小井眼水平井洗井岩屑清除效率研究

为研究小井眼水平井洗井钻柱旋转时的岩屑清除规律,针对玛湖深层三叠系长水平井小井眼洗井工况,进行了相似试验设计,开展了岩屑启动流速和岩屑清除效率的试验研究。试验发现,采用不同排量冲洗岩屑床时,岩屑床呈现稳定运移、沙丘式波浪运移和整体运移等3种运移形态。试验研究了岩屑床稳定运移形态下岩屑粒径、排量和钻柱转速对岩屑启动流速及钻柱转速对岩屑床高度和形成稳定岩屑床所需时间的影响规律,分析了岩屑床整体运移形态下岩屑粒径、排量和岩屑床初始质量对岩屑床清除效率的影响。研究结果表明,岩屑粒径越小所需启动流速越低,钻柱旋转后等效岩屑启动流速降低45.5%,钻柱转速升高会使形成稳定岩屑床所需时间缩短,岩屑清除效率提高;当岩屑床发生整体运移后,较低排量下岩屑床清除速度受岩屑粒径影响较小,高排量下大粒径岩屑床的运移速度快。排量和钻柱转速是提高洗井过程岩屑床清除效率的关键,而现在洗井时钻柱转速较低,可适当提高钻柱转速,以提高洗井效率。

考虑钻杆接头的小井眼环空压耗计算模型

小井眼钻井作为开发深部油气资源的重要技术手段越来越受到重视。小井眼往往具有更高的环空压耗,这给环空压力控制带来了一定挑战。准确预测钻柱偏心旋转情况下的环空压耗是小井眼钻井的重要理论与实践基础,但常规预测模型适用性非常有限,往往忽略了钻杆接头的影响,无法满足现场的精度需求。为此,利用数值模拟技术,分析了钻杆接头对环空流场、压耗的影响规律,并据此确定了压耗修正因子经验模型的构建方式。分析结果表明:钻杆接头所产生的额外压耗受钻井液类型、钻杆转速、偏心和环空返速的影响,压耗修正因子的构建应考虑多种因素的耦合关系。利用152组数模结果,建立了针对新疆玛湖油田的小井眼环空压耗预测模型,该模型计算结果表明,在钻杆低偏心度情况下存在临界转速,使得环空压耗达到最大,而钻杆处于高偏心度时,环空压耗会随转速增大而增大;而偏心度对环空压耗的影响规律也会因转速不同而变得更加复杂。利用环空压耗预测模型,计算了玛湖油田MHHW-X井的当量循环密度,结果与PWD数据进行对比,平均误差仅为1.18%,模型具有较高的准确性。研究结果表明,利用数模结果建立的考虑钻杆接头的小井眼环空压耗模型可以满足现场预测精度需要,能够为现场环空压力控制提供指导。

碳封存区块内弃置井泄露机制及控制方法模拟

弃置井筒作为CO_(2)地质封存中的主要泄露途径,其密封完整性直接关乎封存效果。为此,针对弃置井筒泄露问题,基于耦合孔隙压力的Cohesive单元法,建立了三维水泥塞-地层有限元模型,模拟了CO_(2)沿弃置井筒运移过程,分析了水泥浆体系、胶结质量对泄露风险的影响。模拟结果表明:CO_(2)聚积会诱发水泥塞-地层界面微环隙,形成泄露通道,且微环隙倾向于轴向发育;选择高模量、高泊松比、微膨胀性水泥密封井筒时,井筒泄露风险低;微环隙对胶结质量极为敏感,密封井筒时应重点控制胶结质量。研究结果对指导碳封存区块内井筒弃置具有重要意义。

准噶尔南缘膏泥岩地层高密度防漏型油基钻井液研究

准噶尔盆地南缘地层含有大段膏泥岩和泥岩,具有高分散高膨胀的特点,且地层孔隙压力高、钻井液密度高、钻井液当量密度窗口窄,极易发生卡钻、井漏等井下复杂事故。针对这一问题,通过优选油基钻井液的组分和复合防漏材料获得了高密度防漏型油基钻井液体系。研究了油基钻井液的抗温抗盐性能、抗岩屑污染能力和防漏型油基钻井液的封堵防漏性能。结果表明,油基钻井液抗温抗盐性良好,在温度180℃和密度2.5 g/cm^3的条件下,钻井液流变性和乳化性能稳定(破乳电压大于1000 V),可抗15%的CaSO_4、12%的NaCl和20%的CaCl_2及10%岩屑污染。在油基钻井液中加入复合封堵剂(1%封堵剂FD-L+1%碳酸钙(600目)+0.5%石墨粉)和3%油溶性膨胀堵漏剂(LCM)形成的高密度防漏型油基钻井液具有良好的封堵性能和防漏性能,封堵承压为7.75 MPa,在1~5 mm模拟裂宽下的堵漏承压为7.0 MPa。

套管内磁导向技术应用

常规SAGD轨迹控制在I井造斜段时,随钻测量仪器受到P井管柱产生的磁场干扰,导致I井着陆时姿态与P井姿态有一定差异。为提高I井入靶着陆时与P井轨迹的一致性,提出I井轨迹造斜控制过程中引入套管内磁导向技术,即在I井钻进至井斜60°左右时采用磁导向系统,指导I井按照P井轨迹钻进。采用套管内磁导向技术引导SAGD水平井着陆时的井斜角、方位角、狗腿度、平面偏差及垂向偏差等数据对比均优于常规SAGD水平井。套管内磁导向技术可有效提升两井眼轨迹着陆时姿态的一致性,减少I井水平段轨迹的调整井段,提高轨迹控制精度和工作效率,在SAGD轨迹控制中可推广应用。

SAGD水平井轨迹控制评价

SAGD水平井技术能有效地解决稠油、超稠油、沥青等开发难的问题,新疆油田公司自2008年开展SAGD先导试验实验以来,取得了一定的效果,但随着开发规模的增大,原有技术已不能满足开发精度要求。为实现风城稠油水平井轨迹精细控制以及验证轨迹控制效果,通过研究提出了轨迹精细控制技术及轨迹评价方法。通过对水平井着陆姿态进行分析、引用套管内磁导向技术、优化SAGD水平井轨迹控制措施、引入新工具以及研究轨迹评价方法等形成风城油田水平井轨迹精细控制技术和轨迹评价方法。该技术可有效提高轨迹控制精度,满足控制要求,可采用轨迹评价方法对轨迹控制效果进行有效评价,对风城油田SAGD水平井开发及轨迹评价提供技术支持。

准噶尔盆地南缘山前构造带钻井提速研究

针对准噶尔盆地南缘山前构造带泥岩层段黏土含量高、地层易破碎,钻进中易发生粘卡、井漏、井壁失稳等而导致钻速慢、时效偏低的问题,进行了钻井提速研究。从该地区逆冲推覆体断层和褶皱的地应力特征入手,分析了泥岩的岩石力学特性,包括流变性地层的井壁稳定性特征、地层蠕变速率及其影响因素、井壁岩石崩落掉块机理、地层矿物成分及理化特性等,提出了山前构造带地层钻井提速技术对策,并在风险探井——西湖1井进行了现场应用。现场应用表明,采用具有较强抑制性和封堵能力的PRT有机盐钻井液,能有效减少因吸水膨胀造成的井壁失稳,并能解决井漏问题;用螺杆配合优选的PDC钻头进行钻进,钻速大幅提高,平均机械钻速达到3.00m/h。与邻井西5井相比,西湖1井的井深增加20.5%,但井下故障大幅减少,钻井周期缩短11.9%,提速效果明显。由此证明,提出的钻井提速技术对策,能够有效解决山前构造带地层机械钻速和钻井时效偏低的问题。

套管偏心对水平井顶替效果的影响

水平井套管偏心引起的钻井液局部滞留制约了水平井固井质量的提高和水平井优势的发挥,为了准确地描述水平井环空钻井液滞留的规律以及范围,考虑水平井套管偏心条件下水泥浆与钻井液密度差引起的驱动力对顶替界面扩展的影响,根据顶替界面达到稳定的平衡条件建立了水平井偏心环空套管和井壁处的钻井液滞留层边界位置计算模型,分析了套管偏心对水平井顶替效果的影响。研究得出：套管上偏心时随着偏心度的增加,顶替效率降低,环空水泥环的厚度分布不均程度增大;套管下偏心时顶替效率随着偏心度的增加而提高,环空水泥环的厚度先是趋于均匀而后逐渐变为非均匀;水平井套管下偏心偏心度控制为0.1~0.2能够获得较好的固井质量,应严格控制套管上偏心以防止整体钻井液窜槽和水泥环厚度分布不均现象的出现。

SAGD平行水平井和直井连通钻井技术

为了解决SAGD平行水平井在后期采油过程中遇到的采油泵下入困难、抽油杆磨损以及沉没度不够等问题,提出了SAGD平行水平井和直井连通的钻井试验方案,即下方的采油水平井与直井连通,利用直井采油,从而有利于简化有杆泵举升工艺。在试验中,采用了大尺寸套管段铣、连通井段扩孔、水平井与直井的连通以及井下砾石充填等技术,均获得圆满成功,为新疆油田浅层超稠油的有效开发提供了新的技术途径。

玛湖含砾难钻地层防斜打快技术研究及试验

新疆玛湖凹陷是新疆油田增储上产的重点地区,二叠系砂砾岩沉积地层制约了钻井提速,且部分区块地层倾角引起井斜。针对该地区二叠系的地层特点,研发了FX-YC-172DE新型防斜打快钻井工具和个性化的PDC钻头设计。该工具运用偏轴防斜原理预防井斜,并以一定的频率给钻头施加机械冲击力,并把连续的射流变为脉冲射流,从而提高钻头破岩效率,个性化的PDC钻头针对牙齿崩坏问题,采用新型锥形齿、优化钻头结构设计,从而形成玛湖二叠系难钻地层防斜打快的组合技术。该技术在新疆玛湖二叠系含砾地层进行了试验,进尺338 m,机械钻速2.67 m/h,见到了明显的提速成效,井斜控制在1°以内,为玛湖二叠系难钻地层的防斜、提速提供了有效的技术手段。

空气钻井钻柱波动响应规律研究

空气锤钻井具有提高机械钻速、减少储层伤害以及降低钻井成本等优势,因而在国内外各大油田得到广泛应用。而高速冲击的空气锤产生的应力波既有破岩作用,又对钻柱产生了一定程度的损伤,极易导致钻柱失效。文中根据应力波传播理论,对高速冲击工况下产生的应力波进行了模拟研究,求解出了波动响应随时间变量在钻柱中的传播规律,为研究应力波的破坏机理奠定了基础。

钻井优化系统在国内非常规油气资源开发中的实践

相对于北美,国内非常规油气资源勘探开发起步较晚。页岩气勘探开发始于"十二五"初,致密油、致密气、页岩油勘探开发则始于"十三五"初,但在"十三五"期间得到了快速发展,特别是川渝页岩气藏、准噶尔盆地玛湖砾岩油藏、吉木萨尔页岩油藏已进入规模开发阶段,成为中国石油"十三五"末及"十四五"期间天然气和原油上产的最重要领域。与常规油气资源相比,非常规油气资源储层条件差,需要大规模"水平井+体积压裂"才能实现有效开发。然而,由于受钻机装备条件和水平井钻井工具性能,特别是理念和方法的限制,国内非常规水平井普遍存在钻井效率低、建井周期长的问题:一般垂深为2000~3000m、水平段长1500~2000m的水平井钻井周期为60~90天。而北美钻一口水平井基本都能控制在15~25天:一般垂深为2000~3000m、水平段长2000~3000m。国内一部钻机一年只能钻2~3口水平井,而在北美一部钻机一年能完成15~20口水平井。随着国内非常规油气资源的规模开发,钻机紧缺的矛盾日益突出,钻井效率已经成为严重制约国内非常规油气资源快速规模上产的瓶颈问题。北美大幅度提高水平井钻井效率的原因有管理和技术两大因素,其中技术主要表现在以下5个方面:一是钻机配套能力的不断升级;二是井下工具可靠性和稳定性的提升;三是大平台工厂化作业;四是远程实时支持与决策系统;五是系统优化钻井理念和方法的应用。2018年海峡能源股份有限公司与美国K&M钻井工程咨询公司合作,引进国际先进的系统优化钻井理念和方法,率先在川渝地区长宁页岩气藏和新疆玛湖砾岩油田开展了水平井钻井提速先导性试验,大幅缩短了建井周期,验证了系统优化钻井方法在国内非常规油气资源开发中的可行性。为了达到进一步推广的目的,2019年在玛湖砾岩油田开展区块提速试验,同样取得了显著的提速效果,进一步证明了系统优化提速理念和方法具有科学性、广普性和可复制性,是经验钻井向科学钻井迈进的重要实践,展示出了非常广阔的推广应用前景。

超深井抗盐高密度固井水泥浆技术

塔里木油田克深井区超深井固井存在井下盐膏层发育、窄间隙、高压、高温、大温差等固井技术难题,固井质量无法保证。为解决固井难题,完善了井眼准备通井技术,修正了刚度比计算公式,控制套管下放设计,通过室内实验开展加重材料的优选及合理配比、优选抗盐抗高温添加剂体系、采取针对性技术措施提高水泥石抗高温强度衰退性能,研究出了超高密度抗盐抗高温防气窜水泥浆体系,并对其进行性能评价。结果表明,该水泥浆体系流动度为18~22 cm,水泥浆上下密度差为0.03 g/cm^(3),其具有流动性能良好、稳定性较好、防窜性能良好、早期强度高、长期强度无衰退等优点,形成了克深井区超深井盐膏层尾管固井技术。该固井技术在现场应用5井次,测声幅固井质量良好。克深井区超深井窄间隙盐膏层尾管固井技术,不但可以解决该区块固井难题,还封固了高压盐水层,保障了该区块的安全、高效开发。

玛湖砂砾岩致密油水平井钻井技术

准噶尔盆地环玛湖斜坡区三叠系百口泉组致密砂砾岩油藏,油气资源丰富,但是由于物性很差,常规直井、注水开发的模式难以有效地动用。借鉴美国和国内非常规油气开发的成功经验,结合玛湖本身的油藏地质特征,以地质-工程一体化理念为指导,优化完井方式和井身结构,开展井眼轨迹剖面设计与控制、高性能水基钻井液、砂砾岩储层个性化PDC钻头设计、薄油层长水平段地质导向、小井眼窄间隙固井等技术的攻关研究和试验,形成了玛湖致密砂砾岩油藏有效开发的水平井钻井配套技术,2015年以来共计完成50余口水平井,水平段长度突破2 000m、三维水平井扭方位90°、水平偏移距400m。水平井单井产量是前期试验水平井的3倍、直井的10倍,实现了低油价形势下玛湖致密砂砾岩油藏的有效开发,对我国西部类似地质条件的致密油气藏开发具有借鉴意义。

考虑数据不平衡影响的钻井复杂智能诊断方法

钻井复杂的准确识别是钻井工程顺利开展的保障,现有基于机器学习的钻井复杂诊断方法未考虑钻井资料数据不平衡的特点,可能导致将钻井复杂误判为正常工况。基于决策树分类模型,建立了考虑数据不平衡影响的钻井复杂诊断方法:从录井资料、工程异常记录等现场资料中收集原始数据,提取钻压、钩载、排量等钻井参数,并以波动值构建样本集;引入错误分类成本以修正数据不平衡的影响,建立以最小错误分类成本期望值为分类目标的决策树模型,取代以最高准确率为目标的分类模型。将新模型应用于某页岩气水平井卡钻复杂诊断,结果表明:考虑数据不平衡后,模型能识别出传统方法遗漏的卡钻样本,并将成本期望值降低85%。文中处理数据不平衡的方法不局限于决策树模型,亦可推广至其他机器学习方法,帮助解决钻井复杂识别问题。

双稳定器预弯曲钻具组合防斜特性动力学评价方法

直井的防斜打快一直以来都是钻井领域的难题。预弯曲底部钻具组合防斜打直技术利用预弯曲结构引导钻具组合变形产生较大的动态降斜力,可实现动力学防斜打快目的。然而预弯曲钻具组合防斜特性的动力学定量评价仍是难题。针对双稳定器预弯曲底部钻具组合,笔者在Jansen建立的动力学模型的基础上建立钻头处动态侧向力模型,将仿真得出的A截面处的涡动轨迹数据应用到动态侧向力计算中,最终通过涡动轨迹图、动态侧向力分布时程图和平均动态侧向力对此类钻具的防斜特性进行快速且直观的评价。最后通过编制的计算机程序对不同井斜角和转速条件下的防斜特性进行了仿真计算,仿真结果表明:(1)随井斜角增大,降斜力增大;(2)随转速提升,钻具防斜特性可分为稳定降斜、不稳定降斜及丧失降斜能力3个阶段;(3)在不同井斜角下,第一、第二临界转速随井斜角增大而增大。

小斜度井段严重托压原因及对策分析

为了解决小斜度井段严重托压问题,分析了井壁出现台阶或斜坡的主要原因,建立了井壁有台阶时弯螺杆钻具的钻压传递规律分析模型,结合钻井实例模拟分析了钻压传递规律。分析结果表明:地层可钻性差异和钻进方式交替导致井壁有台阶、弯螺杆钻具稳定器陷入井壁及其前导角较大导致小斜度井段出现严重托压;减小井壁摩擦因数和弯螺杆钻具稳定器前导角可有效缓解小斜度井段托压问题。研究结果能够为弯螺杆钻具稳定器设计和小斜度井段定向钻进提供技术支持。

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.

超声波高频旋冲钻井技术破岩效果试验研究

为了研究超声波高频旋冲钻井技术相较于常规旋转钻井技术的提速效果,以及钻进条件和参数对超声波高频旋冲破岩效率的影响规律,设计了超声波振动发生短节,搭建了超声波破岩模拟试验台,采用控制变量法和正交试验法,开展了超声波破岩提速试验及影响超声波破岩效率的试验,得到了钻压、超声波振幅、转速和钻头直径对超声波高频旋冲破岩效率的影响规律。结果表明:在实验室常规温度和压力条件下,与常规旋转破岩技术相比,超声波高频旋冲钻井技术的破岩效率更高,平均提高幅度达77.65%;影响超声波高频旋冲破岩效率的因素从大到小依次是钻压、振幅、钻头直径和转速;钻压和振幅对超声波高频旋冲破岩效率的影响显著,且振幅越大,超声波高频旋冲破岩的效率越高。研究结果表明,超声波高频旋冲钻井技术可为提高深部硬地层机械钻速提供一种新的破岩方法。

准噶尔南缘深井机械比能分析与钻井参数优化

准噶尔盆地南缘深部地层具有埋藏深、岩石抗压强度高、可钻性差等特点,导致复杂情况多、钻井周期长,单井平均钻井周期335 d,深部地层平均机械钻速在2 m/h以下,提高机械钻速是南缘深部地层钻井的迫切需求和巨大挑战。针对南缘深部地层复杂条件,建立井口载荷与钻头载荷之间的关系,分析螺杆钻具输出特性,推导复合钻井机械比能模型。以HT1井五开Φ190.5 mm井段实钻数据为基础,针对不同地层分析南缘深部地层机械比能与机械钻速之间的关系,优选钻井方式,确定合理的钻井参数范围。机械比能分析表明,连木沁组对转速不敏感,推荐采用常规钻井方式并适当增加钻压;胜金口组和呼图壁河组推荐采用复合钻井,适当提高钻压;清水河组和喀拉扎组扭冲提速效果不明显,建议尝试新型提速工具,考虑尝试高钻压、适当转速的参数组合。研究结果可为后续南缘深部地层提高钻速提供参考。