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。

四川盆地超深层钻完井技术进展及其对万米特深井的启示

四川盆地超深层海相碳酸盐岩油气资源丰富,是寻找特大型油气田、开拓油气增储上产新领域的重要方向,但超深层钻完井面临地层条件更加复杂、井筒环境更加极端等工程技术挑战。为进一步指导万米特深井的安全高效钻探,通过梳理超深层钻完井技术难点,系统总结了四川盆地超深层钻完井关键技术,并提出了下步钻完井技术的发展建议。研究结果表明:①形成的超深复杂地层三压力预测监测技术精确预测了复杂地层压力系统及地应力场分布,准确刻画断层、裂缝、溶洞等展布规律,结合非常用井身结构拓展技术,提高了井身结构设计应对复杂地层钻探的能力;②形成的钻—测—固—完全过程精细控压技术,解决了超深井、特殊复杂井钻井液安全密度窗口窄导致“溢漏共存”、固井质量低等难题;③研发的高效钻头与大扭矩螺杆、扭力冲击器等抗高温提速工具,解决了深部难钻地层钻井钻头易磨损、破岩效率低的工程难题;④研发的抗高温钻井液体系提升应对高温深井的钻井液技术保障能力,升级第二代韧性水泥,解决了工作液抗高温能力不足等难题,保障超深井建井质量。结论认为,超深层钻完井技术的发展与进步,使得深井钻深能力突破9000 m已经成为现实,形成的关键技术有力地支撑了四川盆地超深层油气资源的高效勘探开发,对于万米特深层科学钻探和油气增储上产新领域拓展具有重要技术支撑作用。

四川盆地深层页岩气钻井关键技术新进展及发展展望

四川盆地页岩气资源丰富,目前深层页岩气已成为该盆地天然气增储上产的重点领域,但随着埋深增加和构造背景变化,地质工程条件将更加复杂,钻井过程中将面临井漏风险高、井下工具高温易失效、水平井轨迹控制难度大等技术难题。为此,在系统分析已完钻井实钻数据的基础上,依据深层页岩气区块地质工程特征,系统梳理了影响安全优快钻井的关键技术难点,形成了以地质工程一体化导向技术、钻井提速技术、防漏治漏与复杂防治技术为主体的深层页岩气安全优快钻井关键技术系列。研究结果表明:(1)以精细地质建模优选地质工程“双甜点”、实时靶体追踪为主的地质工程一体化导向技术,实现了地质目标的精准优选和精确追踪;(2)以“高效PDC钻头选型+个性化优化+大扭矩螺杆”高效破岩技术、“MSE+CCS”参数实时优化技术、油基钻井液地面降温+高温旋转导向技术为主的钻井提速技术,实现了页岩气钻井提速提效;(3)以井壁稳定性评价、裂缝性漏层识别、井漏与复杂防治为主的复杂防治技术,从源头降低了井下漏失和卡钻风险。结论认为:(1)形成的深层页岩气安全优快钻井技术,显著提高了机械钻速和铂金靶体钻遇率,在现场规模化推广应用200余口井,单井平均钻井周期降低42.7%,钻井提速效果显著,有力支撑了深层页岩气效益规模开发;(2)深层页岩气钻井将聚焦“地质工程一体化、水平段一趟钻、防漏治漏及智能钻井决策”等方面的技术攻关。

随钻核磁共振仪器缩短回波间隔方法优化设计

核磁共振测井是一种直接探测储层孔隙流体性质的地球物理方法,随钻核磁共振技术是在钻井过程中实时获得油气藏评价参数的技术方法.面对复杂油气藏中随钻核磁共振测量问题,通过缩短脉冲序列的回波间隔,可以减少仪器测量时间,能够获得快速衰减的短弛豫组分,实现储层孔隙结构的精细表征.本文提出了一种多级能量泄放方法,能够逐级降低天线品质因数,缩短天线恢复的死区时间,在不改变回波采集信噪比的情况下,实现脉冲序列的短回波间隔采集系统设计,并在随钻核磁共振测井仪器实验样机上进行了测试验证.测试结果表明,仪器回波信号信噪比良好,振铃噪声与回波信号区分明显,测试结果与模拟仿真结果一致,能够实现短回波间隔数据采集,验证了方法的有效性和实用性.

自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段,为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果,本文基于射流反冲理论,分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系,构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程,分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律,并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法,设计了自驱修孔钻头,并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明:(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数,通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下,钻齿结构对破煤体积影响较大,阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120N、扭矩0.6N·m时,阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为:钻头外径28 mm;后置喷嘴张角20°,偏心角90°;前置喷嘴张角90°,偏心角0°。(4)工程应用结果表明:瓦斯抽采纯量提高了1.96倍,瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍,修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构,设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

中国石化超深层钻完井关键技术挑战及展望

超深层是中国石化油气勘探开发的重要增储上产领域。针对超深层勘探开发需求和高温高压及复杂地质环境带来的工程挑战,中国石化持续开展关键技术攻关,在钻完井基础理论和方法、钻完井装备、高温井筒工作液、耐高温井下工具仪器和完井测试等方面取得关键技术进展,保障了120口超8 000 m油气井的安全钻探,钻深能力突破9 000 m,助推塔里木盆地顺北大型超深油气田建设、四川盆地海相特深层油气勘探开发突破,为保障超深层油气勘探开发提供了有力的工程技术支撑。随着油气勘探开发不断向更深层推进,技术升级转型需求日益迫切,需进一步夯实理论研究基础,突破耐高温关键工具仪器和井筒工作液,加快推进钻完井工程技术向数智化转型,为保障深层、超深层油气高效勘探开发和加快技术升级转型提供工程技术支撑。

薄壁结构件的正向吸附辅助支撑钻削工艺研究

航空航天领域中薄壁结构件的连接装配要求加工高精度的连接孔,但此类结构件钻削加工时变形大、易振动,严重影响制孔精度和表面质量,传统装夹方法存在装夹跨距大、难以充分有效支撑等问题。本文提出通过正向吸附辅助支撑,提高薄壁结构件加工时的局部刚度,进而提高薄壁结构件的加工质量,并通过仿真和试验相结合的方式研究了正向吸附辅助支撑对薄壁结构件钻削加工的影响。结果表明,在本文仿真和试验条件下,正向吸附辅助支撑可使钻削位置刚度提升40倍以上,孔壁粗糙度值降低67%以上,圆度公差降低60%以上,孔径偏差降低50%以上,同一孔的靠近出口、入口位置的孔径偏差降低90%以上。可见,正向吸附辅助支撑可显著提高薄壁结构件的制孔精度和质量。

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。

钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术研究

为适应我国隧道建设机械化、智能化、无人化发展趋势,围绕钻爆法机械化施工隧道,提出以凿岩台车破岩振动为震源的钻爆法机械化施工隧道随钻地震波超前地质探测技术。针对凿岩台车多震源连续激发带来的地震数据波场混叠、有效信息难以识别问题开展相关研究,提出VMD-SVD-RobustICA三臂混合先导信号分离方法与脉冲反褶积-小波域互相关地震记录重构方法,可实现三臂混合先导信号的分离与有效反射信号的提取。工程实践证明,利用凿岩台车搭载式无线高精度探测装备,该技术可初步实现“边钻边探”,降低预报环节对钻爆法机械化施工隧道正常施工带来的影响。最后,明确该技术目前存在的问题及解决思路。

基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究

针对热解析后脱油钻屑处理难和处理方式单一的问题,开展了将油基钻屑残渣制备成免烧压裂支撑剂的研究,研究了钻屑与水泥比、CMC添加量、石膏添加量和养护天数共4个因素对免烧压裂支撑剂性能影响。结果表明,在原料配比较优的情况下,制备工艺为钻屑水泥比0.67(质量比),石膏添加量为6%(质量分数),CMC添加量为4%(质量分数),养护时间28 d。该条件下制得的压裂支撑剂颗粒体积密度为1.47 g/cm^(3),视密度为2.52 g/cm^(3),35 MPa下颗粒破碎率为1.57%。经扫描电子显微镜与X射线衍射仪分析发现,此时压裂支撑剂内部结构致密,孔隙封闭,水化产物CaO·SiO_(2)·nH_(2)O凝胶和钙长石类物质有利于提高压裂支撑剂的综合物理性能。为脱油钻屑残渣利用提供新的方向。

基于无线随钻测量式超短半径水平井钻井技术

为了解决油田开发后期老井产量低、含水高的难题,通过采用小尺寸高弯曲度MWD随钻仪器配合高造斜率螺杆的方法,实现了在老井上部井段侧钻出超短半径水平井,攻关研究大曲率造斜和水平钻进的技术,通过设计研发小尺寸高弯曲度MWD随钻仪器、高造斜率螺杆等专用工具,并结合现场施工要求,创新基于无线随钻测量方式的超短半径水平井钻井技术。结果表明:该技术具有施工效率高、实时监测井下参数、轨迹控制精度高等优点,可以实现老井剩余油储层定向挖潜改造,扩大泄油面积,改善油井生产条件,提高采收率。

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。

超声波钻谐振控制算法设计及试验验证

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,驱动钻具高频破碎岩石,具有极低钻压力的显著优势,尤其适用于弱引力小天体的钻进锚固作业。针对超声波钻的驱动,对超声波钻的谐振控制算法进行研究。首先,建立超声波钻换能器的等效电路模型,在等效模型基础上研究换能器的阻抗特性、负载特性、温度特性和滞后特性。其次,根据超声波钻的工作特性研究谐振频率识别算法、谐振频率跟踪算法和恒电流控制算法,针对谐振频率跟踪算法研究了基于递归最小二乘估计的频率跟踪算法和基于模糊控制的频率跟踪算法,并对实际控制效果进行对比分析。最后,进行常温常压和高低温环境下钻进试验,试验结果表明,在不同温度环境和不同的钻进对象条件下,所设计的谐振控制算法能够实现对超声波钻的稳定驱动。研究结果表明,所提出的模糊控制和恒流控制能够有效的在低钻压力以及不同温度下实现有效钻进。

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。

冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性

针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。

长庆气田老井侧钻水平井钻完井压裂技术研究与应用

长庆气田具有典型三低特征,递减率高,低产低效井比例逐年增加,老井挖潜技术成为气田稳产的重要手段之一。2019年以来,在前期先导试验的基础上,通过地质选井选层、Φ139.7mm套管开窗侧钻、小直径裸眼封隔器、精细化压裂等关键技术完善和提升,攻关形成了一套适合长庆致密砂岩气藏的老井侧钻水平井钻完井技术。截止2022年累计开展现场试验81口井,水平段施工能力达到1 200m,平均钻井周期由攻关前41.3天缩短到29.2天,压后初期投产平均日产气达到2.6万方,同时开展了侧钻水平井固井完井桥塞分段压裂探索试验,压后初期投产平均日产气3.2万方,较裸眼完井提高了23%,提产效果显著。

西藏谷露地热田ZK401高温地热井钻井工艺技术

谷露地热田是西藏那曲—尼木地热带上的典型水热型高温地热田,安全、经济和高效的钻井工艺技术很大程度上决定了其高温地热资源的可开发利用潜力。ZK401井是在谷露地热田实施的一口优质高产探采结合井,地层以花岗岩类为主,其岩石硬度大,机械钻速低,钻头使用寿命短。自上而下揭露多层热储,其35~41m即可揭露124.8℃中温地热流体,汽水总量约40 t·h^(-1);50~320 m揭露超过120℃的中温热储,汽水总量约30~35 t·h^(-1);320~1320 m揭露186.9℃高温热储,汽水总量高达348 t·h^(-1),具有热储埋深浅、温度高,断裂构造发育,地层出水量大的特点,高温及水侵作用致使钻井液极易失效,井喷风险大,安全钻井难。为解决上述钻井施工难点,进行了高温地热钻井关键技术研究。通过采用异形齿PDC钻头和岩石热裂提速技术,使单只异形齿PDC钻头进尺较同规格牙轮钻头提高了23%~48%,使三开井段花岗岩类地层的平均机械钻速提升至3.18 m·h^(-1)。通过优化井身结构,采用简易控压钻井技术,利用低温清水作为二开及三开钻进循环钻井液,达到了及时发现并有效保护热储层和控制井喷风险的目的;实现了ZK401井在520 m揭露186.9℃高温热储且汽水总量达348 t·h^(-1)苛刻条件下的安全、持续钻进,且非生产时间较采用常规钻井技术的邻井缩短了37%,极大地降低了钻井成本,提高了高温地热资源的可开发利用潜力。为后续该区域乃至其他地区解决高温地热井钻井施工提供参考。

考虑“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱与钻柱碰摩运动规律

深水钻井时,旋转钻柱与海洋环境力作用下发生振动的隔水管柱易发生接触,造成钻柱与隔水管柱的碰撞或者摩擦。为了解隔水管柱与钻柱间的运动状态,减轻两者间碰摩,保证作业安全性,提出了一种模拟深水隔水管柱-钻柱组成的“筒中筒”耦合系统模型,通过分析二者间的位移与接触力,实现海洋深水钻井作业时隔水管柱与钻柱的耦合动力学模拟的建立。模拟结果表明,考虑隔水管柱与钻柱接触的情况下,海流作用和涡激作用对钻柱的动力学特征具有较大影响;海流速度增加,隔水管柱弯曲程度变大,隔水管柱的振动特征会限制钻柱运动;井口转速增加对钻柱的涡动特征影响小,但会增大钻柱与隔水管柱内壁的接触力,增大钻柱与隔水管柱的失效风险。该理论为海洋深水钻井摩阻分析提供了新的借鉴。

控压钻井实时计算及控制决策方法研究

随着石油勘探开发向边缘、深部复杂地区和非常规资源发展,窄密度窗口、高井控风险等钻井问题越来越突出。对于窄密度窗口地层,控压钻井能有效降低钻井作业难度和井控风险。但现有控压系统在无井底压力测量数据条件下的计算分析能力有限,无法实现准确指导常规控压钻井和精细控压作业实时计算分析与控制决策推荐。因此,基于现场工程录井、控压实时数据,建立了自动判断控压钻井作业工况的分支判断树,实现了11种钻井工况的实时识别。从环空液固两相流动特征着手,耦合井筒压力和地层流体侵入量,建立了控压钻井过程中的环空压力分布预测模型,实现了井口回压预控值的计算、确定和推荐。在理论研究基础上,开发了控压钻井计算分析及控制决策系统,现场测试表明:控压钻井过程中可以进行井筒压力及井口回压值模拟分析、自动识别钻井工况和井下复杂,立管压力的系统计算值与实测值之间平均误差为1.88%,基于安全作业条件的井口回压预测值与实控值符合率达到89.8%,实现了基于实时工程参数的控压钻井在线计算分析与控制决策,提高了控压钻井井口回压控制的可靠性和时效性,有效指导常规控压钻井作业,并通过流程优化提升了精细控压钻井作业能力和智能化水平。

方位侧向电阻率成像随钻测井仪软聚焦仿真分析

随钻方位侧向仪器工作时,由于钻铤长度较长,使表面电位衰减严重,钻铤流出的电流会产生轴向分量,不能严格垂直于钻铤表面流出,导致测量结果不准确。针对该问题,根据方位侧向电阻率成像随钻测井仪(RIT)的电极结构,设计5种软聚焦工作模式,并给出不同工作模式下的方位侧向电极电流和视电阻率的计算表达式;软聚焦工作模式可模拟不同源距的对称天线同时工作,以保持钻铤表面等电位,并通过线性叠加差值近似的方法获得更精确的轴向电流。通过三维有限元方法计算不同软聚焦工作模式在渐变薄互层的响应,并与原始测井响应进行对比,结果表明软聚焦方法能平滑单个发射天线界面处存在的尖峰现象及台阶现象,对薄层的识别及视电阻率计算更加准确,对仪器实际测井数据资料解释有一定的指导意义。