库车山前气体钻井技术应用效果评价

塔里木油田从2006年来在库车山前大北、博孜、迪北3个区块开展了气体钻井技术的探索与应用,取得了显著效果。其中,针对塔里木库车山前高陡巨厚砾岩层研磨性强、可钻相差、井壁稳定性差等,开展了空气钻井技术的探索、升级配套以及优化完善,有效解决了库车山前砾石核心区地层难钻的问题,大幅提高了钻井效率,新实施井平均机械钻速达到6.93 m/h,是同区钻井液钻进的两倍以上,钻井周期较设计缩短54.2%;针对迪北构造阿合组致密敏感性储层采用氮气钻完井技术,“零污染”钻进,扩大了勘探发现,提高了开发产能,DB104井日产气量高达72.6×104m3,日产油量51.36 m3,与同区块常规钻完井方式相比,大幅度提高了日产气量。但气体钻完井中仍然存在油钻杆完井管柱不能满足长效安全生产等问题,建议持续开展技术攻关,以保障氮气钻安全钻进和开发。通过文章的梳理,有助于塔里木油田气体钻井技术进一步发展,同时为国内其他区块的气体钻井技术升级提供借鉴。

气体钻井高效开发致密砂岩气藏的典型案例分析

目前气体钻井开发致密砂岩气藏是否高效建产受多方面制约,建产机理尚不清晰,阻碍了气体钻井发挥技术优势。为此,文章选取塔里木迪北地区和川西地区的典型高产井为研究对象,在综合分析随钻资料的基础上,探究了高效建产的共性特征。研究发现,产气点的井深与砂泥岩岩性界面存在高度相关性,证实了岩性界面处发育的缝网系统是有利渗流通道;有水致密气藏中,受断裂带影响,地层水在断层下降盘上部富集概率高,部署在断层上升盘的井产水程度低,加之岩性界面缝的存在,使气水实现同产、稳产。分析认为,井位部署应以构造高部位和断层上升盘为依据,确保气源富集的同时避免水体突进,井轨迹应将岩性界面缝作为重点穿越目标,上部井段下套管应避免完全封隔目的层泥岩段,以充分释放岩性界面缝的产气潜力。未来还应加强技术攻关,提升气体钻井钻穿复杂砂泥岩互层的能力。

川东北通南巴复杂构造带气体钻井防漏提速技术

通南巴构造带受来自米仓山冲断构造带与大巴山弧形冲断构造带的构造叠加作用,断裂和裂缝都较为发育,该区块须家河组以上地层压力低,前期部署的井漏失严重且机械钻速低。文章通过分析应用气体钻井技术的必要性,以井壁稳定、地层可钻性及井眼净化能力适应性评价为基础,形成了以井身结构优化、注气/泡沫参数和钻具组合及钻进参数优化设计为主体的技术方案,成功应用13井次,不仅避免了上部地层井漏复杂,并且机械钻速平均提升6~9倍以上,为通南巴构造带超万亿方天然气的安全高效开发提供了技术保障。

致密砂岩地层气体钻井井眼稳定性试验研究

为明确气体钻井过程中致密砂岩地层井壁失稳的机理,基于能量耗散原理,利用三轴压缩试验,研究了气体钻井中致密砂岩地层井壁失稳的机理。通过分析三轴压缩试验结果得知:砂岩的能量演化可分为弹性能稳定聚集阶段、耗散能缓慢聚集阶段、弹性能释放且耗散能快速聚集阶段;随着围压降低,破坏砂岩结构所需耗散能峰值极限呈指数下降,而弹性储能峰值极限呈线性下降。随着加载速率增大,破坏砂岩结构所需耗散能先减小后增大,存在临界加载速率;砂岩耗散能转化速率与围压和加载速率呈正相关,较高的砂岩耗散能转化速率引起黏聚力弱化、摩擦强化。气体钻井速度过快将引起井壁失稳区域增大,而且在钻遇高压地层时更严重,因此,适当地降低钻井速度,给予地层充分泄压时间,有利于气体钻井过程中保持井壁的稳定性。研究结果对于优化气体钻井速度具有重要作用。

基于静电流量计的气体钻井返出岩屑流量监测

气体钻井以其经济、环保、高效等优势已逐步成为油气勘探开发的重要手段。由于地质的复杂性,在钻井过程中容易发生井壁失稳以及井下燃爆等问题,通过井口返出岩屑可以了解井下复杂情况,防止井下事故的发生。基于静电积累原理,利用COMSOL软件建立了岩屑监测模型,模拟分析不同质量流量下静电传感器的电势分布,设计了岩屑流量测量装置,以石英砂代替岩屑,测量了输出电压与气体流量以及石英砂颗粒质量流量的关系。研究结果表明,静电传感器电势与带电颗粒质量流量具有较好的线性关系,影响静电传感器信号强度的因素主要为岩屑质量流量,两者之间具有较强的线性关系;静电传感器的信号受风速影响明显,风速越大,灵敏度越高,且线性相关性越好。该方法可为气体钻井岩屑监测提供一种新的方法,对气体钻井现场安全作用具有重要意义。

气体钻井发电机涡轮设计与性能试验

近年,电磁波和微波随钻测量传输技术被应用于气体钻井井眼轨迹的测量与控制,但由于电池供电功率较低,无法满足大于3000 m井深的随钻测控需求,井下发电机技术可有效提高传输功率,只是气体密度低且可压缩,涡轮和导轮构成的常规组件无法驱动井下发电机正常运转。文章在研究了二维流场中涡轮叶片的速度矢量三角形基础上,结合气体钻井工况分析了涡轮的输出转速、扭矩关系,提出借助行星轮机构提高涡轮输出抗扭特性的设计思路,设计出适用于气体钻井的井下发电机驱动涡轮,使发电机在负载改变时依然可维持稳定输出,并运用计算流体动力学软件(CFD)对涡轮进行全三维流场仿真模拟,通过测试装置验证了发电机的输出效果。结果表明:发电机稳态输出功率可达500 W,满足气体钻井随钻测量传输电磁波和微波传输的大功率需求。

气体钻井岩屑返出量实时监测技术研究与应用

在气体钻井施工过程中,钻头钻进产生的岩屑需要通过循环介质携带到地面,通过排砂管线进入沉砂池。井底岩屑能否正常返出,直接影响到钻井施工的安全和效率。通过微波流量计对岩屑返出进行监测,岩屑流量传感器安装于旋转控制头与降尘泵之间的直管段上,安装在供气管线上的气体质量流量计获取气体的实时流量,并将数据送达岩屑监测现场服务器,各工程参数监测单元的信号传送至中控计算机后,通过数据汇总、图形比对、趋势判断以及对返出岩屑进行累计等技术手段,可较早地发现和监测地层出水、掉块情况,为气体钻井施工提供有力的安全保障和预警信息。通过现场试验结合岩屑及工程参数,建立了气体钻井岩屑返出安全区间判别标准及分析方法。

气体钻井技术的发展趋势与新技术探讨

回顾了气体钻井技术的发展历程,探讨了出水、出油地层气体钻井技术,连续循环气体钻井技术,气体钻水平井技术,储层氮气钻井技术等气体钻井新技术。雾化/泡沫钻井及循环泡沫钻井技术是解决小出水地层的有效手段,强抗油分散能力的抗油泡沫基液是解决地层出油关键。基于充气控回压的气体钻井控水工艺技术解决了大出水地层地面水难处理的问题。连续循环气体钻井技术可以在接单根、起下钻过程中保持连续循环,避免了井底积液引起的井壁垮塌,降低了卡钻风险,提高了钻井效率,延长了气体钻井井段。气体钻井钻水平井技术应用潜力较大,但国内气体钻井专用的螺杆等井下动力钻具还不成熟,限制了该项技术的发展。储层氮气钻完井技术能最大限度地避免外来流体对储层的伤害,有效保护油气层,提高单井产量和采收率,避免钻井井漏发生,大幅提高钻井速度,节约勘探开发成本,是解决致密油气藏难发现、难开采、提高单井产能十分有效的手段。以上新技术的成功应用将会对气体钻井技术产生革命性的影响,大大拓宽气体钻井技术的应用范围。

气体钻井排屑管缓冲弯头设计与分析

排屑管线,特别是管线弯头刺漏是气体钻井使用过程中的普遍现象。排屑管线刺漏不仅会造成作业中断、降低钻井时效,而且管线更换耗费人力物力,当钻遇天然气或硫化氢时甚至易引发火灾或人员中毒事故。为了提高排屑管线弯头的使用寿命,本文提出了一种气体钻井排屑管缓冲弯头并进行了冲蚀分析,为气体钻井排屑弯头提供了一种可行的实施方案。

四川油气田气体钻井技术

四川油气田地质情况复杂,长段井漏、恶性井漏时常发生,使得钻井工作的难度大大增加。在四川发展起来的空气泡沫钻井技术和纯空气钻井技术,已成为解决井漏(特别是恶性井漏)最有效的方法之一;四川有很大一部分地区的产层属低渗低压油气藏,采用常规钻井液钻井,容易造成不可逆转的储层伤害,甚至难以发现地下油气资源。为了解决这一难题,在四川研究并发展了欠平衡钻井技术,其中包括天然气钻井、尾气钻井、氮气钻井等技术。特别是近年来,气体钻井的优势在川渝地区的钻井中显现得越来越明显,也越来越受到高度关注。为此,回顾了四川气体钻井技术发展历程,阐述了纯空气钻井、泡沫钻井、氮气和天然气钻井、柴油机尾气钻井、充气钻井和雾化钻井等气体钻井技术在四川的应用现状,分析了四川气体钻井技术发展中遇到的气体钻井井斜、地层出水、钻具失效以及井壁垮塌等问题,以期进一步充分发挥出气体钻井的优势。

气体钻井岩屑运移机理研究

气体钻井由于其机械钻速快,能有效防止水敏性泥页岩坍塌,杜绝井漏。然而在气体钻井中井筒内岩屑的运移机理还不是十分清楚,为此,从气固两相流基本理论出发,对气体钻井过程中岩屑的重复破碎和细岩屑聚团过程进行了分析,并对接单根后岩屑的运移模式进行了描述,指出由于岩屑聚团的崩裂速度远远超过理论计算的相应初始运移速度,在接完单根后为使井底得到清洁,应增大注气量。另外,还提出了气体钻井过程中岩屑间协同作用的物理模型,指出从含少量细岩屑时的粗岩屑表面改性向大量细岩屑聚团过渡中,存在一个最佳点,该点携岩效率最好。通过研究,对气体钻井过程中岩屑的运移机理有了更进一步的认识。

气体钻井注气量计算方法研究进展

气体钻井过程所需注气量是关系到气体钻井成败的重要参数。目前计算气体钻井所需注气量的3种方法各有不足,根据这些方法得出的计算结果与现实情况都有差异,有时差异还很大。为了准确计算气体钻井所需注气量,应对影响气体钻井注气量的因素进行深入研究并对现有计算方法进行改进。经过对现有方法的分析,建议应从以下几个方面进行深入研究:①建立准确计算气体钻井时环空流体温度的模型以确定温度对注气量的影响;②应用气液两相流理论分析气体携水能力,以确定地层出水时气体钻井所需注气量;③钻屑直径对气体钻井所需注气量的影响;④气体钻井所需注气量与井斜角的关系;⑤对“关键点”处钻具外形进行优化设计以改善该处气体的携岩能力。

气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究

气体钻井中气体携岩冲蚀钻杆是引起钻杆快速失效的主要原因之一。基于此,文中采用计算流体动力学（CFD）方法建立了圆形规则井眼、钻杆居中情况下的高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型。通过对环空气体流场、钻杆表面冲蚀速度和岩屑颗粒对钻杆的冲蚀过程及其运动轨迹的分析后发现,与钻杆接头斜坡碰撞的岩屑颗粒对钻杆有冲蚀作用,最大冲蚀速度发生在钻杆接头斜坡面上,其次在公接头以上0.2～1.8m长度范围内的钻杆本体表面上。这些区域可能形成严重的冲蚀坑,也可能出现微裂纹,在受到钻井过程中的弯、扭、拉等动载荷联合作用下可能发生裂纹扩展、失效现象。

气体钻水平井的携岩研究及在白浅111H井的应用

目前国际上流行的斜井、水平井气体钻井流动计算与井下真实情况相比有很大区别,从而导致计算得到的携岩气体需求量过小,难以保证井下正常携岩、清岩.通过研究气体钻水平井的携岩问题,发现水平井气体携岩的规律与垂直井有本质不同.依据研究结果所得出的携岩气体需求量比目前国际流行计算的结果要大50%～100%,而且还需要配合其他措施,方可保证井眼净化.文章简要介绍了研究结果在白浅111H井的应用.

气体钻井井壁稳定性分析

首先分析了用钻井液钻井时钻井液与地层的相互作用,并以多孔介质传导、吸附与扩散(水分子和水化离子)、双电层电场与电斥力为基础,建立起钻井液滤液在井周地层中的渗透运移规律和水化应力与地层强度随时间变化的规律,对地层应力应变状态受钻井液的影响进行定量化分析。并将用于校正后由测井资料得到的围岩强度性质及应力状态,从而得到气体钻井条件下井周地层的强度性质及应力状态。最后选择适当的强度准则,形成气体钻井井壁稳定性分析模型系统。以七里北1井的测井资料为基础,运用该模型系统分析了七北101井气体钻井井段的井壁稳定性,其结果与该井钻井实际情况一致,表明该模型系统是准确、可靠的。

气体钻井的适应性评价技术

气体钻井对地质条件、设备及工艺的要求较高,因适应性评价不充分而导致气体钻井失败的实例屡见不鲜,目前国内还缺乏相应的气体钻井适应性评价技术体系。基于气体钻井的必要性、工程可行性、经济可行性评价所涉及的关键技术,建立了气体钻井适应性评价技术体系,开发了相应的评价软件系统。此举有利于促进气体钻井的科学选区、选井和选层,减少决策的盲目性,推进气体钻井技术在油气田、煤层气田勘探开发领域的高效应用。

气体钻大斜度水平井最小注气量计算方法研究

针对气体钻井如何确定合理的钻井流体力学参数的难点。以前沿用的气体钻井参数计算方法,因其依据的假设条件带有局限性,其设计气量都比实际情况偏小。为此,通过钻铤与钻杆交界面、套管与裸眼交界面进行分析和判断,以空气钻井流体力学参数设计为依据。从力学分析入手,根据空气动力学翼型的气动特性,引入薄翼理论,对岩屑颗粒进行受力分析,探讨了气体钻大斜度水平井有效携带岩屑的最小排量问题。在此基础上,提出了计算气体钻大斜度水平井流体力学参数的方法和公式,并且利用数值模拟软件对井内环空压力分布规律、环空携屑能量分布规律进行了分析,确定了水平井携岩的最小气量。计算结果与油气田实际应用情况符合性较好。

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度,但屡次出现钻具失效事故,不仅影响钻井速度,而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律,并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂,钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动(包括公转和纵向共振)、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因,提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。

气体钻井随钻安全风险识别与监控

气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面一井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。

高压气层气体钻井井壁稳定性分析

在利用气体钻井技术揭开高压气层的初期,由于低密度气体在井底产生的压力很小,远远低于气层的孔隙压力,高压气层的气体在压力势差作用下由地层向井眼高速流动,导致高压产气层段井壁稳定性下降,易引起井下复杂事故。通过分析高压气层高速产气影响气体钻井井壁稳定性的作用机理,建立了一套高压产气层气体钻井井壁稳定性的评价方法。结果发现:高压气层高速产气过程中,一方面导致产气层近井壁地带的孔隙压力降低,形成一个压降漏斗,作用在井壁表面岩石上的有效应力增加,有利于气层的井壁稳定;另一方面由于产层孔道迂回曲折,高压气体在快速流出地层时,在近井壁地带会产生一个附加径向应力,降低了井底气体对井壁岩石的有效支撑作用,不利于气层的井壁稳定。综合分析正、反两方面的影响因素后发现:高压产气层被气体钻井揭开瞬间,气层井壁表面岩石稳定性最差;随后,井壁表面岩石孔隙压力降低,井壁稳定性变好;随着产气层暴露时间的增加,气层深部位置点高压气体开始流动,井壁稳定性先变差后变好。