基于机器学习的钻井液流变参数智能识别方法

钻井液流变性是钻井液流动和变形的特性,对于携带与悬浮岩屑、提高钻进速度至关重要,准确掌握钻井液流变参数是保证井眼清洁与高效钻进的前提。提出一种基于卷积神经网络(Convolu-tionalNeuralNetwork,CNN)的钻井液流变参数智能识别方法,通过磁力搅拌产生稳定的钻井液流动图像,利用多种数据增强方法增加图像数量并建立数据库,增强模型的鲁棒性和泛化能力。优化AlexNet卷积神经网络算法,构建钻井液流变参数识别模型。将数据库划分为训练集:验证集:测试集=7:2:1,对训练集进行迭代训练并通过验证集调整参数获得最佳拟合模型。此外,运用混淆矩阵、卷积核可视化技术和类激活技术(Gradient-weighted Class Activation Mapping,Grad-CAM)对模型进行多方位评估。结果表明:(1)钻井液流变参数识别模型对钻井液塑性黏度测试的宏精确率为95.2%,宏召回率为94.7%,宏F1值为0.95。(2)对钻井液表观黏度测试的宏精确率为91.6%,宏召回率为91.5%,宏F1值为0.90。(3)利用卷积核可视化技术和Grad-CAM对特征提取进行可视化处理,发现钻井液波纹形状和大小会影响模型流变参数识别准确度。(4)室内测试结果表明,该模型的测试误差为±2 mPa·s,在设计允许范围以内,具有较高的识别精确度和稳定性。所提出的钻井液流变参数实时智能识别方法可为安全、快速和准确地进行钻井液流变性测试提供智能化技术思路。

多分支水平井岩屑运移模型与实验研究

随着多分支水平井及复杂结构井钻井技术的不断发展,井眼清洁技术面临着新的困难和挑战。如何解决复杂地质条件与复杂井型条件下的岩屑床问题,对于判断与处理井下复杂情况是当前钻井工程面临的重要科学问题之一。通过岩屑颗粒受力分析建立了岩屑运移环空临界流速模型;基于室内可视化岩屑运移实验,探究了岩屑运移影响规律。结果表明:井斜角为36°时岩屑临界启动速度最大,携岩最为困难;模型预测结果与实验结果吻合度较好,且基于实例井的预测结果与现场作业情况一致,验证了所建模型的可靠性。该研究可为大位移大井斜井及水平井井眼清洁提供理论依据和技术支持。

纳米流体地热循环换热实验研究

提升换热介质的换热性能是高效开采地热资源的有效手段之一。添加纳米级金属氧化物可有效提升流体的换热能力,而纳米颗粒种类、质量分数、粒径、分散剂质量分数等物性参数以及流速对纳米流体换热性能具有重要影响。采用球形纳米CuO和Al_(2)O_(3)(粒径20~50 nm)作为换热介质,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为分散剂配制纳米流体,利用自主搭建的纳米流体基础换热实验装置进行室内换热实验,优选纳米流体参数。此外,通过自主搭建循环流动换热实验装置,以湖北英山某水热型地热井中地热水作为热源,讨论了在现场实际热源边界条件下,流速对纳米流体和去离子水的换热性能影响规律。结果表明:(1)CuO纳米流体换热性能优于Al_(2)O_(3)纳米流体;(2)纳米流体的换热性能与纳米颗粒质量分数呈负相关关系,CuO质量分数为1%时纳米流体升温效率最高,在150 s内温度可由25℃上升到79.2℃,同时间内比去离子水高4.1℃,同时,随着纳米颗粒质量分数的增加,纳米流体与热源界面的润湿性减小;(3)纳米流体换热性能随着纳米颗粒粒径增加呈现先增加后减小的趋势,在纳米颗粒粒径为40 nm时纳米流体换热性能最佳;(4)纳米流体的换热性能与分散剂质量分数呈负相关关系,当分散剂质量分数为1%时换热性能最佳;(5)层流状态下纳米流体的换热性能与流速呈负相关关系;在湍流状态下纳米颗粒运动状态逐渐剧烈,有利于纳米流体传热。研究成果可为纳米流体应用于地热换热从而提升地热系统的换热效率提供依据,并为纳米流体参数以及流速参数的选择提供理论依据。

钻井液漏斗黏度和密度自动检测仪的研制与应用

近年来,国内外对钻井液性能自动检测技术的研究取得了长足进步。针对现有钻井液自动检测仪器成本高、结构复杂和工作环境受限等问题,研制了钻井液漏斗黏度和密度自动在线检测仪。使用可编程逻辑控制器、物联网模组、压力传感器、超声传感器、蠕动泥浆泵、电动球阀和隔膜泵等,搭建取浆模块、检测模块、清洗模块和控制模块,实现了对钻井液漏斗黏度和密度的自动检测、移动端设备数据查看和操作等功能。采用传感器数据融合和滤波算法等方法提高仪器精度和稳定性,对不同钻井液体系性能测试验证,漏斗黏度误差控制在±1 s,密度误差控制在±0.01 g/cm^(3),且可连续地对钻井液性能进行自动测试。室内测试和现场试验结果表明,该仪器具有操作方便、测试结果准确、可重复性高、人为测量误差小和节约人工等优点,能满足实际钻井施工过程中对钻井液性能检测的要求,具有较强的普适性和广泛的应用前景。

改性柚子皮降滤失剂的合成与评价研究

天然材料因其易降解、环境友好、来源丰富和价格低廉等优势,成为环保型钻井液处理剂研发的重要方向。在天然柚子皮的基础上,通过化学合成引入酰胺基和磺酸基,形成了一种可满足高温地层绿色、安全、高效钻进的改性柚子皮降滤失剂,并对其抗温性、抑制性和抗盐抗钙性能进行了评价。柚子皮富含植物酚和聚糖等活性成分,改性后的柚子皮抗温能力强,在150℃的滤失量降低率超过70%;滚动回收实验结果表明,在加量为0.3%的情况下,其抑制效果优于KCl;抗污染实验表明,改性柚子皮降滤失剂抗盐抗钙效果好,0.3%的加量下,在淡水基浆、盐水基浆、饱和盐水基浆中均能使滤失量保持在10 mL以下,在CaCl2含量为3%时,滤失量降低率达到82.22%。改性后的柚子皮具有良好的降滤失性能,为环境友好型钻井液处理剂的开发提供了新的技术思路。

松软煤层加固用泡沫水泥浆的实验研究

针对松软煤层顺层钻进长钻孔成功率低、煤层机械强度低的难题,提出将机械发泡式泡沫水泥浆通过高压旋喷的方式注入松软煤层进行随钻加固的技术思路。室内试验中,通过改变松软煤岩与泡沫水泥浆的比例,模拟注浆后形成不同固结效果的松软煤岩-泡沫水泥固结体。以抗压强度和气体渗透率作为主要评价指标,研究了松软含煤量对固结体性能的影响规律。结果表明:(1)与纯泡沫水泥浆的固结体相比,当松软煤岩含量(以下简称“含煤量”)为5%时,固结体的气体渗透率略有降低,气体渗透率随养护时间增加而降低;(2)含煤量≥10%,固结体气体渗透率随含煤量增大而升高;(3)固结体的早期抗压强度(养护1 d)随含煤量的升高先升高后降低。养护时间增加至7 d后,固结体强度随含煤量升高而降低;(4)含煤量在20%~25%之间的固结体养护7 d后,抗压强度在8.65~9.94 MPa,气体渗透率在9.08~36.52 mD之间。研究成果可以为松软煤层的随钻护壁与瓦斯抽采提供有益借鉴。

低渗油藏CO_(2)地质封存矿物颗粒运移及注入堵塞机理

在低渗砂岩油藏中开展CO_(2)地质封存,是实现CO_(2)捕获、利用和封存(CCUS)的有效手段之一。随着CO_(2)持续注入吸收层,弱胶结砂岩颗粒会随CO_(2)流入孔隙和裂隙中运移,进而可能形成颗粒堆积,影响CO_(2)注入的稳定性。为揭示多形态颗粒在孔隙和裂隙中的运移、动态堆积及微观机理,建立了基于多形态矿物颗粒的离散元流固耦合堵塞模型。模型考虑了多级粒径、非规则形态、旋转、差异化流入孔隙模式等矿物颗粒参数及流体密度、流体速度等流体物性因素,模型可实现注入流体和矿物颗粒的瞬态堆积过程动态预测与可视化,并在此基础上揭示了CO_(2)物性、弱胶结非规则颗粒参数与注入堵塞间的量化关系。结果表明:(1)影响孔隙内矿物颗粒堆积数量和CO_(2)注入效果最高的因素为矿物颗粒质量分数,相对于颗粒质量分数3%,颗粒质量分数5%的孔隙内矿物颗粒堆积数量提升52.06%,孔隙内矿物颗粒堆积数量的提升比率与矿物颗粒质量分数增长比率呈负相关关系;(2)在注入CO_(2)和矿物颗粒总量一致情况下,当矿物颗粒平均尺寸为孔隙直径尺寸的1/3时,孔隙内矿物颗粒堆积数量最高,CO_(2)的注入效果最差,矿物颗粒密度变化对于CO_(2)注入的影响较低;(3) CO_(2)注入降低了砂岩孔隙内多相流体密度,减少了孔隙内矿物颗粒堆积数量,降低了矿物颗粒在孔隙内的堵塞,有利于CO_(2)往深部注入;(4) CO_(2)注入速度提升60%,孔隙内矿物颗粒堆积数量提升1.2%,注入速度提升增加了孔隙内的矿物颗粒堵塞比率,不利于CO_(2)的注入。

煤层气水平井可降解钻井液体系研究

为了尽可能地降低钻井液对煤层气储层的伤害,采用钻井液配方实验、粒度分析测试、滤饼清除实验、高温高压膨胀量测试和煤岩气体渗透率测试等试验手段,对煤层气水平井可降解钻井液体系进行了综合评价。结果表明:在可降解钻井液中,液态的特种生物酶具有较快的破胶速度和较彻底的破胶效果,2 h后破胶率超过85%、破胶后浆液黏度≤2.5 mPa.s;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%～38.92%)。可降解钻井液具有保持井壁稳定和储层保护的双重优点,适合煤层(特别是松软煤层)水平井钻进。

钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的实验研究

煤层气井单井产量往往较低,综合勘探开发煤系非常规天然气是提高煤层气开发效益的重要途径,但这要求钻井液能同时解决煤层、致密砂岩和页岩地层的井壁稳定问题。为此,提出基于"正电性-中性润湿-化学抑制-纳米材料封堵-合理密度支撑"的协同防塌理论,并开展了钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的实验工作。首先优选出能有效降低钻井液表面张力、增加钻井液与页岩接触角的表面活性剂复配方案,并结合钻井液流变性、滤失性、润滑性、水活度和抑制性等参数测试和页岩压力传递实验,对钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的效果进行了评价。结果表明:复合表面活性剂能够有效改变水基钻井液的润湿性能,与优选的水基钻井液相比,钻井液表面张力降低42.6%,与页岩的接触角增大162.1%;复合表面活性剂与水基钻井液具有良好的配伍性,具有较好地抑制性和抗盐能力;与清水相比,复合表面活性剂能显著阻缓页岩孔隙压力传递速率,降低钻井液侵入页岩的程度,页岩渗透率降低幅度在99%以上;说明通过控制钻井液润湿性来增强页岩井壁稳定性是可行的。

纳米材料稳定的微泡沫钻井液降低煤层气储层伤害的实验研究

针对我国煤层气储层低孔低压的特点，笔者提出采用纳米材料暂堵技术与可循环微泡沫钻井液相结合的技术思路。通过泡沫钻井液稳定性评价、钻井液性能参数测试与微观形态观测、煤岩膨胀性测试、煤岩滚动回收率评价、原状煤岩气体渗透率测试等方法，对纳米材料稳定的微泡沫钻井液降低煤层气储层伤害的能力进行了评价。结果表明：纳米材料可以提高泡沫钻井液的稳定性；纳米材料稳定的微泡沫钻井液密度（0．7～1．0g／cm3）与黏度指标可控，并且能有效抑制煤岩基质吸水膨胀，可满足低孔低压煤层的钻进要求；纳米材料稳定的微泡沫钻井液可有效封堵低孔低渗煤层，而通过表层切片处理后，煤岩气体渗透率恢复率达72％-96％。综合来看，纳米材料稳定的微泡沫钻井液不仅可以保证煤层稳定，还能降低对煤储层的伤害，适合低孔低压煤层气储层钻进。

盐溶液对煤岩抑制性效果的评价

通过室内试验研究了不同种类(NaCl,KCl,CaCl2,HCOONa和HCOOK)和不同质量浓度(5%,10%和20%)的盐溶液对晋城3号煤层煤岩样品膨胀性、滚动回收率、渗透率和钻杆腐蚀性等的影响规律。结果表明:在黏土矿物含量较高的煤层中钻进时,即使是使用清水作为钻井液,也会给煤储层带来伤害;盐溶液可以有效抑制煤基质吸附膨胀甚至使之收缩,在同类型盐溶液中,其抑制效果随其质量浓度的增加而增加;综合技术和经济成本的考虑,HCOONa和HCOOK对煤岩抑制性较好,腐蚀性低,最优加量均为10%。

煤层气水平井可生物降解钻井液流变性研究

在室内实验的基础上,对煤层气水平井钻井用可生物降解钻井液的流变模式和影响其破胶效果的影响因素(底物类型、底物浓度、生物酶类型和生物酶浓度等)进行了分析。结果表明:幂律模式可作为可生物降解钻井液的优选流变模式;相比魔芋而言,胍尔胶和羧甲基纤维素(CMC)的降解更容易被控制;CMC和生物酶SE-1反应的最佳质量分数比为3∶1;在3种生物酶中,特种酶SE-2具有较高的活性,适合在短时间内对聚合物进行破胶;生物酶浓度的增加可加快破胶过程。实验也表明,可生物降解钻井液的破胶时间在13.5～74.5h内可控、破胶率在20%～100%内可控;作为催化剂的生物酶专一性强,能使可生物降解钻井液保持井壁稳定和储层低伤害的双重优点,适于煤层气水平井钻进。

LG植物胶处理剂的研究及应用

利用来源广泛、价格低廉的野生植物胶资源,研制开发出LG植物胶处理剂。介绍了LG植物胶的理化性能,对其在淡水、盐水和复合盐水等钻井液体系中的作用效果进行了试验,通过浸泡试验、页岩膨胀试验和滚动回收试验对其防塌效果进行了评价,并进行了润滑效果、抗温性能评价,从增黏、降滤失和润滑性3个方面分析了LG植物胶的作用机理。结果表明:LG植物胶抑制性强,防塌效果好;4%的LG植物胶能使基浆的润滑系数降低57.9%;能耐100℃的高温。在非开挖和煤田钻探工程中的应用效果表明,LG植物胶处理剂增黏和降滤失效果好,抗盐效果显著,抑制防塌性强,润滑效果好,同时由于它取自野生植物的叶子,持续开发利用前景较好。

可降解钻井液对煤岩渗透率的影响评价

在煤矿瓦斯(煤层气)抽采过程中,要求钻井液既能有效地保持孔壁稳定,又尽可能降低对煤层的伤害。笔者分别以原状煤样(模拟较致密的煤岩)和人工煤样(模拟较松散或大裂隙煤岩)为实验对象,通过比较不同阶段(污染前、污染后、生物酶解堵和酸化解堵)煤岩渗透率的变化,评价了可降解钻井液对煤岩的暂堵与解堵效果,并探讨了其现场实施工艺。通过实验发现:可降解钻井液能满足钻进煤层时的护孔要求;采用"生物酶+稀盐酸"浸泡解堵工艺可清除聚合物和碳酸盐岩类矿物带来的伤害,而单独使用其中一种工艺均会降低解堵效果;稀盐酸解堵的效果取决于煤岩和可降解钻井液中碳酸盐岩类矿物的含量;对煤岩进行加热处理可以提高其气测渗透率;可降解钻井液的现场实施工艺方便,应择机在煤层气钻井领域进行现场试验。

松科1井(主井)防塌钻井液技术

松科1井是全球第一口陆相白垩纪科学探井,采用"一井双孔"方案,由南孔和主井(北孔)组成。主井设计井深1 810.00 m,连续取心1 630.00 m,主要钻遇以泥岩和砂岩为主的沉积岩地层,钻进过程中存在防塌、护心、井壁稳定等方面的问题和难点。针对松科1井(主井)的钻井难点,在室内钻井液体系优选的基础上,根据不同地层分别采用了PAM钻井液体系、DFD-LG-CMC钻井液体系和DFD-NH4HPAN-SAKH钻井液体系,同时结合钻井液粘度控制技术、降低钻井液循环压降技术等,解决了松散砂层、水敏性泥岩和硬脆性泥岩中取心钻进的防塌钻井液技术难题,探索出了一条用低钻井液成本进行类似科学钻探工程的成功之路。

复杂条件下非开挖铺管的关键技术

地层和地下管网条件复杂是影响非开挖导向钻进质量的重要因素。本文结合工程实践,分析了精确的控向钻进技术、LG植物胶的选择和配制、管材选择、铺管阻力的计算和拉管头设计等影响复杂条件下,非开挖铺管的关键技术。实际应用中取得了好的效果。

暂堵型钻井液的试验研究

针对钻井工程中出现的护壁堵漏与保护地层渗透性的矛盾,提出了利用羧甲基纤维素钠、胍尔胶、魔芋等聚合物,并结合现代生物技术中聚合物的断链降解原理,开发出适合于石油、天然气、地下水等钻井领域的自动降解无伤害钻井液——暂堵型钻井液,与传统的暂堵剂不同,它在钻进完成后不需要采用解堵工艺,如压力解堵、酸化解堵、油溶解堵、破胶等,从根本上改进了解堵工艺;分析了暂堵型钻井液的基本原理和两种典型聚合物的酶降解原理,并介绍了室内的粘度实验、渗透性恢复测试实验和在甘肃张掖和广西柳州的现场试验;理论和实践均证明,暂堵型钻井液能自动降解,对产层无伤害,在进行有效护壁堵漏的同时,还能在可控制的时间内显著地恢复地层的渗透性,因此具有推广价值。

利用粗纤维类农副产品开发新型钻井液

采用来源广泛、价格低廉的粗纤维类农副产品 ,通过物理的和化学的方法进行处理 ,采用正交试验法等优化设计手段 ,研制出符合钻井要求的新型钻井液。实验证明 ,这种钻井液具有较好的滤失性和抑制性 ,稳定性强 ,防塌效果好 ,抗盐侵和抗钙侵等抗污染性能良好。这些材料能部分替代现有 (主要为进口 )价格昂贵的钻井液材料 ,而且能通过调整配方 ,形成用途广泛和适用不同地层的系列产品 ,并将应用于石油、天然气、地下水和基础工程等钻井领域。

自动降解钻井液在水井钻进中的应用

概括了国内外最新的环保型钻井液体系 ,并提出一种新型环保型钻井液———自动降解钻井液 ,这种钻井液能在钻进时有效地护壁堵漏 ,而在钻进结束后自动降解 ,从而达到环保的要求。在甘肃张掖和广西柳州等多处水井钻进的实践证明 ,这种自动降解钻井液能解决钻进时护壁堵漏与恢复地层渗透性的矛盾。

松科1井(主井)取心钻进钻井液技术

松科1井是全球第1口陆相白垩纪科学探井,由主井(又称北井)和南井组成,主井164.77～1 792 m井段连续取心。分析了主井取心钻进存在的钻井液技术难点;经过室内钻井液体系优选,根据不同地层分别采用了PAM钻井液体系、DFD-LG-CMC钻井液体系和DFD-NH4HPAN-SAKH钻井液体系;同时结合钻井液粘度的合理控制技术、降低循环压降的钻井液技术等,先后解决了松散砂层、水敏性泥岩和硬脆性泥岩中的取心钻进技术难题,探索出了一条用低成本钻井液进行类似科学钻探工程的成功之路。