冲击破岩钻井提速技术研究现状与发展建议

提高钻井速度不仅是提高我国油气效益开发及深地勘探等方面的重要技术手段,同时对保障国家能源安全意义重大。冲击破岩钻井技术在国内外油田现场应用并获得了良好的提速效果,持续开展此类技术攻关有望攻克当下我国深地高温高压硬岩地层进尺低、提速难的技术痛点。介绍和分析了轴向冲击、扭力冲击和轴-扭耦合冲击辅助钻头破岩钻进技术方面的实践及发展动态。结合冲击破岩钻井技术现状,阐明了冲击辅助钻头破岩力学原理是冲击破岩钻井提速技术的关键问题,综述了国内外研究学者在冲击辅助钻头破岩物理实验、理论模型和数值模拟等研究方法上取得的科学进展。针对冲击破岩钻井提速技术的发展提出了相关建议,即加强在材料结构优化设计、智能化控制、多元技术融合和井场应用优化等方面的研究力度,为我国能源高效开发做出贡献。

压裂泵注智能决策系统设计理念与路径探讨

油气藏改造过程中的压裂泵注具有工艺复杂多变、过程不可逆、高风险等特点,需要及时准确地进行决策调控,进而提升压裂改造效果。目前决策方式主要以压裂设计泵注程序为基础,人为调控泵注参数。随着人工智能技术的发展,构建压裂泵注智能决策系统、实现自主决策已成为可能。为此,在综述国内外压裂泵注决策研究现状的基础上,提出了基于强化学习理论的压裂泵注智能决策设计理念,并探讨了实现路径。研究结果表明:(1)压裂泵注智能决策系统的核心是泵注决策智能体,由其自主决策泵注程序和优化参数,同时将决策动作传递给地面装备,构成闭环调控,实现泵注过程“自动驾驶”;(2)基于强化学习理论的压裂泵注智能决策设计理念,即以强化学习为核心,以压裂大数据为基础,以机理模型认识和专家先验知识为约束,构建压裂仿真环境,训练泵注决策智能体,可以实现泵注参数实时优化决策与地面装备闭环调控;(3)压裂泵注智能决策系统主要通过压裂工况自主判识、裂缝扩展动态感知与风险预警、压裂泵注参数优化决策、地面装备自主调控、压裂泵注数字孪生等技术实现系统功能。结论认为,基于强化学习理论的压裂泵注智能决策设计理念,有望为加快压裂泵注智能化进程提供有益参考,有助于油气的高效开发。

储层温度对页岩微观力学性质的影响

深部页岩气储层温度较高,为了研究地层温度对页岩宏微观力学性质的影响,采用四川盆地长宁区块寒武系龙马溪组井下页岩岩心,开展了26℃、80℃、150℃条件下的网格式微米压痕实验,分别模拟地表、中深层与深部储层的环境温度。采用去卷积数据统计分析方法量化了温度对页岩微观力学性质的影响,结合能量分析法研究了温度对页岩微观尺度断裂韧性的影响规律,并分析了温度对深部页岩裂缝导流能力影响的作用机制。结果表明,随着深部储层温度的增加,显著削弱了页岩的微观弹性模量、硬度与断裂韧性,而增加了压痕点弹性变形能力;弹性变形能力的增强导致矿物簇受应力作用后具有恢复弹性形变的能力,进一步说明水力裂缝扩展后缝周矿物弹性形变易恢复,压裂裂缝难维持。该研究结果对从岩石微观力学角度理解深部页岩气储层水力裂缝导流能力低提供了理论支持。

基于ALE-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟及其机理分析

磨料水射流在钻井提速、深穿透射孔和压裂增产等方面应用效果显著,深入认识磨料水射流破岩机理是提升其应用效果的关键之一。本文基于任意拉格朗日—欧拉耦合有限单元算法,提出了独立封装有限元网格描述磨料的方法,将水射流单元设定网格随物质的运动而变化以实现流体流动特性,速度设置给物质;将磨料单元设定网格不随物质的运动而变化以实现固体颗粒特性,速度设置给网格。综合考虑岩石的动态冲击损伤作用以及水射流和磨料的协作,建立了可表征水射流流动和岩石损伤破坏的多相多物理场耦合过程的磨料水射流破岩模型,模型聚焦磨料颗粒和水射流对岩石微秒级的冲击破坏。采用2套网格捕捉磨料和水射流的协同破岩作用,得到了岩石破碎体积、岩石损伤场、水射流压力场、水射流和磨料对岩石破碎的能量贡献率等关键参数的时空演化特征。结果表明,磨料水射流破岩过程磨料起主导作用,水射流起辅助作用。分析得到磨料水射流中磨料—水射流协同破岩机理认识,磨料撞击岩石使岩石局部产生的高程度损伤降低了水射流破岩的难度,此外磨料冲击破碎岩石使得水射流和岩石之间产生新界面,促使水射流的冲击压力升高,提高了水射流的破岩能力,因此磨料水射流中的水相比于纯水射流具有更高的射流打击力和能量利用率,磨料冲击预损伤岩石叠加水射流聚集增压的磨料—水射流协同作用破岩是磨料水射流破岩效率和能量利用率高于纯水射流数倍的重要机理之一。研究结果对优化磨料水射流破岩参数提供了理论模型和设计依据。

新疆MH气藏改建储气库交变注采出砂机制

新疆MH气藏经过多年衰竭式开采,为保障季节调峰需求,现将衰竭气藏改建储气库。受储气库交变注采的影响,注采气过程中储层易发生出砂,对储气库的运行及稳定具有一定的影响。针对储气库交变注采模式下的出砂机理,采用储层岩心开展物性、岩石力学与交变驱替实验,分析了岩心主要成分、胶结情况及力学性质,探究了生产压差、围压和交变注采过程对出砂的影响。实验研究结果表明,储层骨架间具有溶蚀绢化现象,黏土矿物中高岭石含量高,力学强度性质较弱,在储气库工况下有发生出砂的风险。在循环注采条件下,生产压差的增加促进了砂的产出,当生产压差超过6 MPa时,岩石处于临界出砂状态。围压的增加导致了出砂的提前,随着围压的升高,出砂量先增大后减少,孔隙通道的挤压是引发出砂量降低的主要因素。交变注采与常规采气相比,阶段出砂量呈现波浪式变化。多轮次交变注采引发的冲蚀过程和胶结疲劳破坏是加剧储气库出砂现象的主要因素。

智能钻完井技术研究进展与前景展望

智能钻完井技术是钻完井工程与人工智能、大数据、云计算等先进技术的有机融合,可实现油气钻完井过程的精细表征、决策优化和闭环调控,有望大幅提升钻完井效率、储层钻遇率和油气采收率,是油气领域的研究前沿和热点。从工程实际出发构建了油气钻完井人工智能应用场景,根据钻完井工程与人工智能技术的融合深度划分了智能钻完井技术的发展层次;分析了国内外智能钻完井理论与技术的研究现状,结合人工智能技术和钻完井工程的发展趋势提出了中长期发展规划,并凝练了智能钻完井技术研究面临的难题和重点攻关方向,以期为推进我国智能钻完井技术的基础理论研究和推广应用提供参考。

基于钻头井底机械比能无监督聚类的水平井分段压裂段簇优化

水平井多簇射孔分段压裂是非常规油气储层体积压裂改造主体技术之一,然而我国非常规储层普遍非均质性强,水平井段不同位置裂缝起裂压力差异较大,多簇射孔难以保证簇间裂缝的均衡起裂扩展,因此,亟须精细评价水平井段岩石强度的差异性,优选岩石强度相近井段布缝,以达到均衡改造的目的。为此,基于钻录井数据,建立了水平井段钻头井底机械比能无监督聚类模型,考虑了钻柱摩阻、复合钻进和射流辅助破岩等因素对井底机械比能的影响,获得了分米级空间分辨率的井底机械比能分布和聚类类别;最后综合考虑缝间应力干扰、套管接箍位置、桥塞位置和井底机械比能聚类结果,形成了以均衡改造为目标的水平井体积压裂布缝优化方法。研究结果表明:(1)相较脆性指数、泊松比、应力差等因素,射孔孔眼冲蚀面积与井底机械比能相关性较高,井底钻头机械比能可有效表征水平井段射孔簇进砂量的差异性,能够作为优选布缝位置的重要指标之一;(2)钻录井数据清洗与平滑、手肘法优选聚类数是获取井底机械比能聚类结果的关键步骤,可实现分米级分辨率区分井底机械比能的差异性;(3)优选了段内井底机械比能均值10%范围内布置射孔簇,所编制的计算机算法能自动优选压裂段簇位置,实现了段间距和簇间距的差异化设计。结论认为,该项研究成果可进一步提高非常规油气储层体积压裂布缝效率和压裂改造均衡性,该技术有望为非常规油气储层水平井体积压裂布缝优化提供思路和新方法。

页岩油储层径向井立体压裂产能预测模型研究

页岩储层页理发育,常规水平井体积压裂纵向穿层能力不足导致改造程度受限。本文根据径向井立体压裂开发页岩油新思路,给出了径向井立体压裂的缝网形态描述方法,建立了页岩油三维基质-裂缝-井筒跨尺度流动模型,对比分析了水平井压裂和径向井立体压裂2种开发模式下的页岩油产能,研究了天然裂缝对页岩油产能的影响。结果表明:径向井立体压裂可打破裂缝层高限制,增强了储层改造效果,径向井层数和主井数越大,产能越高。以松辽盆地古龙页岩油藏为例,有天然裂缝条件下3井3层4分支径向井立体压裂缝网直接相交的水力裂缝是水平井压裂的1.35倍,第三年产油速率和总产油量均为水平井压裂的2.2倍以上,研究结果可为径向井立体压裂高效开发页岩油提供理论依据。

Numerical simulation of three-dimensional fracturing fracture propagation in radial wells

A fracture propagation model of radial well fracturing is established based on the finite element-meshless method.The model considers the coupling effect of fracturing fluid flow and rock matrix deformation.The fracture geometries of radial well fracturing are simulated,the induction effect of radial well on the fracture is quantitatively characterized,and the influences of azimuth,horizontal principle stress difference,and reservoir matrix permeability on the fracture geometries are revealed.The radial wells can induce the fractures to extend parallel to their axes when two radial wells in the same layer are fractured.When the radial wells are symmetrically distributed along the direction of the minimum horizontal principle stress with the azimuth greater than 15,the extrusion effect reduces the fracture length of radial wells.When the radial wells are symmetrically distributed along the direction of the maximum horizontal principal stress,the extrusion increases the fracture length of the radial wells.The fracture geometries are controlled by the rectification of radial borehole,the extrusion between radial wells in the same layer,and the deflection of the maximum horizontal principal stress.When the radial wells are distributed along the minimum horizontal principal stress symmetrically,the fracture length induced by the radial well decreases with the increase of azimuth;in contrast,when the radial wells are distributed along the maximum horizontal principal stress symmetrically,the fracture length induced by the radial well first decreases and then increases with the increase of azimuth.The fracture length induced by the radial well decreases with the increase of horizontal principal stress difference.The increase of rock matrix permeability and pore pressure of the matrix around radial wells makes the inducing effect of the radial well on fractures increase.

超临界CO_2压裂井筒流动模型及耦合求解

超临界CO_2压裂是一种新型的无水压裂技术,井筒温度和压力准确预测是该技术成功实施的关键。基于Span-Wagner状态方程和Fenghour输运性质模型,结合质量、动量和能量守恒方程,建立考虑热量源汇的超临界CO_2压裂井筒流动解析模型,采用压力和温度以及油管-环空-地层的迭代计算,实现井深和径向方向的双重耦合数值求解。通过对比分析经典模型和现场实测数据,分别验证模型的推导过程和精度。结果表明:气体膨胀或压缩做功对井筒温度和压力的影响不能忽略;大排量超临界CO_2压裂过程中,须考虑摩擦生热对井筒温度和压力的影响;焦耳-汤姆逊效应对井筒温度和压力影响较小,工程计算中可忽略。

径向井复合脉动水力压裂煤层气储层解堵和增产室内实验

针对煤层气钻采过程中普遍存在的储层伤害解除不彻底的问题,提出了有助于解堵和增产的径向井复合脉动水力压裂技术思路:水力喷射多分支径向井,利用高导流径向孔眼进行适度的脉动水力压裂改造,从而在主井筒附近一定区域内最大限度地冲击、破碎煤层,形成高导流通道与裂缝网络相结合的大范围卸压增透区。为了验证其技术原理,设计并开展了径向井复合脉动水力压裂室内实验,采用声发射仪与脉冲伺服疲劳试验机等实验装置,围绕径向水平井复合压裂形成裂缝时的声发射响应特征与煤岩的破裂程度、宏观裂缝形态之间的关系开展了室内研究。结果表明:(1)实验条件下,径向水平井复合脉动水力压裂达到常规压裂峰值压力的1/3~1/4下即可起裂,声发射事件数是常规压裂的1.38~7.07倍;(2)径向水平井复合脉动水力压裂中获得强烈的声发射信号响应,产生宏观破裂的峰值压力较低,相同条件下更易获得较大范围的缝网;(3)径向井分支数、井眼长度、动载频率及振幅等参数是影响径向水平井复合脉动水力压裂效果的重要因素。结论认为,径向水平井复合脉动水力压裂方法提供了一种煤层气解除储层堵塞和高效开发的新思路,可实现煤层气井的有效解堵和增产。

人工智能在油气压裂增产中的研究现状与展望

针对油气压裂增产技术发展需求,阐述了人工智能在油气压裂增产中的研究现状,分析了压裂人工智能发展所面临的关键理论问题,展望了压裂人工智能研究的主攻方向和应用场景设计。国内外现阶段在压裂设计优化、压裂工况诊断与风险预警、压裂返排优化控制等方面已取得一定研究进展,总体处于从学术型研究向工业级应用的过渡阶段,面临小样本少标签数据问题、数据驱动与机理模型深度融合问题、模型可解释性差等关键理论问题。文章围绕所存在的问题,展望未来压裂人工智能研究的主攻方向包括数据治理与特征工程、小样本学习场景下的压裂数据深度挖掘、基于知识嵌入和知识发现的可解释性压裂智能算法、基于强化学习的压裂参数动态优化与风险预警调控方法等。基于上述研究,建议构建压裂设计智能优化、压裂施工闭环调控、压裂返排智能控制等三类应用场景,最终实现高质量均衡造缝和安全压裂目标。

空化射流钻径向井开采天然气水合物关键技术研究进展

天然气水合物是一种资源量丰富的高效清洁能源,该资源的开发利用对满足我国日益增长的能源消费需求、保障国家能源安全以及推进绿色发展具有重要的战略意义。本文在调研国内外水合物开采技术、研究现状的基础上,提出了利用空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采深海浅层天然气水合物的新思路。介绍了包括总体工艺流程、射流破岩钻孔能力、射流钻头送进方式与延伸极限、井眼轨迹测量与控制等关键技术的研究基础和进展,并使用开源软件HydrateResSim进行了径向井开采天然气水合物数值模拟。本文还讨论了该技术未来的主要研究方向,包括高压水射流作用下水合物储层成孔特性、水力喷射钻井井筒多相流动规律、水合物储层微小井眼井筒稳定性评价与控制、天然气水合物径向水平井增产机理与效果评价、泥质粉砂水合物储层径向水平井开采工程参数优化等。研究发现空化射流钻径向水平井方法具有纯水力高效钻进、超短半径转向、精准中靶钻遇、衬管粗护井眼、井筒精细防砂的特点,所形成的多层多分支井眼可与降压法或热激发法相结合,扩大储层接触阵面、提高热量利用效率。研究成果可望为早日实现天然气水合物的商业化开采奠定基础。

近封隔器环空支撑剂体积分数变化规律数值模拟

为了研究近封隔器环空支撑剂体积分数变化的规律,采用欧拉-欧拉双流体两相流模型,考虑流固双向及固固间的耦合作用,对近封隔器环空支撑剂体积分数变化规律进行了数值模拟研究。建模时采用压力出口边界条件对计算模型进行限定,采用固壁边界条件对计算区域进行封闭。分析结果表明:近封隔器环空支撑剂体积分数受到施工排量、砂比、压裂液黏度、支撑剂密度和粒径等因素的影响,不同施工参数对支撑剂体积分数变化影响程度存在差异。施工排量和支撑剂密度对近封隔器环空支撑剂体积分数影响要大于砂比、压裂液黏度和支撑剂粒径的影响。所得结果可为连续管带底封喷砂射孔环空加砂分段压裂技术的现场应用提供指导。

基于沉积过程的数字岩石建模方法研究

本文提出模拟地层沉积及成岩过程的矿物沉积算法,建立数字岩石模型,并通过对比Micro-CT扫描图像和数值模型的局部孔隙度及平均渗流概率函数分布特征,评价建模的准确性.结果表明,由二维扫描提取的粒径信息作为输入参数,模拟矿物沉积过程建模得到的三维数字岩石模型,能够准确重构原始岩心的非均质性及渗流特性,成功应用于泥质砂岩、碳酸盐岩、页岩等存在多矿物或多尺度孔隙的数字岩石建模中.数字岩石物理是正在兴起的重要技术.数字岩石采用超高分辨率先进成像装备,采集和表征微纳尺度岩石结构,在岩石弹性、电性、核磁、渗流特性等数值计算中发挥重要作用.但是,由于三维直接成像在有限视域内难以表征足够的岩石非均质性,提取二维结构统计特征,利用统计或地质过程法重构具有代表性的三维岩石结构成为十分有价值的研究课题,而且,对业界大量存在的岩石薄片及电镜高清二维图像的深度开发应用也具有重要的现实意义.本文发展的新方法,复原沉积过程,较好地解决了孔隙尺度岩石物理定量研究中数值建模与理论计算的技术瓶颈.

自振空化射流空泡动力学特征及溃灭强度影响因素

以空泡动力学分析为基础,考虑自振射流流场压力变化特性、空泡传热和传质规律,建立了空化气泡在自振射流流场中动态变化的计算模型,研究了空泡溃灭强度的影响因素。研究表明,空化射流破坏岩石的能力主要取决于空泡第1次溃灭的强度,空泡后续溃灭的强度显著降低。自振效应使空泡溃灭压力峰值及其持续时间增大,能大幅提高空泡溃灭强度。水力参数是空泡溃灭强度的主要影响因素:一定射流速度下,存在最优的围压值,使空泡溃灭强度达到最大;增大射流速度能提高空泡溃灭强度。流体物性对空泡溃灭强度的影响较小:溃灭强度随流体密度增大而降低,受流体黏度和表面张力的影响较小。研究结果有助于了解空化效应提高射流冲蚀性能的作用机理,提升自振空化射流技术的现场应用效果。

旋转射流冲蚀天然气水合物试验及数值模拟研究

为探究适合南海天然气水合物特点的高效开发模式,对比分析了淹没围压条件下锥形射流和旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物的成孔规律。首先,利用LS-DYNA软件,建立了旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物的拉格朗日–欧拉(ALE)流固耦合模型,分析了淹没、围压条件对旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物效率的影响;然后,利用自主设计研制的天然气水合物生成及射流冲蚀可视试验装置,进行了天然气水合物沉积物生成及冲蚀试验,天然气水合物二次生成后,在冲蚀坑中注石膏,测量冲蚀孔孔深及孔径。对比分析数值模拟和室内试验结果发现:围压在增强天然气水合物沉积物强度的同时,抑制了射流扩散能力,降低了射流冲蚀天然气水合物沉积物的效率;在无围压和围压5 MPa条件下,旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物体积分别是锥形射流的1.8和1.7倍。研究结果表明,对于泥质粉砂储层天然气水合物沉积物,旋转射流在保证冲蚀孔孔深的同时,具有比锥形射流更强的扩孔能力,这为固态流化法开采天然气水合物提供了依据。

径向井降压开采天然气水合物产能模拟

天然气水合物是一种清洁高效的潜在替代能源,提高开采效率对促进其产业化发展具有重要意义。本文借助开源程序HydrateResSim,针对具有强封闭性边界的第三类水合物藏薄层进行了直井和径向井降压开采天然气水合物产能模拟,对比了直井和径向井降压开采过程中温度场、压力场、水合物饱和度及产能变化规律,分析了径向井降压开采增产机理。模拟发现径向井降压开采能够显著降低近井区域的渗流阻力,增加储层中的有效泄流面积。通过促进压降向储层内部传播,径向井不仅扩大了水合物的分解范围,也减缓了开采过程中水合物的二次生成。由于水合物的分解是一个吸热过程,径向井开采水合物时所产生的低温区域不仅范围更大,且温度更低。相同压降条件下,径向井开采1000 d时累计产气量超过25万m^(3),是直井的3倍以上,累计产气产水比超过60,约为直井的2倍,表现出较好的增产潜力。研究表明径向井能显著提高水合物产能,有助于促进我国南海水合物早日实现商业化开发。

渤海中深层探井径向射流技术可行性研究

渤海油田开发已经进入中后期,钻进时存在机械钻速低、地层漏失严重及多次发生溢流等问题,为了利用探井取得更好的测试效果并探索探井转开发井的开采模式,通过建立径向射流技术系统压耗以及自进力预测模型,建立了一套排量和泵压预测方法,利用该设计方法并结合海上作业特点,对该技术在渤海中深储层探井上的适用性进行了分析。分析结果表明:BZ19-X1井采用径向射流技术施工时优选排量为56.2~57.1 L/min,施工泵压为35.8~41.5 MPa,海上平台可以满足施工参数要求;常规径向射流作业施工条件下,井深不影响施工排量,而对泵压有轻微的影响,井深从1 000 m增加到7 000 m时,作业泵压只增加不到4%。径向射流技术在渤海中深层探井上具有较好的应用前景,有望成为渤海未来中深层开采的重要技术储备。

径向分支井控制加密井裂缝扩展数值模拟

加密水平井压裂是提高页岩油气采收率的有效途径之一。然而实践表明,加密水平井压裂后产量普遍低于老井,压裂改造效果有限,其本质是压裂裂缝扩展沟通老井压力衰竭区,难以动用井间剩余油气产能。提出利用径向分支井控制加密水平井压裂裂缝扩展,达到提高压裂裂缝与未动用油气区的接触面积且避免裂缝进入老井压力衰竭区的双重目的,有望解决加密水平井压裂效果不佳的工程难题。为此建立了考虑井间复杂非均匀应力场的径向分支井压裂裂缝扩展模型;研究了老井不同投产阶段非均匀应力场、径向分支井参数等对裂缝扩展的影响规律;优选得到了径向分支井最优方位角。结果表明,在老井不同投产阶段,径向分支井可有效控制裂缝在未动用区扩展,验证了其控制加密水平井压裂裂缝扩展的可行性;径向分支井与水平井井眼夹角是影响压裂裂缝形态的主控因素。