实现致密气高效开发的气体钻井技术

对钻井、完井、压裂都是水基工作液的技术体系,在中国大多数致密砂岩储层中都存在无法回避、无法消除的严重、甚至致命的水锁伤害,从而导致低产低效、甚至开发失败,即便是目前热门的水平井分段压裂技术,也由于水锁伤害而偏于高成本、低效益。目前,气体钻井是彻底消除水锁伤害的唯一方法。文章通过分析致密气地质特征及在勘探开发中的储层伤害,指出了气体钻井技术在致密气勘探开发中的优势,倡导在致密气勘探开发过程中采用气体钻井技术以提高对储层的发现和开发。以塔里木DX1井为范例,展示了气体钻井技术用于致密气的勘探;以四川盆地气体钻直井、斜井、水平井为范例,展示了气体钻井技术用于浅层致密气的开发;以塔里木DB104井为范例,展示了气体钻井技术用于深层致密气的开发。文章最后指出,气体钻井用于致密气的勘探与开发,属于刚刚起步的探索性新技术,尚有诸多技术难题有待解决,尤其是气体钻水平井的配套技术,但这些技术在目前的科技、工业水平下应该是可以解决的,需要的是关注、投入和坚持。

氮气钻井岩爆动力学演化机制的数值模拟及岩爆实录特征分析

为了厘清氮气钻井井底岩爆动力学演化机理,应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.3,建立井底逐渐接近裂缝的数值模型,基于致密砂岩岩体内部微裂缝起裂时对应的等效塑性应变为判断标准,分别应用CWFS(cohesion weakening and frictional strengthening)-DP(Drucker-Prager)内聚力弱化摩擦力强度准则、DP强度准则及MC(Mohr-Coulomb)强度准则进行平行数值计算,得出了氮气钻井井底岩爆的动态演化过程。结果表明:井底逐渐靠近裂缝过程中致密砂岩基质会产生两种不同的破坏方式,即是沿着潜在剪切面,向井筒剪切滑移破坏及应力集中条件下的微剪切方式的挤压屈服破坏,直至破坏区延伸连通低压井筒,裂缝内的高压气体及岩爆碎屑释放大量能量,产生井底岩爆。研究成果可系统解释X8-2井井底岩爆发生前后随钻监测参数的异常变化,为准确判断氮气钻井井下工况提供了理论支撑,同时为及时采取针对性的对策措施提供了依据。

气体钻水平井的携岩CFD数值模拟研究

文章研究了气体钻水平井的携岩问题,发现水平井气体携岩的规律与垂直井有本质不同。目前国际上流行的斜井、水平井气体钻井流动计算与井下真实情况相比有很大差别,从而导致计算得到的携岩气体需求量过于偏小,难以保证井下正常携岩、清岩。用CFD软件对水平井段钻柱躺在下井壁,并造成偏心环空内流体的问题进行了大量不同工况下的流场分析,其研究结果对改善环空流场、确定合理的输气量参数、提高流体的携岩能力等,提供了理论依据。

气体钻水平井的携岩研究及在白浅111H井的应用

目前国际上流行的斜井、水平井气体钻井流动计算与井下真实情况相比有很大区别,从而导致计算得到的携岩气体需求量过小,难以保证井下正常携岩、清岩.通过研究气体钻水平井的携岩问题,发现水平井气体携岩的规律与垂直井有本质不同.依据研究结果所得出的携岩气体需求量比目前国际流行计算的结果要大50%～100%,而且还需要配合其他措施,方可保证井眼净化.文章简要介绍了研究结果在白浅111H井的应用.

基于机械比能理论的钻井效率随钻评价及优化新方法

在原有破岩机械比能理论基础上,分析水力能量对破岩与井底净化起到的积极作用,建立水力参数条件下破岩比能模型,并完善相关理论。基于破岩比能模型与钻井参数和机械钻速的相互关系,通过分析钻进中井底工况,判断施加钻井参数的合理性,提出相应优化措施,并利用该模型预测机械钻速。结果表明:建立的破岩比能效率评价体系能够在钻前准确预测机械钻速、钻进中随钻诊断井底工况及优化参数、钻后优选钻头;该理论评价方法诊断准确率高、优化效果好且流程识别简单,具有良好的应用与推广价值。

邛崃1井氮气钻井事故分析(Ⅰ)——构成事故的重要事件

位于四川盆地西部的邛崃1井在侏罗系沙溪庙组地层实施氮气钻井时发生了恶性井喷爆燃事故,这是发生在我国的第一起氮气钻井事故,对尚处于起步阶段的气体钻井技术的发展产生了很大的负面影响,并已经导致了气体钻井应用的大幅度减少。因此,对该次事故进行系统分析并形成正确的认识将是恢复气体钻井技术良性发展的紧迫需要。为此,首先证明了地层产气量过大并非该井事故的根本原因,然后推测了构成事故的重要事件;首次发现气体钻井钻穿裂缝性气层时由于岩石突然爆碎而引发的岩石和天然气猛烈喷出的现象,并将这种现象命名为气体钻井中的"气炮式岩爆井喷",参考矿山行业术语简称"岩爆"或"岩炮"。研究结果表明:①在裂缝性致密砂岩气层中实施气体钻井时的"岩爆"现象是第一位的重要事件或根源事件;②岩爆的大量碎屑和高压气体喷入井内,并在井内反复产生堵塞和卡钻,是岩爆的诱发事件;③然而事故最直接的重要事件却是岩爆碎屑在排砂管线内的堵塞和由此产生的井口高压;④井口高压使得排砂管线爆裂并引发天然气喷出和爆燃,这是事故的直接表象。

邛崃1井氮气钻井事故分析(Ⅱ)——事故过程的还原及教训

上文针对邛崃l井氮气钻井中的井喷失火事故,对构成事故的重要事件进行了分析。在此基础上.基于事故调查资料、实时录井资料和必要的计算与数模分析结果,按照安全工程学中故障树的分析原则,分析了构成邛崃1井氮气钻井恶性井喷失火事故的重要事件的各种可能组合、发生概率和时间顺序,还原了事故的全过程,并完整地解释了综合录井数据所表达的事故内幕。研究结果认为:①该次事故的客观原因是严重"岩爆"的发生及其诱发事件;②主观原因是该井排砂管线不能适应"岩爆"产生的大股碎屑而堵塞,进而由堵塞产生井口高压引发排砂管线爆裂,导致失控井喷和着火。最后,基于对裂缝性致密砂岩气层中实施气体钻井时井下岩爆是一种客观的、必然的现象的认识,提出了需要进一步改善排砂管线、井口组合和钻具附件特性的技术建议,以从根本上防止井下岩爆诱发的地面事故。所得到的认识与建议将有助于扭转该事故对气体钻井技术所造成的不利影响。

华北ND1区块气体钻井地层适应性评价

华北地区ND1区块ND101井中深部古近系沙河街组首次采用气体钻井提速,因井壁失稳、地层流体产出及井下燃爆等一系列的难点,严重阻碍了该区块气体钻井的实施。为此,基于气体钻井理论并与现场实践相结合,建立了一套有效的气体钻井适应性评价分析体系,包括气体钻地层井壁稳定评价和产出地层流体影响评价。通过评价产出地层流体对气体钻井壁坍塌、井下燃爆的影响,得到了3个方面重要认识:①快速产出的储层气体降低了近井壁地层孔隙压力,对气体钻井壁稳定更有利,因而,适当提高注气量可保障沙河街组氮气钻井有效进行;②修正的气体钻井井壁稳定分析模型提高了地层产水条件下坍塌压力当量密度预测的精度,可作为合理筛选该地区中下部地层气体钻井井段的依据;③采用邻井测井资料估算地层出水量并计算不同产水量下立管压力的方法,可确定维持气体钻井在一定湿度范围内的相应注气量参数,实钻中可根据立管压力、排砂管线湿度变化判断井下地层出水、出油及井壁干燥情况,及时调整或改变钻井措施。

反循环钻头井底流场研究及其新产品开发

针对复杂地层的钻井工艺提出了一种有效的新方法 ,即反循环气体钻井技术 ,开发了反循环钻头新产品 ,该产品能有效地提高钻头破岩效率和流场排屑能力。用现代先进的CAD实体设计软件Pro/E把常规 311.1mm钻头巧妙地改造为反循环钻头 ,在设计中最重要的参数是反循环钻头挡板 (skirts)形状、结构尺寸以及反循环钻头中心孔眼流道形状和其结构尺寸参数 ,这些参数直接影响井底流场分布及其流体的排屑能力。在研究中把这些参数做为重点进行结构优化设计。用计算流体动力学软件PHOENICS将CAD模型转换为CFD模型 ,对所设计的反循环钻头进行井底流场的计算机仿真模拟研究 ,优化出反循环钻头结构参数和流体入口参数 ,最终优化结果用Pro/E参数化软件开发出了反循环钻头结构参数 ,并在成都总机厂试制了 2只反循环钻头新产品。本研究成果对于复杂地层油气井开采具有重大的意义和应用价值 ,同时可在国内复杂地层钻井技术中推广应用。

气体钻井突发性井壁失稳动力演化机理及试验研究

从致密砂岩损伤破坏的角度出发，综合考虑致密砂岩的物理力学性质、地应力、裂缝圈闭高压等因素，在分析孔隙压力、地应力、裂缝圈闭高压在突发性井壁失稳过程中所起的作用基础上，将气体钻井突发性井壁失稳具有强烈时间效应的动态力学过程分为孕育、突变、井筒运移和终止4个阶段。对裂缝圈闭高压、地应力作用下致密砂岩的加速损伤演化引起的突发性井壁失稳机理进行了阐述，裂缝圈闭高压是突发性井壁失稳的主要动力源，地应力对突发性井壁失稳起辅助作用。通过模拟实验表明，受地应力破坏后的致密砂岩岩体在有裂缝情况下，卸压初始时刻释放的能量是无裂缝时的5～10倍，且该能量与动力学失稳密切相关。

深层脆性页岩水平井裸眼完井井壁稳定性研究

常规页岩气储层改造工艺为套管射孔与多级压裂改造相结合,施工成本高、周期长,若实施水平井段裸眼完井可一定程度降低成本、缩短周期,但水平裸眼井段井壁稳定是实施裸眼完井的前提条件。通过对威荣地区龙马溪组页岩水理化及力学性能进行实验研究,结合建立的裸眼完井理论模型评价威荣地区页岩水平段裸眼完井井壁稳定性。结果表明,龙马溪组页岩为脆性层理页岩,岩体较为致密,力学强度高,力学各向异性明显;现场油基、水基钻井液对岩石膨胀性能及力学性能的改变不明显,现场所用钻井液与该地层配伍程度高;井眼轨迹、层理缝走向、力学各向异性等可对裸眼井段稳定性产生影响,致使不同方向井筒内应力差异明显,沿最小水平主应力方向钻水平井井壁稳定性最好,完井工况下井壁坍塌压力当量密度在1.26 g/cm^3,完井投产初期井壁存在轻微崩落掉块,但崩落范围小于30°,判断认为威荣区块龙马溪组页岩地层可考虑采用水平井裸眼完井方式。

往复泵泵阀运动规律的建模与仿真

建立了往复泵泵阀运动规律的数学模型。该模型解决了泵阀在开启和关闭阶段升程为零的方程奇点问题，并能对泵阀在不同工作条件下的不同开启方式进行描述．因而这种泵阀运动规律的数学模型更加完整和接近实际。此外编制了泵阀运动规律的仿真程序，并分别对Ｆ８００钻井泵泵阀和３ＮＢ—１３００钻井泵泵阀进行了仿真试验。最后比较了同等条件下的仿真与实测结果。

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为"迅速增加—匀速增加—阶梯下降"和"迅速增加—匀速增加—保持稳定—阶梯下降—减速下降"两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型MorhCoulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。

欠平衡钻井随钻储层监测评价技术研究

通过对储层欠平衡钻井过程中流体、压力及各项钻井参数的随钻监测和实时解释评价,可以实时获得储层的多项特征参数并综合判断井筒工况条件。为此,首先研究了储层欠平衡钻井随钻监测原理及流体、压力、钻井参数和钻井液监测的系统组成,然后研究了井筒压力、地层压力、储层产能、井筒欠平衡状况评价的基本原理和方法,最后探讨了该项技术在欠平衡钻MRC井、欠平衡钻井安全监测与风险控制,及欠平衡钻井随钻完井决策等方面的应用。研究结果表明,欠平衡钻井随钻储层监测评价技术有助于准确快速识别评价产层、判断欠平衡钻井条件和井下复杂,提高欠平衡钻井工艺水平和综合效益,具有良好的应用前景。

我国煤层气开发技术进步问题探讨

本文分析了我国开发煤层气的有利因素和不利因素，列出了我国煤层气开发发展的参考框架，涉及的十大技术领域和十二项技术进步基础研究。文中着重分析了我国煤层气开发的主要障碍，指出目前阻碍我国煤层气开发的最关键环节是煤层的低渗透性，因此建议目前技术进步开发的重点是提高煤层渗透性的实用技术。

钻井全过程井筒-地层瞬态传热模型

井筒-地层温度是影响井筒压力控制、井壁稳定性预测、井下动力钻具与测量设备优选的关键因素之一。基于钻井液循环和停止循环期间井筒-地层各单元控制组件能量交换机理,建立了实际钻具组合与井身结构条件下循环和停止循环期间井筒-地层传热耦合数值模型。结合1口深井基础数据,分析了循环与停止循环期间井下温度分布规律。研究表明:套管下深长度对井筒温度影响较大,在套管段随着循环和停止循环时间增加,环空温度几乎不变,而在裸眼段随着循环时间增加环空温度降低,随着停止循环时间增加环空温度逐渐升高;循环期间钻井液对地层温度的扰动距离为2.8m,而停止循环期间扰动距离为4.6m。

膨胀套管力学研究

美国Enventure公司已在中国石化胜利油田成功地完成了世界上第 2 0 0口和第 2 0 1口膨胀套管作业 ,也是目前国内仅有的两口膨胀套管井 ,文章针对这两口井的膨胀套管结构参数和材料特性参数进行了膨胀过程的力学研究。膨胀套管结构为J5 5钢级 10 7.9mm套管膨胀至 139.7mm套管内壁 ,用弹塑性有限元接触问题对膨胀套管膨胀过程的力学问题建立了有限元力学模型 ,并对其膨胀力学过程进行了详细研究。文中提出了膨胀套管力学研究的主要参数 ,通过计算机数值模拟分析 ,对这些主要参数进行了详细分析 ,针对力学行为最敏感的参数 -摩擦系数、膨胀锥角的变化进行了大量的组合分析 ,将膨胀锥角直线接触改为圆弧接触后 ,改善和降低了膨胀套管内的残余应力 ,提高了其强度性能。同时 ,优化出了研究的膨胀套管结构尺寸下 ,膨胀芯头的最佳锥角为 9.8°。文章研究结果对开发国内自主产权的膨胀套管结构设计、润滑设计等具有重要的指导意义。

气体钻井注气量计算方法研究进展

气体钻井过程所需注气量是关系到气体钻井成败的重要参数。目前计算气体钻井所需注气量的3种方法各有不足,根据这些方法得出的计算结果与现实情况都有差异,有时差异还很大。为了准确计算气体钻井所需注气量,应对影响气体钻井注气量的因素进行深入研究并对现有计算方法进行改进。经过对现有方法的分析,建议应从以下几个方面进行深入研究:①建立准确计算气体钻井时环空流体温度的模型以确定温度对注气量的影响;②应用气液两相流理论分析气体携水能力,以确定地层出水时气体钻井所需注气量;③钻屑直径对气体钻井所需注气量的影响;④气体钻井所需注气量与井斜角的关系;⑤对“关键点”处钻具外形进行优化设计以改善该处气体的携岩能力。

低渗透致密气藏水基欠平衡钻井损害评价技术

低渗致密砂岩气藏具有孔喉细小、强亲水、裂缝发育等特点,在作业过程中易于受到损害,即使在欠平衡条件下,仍然具有一定的损害可能。在水基欠平衡钻井条件下,低渗致密砂岩气藏主要的损害方式为水锁和应力敏感。利用裂缝可视化测试系统、毛管流动孔隙结构仪等分析测试手段评价了低渗致密气藏的水锁和应力敏感损害。研究表明,低渗致密气藏在欠平衡条件下仍有很强的水锁损害可能,初始渗透率越低,水锁损害程度越大;有效应力一定时,欠压值越小,水锁损害程度越大,过小的欠压值不能起到保护储集层的作用;欠压值一定时,有效应力越大,水锁损害程度越大。目前对欠平衡条件下的水锁损害评价还处于摸索阶段,下一步工作的重点是储集层原地作业条件的真实模拟以及将室内实验结果应用于现场工程设计。

气体钻井高效开发致密砂岩气藏

致密砂岩气是一类非常重要的非常规油气资源,但该类气藏岩石致密、孔喉细小、孔渗低、黏土矿物改造作用强、强亲水并且原始水饱和度低。钻井完井过程中该类气藏易受损害并难以解除,主要的储层损害类型包括固相堵塞、与液相侵入相关的敏感性损害和水锁损害、应力敏感性损害,其中液相损害的影响要大于固相侵入堵塞。采用常规的过平衡和欠平衡钻井技术由于严重的储层损害而普遍效率低,难以形成对该类气藏的有效勘探开发。理论和现场试验均表明,气体钻井技术是一种高效开发致密砂岩气藏的钻井技术,它不仅从根本上避免了钻井液钻井中由固、液相侵入引起的储层损害,有效保护了储层;还极大地提高了钻速,减少了钻井事故,缩短了建井周期。