四川盆地超深层钻完井技术进展及其对万米特深井的启示

四川盆地超深层海相碳酸盐岩油气资源丰富,是寻找特大型油气田、开拓油气增储上产新领域的重要方向,但超深层钻完井面临地层条件更加复杂、井筒环境更加极端等工程技术挑战。为进一步指导万米特深井的安全高效钻探,通过梳理超深层钻完井技术难点,系统总结了四川盆地超深层钻完井关键技术,并提出了下步钻完井技术的发展建议。研究结果表明:①形成的超深复杂地层三压力预测监测技术精确预测了复杂地层压力系统及地应力场分布,准确刻画断层、裂缝、溶洞等展布规律,结合非常用井身结构拓展技术,提高了井身结构设计应对复杂地层钻探的能力;②形成的钻—测—固—完全过程精细控压技术,解决了超深井、特殊复杂井钻井液安全密度窗口窄导致“溢漏共存”、固井质量低等难题;③研发的高效钻头与大扭矩螺杆、扭力冲击器等抗高温提速工具,解决了深部难钻地层钻井钻头易磨损、破岩效率低的工程难题;④研发的抗高温钻井液体系提升应对高温深井的钻井液技术保障能力,升级第二代韧性水泥,解决了工作液抗高温能力不足等难题,保障超深井建井质量。结论认为,超深层钻完井技术的发展与进步,使得深井钻深能力突破9000 m已经成为现实,形成的关键技术有力地支撑了四川盆地超深层油气资源的高效勘探开发,对于万米特深层科学钻探和油气增储上产新领域拓展具有重要技术支撑作用。

四川盆地深层页岩气钻井关键技术新进展及发展展望

四川盆地页岩气资源丰富,目前深层页岩气已成为该盆地天然气增储上产的重点领域,但随着埋深增加和构造背景变化,地质工程条件将更加复杂,钻井过程中将面临井漏风险高、井下工具高温易失效、水平井轨迹控制难度大等技术难题。为此,在系统分析已完钻井实钻数据的基础上,依据深层页岩气区块地质工程特征,系统梳理了影响安全优快钻井的关键技术难点,形成了以地质工程一体化导向技术、钻井提速技术、防漏治漏与复杂防治技术为主体的深层页岩气安全优快钻井关键技术系列。研究结果表明:(1)以精细地质建模优选地质工程“双甜点”、实时靶体追踪为主的地质工程一体化导向技术,实现了地质目标的精准优选和精确追踪;(2)以“高效PDC钻头选型+个性化优化+大扭矩螺杆”高效破岩技术、“MSE+CCS”参数实时优化技术、油基钻井液地面降温+高温旋转导向技术为主的钻井提速技术,实现了页岩气钻井提速提效;(3)以井壁稳定性评价、裂缝性漏层识别、井漏与复杂防治为主的复杂防治技术,从源头降低了井下漏失和卡钻风险。结论认为:(1)形成的深层页岩气安全优快钻井技术,显著提高了机械钻速和铂金靶体钻遇率,在现场规模化推广应用200余口井,单井平均钻井周期降低42.7%,钻井提速效果显著,有力支撑了深层页岩气效益规模开发;(2)深层页岩气钻井将聚焦“地质工程一体化、水平段一趟钻、防漏治漏及智能钻井决策”等方面的技术攻关。

万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究

油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺寸钻具使用寿命远低于预期。为此,在对比研究了深地川科1井(以下简称SDCK-1井)和毗邻8000 m超深井上部井段钻柱振动问题基础上,基于全井钻柱系统动力学模型和数值仿真方法,针对性研究了大尺寸井眼中的钻柱动力学特性。研究结果表明:①井眼尺寸越大,钻头和下部钻具的振动越剧烈,SDCK-1井二开大尺寸井眼与邻井中等尺寸井眼相比(井深500 m处),其钻头及下部钻具振动强度均值分别增加了48.0%和41.5%,比SDCK-1井三开中等尺寸3000 m井深的钻头及下部钻具振动强度均值分别高了29.0%和2.9%;②相同井眼尺寸和岩石特性情况下,下部钻具组合比钻柱整体长度对钻头振动的影响更大,优化下部钻具组合能够明显改善钻头振动,保护钻头,同时还可以提高钻头破岩能量利用效率实现钻井提速;③在大尺寸井眼中钻头破岩激励向上传播,横向振动衰减慢于轴向振动衰减,大尺寸钻头扭矩更大且钻压和扭矩波动更加明显,因此从保护下部钻具的角度出发,大尺寸井眼钻具组合对抑制横振更加有效;④大尺寸井眼中下部钻具弯矩和弯矩波动更大,现场频繁出现的钻具裂纹除受控于整体振动强度较大以外,交变弯矩是裂纹发生的重要原因。结论认为,该研究成果揭示了超深井大尺寸井眼中钻柱的动力学特性,指出了应着重控制横振和交变弯矩,该认识可以为超深井上部大尺寸井眼钻井提供技术指导。

四川盆地页岩气地质工程一体化高效开发关键技术与装备

四川盆地页岩气具有储层构造复杂、埋藏深、甜点储层薄、裂缝/断层发育、地应力差大、破裂压力高、产量衰减快等世界罕见的复杂特征,致使原有北美页岩气开发技术难以满足四川盆地的特殊需求,亟需自主研发适应于四川盆地复杂地质条件的页岩气高效开发技术。针对四川盆地复杂地质条件下的页岩气储层地质甜点与工程甜点科学评价、长水平井高效钻井、分段体积压裂和控压高效开发的关键技术与装备等难题,基于地质工程一体化研究思路,以地质建模为基础,发明了复杂页岩气储层“地质-工程”双甜点评价新方法、复杂难钻地层高效增压提速与动态多因素个性化钻头设计方法、基于双甜点的地质工程一体化分段体积压裂参数优化方法;自主研发了系列个性化高效复合钻头、无线电控趾端压裂滑套、全溶桥塞和专用压缩机等高性能关键工具与装备,形成了具有中国自主知识产权的四川盆地页岩气地质工程一体化高效开发关键技术与配套装备。研究成果先后在四川盆地长宁、威远、涪陵等页岩气田大规模应用834井次,通过提高钻头使用寿命、缩减钻井周期、提升压裂效率及单井测试产量,支撑了中国页岩气高效开发关键技术与装备进步。

基于数字岩心模型重构的岩石力学行为评价新方法

石油天然气钻井过程中,上覆非目的地层钻取的岩心数量有限,在一定程度上限制了其岩石力学行为的研究,不利于安全高效钻进。为此,采用数字岩心模型对上覆长井段非目的地层岩石力学行为开展了反演研究,并以四川盆地天府气田上三叠统须家河组地层为例,基于目标层位岩屑组分测试结果与Voronoi理论,建立了用于表征须家河组岩心力学行为的数字岩心三维Voronoi体模型,还原了矿物成分、黏土以及孔隙的空间分布,最后从微观角度分析和研究了岩石的力学特性及损伤演化过程。研究结果表明:①数字岩心单轴压缩变形存在空隙压密、弹性变形、塑性变形和破坏后4个阶段,破坏形式主要为剪切破坏,这与实验结果高度吻合;②在轴向压力加载时,矿物颗粒受到挤压产生应变,当应变超过矿物本身的屈服应变时,矿物开始损伤,并将无法承受的压力传递给邻近矿物颗粒,逐渐形成裂纹和破裂面;③矿物空间分布仅对数字岩心的损伤演化和裂纹发展有影响,颗粒尺寸对弹、塑性以及破坏后阶段的力学行为均有影响;④随着围压增加,抗压强度和残余强度明显增大,且岩心尺寸越大弹性模量和峰值强度越低。结论认为,该方法分析结果与实验结果吻合,为岩心缺少条件下研究钻井过程中上覆地层岩石力学特性提供了新思路,并对破岩机理认识及优化钻头选型与设计具有重要工程意义。

一种溶黏型仿生自愈合水泥浆体系

随着固井水泥浆技术的发展,固井自愈合技术已然成为预防和治理油气窜、提高水泥环长期密封能力最为有效的技术之一。针对固井水泥环长期密封性能失效引发的环空油气窜技术难题,基于“先防后堵”的技术思路,从化学仿生的角度,研发了一种溶黏型仿生自愈合水泥浆体系,分别评价了该仿生自愈合水泥浆体系工程性能和凝固后的自愈合水泥石力学性能,并通过劈裂造缝的方式,评价了自愈合水泥石在甲烷养护条件下的力学性能恢复能力和渗透率的降低率。最后通过SEM微观测试和红外光谱分析了该自愈合水泥的愈合机理。研究结果表明:①水泥石力学性能优异,在抗压强度降低15%的情况下水泥石弹性模量减少41%,显示出良好的韧性,起到了“先防”的作用;②破坏后的水泥石遇烃激发,能生成一种溶黏型凝胶状酯类物质,重新黏合水泥石骨架,自愈合水泥石在甲烷养护条件下抗压强度恢复率达94.5%,抗折强度恢复率达58.6%,气测渗透率降幅为99%,液测渗透率降幅为100%,起到了“后堵”的作用。结论认为,溶黏型仿生自愈合水泥浆体系可有效实现固井完整性并在水泥环破坏后通过自愈合实现长期密封完整性,为防止环空异常带压这一油气井生产安全隐患提供了有力的技术支撑,有利于解决固井水泥环长期密封性能失效引发的环空油气窜技术难题。

井下节流工艺技术在气田开发中的应用

介绍了井下节流工艺原理、节流工具的技术指标、适用范围以及在川渝气田中的应用情况,结果表明,井下节流能控制气井产量,取消单井地面水套加热炉,节约加热用气,减少井岗管理人员,降低集气支线管线压力等级,达到降低气井开采成本之目的,具有明显的技术经济和社会效益。

页岩气藏储层压裂实验评价关键技术

页岩气藏勘探开发潜力巨大,因其基质具有超低渗透特点,使得开发过程中需要进行大规模水力压裂,裂缝网络是获得工业性气流的关键。页岩气井的缝网压裂设计有别于常规低渗透砂岩储层压裂设计,特殊的室内实验评价技术是缝网压裂设计的重中之重。为此,从常规的压裂实验评价入手,分析对比了致密砂岩气与页岩气储层力学性质特征,针对页岩岩石脆性特征以及储层岩心敏感性等实验评价关键技术,开展了大量的实验评价研究,并与现场压裂缝高示踪剂监测、地面微地震裂缝监测结果进行了对比分析。所取得的认识可为页岩储层实验评价分析及缝网压裂优化设计提供参考。

地应力类型影响定向井井壁稳定的规律

定向井井周应力状态和井壁稳定性规律与直井有着明显的差别,开展地应力类型对定向井井壁稳定性的影响规律研究,对定向井井眼轨迹设计具有一定的指导作用。为此,根据正常、走滑和反转三种地应力类型,深入分析了定向井井斜角和井眼方位对井壁坍塌破坏的影响规律。结果表明:①随着井斜角的增加,正常和反转地应力类型的井壁稳定性逐渐变差,即直井比定向井或水平井井壁稳定性更好;②随着井斜角的增加,走滑地应力类型的井壁稳定性逐渐增强,即水平井井壁稳定性最好;③定向井钻井或完井过程中,井壁稳定的最优钻井方位与最大水平地应力方向的夹角按正常地应力、走滑地应力和反转地应力类型依次为90°、45°和0°。

高温高压高酸性气井完井管柱优化设计

近年来,随着天然气勘探开发工作的快速推进,高温高压油气井、深井超深井、含腐蚀性介质气井越来越多,完井管柱优化设计及作业难度越来越大,安全环保的要求也越来越高。已完井投产的气井中有相当比例都存在由各方面原因引起的生产套管压力异常升高现象,具有一定的安全生产隐患,因此对该类气井开展完井管柱优化设计研究具有重要的现实意义。通过总结高温高压高酸性气井完井现场实践经验,深入探讨了封隔器管柱力学分析要点及结构设计方法;提出了高温高压高酸性气井完井管柱设计的原则——安全第一、有利于发挥气井产能、延长气井寿命、经济可行,明确了优化设计阶段需重点考虑的7项因素;形成了一套基于第四强度理论的不同工况条件下完井管柱三轴应力强度校核方法,以及高温高压高酸性气井封隔器完井管柱设计方法。该套设计方法应用于四川盆地龙岗气田某井,取得了较好的效果。

基于水泥石实验数据的水泥环力学完整性分析

气井环空带压是高温、高压、高酸性气井开发中面临的一个重要难题。为此,针对从固井到生产作业中影响固井水泥环力学完整性的问题,采用弹塑性力学理论,建立套管—水泥环—地层系统耦合力学模型,求解水泥环Tresca应力和径向位移。结合龙岗气田X井尾管固井水泥石三轴应力实验获得的弹性模量、泊松比、抗压强度、屈服应变等岩石力学参数,进行了尾管固井段水泥环力学完整性评价:①固井初期,同一井深处,井筒内压力越大,水泥环受到Tresca应力和水泥环径向位移越大;相同内压下,随着井深的增大,水泥环受到的Tresca应力变化很小,但水泥环径向位移增加较为明显。②生产阶段,由于井筒内压力逐渐降低,水泥环受拉应力作用,水泥环移动方向与固井初期移动方向相反,随着压力的降低,在同一井深处,水泥环受到的Tresca应力和水泥环径向位移都变大;随着井深的增加,Tresca应力和径向位移逐渐增大。评价结论认为该井测试及生产期间不会引起尾管段水泥环力学完整性失效。

四川盆地龙王庙组气藏最大化降低表皮系数的储层改造技术

四川盆地乐山—龙女寺古隆起下寒武统龙王庙组非均质碳酸盐岩储层缝洞较为发育且高含硫,钻井液的侵入伤害和完井的不完善导致了不同程度的储层伤害,最大化降低表皮系数是该区进一步获得油气增产的关键。为此,从龙王庙组储层地质特征出发,基于二项式产能公式论证了通过最大化降低表皮系数进一步扩大产能的科学性,并结合目前酸化改造现状分析了钻井液污染、钻完井方式不完善等主要矛盾带来的储层伤害表皮系数。进而论证了表皮系数具有进一步降低的空间;通过储层伤害因素分析,确定了龙王庙组储层总表皮系数主要由钻井表皮和完井方式不完善表皮组成。在优化降低钻、完井表皮系数的同时,针对龙王庙组碳酸盐岩储层的缝洞型特征,提出了有效利用天然裂缝以达到"非径向、网络状"解堵的网络裂缝酸化工艺。

川渝地区含硫气井固井水泥环界面腐蚀机理分析

酸性气井井下防腐是石油工程学界的技术难题之一,对于"井筒第一屏障"——固井水泥环的腐蚀研究更是备受重视。针对目前井下固井水泥环腐蚀研究中存在的问题,采用界面腐蚀的试验方法,利用X射线衍射、扫描电镜等实验分析手段,对川渝地区含硫气井固井水泥环腐蚀机理进行了探索。结果表明:①水泥石的腐蚀深度和H2S分压值、腐蚀时间成正比;②腐蚀后水泥石抗压强度值和H2S分压值、腐蚀时间成反比;③由于水泥石受酸性气体腐蚀后的产物逐渐富集、堆积及运移,使水泥石形成一个较为稳定的致密层或腐蚀过渡带,腐蚀后水泥石的孔隙度和渗透率随腐蚀时间的增加呈现先增加后降低的特点,并最终使腐蚀介质进入水泥石内部变得更加困难;④确保水泥环在保持一定腐蚀深度的情况下,尽快形成较为稳定的腐蚀过渡带或降低水泥环的腐蚀速率,是含硫气井固井水泥环在酸性环境下保持长期密封性及化学完整性的重要基础条件。

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。

国外排水采气工艺技术现状及发展趋势

随着世界各国对能源的进一步需求和对环境问题的日益关注,天然气受到了普遍重视,发展天然气工艺已成为当代世界潮流。90年代以来国外的天然气开采工艺技术已有很大进步,在排水采气方面也取得了较大的新发展。从单井排水采气工艺技术发展到单井排水与气藏工程相结合的多学科气藏整体治水技术,同时进行了排水采气工艺技术与装备、修井技术的系列配套研究。文中介绍了国外排水采气工艺技术的发展现状、发展重点及趋势,并根据国内技术发展情况提出建议。

井温、噪声组合找漏测井在龙岗气井中的应用

介绍了井温、噪声组合测井找漏原理及其适应条件。井温、噪声组合找漏测井在龙岗气田2口环空带压气井的首次现场应用结果表明,在渗漏量较大时,通过井温测井能明显检查到井温异常段,结合噪声点测资料能准确找到渗漏点;在渗漏量极小的情况下,通过多方技术分析,综合噪声点测结果,能找到正确的渗漏点位置;井温、噪声组合找漏测井方法寻找漏失点效果明显,可为气井下步治理方案及制定相应的控制措施提供依据,具有推广应用前景。

四川盆地高含硫气井完整性管理技术与应用——以龙岗气田为例

近年来,高酸性天然气井越来越多,但因技术和施工的瑕疵,往往导致气井功能不完整(如套管环空异常带压等),已成为影响气井安全生产的重要问题。为此,在消化吸收国内外先进完整性管理理念的基础上,结合四川盆地龙岗气田高温(130～150℃)、超深(6 200m)、高含硫(30～156g/m3)、地层因素复杂等特点,从带压原因分析、井筒安全评估内容和流程、风险等级划分和防控措施等方面开展了气井完整性管理技术的研究与应用。制订了气井完整性管理相应的对策,即:对于已完成的老井加强压力、流体跟踪评价分析,加强井下及井口腐蚀状况监测、检测工作,定期对井筒安全状态进行评估,确保安全受控;对于待完成的新井,重点抓好井身结构、完井管柱设计与现场施工作业质量控制等环节,确保不形成新的环空异常带压气井。现场应用结果表明,形成的气井完整性管理方法及主体配套技术能够满足龙岗气田安全生产的需要。

气井井下节流动态预测

气井井下节流工艺将节流器安装于油管的适当位置来实现井下调压,能充分利用地热对节流后的天然气加热,从而改变天然气水合物的生成条件,对于防止水合物生成起到了积极的作用。井下节流后,气体由于压力降低而膨胀,气体的压能转变成动能,促使气流速度增大,有利于提高气井的携液能力。文章应用节点系统分析方法,以井下节流器为节点,建立了气井井下节流过程井筒压力温度动态预测模型。该模型综合考虑了流入动态和井筒径向传热机理,能够预测井下节流压力、温度等重要参数,为井下节流动态分析、井下节流器工艺参数设计、水合物防治、排液采气工艺提供了必要的技术手段。

多管柱热应力模型预测采气井口装置的抬升

井口装置抬升现象常见于稠油热采井、注采井,生产气井却十分罕见。由于高产气井在生产过程中井口温度高,大温差使得井口附近自由段套管产生热应力变化,进而导致井口装置抬升,破坏气井完整性、损坏地面流程,引发灾难性的后果。为此,分析了因大温差导致套管热应变而引起井口装置抬升的机理,建立了气井井口装置抬升的多管柱热应力模型,并对井口装置的抬升高度进行了实例计算,其预测结果与实际监测结果十分接近,预测结果可靠。研究认为:随着气井产量的增加,井口温度逐渐升高,井口装置抬升高度将不断升高;而表层套管自由段长度对井口装置的抬升高度最为敏感,多层套管固井质量差时对井口装置抬升高度影响较大。最后指出了气井井口装置抬升带来的安全风险,并提出大产量气井应以保证固井质量、合理配产以及加强气井环空压力监测等3项技术措施来预防、监测采气井口装置抬升。

钻井液处理剂对固井水泥浆的污染影响

深井固井中水泥浆和钻井液界面接触污染是一项危及施工安全的技术难题。为此,以川渝气田为例,有针对性地开展了固井中流体相容性的室内实验与分析。实验测定了目前常用的钻井液处理剂对常规密度水泥浆流动度、稠化时间的影响;利用红外光谱分析、电镜扫描、X射线衍射分析获得了聚丙烯酰胺钾盐(KPAM)和生物增黏剂的红外光谱数据,以及添加处理剂的水泥浆的红外光谱、电镜扫描、x射线衍射分析数据;同时还探讨了常用钻井液处理剂对固井水泥浆的污染机理。实验结果表明,KPAM和生物增黏剂等处理剂为高分子,其长链易吸附水泥浆中的水泥颗粒形成混合网状结构,造成水泥浆颗粒团聚增稠.进而失去可泵性。最后建议,进一步完善钻井液处理剂对固井水泥浆污染影响的评价实验方法,尽早形成一种能帮助解决固井水泥浆污染问题的规范标准,以便为固井前钻井液性能调整、钻井液处理剂合理选材、新的钻井液处理剂研发等提供技术参考。