非常规能源资源取心技术进展

近年来,随着页岩油气、煤层气、天然气水合物等非常规能源资源勘探开发的深入,对钻井取心技术提出了更高的要求。钻井取心可以直接获得真实可靠的地下岩层的有关资料,为资源评价、储量评估提供详实的实物地质资料。通过梳理近十年来国内在钻井取心工具方面的进展,总结了页岩气、煤层气勘探、天然气水合物勘查等特殊地层用的取心工具技术特点。重点介绍了海洋天然气水合物保温保压取样器,页岩气、煤层气勘探用绳索取心工具、大直径提钻取心工具、陆域密闭保压取样器。围绕非常规能源资源勘探的特点提出了取心工具的研发方向,为钻井工程取心技术研究提供有益的参考。

MRCT-HT旋转井壁取心技术在南海东部A井中的应用

MRCT-HT是中海油服自主研发的一套新型旋转井壁取心仪器,该仪器的主要特点是设计了双动力系统,并在岩心之间插入隔片,既能测量岩心长度,又能直接判断取心成功情况,确保岩心质量,该仪器在南海东部A井中应用时,一次下井钻进67个深度点,收获壁心67颗,收获率100%,所取岩心满足了地质资料的录取和后期测试作业对资料的需求,效果良好。

深井高速涡轮钻配套同径取心技术研究

分析了涡轮钻具结构特征及性能特点,在深井、特深井的高温高压、强研磨性地层中,涡轮钻具基本上成为唯一可选的用于复合钻进提速降本的井下动力钻具。针对深部资源的勘探开发需求,阐述了现有涡轮钻具同径取心技术的优势及存在的问题,利用数值模拟仿真技术分析和研究了涡轮钻具同径取心过程中钻井液的流动状态对取心效果的影响,认识到涡轮钻具可耐高温,适于深井、特深井全面钻进及取心钻进,但其高转速在取心钻进过程也容易造成岩心磨损、岩柱螺旋,而改善同径取心钻具高速单动性能、加长涡轮钻具螺旋稳定器、利用反螺旋扰流板等技术措施,有利于减小取心钻具井底的涡动、降低岩心内外管轴向速度差,从而提高涡轮钻同径取心钻进的岩心质量。

中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的研制与试验

针对大洋钻探硬岩取心钻具钻进效率低、取心效率低等问题,本文介绍了中国地质科学院勘探技术研究所研制的Ø185 mm规格中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的基本研制情况及陆地试验情况。研制过程中,通过理论计算和Ansys Workbench有限元仿真模拟,对中空式螺杆马达螺旋线型的结构进行了优化设计及动力学分析,并对万向节进行了受力安全分析,优选了材质,钻具攻克了多头小偏移量短节距中空转子和柔性中空万向节等关键技术,通过在陆地开展花岗岩块取心试验,验证了该取心钻具原理样机工作性能的可行性,为该钻具的工程应用提供了工作参数指导及匹配钻头的优选,也可为我国大洋钻探及深地科学钻探提供硬岩取心技术支持。

矿区破碎地层绳索取心关键技术研究

在矿区勘探中,针对破碎沉积岩地层的取心作业一直面临挑战,这类地层由于其复杂的岩性组合和易破碎的特性,传统的取心方法一般效率低,且岩心质量难以保证。本研究旨在探讨绳索取心技术在破碎沉积岩地层中的应用,并重点研究取心工具的设计优化、钻进参数的选择以及岩心保护等关键技术。通过理论分析和现场试验,验证优化后的绳索取心技术在提高取心率和岩心质量方面的有效性。本研究不仅为矿区破碎沉积岩地层的勘探提供了技术支持,也为类似地层的取心作业提供新的解决思路。

深层超深层取心技术进展与未来解决方案

发展深层超深层取心技术是积极践行习近平总书记“向地球深部进军”号令的具体行动,是探索深层油气资源的重要手段。取心收获率、密闭率、保压成功率等重要指标是评价取心作业是否成功的关键,上述指标受地层岩性、取心工具材料、结构设计、取心工艺以及现场作业等因素的影响非常大。文章针对深层超深层取心面临的井筒温度高、循环压力大、地层岩性破碎易堵心、岩心定位区分难度大等挑战,总结分析了近年来国内深层超深层取心技术取得的成绩和出现的典型问题,对比国外同类型取心工具的结构及成功应用案例,进而提出未来我国深井超深井取心技术的发展建议,并研究适用于深层超深层的系列取心工具和配套取心工艺技术,为“取全、取准”深层超深层地质资料,推动我国深层超深层油气资源勘探开发提供技术支撑。

提高志留系龙马溪组螺杆取心收获率技术

志留系下统龙马溪组页岩致密,常规取心钻速低,采用新工艺螺杆取心后,取心钻速提高50%以上,但受掉心多发以及单次取心进尺差异大影响,实际操作可行性较低,从而使螺杆配套取心技术难以发展与推广。针对高转速螺杆取心作业难点,深入分析龙马溪组各小层岩石特性和螺杆取心技术特点,开展螺杆选型和取心参数优化研究,形成了龙马溪组螺杆长筒取心工艺技术。研究结果表明:①优选螺杆,并分层段优化取心排量控制方法,控制岩心直径大小,防止割心环节发生岩心抽筒;②采取停泵割心并优化循环排量,防止循环过程中岩心掉井。该技术在Z301、Z221井龙马溪组现场试验,2口井共取心7筒次,取心进尺174.50 m,心长173.73 m,收获率99.56%,岩心收获率显著提升,实现了螺杆取心工艺技术突破。该技术可在页岩、砂岩、石灰岩、铝土质泥岩等可钻性较差地层推广应用,解决取心钻速低的难题。

渤海X油田疏松砂岩密闭取心常见问题及应对措施

密闭取心是直接跟踪对比水淹过程中储层岩性、物性、含油性变化的重要技术手段,是油田水淹层评价的最有效方法,取全取准密闭取心资料是后期科学准确研究的前提和关键。针对渤海X油田疏松砂岩密闭取心作业中常出现的问题,从卡准取心层位、提高岩心收获率和密闭率等方面分析并提出相关举措,在F井连续密闭取心作业中成功应用,达到了卡准目标砂体,岩心收获率100%、密闭率100%的目标。

新近系地层大直径取心质量影响因素分析及对策研究

在郑州市主城区与东部新城区地热资源勘查评价项目中,勘查目的层为新近系明化镇组和馆陶组,在勘查初期存在取心质量不稳定的问题。通过对影响取心质量的地质因素和工程因素的分析发现,初期采用的川7-4型单动双管取心工具配装的卡箍式岩心爪,难以适应胶结程度差异大、复杂多变的新近系地层。针对影响取心质量的因素,采用了钙化泥浆,优化了钻进参数,改进了钻头结构,设计加工了卡板式岩心爪与卡箍式岩心爪组合的双作用岩心爪。在后续的勘查施工中,有效提高了岩心采取率,解决了取心质量不稳定的问题。

深部煤层原位保压保瓦斯取心技术装备及初步应用

深部煤层瓦斯含量精准测定是矿井瓦斯灾害防治和煤层气高效开发利用的基本前提。煤层传统取心技术普遍采用开放式取心,需利用估算方法获得煤层取心过程中的瓦斯损失量,难以保证煤层瓦斯原位参数的准确性和有效性。基于“原位保真取心”学术思想,开发了深部煤层原位保压保瓦斯取心技术,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取心器,并基于三维数值仿真对取心器外管、保压舱体结构与关键薄弱部件进行了强度校核。同时,依托自主研发的保压取心实验室模拟测试平台,测定并分析了保压控制器的保压能力,通过煤矿现场试验验证了取心器的可靠性。研究结果表明:自主研制的取心器具有保压能力强、保压时间长、防扰动性能稳定等优势;取心器在内部流体压力20 MPa和1000 N m扭矩作用下等效应力为121.1 MPa,远小于材料屈服强度,满足强度设计要求;取心器在20 MPa荷载作用下等效应力为63.9 MPa,满足强度设计要求;取心器整体在19.4 MPa压力条件内可持续稳定运行,可以满足大部分深部煤矿瓦斯测试需求;现场测试表明保压保瓦斯取心器的保压控制器闭合情况良好,现场取心率达100%。研究成果可为深部煤层瓦斯含量精准测定奠定理论、技术和装备基础,对于煤矿瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发具有重要意义。

提钻取心岩心堵塞形态分析与防堵方法探讨

取心钻进中常会钻遇含裂隙或破碎地层,岩心进入钻头后由于围压消失,地应力释放导致岩心会沿裂隙碎裂成块,在进入岩心管时形成堵塞形态阻碍后续岩心继续入管,严重时岩心互相对磨消耗,导致岩心采取率不足,地层资料缺失。岩心堵塞已成为取心钻进中影响取心质量和钻进效率的重要因素,岩心破碎状态和堵心形态复杂,钻进中在钻具的动态干扰下岩心堵塞机理难以掌握,使得岩心解堵成为取心钻进中面临的一大难题。本文通过岩心堵塞形态理论模型的建立,从岩心碎裂后在岩心管内形成的典型堵塞形态和变化规律进行分析,对易堵心地层的取心参数规程提出建议,并根据所列举的典型岩心堵塞形态对防堵方法进行研究与探讨。

直连绳索取心钻杆分区热处理技术研究

为了提高绳索取心钻杆的性能,对直连绳索取心钻杆的受力情况、结构特点以及传统处理工艺进行分析,提出了分区热处理的工艺。通过对两端进行热加工处理,使钻杆中间管体区域和两端热处理螺纹区域性能出现差异,提高两端综合强度的同时改善螺纹部分的受力状态,可使钻杆柱既具有高强度又兼具柔性,大幅提高钻杆机械性能以及耐磨性。其中调质硬度HRC33~38能在保证管体延伸率与正火、回火基本一致的情况下,强度提高37.7%,硬度提高40%,抗冲击性提高46.7%。调质硬度HRC38~42时,材料的耐磨性提高9.1%。更适合全液压钻机施工及深孔钻进,为钻探施工提供了钻机、钻杆配套性的优选方案。

粉煤地层绳索取心钻进孔壁坍塌分析及处理

在甘肃省景泰县郭家台煤炭资源详查ZK30-1孔施工中,因强行提“水钻”造成了长孔段孔壁严重坍塌事故。分析认为坍塌地层粉煤层位多、累计厚度大,围岩结构松散、破碎是造成孔壁坍塌的地质因素;冲洗液性能与地层岩性不适应是主要技术因素。通过引入低粘强抑制冲洗液,扫孔过程中轻压慢转、小泵量循环,成功处理了孔壁坍塌,顺利终孔。煤田钻探施工对冲洗液性能要求严格,用绳索取心钻探粉煤对冲洗液性能要求更为苛刻,在冲洗液配制和钻进过程中尤其需要加强对其性能变化的监控。

海洋自适应伸缩绳索取心钻探工艺研究及应用

海洋取心钻探钻遇软硬交互地层时,往往采取提钻更换相匹配的取心钻具来应对不同硬度的地层。海上作业成本高,频繁起下更换钻具耗费时间长,面对软硬交互地层工况,研发了自适应伸缩绳索取心钻探工艺。钻遇绵软地层时,内管超前伸出,由内管安装的钻头进行取心钻进;钻遇坚硬地层时,内管在地层对钻压的反力下会压缩其内部的弹簧从而回缩到钻具外总成当中,由外总成钻头进行取心钻进,在压缩弹簧的调解下,可根据地层硬度的变化自动调整取心钻进方式。通过工程应用检测,使用该工艺平均岩心采取率高,达到了保证取心质量、延长内管钻头工作寿命的目的,提高了作业效率和安全性,为海洋工程勘察提供了借鉴。

绳索取心钻进钻杆防垢除垢系统的研究

本文针对金刚石绳索取心钻进过程中钻杆内壁结垢影响岩心顺利打捞的问题,在借鉴国内外研究成果的基础上,系统梳理了影响钻杆内壁结垢的主要因素,编制了可以方便、快捷地计算结垢指数I和临界通径D_(c)的计算程序系统,系统可根据计算结果提出相应的防垢除垢措施。在工程中进行了现场应用,为现场钻探工程师进行防垢除垢、确保钻探安全高效进行提供了有益的科学指导。

钻井液离心机预防绳索取心钻杆内壁结垢研究

针对钻杆内壁结垢严重制约绳索取心安全、优质、高效实施的技术难题,开展了金刚石绳索取心钻进钻杆内壁的结垢机理与影响因素综合研究,结果表明:当钻具结构与钻井液性能一定的情况下,钻井液中的固相含量与颗粒大小是影响钻杆内壁结垢的主要因素。金刚石岩心钻进所产生的岩屑粒径在5~100μm之间,总体偏细,难以依靠自然沉降清除。为此,研制了TGLW系列小型离心机,现场试验表明:该离心机可使钻井液中固相颗粒的峰值从5~80μm降到3~10μm,固相粒度中值从11.189μm降到3.513μm,固相清除率达90%以上,控制钻井液固相含量在0.5%以下,既维护了钻井液性能、又预防了绳索取心钻杆内壁结垢。

蔚县地区砂卵石漏失地层取心钻探施工技术

地层漏失是钻进过程中一种常见的孔内复杂情况,一旦发生漏失,不仅延误钻进时间、损失钻井液、损害目的层等,而且还可能引起井塌、卡钻等一系列复杂事故,甚至导致钻孔报废,造成重大经济损失。蔚县地区地层以砂卵石层为主,在取心过程中因地层漏失极易引起井塌、卡钻等事故。因此,一旦出现地层漏失情况,必须进行护壁堵漏。在实际施工中,从泥浆配制、黏土球堵漏、水泥护壁堵漏及下套管护壁堵漏等4个方面综合优化施工工艺,均取得了较好的堵漏效果,确保钻孔达到了设计要求。

海上超高温高压井取心工具关键性能评价及应用研究

海上油田部分深井和超深井储层存在超高温、超高压、安全压力窗口窄以及地质条件复杂的情况,钻井取心作业过程中易发生井漏以及卡钻等复杂情况,使用常规的钻井取心工具取心效率低,无法满足取心作业要求。因此,在分析了海上超高温高压井取心技术难点的基础上,设计了一套适合海上超高温高压井的免投球钻井取心工具,并对螺纹连接强度、分水接头和取心钻头水动力学以及悬挂总成摩阻3个关键性能参数进行了评价。结果表明:取心工具在室温和超高温(250℃)条件下的螺纹强度均能满足行业标准要求,分水接头及取心钻头结构设计合理,产生的压降较小,悬挂总成的摩擦阻力较小,内筒工作比较稳定。海上超高温高压井钻井取心工具在乐东区块2口超高温高压井取心作业过程中进行了成功应用,WC-9井和LS-2井的井底温度分别为205.2℃和212.3℃,压力系数分别为2.29和2.31,2口井的取心收获率均达到了100%,岩心成柱性能好,取心钻头未明显磨损,应用效果较好,适合在海上类似超高温高压井进行推广应用。

基于定向井轨迹的浅层海相疏松砂岩密闭取心技术

在斜井中对浅层海相胶结疏松砂岩进行密闭取心是一技术难点。由于砂岩松散易碎,胶结程度差,非均质性强,岩心收获率普遍低于50%,严重制约了油田后期开发对岩心资料的需求。为有效解决这一难题,总结了适用于浅海三角洲前缘疏松砂岩密闭取心的技术措施,具体包括储层物性分析、取心进尺设计、井眼轨迹控制、取心流程细化控制等,通过一系列措施的应用,有效解决了这一困扰。利用此技术在番禺A油田A5P井对珠江组浅层海相疏松砂岩连续密闭取心8筒次,共计取心68.20m,收获岩心68.00m,获得99.7%的超高收获率,为番禺油田中后期开发提供了重要岩心数据,该技术在指导后续取心作业具备很高的实用价值。

川渝地区复杂深井多层系多岩性地层取心技术

川渝地区复杂深井超深井储层发育、层系多、岩性杂、地层破碎,钻井取心作业中堵心卡心复杂情况频繁发生,存在取心收获率难以保障、单次取心进尺少、取心机械钻速低、取心作业周期长的技术难题,严重影响取心质量与取心效率。为此,针对川渝地区地层分布特点、作业难点持续技术攻关,优化取心钻头、取心工具、取心参数、取心工艺,形成了川渝地区复杂深井多层系多岩性地层取心技术。应用结果表明:(1)创新研发的三筒取心、旋转割心、螺杆取心、满尺寸取心技术,有利于减少堵心卡心,提高单次取心进尺、取心机械钻速;(2)形成的川南页岩气井取心作业新模式、下川东—川中区域超深井长筒取心技术、储气库大斜度井取心技术、川渝地区深层煤岩取心技术,满足不同区域取心需要,屡次创新国内系列施工纪录,支撑了取心作业高质量高效率完成,取心收获率在97.68%以上,取心作业周期缩短20.73%以上。