深井超深井大尺寸井眼钻具疲劳失效分析与防控

地球深部蕴藏着丰富的油气资源,随着深井超深井钻井数量的递增,钻具失效(断钻具、钻具刺漏)事故呈现逐年递增趋势。为进一步明确深井超深井大尺寸井眼钻具失效原因、减少钻具失效事故,梳理了近年来中国石油西部三大油田钻具失效情况及特征,并以西部油田某口典型超深井?444.50 mm井眼连续5次断钻具事故为对象开展原因分析。首先基于弹性动力学密哈顿原理(Hamilton’s principle)和纽马克方法(Newmark-β)建立了钻具动力学模型,结合雨流法和Miner疲劳损伤累积理论实现对钻具运动、受力及疲劳寿命的定量评价,并验证了模型的准确性,最后提出了大尺寸井眼预防断钻具配套工艺措施。研究结果表明:(1)深井超深井中钻具失效主要发生在上部大尺寸井段,失效位置多集中在下部钻具接头或本体尺寸较小的薄弱位置;(2)因钻具横向振动诱发高频弯曲应力是导致钻具疲劳失效的主要因素,持续剧烈的横向振动在数小时内会导致钻具疲劳失效;(3)提高下部钻具组合刚度、使用“高钻压+低转速”参数钻进有助于降低钻具横振强度;(4)因钻具组合刚度偏小、钻井参数不合理导致下部钻具剧烈横向振动,叠加“中性点”在钻具接头及本体尺寸较小等薄弱位置反复交替,是典型案例井连续断钻具的直接原因。结论认为,建立的模型可以定量评估钻具疲劳失效情况,提出的预防措施可为深井超深井大尺寸井眼预防钻具失效提供技术参考。

新型径向钻井技术

新型径向钻井技术可为低渗透、稠油、老油田和边际油气提供一种经济高效地开采途径。与早期径向钻井技术相比,新型径向钻井技术无须套管锻铣和扩眼,提高了施工作业效率,该技术可在?177.8mm套管内完成从垂直转向水平,钻出直径50mm,长度达100m的水平井段,作业井垂深达到了3592.5m.。介绍了新型径向钻井技术的原理、工艺和设备,分析了径向钻井技术在低渗透井、低产井、稠油井和二次开发井中的应用效果,并针对该技术现场应用出现的问题及其发展趋势提出了一些建议。

中国石油陆相页岩油钻井技术现状与发展建议

中-高成熟度页岩油是中国页岩油战略突破的重点领域,加强陆相页岩油勘探开发是保障国家能源供应安全的重要途径。详细介绍了中国石油天然气集团有限公司(简称中国石油)在鄂尔多斯、准噶尔和松辽等盆地页岩油钻井工程技术进展。包括大平台工厂化布井、水平井井身结构优化、分井段“一趟钻”、水平井高性能钻井液、一体化地质导向等关键技术。对标北美先进页岩油钻井技术,分析了国内页岩油钻井在布井方式与井身结构、地质工程一体化及导向技术、钻井提速配套技术、钻井液及固井配套技术等方面的差距和发展趋势。提出了持续推进大平台工厂化作业和优化井身结构、集成配套提速技术、加强地质工程一体化研究和加快新一代导向工具研发攻关等发展建议,以促进陆相页岩油钻井提速、降本、增效,引领页岩油革命工程目标实现。

碳酸盐岩油气藏气侵早期识别技术

针对海相碳酸盐岩油气藏钻井过程中钻遇裂缝孔洞发育储层时,井筒流体与地层流体置换效应形成的复杂流动造成的气侵识别困难,从钻井过程中气体侵入方式研究入手,探讨了各种气侵方式的侵入机理、发生工况及其相互联系,提出了直接侵入方式下含硫天然气侵从定性研究到定量化研究的思路和方法,研究了气体沿井筒的运移、膨胀规律,即气体在上升过程中越接近井口气体膨胀越剧烈。在此基础上,通过对气侵发生时的井筒环空气液两相流动井底压力变化特征进行模拟,揭示了气侵初期在深井小井眼段井底压力会出现小幅上升后下降的变化规律,提出了以井下实时环空压力随钻测量仪器监测井底压力变化对比正常趋势线来识别和预警气侵的方法。利用该方法,可以在气侵第一时间实现预警,为碳酸盐岩复杂油气井安全钻井提供了有效保障。

大规模体积压裂情况下套管弯曲力计算方法

目前的套管弯曲力计算模型仅考虑了温度变化引起的弯曲力放大因子,忽略了弯曲段管体自重沿轴线上分量产生的轴向力。针对这种情况,综合考虑温度和自重的影响,推导出温度和自重双重作用下管体的弯曲力计算公式,并对套管弯曲力进行校正,根据双轴应力公式计算出套管抗击强度显著降低。分析结果表明,轴向力增大会对套管强度产生严重影响,压裂时其内压传递到管外,管内突然泄压会导致管内压力瞬间降到0,此时是套管抗外挤失效最危险工况;拉伸载荷计算不精确可直接影响套管抗外挤和抗内压强度校核,运用提出的计算模型可以较为精确地计算出压裂后套管轴向力。所得结论对页岩气井套管的强度优化设计具有参考意义。

玛湖长水平段水平井非均匀载荷套管设计方法研究与应用

玛湖地区采用长水平段水平井+体积压裂技术开发,对套管及固井质量要求高,针对玛湖地区工程地质特点,建立非均布载荷下套管受力分析力学模型,优选满足多级体积压裂要求的套管,套管分析设计结果在玛131井区、玛18井区和风南4井区规模推广应用压裂投产后未出现套损,有效的支撑了玛湖地区规模上产。

液力冲击工具在新疆玛湖地区提速应用

玛湖是新疆油田增储上产的重点地区,纵向上的几套砂砾岩地层制约了钻井提速。针对该地区的地层特点,制定了液力冲击器提速技术措施。液力冲击器能够以一定的频率给钻头施加冲击力、把连续的射流变为脉冲流,有利于提高钻头破岩效率。在艾湖12井三开井段进行了试验,进尺750m,同比邻井进尺提高65.2%、机械钻速提高39%,见到了明显的提速成效,为玛湖难钻地层的提速提供了有效的技术方式。

隔热套管抑制水合物地层分解规律研究

针对深水钻井中水合物地层易受高温钻井液影响而分解,影响井筒完整性的问题,提出了采用隔热套管降低水合物分解的工程措施,并对隔热套管的隔热效果进行室内试验分析。采用牛顿迭代法计算其视导热系数,建立了钻井液与地层之间的传热模型,对隔热套管的传热情况进行数值模拟。研究结果表明:隔热套管的中间段外壁温度很接近环境温度,且其外壁温度基本不随流体温度的变化而变化;隔热套管内流体温度升高会提升接箍位置温度,但并不影响中间套管段温度;使用隔热套管可以有效降低水合物地层温度,特别是水合物地层与水泥环相交边界温度,使得整个地层短期内都处于相平衡温度以下,从而减弱水合物分解程度。研究结果对保护水合物地层井筒完整性具有借鉴意义。

深水钻井早期井涌检测方法及其未来趋势

深水钻井技术是制约深海油气勘探开发的主要因素之一。深水钻井具有高风险,高投资,高回报等特点,深水井控是深水钻井的一个难点,如何有效地预测发现井涌是深水井控的关键。分析了各种常用的井涌检测方法并结合深水钻井的特殊工况,指出常用的井涌检测方法无法满足深水井控的要求,最后介绍了一种使用LWD、PWD监测井涌的井涌早期监测方法,使用PWD实时监测井底的压力变化情况,并对水力模型进行修正,同时建立井底压力正常趋势线;使用LWD实时测量地层参数,利用浅侧向电阻率随钻测量等工具监测钻井液性能变化,可以有效地实现流体侵入早期监测。

准噶尔盆地南缘钻井技术进展、难点及对策

准噶尔盆地南缘前陆冲断带油气资源丰富,高探1井的发现展现了南缘下组合勘探的巨大潜力。针对高陡构造,安集海河组强水敏/强塑性地层等钻井难点,通过垂直钻井、油基钻井液和高效PDC钻头等技术,逐步形成了有针对性的中上组合防斜打快安全钻井技术体系。南缘下组合钻完井依然面临着地层压力精细预测及井身结构合理设计难度大,安全密度窗口窄高密度、大温差、窄间隙、窄窗口固井等难题。需通过开展地层压力精细预测技术研究,采用动态井身结构技术、精细控压钻完井技术和抗高温、高密度大温差水泥浆体系,提高南缘钻井的成功率。

水平井长度对天然气水合物藏降压开采效果的影响

南海北部神狐海域天然气水合物(以下简称水合物)藏第二次试采结果表明,水平井降压开采水合物藏比直井具有更大的潜力,但对于究竟该采用多长水平段才能达到良好的开发效果目前尚不明确。为此,自行设计了一套开采模拟实验装置,首先采用物理实验手段研究了水平井长度对水合物藏降压开发气水生产动态、温度压力变化规律的影响,进而利用TOUGH+HYDRATE软件建立了等尺度数值模拟模型,在历史拟合的基础上分析了水合物饱和度和含气饱和度的变化规律。研究结果表明:①对于水和水合物共存的水合物藏,高压可动水在降压初期大量产出,同时地层压力快速下降,水合物大量分解,在降压开发后期由于没有稳定的热源供给,产气量呈现初期快速上升到达峰值后震荡式下降的趋势;②水平井可以有效增大泄水和泄气面积,因而水平井长度越长,产气量峰值和累计产气量越高且产气量峰值到达时间越短,但在无热源供应的情况下,产气量递减速度也越快;③水平井附近会形成明显的低水合物饱和度区,长水平井段有利于扩大水合物的分解区域,但水合物藏在降压开发后期仍然残存大量未分解水合物,需改变开发方式进一步促进水合物分解;④由于盖层传热和气水重力差的影响,降压开发容易形成次生气顶,因而水平井位置靠近水合物藏上部有利于降低分解气的超覆,进而提高分解气产量和开发效果。

共聚物增黏剂在超临界CO2中的微观结构与性能

以同分异构体甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸乙酯(EAL)分别与1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯(HFDA)共聚制备5种增黏剂,实验评价其溶解性能和增黏性能,并通过分子模拟分析CO2-共聚物体系的微观结构和分子间相互作用,探讨结构和组成对共聚物性能的影响。结果表明:P(HFDA-co-EAL)可以使超临界CO2(SC-CO2)的黏度提高34~87倍,随着EAL含量的增大,其分子间缔合程度增强,增黏性能随之提高,但溶解性能随之降低;P(HFDA-co-MMA)最高仅可以使SC-CO2的黏度提高51倍,溶解性能也较差;P(HFDA-co-MMA)主链上甲基的存在,降低了其分子链柔顺性和分子间缔合程度,使其溶解性能和增黏性能变差。

钛合金石油管材应用前景研究

钛合金是一种高强度耐腐蚀性金属材料,在我国资源极其丰富。钛合金的性能特点为:优异的耐酸性气体与海水耐蚀性能、极高的比强度,这些特点决定了在石油钻井行业的广泛应用前景。钛合金在钻井中应用领域包括钻杆、油套管、连续管、隔水管,钛合金钻杆以其重量轻,比强度高可取代钢钻杆延伸三维水平井与大位移井的延伸能力,减少钻杆与驱动系统的故障;钛合金油套管性价比可取代镍基合金管;钛合金连续管可以大幅度提升连续管作业适用的井深范围,使我国所有井都可以应用连续管进行作业;钛合金隔水管可以提升平台适用水深,避免海水对隔水管腐蚀。

深井超深井油气钻井技术进展与展望

“十三五”期间,通过持续攻关,我国深井超深井油气钻井技术快速发展,取得了一大批技术成果,主要包括:①研制了自动化钻机、控压钻测固完技术、大扭矩顶驱、深井连续管作业机等高端装备;②研制了垂直钻井、非平面齿钻头、高强度膨胀管、抗高温大扭矩长寿命螺杆、扭力冲击、协同减震破岩、随钻测量和安全监测等尖端工具;③研发了抗高温高密度油基钻井液、高性能水基钻井液、韧性水泥浆、自愈合水泥浆等核心助剂;④形成了全生命周期井筒完整性技术体系。尽管如此,油气钻完井依然面临着深(埋藏深)、陡(地层倾角大)、窄(压力窗口窄)、厚(砾石层、盐层等复杂层段厚)、难(复杂多压力系统、事故复杂多、可钻性差等)、高(高温、高压、高酸性)等严峻挑战,为此提出了建议:“十四五”及今后若干年油气增储上产的重点依然是深层超深层,需要围绕上述地质难点,开展深井自动化智能化钻井装备、超高温井筒工作液、随钻前探、数字孪生建井等关键核心技术攻关,实现传统优势技术的迭代升级,提升深井超深井安全优快钻井的能力。结论认为,“十三五”期间,我国超深井数量首次超越美国,井深迈上8000 m新台阶,对于支撑深层油气勘探开发业务发展、提升钻完井市场竞争力发挥了重要的作用。

国内外钻完井技术新进展

页岩气、致密油/页岩油、致密气、深水、极地等的勘探开发活动推动了全球钻完井活动持续回升,促进了水平井、工厂化作业等钻井技术,以及快速移动钻机、深水钻机、极地钻机等钻井装备的快速发展。国外近年来在高效起下钻机和高运移性钻机,复合钻头、微芯钻头及高效辅助破岩工具,井下实时大容量信息高速上传,实现造斜段和水平段一趟钻的高造斜率旋转导向技术,可折叠连续管,钻井远程传输与实时优化,连续循环系统,控压钻井,高温油基钻井液、新型水基钻井液和新型堵漏技术等方面取得显著进展。国内在万米钻机及配套装备、MWD/LWD/EMWD/近钻头地质导向系统、连续管技术与装备、控压钻井、垂直钻井、随钻温度压力测试等方面也实现重要突破,推动了钻井技术与装备不断进步。

新疆玛湖油田砂砾岩致密油水平井钻井关键技术

准噶尔盆地玛湖致密砂砾岩油田是新疆油田提产的重点区域,为了满足该油田勘探开发的需求,提高钻井速度,缩短钻井周期,通过优化井身结构,优化井眼轨道设计,优选钻井液和个性化PDC钻头,采用韧性水泥浆、漂浮下套管固井技术、'螺杆钻具+PDC钻头'复合钻井技术及旋转导向钻井技术等一系列钻井提速技术,形成了玛湖油田砂砾岩致密油水平井钻井关键技术.2018年,该油田玛131区块完钻8口砂砾岩致密油井水平井,平均完钻井深4921.75 m,平均水平段长度1576.00 m,平均钻井周期46.50 d,平均机械钻速11.19 m/h,其中MaHW1247井完钻井深达5040.00 m,钻井周期只有42 d,创造了玛湖油田完钻井深5000.00 m以上水平井钻井周期最短纪录.现场应用表明,玛湖油田砂砾岩致密油水平井钻井关键技术能够提高机械钻速,缩短钻井周期,为玛湖油田的高效勘探开发提供技术支持.

玛湖低渗油藏高效开发钻完井技术

环玛湖凹陷三叠系百口泉组油藏有利面积2 800km^2,资源量14.7×10~8t。近年来玛湖凹陷及周缘发现8个有利区块。针对环玛湖低渗透油藏压力系统复杂、下部地层可钻性差等钻井技术难点,通过钻井技术攻关、井身结构优化、优选高效钻头、优选防漏堵漏钻井液体系、优化定向井一趟钻配套技术、工厂化平台钻井等技术形成了适合玛湖地区钻井提速提效的配套技术。玛湖钻井提速提效成果明显,为玛湖低渗油田高效勘探开发提供了技术支撑。

大港滩海大位移井井壁稳定技术研究

大港油田主要采用大位移井开发滩海油气资源。在2008年埕海二区大位移井钻井中遭遇了严重的井壁坍塌,单井平均事故复杂时效达22%,严重影响大位移井的安全。通过对油页岩层理弱面强度测定、斜井井壁应力分析、井眼轨迹对坍塌压力和破裂压力的影响分析、井壁稳定的力学和化学对策的研究,指导井眼轨迹优化设计、安全泥浆密度窗口确定及钻井液性能改进,现场应用效果显著。