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。

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。

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。

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。

基于系统弱点与平台漂移分析的深水钻井隔水管作业窗口分析方法——以陵水17-2气田为例

深水钻井隔水管是连接浮式钻井平台与防喷器的关键设备,在服役过程中面临着复杂多变的海洋环境,承受着恶劣的作业载荷,力学行为复杂,其安全可靠运行是深海油气资源高效开发的前提。为获取不同工况下深水钻井隔水管的作业窗口,以我国南海自主开发的深水陵水17-2气田为研究对象,在考虑海洋环境、浮式平台及隔水管系统的基础上,通过隔水管系统弱点分析、平台漂移分析以及不同工况下隔水管作业窗口评估,制订了隔水管配置方案,形成了深水钻井隔水管作业窗口分析方法,并在陵水17-2-A7井得到成功应用。研究结果表明:①导管接头处是隔水管系统的最薄弱点,上、下球铰转角、导管应力和张紧器冲程都是影响隔水管作业窗口的主要因素。②正常钻进工况作业窗口主要受上、下球铰转角限制,连接非钻进及生存工况主要受张紧器冲程和导管接头能力限制。③在一年一遇的海流条件下,风速分别为33.4 m/s与17.5 m/s时,平台最大偏移量为水深的1.6%与3.2%;当平台漂移24.0 m与46.0 m时,平台应急解脱(EDS)必须启动以保证平台漂移距离不超过允许漂移距离的最大值。结论认为,形成的深水钻井隔水管作业窗口分析方法为陵水17-2气田的安全高效钻井提供了技术支撑,对南海复杂海洋环境下深水钻井隔水管设计与工程应用具有重要指导意义。

气侵条件下深水钻井井筒温压耦合场分布规律研究

在深水钻井中,气体侵入会对井筒内的温度和压力分布产生显著影响,进而对深水钻井作业带来安全风险。针对深水钻井中的气侵问题,考虑井筒内流体与地层、海水间的传热,建立了气侵条件下的深水钻井井筒温压耦合场计算模型,分析了气侵条件下气液两相流对井筒温度场和压力场的影响,探讨了钻井液循环时间、气侵量、地层深度、海水深度以及钻井液排量等因素对井筒温度场和压力场的影响规律。研究发现:海水深度是影响深水井筒环空温度的主要因素,钻井液排量、地层深度是影响深水井筒环空温度的次要因素,钻井液循环时间与气侵量的影响最小;随着钻井液循环时间、气侵量和钻井液排量增加,井筒温度和压力都降低;随着地层深度增加,井筒温度和压力都升高;随着海水深度增加,井筒温度降低而压力升高。该研究结果对气侵条件下深水钻井井筒温压耦合场分布研究和深水钻井作业安全具有指导意义。

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。

Integrated design and control technology of liner completion and drilling for horizontal wells

Aiming at the problems of large load of rotation drive system,low efficiency of torque transmission and high cost for operation and maintenance of liner steering drilling system for the horizontal well,a new method of liner differential rotary drilling with double tubular strings in the horizontal well is proposed.The technical principle of this method is revealed,supporting tools such as the differential rotation transducer,composite rotary steering system and the hanger are designed,and technological process is optimized.A tool face control technique of steering drilling assembly is proposed and the calculation model of extension limit of liner differential rotary drilling with double tubular strings in horizontal well is established.These results show that the liner differential rotary drilling with double tubular strings is equipped with measurement while drilling(MWD)and positive displacement motor(PDM),and directional drilling of horizontal well is realized by adjusting rotary speed of drill pipe to control the tool face of PDM.Based on the engineering case of deep coalbed methane horizontal well in the eastern margin of Ordos Basin,the extension limit of horizontal drilling with double tubular strings is calculated.Compared with the conventional liner drilling method,the liner differential rotary drilling with double tubular strings increases the extension limit value of horizontal well significantly.The research findings provide useful reference for the integrated design and control of liner completion and drilling of horizontal wells.

海域含天然气水合物地层钻完井面临的挑战及展望

全球天然气水合物资源丰富,被世界各国视为未来石油和天然气的战略性接替能源。天然气水合物主要分布于深水海底浅层和陆地冻土区中,其中海域天然气水合物资源较为丰富,然而,目前海域天然气水合物储层钻完井工程实践较少,存在着许多技术难题和挑战。为了研究和应用海域天然气水合物地层钻完井技术,介绍了美国、日本、印度、中国等国家海域天然气水合物地层的钻探与试采活动,分析了海域天然气水合物地层钻完井技术发展现状,指出在天然气水合物地层钻完井工程中存在的基础性技术难题主要包括钻井液密度窗口窄、天然气水合物相变、井壁失稳、井口不稳定性、出砂防砂等。此外,针对钻完井工程存在的技术难题,对海域天然气水合物地层控压钻井、套管钻井、水平井钻井、防砂和钻井液等关键技术的未来发展进行了展望分析,以期为我国海域天然气水合物地层安全高效钻完井设计提供参考。

大位移井钻井延伸极限研究与工程设计方法

大位移井在海洋、滩海、湖泊及山地等复杂地区油气资源的高效开发中应用广泛,大位移井钻井技术具有约束因素多、作业难度大、作业风险高等基本特点,其井眼延伸极限的预测和控制对于安全钻进意义重大。在概述国内外大位移井钻井延伸极限研究进展的基础上,重点介绍了大位移井钻井延伸极限的预测模型和分布规律,提出了基于延伸极限的大位移井钻井优化设计方法,并应用大位移井钻井延伸极限理论分析了萨哈林地区Z–42大位移井的水平段旋转钻进极限及完井管柱下入极限,认为提升钻机性能可大幅度提高井眼延伸极限,旋转接头和减阻接头可提高完井管柱的下入极限。研究结果表明,开展大位移井钻井延伸极限预测理论和控制方法研究,可为大位移井的风险预测、优化设计及安全控制提供科学依据。

页岩气井井筒完整性若干研究进展

在页岩气开发工程中遭遇了井筒完整性问题,主要包括页岩气井水泥环密封失效引起的环空带压问题和页岩气井压裂过程中的套管变形问题。基于目前已有的相关研究成果,总结分析了页岩气井井筒完整性失效问题的相关研究进展情况。随着国内外学者对页岩气井压裂过程中套管变形研究的逐渐深入,认为页岩气井套管变形的主要影响因素包括压裂过程中的温度应力、储层非对称压裂、固井质量差及断层或裂缝滑动等。其中,压裂过程中断层或裂缝滑动造成的页岩气井套管剪切变形机理已经受到越来越多的研究人员关注,并提出可以通过提高套管强度和固井质量、避开断层或裂缝滑动区域来有效降低套管变形的技术对策。页岩气井水泥环密封失效主要由套管内压变化和套管偏心引起的水泥环屈服破坏、界面裂缝引起的窜流等问题造成的,通过采用膨胀水泥、柔性水泥及环空预应力等技术措施可有效减小水泥环密封失效的风险。通过优化设计页岩气井的特殊水泥浆体系,对于有效提高页岩气井水泥环密封完整性具有重要意义。考虑到水泥浆固井密封能力的局限性,还可以附加考虑在井眼环空局部采用机械密封方法达到密封完整性要求。关于页岩气井井筒完整性的研究结果,对于通过体积压裂完井的其它非常规油气井工程相关设计控制也具有重要的参考意义。

钻井液对页岩力学特性及井壁稳定性的影响

钻井液长期浸泡会对层理性页岩产生影响,进而影响到页岩地层的井壁稳定性。利用川南地区龙马溪组页岩开展了不同钻井液浸泡后页岩单、三轴力学实验,分析了其力学特性及破坏形式的变化特征,并探讨了井壁失稳机理。结果表明:受层理影响,页岩力学特性具有明显的各向异性特征,且具有围压效应;油基钻井液对层理面的润滑作用增强了各向异性,页岩沿层理面发生剪切破坏,破坏形式受层理面控制;水基钻井液对页岩造成水化损伤,微裂缝扩展沟通层理,降低了各向异性,易发生复合破坏,破坏形式受基质体和层理面双重控制,井壁更易失稳;黏土矿物水化作用和孔缝毛细管效应是页岩地层井壁失稳的根本原因。该研究可为层理性页岩井壁稳定分析提供参考。

顺北5-5H超深Ø120.65mm小井眼水平井钻井技术

顺北特深层断溶体油藏以水平井开发为主,顺北5-5H井是该油田一口Ø120.65 mm的小井眼水平井,钻遇二叠系、志留系井漏复杂,且地层温度高、定向工具缺乏、摩阻扭矩大,导致安全成井、轨迹控制、位移延伸难度大。针对该井地层井漏复杂,优化专封井身结构,配套了防漏技术,保障了安全成井;研究配套了井眼轨道优化技术、抗高温测量工具、降摩减阻技术、位移延伸能力评估和小井眼轨迹控制技术,形成了超深Ø120.65 mm小井眼定向钻井技术。通过集成应用,顺利完成水平井钻井施工,完钻井深8520 m,丰富了超深小井眼水平井定向钻井技术,为顺北油气田特深油气藏勘探开发提供了技术支撑。

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程,取得了许多重要的研究成果,并主要在油气井工程中获应用实效.然而,由于井眼约束和作业工况的复杂性,目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为,导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题.本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络,重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程,然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题,包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等,分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等,并在一定程度上进行了总结与展望,以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.

海洋深水高温高压气井环空带压管理

中国南海高温高压油气藏开发过程中,井筒环空带压问题突出,一旦超过允许值将会影响安全生产。为了保证气井的正常生产,需要确定环空压力的合理范围,为此基于ISO 16530-1:2017标准和API RP 90-2的推荐做法,研究并建立了考虑管柱承压能力和关键节点校核的深水高温高压气井环空带压控制值计算模型以及一套环空压力管理图版。研究结果表明:(1)管柱承压能力计算主要针对环空对应的油管和套管;(2)关键节点校核计算主要针对井口装置、封隔器、井下安全阀和尾管悬挂器等;(3)建立了环空最小预留压力计算模型,以确保对深水高地层压力或井底高流压气井的环空施加一定的备压,保证井下管柱和工具在合理环空压力范围内正常工作;(4)以某深水气井为实例进行了计算与分析,得到了考虑和不考虑壁厚减薄情况下随投产时间变化的各环空带压控制值。结论认为,所建立的模型及图版应用于海上深水高温高压气井,使用简便、可操作性强,可以为深水高温高压气井及类似井的井筒环空压力管理提供借鉴。

基于钻柱屈曲的大位移井套管磨损预测模型

大位移井由于井深长,狗腿度严重,摩阻扭矩大等原因,在钻柱下入过程中,钻柱可能会产生屈曲,这会导致钻柱轴线与井筒轴线不再平行,钻柱进尺长度会显著增加,加剧套管的磨损。在套管磨损预测模型中,引入由于钻柱屈曲而产生的钻柱进尺长度变化量,建立适合于大位移井的套管磨损预测模型。结合采用“井工厂作业”模式下的南海流花某大位移井W1的井径测试数据,对邻井W2进行套管磨损预测。结果表明:忽略钻柱的屈曲效应时,测深2144 m处的套管磨损深度预测值会被低估16.9%;仅考虑由钻柱屈曲所引起的附加载荷和套管截面几何变化,不考虑钻柱进尺长度变化量时,测深2144 m处的套管磨损深度被低估10%;针对大位移井的套管磨损预测,如果忽略由于钻柱屈曲所带来的钻柱进尺长度变化量,会使套管磨损深度预测值被低估。

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。

射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。