连续管井下电视作业及压裂进砂评价系统研究

国内外油气田开采过程中,针对页岩油、页岩气体积压裂,需要对压裂体系效果和产能进行辅助评价,利用井下电视获取井下静态图像或运动图像,可以直接视觉呈现井内真实状况,利用软件定量分析炮眼个数及尺寸,在压裂后产层评价应用领域具有其他测井手段所不具备的独特优势。针对连续管井下电视作业及压裂后需计算进砂量、进行产能评价的问题,研发了连续管井下电视作业地面配套设备,包含钻磨、洗井和井下电视测井3种重要组成工艺及其井下工具配套方案。采用Python+OpenCV识别技术进行相机标定、图像增强、偏心矫正等图像预处理模块开发,同时利用YOLOv5+Deepsort神经网络形成了特征目标检测及跟踪技术,并结合炮眼冲蚀理论及进砂量分析,使用C#开发了一套含基础组件、炮眼定量分析工程、报告输出为一体的压裂进砂评价系统,实现可视化、定量分析算法。研究结果可为页岩油气产能评价提供一定技术支撑。

致密气试油期间天然气回收工艺在川西北部文兴气区的应用及评价

川西北部文兴气区沙溪庙组气藏是典型的致密砂岩气藏,酸化和加砂压裂对提高气藏采收率具有良好效果,注入地层的酸化液和压裂支撑剂在试油期间与原料气混合,通常在试油排采阶段返排回地面直接点火燃烧,资源浪费的同时也有环境伤害的风险。针对传统排采方式在经济环保上的弊端,设计并应用“双分离+双除砂+多级节流+超音速脱水脱烃”放喷天然气回收工艺。该工艺在川西北部文兴气区应用效果表明,采用油管特殊丝扣替代传统钢管焊接,设备安装周期可缩短70%;工艺组合针对排采初期复杂地层返排物除砂、分离效果良好,脱水脱烃后气质达标从而实现成功回收;该放喷天然气回收设备设施能耗较低,是绿色低碳清洁效益开发的重要举措。该工艺在现区块应用过程中取得了较好的经济和社会效益,展现出了较好的推广应用价值。

自研水力振荡器在川渝地区连续管水平井作业中的应用

连续管在水平井施工作业时,特别是长水平段、超长水平段、井眼轨迹弯曲、上翘井,常因自身螺旋锁定,出现不能到达目标深度、钻磨钻压难以加载等问题,严重影响施工进度和施工质量。为解决连续管下入自锁的问题,对标国外水力振荡器,对定转子的线形进行了优化,自主开发研制了一种水力振荡器。室内测试结果表明,该水力振荡器的压降为2~5.4 MPa,达到了设计要求。该水力振荡器在威X井进行了现场对比试验,各项指标满足设计和使用要求,降低了井下管柱在前进中的摩擦阻力和扭矩,有效传递了钻压,增加了连续管的下入深度。在川渝地区现场使用249井次,效果显著,能有效缩短施工周期,提高施工质量。该水力振荡器实现了国产化,打破了国外技术垄断,缩短了供货周期,节约了成本。

工况外载条件下钛合金/钢钻杆接头有限元分析对比研究

由于我国的优质天然气资源主要集中在深层及超深层,超深井的钻探对钻柱提出了更高的性能要求。钛合金钻杆由于具有高强、低密、耐蚀、抗疲劳、耐热和无磁性等优点,是超深层天然气钻柱的研究热点。本文使用三维有限元分析方法,对比研究不同外载条件下钛合金材料和钢钻杆材料对高承载钻杆接头承载性能和密封性能的影响,并分析高承载钻杆接头在工况下的失效方式和力学特性。结论表明:钛合金材料可以使钻杆接头的整体应力水平降低20%,抗扭能力提高约60%,但在同样扭矩上扣后螺纹接头的主台肩密封压力比钢制钻杆接头低15%~20%;当加载内压+拉伸+弯矩的复合载荷后,螺纹的最大危险点由外螺纹主台肩圆弧凹槽处转移到了在外螺纹主台肩侧第一圈齿根处,螺纹整体的应力水平增高,密封性能下降。因此为了满足超深井天然气井钻采需求,使用钛合金/钢钻杆复合钻柱时,可适当提高钛合金钻杆的上扣扭矩,提高螺纹接头的密封性能。

基于局部特征匹配的井下管柱图像智能拼接融合技术

井下电视成像测井可以直观地监测井下管柱是否异常,但采集的井下管柱图像存在纹理低、光照不足、背景重复等问题,传统的尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)等算法很难稳定地检测出高质量的特征点,导致图像拼接融合鲁棒性差。为此,基于局部特征匹配的思路,先利用反向像素映射算法将管柱图像展开成平面图,并对径向误差进行精确修正,再利用卷积神经网络提取局部特征,利用注意力机制在粗略层面上建立像素级匹配,最后引入最佳拼接线和平滑函数来消除拼接误差,实现了井下管柱大尺度图像的智能拼接融合。研究结果表明:(1)基于局部特征匹配的井下管柱图像智能拼接融合技术,通过图像预处理、特征匹配和图像融合,解决了井下管柱图像拼接融合的稳定性问题;(2)图像智能融合质量的平滑权重因子(k)为0.05时融合效果最佳,k值越小融合图像拼接缝越明显,k值过大则容易在重叠区域产生重影;(3)通过计算待拼接图像的最佳拼接线来消除角度倾斜带来的误差,达到了稳定智能拼接融合的目的;(4)与SIFT算法相比,该算法能检测出的特征点数量平均增加了74.6%,平均智能匹配正确率由83.9%增加到了98.8%。结论认为,该算法检测到的特征点数量和正确率都得到了明显提升,智能融合图像的结构相似性、峰值信噪比和均方误差等指标均优于传统算法,为解决井下管柱探测难题提供了新思路和技术手段。

连续油管在四川高含CO_(2)气田环境中的腐蚀规律研究

针对四川高含CO_(2)气田连续油管作业腐蚀严重的问题,利用高温高压反应釜模拟连续油管作业工况,通过失重法测得CT80和2205DSS油管钢在CO_(2)环境中的腐蚀速率,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)等表面分析技术对连续油管腐蚀后的表面形貌、元素组成进行分析。结果表明:在CO_(2)为主导的腐蚀环境下,随着温度、压力的升高,气相环境中CT80腐蚀速率逐渐增大,2205DSS腐蚀速率变化不大且较CT80腐蚀速率低;液相环境中CT80腐蚀速率随温度、压力升高呈先增大后降低趋势,2205DSS腐蚀速率较低且变化不大。腐蚀产物微观分析发现CT80液相主要腐蚀产物为FeCO_(3)和Fe_(2)O_(3),产物膜疏松多孔,腐蚀较为严重;2205DSS液相主要腐蚀产物为Cr_(2)O_(3),产物膜较为致密,腐蚀轻微。2205DSS连续油管具有较好的耐腐蚀性能,适合在高含CO_(2)气田中使用。

三维井筒套管柱居中度设计——以川渝油气田为例

套管居中度对固井质量存在较大影响,合理设计套管居中度将极大改善套管环空流场分布,提高环空顶替效率,确保水泥环质量,为后续钻进和储层改造奠定基础。通过对现有主流套管柱居中度计算模型的局限性分析,提出因三维井筒中套管柱所受重力和轴向载荷不位于单一平面内,将发生非平面挠曲变形,侧向受力和径向偏移受到井筒轨迹和浮力变化影响的观点。基于真实井眼轨迹的三维形态,考虑井筒管柱轴向拉力对主、副法向平面挠度以及浮力效应的影响,建立了三维套管单跨梁居中度数学模型,编制了套管柱居中度模拟分析计算模块。通过与实钻井居中度成像测井数据对比表明:①该计算模式模拟结果与IBC套后成像测井实测居中度数据的平均整体误差仅7.6%;②通过增大直井段扶正器外径、尾管段替入清水实现漂浮效应减弱套管柱径向偏移量、合理加密安置上部直井段刚性扶正器间距等优化措施,能够显著提升管柱整体居中度至70%以上并改善水泥环质量。该设计模式能够有效指导川渝油气田高压气区套管居中度设计,对于提高复杂井筒环空封固质量有重要意义。

四川盆地南部页岩气藏大型水力压裂作业先导性试验

四川盆地南部的古生界页岩发育,储集了丰富的天然气资源。由于页岩气藏渗透率极低,通常都需要水力压裂改造才能获得经济的开采。为此,针对区块内某一口页岩气井志留系龙马溪组和寒武系筇竹寺组储层特征和技术改造难点,分别从工艺优化、设备配套、供液配套、高低压连接到质量控制等方面进行了详细的分析,将整体配套技术应用于现场作业并取得了成功,证实了采用大型水力压裂作业技术对页岩气藏实施增产改造是可行的,为下一步页岩气藏的规模化、效益化开发提供了技术支撑。

四川盆地深层含硫碳酸盐岩储层立体酸压核心理念与关键技术

四川盆地深层碳酸盐岩储层天然气勘探开发潜力巨大,且普遍含硫化氢,采用超长水平井开发方式能够在安全环保严格受控的基础上充分挖掘储层的生产潜力;但随着勘探开发层位转向深层、超深层,储层特征、井型、井筒条件发生改变,酸压改造技术也面临新的挑战。为此,在厘清深层含硫天然气碳酸盐储层酸压改造难点的基础上,丰富了立体酸压技术理念内涵,阐释了其核心理念和关键技术,并展望了发展方向。研究结果表明:①立体酸压技术包括3个新的内涵,分别为“布裂缝”“扩体积”“调导流”。②立体酸压核心理念和关键技术包括:基于储层精细刻画的长裸眼水平井智能布缝、动态布酸理念与调控技术,酸压裂缝体形态综合调控技术,多流体、变黏逆序多级交替注酸调控导流能力技术和一体化新型高温变黏酸体系。③针对8000 m以深碳酸盐岩储层立体酸压,建议攻关外来流体扰动条件下超深井破裂压力精准预测、耐温220℃以上多功能酸液体系和暂堵材料的研发、酸压—返排—生产全过程酸压裂缝参数多维度动态评估与智能酸压技术,以及探索超深超高温高应力储层超临界CO_(2)酸压技术。结论认为,深层碳酸盐岩储层立体酸压理念新内涵的丰富和关键技术的形成,能够有效支撑国内外深层碳酸盐岩储层的高效开发,同时也为下一步8000 m以深乃至万米深井的酸压改造技术攻关指明了方向。

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。

川西地区须家河组气藏井下油管CO_2腐蚀研究

川西地区须家河组气藏井下油管大部分面临CO_2腐蚀的问题,通过更换耐腐合金油管或者向井内加注缓蚀剂的方式,取得一定效果,但有部分井下油管腐蚀情况与预计不同。为此,基于化学反应-物质传输耦合模型,研究了流体流动状态下的CO_2腐蚀及影响因素,结合现场生产数据进行分析,结果与实际相符。认为在流体流动状态下,温度通过影响物质化学活性改变腐蚀速率,p H通过影响H+浓度改变腐蚀速率,流速通过影响物质传输速度改变腐蚀速率,不同位置的井下油管腐蚀主导因素不同。川西地区须家河组气藏生产井中的油管在化学反应和电化学反应的共同作用下发生腐蚀,其中下部管柱腐蚀速率较高,建议根据引发腐蚀的主导因素分段采取防腐措施。

川南威远地区页岩气开发工厂化作业模式

中国非常规油气资源丰富,为了在低渗透的页岩气资源开发过程中有效降低施工成本、提高作业效率、缩短开发周期,以四川盆地南部威远地区页岩气工厂化钻完井作业技术为研究对象,开展北美地区页岩气大规模应用作业模式研究,由于国内页岩气开发存在着人口居住密集,山地丘陵环境复杂,作业期间资源共享率低、水资源占用多、施工工序多、效率低等难题,指出不能照搬国外开发模式,需要形成一种适应于国内情况的页岩气区域工厂化作业模式。研究结果表明:(1)井位平台、设备材料等应进行工厂化部署;(2)水/电资源区域应统一调配;(3)同一区块、同一页岩气施工平台多口井人员、设备应实现共享;(4)钻井液、压裂液应进行重复利用;(5)优化钻完井作业配套技术。结论认为:(1)初步建立流水线作业流程,进一步探索区域工厂化作业模式,已实现钻完井作业无缝衔接,设备安装时间缩短70%,设备利用率达到100%,压裂返排液重复利用率在90%以上,钻井液重复利用率在80%以上,作业效率提高1倍以上;(2)页岩气区域工厂化作业模式探索为加快国内页岩气勘探开发提供了技术支撑。

四川页岩气水平井套变机理、对策研究及应用

四川盆地页岩气水平井压裂过程中套管变形发生非常频繁。尽管专家学者对套管变形的机理进行了大量的研究,但这一问题并仍然没有得到有效解决,而且变得越来越严重,特别是在长宁—威远—昭通页岩气区块。因此,基于目前的相关研究成果,总结分析了套管变形问题的相关研究进展发现,页岩气水平井造斜点的套变率远高于其他位置,且套管以剪切变形为主,造成页岩气水平井套管变形的主要影响因素包括:套管强度降低、地质因素、固井质量和水泥环、压裂工程因素四个方面。基于套管变形机理提出了通过优化井眼轨迹、提高套管强度和固井质量、优化压裂施工参数来降低套管变形的技术对策。通过地质工程一体化为研究手段,优化压裂顺序和施工工艺在Lu203H75平台应用,压窜程度有效降低,井筒完整性100%,未造成套变。

四川盆地复杂深井自动精细控压固井技术

随着四川盆地天然气勘探开发的深入,勘探对象以下二叠系、寒武系及震旦系等深部海相地层为主。经过多期构造运动叠加,地质条件复杂,同一裸眼段面临多个地层压力体系、油气水显示多、井漏严重,安全密度窗口窄,固井过程中漏、溢频发,固井质量无法保障,给天然气安全、效益开发带来难题。基于此,开展了自动精细控压固井技术攻关,开发了以固井数据无线监测与远程传输、环空多相流实时计算与可视化、动态模拟与伺服节流联动为基础的自动化环空压力控制系统,形成了自动精细控压固井技术(AMPC)。该项技术在四川盆地复杂深井固井中应用10井次,为解决窄安全密度窗口固井难题提供了新的技术手段。

地面氮气抽吸作业气体流动规律研究

储层氮气钻完井是致密砂岩等低渗气藏储量有效动用和产能释放的革命性技术之一。储层氮气钻完井作业期间,起下钻及下完井管串过程中,井口处于敞开状态,此时采用地面氮气抽吸技术,有控制地“引导”地层产出的天然气流向排砂管线出口进行处理。为此,文章基于数值仿真方法,系统研究了敞井条件下地面氮气抽吸作业时的气体流动规律,考虑天然气的扩散现象,建立了气体流动模型,并定量分析了影响氮气抽吸效果的主要因素。研究表明,氮气抽吸效果主要受注入方式、氮气抽吸气量、抽吸装置安装位置、排砂管线长度和天然气产量的影响。同心注气方式相较于斜插注气方式具有更好的抽吸效果;低抽吸气量下,氮气注入量越大,抽吸率越高,随着抽吸气量持续增加,抽吸率达到峰值后有所下降;抽吸装置距离排砂管线出口越近、排砂管线越短、地层产气量越低,抽吸效果越好,实现完全抽吸所需的临界抽吸气量越低。文章研究成果为优化氮气抽吸工艺设计、保障储层氮气钻完井敞井条件下的安全作业提供了理论支撑,并在四川大塔场气田进行了现场应用,实现了储层氮气钻完井作业敞井条件下地层产出天然气100%的抽吸,确保了作业安全。

压裂复杂裂缝中支撑剂输送数值模拟研究

在非常规储层水力压裂施工过程中,水力裂缝容易与天然裂缝交汇形成复杂裂缝,支撑剂的运移和铺置形态直接决定了储层的增产效果。为了研究支撑剂在复杂裂缝中的铺置规律,基于欧拉-欧拉方法建立了支撑剂-压裂液两相流数学模型,并利用复杂裂缝室内实验装置与数值模拟的砂堤铺置形态对比的方式进行了模型验证,结果表明,选取的模型可用于研究滑溜水在复杂裂缝内的携带支撑剂的运移铺置规律。以相似准则为基础,建立了简化的复杂裂缝平板模型,并将砂堤形态参数、砂堤面积进行归一化处理,获得了压裂液排量、黏度、支撑剂粒径、裂缝宽度以及裂缝形态对支撑剂在复杂裂缝中铺置的影响规律。结果表明:增大排量、黏度和减小粒径均有利于支撑剂向裂缝深处运移,并且排量对支缝中的砂堤形态影响最明显,但增大排量不利于支撑剂填充近井地带。缝宽的影响体现在壁面效应,在注入时间相同的情况下,当压裂液黏度从1 mPa·s增加到5 mPa·s时,主缝砂堤的归一化长度平均增加了37.9%,归一化高度平均降低了61.4%。裂缝结构越复杂,所有支缝中的支撑剂铺置面积占比越高,分流作用越大。随着复杂裂缝的支缝数量、级数以及支缝延伸长度的增大,支缝中的砂堤高度与长度均有所降低;相对于T1型裂缝,T3和T5型裂缝中的砂堤长度、高度减小最多。

川渝地区钻具重点失效层位分析及预防措施

文章通过川渝地区各地层钻具的失效统计,明确了钻具失效主要集中在浅部地层的X组和Y组层位,钻具在Y层位和X层位都以钻铤失效为主,Y组失效主要集中在100~500 m进尺区间,X组失效主要集中在500~1500 m进尺区间。根据地层岩性、钻速、狗腿度分析表明,Y地层钻具失效的原因为地层岩石研磨性高、钻具旋转钻进钻速小、应力集中处累积疲劳损伤较为严重,同时岩性不均地层易导致钻具振动,导致中和点漂移;X地层钻具失效的原因为地层软硬交错易引起井斜,产生较大狗腿度,钻具在旋转钻进时,承受较大的交变载荷,造成钻具疲劳失效。针对重点失效地层岩性对钻具失效的影响,提出增加减震器、采用防斜技术、缩短检测周期等方法来预防钻具提前失效。

钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

连续管作业技术在页岩气井增产改造中的应用

针对连续管多种作业工艺类型及其风险问题,研究了不同工艺对连续管和工具组合串的选择,探讨了不同工艺关键风险控制。应用表明,Φ50.8 mm连续管在页岩气井增产改造中适应性更强,优化后的工具组合既能保障工艺安全,又能提高施工效率;泵注压力的上涨速率和瞬时变化是判断传输射孔、坐封桥塞成功的基础;螺杆马达工作压差越大,输出扭矩越大,泵注排量越高则转速越快;输出功率越大,磨铣效率越高;掌握钻压与泵注压力的变化关系以及流程的有效控制是钻磨桥塞成功的关键。连续管作业工艺多样、井筒适应性强等特点,既有效保障了页岩气增产改造的顺利进行,又为连续管在页岩气增产改造中的规模化应用奠定了基础。

井底压力下牙轮钻头浮动套轴承性能分析

为了探究井底压力下215.9 mm牙轮钻头浮动套轴承的平衡转速比、摩擦学性能、油膜压力分布随内外间隙比的变化规律,修正了考虑浮动套轴承实际井下环境压力和牙轮钻头密封压差的Reynolds边界条件,利用MATLAB中的PDE Toolbox对浮动套轴承Reynolds方程进行数值求解,分析内外间隙比对浮动套轴承平衡转速比、油膜压力及摩擦因数的影响规律,结果表明:当环境压力为60 MPa、密封压差为20 MPa时,随内外间隙比增加,浮动套平衡转速比呈现先增大后减小的趋势;以轴承的摩擦因数和油膜压力作为综合评价指标,钻头浮动套轴承内外间隙比为2.0时,轴承的摩擦因数较小,油膜压力较高,其轴承综合性能较优;而当浮动套轴承内外间隙比为2.0时,随着环境压力的升高,浮动套轴承的摩擦扭矩和摩擦因数增加,从而加剧轴承的磨损。该研究为牙轮钻头浮动套轴承的结构参数优化及性能提升提供了基础理论支撑。