川西地区深层致密砂岩气氮气钻完井试验及发展建议

深层低渗致密砂岩气藏基质黏土胶结物含量高、孔喉细小、低渗透率、低孔隙度、强亲水,采用常规水基工作液勘探开发易产生储层伤害,且伤害后渗透率难以恢复。氮气钻完井技术可从根本上避免钻井液中的固液相侵入引起储层损害,有效保护储层,提高单井产量。文章回顾了近年来氮气钻完井技术开发深层致密砂岩气的实践应用情况,从储层保护、及时发现气层、自然建产、提供地质甜点依据、为气藏富集规律确定提供辅助依据五个方面系统评价该项技术开发深层致密砂岩气的效果,同时针对井眼轨迹控制、井壁失稳及井下岩爆诱发卡钻、钻杆完井和井位及井段优选四个方面阐述了将来氮气钻完井技术的研究方向,以期为四川盆地须家河组致密砂岩气及国内外其他相似气藏的高效开发提供借鉴。

迪北区块深层致密砂岩气藏氮气钻完井技术应用及认识

针对塔里木油田迪北区块目的层阿合组致密砂岩储层岩性致密、地层压力高、煤层发育,应用常规液体介质的钻完井技术对储层损害严重,为此特引入氮气钻完井技术,并在DX1井开展现场试验,获得日产气量82.39×104m3,日产油量100.8 m3的高产。但由于地层岩性的复杂性,氮气钻完井过程中,出现了井壁垮塌严重、内防喷工具失效、井控装备冲蚀等问题,制约了氮气钻完井技术在该区块的推广应用。通过对井身结构、钻具组合、井口装备、排砂管线、内防喷工具以及配套工艺流程等关键工艺、装备的改进优化,形成适用于高压高产深层致密砂岩储层的氮气钻完井配套工艺技术,并在DB104井开展了现场试验,试验效果显著。与同区块液体介质钻井的钻完井方式相比,DB104井日产气增加了400余倍,日产油量增加了6倍。通过DX1井和DB104井证明,只要工艺、装备、措施得当,氮气钻完井技术在迪北区块这类高温高压深层致密砂岩气藏中对储层具有重要的保护作用,可为塔里木油田乃至全国高压高产致密砂岩储层的高效勘探开发提供技术支撑。

氮气钻井岩爆动力学演化机制的数值模拟及岩爆实录特征分析

为了厘清氮气钻井井底岩爆动力学演化机理,应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.3,建立井底逐渐接近裂缝的数值模型,基于致密砂岩岩体内部微裂缝起裂时对应的等效塑性应变为判断标准,分别应用CWFS(cohesion weakening and frictional strengthening)-DP(Drucker-Prager)内聚力弱化摩擦力强度准则、DP强度准则及MC(Mohr-Coulomb)强度准则进行平行数值计算,得出了氮气钻井井底岩爆的动态演化过程。结果表明:井底逐渐靠近裂缝过程中致密砂岩基质会产生两种不同的破坏方式,即是沿着潜在剪切面,向井筒剪切滑移破坏及应力集中条件下的微剪切方式的挤压屈服破坏,直至破坏区延伸连通低压井筒,裂缝内的高压气体及岩爆碎屑释放大量能量,产生井底岩爆。研究成果可系统解释X8-2井井底岩爆发生前后随钻监测参数的异常变化,为准确判断氮气钻井井下工况提供了理论支撑,同时为及时采取针对性的对策措施提供了依据。

深部致密砂岩气藏氮气钻井安全风险控制技术研究及应用

氮气钻井在深部致密砂岩气藏开发方面具有显著优势,但如何确保绝对安全是其面临的首要难题。文章首先分析了深部致密砂岩气藏氮气钻井面临的井下岩爆、井壁失稳、地层产水(产油)、井口装置失效(排砂管线失效)四个主要风险;其次开展了地面控制装备优化研究,为高压储层氮气钻井井口装置升级和优化配置提出了建议;然后开展了安全风险参数响应特征研究,并据此基于卷积神经网络开发了气体钻井随钻安全监测智能预警技术;最后针对井下岩爆、井壁失稳、地层出水三种主要风险提出了控制措施,可直接指导现场作业。

神府气田氮气钻井技术研究

目前,低渗、致密油气藏已成为中国勘探开发的重点方向,但由于此类油气藏一般埋藏较深、储层条件复杂,因此勘探开发难度较大。目前,氮气钻完井技术是开发此类油藏最有效的手段之一,同时也是目前能够真正实现储层“零污染”的钻完井技术之一,能够及时发现油气层,获得储层的原始产能,是实现高产和稳产的有效手段。此外,它能大幅提高钻井效率,降低井漏对钻井作业的影响。

长斜井段氮气钻井高扭矩摩阻机理及减摩降扭技术研究

大邑105井二开造斜,斜井段长2422 m左右,水平位移1398 m,井斜角35°左右,三开采用氮气钻井。基于钻柱运动学与动力学理论,参考钻柱动力学室内实验结果,表明钻柱涡动是大邑105井氮气举升清水阶段、钻进阶段及钻头提离井底循环阶段扭矩呈现“锯齿形”波动的根本原因,较多的钻具接头及钻具本体与井底低边碰撞摩擦导致扭矩处于波峰点,同时斜井段形成的岩屑床及岩粉附着在钻具表面诱发的黏滞摩擦导致扭矩和摩阻值平均值增加;钻具提离井底定点循环阶段,钻具涡动诱发钻具接头与井壁碰摩形成键槽,当钻具接头处于键槽中时,此时上提钻具须克服键槽形成的机械阻力,导致摩阻增大。同时设计了氮气钻井用减摩降扭清砂接头,分析不同井斜角、造斜率、钻压和钻具组合对扭矩摩阻的影响。因此,为了氮气钻井安全快速建井,建议钻井设计进一步优化井眼轨迹,钻具组合中增加清砂接头,通过清除岩屑床到达减弱钻具涡动效应的目的。

空气、氮气钻井技术在普光气田的应用

由于上三叠统须家河组地层岩石坚硬，钻井速度低，钻井周期长，制约了普光气田开发的步伐。在对普光气田前期空气钻井技术进行总结和经济效益评价的基础上，系统地分析了空气、氮气钻井穿越须家河组地层的安全钻井技术。在普光气田3口开发井中进行了空气、氮气钻井穿越须家河组地层试验，机械钻速提高4～5倍，钻井周期缩短30d以上。实践表明，空气钻井技术在普光气田须家河组以上地层得到成功应用，取得了良好的效果，成为加快普光气田开发的重要技术。

空气/氮气钻井技术在徐深28井的成功实践

大庆油田深部地层成岩性好、研磨性强、岩石可钻性级值高、硬度高,致使常规钻井机械钻速低、钻头磨损严重、钻进周期长,为此在徐深28井开展了气体钻井试验。通过地质分析,选择了适当井段并进行了井身结构设计,通过采取使用满眼钻具组合、优选钻头、优化钻井参数、确定注气排量一系列技术措施,在保证井身质量的同时,实现了防斜打快的目的。现场试验表明:在产层应用纯氮气钻井为今后大庆深井产层进行纯氮气钻井提供了科学依据;通过应用空气钻井所需最小排量的确定方法和气举过程等相关技术,进一步完善了的大庆气体钻井技术,加快了徐家围子地区深井的勘探开发速度。

邛崃1井氮气钻井事故分析(Ⅰ)——构成事故的重要事件

位于四川盆地西部的邛崃1井在侏罗系沙溪庙组地层实施氮气钻井时发生了恶性井喷爆燃事故,这是发生在我国的第一起氮气钻井事故,对尚处于起步阶段的气体钻井技术的发展产生了很大的负面影响,并已经导致了气体钻井应用的大幅度减少。因此,对该次事故进行系统分析并形成正确的认识将是恢复气体钻井技术良性发展的紧迫需要。为此,首先证明了地层产气量过大并非该井事故的根本原因,然后推测了构成事故的重要事件;首次发现气体钻井钻穿裂缝性气层时由于岩石突然爆碎而引发的岩石和天然气猛烈喷出的现象,并将这种现象命名为气体钻井中的"气炮式岩爆井喷",参考矿山行业术语简称"岩爆"或"岩炮"。研究结果表明:①在裂缝性致密砂岩气层中实施气体钻井时的"岩爆"现象是第一位的重要事件或根源事件;②岩爆的大量碎屑和高压气体喷入井内,并在井内反复产生堵塞和卡钻,是岩爆的诱发事件;③然而事故最直接的重要事件却是岩爆碎屑在排砂管线内的堵塞和由此产生的井口高压;④井口高压使得排砂管线爆裂并引发天然气喷出和爆燃,这是事故的直接表象。

满东2井氮气钻井实践与认识

为了探明塔里木油田满东3号构造志留系的含油气情况，结合满东2井的储层特征，在5818．50～6200．00m井段实施了氮气钻井。氮气钻井前对满东2井氮气钻井存在的问题与采取的对策做了研究，在此基础上对井身结构、钻具组合、随钻监测等做了设计，阐述了满东2井的钻进情况及应用效果。满东2井作为国内沙漠腹地第1口气体钻井的井，创造了目前国内气体钻井井深最深记录；该井氮气钻进井段进尺381．5m，机械钻速5．44m／h，是同构造同层位邻井满东1井钻井液钻井机械钻速的5．4倍，创造了塔里木油田深层0149．2mm井眼的机械钻速最高记录；氮气钻井井段使用2只钻头，单只钻头纯钻时间45h5min，进尺230．4m，刷新了塔里木油田深层Ф149．2mm井眼最大单只钻头进尺记录。满东2井氮气钻井的成功实施，促进了满东3号构造的勘探进程，为国内深层小井眼氮气钻井积累了经验，为类似井实施氮气钻井提供了借鉴。

邛崃1井氮气钻井事故分析(Ⅱ)——事故过程的还原及教训

上文针对邛崃l井氮气钻井中的井喷失火事故,对构成事故的重要事件进行了分析。在此基础上.基于事故调查资料、实时录井资料和必要的计算与数模分析结果,按照安全工程学中故障树的分析原则,分析了构成邛崃1井氮气钻井恶性井喷失火事故的重要事件的各种可能组合、发生概率和时间顺序,还原了事故的全过程,并完整地解释了综合录井数据所表达的事故内幕。研究结果认为:①该次事故的客观原因是严重"岩爆"的发生及其诱发事件;②主观原因是该井排砂管线不能适应"岩爆"产生的大股碎屑而堵塞,进而由堵塞产生井口高压引发排砂管线爆裂,导致失控井喷和着火。最后,基于对裂缝性致密砂岩气层中实施气体钻井时井下岩爆是一种客观的、必然的现象的认识,提出了需要进一步改善排砂管线、井口组合和钻具附件特性的技术建议,以从根本上防止井下岩爆诱发的地面事故。所得到的认识与建议将有助于扭转该事故对气体钻井技术所造成的不利影响。

库车坳陷X井致密砂岩储层氮气钻井实践与认识

通过欠平衡钻井技术的理论研究和室内试验,形成了一套较完善的适用于高压高产致密砂岩储层的氮气钻井方案,具有合理的注气设备配套方案、钻具组合、井身结构设计以及整套工艺流程。以库车坳陷东部的X井为例,通过与多口邻近致密砂岩储层的常规钻井液钻井技术相比,X井的机械转速最大提高了24.3倍,钻井周期最多缩短了62 d,单井产量是邻井的4.2倍。致密砂岩储层氮气钻井在X井的成功应用,再次证明了在致密砂岩储层使用氮气钻井技术可以提高机械钻速、缩短钻井周期、提高单井产量的目的。同时验证了氮气钻井技术和装备的安全可行性,为库车地区乃至全国推广高压高产致密砂岩储层氮气钻井技术奠定了基础。

氮气钻井井底岩爆机理及动态过程演化

氮气钻井钻遇致密砂岩裂缝圈闭高压导致井底岩爆是QL1井恶性井喷事故的根本原因,针对岩爆机理进行系统分析并形成正确的认识是恢复气体钻井技术良性发展的紧迫需要。为此,通过分析井底岩石性质、计算井底岩石裂缝面应力,利用常规井壁失稳分析方法研究井底岩爆机理;在此基础上,借助Visual Basic语言和Matlab软件编程,进行了岩爆的动态演化模拟,分析判断QL1井录井监测参数的异常变化。研究结果表明:当井底逐渐接近裂缝圈闭高压的过程中,裂缝面周向应力和径向应力差值逐渐增大,主应力之间的差值所引起的剪应力的增长使裂缝面产生压剪破坏以及压剪和拉伸复合破坏模式,直至破坏区连通井筒,高压气体携带大量碎屑喷入井内,释放大量能量,产生井底岩爆,上顶压缩钻具。结论认为,该研究成果系统地解释了QL1井录井监测参数的异常变化,其分析方法可以为井底岩爆的防治提供理论基础。

氮气钻井技术在普光202-1井的应用

空气钻井技术可以大幅度提高坚硬地层的钻井速度,但应用在产层时容易造成井下燃爆,致使钻具损坏。分析了井下燃爆发生的原因后,提出使用氮气钻井技术是解决井下燃爆问题的最简单、最普遍的方法。介绍了氮气钻井施工所需要的空压机、制氮机、增压机、旋转防喷器等设备及其功能;通过普光202-1井的氮气钻井试验,分析了该井的施工工艺、流程及施工过程。氮气钻井技术的成功应用表明:氮气钻井不仅有效解决了井下燃爆问题,提高了机械钻速(5倍以上),还减少了钻头使用数量,提高了钻井时效,具有良好的应用前景。

计算空气-氮气钻井最小气体体积流量的新方法

目前对空气-氮气钻井最小气体体积流量的计算方法仅适用于岩屑不受碰撞作用力的理想情况下的携岩要求,而实际所需的体积流量往往高于该方法的计算结果,主要原因可能是未考虑岩屑多次碰撞、重复破碎造成的能量损耗。引入了岩屑重复破碎概念,根据井底和井口岩屑粒径的变化,确定了岩屑重复破碎能耗。并据此对Angel模型进行了修正,得到一种更加准确地确定气体钻井最小气体体积流量的新方法。利用该方法可以更加清晰、准确地描述气体钻井过程中气-固流动状态及沿程压力损失,从而更好地选择设备及节约钻井成本。

元坝气田须家河组地层氮气钻井适应性研究

元坝气田是国内埋藏最深的海相大气田,其主力气藏长兴组埋深接近7 000 m。在上部,陆相地层采用气体钻井,海相地层采用复合钻井,提速效果显著。但是,深部的陆相须家河组地层岩性致密、硬度高,机械钻速低,是制约元坝气田钻井提速的瓶颈。针对这一问题,先后探索了多种钻井工艺,但提速效果有限。在普光、龙岗成功应用氮气钻井的基础上,开展了元坝须家河组氮气钻井提速潜力分析,从地层压力特征、井壁稳定性和地层产气量、出水量以及经济性等方面论证了氮气钻井在须家河组的适应性。研究表明,元坝气田须家河组属于高压、低产地层,测试基本不产水,大部分井段的岩石内聚力大于气体钻井临界值,井壁稳定性较好,氮气钻井预计可提速6倍以上,具有巨大的提速潜力和经济效益。建议选择适当的井位开展氮气钻井试验,为元坝钻井提速提供新的技术手段。

氮气钻井过程中井口多功能四通的使用寿命

为防止多功能四通因砂粒冲蚀所导致的井控事故以及对多功能四通使用寿命进行评价,根据相似理论,研制出了多功能四通模型试验装置。通过室内试验表明:试验模型旁通法兰短节入口和距入口60mm处产生较为严重的冲蚀,且随时间增加,冲蚀率下降。法兰短节处遭受冲蚀将影响整个多功能四通的使用寿命,按照API 579(2007)标准计算,并对试验结果进行适当修正,得到多功能四通使用0.26a(年)后将处于危险状态。

氮气钻井圆弯管排放流量效率预测研究

在氮气钻井中,当钻遇高压高产气层,圆弯管的排放流量效率直接关系到整个钻井过程中的作业施工安全,而现场技术人员很难用试验来验证圆弯管的最大排放流量效率。针对上述问题,在计算流体动力学理论基础上,针对现场布局建立10寸圆弯管CFD模型,重点研究流量从20×10~4m^3/d突然增加到300×10~4m^3/d或500×10~4m^3/d时的流体在圆弯管中的流动状态,根据圆弯管内压以及管线所受的瞬时冲击作用力来预测圆弯管的最大排放流量效率。研究结果表明,圆弯管所受瞬时冲击力造成的轴向应力远远小于钢材强度240MPa,不会对圆弯管造成失效。而圆弯管承受的内压由于排放量的增加而逼近圆弯管的承压极限4MPa,预测得出此类排砂管线布局的圆弯管极限排放流量效率约500×10~4m^3/d。上述预测可对现场生产提供理论指导,保证氮气钻井安全。

氮气钻井与筛管完井在中浅油层开采中的利用

氮气钻井是使用氮气作为循环介质来冷却钻头并带出井筒内岩屑的钻井工艺技术,一般在深井提速或储层钻进中使用。大庆中浅油层具有低孔渗、低丰度、低产量等特点,采用常规钻井工艺开采会导致储层伤害,大幅降低原油产量。介绍了氮气钻井技术、柴油助返技术以及筛管完井技术在大庆中浅油层中的应用。通过4口井的现场试验和摸索,已经在大庆中浅油层的钻完井中形成了配套技术。还通过现场应用效果分析,说明了氮气钻完井技术在大庆中浅油层开采中的可行性和重要性。

塔里木油田氮气钻井内防喷器组的可靠性分析

综合应用故障模式影响及危害度分析(FMECA)与故障树分析(FTA)对氮气钻井内防喷器组进行可靠性分析。首先对氮气钻井内防喷器组进行系统级和设备级的故障模式影响及危害度分析,找出各个设备的常见故障模式,提出对应的改进措施,并定量计算出故障模式的危害度和系统内各个内防喷工具的危害度,为故障树分析确定顶事件。故障树分析,求出导致氮气钻井内防喷器组主要故障的所有底事件和最小割集,进而确定底事件的结构重要度的大小和底事件的组合方式对系统故障的影响力,对结构重要度大的底事件和底事件的组合方式对系统故障的影响力高的故障形式优先采取改进措施,并对薄弱零部件进行可靠度计算,更有针对性地对薄弱零部件进行设计改进和故障监测。鉴于对氮气钻井内防喷器组的可靠性研究,得出箭型止回阀锥面密封故障、翻板浮阀的复位弹簧失效、投入式止回阀的投球被压溃、旁通阀的扣断裂和旋塞阀的旋球被"抱死"是导致系统失效的主要故障模式,分析5种故障模式的所有可能的原因并提出了相应的改进方案。