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。

夏子街油田X50区块随钻地层边界探测工具应用

夏子街油田X50井区受构造复杂影响,水平井钻井过程中出现钻入储层上部或者下部低钻速泥岩中造成井壁不稳定、卡钻、水平段井斜调整困难、追不到目的层而导致侧钻等问题。针对存在问题,斯伦贝谢公司结合本区块地质及储层的电阻率特征,进行旋转导向配合边界探测工具的可行性研究。边界探测工具探测深度较深,是具有方向性测量的随钻电磁感应测井工具,应用实时导向软件对测量参数进行反演,估算出工具到地层边界的距离以及地层边界的延伸方向。现场实践表明,在第一口水平井SP-2井侧钻过程中,使用边界探测工具能够提前预判储层顶和底部泥岩的位置,并根据轨迹与边界的距离进行实时调整,避免钻遇泥岩,机械钻速提升近两倍,储层钻遇率达100%,减少了循环和决策时间,提高了钻井效率。SP-2井侧钻成功为后期新区开发提供了技术保障,也为实现工程地质一体化奠定了基础。

推靠式旋转导向系统钻具组合力学性能分析

针对基于动力学特性的旋转导向钻具安全性能研究较少。为此,综合考虑钻具结构、钻井参数、钻柱与井壁接触等参数,基于Lagrange方程建立了全井钻柱系统动力学模型,采用有限单元法对模型离散,并采用Newmark-β求解,根据旋转导向钻具结构和钻具属性,研究了扶正器安装位置、柔性节尺寸、钻压影响因素下的旋转导向钻具组合动力学特性和安全性能。研究结果显示:安装扶正器能显著降低旋转导向钻具组合的横向振动;柔性节的长度对旋转导向钻具组合的安全性能影响很大,合理的长度能显著降低横向振动,反之则会起到相反的效果;增加钻压会增加底部钻具组合的横向位移,工程上不建议在使用旋转导向工具时采用高钻压提高钻井速度。研究结论可为旋转导向工具研究和应用提供理论支撑。

底部钻具组合力学性能分析及优化

深井段复杂地层倾角大,井斜控制难度大,严重影响了安全钻进。为准确控制井眼轨迹,提高钻具的造斜能力,采用纵横弯曲梁法建立力学计算模型,分析井眼曲率、地层倾角、各跨长度和外径、柔性短节、稳定器外径、翼肋推力、钻压和井斜角等因素对多种底部钻具组合力学性能的影响,优化底部钻具组合。研究结果表明:弯螺杆相比于直螺杆有更好的防斜纠斜能力,更适合在深部造斜力强的地层使用;当方位角在25°与205°时地层侧向力最小;定向井段井眼曲率对2种螺杆钻具组合的导向力影响最大,井斜角次之,钻压影响较小;翼肋推力对弯螺杆推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)的造斜力和造斜性能影响最为显著,钻压次之,井斜角的影响较小。研究结果可为复杂地层井斜规律的研究和控制提供参考依据,钻井工具的合理组合及优化对减少井斜问题、顺利完钻起着重要作用。

应用AMESim双转向器全液压转向系统特性分析

为全液压转向系统设置双转向器可以解决大排量需求的问题,但此种布置会影响系统的动态响应特性,因此分析系统的可行性。根据某自卸车全液压转向系统的结构特点,对单转向器系统的关键参数进行分析和设计,获取各参数的数值;根据车辆转向参数的需求,对转向系统的压力损失和温升进行校核,以验证系统可否满足需求;根据前述分析,采用AMESim搭建分析模型,通过转角输入验证模型准确性,并验证负载、输入变化对系统特性的影响;基于转向系统试验台,通过输出特性分析,对前述设计和分析模型进行验证。结果可知:双转向器系统压力损失满足要求,最高温升控制在56.8℃,控制在系统要求的范围内;影响双转向器系统输出特性和油液流量的因素主要是方向盘转速和系统负载,其他因素基本无影响,仅对系统的响应时间产生影响;试验测试平台获取的角速度阶跃输入下的,转向器输出口压力、流量放大器输出口流量与仿真分析结果误差控制在5%以内,表明分析模型和结果的可靠性,为此类分析设计提供参考。

基于曲线拟合的液压动力转向器转阀棱边坡口设计方法研究

转阀棱边坡口结构对液压动力转向器的助力特性影响非常大,但对于棱边坡口结构的设计方法研究较少。根据转阀的结构和工作原理,建立液压动力转向器的转阀阀口过流面积数学模型和AMESim仿真模型,通过与试验结果进行对比,验证了模型的可靠性;依据新型产品的助力特性设计目标,提出一种基于曲线拟合的棱边坡口设计方法,依据助力特性的设计目标,利用MATLAB软件求解了棱边坡口曲线解析式中的参数。仿真结果表明:所设计的棱边坡口结构能够满足设计要求,验证了设计方法的有效性,为液压动力转向器优化设计提供了参考。

旋转导向钻井系统及其控制方法研究进展

旋转导向钻井技术是一种新型的井身结构,可用于完井作业和水平井、大斜度井,实现井下导向和定向功能。旋转导向系统是旋转导向钻井技术的核心,其控制技术的发展直接关系到整个钻井工程的成败。介绍了旋转导向钻井系统的基本结构、工作原理,详细分析了基于不同类型控制方法的控制系统控制策略研究进展,并指出旋转导向钻井系统控制技术实际应用中存在的问题和不足,提出了未来我国旋转导向技术发展方向:完善现有的推靠式和指向式系统,开展混合式旋转导向系统地面监控,构建双向通讯、随钻测量子系统等。

随钻测控技术现状及发展趋势

随钻测控技术是随钻测量、随钻测井和随钻控制的统称,是当今石油工程高端技术的代表,也是自动化智能化钻井的核心。随钻测控技术的发展为油气勘探开发提供了重要利器,大幅提高了作业效率,降低了作业成本和油气综合开发成本。全面梳理了斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿等国际大型油服公司随钻测控技术的发展现状,分析了油气勘探开发对随钻测控技术的需求,厘清了随钻测控技术的发展方向,提出了中国随钻测控技术的发展建议,凝炼了随钻测控技术的发展重点,以期推进我国随钻测控技术的快速发展,提升随钻测控技术水平。

CG STEER旋转导向在长庆页岩油H100平台的应用

随着勘探开发的进一步发展,井数越来越多的大井丛平台已经成为页岩油开发的新模式,给钻井施工及后续作业提出了较高的要求与挑战。特别是在钻井施工中,大偏移距、长裸眼段、长水平段、高摩阻高扭矩等一系列问题,是钻井施工必须面对、且需要立即解决的技术问题,尤其是平台边缘井更为突出。文章根据旋转导向工具特点及平台地质条件、地质靶体要求,优化了井身剖面,优选了配套钻具组合、钻头、钻井液及钻井参数等,并在H100平台得到了成功应用,形成了一套页岩油大井丛平台集“剖面+工艺+工具+钻井液”于一体的旋转导向工具工艺技术,成功解决大偏移距井钻井过程中长裸眼段存在的高摩阻高扭矩等问题,为后期大井丛平台式开发提供技术支撑。

智能导钻技术体系与相关理论研发进展

为满足国家高效低成本开发深层/超深层(埋深4500~9000 m)油气资源的战略需求,亟待发展适合我国地质禀赋的深层/超深层石油地质理论,创新支撑深层/超深层油气勘探开发的智能导钻技术体系.依托中国科学院A类战略性先导科技专项“智能导钻技术装备体系与相关理论研究”(简称智能导钻系统),面向深层/超深层系统性开展了油气成藏理论、旋转导向和地质导向钻进技术、远程决策系统和装备试验平台研究.深层/超深层特有的高温、高压环境和水的加氢作用能显著提高油气资源潜力,多类型优质规模储集体形成的主控因素为“先天基础、后期改造、深埋保持”,多期成藏改造过程控制了深层/超深层油气藏类型和分布的差异性.围绕智能导钻技术体系的旋转导向(钻)、地质导向(测)、高速传输(传)、地面控制(控)四大子系统,突破了旋转导向高精度动态测量与控制、非接触高效电能与信号传输,随钻方位电磁波测井全对称抗干扰天线系、高温高压仪器设计与封装,井地数据传输非线性流体负载高精度伺服控制、强畸变信道微弱信号提取等关键技术.研制了旋转导向、地质导向、井地传输等10余支井下仪器,实现了“钻-测-传-控”一体化智能导钻系统的集成总装.目前正在开展系统实钻联调测试,力图研发“理论研究-技术研发-装备研制-生产应用”全链条自主知识产权的智能导钻装备,为保障国家能源安全提供理论与技术体系的支撑.

旋转导向系统及其控制方法研究进展

旋转导向系统是定向钻井技术中一颗璀璨的明珠,是实现油气资源低成本、高效开发的重要技术手段。首先阐述了旋转导向系统的基本结构,根据不同的导向方式和偏置效果可分为静态推靠式、动态推靠式、静态指向式、动态指向式、混合式五大类,并逐一分析其定向原理;其次根据国内外旋转导向系统技术研究及应用情况,系统分析了推靠式、指向式、混合式的发展现状,归纳分析了不同技术的优缺点;同时从现代控制、智能控制、复合控制3个方向梳理总结了旋转导向控制系统控制策略的基本情况进展;最后,讨论了我国未来旋转导向技术的发展方向和控制系统设计所面临的难点问题以及解决思路。指出:(1)我国应该完善现有的推靠式和指向式系统,提升系统造斜率、稳定性、自动化和智能化程度,开展导向技术、双向通信、井下闭环控制等配套技术的研究,进一步提升系统的工业化应用能力。(2)开展混合式旋转导向系统地面监控、双向通讯、随钻测量和井底钻具组合四大子系统的理论研究。(3)针对钻井环境多样化、控制能力精细化和控制需求智能化等诸多挑战,提出今后控制技术研究应重点关注3个方向:多种控制方法的综合应用、对复杂环境和未知挑战的自适应容错能力、基于智能技术的决策/控制一体化。本研究为我国未来旋转导向系统的研制和完善提供有益的参考;对控制系统而言则在多种控制方法综合发展基础上结合人工智能技术,形成一套能够有效应对未来挑战的控制策略。

船舶转叶式舵机故障诊断系统

船舶转叶式舵机转叶外端的密封件与缸体内壁长期处于高压紧密贴合状态,叶片密封件产生异常磨损,导致密封失效和舵机功能丧失,感知转叶式舵机密封件的工作状态和对其进行故障诊断极其重要。本文提出基于C#和Matlab的混合编程方法,以提高船舶转叶式舵机密封件故障诊断的准确性和效率。首先采用Matlab对转叶式舵机密封件的振动和摩擦系数信号进行特征提取;然后采用训练后的BP神经网络进行故障诊断,采用C#和Matlab混合编程的方法设计船舶转叶式舵机故障诊断系统。最后,通过案例来验证系统的可行性。结果表明,该系统能够准确识别转叶式舵机密封件的磨损状态,为保障船舶转叶式舵机可靠性运行提供了技术支撑。

旋转导向系统中非接触电能与信号一体化传输技术

旋转导向系统可有效提高钻井速度、安全性和井眼轨迹控制精度,是油气行业尤其是复杂环境下油气勘探开发的核心设备之一.非接触电能和信号传输单元是旋转导向系统中将电能和信号从旋转主轴传输至非旋转外套的重要单元.为了保证高温下大负载时电压输出的稳定性以及信号同步传输的可靠性,本文提出一种载波调制式电能与信号一体化的传输方法,在信号并联注入并联拾取的同步传输拓扑结构基础上,增加隔离电感与谐振电容,对新的拓扑结构进行数学建模,对电压增益、电流增益以及效率进行仿真,并通过仿真结果选择最优电路参数.实验验证该电路拓扑和传输方法在175℃环境温度下带载可到150 W,在150 W动态带载下输出电压的变化幅值小于输入电压的8%、传输速率115200 bps(bit per second,比特率)且误码率低于百万分之一.

胜利油田页岩油丛式井提速提效钻井技术

胜利油田济阳坳陷页岩油储层属陆相断陷盆地,发育多套优质烃源岩,具有极大开发前景,但该类油藏钻井地质环境复杂,面临井壁稳定性差和钻头选型难度大等技术难题。为此,进行了井组整体设计优化、井眼轨道优化及控制技术、钻具结构优化及钻具优选、提速配套技术与精细控压钻井技术研究,形成了页岩油丛式井提速提效钻井技术。目前试验井组已完钻12口井,其中牛页XX井钻井周期53 d,试验井二开平均机械钻速达22.3 m/h,比前期试验井提高47.3%;三开采用“NOV钻头+旋转导向+导向马达+水力振荡器”钻具组合,机械钻速达13.04 m/h;水平段中后期采用“抗高温动力钻具+双水力振荡器”钻具组合,油气层穿透率高。结合实钻数据分析,提出了页岩油丛式井钻井提速提效建议和下步重点研究方向。

旋转导向近钻头方位伽马测量仪研制与应用

随着我国部分海上油田进入开发中后期,实现对薄油层、断块油层的高效开发是稳产增产的重要措施,但薄油层、断块油层的开发对钻井轨迹控制精度要求高,施工难度大。针对此难题研制了旋转导向近钻头方位伽马测量仪,该仪器可测量井周不同扇区方向的伽马射线强度值,且伽马测点距离钻头仅有4.069 m,比常规随钻伽马电阻率测井仪距离钻头缩短将近10m,同时可借助旋转导向优秀的轨迹控制能力及时回调,确保轨迹在储层内穿行,以增大泄油面积,提高采收率。为了提高仪器测量精度,编制伽马刻度方法,并开发伽马刻度专用软件,实现“一键化”刻度,提升了工作效率。现场应用表明,旋转导向近钻头方位伽马测量仪可准确识别地层变化信息,为轨迹及时调整提供依据。

指向式旋转导向工具面角度精确控制与优化

指向式旋转导向工具关键性功能是实现快速、平稳地调整钻井工具面,并在存在外部干扰的情况下维持工具面角度精确控制。为了实现指向式旋转导向系统对钻头工具面的调整,对该系统偏置机构内外偏心环的旋转角度与钻头偏转角、工具面角的关系进行了理论公式的推导,得出在确定钻头偏转角和工具面角后,内外偏心环运动轨迹的求解公式,利用软件对运动轨迹公式编程,以求解内外偏心环的运动轨迹以及对运动轨迹进行优选,以快速实现调整目标工具面的运动轨迹,缩短内外偏心环的调整时间,提高系统工作效率;使用三维建模软件Creo建立指向式旋转导向工具的几何模型,并将其导入到ADAMS软件中进行运动轨迹的仿真,仿真结果与理论值误差小于2%,验证了推导的内外偏心环运动轨迹方程的可行性与运动轨迹优选程序的实用性。研究结果可为通过工具面对钻头精确控制提供一定的指导。

智能旋转导向工具iCruise在海上油田中的应用

定向井工具从最初的液力马达到推靠式旋转导向,是钻井工程划时代的进步,其集电液信号控制、工程力学和材料学为一体;当前旋转导向主流产品有斯伦贝谢的PowerDrive、哈里伯顿的Geo-Pilot以及贝克休斯的AutoTrak。从导向模式上主要分为推靠式和指向式,二者在造斜能力、提高机械钻速、携带井眼岩屑和收发指令方面各有利弊。随着大数据、云计算和互联网的高速发展,哈里伯顿公司通过高精度控制单元将AI技术和旋转导向系统完美结合,开发出第1代智能旋转导向iCruise,该系统将实体工具和控制软件相结合,不仅将造斜率提高至16°/30 m,还可实现全井段造斜自动巡航纠正模式,并可实现现场与全球连线实时决策。未来该系统将根据实际需求和AI技术的进步不断完善,开发出更加人性化、智能化的产品。

大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验

为使在宽钻井液排量变化范围内随钻涡轮发电机输出电压得到补偿和稳定,通过建立随钻涡轮发电机及励磁控制Simulink模型,研究涡轮转速、负载变化及工具行为对发电机输出电压、输出功率和励磁控制的影响。仿真和试验结果表明:当励磁电流为0时,输出电压的范围满足旋转导向工具正常运行的需求,在额定转速范围内,发电机的输出功率达到4 kW;励磁控制系统模型和控制电路的调节性能基本一致,升降压励磁电流达到预期设计指标要求;当随钻涡轮发电机励磁控制系统在升压增磁状态和降压弱磁状态工作时,电压调整率为-19%~20%。所得结论可为旋转导向工具的水力循环测试、实际钻井作业和车间维保等提供数据支持。

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。

2022年探矿工程十大新闻

1习近平回信勉励山东省地矿局第六地质大队全体地质工作者在找矿突破战略行动中发挥更大作用奋力书写“英雄地质队”新篇章中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平2022年10月2日给山东省地矿局第六地质大队全体地质工作者回信,对他们弘扬优良传统、做好矿产勘查工作提出殷切期望。习近平在回信中表示,建队以来,你们一代代队员跋山涉水,风餐露宿,攻坚克难,取得了丰硕的找矿成果,展现了我国地质工作者的使命担当。