2014年  42卷  第3期

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页岩气"井工厂"钻井技术现状及展望
陈平, 刘阳, 马天寿
2014, 42(3): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.001
摘要:
"井工厂"技术可以缩短建井周期,降低钻井成本,大幅度提高资源及设备利用率,在页岩气等低渗透、低品位非常规油气资源开发中具有显著的技术优势,并在北美页岩气开发中获得成功应用。在国外文献调研的基础上,介绍了国内外"井工厂"钻井技术现状,详细分析了页岩气"井工厂"关键技术,总结了"井工厂"钻井技术的特点,并指出国内现有的技术储备、配套设备及工具等还不能完全满足"井工厂"作业的需求,还没有形成一套完整的"井工厂"施工及评价标准。因此,建议树立全过程成本控制理念,吸收我国海洋平台钻井技术和致密气藏"井工厂"开发模式的成功经验,针对性地开展个性化工具及配套技术的研发,尽快形成我国页岩气"井工厂"钻井技术的行业标准和钻后评价体系。
井控设备远程控制台三位四通换向阀手柄位置探讨
胡丰金
2014, 42(3): 8-12. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.002
摘要:
关于井控设备远程控制台三位四通换向阀手柄位置放在中位还是放在工作位的问题,石油工程界存在不同的意见。在介绍液压元件工作原理的基础上,分析了不同手柄位置对液压元件可靠性和寿命的影响,并从目视化管理、操作程序、出错概率等方面对不同手柄位置的优缺点进行了对比分析,认为手柄位置处于工作位,管路压力始终在设备控制范围内,不会出现大幅波动,从而减小了对液压元件可靠性和寿命的影响,而且具有目视化管理更直观、减少了工作程序等优点。综合分析认为,远程控制台待命期间三位四通换向阀的手柄位于工作位比中位好,可以减少井控设备操作隐患,延长井控设备的使用寿命。
蠕变性地层中套管有效外挤压力的计算方法探讨
李子丰, 杨海军, 陈飞
2014, 42(3): 13-15. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.003
摘要:
在套管柱设计中,套管外挤压力的计算十分重要。在《钻井手册(甲方)》中,蠕变性地层段的套管外挤压力取为上覆岩层压力,而SY/T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》中却将蠕变性地层段套管的外挤压力与岩石的泊松比联系起来,二者不相容。结合钻井施工过程的岩石力学理论,对蠕变性地层段的套管有效外挤压力进行分析。结果表明,SY/T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》中关于蠕变性地层段的套管有效外挤压力的计算公式是错误的。建议采用《钻井手册(甲方)》中的蠕变性地层段的套管有效外挤压力计算公式进行套管柱结构设计。
钻井风险控制系统关键技术
马鹏鹏, 周英操, 蒋宏伟, 赵亦朋
2014, 42(3): 16-21. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.004
摘要:
为了减少钻井中的井下故障,并提高钻井效率、控制钻井成本,研究了钻井风险控制系统的关键技术。分析了NDS系统及时传递信息的技术思路和随钻测量、地质力学模型、钻井风险管理、孔隙压力预测和可视化等技术,研究了eDrilling系统钻井模拟器的实时监测、虚拟井筒等关键因素和设计、钻进、培训及钻后评估等阶段的应用,以及Copilot系统通过测量井下工具受力诊断预测复杂情况的作用,明确了我国发展钻井风险控制系统应研究的关键技术,指出目前钻井风险控制系统研究中存在的问题。研究认为,钻井风险控制系统的关键技术包括随钻测量技术、数据质量管理技术、数据库管理技术、实时模型、可视化技术、风险控制软件系统和配套的基础设施。其中,实时模型包括流动模型、摩阻扭矩模型、振动模型、机械钻速模型、井壁稳定模型和地质力学模型等。关键技术的确定和实时模型内容的具体描述,可为我国研究发展钻井风险控制系统提供技术参考。
微流量控压钻井中节流阀动作对环空压力的影响
孔祥伟, 林元华, 邱伊婕
2014, 42(3): 22-26. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.005
摘要:
为解决窄安全密度窗口的复杂压力剖面问题,基于质量守恒方程及动量守恒方程,建立了节流阀动作引发的环空波动压力模型,并应用中心差分法对模型进行了求解。研究表明,随钻井液排量增大、节流阀动作时间减小,环空所受波动压力呈增大趋势;阀芯所受波动压力大于环空段;钻井液排量从36 L/s增至56 L/s时,阀芯所受波动压力峰值从1.26 MPa增至1.56 MPa,钻铤段波动压力峰值为0.22 MPa;节流阀动作时,套管鞋处引发故障的概率比井底高至35%。研究结果表明,两步、多步线性关阀较一步关阀,不但关阀手段灵活,更可有效减小环空波动压力峰值。
泥页岩地层水力裂缝延伸方位研究
邵尚奇, 田守嶒, 李根生, 盛茂
2014, 42(3): 27-31. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.006
摘要:
以非线性断裂力学理论为基础,通过应力叠加原理,推导出了Ⅰ-Ⅱ型复合水力裂缝起裂角的解析模型。利用该模型计算了裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域范围,并将利用该模型计算出的起裂角与利用最大周向应力准则计算出的起裂角进行了对比。结果表明:裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°、30°、60°和90°时的裂缝端部塑性区域的范围分别是0~0.18,0~0.45,0~0.45和0~0.18倍半缝长;裂缝与最大水平主应力方向夹角为0°时,裂缝的起裂角为180°;当裂缝与最大水平主应力方向夹角增大至90°时,起裂角降为0°;在裂缝与最大水平主应力方向夹角及缝内流体压力相同的情况下,利用该模型计算出的起裂角比利用最大周向应力准则计算出的大0°~20°;在裂缝与最大水平主应力方向夹角相同的情况下,缝内流体压力为55 MPa时的起裂角比缝内流体压力为45 MPa时的大0°~40°。研究表明,利用非线性断裂力学研究泥页岩地层起裂是可行的,研究结果可以为水平井分段压裂优化提供一定的理论指导。
硬脆性泥页岩微裂缝封堵可视化模拟试验与评价
石秉忠, 胡旭辉, 高书阳, 徐江, 林永学
2014, 42(3): 32-37. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.007
摘要:
为了揭示钻井液对硬脆性泥页岩微裂缝的封堵机理,利用自行研制的可视化微裂缝封堵能力评价仪,采用单一和复合封堵材料,以相同时间内的滤失量和承压能力为标准,并结合观察缝内封堵状况,对7种缝宽的模拟微裂缝进行了封堵效果评价。数据处理分析认为,滤失量与封堵压差不是线性关系;缝宽对应于封堵材料粒径分布曲线上的D50~D58时封堵效果较好;封堵效果不随刚性封堵颗粒质量分数增加而提高;可变形溶胀微粒质量分数为0.5%~0.7%时,封堵效果最好;封堵试验表明,封堵的位置有3种,其中在缝内喉道处形成的封堵层相对较致密,承压能力相对较强。研究表明,硬脆性泥页岩微裂缝封堵模拟试验评价方法是可行的,能够对微裂缝封堵机理进行深化研究。
超吸水材料在气体钻井井眼干燥中的应用探讨
冯光通, 胥豪, 唐波, 靳瑞环
2014, 42(3): 38-44. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.008
摘要:
气体钻井时地层出水可导致水敏性泥页岩坍塌失稳,为了解决这一问题,进行了超吸水材料用于井眼干燥的研究。通过室内试验对超吸水材料的吸水能力、吸水速度、抗盐能力、抗温能力、抗压能力、pH值适应性、改性方法、井筒通过能力、回收和重复利用可行性进行了评价。结果表明:超吸水材料具有吸水能力强、吸水速度快的特点;温度和压力对其吸水能力影响小;盐分对其吸水能力影响较大,但可以通过改性方法提高其耐盐性;超吸水材料吸水后可以顺利返至地面,可回收,但脱水困难,重复利用的可行性低。研究表明,超吸水材料应用于气体钻井井壁干燥在材料、工艺方面都具备可行性,可为气体钻井井壁干燥提供了新的思路和技术手段。
岩石力学性质对井眼轨迹走向的影响机理
郑德帅, 张华卫, 朱晔, 孙文俊
2014, 42(3): 45-49. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.009
摘要:
为了提高在极软、极硬地层中钻井时的井眼轨迹预测与控制能力,研究了岩石力学性质对井眼轨迹的影响机理和相应的控制措施。基于纵横弯曲连续梁理论,分析了地层力学性质对下部钻具组合导向性能的影响,在此基础上,建立了考虑地层力学性质的钻头导向模型,利用钻头导向模型定量描述钻压、造斜力、地层可钻性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响。对于Φ215.9 mm井眼,井眼瞬时扩径率小于3%时,宜采用弯壳体螺杆钻具,井眼扩径率大于3%时,弯接头配合直螺杆导向能力更强;地层可钻性级值由1增大为10时,趋势角从6.00°降为1.00°。软地层和侧钻井眼推荐使用弯接头配合直螺杆钻具,硬地层推荐使用侧切能力强的钻头配合单弯螺杆钻具。
辽河油田古潜山储层钻井取心技术
孔志刚, 于希
2014, 42(3): 50-54. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.010
摘要:
为了提高辽河油田古潜山储层的岩心收获率及取心质量,研究了适合古潜山储层的钻井取心技术。通过分析辽河油田古潜山储层的地层特征,用排除法确定了造成单筒岩心收获率低及取心质量差的主要原因,提出了相应对策。首先,优化了取心钻头,将切削齿由原来的3~5个改为10个,采用Z3型金刚石复合片与硬质合金连接方式,设计了低冲蚀PDC钻头水眼结构。然后,改进了取心工具,增加了隐式篮式岩心爪和引心套、内筒扶正器、堵心指示器、防堵心装置,换用内壁光滑的铝合金内筒。最后,对钻压、转速、排量等取心技术参数进行了优化。辽河油田9口井的现场应用表明,机械钻速从0.55 m/h提高至2.79 m/h,岩心收获率从51.13%提高至89.97%。研究结果表明,辽河油田古潜山储层钻井取心技术能有效提高机械钻速、岩心收获率和取心质量,降低井下安全风险,可推广应用于坚硬破碎地层的取心作业中。
毫米波钻井技术
郭先敏
2014, 42(3): 55-60. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.011
摘要:
为了给我国毫米波钻井技术的研发提供借鉴和思路,研究了国外毫米波钻井技术的现状和成果。毫米波钻井技术是利用大功率回旋管毫米波发射机发射的毫米波电磁能强束熔化蒸发岩石,高压空气或氮气携岩屑(实际是携纳米级粉末)进行钻井。毫米波技术可省去常规钻井更换钻头和下套管固井等工序,因此可以缩短钻井周期。室内试验表明,毫米波钻井的机械钻速与毫米波的功率、岩石的蒸发比能及吸收功率密度密切相关。毫米波钻井技术为提高钻井速度、降低钻井成本提供了一种可行的新思路和新方法。
阜东头屯河组强水敏性储层钻井液技术
徐生江, 戎克生, 李建国, 范劲, 肖京男, 鄢捷年
2014, 42(3): 61-65. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.012
摘要:
准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组储层具有极强的水敏性,在钻井过程中储层保护难度大,在以强抑制性直链高分子有机盐JN-2为核心处理剂的有机盐钻井液中,加入胺基抑制剂和"理想充填"暂堵剂,利用胺基抑制剂与"理想充填"暂堵剂的协同增效作用,进一步提高钻井液的抑制性和封堵性,实现钻井过程中的储层保护。通过室内试验,对有机盐钻井液的配方进行了优化。性能评价结果表明:优化后有机盐钻井液的流变性能稳定;高温高压滤失量由优化前的12.6 mL降至8.0 mL;页岩膨胀率从优化前的20%降至17%;岩屑回收率由优化前的90.14%提高至91.8%;储层天然岩心的渗透率恢复率从优化前的73.14%提高至82.15%。研究结果表明,利用胺基抑制剂与"理想充填"暂堵剂的协同增效作用可以提高钻井液的抑制性和封堵性,达到在钻井过程中保护极强水敏性储层的目的。
基于最小作用量原理的岩石微振动方程及分析
李思琪, 闫铁, 王希军, 乔勇, 杨敏
2014, 42(3): 66-70. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.013
摘要:
为了研究冲击钻井中钻具冲击频率、岩石固有频率等对破岩效率的影响,基于最小作用量原理,建立了岩石在压头冲击作用下的微振动方程,并以此为基础,分析了岩石的质量和固有频率、压头的冲击力和冲击频率以及时间等因素与岩石振动位移的关系。分析研究发现,岩石振动位移在平衡位置处上下变化,当压头冲击力为30 kN、岩石密度为2.39 g/cm3时,岩石的振动位移最大,分别为1.3和8 mm;固有频率为1000,1500和2000 Hz的岩石,分别在1000,1500和2000 Hz左右冲击频率下产生16,13和6 mm的最大振动位移。研究结果表明:岩石的振动位移曲线类似余弦曲线,振动位移与压头的冲击力成正比,与岩石的密度(质量)成反比;当压头的冲击频率与岩石的固有频率共振时,振动位移最大。
水平井控流筛管完井技术研究及应用
徐鑫
2014, 42(3): 71-75. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.014
摘要:
为解决水平井筛管完井后期出现的高含水或水淹问题,研究了水平井控流筛管完井技术。首先,利用数学模拟方法建立了三维模型,得到了流体在控流筛管流道内的流动特点;然后,通过室内试验得到了控流筛管中流体黏度、流量和压差3个关键参数之间的对应关系,并建立了数学模型;最后,利用筛管性能评价装置,对控流筛管的基本性能以及控流能力进行了测试。水平井控流筛管完井技术已在胜利油田12口井进行了现场应用,验证了数学模拟和室内试验结果,控流筛管性能满足现场应用要求,增压控流结构对流体产生了有效的控制和阻流作用,达到了设计要求。现场应用表明,水平井控流筛管完井有效降低了水平井含水率,延长了油井寿命。
高能电弧脉冲压裂技术初探
周健, 蒋廷学, 张保平, 赵晓, 李洪春
2014, 42(3): 76-79. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.015
摘要:
为了掌握高能电弧脉冲压裂技术的基本原理,研究影响其压裂效果的关键参数,进行了高能电弧脉冲压裂理论分析和室内试验。理论分析可知,高能电弧脉冲压裂所产生的冲击波压力与放电电压、脉冲能量和放电时间有关。室内试验显示,电弧压力脉冲能在混凝土试样中的模拟井筒的井壁上造成裂缝,裂缝呈径向分布,在近井筒区域无明显弯曲。试验结果表明,在高能电弧脉冲压裂中,随着放电电压和单次能量的增高,产生的脉冲压力峰值会增大,造成的电弧脉冲裂缝的缝高和缝长也会增大。研究结果为进一步进行高能电弧脉冲压裂提供了试验数据。
部分射开直井的产能计算方法
李龙龙, 吴明录, 姚军, 李阳, 李晓雪
2014, 42(3): 80-89. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.016
摘要:
为了准确计算部分射开直井的产能,并为射孔方案优化提供理论依据,将McLeod射孔几何模型改进为双径向流模型,应用渗流力学原理和等值渗流阻力法,分射穿污染带与未射穿污染带2种情况,得到各向同性油藏部分射开直井的产能计算方法。在此基础上,根据各向异性油藏渗流理论,将各向异性油藏变换为等价的各向同性油藏,得到各向异性油藏部分射开直井的产能计算方法。分析参数敏感性得出,当射开程度小于70%、射孔深度小于80 cm、射孔密度小于20孔/m、压实程度大于75%时,这4个参数对产能的影响很大;相位角、孔径、压实带厚度对产能的影响很小;未射穿污染带时的产能对各参数的敏感性比射穿污染带时高。实例计算表明,该方法的计算结果与表皮系数法相差约5%。研究结果表明,产能与射孔深度、射孔密度、孔径、相位角、压实带厚度、压实程度和射开程度之间均为非线性关系。
稠油油藏蒸汽吞吐井长效防砂技术
赵益忠, 孙磉礅, 高爱花, 智勤功, 李鹏
2014, 42(3): 90-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.017
摘要:
为进一步提高稠油蒸汽吞吐井的防砂有效期,从防砂工具、充填材料及充填工艺等方面对长效防砂技术进行了研究。根据充填口重复开关的思路设计了充填工具,并对其密封件的材料进行了优选,研制了长效防砂工具;利用多层覆膜方法研发了耐高温高强度覆膜支撑剂;采用多段塞充填工艺进行施工,形成了稠油油藏蒸汽吞吐井长效防砂技术。长效防砂工具密封件4轮次吞吐试验后,其压缩永久变形率小于55%、抗拉强度8.9 MPa、拉断伸长率102%,能满足蒸汽吞吐井防砂要求;耐高温高强度覆膜支撑剂耐温300 ℃,4轮次吞吐试验后固结强度7.1 MPa、渗透率96 D,完全满足蒸汽吞吐井防砂生产要求;多段塞充填工艺降低了防砂成本及后期处理难度。稠油油藏蒸汽吞吐井长效防砂技术在胜利油田11口井进行了现场应用,平均防砂有效期长达930 d,满足了蒸汽吞吐井对防砂的要求。
捷联式自动垂直钻井工具伺服控制设计及实现
王义峰, 刘庆龙, 刘文庭, 高丽萍, 孙峰
2014, 42(3): 95-101. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.018
摘要:
为解决易斜地层中直井钻进的防斜打快问题,实现主动防斜、纠斜控制,开展了捷联式自动垂直钻井工具伺服控制的研究。采用包含位置环、速度环、电流环的三环闭环控制模型,建立了伺服控制系统的硬件结构和软件体系,采用增量式数字PID控制算法,使系统实现快速精确可靠的调节。通过研究电流动态阶跃响应、电机输出轴位置及盘阀工具面角等控制效果,分析了伺服控制系统的动态及稳态特性,最终完成伺服控制系统设计,并投入现场应用。室内试验表明,电机输出轴位置稳态控制精度在0.2°以内,电流环动态阶跃响应时间短于1.2 ms,电机调速范围0~300 r/min,表明控制精度较高,动态性能良好,调速范围较宽,能实现实时控制。在安顺1井现场应用时,输出控制的盘阀工具面角与指定的纠斜工具面角最大偏差不超过2°,达到2.8°/100m以上的降斜效果。捷联式自动垂直钻井工具的伺服控制系统能够快速响应并精确控制电机输出轴的位置,实现直井钻井的防斜、纠斜。
旋转磁导向系统井下磁源优化设计
朱昱, 高德利
2014, 42(3): 102-107. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.019
摘要:
为了提高随钻探测过程中永磁体磁源的磁性能,增大磁源信号的使用范围,对旋转磁导向系统井下磁源进行了优化设计研究。根据电磁场理论及所用磁源的特点,建立了圆柱形永磁体电流模型;利用矢量磁位方程推导出圆柱形永磁体截面直径和长度与其空间磁场强度的关系,圆柱形永磁体的截面直径和长度决定了其空间磁场强度;并对不同几何参数的圆柱形永磁体和其所在磁短节的空间磁场强度进行了测量和分析。永磁体长度一定时,直径从10 mm增大到20 mm,其空间磁感应强度增加了近80%;长度从50 mm增大到100 mm,其空间磁感应强度增大了近200%。试验表明,内部并排平行放置永磁体的磁短节空间磁场强度与圆柱形永磁体的直径和长度均呈单调递增关系。等体积永磁体的空间磁场测量结果表明,长度与直径之比越大,永磁体空间磁场越强。因此,合理设计永磁体的几何参数,可以增强磁短节的空间磁感应强度,提高测量的准确性。
套管固井滑套冲蚀磨损模拟分析与试验研究
魏辽, 韩峰, 陈涛, 郭朝辉, 朱玉杰
2014, 42(3): 108-111. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.020
摘要:
为准确分析套管固井滑套长时间在固液两相流中冲蚀后的磨损情况及可靠性,在进行冲蚀理论分析和数值模拟的基础上,利用研制的冲蚀磨损试验装置,研究了特定工况下固井滑套带孔短节的冲蚀磨损情况,分析了滑套孔眼冲蚀磨损速率与孔眼数量、砂比及排量的关系,建立了冲蚀磨损速率新模型,研究了滑套带孔短节孔眼过流能力与冲蚀磨损速率的关系;同时,结合数值分析结果和试验数据,得到了A型材质滑套短节的冲蚀磨损系数。研究结果表明,当滑套孔眼为2个时,含砂流体对滑套孔眼周边的冲蚀磨损较为明显,且滑套孔眼冲蚀磨损速率与砂比呈线性关系,与排量呈指数关系。该研究结果可为套管固井滑套可靠性评估提供理论依据,且能够指导滑套压裂工具的现场应用。
新型井下动态腐蚀试验装置的研制与应用
高斐, 楼一珊, 吴琼, 李忠慧, 唐礼骅
2014, 42(3): 112-117. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.021
摘要:
为了解江苏油田CO2腐蚀套管的机理及其影响因素,制定合理的套管防腐技术措施,自主研制了新型井下动态腐蚀试验装置,并利用该试验装置进行了井下动态腐蚀模拟试验。选择1/4圆弧N80钢挂片试样,模拟实际工况条件下流体对套管的腐蚀情况,对腐蚀速率及腐蚀形态进行测试评价,并对腐蚀产物的微观形貌进行了分析。试验结果显示,在试验研究的参数范围内,N80套管钢腐蚀速率较高,不同部位的平均腐蚀速率为0.168 9~0.571 8 mm/a,并随CO2分压、温度、流速增大而增大,表现出较严重的CO2局部腐蚀形态特征。微观形貌分析表明,流速是导致抽油泵吸入口附近套管腐蚀速率最大的主控因素,其腐蚀速率达到0.5718 mm/a,这与现场腐蚀套管穿孔情况相符。研究结果表明,该试验装置具有较好的模拟性和适用性,可为油套腐蚀机理试验研究提供新的测试手段。
vorteX型动力导向钻井系统在渤海油田的应用
付建民, 韩雪银, 马英文, 王佳, 冉宏应
2014, 42(3): 118-122. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.03.022
摘要:
为解决渤海油田深井和大位移井钻井中机械钻速慢、井下故障频发等问题,优选并试验应用了vorteX型动力导向钻井系统。该钻井系统由MWD/LWD、大扭矩井下动力总成、Filter+Flex总成、旋转导向系统等部件组成,由顶驱系统与动力总成复合驱动下的钻头高速旋转来实现破岩,由C-Link以电磁短程通讯方式完成旋转导向系统与MWD之间的信号双向传输,再经MWD完成电信号与钻井液脉冲信号间的转换后,实现与地面收发装置间的信号双向传输。现场应用表明,该系统的总动力达到133~257 kW,机械钻速可提高30.34%~205.06%;最大工作负荷由45 kN·m降至36 kN·m,理论磨损值降至原来的1/4;日平均进尺由74 m提高至160 m,节省工期153 d,折算费用1亿5 300万元。由此可知,vorteX动力导向钻井系统是旋转导向工具与大扭矩井下动力总成的有效结合,适用于深井与大位移井钻井,能显著提高机械钻速,减少井下故障的发生。