井深随钻测量误差校正与井眼位置不确定性计算方法

深井和超深井钻井过程中井下温度高、井内钻具承受的拉力大,导致随钻测量的井深误差较大。为此,考虑不同井深处井内温度、热膨胀系数、钻具轴向力和钻具规格等因素的影响,在测点处对井内钻具分段,结合井下温度随钻测量结果和井内钻具受力分析结果,建立了随钻测量井深的热膨胀校正模型和弹性拉伸校正模型,以及计算热膨胀校正误差限和弹性拉伸校正误差限的模型,并给出了随钻测量井深热膨胀和弹性拉伸校正后的井眼位置不确定性计算方法。实例计算表明,超深井钻井过程中由热膨胀和弹性拉伸导致的井内钻具伸长量可达10 m以上;随钻测量井深进行热膨胀和弹性拉伸校正后,可以显著减小测点垂深误差和误差椭球的大小。研究结果为提高井深随钻测量精度与科学计算井眼位置不确定性提供了理论依据。

深层、超深层定向钻井中若干基础研究进展与展望

深层、超深层定向钻井具有“垂深大与水平延伸远”的双重特征,受到复杂地层、高温高压、超长裸眼等多重因素约束,其安全高效作业面临着更大的全方位技术挑战。为此,着眼于深层、超深层定向钻井的提速提效问题,系统总结了定向钻井的发展概况与技术特点,选取了深层、超深层定向钻井中力学方面的几个重要基础问题,分析了国内外专家学者的相关研究进展和最新研究成果,最后展望了深层、超深层定向钻井基础理论研究发展趋势并提出相关建议。研究结果表明:①大小偏差融合控制算法兼顾了井眼轨迹的控制精度、光滑度等多目标约束,适应于深层、超深层条件下井眼轨迹实时控制要求;②合理优化振动减阻工具个数、安放位置及其激励力幅值,可显著降低井下管柱摩阻,并有效提高机械钻速;③基于误差补偿机制的机械钻速融合预测模型既保留了机理模型的可解释性,又具有较高的预测精度;④套管复合磨损预测模型突破了经典“单月牙”模式的局限性,实现了复合模式下套管磨损形状与深度的同步预测。结论认为,深层、超深层定向井和水平井是未来油气井工程的重要发展方向之一,需要加强多因素耦合机理、钻井延伸极限、机理与数据融合驱动等方面的基础研究,以推动复杂油气井工程基础理论的创新与发展,为深层、超深层钻井工程技术进步提供必要的基础理论支撑。

超深井工程理论与技术若干研究进展及发展建议

超深井工程受到高温高压、复杂地层、超长井眼和腐蚀介质等多重因素约束,其安全高效作业面临全方位的技术挑战。为此,针对超深井工程的安全高效设计控制问题,介绍了该工程的发展概况与技术特点;选取井眼轨迹预测与防斜打快、钻柱振动特性分析与减振控制、钻井延伸极限预测与设计控制,以及套管失效风险评估与安全控制等几个重要理论与技术问题,介绍了国内外的相关研究进展及笔者团队的最新研究成果;然后,针对超深井工程提出了若干创新发展建议。研究结果表明,超深井工程理论与技术的发展整体呈现出体系化、科学化、多学科交叉、地质与工程一体化等基本特点。建议在基础理论问题、关键核心技术、技术协同关系、技术迭代模式和多学科交叉融合等方面加强创新研究,以持续推进超深井工程基础理论与关键技术创新发展。

PDC钻头钻井提速关键影响因素研究

为了在钻井工程中发挥出PDC钻头的最大功效,通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等,探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对PDC钻头钻速和磨损的影响规律,同时分析了PDC钻头的磨损机理与过早失效主因。研究结果表明:1)钻压是影响PDC钻头机械钻速的直接和首选因素,当钻头处于高效破岩状态时,无论钻遇一般地层还是硬岩地层,钻压与机械钻速均应呈线性关系;钻遇均质硬岩地层时,建议将200 kN以上高钻压纳入PDC钻头的常规应用参数;2)提高转速可实现钻井提速,虽然高转速会加剧PDC钻头的磨损,但目前切削齿的质量足以满足PDC钻头在高转速(400~500 r/min)下长时间钻进多数地层的需求;3)布齿密度对钻头机械钻速有影响,但并非直接因素,只要“吃得进去,切得下来,排得及时”三者建立动态平衡,即便是高布齿密度PDC钻头也可以实现优快钻进;4)PDC钻头破岩效率越高,钻头磨损会越小,如提高钻压,会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损;5)动态冲击和低效破岩是造成PDC切削齿和钻头过早失效的主因,实现PDC钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。该研究结果对PDC钻头合理使用与钻井提速技术创新具有参考意义。

煤层气开发地质“甜点区”模糊模式识别模型

从煤层气开发地质选区的角度出发,优选涵盖影响煤层气开发的地质条件和开采条件的煤层气开发地质“甜点区”评价参数,构建煤层气开发地质“甜点区”评价指标体系,并在此基础上建立煤层气开发地质“甜点区”模糊模式识别模型。应用该模型对沁水盆地南部樊庄区块3号煤层的4个评价单元进行评价,评价结果与实际开发效果一致,并与现有研究成果吻合,验证了模糊模式识别模型的合理性和可靠性。研究表明:煤层气开发地质“甜点区”模糊模式识别模型不涉及参数赋权,克服了层次分析与多级模糊综合评判传统模型由于参数赋权而导致评价结果具有不确定性的缺点,同时无需构建多级判断矩阵,计算过程更加简单。模糊模式识别模型预测结果可靠,可为煤层气高效开发提供技术支撑。

救援井磁导向钻井技术研究进展

救援井磁导向钻井技术是近几十年发展起来的高新技术,是保障救援井与事故井精准连通的核心技术之一。回顾救援井磁导向钻井技术在国外发展起来的简要历程,重点介绍中国在救援井磁测距工具研发、与事故井相对位置不确定性分析、探测定位方案设计等方面的最新研究进展,以及存在的一些问题等,并提出未来需要加强研究的重点内容,以期为中国救援井磁导向钻井技术创新发展提供有益参考。分析认为:今后应针对救援井磁导向钻井关键技术难题加强多学科交叉研究,自主建立一套相应的先进技术体系;应破除已有测距技术的桎梏,加强救援井导向钻井随钻磁测距技术创新研究。

异形PDC切削齿破碎塑性泥岩热固耦合数值模拟研究

中国南海莺琼盆地存在大量高温高压塑性泥岩地层,面临PDC钻齿难以吃入岩层、钻井速度慢的难题,开展该岩层破岩机理研究对于提高钻井速度有重要意义。本文通过离散单元法建立了由平行粘结颗粒组成的岩样二维、三维热固耦合数值模型,并标定了模型细观参数,开展了不同温度下圆柱形齿、楔形齿、屋脊齿和尖圆齿切削塑性泥岩的数值模拟研究。研究结果表明:随着楔形齿侵入时间增加,泥岩损伤区域增大,且径向裂纹向下扩展一定范围后停止扩展,岩石表现为塑性破碎;温度升高对楔形齿侵入岩石产生的径向裂纹和侧向裂纹扩展具有抑制作用;高温环境下,尖圆齿破岩效果明显好于屋脊齿和圆柱齿。现场应用结果表明,相同工况下尖圆齿PDC钻头机械钻速明显高于邻井圆柱齿PDC钻头,与数值模拟结果一致。本文研究成果可为南海高温高压储层破岩提速钻头优化提供理论依据。

复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井方法研究

针对煤体结构破坏变形程度差异性与物理特征非均质性强,水平井眼钻遇煤储层的煤体结构复杂,单井完井与增产技术方法单一等问题,为了实现水平井分段完井与适应性增产,提出了复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井技术,设计了外层套管与筛管复合完井管柱、内层作业油管柱与配套分段完井工具,完善了双管柱受力和相关水力计算模型。在山西省阳泉地区15号煤层开展了复合管柱完井现场试验:将长度为659.5 m的复合管柱下入水平井中至1591 m井深,煤层水平井眼被封隔为4段,采用双管柱结构完成了水力循环解除管柱遇阻、洗井、胀封管外封隔器及煤层分段完井等作业环节的现场测试。基于该试验水平井的工程数据,采用有限差分法计算了双管柱受力,并进行了相关水力计算,结果表明:内层管柱增加了完井管柱下入过程中的侧向力,井下管柱与井壁之间的摩擦阻力增加了5642.75 N。喷头压降与内层管柱水力循环压耗是影响井下双管柱水力循环压耗的主要因素,双管柱下入过程中水力循环排量控制在16~20 L/s,以清除井眼内固相颗粒及维持井壁稳定;洗井作业时排量提升至20~24 L/s,以消除井壁煤层的钻井液伤害。通过研究与现场试验,证明了煤层气水平井复合管柱完井技术具有先进性和可行性,为复杂煤体结构煤储层水平井多样化与适应性增产改造工程提供了可靠的作业基础。

助剂对电磁原位加热稠油储层温度分布的影响

为了解决电磁原位加热导热、导电性能差的稠油储层时存在温度偏低的问题,提出了基于助剂注入的电磁原位加热技术,并建立了考虑稠油储层热性质随温度动态变化的电热耦合数学模型,开展了电磁加热室内试验以验证数学模型的准确性,比较了助剂注入前、后储层的电场和温度分布以评估电磁加热性能,最后分析了助剂导电和导热性质对储层温度分布的影响规律。研究结果表明:室内试验证实了电热耦合数学模型的准确性,助剂注入后电磁原位加热稠油储层的温度明显升高;在一定径向范围内,助剂电导率的增大有助于提高储层温度;储层径向温度随着助剂比热容和导热系数的减小而升高。研究结果证实了基于助剂注入的电磁原位加热技术在解决加热温度偏低的问题上可行。

Fuzzy pattern recognition model of geological sweetspot for coalbed methane development

From the perspective of geological zone selection for coalbed methane(CBM) development, the evaluation parameters(covering geological conditions and production conditions) of geological sweetspot for CBM development are determined, and the evaluation index system of geological sweetspot for CBM development is established. On this basis, the fuzzy pattern recognition(FPR) model of geological sweetspot for CBM development is built. The model is applied to evaluate four units of No.3 Coal Seam in the Fanzhuang Block, southern Qinshui Basin, China. The evaluation results are consistent with the actual development effect and the existing research results, which verifies the rationality and reliability of the FPR model. The research shows that the proposed FPR model of geological sweetspot for CBM development does not involve parameter weighting which leads to uncertainties in the results of the conventional models such as analytic hierarchy process and multi-level fuzzy synthesis judgment, and features a simple computation without the construction of multi-level judgment matrix. The FPR model provides reliable results to support the efficient development of CBM.

海域含天然气水合物地层钻完井面临的挑战及展望

全球天然气水合物资源丰富,被世界各国视为未来石油和天然气的战略性接替能源。天然气水合物主要分布于深水海底浅层和陆地冻土区中,其中海域天然气水合物资源较为丰富,然而,目前海域天然气水合物储层钻完井工程实践较少,存在着许多技术难题和挑战。为了研究和应用海域天然气水合物地层钻完井技术,介绍了美国、日本、印度、中国等国家海域天然气水合物地层的钻探与试采活动,分析了海域天然气水合物地层钻完井技术发展现状,指出在天然气水合物地层钻完井工程中存在的基础性技术难题主要包括钻井液密度窗口窄、天然气水合物相变、井壁失稳、井口不稳定性、出砂防砂等。此外,针对钻完井工程存在的技术难题,对海域天然气水合物地层控压钻井、套管钻井、水平井钻井、防砂和钻井液等关键技术的未来发展进行了展望分析,以期为我国海域天然气水合物地层安全高效钻完井设计提供参考。

大位移井钻井延伸极限研究与工程设计方法

大位移井在海洋、滩海、湖泊及山地等复杂地区油气资源的高效开发中应用广泛,大位移井钻井技术具有约束因素多、作业难度大、作业风险高等基本特点,其井眼延伸极限的预测和控制对于安全钻进意义重大。在概述国内外大位移井钻井延伸极限研究进展的基础上,重点介绍了大位移井钻井延伸极限的预测模型和分布规律,提出了基于延伸极限的大位移井钻井优化设计方法,并应用大位移井钻井延伸极限理论分析了萨哈林地区Z–42大位移井的水平段旋转钻进极限及完井管柱下入极限,认为提升钻机性能可大幅度提高井眼延伸极限,旋转接头和减阻接头可提高完井管柱的下入极限。研究结果表明,开展大位移井钻井延伸极限预测理论和控制方法研究,可为大位移井的风险预测、优化设计及安全控制提供科学依据。

页岩气井井筒完整性若干研究进展

在页岩气开发工程中遭遇了井筒完整性问题,主要包括页岩气井水泥环密封失效引起的环空带压问题和页岩气井压裂过程中的套管变形问题。基于目前已有的相关研究成果,总结分析了页岩气井井筒完整性失效问题的相关研究进展情况。随着国内外学者对页岩气井压裂过程中套管变形研究的逐渐深入,认为页岩气井套管变形的主要影响因素包括压裂过程中的温度应力、储层非对称压裂、固井质量差及断层或裂缝滑动等。其中,压裂过程中断层或裂缝滑动造成的页岩气井套管剪切变形机理已经受到越来越多的研究人员关注,并提出可以通过提高套管强度和固井质量、避开断层或裂缝滑动区域来有效降低套管变形的技术对策。页岩气井水泥环密封失效主要由套管内压变化和套管偏心引起的水泥环屈服破坏、界面裂缝引起的窜流等问题造成的,通过采用膨胀水泥、柔性水泥及环空预应力等技术措施可有效减小水泥环密封失效的风险。通过优化设计页岩气井的特殊水泥浆体系,对于有效提高页岩气井水泥环密封完整性具有重要意义。考虑到水泥浆固井密封能力的局限性,还可以附加考虑在井眼环空局部采用机械密封方法达到密封完整性要求。关于页岩气井井筒完整性的研究结果,对于通过体积压裂完井的其它非常规油气井工程相关设计控制也具有重要的参考意义。

顺北5-5H超深Ø120.65mm小井眼水平井钻井技术

顺北特深层断溶体油藏以水平井开发为主,顺北5-5H井是该油田一口Ø120.65 mm的小井眼水平井,钻遇二叠系、志留系井漏复杂,且地层温度高、定向工具缺乏、摩阻扭矩大,导致安全成井、轨迹控制、位移延伸难度大。针对该井地层井漏复杂,优化专封井身结构,配套了防漏技术,保障了安全成井;研究配套了井眼轨道优化技术、抗高温测量工具、降摩减阻技术、位移延伸能力评估和小井眼轨迹控制技术,形成了超深Ø120.65 mm小井眼定向钻井技术。通过集成应用,顺利完成水平井钻井施工,完钻井深8520 m,丰富了超深小井眼水平井定向钻井技术,为顺北油气田特深油气藏勘探开发提供了技术支撑。

钻井液对页岩力学特性及井壁稳定性的影响

钻井液长期浸泡会对层理性页岩产生影响,进而影响到页岩地层的井壁稳定性。利用川南地区龙马溪组页岩开展了不同钻井液浸泡后页岩单、三轴力学实验,分析了其力学特性及破坏形式的变化特征,并探讨了井壁失稳机理。结果表明:受层理影响,页岩力学特性具有明显的各向异性特征,且具有围压效应;油基钻井液对层理面的润滑作用增强了各向异性,页岩沿层理面发生剪切破坏,破坏形式受层理面控制;水基钻井液对页岩造成水化损伤,微裂缝扩展沟通层理,降低了各向异性,易发生复合破坏,破坏形式受基质体和层理面双重控制,井壁更易失稳;黏土矿物水化作用和孔缝毛细管效应是页岩地层井壁失稳的根本原因。该研究可为层理性页岩井壁稳定分析提供参考。

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程,取得了许多重要的研究成果,并主要在油气井工程中获应用实效.然而,由于井眼约束和作业工况的复杂性,目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为,导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题.本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络,重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程,然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题,包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等,分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等,并在一定程度上进行了总结与展望,以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.

海洋深水高温高压气井环空带压管理

中国南海高温高压油气藏开发过程中,井筒环空带压问题突出,一旦超过允许值将会影响安全生产。为了保证气井的正常生产,需要确定环空压力的合理范围,为此基于ISO 16530-1:2017标准和API RP 90-2的推荐做法,研究并建立了考虑管柱承压能力和关键节点校核的深水高温高压气井环空带压控制值计算模型以及一套环空压力管理图版。研究结果表明:(1)管柱承压能力计算主要针对环空对应的油管和套管;(2)关键节点校核计算主要针对井口装置、封隔器、井下安全阀和尾管悬挂器等;(3)建立了环空最小预留压力计算模型,以确保对深水高地层压力或井底高流压气井的环空施加一定的备压,保证井下管柱和工具在合理环空压力范围内正常工作;(4)以某深水气井为实例进行了计算与分析,得到了考虑和不考虑壁厚减薄情况下随投产时间变化的各环空带压控制值。结论认为,所建立的模型及图版应用于海上深水高温高压气井,使用简便、可操作性强,可以为深水高温高压气井及类似井的井筒环空压力管理提供借鉴。

基于钻柱屈曲的大位移井套管磨损预测模型

大位移井由于井深长,狗腿度严重,摩阻扭矩大等原因,在钻柱下入过程中,钻柱可能会产生屈曲,这会导致钻柱轴线与井筒轴线不再平行,钻柱进尺长度会显著增加,加剧套管的磨损。在套管磨损预测模型中,引入由于钻柱屈曲而产生的钻柱进尺长度变化量,建立适合于大位移井的套管磨损预测模型。结合采用“井工厂作业”模式下的南海流花某大位移井W1的井径测试数据,对邻井W2进行套管磨损预测。结果表明:忽略钻柱的屈曲效应时,测深2144 m处的套管磨损深度预测值会被低估16.9%;仅考虑由钻柱屈曲所引起的附加载荷和套管截面几何变化,不考虑钻柱进尺长度变化量时,测深2144 m处的套管磨损深度被低估10%;针对大位移井的套管磨损预测,如果忽略由于钻柱屈曲所带来的钻柱进尺长度变化量,会使套管磨损深度预测值被低估。

射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。

中国煤层气高效开发井型与钻完井技术进展

较之于美国、澳大利亚、加拿大等国家,中国的煤层气储层具有低地层压力、低渗透率、低含气饱和度及强非均质性等基本特征,增加了储层改造的难度,制约了煤层气单井产量与采收率的提高。为了给中国煤层气水平井工程技术发展提供借鉴与支持,针对我国煤层气高效开发所面临的工程技术难题,综述了国内外煤层气水平井钻完井技术研究及应用进展,介绍了煤层气井型设计与井身结构优化、井眼轨迹控制、井壁稳定、优化完井与储层保护等一系列技术,讨论了水平井双管柱筛管完井与洗井增产、径向水平井筛管完井及磁导向钻井等新技术及其适应性,提出了地下“井工厂”绿色开发模式以及深地煤层气与煤炭一体化绿色开发之道。结论认为:①针对我国煤层地质条件与地表环境,在进一步精细化高煤阶水平井钻井与完井技术的同时,需要兼顾煤系气综合开发;②加强中—低煤阶与碎软煤层水平井钻完井技术创新研究,深入探索复杂煤层气藏高效开发模式;③针对我国深地煤矿、低品位煤矿及薄煤层等非常规煤矿绿色高效开发面临的重大技术难题,有必要积极探索地下“井工厂”与非常规能矿原位转化开发模式,力求实现深部煤层气与煤炭一体化绿色高效开发的目标;④高质量推进我国能源低碳绿色转型,既要保障国家能源安全,又要实现“碳达峰和碳中和”战略目标。