四川盆地超深井钻井关键技术及发展方向

四川盆地海相碳酸盐岩油气资源丰富,但构造地层条件复杂,井筒环境苛刻。近年来,盆地深井超深井钻井关键技术的形成,支撑了油气的增储上产,为特深层油气资源勘探开发奠定了技术基础。特深层油气资源的开发需持续开展地质工程一体化设计技术攻关,通过精细刻画复杂地质体建立三维地质力学模型,指导井身结构和井眼轨道设计,同时开展基于膨胀管、随钻扩眼技术的井身结构拓展研究,并通过岩石可钻性剖面指导钻头及提速工具设计。针对深井超深井井口溢流异常监测识别滞后及钻柱振动剧烈的问题,持续研发基于大数据分析的复杂防控技术。深入开展适用于超高温超高压环境的工具、钻井液研发,研发攻关110钢级及以上膨胀管管材、抗220℃的高密度水基钻井液、抗260℃的油基钻井液体系、抗温240℃以上的水泥浆体系、高性能固井材料以及抗高温堵漏材料。同时,应紧密结合物联网、新型通信、大数据等智能技术,实现钻井全过程运算分析及管理。

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。

深层超深层钻井液技术研究进展与展望

系统论述目前国内外深层超深层钻井液技术研究进展,分析存在的关键问题并提出未来发展方向。针对深层超深层复杂油气层钻井过程中面临的高温高压高应力、裂缝发育、井壁失稳、钻井液漏失等问题,国内外学者研发了深层超深层抗高温高盐水基钻井液技术、抗高温油基/合成基钻井液技术、储层保护钻井液技术以及钻井液防漏堵漏技术,但仍存在抗高温高压和高应力能力不足、井壁易失稳以及钻井液漏失严重等关键问题。由此提出未来深层超深层钻井液技术的发展方向:(1)抗高温高盐水基钻井液技术需致力于提升高温稳定性,改进流变性能,强化滤失量控制,提高与地层的相容性。(2)抗高温油基/合成基钻井液技术需在高温稳定剂、流型调节剂等低毒易降解的环保型添加剂和相关配套技术方面进一步攻关。(3)储层保护钻井液技术应致力于新型高性能添加剂和材料的研究,通过引入先进的传感器网络和人工智能算法,完善实时监测技术。(4)钻井液防漏堵漏技术应更加注重智能化技术的集成与应用、高性能堵漏材料的研发与应用、多元化堵漏技术与方法的探索以及环境保护与安全生产意识的提高。

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。

陇东地区深井钻井循环温度预测及应用分析

长庆油田陇东地区部分天然气井深度约为5000 m,相应的地层温度会超过130℃。然而随着该地区对深层油气、非常规油气以及页岩气等资源的不断开发,高温已成为钻井作业的重要制约因素。为了防范井下高温可能引发的工程事故,构建了一个二维钻井循环温度预测模型,对井筒温度特性进行了分析,并为钻井液和钻井工具的选择提供了理论支持。研究结果表明:1)在开始泵送循环的初期,井口温度迅速升高,井底温度迅速下降,之后的1.5 h内,井口和井底温度变化逐渐趋缓;2)在相同的井深下,随着循环时间的增加,井筒内的钻柱内钻井液温度和环空内钻井液温度逐渐下降,同时相应位置的环空内钻井液温度和钻柱内钻井液温度也下降;3)在预测的温度范围内,对该井的3种钻井液体系进行了表观黏度和塑性黏度实验,结果显示黏度的变化受温度影响较大;4)在预测的温度范围内,以三元乙橡胶为研究对象,随着老化时间的增加以及温度的升高,橡胶密封圈的厚度逐渐减小,硬度逐渐增加,压缩永久变化率也逐渐增加。该预测模型的预测结果与实际生产相符,为设计和选型提供了有价值的指导,具有重要的研究意义。

海底泥浆举升钻井系统钻遇天然气水合物时的动态风险分析

海底泥浆举升钻井(Subsea Mud Lift Drilling,SMD)系统属于双梯度钻井系统。在钻井过程中遇到天然气水合物层(Natural Gas Hydrate,NGH)时,NGH的分解和二次生成造成了重大的风险。为了预测风险事故,对环境因素和设备因素进行了分析。首先,在建立蝴蝶结模型后,利用映射算法将其转化为贝叶斯网络(Bayesian Networks,BN);其次,考虑不确定性影响,在BN中进行不确定性建模;然后,考虑设备因素的动态不确定性,通过转移概率矩阵将建立的BN转化为不确定性动态贝叶斯网络(Uncertain Dynamic Bayesian Networks,UDBN)。此外,还利用模糊理论和专家判断来量化设备故障的先验概率。结果表明,钻遇NGH层时,钻井风险概率比正常工况下有所增加。由于有天然气水合物的影响,发生风险的概率也变得具有不确定性。

精细控压钻井技术及装备研究进展

精细控压钻井技术可使复杂地层普遍存在的井涌、漏失、坍塌、卡钻等井下复杂,特别是“溢漏同存”的窄密度窗口钻井难题得到有效解决,并提高复杂地层钻井成功率,实现安全、高效、快速钻井作业。实践证明,精细控压钻井技术越来越多地体现出常规钻井技术无法比拟的技术优势。文章介绍了精细控压钻井技术及装备的发展过程,重点介绍了笔者研究团队研发的控压钻井工况模拟装置及评价方法、精细控压钻井成套装备、集“钻、录、测”于一体的控压钻井方法以及欠平衡精细控压钻井工艺技术等核心技术,分析了精细控压钻井技术现场应用效果与适用性,提出了下步发展方向。精细控压钻井技术作为一项先进钻井技术,将是未来闭环钻井技术发展的重要基础。

随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头(rotating control device,RCD),其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论,考虑管内高压和钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型,采用Newmark-β积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解,并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析,算例表明,一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa,钻井液流速为2 m/s,钻井液密度为1600 kg/m^(3)时,隔水管端部轴向位置改变量在0.5~0.6 m之间波动;当进一步考虑平台慢漂运动时,隔水管端部轴向位置改变量在0.2~0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围,从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

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。

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。

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。

调整井控压钻井专用旋转防喷器的研制

为了满足调整井控压钻井低成本推广需要,研制了一种专用旋转防喷器,其功能完善、结构紧凑,整机高度仅为840mm,满足15钻机或常规30钻机实施调整井控压钻井的需求。本文详述了该装备的组成和工作原理,介绍了该装备的技术特点,对同类设备的研发具有一定的指导意义。

人工智能技术在钻井工程的应用与发展

人工智能技术在石油工程领域的研究应用已有几十年历史,近两年来,随着人工智能技术的进一步提升,成为新一轮产业变革和科技革命的新引擎,核心驱动力趋势愈来愈明显。人工智能技术将会是油气勘探开发降本增效的有效手段,也是实现关键技术升级换代,提高竞争力的有效途径。近年来,国内外各大石油技服公司都已将人工智能应用于钻井工程领域的钻井设计、钻井参数优化、井眼轨迹控制、风险预警、钻井程序决策等领域,实现了现场部分应用,显示了较好的应用前景。人工智能技术应用将会影响各企业在新一轮竞争中是否能争取到优势地位。

钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统设计

在冻土和海洋的钻井过程中,钻井液的热流作用会扰动地层中原本稳定存在的水合物,导致水合物分解,造成地层力学性质劣化,进而引发井壁坍塌失稳。为保障钻井安全,需要针对环空内钻井液与含水合物地层之间的直接相互作用开展室内模拟研究,进而摸清水合物分解规律,揭示钻井液与含水合物地层的热流交换机理。然而,已有研究中尚未见到仅考虑钻井液与含水合物地层热流交换作用的模拟实验系统。为此,本文设计了一种仅模拟上述作用的实验系统,并使用ANSYS-workbench进行了强度校核,同时提供了对应的实验方法,为揭示钻井液与含水合物地层的热流交换机理提供实验基础。

超深井控温钻井隔热涂层参数影响机制研究

为揭示隔热涂层对超深井井筒温度场的影响规律,针对隔热涂层与钻杆的导热特点,采用传热热阻形式计算钻杆的综合传热系数,构建了考虑钻杆内隔热涂层影响的超深井井筒–地层瞬态传热模型,并采用有限差分法对模型进行离散,利用高斯–赛德尔算法进行迭代求解。通过理论分析和现场数据验证了模型的准确性。研究发现,钻杆内隔热涂层的导热系数对井底循环温度影响显著,随着导热系数减小,井筒环空温度迅速降低,出口温度升高;隔热涂层的厚度和长度对井筒温度也有重要影响,隔热涂层厚度越大,井底循环温度越低。这些发现为超深井钻井过程中井筒温度的调控和隔热钻杆参数的优选提供了重要理论依据。

水平井尾管完井与钻井一体化设计控制技术

针对水平井尾管导向钻井技术存在的钻机旋转系统负载大、地面扭矩传动效率低、使用与维护成本高等问题,提出了水平井双管柱尾管差速旋转钻进新方法,揭示了相应的技术原理,设计了双管柱差速旋转传动、复合旋转导向及悬挂器等井下专用工具,优化了相关工艺流程;提出了导向钻具组合工具面控制方法,建立了水平井双管柱尾管差速旋转钻进延伸极限计算模型。结果表明:水平井双管柱尾管差速旋转钻进技术配备常规随钻测量仪器和螺杆钻具,通过调节钻柱转速可以控制导向钻具组合的工具面,实现了水平井双管柱尾管差速旋转导向钻进;基于鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气水平井工程案例计算水平井双管柱钻进延伸极限,与常规尾管钻井方式相比,采用双管柱尾管差速旋转钻进方式显著增大了水平井延伸极限,为水平井尾管完井与钻井一体化设计控制提供了参考。

智能钻井多目标协同优化系统研究与应用

在深井超深井钻探过程中,井眼中高强度、高研磨性地层导致的钻头早期磨损、井下钻具振动剧烈、井眼清洁不足等,严重制约了深井超深井的安全快速钻进。针对上述问题,文章提出了一种智能钻井多目标协同优化系统,可以实时跟踪、优化钻井参数,提高钻井性能。同时基于机械钻速和机械比能,定义了钻井性能综合评价指标;结合地应力、钻具振动、摩阻扭矩、井眼清洁和破岩能效等地质、物理模型,提出了包含探索、学习和应用三种模式的钻井参数实时优化流程,训练了融合支持向量回归模型和随机森林回归模型的钻井参数实时优化算法。该系统在深地川科1井进行了现场应用,提速比达到了41.5%,为深井超深井钻井优化提速提供了一种新的技术手段。

智能钻井系统在赵东油田的应用

赵东油田开发后期调整井钻井施工中,需要进行三维防碰绕障,井眼轨道设计复杂,钻进过程中经常出现摩阻扭矩变化大、井眼清洁困难、井壁稳定性差、钻井液漏失等难题。针对精细化井眼轨迹控制和快速识别井下复杂状况等关键技术难点,采取以现场作业人员经验为主、智能钻井系统为辅的作业模式,通过贝克休斯智能钻井系统i-Trak™的量化分析与及时预警,提高了轨迹控制精度及井下复杂状况早发现、早调整的及时性,避免复杂工况的发生,降低非生产作业时间,缩短了建井周期。通过17口井的试验,进一步验证现场“作业人员经验+智能钻井系统”的作业模式能够很好满足安全高效钻井的需求,为海上油田开发后期复杂调整井的钻井施工提供了可借鉴经验。

普光主体南部区块海相地层安全优快钻井技术实践

针对普光主体南部区块海相地层裂缝发育、存在大段盐膏层、储层井漏风险高、钻井时效低等问题,文中通过引入科学优化钻井系统,建立区域地质模型和岩石可钻性剖面,研选高效钻头和提速工具,实时优化钻井参数;构建强封堵复合盐钻井液体系,动态精准计算钻井液井下循环当量密度,优化钻井液防漏堵漏措施;采用封隔式分级注水泥新型固井工具,形成一整套安全优快钻井技术。该技术在P3021-5井现场应用中取得了良好效果:飞仙关组单趟钻机械钻速达15.22 m/h,创工区最高纪录;盐膏层全程保持稳定,并有效预防了低压储层井漏和卡钻风险;缩短完井周期5 d。