此提出未来深层超深层钻井液技术的发展方向:(1)抗高温高盐水基钻井液技术需致力于提升高温稳定性,改进流变性能,强化滤失量控制,提高与地层的相容性。(2)抗高温油基/合成基钻井液技术需在高温稳定剂、流型调节剂等低毒易降解的环保型添加剂和相关配套技术方面进一步攻关。(3)储层保护钻井液技术应致力于新型高性能添加剂和材料的研究,通过引入先进的传感器网络和人工智能算法,完善实时监测技术。(4)钻井液防漏堵漏技术应更加注重智能化技术的集成与应用、高性能堵漏材料的研发与应用、多元化堵漏技术与方法的探索以及环境保护与安全生产意识的提高。

西藏谷露地热田ZK401高温地热井钻井工艺技术

谷露地热田是西藏那曲—尼木地热带上的典型水热型高温地热田,安全、经济和高效的钻井工艺技术很大程度上决定了其高温地热资源的可开发利用潜力。ZK401井是在谷露地热田实施的一口优质高产探采结合井,地层以花岗岩类为主,其岩石硬度大,机械钻速低,钻头使用寿命短。自上而下揭露多层热储,其35~41m即可揭露124.8℃中温地热流体,汽水总量约40 t·h^(-1);50~320 m揭露超过120℃的中温热储,汽水总量约30~35 t·h^(-1);320~1320 m揭露186.9℃高温热储,汽水总量高达348 t·h^(-1),具有热储埋深浅、温度高,断裂构造发育,地层出水量大的特点,高温及水侵作用致使钻井液极易失效,井喷风险大,安全钻井难。为解决上述钻井施工难点,进行了高温地热钻井关键技术研究。通过采用异形齿PDC钻头和岩石热裂提速技术,使单只异形齿PDC钻头进尺较同规格牙轮钻头提高了23%~48%,使三开井段花岗岩类地层的平均机械钻速提升至3.18 m·h^(-1)。通过优化井身结构,采用简易控压钻井技术,利用低温清水作为二开及三开钻进循环钻井液,达到了及时发现并有效保护热储层和控制井喷风险的目的;实现了ZK401井在520 m揭露186.9℃高温热储且汽水总量达348 t·h^(-1)苛刻条件下的安全、持续钻进,且非生产时间较采用常规钻井技术的邻井缩短了37%,极大地降低了钻井成本,提高了高温地热资源的可开发利用潜力。为后续该区域乃至其他地区解决高温地热井钻井施工提供参考。

海底泥浆举升钻井系统钻遇天然气水合物时的动态风险分析

海底泥浆举升钻井(Subsea Mud Lift Drilling,SMD)系统属于双梯度钻井系统。在钻井过程中遇到天然气水合物层(Natural Gas Hydrate,NGH)时,NGH的分解和二次生成造成了重大的风险。为了预测风险事故,对环境因素和设备因素进行了分析。首先,在建立蝴蝶结模型后,利用映射算法将其转化为贝叶斯网络(Bayesian Networks,BN);其次,考虑不确定性影响,在BN中进行不确定性建模;然后,考虑设备因素的动态不确定性,通过转移概率矩阵将建立的BN转化为不确定性动态贝叶斯网络(Uncertain Dynamic Bayesian Networks,UDBN)。此外,还利用模糊理论和专家判断来量化设备故障的先验概率。结果表明,钻遇NGH层时,钻井风险概率比正常工况下有所增加。由于有天然气水合物的影响,发生风险的概率也变得具有不确定性。

精细控压钻井技术及装备研究进展

精细控压钻井技术可使复杂地层普遍存在的井涌、漏失、坍塌、卡钻等井下复杂,特别是“溢漏同存”的窄密度窗口钻井难题得到有效解决,并提高复杂地层钻井成功率,实现安全、高效、快速钻井作业。实践证明,精细控压钻井技术越来越多地体现出常规钻井技术无法比拟的技术优势。文章介绍了精细控压钻井技术及装备的发展过程,重点介绍了笔者研究团队研发的控压钻井工况模拟装置及评价方法、精细控压钻井成套装备、集“钻、录、测”于一体的控压钻井方法以及欠平衡精细控压钻井工艺技术等核心技术,分析了精细控压钻井技术现场应用效果与适用性,提出了下步发展方向。精细控压钻井技术作为一项先进钻井技术,将是未来闭环钻井技术发展的重要基础。

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。

随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头(rotating control device,RCD),其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论,考虑管内高压和钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型,采用Newmark-β积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解,并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析,算例表明,一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa,钻井液流速为2 m/s,钻井液密度为1600 kg/m^(3)时,隔水管端部轴向位置改变量在0.5~0.6 m之间波动;当进一步考虑平台慢漂运动时,隔水管端部轴向位置改变量在0.2~0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围,从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

煤层气储层水平井钻井过程中储层伤害机理

煤层气水平井钻井过程中煤储层极易受到钻井液、固相颗粒、钻井压力等因素引起的储层伤害,本文以山西沁水盆地的2#煤层和1#煤层为例,通过室内实验研究了煤储层在钻井过程中的伤害机理。为减少和避免煤层气储层在水平井钻井过程中引起的伤害,提出了相应的预防和保护措施。

钻井法凿井壁后充填大比重水泥浆研制及其耐久性能

为提升西部地区深大钻井井筒第一段高壁后充填置换效果,提出采用大比重水泥浆作为新型壁后充填材料。首先,通过对比试验,优选重晶石粉作为加重剂、硅酸镁铝为悬浮剂。然后,采用正交试验和极差分析法,分析了水灰比、重晶石粉、硅酸镁铝和膨胀剂掺量对大比重水泥浆的密度、初凝时间、流动度、3 d及28 d抗压强度的影响,采用综合平衡法确定了大比重壁后充填材料的最优配合比为水泥∶水∶重晶石粉∶硅酸镁铝∶膨胀剂∶减水剂=1∶0.55∶0.5∶0.03∶0.025∶0.015。硫酸盐溶液侵蚀对比试验表明,与常用的水泥浆充填材料相比,大比重水泥浆充填材料具有可靠的耐久性能。最后,通过XRD和SEM分析了优选组加重水泥浆在3 d和28 d的水化产物和微观结构,揭示其优异抗渗性和耐久性能的机理。研究结果可为西部地区深大钻井井筒壁后充填提供大比重、高强度、低渗透以及耐久性好的新型壁后充填材料。

控压钻井实时计算及控制决策方法研究

随着石油勘探开发向边缘、深部复杂地区和非常规资源发展,窄密度窗口、高井控风险等钻井问题越来越突出。对于窄密度窗口地层,控压钻井能有效降低钻井作业难度和井控风险。但现有控压系统在无井底压力测量数据条件下的计算分析能力有限,无法实现准确指导常规控压钻井和精细控压作业实时计算分析与控制决策推荐。因此,基于现场工程录井、控压实时数据,建立了自动判断控压钻井作业工况的分支判断树,实现了11种钻井工况的实时识别。从环空液固两相流动特征着手,耦合井筒压力和地层流体侵入量,建立了控压钻井过程中的环空压力分布预测模型,实现了井口回压预控值的计算、确定和推荐。在理论研究基础上,开发了控压钻井计算分析及控制决策系统,现场测试表明:控压钻井过程中可以进行井筒压力及井口回压值模拟分析、自动识别钻井工况和井下复杂,立管压力的系统计算值与实测值之间平均误差为1.88%,基于安全作业条件的井口回压预测值与实控值符合率达到89.8%,实现了基于实时工程参数的控压钻井在线计算分析与控制决策,提高了控压钻井井口回压控制的可靠性和时效性,有效指导常规控压钻井作业,并通过流程优化提升了精细控压钻井作业能力和智能化水平。

冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性

针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。

调整井控压钻井专用旋转防喷器的研制

为了满足调整井控压钻井低成本推广需要,研制了一种专用旋转防喷器,其功能完善、结构紧凑,整机高度仅为840mm,满足15钻机或常规30钻机实施调整井控压钻井的需求。本文详述了该装备的组成和工作原理,介绍了该装备的技术特点,对同类设备的研发具有一定的指导意义。

极地海洋油气钻井装备发展概述

北极海洋油气资源丰富,提升我国极地海洋油气钻井装备的技术水平,有助于改善我国能源供应结构,保障国家能源安全。对此,全面梳理北极地区的海洋油气资源分布情况及主要油气开发活动,分析我国潜在的油气开发合作区块。在此基础上,结合国内外极地海洋钻井装备的发展情况,对我国极地海洋油气钻井装备的发展提出合理化建议,为我国海洋油气钻井装备开发战略的制订和优化提供参考。

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。

人工智能技术在钻井工程的应用与发展

人工智能技术在石油工程领域的研究应用已有几十年历史,近两年来,随着人工智能技术的进一步提升,成为新一轮产业变革和科技革命的新引擎,核心驱动力趋势愈来愈明显。人工智能技术将会是油气勘探开发降本增效的有效手段,也是实现关键技术升级换代,提高竞争力的有效途径。近年来,国内外各大石油技服公司都已将人工智能应用于钻井工程领域的钻井设计、钻井参数优化、井眼轨迹控制、风险预警、钻井程序决策等领域,实现了现场部分应用,显示了较好的应用前景。人工智能技术应用将会影响各企业在新一轮竞争中是否能争取到优势地位。

钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统设计

在冻土和海洋的钻井过程中,钻井液的热流作用会扰动地层中原本稳定存在的水合物,导致水合物分解,造成地层力学性质劣化,进而引发井壁坍塌失稳。为保障钻井安全,需要针对环空内钻井液与含水合物地层之间的直接相互作用开展室内模拟研究,进而摸清水合物分解规律,揭示钻井液与含水合物地层的热流交换机理。然而,已有研究中尚未见到仅考虑钻井液与含水合物地层热流交换作用的模拟实验系统。为此,本文设计了一种仅模拟上述作用的实验系统,并使用ANSYS-workbench进行了强度校核,同时提供了对应的实验方法,为揭示钻井液与含水合物地层的热流交换机理提供实验基础。