Technical Challenges and Countermeasures for Deep Shale Gas Drilling by SINOPEC

Deep shale gas reservoirs being developed by SINOPEC are characterized by significant buried depths, high rock strengths, high temperatures and pressures, multiple layers, low ROPs, prolonged drilling time and prohibitoryhigh costs. All of these factors may negatively affect the economic and effective development of shale gas. Under such circumstances, existing drilling techniques for deep shale gas around the world have been reviewed to highlight technical challenges in deep shale gas drilling in China. With consideration to the previous drilling operations of SINOPEC for deep shale gas, technical solutions for deep shale gas drilling have been proposed with regard to the optimization of casing programs, enhanced drilling, trajectory control, high-density oil-based drilling fluid, cementation for deep shale gas development and other aspects. Some of these research findings have been deployed with great successes in Pingqiao, Jiangdong Block in the 2nd Phase of Fuling Project, Dingshan Block and other blocks with deep shale gas development. Among them, Well JY-74-2HF has had a drilling time of only 54.25d, whereas Well JY-187-2HF has a TVD up to 4024.14m. Relevant research results may provide valuable guidance and references for the optimization of drilling programs andthe enhancement ofdrilling ef^ciency for deep shale gas development.

H24-16柔性多分支侧钻水平井钻井实践与认识

江苏油田H24-16井存在砂体能量弱、储层薄、渗透率低及注水不见效等问题。柔性多分支侧钻水平井技术将开窗、造斜、钻进所有进尺全部集中在目标储层,可以实现分支长度与储层接触面积最大化。为挖掘该井薄差层剩余油,研制了柔性钻具、叠加式斜向器及专用打捞矛,设计了分支井眼轨道,辅以井眼轨迹控制,完成了H24-16井的柔性多分支侧钻水平井钻进。首次成功实现了江苏油田在同一油层钻出2个分支水平井眼,为高效侧钻挖潜剩余油积累了宝贵经验,具有较大的推广应用价值。

水平定向穿越钻施工过程中的控向技术

在水平定向钻穿越施工过程中,以控向技术质量作为切入点,通过质量控制发现问题、分析问题、解决问题。通过工程案例对解决问题的质量控制措施进行相应的分析与论证,提出了3个关键难点。这为以后的控向穿越施工中遇到的问题,提供了具体的意见和建议。

长庆致密油三维水平井钻井技术研究与应用

长庆油田致密油资源丰富,是上产稳产5 000×10~4t战略目标的重要资源基础。由于开发区主要分布在梁峁交错的黄土塬区,受地貌条件与开发要求的限制,需要开展带有较大偏移距的三维水平井钻井。三维水平井轨迹控制困难、泥岩坍塌、摩阻扭矩突增等瓶颈难题严重制约了水平井的规模推广。为解决大偏移距三维水平井施工难题,形成高效开发致密油藏的主体钻井技术,开展了三维井井身剖面优化、轨迹控制攻关、钻井液体系研究,形成了致密油藏三维水平井钻井技术。并在YAP-5H井进行了先导性试验,钻井过程中未出现泥岩坍塌、摩阻扭矩正常、井眼轨迹平滑,完钻水平段长1 535 m,试油产量119.7 m^3/d。该井的顺利实施,首次实现了致密油水平井由二维向大偏移距三维钻井的技术创新与突破,为长庆油田水平井开发方式的转变和实现致密油经济有效开发打下基础。

基于约束优化方法的三维多靶井眼轨迹设计模型

拓广了平面靶和三维靶的定义,建立了多靶三维井眼轨迹的坐标增量方程组,提出了基于约束优化方法的三维井眼轨迹设计新模型。该模型可用于解决多靶情形的三维定向井、水平井的井眼轨迹优化设计问题,优化参数不仅可以包含井深、井斜角、井斜方位角、井段曲率等井眼轨迹参数,还可以包含曲线井段的曲线类型,从而使优化设计结果更好,更适应复杂情况的设计问题。

一种测斜计算新方法——自然参数法

在线性井斜函数的假设条件下，推导出了测段内坐标增量的计算公式，提出了计算井眼轨迹的自然参数法。该方法的描述模型比较合理，具有计算公式简单、计算稳定性好、对井眼轨迹的插值计算容易实现等特点，便于现场应用。经两种典型理论曲线的验证表明：自然参数法优于目前普遍采用的圆柱螺线法和最小曲率法等测斜计算方法，并且对于转盘钻进井段和导向钻具定向钻进井段都可以得到较好的计算结果。

给定井眼方向的修正轨道设计方法

在定向钻进过程中 ,井眼方向及其变化规律是井眼轨道监测与控制的关键参数。修正轨道设计作为井眼轨道监控的重要组成部分 ,对修正设计目标点的井眼方向往往有一定的要求。根据定向钻井工艺技术的特点 ,本文构造出了具有两个圆弧段和一个直线段的三段式剖面 ,从而解决了给定井眼方向条件下的修正轨道设计问题 ,为井眼轨道的有效监控奠定了基础。本文的设计方法避开了求解约束方程组 ,使得求解过程是一致收敛的 ,并且所有计算公式在理论上都是精确解 ,因此其普适性、精确性、稳定性和收敛性得到了保证 ,可广泛应用于定向井、水平井、大位移井、多目标井的修正轨道设计。

井眼轨道设计的广义方程及其应用

针对井眼轨道设计的内容、形式以及设计方法的多样性问题，提出了井眼轨道设计的广义方程．该方程与井眼轨道的具体描述模型无关，适用于定向井和水平井的二维和三维剖面设计．待钻井眼设计采用“空间圆弧段－稳斜井段”模型；绕障井段设计是将障碍物抽象为铅直圆柱；对于三维漂移轨道设计，除考虑最大井斜角和第一稳斜段外，还要确定初始方位角．通过对待钻井眼设计、绕障定向井设计和方位漂移轨道设计的分析。

三维水平井YP-3X井钻井难点与对策

鄂尔多斯盆地致密油资源丰富、分布广泛,是长庆油田建设西部大庆战略目标的重要接替区。但其岩性致密、渗透率低、储层物性差,且主要分布于井场受限的沟壑地带,目前应用较为广泛的水平井钻井技术难以实现经济有效开发。国内外油气田开发实践表明,丛式水平井能够大幅缩减投资成本,提高油田经济效益。为探索丛式水平井开发模式,形成鄂尔多斯盆地致密油藏钻井核心技术,针对三维水平井轨迹控制、泥岩失稳垮塌、管串下入摩阻大等难题开展攻关与实践,并在YP-3X井进行了先导性试验。YP-3X井系阳字水平井组一口偏移距超过300m、水平段超过1500m的三维水平井,该井的成功实施突破了丛式水平井瓶颈技术难题,形成了以井身结构优化、剖面轨迹控制、泥页岩防塌等技术集成配套的三维水平井钻井技术,为长庆油田规模开发致密油藏奠定了一定的技术基础。

水平定向钻的轨迹自动纠偏方法

针对水平定向钻轨迹偏差校正问题,提出轨迹自动纠偏的算法。构建控制系统,提出可行的轨迹监测方法,获取必要的输入信息。将纠偏模型简化为点到点模型,采用曲线?直线?曲线的方式进行纠偏。对模型进行深入分析,获得求解方法,依次求解出几何信息、关键点坐标、任意点坐标。算法在软件上进行了仿真实现与验证。研究结果表明:提出的纠偏算法实用性强,对其他领域有类似需求的轨迹纠偏系统有一定的借鉴作用。

泥浆脉冲信号的传输速度研究

依据非定常流动原理 ,提出了泥浆脉冲信号传输速度的计算公式 ,它涵盖了薄、厚壁管的各种边界条件以及气体和固体含量的耦合影响 ,对正、负泥浆脉冲信号都适用 ,符合钻井工程实际。研究表明 :泥浆脉冲信号的传输速度对含气量比较敏感 ;由于固体浓度会影响到流体的密度和压缩性 ,所以对传输速度也有较大影响。在常规钻井条件下 ,负脉冲信号的传输速度比正脉冲信号约高出 1 0 %。

一种新型多级可变径稳定器工作机理研究

针对目前国内可变径稳定器结构复杂、制造成本高等问题,设计了一种主要用于水平井井眼轨迹微调的新型多级可变径稳定器。该稳定器能在钻井液驱动力作用下通过改变销钉在行程控制轮导向滑槽中的状态来实现多级变径,针对其结构特点,对其工作原理进行了介绍。基于纵横弯曲法理论,并考虑均布载荷及弯矩等因素的联合作用,建立了包含多级可变径稳定器的井下钻具组合的力学模型,得到了钻井液驱动力与稳定器支撑块伸出长度之间的关系式,计算了不同支撑块伸出长度所需最小钻井液驱动力和钻头侧向力的值,结果表明该可变径稳定器能实现增斜、降斜和稳斜功能。研究成果为多级可变径稳定器的结构设计和优化提供了技术指导。

定向井气体钻井新技术

气体钻井目前在国内已得到了较多应用,具有有效提高机械钻速、防治地层严重漏失、保护油气层等优势,并在多个油气区块取得重大发现。为了扩大气体钻井的应用范围,更大地发挥现有各种先进技术在低渗油气藏开发中的效益,将气体钻井技术应用于定向井和水平井钻井是未来技术的发展方向。为此,需要进行科研攻关,解决气体钻水平井技术中存在的技术难题。文章针对这些难题介绍了目前已有的新工具和新方法。

导向钻具定向造斜方程及井眼轨迹控制机制

为满足各种导向钻井方式的井眼轨迹控制需求,建立了导向钻具的定向造斜方程及井眼轨迹的过程控制方法,并进行算例分析。通过证明导向钻具的定向方向与井眼轨迹的主法线方向相一致,建立了导向钻具的定向造斜方程。通过建立导向钻具的造斜率-工具面角、造斜率-定向方位角关系曲线,提出了井眼轨迹的过程控制技术。研究表明:导向钻具的造斜率决定了井眼轨迹的井眼曲率,导向钻具的定向方向决定了井眼轨迹的主法线方向;定向方位角与工具面角均具有定向功能,二者可以互算且互为补充。研究结果揭示了导向钻具与井眼轨迹之间的相互作用机理及控制机制,据此能根据设计的井眼轨迹形成井眼轨迹的控制方案,并随钻控制和监测导向钻具的工作特性。

井眼轨道控制技术发展综述

为研究井身质量对水平井和大位移井的横向位移及深井井眼深度的限制，引入了井眼可达性概念，即安全钻井条件下的水平井和大位移井可能达到的横向位移及深井可能达到的井深。说明了提高可达性的关键技术是发展井眼轨道控制技术。应用目标树分析法确定了系统组成部分及其相互关系，指出发展井眼轨道控制技术必须首先发展井眼轨道控制工具；大力发展井眼轨道控制工具是提高我国钻井技术水平的重要途径。

土耳其卡赞碱矿对接井水溶开采技术创新综述

土耳其卡赞碱矿钻井项目主要利用高精度中靶技术使定向水平井与垂直井在碱层中对接后进行水溶开采的方法。该项目通过长期大量的钻井工作,在已有的钻井技术与地质条件基础上,改进完善了与地层相适应的钻井技术,建立了矿区三维地质模型,设计应用了水平分支对接井,优化了钻井轨迹设计,建立起非矿层与矿层的基准物探测井响应曲线,探索出矿区地层致斜机理及相应钻井防斜措施,研究并应用了各种井底钻具组合与设备,采用了提高水平钻井轨迹控制精度的技术方法。上述多种水溶采矿钻井技术创新措施的应用,提高了矿山规划能力、降低了施工成本、提高了资源回采率、缩短了施工工期、降低了劳动强度、提高了钻进效率、减少了施工用地以及对环境的破坏。可为天然碱矿及可溶性矿产的整体矿山规划,以及钻井水溶采矿技术的提高提供借鉴。

顺北油气田超深高温水平井井眼轨迹控制技术

顺北油气田储层埋藏深、井底温度和压力高,导致MWD仪器故障率高,超深高温水平井下部高温井段有时无MWD仪器可用,井眼轨迹控制难度较大。为了降低该油气田超深高温水平井轨迹控制难度并提高钻井效率,对水平井井眼轨道设计与井眼轨迹控制进行一体化规划,将顺北油气田超深高温水平井井眼轨道设计成造斜率“前高后低”的多圆弧轨道,优化钻具组合和钻进参数;对于下部无MWD仪器可用的高温井段,采用单弯单稳定器螺杆钻具组合进行复合钻进,以控制井眼轨迹。研究和应用结果表明,采用单弯单稳定器螺杆钻具组合进行复合钻进,根据复合钻进井斜角变化率预测结果优化钻具组合和钻进参数,可以解决顺北油气田超深高温水平井下部高温井段无法应用MWD控制井眼轨迹的问题,降低井眼轨迹控制难度,提高钻井效率。

导向钻井井下控制理论与技术的发展

介绍了近几年旋转导向钻井技术的发展概况和国内外的研究成果,阐述了井下控制的一些概念和原理,以及导向钻井井下控制理论和技术的发展,并指出导向钻井轨迹控制预测方法也应随钻井方式的不同而不同,提出了实现导向钻井井下控制的关键技术和方法是增加井下钻具组合的可调特性和改变井下工具的工作状态,在井眼轨迹控制系统中增设反馈环节,这是井眼轨迹控制技术研究的重点。

海油陆采丛式井组优快钻井技术

垦东12平台是中国石化及胜利油田的重点产能建设项目,共计部署114口海油陆采井,主要采用大位移井、丛式井组技术进行开发,存在着表层定向易产生磁干扰、浅层大尺寸井眼定向困难、井网密集防碰绕障难度大等钻井难点。通过钻井平台位置优化设计、一开表层直井段防斜打直、浅层大尺寸井眼定向技术、大斜度长裸眼井段稳斜技术以及丛式井三维防碰绕障等技术的研究及应用,保证了垦东12平台丛式井组的顺利实施,进一步丰富完善了海油陆采大型丛式井组钻井技术,为今后滩浅海油区的经济高效开发积累了宝贵经验。

新港1井超深定向井钻井技术

为探索大港油田歧口凹陷新港地区下古生界奥陶系油气资源潜力,兼探古近系东营组和沙河街组的油气资源潜力,大港油田设计部署了新港1井。该井完钻井深6716m,是中国东部油田目前最深的一口定向井。该井在实钻过程中存在井眼净化效果差、长裸眼段井壁易失稳、高泵压低环空返速、下部地层可钻性差、套管与钻杆磨损、特殊岩性地层(生物灰岩、灰岩、玄武岩、煤层等)的井漏、井塌、事故复杂等钻井技术难题,综合应用了井眼净化、井壁稳定、阿特拉扭力冲击器提速、PDC钻头优选、抗高温钻井液体系优选、井眼轨迹控制等钻井技术,为东部油田深定向井钻探积累了一系列的钻井施工经验。