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。

气体钻井高效开发致密砂岩气藏的典型案例分析

目前气体钻井开发致密砂岩气藏是否高效建产受多方面制约,建产机理尚不清晰,阻碍了气体钻井发挥技术优势。为此,文章选取塔里木迪北地区和川西地区的典型高产井为研究对象,在综合分析随钻资料的基础上,探究了高效建产的共性特征。研究发现,产气点的井深与砂泥岩岩性界面存在高度相关性,证实了岩性界面处发育的缝网系统是有利渗流通道;有水致密气藏中,受断裂带影响,地层水在断层下降盘上部富集概率高,部署在断层上升盘的井产水程度低,加之岩性界面缝的存在,使气水实现同产、稳产。分析认为,井位部署应以构造高部位和断层上升盘为依据,确保气源富集的同时避免水体突进,井轨迹应将岩性界面缝作为重点穿越目标,上部井段下套管应避免完全封隔目的层泥岩段,以充分释放岩性界面缝的产气潜力。未来还应加强技术攻关,提升气体钻井钻穿复杂砂泥岩互层的能力。

川东北通南巴复杂构造带气体钻井防漏提速技术

通南巴构造带受来自米仓山冲断构造带与大巴山弧形冲断构造带的构造叠加作用,断裂和裂缝都较为发育,该区块须家河组以上地层压力低,前期部署的井漏失严重且机械钻速低。文章通过分析应用气体钻井技术的必要性,以井壁稳定、地层可钻性及井眼净化能力适应性评价为基础,形成了以井身结构优化、注气/泡沫参数和钻具组合及钻进参数优化设计为主体的技术方案,成功应用13井次,不仅避免了上部地层井漏复杂,并且机械钻速平均提升6~9倍以上,为通南巴构造带超万亿方天然气的安全高效开发提供了技术保障。

气体钻井岩屑含水量快速检测系统

针对目前钻井现场检测地层出水的方法速度慢、抗干扰能力弱的问题,利用近红外光在水中具有显著的吸收特性,提出了一种基于近红外图像的岩屑含水量快速检测系统。系统利用940 nm波段的近红外摄像头采集图像,消除可见光干扰,提高了检测的灵敏度。借助基于小波变换的滤波算法有效去除图像中的散射噪声,并采用区域生长算法进行图像分割,排除干扰物,避免误分割情况,提升系统的抗干扰能力。此外,运用HDBSCAN聚类算法快速精确提取岩屑区域,获取岩屑图像的灰度平均值。最后,利用分段线性回归算法构建了灰度值-含水量模型,预测岩屑含水量。实验结果表明:系统在复杂的天然气钻井环境中工作有效,最大绝对误差为1.87%,精度较高。平均检测时间不超过6 s,速度较快。相较于烘干法,系统在保证准确率的基础上显著提高了检测速度。与湿度传感器相比,系统不仅具有更高的检测精度,还能覆盖更大面积岩屑的水分检测需求。

四川油气田气体钻井技术

四川油气田地质情况复杂,长段井漏、恶性井漏时常发生,使得钻井工作的难度大大增加。在四川发展起来的空气泡沫钻井技术和纯空气钻井技术,已成为解决井漏(特别是恶性井漏)最有效的方法之一;四川有很大一部分地区的产层属低渗低压油气藏,采用常规钻井液钻井,容易造成不可逆转的储层伤害,甚至难以发现地下油气资源。为了解决这一难题,在四川研究并发展了欠平衡钻井技术,其中包括天然气钻井、尾气钻井、氮气钻井等技术。特别是近年来,气体钻井的优势在川渝地区的钻井中显现得越来越明显,也越来越受到高度关注。为此,回顾了四川气体钻井技术发展历程,阐述了纯空气钻井、泡沫钻井、氮气和天然气钻井、柴油机尾气钻井、充气钻井和雾化钻井等气体钻井技术在四川的应用现状,分析了四川气体钻井技术发展中遇到的气体钻井井斜、地层出水、钻具失效以及井壁垮塌等问题,以期进一步充分发挥出气体钻井的优势。

气体钻井岩屑运移机理研究

气体钻井由于其机械钻速快,能有效防止水敏性泥页岩坍塌,杜绝井漏。然而在气体钻井中井筒内岩屑的运移机理还不是十分清楚,为此,从气固两相流基本理论出发,对气体钻井过程中岩屑的重复破碎和细岩屑聚团过程进行了分析,并对接单根后岩屑的运移模式进行了描述,指出由于岩屑聚团的崩裂速度远远超过理论计算的相应初始运移速度,在接完单根后为使井底得到清洁,应增大注气量。另外,还提出了气体钻井过程中岩屑间协同作用的物理模型,指出从含少量细岩屑时的粗岩屑表面改性向大量细岩屑聚团过渡中,存在一个最佳点,该点携岩效率最好。通过研究,对气体钻井过程中岩屑的运移机理有了更进一步的认识。

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。

气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究

气体钻井中气体携岩冲蚀钻杆是引起钻杆快速失效的主要原因之一。基于此,文中采用计算流体动力学（CFD）方法建立了圆形规则井眼、钻杆居中情况下的高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型。通过对环空气体流场、钻杆表面冲蚀速度和岩屑颗粒对钻杆的冲蚀过程及其运动轨迹的分析后发现,与钻杆接头斜坡碰撞的岩屑颗粒对钻杆有冲蚀作用,最大冲蚀速度发生在钻杆接头斜坡面上,其次在公接头以上0.2～1.8m长度范围内的钻杆本体表面上。这些区域可能形成严重的冲蚀坑,也可能出现微裂纹,在受到钻井过程中的弯、扭、拉等动载荷联合作用下可能发生裂纹扩展、失效现象。

气体钻井的适应性评价技术

气体钻井对地质条件、设备及工艺的要求较高,因适应性评价不充分而导致气体钻井失败的实例屡见不鲜,目前国内还缺乏相应的气体钻井适应性评价技术体系。基于气体钻井的必要性、工程可行性、经济可行性评价所涉及的关键技术,建立了气体钻井适应性评价技术体系,开发了相应的评价软件系统。此举有利于促进气体钻井的科学选区、选井和选层,减少决策的盲目性,推进气体钻井技术在油气田、煤层气田勘探开发领域的高效应用。

气体钻井井壁稳定性分析

首先分析了用钻井液钻井时钻井液与地层的相互作用,并以多孔介质传导、吸附与扩散(水分子和水化离子)、双电层电场与电斥力为基础,建立起钻井液滤液在井周地层中的渗透运移规律和水化应力与地层强度随时间变化的规律,对地层应力应变状态受钻井液的影响进行定量化分析。并将用于校正后由测井资料得到的围岩强度性质及应力状态,从而得到气体钻井条件下井周地层的强度性质及应力状态。最后选择适当的强度准则,形成气体钻井井壁稳定性分析模型系统。以七里北1井的测井资料为基础,运用该模型系统分析了七北101井气体钻井井段的井壁稳定性,其结果与该井钻井实际情况一致,表明该模型系统是准确、可靠的。

气体钻井随钻安全风险识别与监控

气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面一井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。

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。

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度,但屡次出现钻具失效事故,不仅影响钻井速度,而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律,并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂,钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动(包括公转和纵向共振)、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因,提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。

高压气层气体钻井井壁稳定性分析

在利用气体钻井技术揭开高压气层的初期,由于低密度气体在井底产生的压力很小,远远低于气层的孔隙压力,高压气层的气体在压力势差作用下由地层向井眼高速流动,导致高压产气层段井壁稳定性下降,易引起井下复杂事故。通过分析高压气层高速产气影响气体钻井井壁稳定性的作用机理,建立了一套高压产气层气体钻井井壁稳定性的评价方法。结果发现:高压气层高速产气过程中,一方面导致产气层近井壁地带的孔隙压力降低,形成一个压降漏斗,作用在井壁表面岩石上的有效应力增加,有利于气层的井壁稳定;另一方面由于产层孔道迂回曲折,高压气体在快速流出地层时,在近井壁地带会产生一个附加径向应力,降低了井底气体对井壁岩石的有效支撑作用,不利于气层的井壁稳定。综合分析正、反两方面的影响因素后发现:高压产气层被气体钻井揭开瞬间,气层井壁表面岩石稳定性最差;随后,井壁表面岩石孔隙压力降低,井壁稳定性变好;随着产气层暴露时间的增加,气层深部位置点高压气体开始流动,井壁稳定性先变差后变好。

气体钻井井壁稳定处理剂评价方法探讨

气体钻井遇到地层出水时,通常就要转化为雾化钻井、充气泡沫钻井或钻井液钻井。工作液中液相浸入,引起地层岩石的物理化学变化,可造成井壁垮塌,甚至会导致井下复杂情况及事故。为此,深入分析和总结了气体钻井遇地层出水后的特殊井下情况,提出了在特殊井下情况下泥页岩井壁稳定对处理剂的性能要求,并对气体钻井井壁稳定处理剂的实验评价方法进行了探讨。结果表明:综合运用滚动回收实验、封堵效果评价,压力穿透测试、抗毛细管力自吸测试以及岩石力学参数测试等方法,能够较全面地评价井壁稳定处理剂的抑制性、封堵性、抗毛细管力自吸等性能以及该处理剂对岩石力学性质的影响。

气体钻井井壁稳定性评价方法分析

由于气体钻井技术在某些方面有着常规钻井液钻井不可比拟的优势,在国内得以大范围地试验应用。但是,作为一项新技术,气体钻井本身具有一定的局限性,其实用范围尚不完全清楚。因此,在现场试验过程中已经暴露出不少问题,井壁稳定性就是其中最为突出的问题之一。在常规钻井液钻井过程中,井筒与地层孔隙压力之间存在正压差,正压差对井壁起到一定的支撑作用,在一定程度上抑制了井壁坍塌,有利于井壁稳定。而在气体钻井中,这种支撑作用并不存在。为此,从气体钻井井壁岩石力学的基础着手,建立了气体钻井条件下井壁稳定性分析的评价方法,并结合实际工程地质特征,对川西特殊复杂地层没有流体产出情况下气体钻井井壁稳定性进行了定量评价,分析评价结果与现场施工情况吻合。

泥页岩水化对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

气体钻井钻遇地层水后，井壁岩石力学特征变得复杂，给钻井施工带来较大的安全威胁。从泥页岩水化机理着手，通过实验和理论计算方法，对气体钻井过程中泥页岩水化对井周岩石力学参数的影响规律进行分析研究，给出地层出水条件下泥页岩井段井壁稳定性分析评价方法，结合工程地质特征，对川西特殊复杂地层出水情况下气体钻井井壁稳定性进行定量评价。分析结果表明，由于川西地区中浅～中深井段泥页岩层段较多，且地层水丰富，气体钻井过程中井壁容易发生失稳破坏。因此在气体钻井过程中，应充分认识待钻井段地层出水情况和泥页岩地层的纵向分布规律。

气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法

定量分析了气体钻井中气-固两相流对井筒的冲蚀作用。结果表明,冲蚀作用最大的点在井底,这有助于破岩;井口段套管和钻杆的冲蚀作用次之,这是有害的。提出了在环空井口加载回压来控制气体钻井过程中气固两相流对井筒冲蚀的方法,确定了加载合理回压值的准则,即:确保环空内流速介于最小携岩速度和冲蚀临界速度之间。

巨厚砾岩层气体钻井井眼特征

由于具有常规钻井所不具备的多方面优势,气体钻井技术在中国正受到越来越多的关注。作为一项打开油气层新技术和提速技术,气体钻井技术在矿场应用中存在一些特殊问题,包括巨厚砾岩层提速钻井中井斜控制难和套管下入遇阻现象。现有的空气锤和钟摆钻具组合控制井斜方法在塔里木油田山前巨厚砾岩层中都很难起到很好的井斜控制效果,而且套管遇阻情况严重。基于实测井径数据,利用3次样条曲线重构井眼截面形状特征,并探讨巨厚砾岩层空气锤钻井椭圆井眼形成机理。结果表明,空气锤以高频冲击破坏岩石,受地层的非均质性和各向异性的影响,所形成的井眼体现为高度椭圆性。431.8 mm井眼的平均井径达495.3 mm,长轴达551.2 mm,而短轴仅为427.7 mm。正是这种井径短轴偏小和井壁不规则造成了套管下入遇阻问题。为了在塔里木盆地山前巨厚砾岩层推广气体钻井技术,不但要有效控制井斜,而且要尽可能增大井眼短轴长度。博孜101井的钻井实践表明,采用预弯钟摆BHA(底部钻具组合)不但可以较好地控制井斜,而且可以有效地改善井径截面形状,提高井壁的光滑度。

气体钻井钻杆冲蚀规律研究

针对气体钻井岩屑造成钻柱严重冲蚀的问题,基于气-固两相流和冲蚀理论,建立了环空岩屑运移模型。在Eulerian坐标系下求解气体连续相流场,在Lagrangian坐标系下对离散相岩屑粒子进行了碰撞求解,采用Grant和Tabakoff公式求解岩屑粒子冲蚀速率,借助实验数据验证了仿真模型。利用该模型研究了气体钻井中钻杆居中以及不同钻杆偏心率、井径扩大率、注气量和机械钻速下环空岩屑粒子运移规律和钻杆冲蚀特性。研究表明,岩屑对钻杆接头及下坡面本体的冲蚀比钻杆本体及接头上坡面严重;钻杆偏心和井径扩大都使局部冲蚀速率峰值增大,且偏心越严重,井径扩大越大,局部冲蚀速率峰值增速越大;机械钻速增大,导致钻杆局部冲蚀速率峰值近乎线性增加;在工程常用注气量范围内,注气量对冲蚀速率峰值和冲蚀速率平均值的影响很小。根据冲蚀规律提出如下建议:减小钻杆斜坡坡度可减少钻杆接头及下坡面的局部冲蚀;采用低转速的空气锤钻井工艺可减缓因偏心引起的局部冲蚀;井眼扩大较大时,增大注气量,通过改变岩屑粒子轨迹,可减少岩屑对钻杆本体的多次冲蚀。