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。

超深井工程理论与技术若干研究进展及发展建议

超深井工程受到高温高压、复杂地层、超长井眼和腐蚀介质等多重因素约束,其安全高效作业面临全方位的技术挑战。为此,针对超深井工程的安全高效设计控制问题,介绍了该工程的发展概况与技术特点;选取井眼轨迹预测与防斜打快、钻柱振动特性分析与减振控制、钻井延伸极限预测与设计控制,以及套管失效风险评估与安全控制等几个重要理论与技术问题,介绍了国内外的相关研究进展及笔者团队的最新研究成果;然后,针对超深井工程提出了若干创新发展建议。研究结果表明,超深井工程理论与技术的发展整体呈现出体系化、科学化、多学科交叉、地质与工程一体化等基本特点。建议在基础理论问题、关键核心技术、技术协同关系、技术迭代模式和多学科交叉融合等方面加强创新研究,以持续推进超深井工程基础理论与关键技术创新发展。

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。

以超深钻采工程推动我国挺进气态能源时代--访中国科学院院士、油气钻探与开采专家高德利

“我们可以想办法把原本建在地面的煤制气(氢气、甲烷气等)、煤制油、煤电厂等能源化工厂,想办法‘搬到’地下去。比如让煤炭在地下实现绿色、低碳转化,产出氢气、甲烷气等气态能源,而包括煤灰、煤渣等在内的固体废物,则可全都留在地下。如此一来,我们国家能源消费结构就可以跨越石油时代,从目前的煤炭时代进入未来的气态能源时代。”本期专家访谈栏目,让我们一起走近中国科学院院士高德利,感受那“地下井工厂”可使化石能源绿色低碳转化的神奇。

井深随钻测量误差校正与井眼位置不确定性计算方法

深井和超深井钻井过程中井下温度高、井内钻具承受的拉力大,导致随钻测量的井深误差较大。为此,考虑不同井深处井内温度、热膨胀系数、钻具轴向力和钻具规格等因素的影响,在测点处对井内钻具分段,结合井下温度随钻测量结果和井内钻具受力分析结果,建立了随钻测量井深的热膨胀校正模型和弹性拉伸校正模型,以及计算热膨胀校正误差限和弹性拉伸校正误差限的模型,并给出了随钻测量井深热膨胀和弹性拉伸校正后的井眼位置不确定性计算方法。实例计算表明,超深井钻井过程中由热膨胀和弹性拉伸导致的井内钻具伸长量可达10 m以上;随钻测量井深进行热膨胀和弹性拉伸校正后,可以显著减小测点垂深误差和误差椭球的大小。研究结果为提高井深随钻测量精度与科学计算井眼位置不确定性提供了理论依据。

利用地层综合系数法评价及优选钻头

常规钻头选型或者通过钻头的实际使用效果(如钻头进尺、每米成本、机械钻速等参数),或者通过地层岩石力学的一个或几个参数来进行,但由于钻头在井下受多种地层力学参数的影响,常规方法难以选出最适合本地区的钻头型号。阐述了一种既考虑钻头的经济效益又考虑钻头钻遇地层的岩石力学特性来进行钻头评价和选型的方法,即"地层综合系数法",并给出了该方法的计算步骤。应用该方法既可以对钻头的预期表现进行评价,也可以进行钻头优选。

利用矿渣MTC技术解决复杂地层固井难题

分析了矿渣MTC浆失水、稠化时间、抗压强度、流变性、静胶凝强度发展等性能特点及技术优势,并与常规水泥浆进行了对比分析,认为矿渣MTC体系大部分性能指标优于水泥浆体系,可以满足现场固井技术要求。应用矿渣MTC固井技术解决了低压易漏失井、高压气井、调整井、长裸眼长封固段及复杂压力体系固井等固井技术难题,固井质量明显优于常规水泥浆固井。

利用测井资料进行钻头合理选型研究及其应用

开展了利用测井资料进行钻头造型方面的研究，文中通过室内实验和现场资料统计，建立了地层岩石声波时差与岩石可钻性关系模型。利用该模型并结合新疆塔西南巴楚地区地震、地质、测井及钻井资料进行钻头合理选型，得出了该地区初步钻头造型结果，并在现场进行初步应用，取得了良好效果。利用测井资料选择钻头，是钻头合理造型的一项新技术。

救援井在穿越井段提高测量精度的计算方法研究

在救援井工程中,为确保救援井与事故井在设计连通点处精准连通并压稳地层,需要使用磁测距工具直接测量救援井与事故井的相对距离。受限于磁测距工具的测量精度,为避免提前碰撞并提高连通的可能性,在救援井轨道设计时需要增加穿越井段以提高测量精度。一般认为通过穿越井段可以将相对距离测量误差由20%减小到10%,但由于相关理论模型未见报道,目前仍缺乏具体的定量分析方法。为实现穿越井段前后测量误差的定量分析,基于救援井工程实际、测量平差理论及测距误差模型,本文建立了两种在穿越井段提高测量精度的计算模型。基于该计算模型的数值模拟计算表明:在算例条件下事故井被测点N-E坐标系的初始值由(108.00 m,28.00 m)修正为(110.14 m,29.24m)和(110.07 m,29.23 m),被测点坐标精度(误差椭圆的长半轴)分别提高了19.0%和21.5%。研究结果表明,两种计算模型均能有效提高测距精度,且计算结果相近,计算精度可以基本满足救援井测量需求,所建立的计算模型可以为救援井井眼轨道及测量方案设计提供理论指导。

海上CO_(2)回注大位移井工程关键技术研究

CO_(2)回注实现碳捕获和储存是海上油气领域践行“双碳”目标的有效途径之一。针对我国海上CO_(2)回注首口大位移井存在的埋藏浅导致承压能力低、井壁稳定性差、浅地层高造斜率所致的定向钻井轨迹控制难、高浓度高压力超临界CO_(2)对井筒的完整性要求高等技术问题,基于南海东部前期大位移井设计和作业经验,通过理论分析、工程设计和技术攻关,形成了钻井液体系“复合固壁”、浅层大位移井ECD精控、浅地层高造斜率井段定向控制等技术,并构建了多套耐CO_(2)腐蚀的固井水泥浆体系。技术研究成果成功应用于E-X井工程,该井完钻井深3709 m、水平位移3212.96 m、垂深894.31 m,井壁稳定性和井筒完整性良好,满足了CO_(2)回注相关技术要求。研究成果积累了海上CO_(2)回注大位移井工程技术经验,填补了国内海上CCS技术及其应用的空白。

助剂辅助稠油射频加热模拟实验及稠油温度影响因素

为了解决原始稠油储层射频加热技术存在加热距离短的技术难题,提出助剂辅助稠油射频加热技术。在介绍加热机理和工艺的基础上,设计了模拟实验系统并开展了助剂辅助稠油射频加热模拟实验并对稠油温度分布的影响因素进行了研究。结果表明:稠油样品温度随着金属镍粉末和活性炭粉末注入量的增大而升高,但金属镍粉末对稠油样品温度的影响程度较活性炭粉末更大;在助剂使用总量相同的情况下,金属镍粉末和活性炭粉末协同作用比其单独运用时稠油样品的温度更高、射频加热效果更好。研究结果对于射频加热助剂优选和提高射频加热性能提供了指导。

煤层气水平井筛管密集分段径向射流增透方法

水平井煤层伤害后渗透性差、常规分段水力射流间距长,为提高近井壁煤层渗透性,优化设计了弹簧-液压式封隔器与注液短节,提出了以筛孔为喷嘴的煤层气水平井筛管密集分段径向射流增透方法。建立了单个筛孔径向射流破岩计算模型和近井壁煤岩增透渗流增量比计算模型,优化设计了筛管孔密、筛孔出口流速和射流排量,分析了井壁煤岩固相侵入带与滤液侵入带的渗透率比值Kγ、固相侵入带深度Hs对渗流增量比的影响规律。研究结果表明,弹簧-液压式封隔器采用了无骨架式胶筒、径向滑块和强力弹簧设计,解决了密集分段径向射流工具在筛管内的高频次封隔稳定性难题,实现了煤层气水平井筛管完井与射流增透一趟钻;在Hs=3.5 cm、Kγ=0.01条件下,筛孔径向水力射流间距减小为筛孔间距0.05 m,水平井段煤岩渗流增量比增加5.5%,实现了煤层水平井段密封分段径向射流增透作业。研究结果为解决采用筛管完井的煤层气水平井储层伤害难题提供技术指导,为近井壁煤岩增透作业提供理论支撑。

超深气井环空带压分析与控制研究

超深气井在生产过程中受到高温、高压和腐蚀介质等复杂工况影响,导致井筒完整性面临严峻挑战,其中环空带压风险是亟需关注的技术问题之一。针对超深气井环空带压问题,文章系统总结了国内外专家学者相关研究成果和进展,主要包括环空压力的产生机理、预测方法及其对其井筒完整性的影响,并考虑环空最大允许压力值、环空带压类型诊断和井筒完整性检测等关键环节,提出了一套环空压力安全管控流程,以期为超深气井安全高效开发提供有益参考。分析认为:准确预测环空压力是评估环空带压风险的基本前提,在计算中应充分考虑环空温度、流体性质、流体体积和环空体积的变化;环空带压风险主要体现在套管的承载能力和水泥环的密封可靠性;环空压力安全管控流程可分为计算环空最大允许压力值,诊断环空带压类型和检测井筒完整性三个步骤。从而为有效预防环空带压提供技术思路。

PDC钻头钻井提速关键影响因素研究

为了在钻井工程中发挥出PDC钻头的最大功效,通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等,探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对PDC钻头钻速和磨损的影响规律,同时分析了PDC钻头的磨损机理与过早失效主因。研究结果表明:1)钻压是影响PDC钻头机械钻速的直接和首选因素,当钻头处于高效破岩状态时,无论钻遇一般地层还是硬岩地层,钻压与机械钻速均应呈线性关系;钻遇均质硬岩地层时,建议将200 kN以上高钻压纳入PDC钻头的常规应用参数;2)提高转速可实现钻井提速,虽然高转速会加剧PDC钻头的磨损,但目前切削齿的质量足以满足PDC钻头在高转速(400~500 r/min)下长时间钻进多数地层的需求;3)布齿密度对钻头机械钻速有影响,但并非直接因素,只要“吃得进去,切得下来,排得及时”三者建立动态平衡,即便是高布齿密度PDC钻头也可以实现优快钻进;4)PDC钻头破岩效率越高,钻头磨损会越小,如提高钻压,会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损;5)动态冲击和低效破岩是造成PDC切削齿和钻头过早失效的主因,实现PDC钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。该研究结果对PDC钻头合理使用与钻井提速技术创新具有参考意义。

利用测井资料进行钻头选型研究

根据目前国内在钻头选型方面存在的困难和问题，提出了利用测井资料进行钻头选型。通过室内实验和现场资料统计建立了地层岩石声波时差与岩石可钻性关系模型，结合巴楚地区情况进行钻头合理选型，得出了该区初步钻头选型结果，并在现场进行初步应用，取得了良好效果。

救援井磁导向钻井技术研究进展

救援井磁导向钻井技术是近几十年发展起来的高新技术,是保障救援井与事故井精准连通的核心技术之一。回顾救援井磁导向钻井技术在国外发展起来的简要历程,重点介绍中国在救援井磁测距工具研发、与事故井相对位置不确定性分析、探测定位方案设计等方面的最新研究进展,以及存在的一些问题等,并提出未来需要加强研究的重点内容,以期为中国救援井磁导向钻井技术创新发展提供有益参考。分析认为:今后应针对救援井磁导向钻井关键技术难题加强多学科交叉研究,自主建立一套相应的先进技术体系;应破除已有测距技术的桎梏,加强救援井导向钻井随钻磁测距技术创新研究。

煤层气开发地质“甜点区”模糊模式识别模型

从煤层气开发地质选区的角度出发,优选涵盖影响煤层气开发的地质条件和开采条件的煤层气开发地质“甜点区”评价参数,构建煤层气开发地质“甜点区”评价指标体系,并在此基础上建立煤层气开发地质“甜点区”模糊模式识别模型。应用该模型对沁水盆地南部樊庄区块3号煤层的4个评价单元进行评价,评价结果与实际开发效果一致,并与现有研究成果吻合,验证了模糊模式识别模型的合理性和可靠性。研究表明:煤层气开发地质“甜点区”模糊模式识别模型不涉及参数赋权,克服了层次分析与多级模糊综合评判传统模型由于参数赋权而导致评价结果具有不确定性的缺点,同时无需构建多级判断矩阵,计算过程更加简单。模糊模式识别模型预测结果可靠,可为煤层气高效开发提供技术支撑。

水力振荡器激励力形式对减阻效率的影响分析

现有研究对水力振荡器的激励力形式研究较少。考虑摩擦力的非线性效应,引入初始条件、边界条件和连续性条件,建立了带水力振荡器的钻柱动力学模型,利用有限差分法进行求解。以减阻效率作为目标函数,考虑钻柱失效和水力损失等约束,对减阻因素进行参数优化。研究结果表明:振幅和频率的增加均可有效降低摩擦力,提高减阻效率;在激励能量相同的条件下,大振幅和高频率下的激励力形式,即脉冲式激励力,更有利于提高减阻效率,3种因素的影响排序为激励力形式>振幅>频率。建议采用激励力形式2,即振幅45 kN,频率22.5 Hz。研究结果可为带水力振荡器钻柱的安全控制和优化设计提供一定的指导。

考虑磁方位校正的井眼轨迹测量误差计算

随着水平井、丛式井等技术的推广应用,对井眼方位角的测量精度要求越来越高。磁干扰条件下,多测点分析方法(MSA)是校正磁方位并提高井眼轨迹测量精度的一种有效方法。与现有井眼轨迹测量误差计算模型仅考虑轴向磁干扰校正相比,MSA同时考虑了轴向磁干扰和传感器误差源校正。因此,有必要建立适用于MSA的井眼轨迹测量误差计算模型。基于传感器误差模型及协方差传播率,推导了以直接测量参数为自变量的误差源权函数,建立了考虑磁方位校正的井眼轨迹测量误差计算模型,揭示了地磁参考场精度对校正后井眼轨迹误差的影响规律。研究结果表明,考虑磁方位校正的井眼轨迹测量误差随地磁参考场的精度降低而增大;采用高精度地磁模型进行磁方位校正,对于提高磁方位角测量精度、减小井眼轨迹测量误差具有现实意义。

异形PDC切削齿破碎塑性泥岩热固耦合数值模拟研究

中国南海莺琼盆地存在大量高温高压塑性泥岩地层,面临PDC钻齿难以吃入岩层、钻井速度慢的难题,开展该岩层破岩机理研究对于提高钻井速度有重要意义。本文通过离散单元法建立了由平行粘结颗粒组成的岩样二维、三维热固耦合数值模型,并标定了模型细观参数,开展了不同温度下圆柱形齿、楔形齿、屋脊齿和尖圆齿切削塑性泥岩的数值模拟研究。研究结果表明:随着楔形齿侵入时间增加,泥岩损伤区域增大,且径向裂纹向下扩展一定范围后停止扩展,岩石表现为塑性破碎;温度升高对楔形齿侵入岩石产生的径向裂纹和侧向裂纹扩展具有抑制作用;高温环境下,尖圆齿破岩效果明显好于屋脊齿和圆柱齿。现场应用结果表明,相同工况下尖圆齿PDC钻头机械钻速明显高于邻井圆柱齿PDC钻头,与数值模拟结果一致。本文研究成果可为南海高温高压储层破岩提速钻头优化提供理论依据。