基于温敏聚合物/纳米复合材料的抗200℃高温无固相水基钻井液研究

针对传统无固相钻井液抗温性能较差的难题,以纳米复合材料N-AMPA为主剂,构建了具有优良抗温性能的无固相钻井液体系。评价结果表明,在25~180℃,1%N-AMPA水溶液的黏度增加率达43%,表现出优良的高温增黏性能;1%N-AMPA水溶液经200℃/16 h老化后,黏度保持率达67.6%,其抗温增黏效果明显优于增黏剂HE300。以N-AMPA为主剂构建的无固相钻井液体系,抗温能力达200℃,热滚16 h后的表观黏度保持率达67.0%、API中压滤失量为7 mL,耐温能力较强;抗氯化钠、氯化钙和劣土污染能力分别达20%、0.8%和10%,污染后于200℃热滚16 h, API中压滤失量始终低于9.5 mL,具有较好的抗污染性能;泥页岩膨胀率约3%,抑制防塌性能好;岩心渗透率恢复率达90%,储层保护效果好。

油基钻井液与地层流体重力置换实验研究

碳酸盐岩地层连通性较好,多发育裂缝溶洞型地层,经常发生重力置换式溢流,溢流与漏失并存,难以处理。在一些区块中,由于油与油基钻井液发生重力置换溢流,常导致钻井液密度降低,无法平衡井底压力,造成恶性溢流事故。为了及时处理溢流事故,实现安全钻井,需要掌握油与油基钻井液发生地层重力置换的机理,从理论出发指导现场处理重力置换溢流。因此,基于自主研制的井筒-裂缝-地层重力置换实验装置,开展重力置换实验,证明了重力置换现象的存在;配置油基钻井液,开展油基钻井液与油重力置换实验,发现由于地层原油与油基钻井液发生反应,会导致油基钻井液密度与粘度明显下降,导致油基钻井液无法平衡井底压力,影响钻井进程,实验对现场处理重力置换溢流具有指导意义。

胜利油田钻井液环保处理技术研究与应用

在胜利油田钻井过程中,废弃物总量大、污染物含量高,废弃物污染控制集中于末端治理,资源化利用程度低、成本高,无法实现钻井过程中的污染控制,严重影响油田生态环境。针对该油田钻井过程中的环保关键技术难题,以“减量化、无害化、资源化”为目标,进行了理论研究、装备研发、技术攻关和集成应用,形成了钻井污染物源头控制、全井段钻井废弃物随钻过程减量化和钻井废弃物末端无害化处理与资源化利用等3项核心技术,创新了覆盖“源头控制、过程减量、末端治理”的钻井液环保处理技术。“十三五”期间,该钻井液环保处理技术在胜利油区及新疆、四川等地的中国石化工区实现规模化应用,建成了胜利油田滨105、盐222、桩146等绿色低碳钻井示范工程,为保障胜利油田绿色低碳开发提供了技术支撑,也为我国陆上油气田绿色低碳开发提供了有益借鉴。

安场区块页岩致密封堵油基钻井液技术研究

针对贵州安场区块五峰-龙马溪组页岩极易垮塌的难题,基于对该区块代表性页岩的矿物组成及组构特征分析,揭示了安场区块页岩井壁失稳机理,针对性地提出了以多尺度致密封堵防塌为核心的井壁稳定技术对策,构建了一套适合该区块的致密封堵防塌钻井液体系。矿物组构特征分析结果表明,该区块页岩地层纳米裂隙、微米裂缝发育,纳米裂隙尺寸均小于100 nm,微缝、洞尺寸大多以0.1~2.6μm为主,具有纳-微米多尺度特征和弱水化性质。根据粒径匹配原理优选形成的复合封堵配方由刚性堵剂超细碳酸钙和柔性堵剂组成,可有效封堵安场区块五峰-龙马溪组页岩地层孔缝。构建的致密封堵防塌钻井液在120℃、3.5 MPa条件下滤失量仅为1.2 mL,可使页岩的渗透率降低90%以上,能够有效地阻止压力传递。致密封堵防塌油基钻井液在安页7-8HF井进行了现场试验,钻井过程中均未发生垮塌、井漏等复杂情况,试验井段的井径扩大率仅为2.64%。因此,致密封堵防塌钻井液能够解决安场区块五峰-龙马溪组页岩地层井壁失稳的问题,为安场区块页岩气高效钻探开发提供技术保障。

胜利油田钻井工艺研究院气体钻井技术的理论研究及应用进展

气体钻井极大的提高机械钻速,减少投入成本。综述了国内钻井技术理论研究及应用的最新进展,包括以下几方面的内容:分析了井壁稳定性的影响因素和规律;在考虑各种因素影响的基础上修正了最佳注气量;录井作业采用新技术提高录井效率;用实体三维模型直观分析了井斜规律,研究了井底和井周岩石受力状态;应着力于开发适应各种条件的空气锤设备并推广应用。

基于改进WOA-MP算法的多普勒海流计回波信号频率估计研究

受海洋环境复杂干扰影响,多普勒式海流计的超声波回波信号易受干扰影响,包含多种频率成分,这给海流流速信息的解算带来困难。为解决多普勒海流计回波信号频率估计精度较差的问题,提出一种基于信号匹配追踪(MP)的频率估计方法,并融合改进型鲸鱼优化算法(MWOA)提高估计过程的效率。该方法利用混沌映射提升初始种群多样性,并引入自适应权重和非线性收敛因子提高算法局部寻优能力、搜索速度和求解精度。而后,对改进算法与其他优化算法进行对比测试,结果显示所设计改进算法在收敛速度和寻优能力上具有有效性和优越性。此外,通过对多普勒回波信号进行特征重构,开展MWOA-MP算法在噪声环境下的频率估计精度性能测试。在回波信号信噪比为–10 dB条件下,MWOA-MP算法相对传统方法抗噪声能力提高30%。与其他智能方法融合MP后的频率估计算法相比,MWOA-MP算法的估计误差在10 Hz以内,可满足多普勒海流计频率测量精度要求。

海管立管疲劳损伤计算研究

以某平台双层海管立管为研究对象,综合考虑立管的约束形式及环境载荷、腐蚀等的作用,本文借用ABAQUS有限元软件完成立管在实际工况下的强度计算,进一步借助Fe-safe有限元软件完成立管的寿命计算。本课题结合光纤光栅传感技术,实现了对该立管关键部位的应力、应变状态的检测,获取了检测周期内管道的应力应变数据,将有限元计算结果与检测结果进行对比,完成模型准确性验证,结果表明,该疲劳损伤计算方法适用于海管立管的疲劳损伤研究。研究结果可进一步为海上工程设计和施工提供科学依据和安全保障。

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。

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers,BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。

胜利油田钻井液不落地处理工艺研究

针对胜利油田陆地钻井工艺过程及钻井液不落地处理工艺的难点,根据钻进过程不同阶段,采取不同工艺流程,主要分为清水钻进阶段、钻井液钻进阶段、完钻后固控系统钻井液处理阶段。在不改变钻井液体系、不额外添加钻井液常规使用的任何化学药品、不改变现有钻井液固控系统情况下,实现了钻井液固相废弃物脱液干化、液体重复利用和废弃钻井液及钻屑现场不落地,达到减量化处理目标。经过多口井的现场应用,这套工艺特别适合胜利油田的地层特点和钻井工艺要求,也可以推广应用到国内其它油田区块使用。

钻井固废随钻固液分离工艺的研究与应用

2017年初南疆油区新开井已开始全面配套泥浆不落地系统,初期采用的是以自然沉降工艺和离心分离工艺为主流的两种泥浆不落地工艺。针对南疆油区钻井工艺过程及磺化泥浆的特点,进入2019年后逐步确立了以压滤分离技术为主、离心分离技术为辅的分段处理工艺,并以此作为泥浆不落地系统的处理工艺。压滤机在废弃物固液分离效果及分离效率上具有优势,分离出的泥饼含水率小于40%,适合现场堆存与运输,并满足后期无害化治理要求。而使用离心分离不但能有效将固体废弃物分离,还能将残留的液相回收利用于配制胶液,大大节省了泥浆材料用量及用水量,实现减量化生产。两种处理技术相互配合,构成了现阶段南疆油区的主流泥浆不落地工艺。

优快钻井技术在黔北正安狮溪向斜区块的应用研究

黔北正安狮溪向斜区块当前处于规模开发的初期阶段,狮溪1-1HF井和狮溪1-2HF井是规模开发的第一轮次井。两口井存在裂缝发育丰富易漏失、井壁易失稳发生复杂情况、断层发育导致目的层难预测等多个地质、钻井工程方面的技术难点。在对构造特征、地质条件及邻井资料充分研究的基础上,通过应用空气钻井技术、近钻头地质导向轨迹控制技术、元素录井和岩屑伽马能谱地层识别辅助技术以及优化油基钻井液体系,克服了地质条件复杂、水平段后期摩阻扭矩大等问题,两口井均顺利钻进至完钻井深,水平段长分别达到1250m、1578m,优质储层钻遇率达到100%。相关优快钻井技术的成功应用,为加快狮溪地区龙马溪组页岩气的勘探开发提供了有力的技术支撑。

数字化建设助力提高钻井装备本质安全研究

石油钻井装备的安全运行至关重要,数字化建设可以有效提升石油装备运转效率,保障关键设备安全运转。充分利用物联网、大数据与人工智能等相关理念,实现对石油工程关键设备运转记录、故障预警、电子报表、维保提醒等方面的全面采集,提高钻井作业安全性、效率和精度,提高装备安全运行的可靠性,保障关键设备高质高效运行。钻井关键装备物联网智能监测系统整体建设可分为基础层、平台层、应用层三个管理层。该系统已在多部钻机上试点应用,实时监控关键设备参数200余项,通过网络随时随地监控装备位置、运行状态及设备概况等信息;在钻井现场可自动生成8类42张报表;实现了维保及故障预测提醒自动推送。

新型恒流量钻井泵活塞运动规律研究

针对以曲柄连杆机构作为动力端的钻井泵,吸入与排出管路存在较大的流量和压力波动,从而导致一系列不利影响,提出采用凸轮传动机构作为恒流量钻井泵的动力端,并选择摆线运动规律与等速运动规律组合(即摆线加速-等速-摆线减速)作为凸轮机构恒流量钻井泵活塞拟定运动规律。既发挥摆线运动规律的位移、速度、加速度连续的优点,又发挥等速运动规律中加速度幅值为零的优点,可实现流量恒定、压力无波动的输出特性。根据活塞运动规律表达式进行综合评价分析,结果表明:既无刚性冲击也无柔性冲击,最大无量纲跃动度幅值JM、最大无量纲扭矩TM均减小,有利于提高恒流量钻井泵工作稳定性和可靠性,显著改善钻井泵的运动与动力性能。

气体钻井岩屑返出量实时监测技术研究与应用

在气体钻井施工过程中,钻头钻进产生的岩屑需要通过循环介质携带到地面,通过排砂管线进入沉砂池。井底岩屑能否正常返出,直接影响到钻井施工的安全和效率。通过微波流量计对岩屑返出进行监测,岩屑流量传感器安装于旋转控制头与降尘泵之间的直管段上,安装在供气管线上的气体质量流量计获取气体的实时流量,并将数据送达岩屑监测现场服务器,各工程参数监测单元的信号传送至中控计算机后,通过数据汇总、图形比对、趋势判断以及对返出岩屑进行累计等技术手段,可较早地发现和监测地层出水、掉块情况,为气体钻井施工提供有力的安全保障和预警信息。通过现场试验结合岩屑及工程参数,建立了气体钻井岩屑返出安全区间判别标准及分析方法。

一种大功率传输电缆与井下换能器连接装置结构设计研究

大功率超声波油层处理是当前广泛采用的物理法提高采收率工艺技术措施之一,该系统主要包括地面超声波电源、传输电缆、马笼头和井下换能器等组成,其中马笼头是大功率传输电缆与井下换能器的特殊连接装置,其传输的可靠性与寿命是当前迫切需要解决的难题。针对大功率超声波油层处理系统,提出一种大功率传输电缆与井下仪器连接装置,即新型马笼头结构设计方案,主要分为四个部分:电缆钢铠固定部分、弱点构件部分、隔离段部分和插件连接部分,内部充满用于绝缘的硅脂。电缆钢铠固定部分包括3个钢铠固定件、“O”型密封圈组成,并按照1:3锥度设计;弱点构件部分由传力件、拉力杆和锁位件等组成,电缆钢丝拉力通过钢铠固定件依次传递到传力件、拉力杆,其中拉力杆为弱点,其设计承载能力为2t;隔离段部分由玻璃钢棒、过线杆、连接螺钉和密封圈等组成,玻璃钢棒与过线杆之间、螺钉与过线杆之间都用螺纹连接;插件连接部分包括下接头、换能器上接头、插件座、防爆插头、防爆插座组成,插件座材料为聚四氟乙烯,形状为圆柱体,加工有两个插件通孔,孔内设计有用于防爆插头、插座定位的凸台。现场连接作业时,只需将超声换能器上接头定位孔对准电缆马笼头下接头定位销,旋转连接件,即可完成电缆与换能器的快速连接。

胜利工程智能钻井关键技术探索与建议

随着深层和非常规油气资源开采需求增加及人口老龄化加剧的影响,油气钻探工程面临结构性缺员和高风险、高成本、低效率的问题。为了应对这些问题与挑战,智能钻井技术成为行业发展的关键。首先,概述了智能钻井的数据采集、传输、决策和控制等4个关键环节,介绍了中石化胜利石油工程有限公司(胜利工程)在地面自动化装备、井下测量与控制工具及信息化建设3个方面的技术探索情况;然后,提出了智能钻井的实施路线图,详细讨论了关键技术;最后,针对胜利工程在智能钻井实施层面的挑战,提出了一系列建议,包括提高井下与地面的数据通讯能力、增强系统的融合度和业务逻辑的交叉融合及深入挖掘数据,以提升理论研究的深度。研究认为,智能钻井技术的发展不仅需要技术上的突破,还需要对传统钻井理论进行深入理解和创新。

随钻选择性扩眼器锥直型水眼液力特性研究

在随钻扩眼技术中,扩眼器的射流效率决定了整个扩眼技术的效率,对整个扩眼技术应用极为重要。针对扩眼器和扩眼器刀翼水眼的液力特性,建立了其物理有限元模型。通过分析可知,射流可以起到清洗岩石切割和冷却刀翼的作用,扩眼器刀翼水眼的几何结构对射流性能有重要影响。为了优化扩眼器刀翼水眼射流性能,提出了将锥直型喷嘴应用于扩眼器刀翼水眼,对其进行了优化。该研究可为扩眼器刀翼水眼结构参数的优化设计提供理论指导,对提高侧钻完井质量、推广侧钻改造技术具有重要意义。

基于断裂相场法的管道环向表面裂纹扩展研究

[目的]旨在深入探讨轴向力作用下不同初始环向表面裂纹形态(椭圆形和扇形)对管道裂纹扩展行为的影响,为海洋工程结构物的结构完整性安全提供理论支持。[方法]采用断裂相场法模拟和分析裂纹扩展过程,通过连续的场函数以弥散的形式表征裂纹,依托Francfort-Marigo变分原理,将断裂能融入系统的总势能中,引入退化函数量化损伤导致的应变能折减,在有限元软件ABAQUS中进行二次开发,利用交替解法求解管道裂纹扩展问题。[结果]结果显示,环向椭圆形表面裂纹深度小于壁厚的1/2时,裂纹先沿环向扩展,再沿壁厚方向扩展直至穿透;当椭圆形裂纹贯穿程度较大时,裂纹先沿壁厚方向扩展至穿透,再沿环向扩展;扇形裂纹则倾向于先沿壁厚方向穿透,随后沿环向扩展。[结论]研究表明,断裂相场法能准确模拟裂纹在管道中的局部演化过程,应重视轴向力作用下的管道初始裂纹形态及裂纹贯穿程度对管道结构完整性的影响,这对提高管道结构的安全性及可靠性具有重要意义。

SK1井套管磨损剩余强度安全评价研究

深井超深井钻井过程中,受井眼狗腿度、机械钻速、顶驱转速等因素影响,技术套管的磨损问题不容忽视,严重时将会导致其抗外挤、抗内压强度明显降低,对井筒完整性造成极大隐患。为此,结合SK1井244.5 mm技术套管磨损原因深入分析,利用套管“磨损-效率”理论模型,建立了套管磨损量及剩余壁厚的预测方法,指出套管磨损严重位置通常发生在狗腿度较大的井深处,且随顶驱转速增加和机械钻速降低,套管的磨损量明显增大。通过将磨损套管分别简化成具有内壁不圆、不均度的含缺陷套管及“矩形槽”套管,建立了磨损套管的剩余抗外挤、抗内压强度计算方法及全井段剩余强度安全系数计算方法。分析表明,当顶驱转速高于100 r/min、机械钻速低于0.87 m/h时,SK1井244.5 mm套管的抗外挤最小安全系数将会低于1.0,需采取合理的钻井提速及防磨措施,以保证技术套管的强度安全。研究成果对于今后深井超深井的套管柱安全设计具有重要的指导意义。