Development and Achievements of Drilling Techniques in Sichuan Oil Province

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Wellbore Engineering Technologies for Ultra-deep Oil and Gas Exploration：Challenges and Trend

Ultra-deep formations hold abundant oil and gas resources.As the demand for oil and gas increases with economic development,more and more efforts are putting into the exploration and development of oil and gas reservoirs in deep formations around the world.In China,the exploration and development of deep oil and gas are pacing up,especially in ultra-deep formations in the Sichuan Basin,Tarim Basin and Ordos Basin.The reservoirs in these basins feature extremely large depth(over 7000 m),super high temperature(150°C-210°C),super high pressure(over 150 MPa),high acid gas content(H_2S and CO_2),strong heterogeneity,and multiple pressure systems,which pose a series of challenges to wellbore engineering technologies including drilling,drilling fluid,cementing,logging,and completion testing.Therefore,it is necessary to delve into core drilling and testing technologies for deep formations.

深层、超深层定向钻井中若干基础研究进展与展望

深层、超深层定向钻井具有“垂深大与水平延伸远”的双重特征,受到复杂地层、高温高压、超长裸眼等多重因素约束,其安全高效作业面临着更大的全方位技术挑战。为此,着眼于深层、超深层定向钻井的提速提效问题,系统总结了定向钻井的发展概况与技术特点,选取了深层、超深层定向钻井中力学方面的几个重要基础问题,分析了国内外专家学者的相关研究进展和最新研究成果,最后展望了深层、超深层定向钻井基础理论研究发展趋势并提出相关建议。研究结果表明:①大小偏差融合控制算法兼顾了井眼轨迹的控制精度、光滑度等多目标约束,适应于深层、超深层条件下井眼轨迹实时控制要求;②合理优化振动减阻工具个数、安放位置及其激励力幅值,可显著降低井下管柱摩阻,并有效提高机械钻速;③基于误差补偿机制的机械钻速融合预测模型既保留了机理模型的可解释性,又具有较高的预测精度;④套管复合磨损预测模型突破了经典“单月牙”模式的局限性,实现了复合模式下套管磨损形状与深度的同步预测。结论认为,深层、超深层定向井和水平井是未来油气井工程的重要发展方向之一,需要加强多因素耦合机理、钻井延伸极限、机理与数据融合驱动等方面的基础研究,以推动复杂油气井工程基础理论的创新与发展,为深层、超深层钻井工程技术进步提供必要的基础理论支撑。

深层水泥搅拌法加固软基模型试验研究

为确定水下深层水泥搅拌各种施工参数,现场试桩需花费较多的时间和成本。依托中交集团DCM(Deep Cement Mixing)法加固软基课题,研发了DCM模型试验装置,开展了DCM加固软基叶片改造、土层识别和成桩强度物理模型试验。结果表明:增加自由叶片后可有效防止水泥搅拌桩在黏土中糊钻问题。不同土层界面处扭矩会发生突变,通过不同深度处扭矩的变化可以感知不同土层。相同水泥掺量前提下不同土样水泥搅拌桩14,28,60,90 d无侧限抗压强度(UCS)规律为淤泥质土<黏土<砂土,在砂土中水泥土强度较大且增长速度较快,砂层中可以适当减少水泥喷浆量。模型试验研究成果,可对深层水泥搅拌桩施工提供参考。

硬质合金在井下工具中的应用与关键技术分析

硬质合金作为一种常用的高硬度材料,具有良好的耐温性与耐磨性,在井下工具中的应用非常广泛,具有良好的发展前景。文章在阐述当前硬质合金主要类别和研究现状的基础上,调研分析了硬质合金材料在井下工具常见零部件中的应用现状,重点分析了目前钻探行业对硬质合金材料的性能需求,提出了在地球深部高温钻探领域,井下工具所用硬质合金材料的关键技术,为硬质合金材料在钻探行业的应用与发展提供参考。

抗高温低密度水泥浆体系研究与应用

为解决低密度水泥浆高温强度低、减轻材料承压能力不高、低密度水泥浆配浆困难等难题,研制了低密度增强材料DRA-2S、优选了耐压105 MPa的高性能空心玻璃微珠、聚羧酸分散剂DRS-2S及其他配套抗高温水泥外加剂,开发了抗高温低密度固井水泥浆体系。研究结果表明,该水泥浆能够满足循环温度150℃、井底静止温度180℃、耐压105 MPa的固井要求,顶部127℃静胶凝13.3 h起强度,24 h抗压强度12.4 MPa。开发的抗高温低密度水泥浆在西南油气田高温探井ZJ2井Ф127 mm尾管固井成功应用,固井质量合格率96.7%,为西南油气田高温易漏失复杂深井勘探开发提供了固井技术支撑。

超深定向井地质工程力学耦合机理研究进展与认识

超深定向井是开发深层、超深层油气的重要手段,但深部地层在地形地貌、地层岩性、压力系统、储层流体和工程力学特征等方面存在的复杂性,使超深定向井钻完井工程面临着巨大的挑战。因此,开展超深定向井地质工程力学耦合机理研究对于高效开发深层、超深层油气具有重要意义。从超深复杂构造条件下的三维地质建模、地层岩石力学和地应力的评估、超深复杂岩性多成因地层压力预测以及超深定向井地层-钻头-钻柱耦合力学计算4个方面对超深定向井地质工程力学耦合机理研究进行了梳理总结,分析认为:由于深层地质力学具有抽象性和较强的各向异性,导致了目前地质力学成果很难实际应用在超深定向井钻井中。对此,需要深入开展微观-介观-宏观多尺度耦合研究,充分利用人工智能及大数据进行三维地质建模;通过岩石力学和大数据等手段,创新融合理论与新技术,综合实验测试与现场数据,建立地应力预测的新方法;深入开展随钻测量技术研究,建立地层孔隙压力预测及监测数据平台;基于地质资料及人工智能平台,优选钻井参数、钻具组合,建立超深定向井钻柱-钻头-岩石系统动力学模型,为中国安全高效开展深层、超深层定向井钻井提供理论支撑与技术指导。

特深科学钻探装备技术现状与发展建议

特深科学钻探是直接获取地球深部信息的唯一技术手段,对于深入理解地球内部结构、探索地下资源具有重要意义,已上升为国家战略科技问题。为响应党中央“向地球深部进军”的号召,需大力推进对特深科学钻探装备技术的研发。本文简要回顾了国内外特深科学钻探装备技术发展历程,结合我国发展需求,梳理总结了特深科学钻探中顶驱、绞车、钻井泵等关键装备面临的技术难题,并在此基础上提出了发展方向及展望,为我国特深科学钻探工程发展提供参考。

2023年探矿工程十大新闻

1我国第一口万米深地科探井开钻2023年5月30日,我国第一口万米科探井——深地塔科1井在新疆塔里木盆地开钻。这标志着我国向地球深部探测技术系列取得新的重大突破,钻探能力开启“万米时代”,将为我国未来的科学研究和油气资源开发提供重要的基础和支持。

香炉山隧洞不良地质段“L”型地面超前注浆方案研究

为解决隧道(洞)建设过程中不良地质段突泥涌水和软岩大变形等问题,依托滇中引水工程香炉山隧洞,提出一种采用全孔长度超过500 m的地面“L”型定向钻孔注浆并辅以洞内超前注浆的加固方法,在实际工程中确定这一方法的具体设计方案。首先,通过现场地质调查与分析,揭示不良地质区段香炉山隧洞建设的技术难点;其次,介绍“L”型定向钻孔注浆的施工过程及注浆工艺;然后,设计出一种能够提高地层稳定性的“L”型地面超前注浆方案,并对地层进行加固;最后,采用掌子面揭示、注浆技术以及大地电磁检测等手段证明现场注浆效果。研究结果表明:1)“Z1+Z2+Z4”钻场设计为最优地面超前注浆技术方案;2)“L”型定向钻孔注浆辅以洞内超前注浆技术可满足盲区注浆区域覆盖问题,实现真正意义上的超前治理。

上软下硬地层近距离下穿既有盾构区间注浆加固关键技术

依托广州某新建大直径盾构隧道下穿既有盾构区间项目,研究了在富水花岗岩地层中复杂周边环境条件下的地层加固技术以及下穿过程中的关键施工措施。结合施工条件,对新建盾构区间采取水平定向钻注浆、先行洞预留注浆孔注浆、盾构机超前注浆结合的主动注浆方式;对既有线进行预注浆加固的被动注浆方式。施工过程中,采用控制掘进参数、渣土改良、同步克泥效等控制手段,保证了盾构下穿过程的顺利进行。

墨西哥湾万米级特深井钻完井实践与启示

目前,我国陆上钻井能力已达9000 m水平,且随着深地塔科1井钻深突破万米,成为全球第二个实现陆上万米钻探的国家,初步具备万米深地油气资源勘探开发能力。但是,目前我国仅完钻5口井深超过9000 m的特深井,万米深地钻完井技术仍处于起步与探索阶段。美国墨西哥湾是世界上超深特深井数量最多的地区,并在钻井−完井−开发一体化设计理念、井身结构优化与拓展、关键装备与工具仪器、强化钻井参数提速和井下事故复杂防控等方面已形成先进理念与成熟做法。为此,系统总结分析了美国墨西哥湾万米级特深井钻井周期、钻完井成本、原油产量、钻完井方案、成熟应用装备、工艺技术等,认为我国在地质条件、地层可钻性等方面存在差异,万米级特深井的数量、钻井周期及机械钻速与美国墨西哥湾相比仍存在一定差距。结合我国万米深地油气资源钻探面临的工程难题与挑战,提出了万米深地钻探工程技术及装备发展方向及建议,为实现我国万米深地油气资源勘探开发,推动钻完井关键技术装备迭代升级提供参考借鉴。

北京地区三轴搅拌桩在深部富水卵石中应用研究

以北京市某超深基坑工程采用的三轴水泥土搅拌桩隔水帷幕为例,通过钻孔取芯、室内试验、物探检测、水文试验及开挖验证等工作,综合评价三轴水泥土搅拌桩在深部饱和卵石层的施工质量以及应用效果,可供类似工程借鉴。

钻灌技术在水库灌洞中的应用及稳定性分析

已建水库坝下灌溉涵管在多年服役下,管身与坝体结合不良,严重威胁土坝使用安全。为了确保居民生命财产以及用水、供电、防洪安全,本次施工将坝下灌溉涵管封堵,并采用非开挖式定向钻进技术新开灌洞。结果显示,采用D219非开挖式定向钻一次钻隧成功,降低了施工成本,减少了施工工序;钻进液压力2.8MPa,钻孔埋深取值200m,满足孔壁稳定性要求,保障了该地区农田的灌溉需求。

水泥土三维搅拌桩加固深厚淤土堤基强度指标变化规律探讨

针对深厚淤土堤基中常规水泥土搅拌桩搅拌不充分、混合不均匀等问题,研发了一种三维搅拌钻头,开展三维水泥土搅拌桩成桩工艺现场试验,通过桩身芯样无侧限抗压强度及直接剪切试验得出桩体强度指标;并与传统搅拌桩强度指标变化进行对比分析,研究其变化规律。结果表明:三维搅拌桩不同深度的无侧限抗压强度、直剪强度等指标优于常规水泥土搅拌。同时,根据对比分析,桩体芯样的内黏聚力随无侧限抗压强度的增加而增加,二者整体呈线性关系。

福州某钉形双向搅拌桩工程检测方法研究及应用

针对福建省工程地质条件差异极大的特点,如沿海深厚软土地区、滨海腐蚀环境、山区地基与岩溶地质并存等情况,且受到技术水平限制的原因,各检测标准提出的原位测试检测方法还不够全面。鉴于此,本文结合工程特点对钉形双向搅拌桩检测方法进行研究,提出采用重型动力触探试验结合钻芯法试验的方式评价桩身均匀性,为今后类似工程提供一定的参考。

聚阴离子纤维素对川渝地区固井用水泥浆性能的影响研究

针对目前钻井液与水泥浆接触污染机理不完全明确和耐高温隔离液体系有待完善的问题,为考察接触污染机理,研究了钻井液处理剂聚阴离子纤维素(PAC)对水泥浆结构和性能的影响。研究结果表明,随着PAC加量的增加,水泥浆的流变性变差,水泥浆固化体的抗压强度降低。PAC可与Al^(3+)和Ca^(2+)等金属离子发生化学反应,交联形成网络结构吸附在水泥颗粒表面,阻止了未水化水泥颗粒与水接触发生水化反应,降低了水化速率。相互交联的PAC网状薄膜结构利用分子间作用力将水泥浆存在的自由水束缚在网状结构内部,水泥浆中的自由水含量降低,影响了水泥浆流变性能。PAC等聚合物类处理剂的上述作用可能是造成钻井液与水泥浆接触污染的主要原因。该研究可为川渝地区高效隔离液选材提供理论指导。

水平定向钻探与综合测试技术研究及应用

西部重大工程建设勘查面临“地形险峻、陡倾构造、生态脆弱”等恶劣的环境条件,采用竖向钻探无法实施,采集的地质信息不全,水平定向钻探和综合测试技术是解决重大工程长大深埋隧道勘察难题的关键技术。但超长水平绳索取心钻进存在陡倾构造地层多变轨迹控制难、高寒缺氧地层破碎钻机动力不足及生态环境保护要求高等问题。本文介绍了系列化水平定向取心钻探装备、多参数全方位无缆测井系统和水平绳索随钻轨迹控制等技术装备的研发进展,以及成功在川藏铁路及引大济岷工程中的应用,在西部高原地区起到示范与推广作用。

定向双齿结构对PDC钻头破岩效率及侧向力的影响

针对钻头在软硬夹层中钻进时,由于PDC钻头破岩效率低以及侧向力激增引发钻柱横向振动和涡动,导致钻头过早失效的问题,设计了一种具有定向双齿结构的PDC钻头,并通过双齿切削有限元模拟,研究了不同布齿参数的定向双齿结构对破岩效率和局部侧向力平衡的影响。结果表明:定向双齿结构能够有效提高破岩效率,双齿间距对机械比功的影响较小,相比单齿切削机械比功减小约5.60%~6.50%;双齿夹角能够显著影响机械比功,当双齿夹角为160°时,相比单齿切削,机械比功减小约96.36%~113.82%;相同侧转角情况下,双齿夹角布齿的侧向力比单齿切削减小约33.40%~74.20%,能够有效提高钻头在过渡地层和定向钻井时的局部侧向力平衡,从而提高钻头整体力平衡效果。该研究可为PDC钻头布齿优化设计提供参考和依据。

中国石化深层超深层油气井固井技术新进展与发展建议

我国深层超深层油气井固井面临高温、高压、复杂介质和复杂工况等的挑战,水泥环长效密封完整性难以保证,常规固井技术与装置不能满足需求,亟需理论创新和研究井筒完整性固井新技术。近年来,中国石化通过科研攻关,完善了固井水泥环密封完整性理论体系,建立了复杂工况条件下的水泥环密封失效控制方法,研发了“防窜、防腐、防漏、防损伤”高性能水泥浆,研制了适用于深层复杂工况环境的固井尾管悬挂器、分级注水泥器及配套附件,提出了固井优化设计新方法,形成了深层复杂油气藏固井新技术。建议今后进一步完善特色水泥浆技术体系,研发绿色、智能环保材料,攻关固井技术信息化与智能化,持续推进基础理论研究,提高深层超深层复杂油气井固井质量。