气体钻井地层出水随钻监测与携水规律研究

气体钻井在某些方面具有常规钻井液钻井不可比拟的优势,尤其在深层海相地层勘探开发中提高钻速、降低成本方面,应用前景广阔;然而地层出水后,如果不能及时发现和处理,有可能造成井壁失稳等井下复杂事故,影响气体钻井的安全性。文中系统总结了气体钻井地层出水的预测方法,介绍了气体钻井地层出水的监测原理、仪器和解释方法,建立了气体钻井地层出水井筒气液两相流流型转化模型、液滴大小和尺寸分布模型、气体携液模型,结合具体应用情况,对气体钻井过程中地层出水后的携水规律进行了计算分析。分析结果与现场施工情况吻合,表明文中给出的模型具有现场应用价值。     

气体钻井地层出水工况实验模拟研究

气体钻井技术在提高机械钻速、保护储层等方面具有其独特的优势。然而,当地层出水以后,由于泥页岩地层黏土水化,极易引发黏附卡钻、井壁失稳等井下复杂情况。为此,针对气体钻井地层出水问题,开展了气体钻井地层出水工况实验模拟研究。通过室内建立的可视化实验装置,模拟分析了低产水工况下的气体携液问题,并对气体钻井地层出水时井底气液混合流动情况以及井筒环空成膜情况进行了研究。实验结果表明,气液混 合后,井底液体主要形成波状液膜,而环空液体主要以液膜和液滴的形式存在,同时环空携液能力决定了液膜厚度和液滴尺寸。通过对地层出水工况下气体携液能力进行分析表明,理论携水量与实验结果相符,当携水量较大时,环空液膜较厚、液滴尺寸较小,且波动更剧烈,使环空压降增加。     

地层出水后的气体钻井携岩携水机理研究

近年来,由于气体钻井技术在某些方面有着常规钻井液钻井不可比拟的优势而在国内得以大范围地推广应用。但是,作为一项新技术,本身具有一定局限性,其实用范围尚不是完全清楚,因此,在实际应用过程中已经暴露出不少问题,地层出水后的携岩携水规律就是其中最为重要的关键技术难题之一。气体钻井过程中,地层出水将导致气体携岩规律复杂化,需要的最小注气量也会相应增加;当地层出水量继续上升时,可能会严重影响携岩效率,最终导致发生卡钻等井下复杂情况。文章对气体钻井过程中地层出水后的携岩携水基本规律和有关理论计算方法进行了研究,建立起相应的计算方法;并结合实际工程地质特征,对川西特殊复杂地区气体钻井过程中地层出水后的携岩携水规律进行计算分析,分析结果与现场施工情况基本吻合,表明文章给出的评价方法是可靠的。     

气体钻井临界携水量计算

地层出水是制约气体钻井顺利实施的一个瓶颈,准确计算一定注气量下的临界携水量对于气体钻井现场安全施工、避免井下复杂至关重要。基于最小动能标准建立了计算气体钻井临界携水量的数学模型,该模型综合考虑了地层出水后环空多相流动状态,利用该模型可确定气体钻井注气量和临界携水量的对应关系。计算结果表明：增加注气量和降低液气表面张力是提高气体钻井临界携水量的有效途径;当增加注气量不能满足携水要求时,必须转换钻井方式,通过降低液气表面张力来提高临界携水量;气体钻井临界携水量计算需兼顾携带岩屑和携水两个要求,当所需的最小携水动能等于最小携带岩屑动能时,液气表面张力达到极值,进一步降低液气表面张力失去意义。实例验证表明,该研究成果能够用于指导气体钻井现场实践,为地层出水后气体钻井转换钻井方式提供了理论依据。     

泡沫钻井技术在出水地层中的应用

气体钻井技术的大规模推广应用取得了显著的钻井提速和储层保护效果,但地层出水造成岩屑黏结成团、返出不畅成为干气体钻井技术的主要障碍之一。为此,开展了稳定泡沫钻井技术的深化研究,并从泡沫的极限携水能力、钻井参数优化、泡沫基液配方以及现场工艺等方面开展了相关试验,获得以下成果和认识:①通过计算确定了不同条件下泡沫钻井的极限携水能力,优化了泡沫钻井参数,研制了满足不同钻井条件下的泡沫基液配方,形成了泡沫钻井现场工艺;②泡沫钻井在四川盆地龙岗、元坝区块的试验应用表明,该技术能有效地治理地层出水,井漏复杂,提速效果显著,平均钻速是相同条件下钻井液钻进的1.82倍,钻井周期同比缩短6d,为气体钻井处理含水层提供了一条有效途径;③当前泡沫钻井循环利用效果不理想,占用沉沙池体积大,可循环利用效果差,可循环泡沫钻井技术进行是其发展的一个重要方向。     

气体钻井井眼干燥技术及携水模拟装置的研制

气体钻井过程中因地层出水引起的井壁失稳等技术难题,严重制约了该技术的推广应用。为解决这一难题,将合成的超吸水材料用于携带地层出水,并根据计算模型预测的出水量确定超吸水材料加量,携水工艺模拟装置可以确定超吸水材料适用的出水范围。实验结果表明,计算模型能对地层出水进行准确预测;合成的超吸水材料饱和吸水倍数为825倍、在5 min内吸水达到656倍、在矿化度为1 000 mg/L的水中最小吸水倍数为120倍、在p H值为6~11区间内的吸水倍数都大于600倍,在较高温度和压力下,保水率仍大于80%,能够满足大庆地层出水条件下气体钻井的携水要求。对吸水材料回收后,其饱和吸水倍数为700倍,可以重复利用;模拟装置能对不同出水量的携水工艺进行有效模拟,解决了以往模拟装置体积大、操作难等问题。研究结果表明,将超吸水材料应用于出水地层的气体钻井,为保持井眼干燥、扩大气体钻井应用范围提供了新的解决方向和技术思路。     

雾化钻井技术的研究及其在四川龙岗地区的应用

针对川渝地区富含大量浅层水、干气体钻井适应性较差、钻井液钻进井漏等难点,分析了雾化钻井介质的携水机理,确定了其在不同井深、不同井眼尺寸下的极限携水能力;对不同条件下雾化钻井参数进行了优化设计,确定出了满足不同条件的雾化基液配方;并在四川龙岗地区大尺寸井眼(φ444.5 mm)开展了5口井的现场应用。实践表明,雾化钻井技术能有效地治理漏失、地层出水,携岩效果好,机械钻速是同井段钻井液的2.38倍,平均周期缩短6 d。该技术的成功应用为气体钻井处理含水层提供了一条有效途径。     

空气钻井技术在元坝地区的应用

元坝地区应用空气钻井技术钻进时,大尺寸井眼携岩差,上部地层易出水,钻进中频频出现断钻具故障。针对大尺寸井眼段的携岩问题,提出采用空气钻井最小气体流量计算方法确定空气、泡沫钻井时携岩所需要的最小气体流量;优选出了适合该地区空气钻井的牙轮钻头和塔式钻具组合;针对元坝地区空气钻井过程易出现地层出水、断钻具、井斜和井壁垮塌等复杂情况,也提出了相应的处理方法和技术措施,并针对元坝地区推广应用空气钻井技术,提出研制性能可靠、使用寿命长的空气锤,防止空气钻井转换为常规钻井液钻井时出现井下复杂情况的建议。      

非水化地层微量出水后气体钻井最小注气量理论研究

气体钻井过程中,当钻遇水层时,地层出水容易造成岩屑聚并,影响井眼净化效果,严重时会导致施工无法正常进行,因此地层出水是限制气体钻井应用范围的最大障碍之一。当地层微量出水时,可采用增大气体注入量的方法继续钻进,而计算增加多少气体注入量是关键。前人只研究了地层大量出水条件下,地层出水量与注气量的关系。为此,在前人研究的基础上,对气体钻井过程中地层微量出水时的携岩基本规律和有关理论进行了研究,并对气体钻井过程中最小气体注入量模型进行了分析和修正,从而推导出了确定地层微量出水时气体钻井所需最小注气量的计算公式,以方便现场计算地层微量出水时所需的最小注气量,指导气体钻井安全顺利进行,以达到提高钻井速度、节约钻井成本的目的。      

泡沫钻井流体消泡技术研究进展

泡沫钻井技术具有携岩能力强、耗气量少、能够防止地层漏失、有效处理地层出水等优点.从钻井实践看,泡沫流体稳定性强,返至地表后难以消泡,泡沫基液只能一次性使用,泡沫材料消耗多、成本高,制约了泡沫钻井技术的发展.对国内外现有消泡技术进行了调研分析,对自然消泡法、物理消泡法和化学消泡法的消泡机理及特点进行了详细介绍和分析.     

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粘稠泡沫在对付大量水侵和有效改进岩屑携带能力方面的稳定性,进一步促进了欠平衡泡沫钻井的应用。泡沫品质是控制泡沫携带岩屑能力的一个重要参数,井底泡沫品质不应低于５３ ％ 。聚合物的加入增强了泡沫流体的稳定性、流变性和失水性。采用泡沫钻井,具有井眼清洗良好、减少流体分离、机械钻速高、井下不发生着火和爆炸等优点,降低了钻井成本。由于安全、井控和环境方面的原因,越来越多的地区将采用封闭循环欠平衡泡沫钻井系统。旋转控制头、四相分离器等装置是进行欠平衡泡沫钻井的关键设备。我国的欠平衡泡沫钻井较少。中原油田采用清水混气钻了一口毛８ 井,吐哈地区在恰１０２ 井进行了泡沫钻井试验。在成本意识日益增强的工业中,正不断寻找节约成本的方法以提高现有油气田的生产寿命,泡沫钻井技术将是可靠的选择。     

可循环微泡钻井液研究及其在乍得潜山地层的应用

乍得潜山地层微裂缝发育丰富,地层压力系数在1以下,采用常规钻井液体系往往导致地层发生恶性漏失,针对该技术难题,提出采用可循环微泡钻井液钻潜山储层。合成出一种可用于可循环微泡钻井液的发泡能力强同时具有稳泡能力的发泡剂GWFOM-LS,在120、150℃时0.5% GWFOM-LS的发泡体积分别为720 mL和400 mL以上,其抗温能力达到130℃,抗盐能力达10%,抗钙能力达0.5%。基于该发泡剂优选出密度范围在0.70～0.96 g/cm3的可循环微泡钻井液体系。该体系在乍得Baobab C1-13井裂缝发育的潜山油层进行了应用。现场应用表明,该发泡剂配制的可循环微泡钻井液性能稳定,而且具有较好的携岩性能和储层保护性能,利于井下工具信号传导,解决了钻井过程中潜山地层恶性漏失问题,为今后潜山储层开发奠定了技术基础。      

一种适用于欠平衡钻井的充气泡沫钻井液

欠平衡钻井技术的关键是控制钻井液密度．使井内液柱压力小于储层孔隙压力。介绍了一种适用于欠平衡钻井的充气泡沫低密度钻井液。该充气泡沫钻井液在固体矿产勘探和热气田开采等方面取得了较好的应用效果。这种钻井液为气、液、固三相体系．泡沫剂选用DF-l,稳泡剂为一般的有机高分子聚合物。根据欠平衡钻井要求。通过对粘土、聚合物和泡沫剂的加量进行正交试验,优选出了若干组充气泡沫钻井液配方。应用表明,该充气泡沫钻井液泡沫稳定、密度低、液柱压力小、流变性好、携带岩屑能力强,有一定的抑制地层粘土矿物膨胀分散的能力和抗高温抗污染能力,可以作为欠平衡钻井介质进行试验应用。     

泡沫钻井液在井筒中的流动与传热

针对泡沫钻井液特殊物理性质,建立了泡沫在井筒中流动与传热的数学模型,并给出了模型求解方法。为了分析传热对泡沫钻井水力参数的影响,采用建立的数学模型和给出的求解方法进行的数值计算结果表明：钻杆内泡沫温度始终低于环空内泡沫温度和地层温度,而环空下部泡沫温度低于地层温度,在环空上部泡沫温度高于地层温度。随着井深、注液流量和注气流量的增加,环空下部泡沫温度与地层偏差增大。传热使井口泡沫质量增大、井底泡沫质量减小、井底压力增大、最小携岩流速减小、最小注气流量增大,降低了泡沫的稳定性和携岩能力。另外,对泡沫的密度、Fanning摩擦系数也有一定的影响;井筒传热对泡沫钻井水力参数有一定的影响,但不是很明显,可通过增加注气流量和井口回压来抵消传热对泡沫钻井水力参数的影响。     

响应面法优化纳米材料稳定的泡沫钻井液

为提高泡沫钻井液的稳定性,向体系中引入纳米材料,并研究了纳米材料润湿性对于泡沫质量的影响。根据Box-Behnken Design设计原理,采用三因素三水平响应曲面法,优化了起泡剂BS-12、亲水性纳米SiO2和增黏剂XC的加量,探究了它们之间交互作用对于泡沫综合指数的影响,并以此为基础研制了泡沫钻井液体系。结果表明,纳米材料润湿性会显著影响不同类型起泡剂的泡沫质量,疏水性纳米材料能够提高阴离子起泡剂SDS的泡沫稳定性,但对两性离子起泡剂BS-12的泡沫起泡量和半衰期呈现负相关关系,亲水性纳米材料才能提高两性离子起泡剂BS-12的泡沫稳定性;通过响应曲面优化设计得到的最优浓度配比为：0.6% BS-12+4%纳米SiO2+0.3% XC。响应曲面分析表明,对于泡沫综合指数的显著性影响程度,纳米材料浓度 > 起泡剂浓度 > XC浓度;纳米稳定的泡沫钻井液体系性能评价表明,该体系表观黏度为42mPa·s,密度为0.81 g/cm3,半衰期达60 h,能长时间保持性能稳定,抑制性强,线性膨胀率较清水下降65%,储层保护效果好,煤岩岩心气测渗透率恢复率在90%以上,携岩效果好,岩屑和煤屑的沉降速度较清水降低92%以上,能够满足现场煤层气钻井的需要。     

响应面法优化纳米材料稳定的泡沫钻井液

为提高泡沫钻井液的稳定性,向体系中引入纳米材料,并研究了纳米材料润湿性对于泡沫质量的影响。根据Box-Behnken Design设计原理,采用三因素三水平响应曲面法,优化了起泡剂BS-12、亲水性纳米SiO₂和增黏剂XC的加量,探究了它们之间交互作用对于泡沫综合指数的影响,并以此为基础研制了泡沫钻井液体系。结果表明,纳米材料润湿性会显著影响不同类型起泡剂的泡沫质量,疏水性纳米材料能够提高阴离子起泡剂SDS的泡沫稳定性,但对两性离子起泡剂BS-12的泡沫起泡量和半衰期呈现负相关关系,亲水性纳米材料才能提高两性离子起泡剂BS-12的泡沫稳定性;通过响应曲面优化设计得到的最优浓度配比为:0.6% BS-12+4%纳米SiO₂+0.3% XC。响应曲面分析表明,对于泡沫综合指数的显著性影响程度,纳米材料浓度 > 起泡剂浓度 > XC浓度;纳米稳定的泡沫钻井液体系性能评价表明,该体系表观黏度为42mPa·s,密度为0.81 g/cm3,半衰期达60 h,能长时间保持性能稳定,抑制性强,线性膨胀率较清水下降65%,储层保护效果好,煤岩岩心气测渗透率恢复率在90%以上,携岩效果好,岩屑和煤屑的沉降速度较清水降低92%以上,能够满足现场煤层气钻井的需要。      

川深1井超深井钻井提速关键技术

川深1井储层埋藏超深,陆相难钻地层研磨性强、可钻性差,大尺寸井眼提速困难,深部地层可钻性差、井身质量控制困难。为此,根据川深1井的地层特征,优化应用了一系列钻井提速技术:采用了气体钻井和泡沫钻井技术,以大幅提高机械钻速;采用了抑制泥岩水化膨胀的泡沫钻井液体系,以解决上部大尺寸井眼地层出水、井眼失稳及高效携岩的难题;采取了旋冲钻井技术、“孕镶金刚石钻头＋高速螺杆钻具”复合钻井技术钻进高研磨性地层,以提高钻井时效;采用了预弯曲动力学防斜打快技术,并配套高效PDC钻头和钻井参数优化,钻进深部难钻地层,以提高井身质量。川深1井钻井提速关键技术的应用,确保该井顺利钻至井深8 420 m完钻,创当时亚洲陆上钻井井深最深纪录,平均机械钻速提高至2.11 m/h,钻井周期缩短至475 d,取得了很好的现场应用效果,可为国内类似超深井高效钻井提供借鉴。      

泡沫钻井水力参数优化方法研究

泡沫钻井在国内外已得到广泛应用,但关于水力参数优化设计的方法还未完善。基于多相流理论和携岩理论,通过理论计算和分析,总结出泡沫钻井水力参数优化设计方法,即通过临界气液比与井口回压线性关系确定最优气液比;通过不同井深下最低井底压力确定最优井口回压,结合最优气液比、最优井口回压、井底压力、岩屑浓度确定最优泡沫流速,最后根据最优泡沫流速确定最优注气流量和注液流量。实例计算了井眼直径为200 mm、钻杆外径为114.3 mm、井深为1 980 m、钻速为9m/h、18 m/h、27 m/h对应的最优水力参数。提出的优化方法对泡沫钻井水力参数优化有实际指导意义。