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钻井完井
数字孪生技术在钻井领域的应用探索
杨传书
, doi: 10.11911/syztjs.2022068
摘要:
在简述数字孪生技术的由来及分析石油行业钻井领域数字孪生技术研究现状的基础上,提出了钻井井筒数字孪生、地质环境数字孪生、钻机数字孪生、井下动态过程仿真、物理–数字孪生体实时交互技术等关键技术,设计了钻井数字孪生技术在钻前模拟预测与优化、疑难井施工团队协作预演、随钻预警与决策、钻井远程控制、钻井设备预测性维护、钻井实训等六大应用场景,提出了钻井数字孪生系统的研发重点,并分析了钻井数字孪生技术研发的难点与对策。研究结果为加快数字孪生技术在钻井工程领域的应用,促进钻井工程数字化、智能化转型提供了技术借鉴。
旋转射流冲蚀天然气水合物试验及数值模拟研究
张逸群, 胡萧, 武晓亚, 李根生, 田守嶒, 赵帅
, doi: 10.11911/syztjs.2022046
摘要:
为探究适合南海天然气水合物特点的高效开发模式,对比分析了淹没围压条件下锥形射流和旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物的成孔规律。首先,利用 LS-DYNA软件,建立了旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物的拉格朗日–欧拉(ALE)流固耦合模型,分析了淹没、围压条件对旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物效率的影响;然后,利用自主设计研制的天然气水合物生成及射流冲蚀可视试验装置,进行了天然气水合物沉积物生成及冲蚀试验,天然气水合物二次生成后,在冲蚀坑中注石膏,测量冲蚀孔孔深及孔径。对比分析数值模拟和室内试验结果发现:围压在增强天然气水合物沉积物强度的同时,抑制了射流扩散能力,降低了射流冲蚀天然气水合物沉积物的效率;在无围压和围压5 MPa条件下,旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物体积分别是锥形射流的1.8和1.7倍。研究结果表明,对于泥质粉砂储层天然气水合物沉积物,旋转射流在保证冲蚀孔孔深的同时,具有比锥形射流更强的扩孔能力,为固态流化法开采天然气水合物提供了依据。
机械式垂直钻具稳定平台影响因素模拟研究
李然然, 张凯, 柴麟, 张龙, 刘宝林
, doi: 10.11911/syztjs.2021106
摘要:
配备机械式稳定平台的自动垂直钻具,由于无电子元件、耐高温性能好、成本相对低廉,是深井钻井中防斜打直的较好选择,但如何进一步提高该工具的纠斜精度是一个难点。为此,针对机械式稳定平台的动力学特性,基于典型的稳定平台结构及其工作原理,建立了机械式稳定平台理论分析模型及Adams动力学模拟模型,通过理论计算及模拟计算,研究了影响稳定平台性能的因素,确定了影响机械式稳定平台性能的主要因素及其影响规律。研究得出:偏重块长度和内外半径、井斜角和盘阀间动摩擦系数对稳定平台性能的影响较大。根据研究结果,总结出该机械式稳定平台结构参数的优化方向以及推荐取值,可为进一步优化设计机械式稳定平台的自动垂直钻具提供参考。
渝东地区常压页岩气水平井充氮泡沫水泥浆固井技术
匡立新, 陶谦
, doi: 10.11911/syztjs.2021103
摘要:
为了解决渝东地区常压页岩气水平井用生产套管固井时易漏及分段压裂后环空带压的技术难点,研究了机械充氮泡沫水泥浆固井技术。通过优选发泡剂、稳泡剂,设计了泡沫低密度水泥浆;基于高压气体状态方程,进行了泡沫水泥浆全过程平衡压力及浆柱结构设计,建立了井筒压力条件下的泡沫水泥浆密度计算模型,形成了机械充氮泡沫水泥浆固井技术。泡沫低密度水泥浆的密度调整范围为0.80~1.55 kg/L,水泥浆中泡沫的半衰周期为33.8 h,泡沫水泥石的弹性模量为4.6 GPa。泡沫水泥石在循环载荷测试条件下的残余应变为0.21%,具有良好的力学性能;采用全过程平衡压力固井技术和分段注气泡沫低密度水泥浆注结构设计方法,能满足固井防漏要求。渝东地区20口常压页岩气水平井应用了机械充氮泡沫水泥浆固井技术,固井过程中未发生漏失,固井质量优良率100%,且压裂后未出现环空带压现象。研究和现场应用表明,采用机械充氮泡沫水泥浆固井技术可以解决渝东地区常压页岩气水平井生产套管固井时的漏失问题,且泡沫水泥石具有良好的弹性变形性能,能够防止压裂后环空带压。
等离子炬破岩效果室内试验及现场应用建议
于岩, 高锐, 贾玉丹, 乔磊, 周伟
, doi: 10.11911/syztjs.2022034
摘要:
在油气资源和深层地热能开发过程中,会遇到岩石硬度大、可钻性差等问题,采用传统钻井技术难以提高钻井效率。针对这一问题,探索了等离子炬钻井。分析了等离子炬的破岩原理,认为等离子炬破岩主要有岩石破碎、熔化和蒸发等方式。利用不同厚度的玄武岩、花岗岩,进行了等离子炬破岩效果室内试验,证明等离子炬可以烧穿50 mm厚的玄武岩和30 mm厚的花岗岩,但不能烧穿更厚的岩样。结合试验结果,分析了现场应用中存在的问题,提出了研发建议。该研究结果,可为深层硬地层等离子炬钻井技术的研究与应用提供借鉴。
厄瓜多尔东部油区平衡法悬空水泥塞固井技术
李万东, 吴阳, 兰小林
, doi: 10.11911/syztjs.2022032
摘要:
为解决厄瓜多尔东部油区注水泥塞作业成功率不高的问题,研究作业中影响水泥塞稳定性及质量的各种因素,采取针对性措施,形成了厄瓜多尔东部油区平衡法悬空水泥塞固井技术。针对水泥塞与下部钻井液所形成界面不稳定的问题,研制了低密度高强水泥浆和反应性支撑液;针对注水泥塞钻杆与井筒的环空间隙过窄导致的水泥塞质量问题,设计了插管工具;针对注水泥塞钻杆下端开口造成水泥浆向下喷射、与钻井液混合严重的问题,研制了分流器工具;针对钻杆内缺乏隔离塞及现有工具成本高、操作复杂等问题,研制了海绵球塞工具。室内试验得知,低密度高强水泥浆密度1.74 kg/L,24 h抗压强度22.5 MPa,满足作业要求;反应性支撑液密度1.44 kg/L,屈服值48 Pa,胶凝强度49 Pa,能够有效支撑上部水泥浆;设计的插管、分流器、海绵球塞等工具,均能够解决水泥塞放置过程中的质量问题。 现场应用表明,厄瓜多尔东部油区平衡法悬空水泥塞固井技术效果良好,能够大幅提高作业成功率,可推广应用。
脉动式扭转冲击钻井工具工作特性分析与测试
汪伟, 柳贡慧, 李军, 查春青, 连威, 夏铭莉
, doi: 10.11911/syztjs.2021101
摘要:
为抑制PDC钻头钻进硬地层时粘滑振动,设计了一种能为PDC钻头提供周向冲击载荷的脉动式扭转冲击钻井工具,并在介绍其结构设计和分析其工作原理的基础上,建立了计算其周向扭矩、直井工况下冲击功的数学模型,通过算例分析了其工作特性。分析结果为:脉动式扭转冲击钻井工具的周向扭矩随排量增大而增大,随节流喷嘴直径增大而减小;其在直井中的冲击功随钻柱扭矩和扭转角度增加而增大,随钻压增大而减小。通过室内试验测试了脉动式扭转冲击钻井工具样机的性能,测试结果显示,该钻井工具能实现高频扭转冲击,且其工作频率、周向腔体压差和周向扭矩均随排量增大而增大。研究和测试结果表明,脉动式扭转冲击钻井工具的结构设计合理,能为PDC钻头提供周期性扭转冲击载荷,抑制PDC钻头的粘滑振动。
超深井井筒温度数值模型与解析模型计算精度对比研究
赵向阳, 赵聪, 王鹏, 梁晓阳, 杨谋
, doi: 10.11911/syztjs.2022035
摘要:
精确预测钻井过程中的井筒温度,是科学评价井筒中流体流动安全与压力控制的关键因素。为此,基于井筒–地层各区域能量守恒原理,建立了井筒–地层传热数值模型和井筒–地层传热解析模型,分别应用全隐式有限差分法和解析法对数学模型进行了求解。结合顺北油田某超深井井身结构与钻井参数,从传热机理上分析了上述2种模型下井筒温度的计算精度及其影响因素。分析得出:钻进中,下部井段环空流体温度低于原始地温,而上部井段流体高于原始地温;解析模型应用简化的无因次时间函数表示从远处地层传至近井壁的拟稳态热交换方式,并用综合传热系数表征地层–环空、环空–钻柱内总的热交换量,减少了井筒与地层间的热交换量,导致环空和钻柱内流体温度计算值低于数值模拟结果。研究结果表明,数值模型计算结果与实测值吻合程度高,数值解和解析解的误差分别为1.46%和6.94%,两者间差值为13.15 ℃。研究成果为深入认识钻进中井筒-地层传热机理和准确评价温度场提供了可靠的分析手段。
准噶尔盆地硬脆性页岩强化致密封堵水基钻井液技术
刘均一, 柴金鹏, 李光泉, 王宝田
, doi: 10.11911/syztjs.2022022
摘要:
为解决准噶尔盆地硬脆性页岩地层井壁失稳的问题,在分析准噶尔盆地硬脆性页岩矿物组成与组构特征的基础上,根据多元协同井壁稳定理论,提出了以多尺度致密封堵为核心的协同稳定井壁技术对策,构建了多尺度致密封堵水基钻井液YHDF-1和YHDF-2。由矿物组成与组构特征分析结果得知,准噶尔盆地硬脆性页岩地层井壁失稳与“微裂缝-裂隙-孔隙”的多尺度特征密切相关,加强封堵微纳米尺度缝隙,提高抑制页岩表面水化的能力,发挥合理密度钻井液有效应力支撑井壁的作用,才能协同强化稳定井壁。性能评价结果表明,多尺度致密封堵水基钻井液YHDF-1和YHDF-2可耐150 ℃的高温,其400 mD砂盘的PPA滤失量分别为17.8和13.2 mL,其可使页岩的渗透率降低90%以上。钻井液YHDF-1和YHDF-2分别在准噶尔盆地的D-72井和D-12井进行了现场试验,钻井过程均未出现井壁失稳的现象,试验井段平均井径扩大率仅为6.78 %,电测均一次成功。研究和现场试验表明,多尺度致密封堵水基钻井液YHDF-1和YHDF-2具有优异的封堵防塌性能,可以解决准噶尔盆地硬脆性页岩地层井壁失稳的问题。
海上油田一趟钻套管开窗技术
薛宪波, 张诚成, 张保康, 张文博, 曲跃
, doi: 10.11911/syztjs.2021102
摘要:
针对常规开窗工具串难以通过大狗腿井段、锥式磨鞋易偏离导斜面、斜向器和磨鞋需要两趟钻送入等技术难点,通过研制了通过节流压差坐挂的斜向器及与其配套的次级磨鞋、挠性短节、开窗磨鞋等工具,形成了可一趟钻套管开窗钻具组合,该钻具组合实现了斜向器送入、坐挂及开窗作业。将一趟钻套管开窗作业分为5个阶段,推荐了相应阶段的磨铣参数,并制定了处理作业过程中复杂情况的技术措施,形成了较为完善的一趟钻套管开窗技术。渤海油田203口井应用一趟钻套管开窗技术进行了套管开窗,开窗成功率100%,开窗周期平均10.5 h,修窗周期平均2.6 h,与应用两趟钻开窗技术的井相比,开窗时间平均缩短2.4 h,提效22.8%。现场应用表明,一趟钻套管开窗技术能提高开窗效率,降低钻井成本,可为海上油田稳产和提高采出程度提供技术支持。
沿钻柱测量技术及其发展方向
王敏生, 耿黎东, 光新军
, doi: 10.11911/syztjs.2022001
摘要:
在深层、超深层、复杂地层和深水油气藏,存在钻井施工难度大、周期长、井下故障多等问题,为安全、高效、快速钻井,需要实时监控井内压力、温度等参数。为此,介绍了NOV公司沿钻柱测量系统的构成,分析了沿钻柱测量技术在井眼净化监测、卡钻位置判断、钻井液漏失位置判断、漏失试验与地层完整性试验、井涌探测、钻柱及钻头工况分析等场景中的应用情况,提出了沿钻柱测量技术发展方向,包括:完善随钻测量解释模型和应用场景、数据的深入挖掘以及多参数的可视化智能展示技术;优化传感器网络布局,开发替代有缆钻杆的高速信息传输网络,以提高其经济性;扩展应用,实现更多应用场景。在此基础上,提出了发展建议,建议国内持续完善井下工程参数测量系统、促进有缆钻杆商业化应用,在二者相对成熟后,逐步实现分布式测量传输。分析认为,采用常规钻柱系统和改进的分布式钻柱测量工具,利用智能微球分时传输技术实现分布式测量传输,是值得进一步研究的低成本沿钻柱测量路径。
油气开发
涪陵页岩气井“套中固套”机械封隔重复压裂技术
刘尧文, 明月, 张旭东, 卞晓冰, 张驰, 王海涛
, doi: 10.11911/syztjs.2022010
摘要:
针对涪陵页岩气田采用暂堵转向重复压裂工艺时施工难度大、增产效果不理想的问题,在调研国外页岩气井重复压裂工艺的基础上,对比分析了暂堵转向重复压裂与机械封隔重复压裂技术的原理与特点,明确了机械封隔可完全封堵初次压裂射孔炮眼,精准控制重复压裂水力裂缝起裂,形成了“套中固套”机械封隔重复压裂技术。在涪陵页岩气田JYAHF井进行了“套中固套”机械封隔重复压裂技术试验,在内径115.0 mm井筒中下入ϕ88.9 mm套管固井,建立全新封闭井筒,并针对不同剩余储量分布采用不同的重复压裂工艺。原井筒改造程度较高的井段,以挖潜老缝间剩余资源为目标;初次改造效果差的井段,需要恢复老缝导流能力。JYAHF井试验该技术后,可采储量增加0.36×108 m3,采收率提高4.8%。研究结果表明,“套中固套”机械封隔重复压裂技术增产效果明显,可为国内页岩气田长期高效开发提供技术支撑。
裂缝性非均质致密储层自适应应力敏感性研究
李虹, 于海洋, 杨海烽, 邓彤, 李旭
, doi: 10.11911/syztjs.2022054
摘要:
裂缝性致密储层具有非均质性强、应力敏感性强等特点,需明确储层非均质性及裂缝应力敏感性对生产的影响。为此,利用基于投影的嵌入式离散裂缝模型来表征复杂裂缝,结合应力敏感定量表征模型,建立了同时考虑基质和多尺度裂缝非均质性的应力敏感数值模型,自适应获得应力敏感特征曲线。模拟分析结果表明,强非均质致密储层不能忽略基质的应力敏感性,应力敏感性对生产早期的影响较大,以压裂裂缝的影响为主,随着生产逐渐过渡到基质,储层应力敏感性逐渐降低;早期生产压差过大,会造成储层应力伤害,不利于长期生产;不同充填程度的多尺度裂缝在储层中的分布模式对产能有直接影响,充填程度越低,裂缝尺度越大,产能越高。研究结果为致密裂缝性储层合理配产和开发方案优化提供了理论依据。
韩城区块煤层气井二次改造工艺优化及现场试验
梁智飞, 刘长松, 甄怀宾, 赵海峰, 王成旺
, doi: 10.11911/syztjs.2022067
摘要:
韩城区块煤层气井产能尚未完全释放,无法支撑长期稳产和高产。为进一步优化煤储层二次改造工艺技术,改造低产能煤层气井,提高煤层气单井产量,在剖析该区块地质特征的基础上,分析了常规二次压裂工艺试验井低产原因。针对二次改造施工过程中的工艺缺陷及技术难题,以解决“煤粉堵塞裂缝+新裂缝延伸距离有限”为主要目标,形成了“酸化+暂堵”复合二次改造工艺,并在3口井进行了现场试验。结果表明,应用复合二次改造新工艺后,J4试验井平均产气量为3 765.6 m3/d,产量提升明显,裂缝改造体积较为理想;J5、J6试验井恢复生产能力,且上产潜力较大。复合二次改造新工艺在低产能煤层气井应用效果较好,可为相同地质背景条件下的煤层气老井改造提供技术借鉴。
滑溜水–胶液一体化压裂液研究与应用
魏娟明
, doi: 10.11911/syztjs.2022063
摘要:
滑溜水黏度较低,不能满足造缝、携带大粒径支撑剂和高砂比施工要求,限制了非常规储层大型压裂效率的提高。为此,以丙烯酸、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和单体A为原料,采用反相乳液聚合法合成了一种耐高温、速溶型聚合物降阻剂SFFRE-1。通过研发与降阻剂SFFRE-1配伍性好的高效助排剂和优选黏土稳定剂,形成了滑溜水–胶液一体化压裂液。该压裂液耐温160 ℃,通过调整降阻剂SFFRE-1的加量,其黏度在1~120 mPa·s可调,在压裂施工过程中能够实现滑溜水和胶液在线混配及即时切换的要求。该压裂液在四川盆地的页岩气井和胜利油田的致密油井进行了应用,压裂过程中压裂液表现出良好的降阻和携砂性能,降阻率最高达到86%,砂比最高达到43%。研究和现场应用表明,滑溜水–胶液一体化压裂液能够满足非常规储层大型压裂施工需求。
渤海S油田高含水期强水淹层避射原则研究
葛丽珍, 王公昌, 张瑞, 张烈, 张俊廷
, doi: 10.11911/syztjs.2022013
摘要:
S油田经长期水驱开发,强水淹层段显著增加,传统水淹层划分方法及相应的射孔原则已无法满足当前阶段开发需求。为此,以室内物理模拟试验和测井解释结果为基础,利用渗流阻力系数和低效注入水定量评价方法,分析了因驱油效率差异引起的动态干扰界限:驱油效率大于30%时,含水差异引起的层间干扰较小;驱油效率为40%~45%时,低效、无效水循环加剧。根据驱油效率差异引起的动态干扰界限,提出了适用于S油田高含水期的水淹级别划分类型,在此基础上,制定了以驱油效率干扰界限为核心的射孔原则:高含水期油田水淹级别为Ⅰ级至Ⅴ级时,除工程因素外无需避射;当水淹级别为Ⅵ级时,需采取避射措施。S油田调整井采用根据该原则制定的射孔方案后,油井含水率平均下降8%,取得了较好的应用效果。现场应用表明,根据以驱油效率干扰界限为核心的射孔原则制定射孔方案,可以避开强水淹层。
武隆区块常压页岩气藏低成本压裂技术
周博成, 熊炜, 赖建林, 房启龙
, doi: 10.11911/syztjs.2022011
摘要:
武隆区块常压页岩储层能量低,产量较低,实现效益开发难度大,为此,开展了低成本压裂开发技术研究。在分析武隆区块压裂改造技术难点的基础上,进行了诱导应力计算、压裂裂缝模拟和压裂费用对比,优化了压裂段长、簇数和压裂施工参数,优选了压裂材料和压裂设备,形成了“短段长+单簇滑套+低黏滑溜水+低成本石英砂+高砂比连续加砂”的压裂施工工艺,并在武隆区块A 井进行现场试验。通过应用无限级滑套完井工艺和实时调整现场压裂参数,A 井压后产量与同平台“中等段长+密切割+全陶粒支撑剂”压裂井产量相当,压裂成本降低52.8%,并实现了单井单日8 段压裂施工。低成本压裂技术为武隆区块常压页岩气的效益开发提供了新的技术途径。
桥式同心井下恒流分层注水技术
杨玲智, 周志平, 杨海恩, 姬振宁
, doi: 10.11911/syztjs.2022051
摘要:
低渗透油藏分层注水合格率受压力波动等因素影响下降快,针对这一问题,设计了井下小体积水嘴自调节机构,将其集成于桥式同心井下恒流分层配水器,以缓解压力波动导致的分层流量变化幅度。基于伯努利方程,在理论分析及室内试验的基础上,设计了自调节机构参数,以达到井下小流量分层恒流注水目的。室内试验可知,自调节机构可在注入压力0.2~1.5 MPa范围内实现调节。采用了该水嘴自调节机构而形成的桥式同心井下恒流分层注水技术,已在长庆油田低渗透油藏应用40余井次,实现了注入压力上升1.5 MPa以内不需人工干预、自动调节分层流量至配注合格。在长庆油田的现场应用表明,桥式同心井下恒流分层注水技术可将6个月后分注合格率由常规分注的43.4%提高至75.0%,可将测调频次由常规分注的4次/年优化为2次/年,并延长分注井测调周期,使单井作业费用降低2.6万元/年。桥式同心井下恒流分层注水技术,为低渗透油藏精细注水开发提供了更高效的分层注水手段。
页岩气增产用脉冲放电冲击波装置研究
黄昆, 李欣阳, 朱鑫磊, 孟庆阳, 曾凡辉
, doi: 10.11911/syztjs.2022049
摘要:
为进一步推进脉冲放电冲击波技术在页岩气井增产中的应用,研制了可用于页岩气井井下作业的脉冲放电冲击波装置。该装置包括位于地面的电源系统和位于井下的储能、放电系统,其中井下部分被封装在外径为102.0 mm的不锈钢外筒内,以保证有较好的绝缘性能和机械强度。该装置的设计最高电压和最大储能分别为10 kV和5 kJ,单次下井重复放电4 000次以上。根据现场特点和工程需求,对该装置的储能方式、负载电极、高压电容等进行了研究设计,在地面对其进行了解堵除垢和岩样致裂调试试验,并在油井中开展了下井试验。地面调试试验发现,脉冲放电冲击波装置工作稳定性好,具有解堵疏通、致裂岩石的效果;下井试验发现,产液量和产油量相比施工前分别提高227%和197%,可取得较好的增产效果。研究认为,该装置工作稳定性好,在油井中具有很好的解堵疏通、致裂岩石的效果,也具备应用于页岩气井进行增产的可行性,但在页岩气井中具体效果如何,还有待于进一步研究。
测井录井
气体钻井声波超前测距方法与数值模拟
简旭, 李皋, 王军, 韩旭, 黄兵, 王松涛
, doi: 10.11911/syztjs.2022016
摘要:
气体钻井的安全性受储层地质条件影响明显,在钻井过程中,受气体所产生噪声影响,地层反射信号识别难度大。为提高探测准确度,降低气体钻井过程中钻头前方岩性界面的不确定性,设计了近钻头随钻冲击震源短节,基于地震波自激自收原理,推导了测距公式,提出了一种适用于气体钻井的声波超前探测方法。通过冲击试验分析聚四氟乙烯对振动尾波的衰减效果,通过数值模拟验证气体钻井声波超前探测方法的可行性,分析探测距离对反射波振幅的影响。冲击试验表明,使用聚四氟乙烯后空心圆柱上振动尾波衰减显著。数值模拟结果表明,PML边界条件可有效消除模型边界反射的干扰,利用反射纵波信号到达时间所计算测距的误差为1 m。随着探测距离增大,反射纵波相对强度逐渐增大,反射波振幅显著降低。研究结果验证了近钻头冲击震源探测钻头前方岩性界面的可行性,为气体钻井随钻声波超前探测技术的发展提供了新思路。