环空注气气举反循环钻井工艺及关键参数设计

利用气举反循环钻井技术解决长宁页岩气表层钻井漏失问题,需要解决常规气举反循环钻井技术井口敞开、井底压力控制不精确等问题。为此,在常规气举反循环钻井技术的基础上,设计了一种环空注气气举反循环钻井新工艺,新工艺加装旋转防喷器、钻杆旋塞等工具,具备井控能力。通过调节注气量、钻井液排量等关键施工参数,控制井底压力,减少钻井漏失。在多相流理论基础上,建立了与新工艺匹配的环空注气气举反循环井底压力计算模型,分析了关键施工参数对井底压力的影响规律,建立了关键参数设计方法,在安全窗口范围内优选关键施工参数,保证安全钻井。结果表明：井底压力随注气量的增大先减小、后增大,存在临界注气量;井底压力随井深增大而增大;井底压力随钻井液排量增大而增大。在长宁某井表层进行了现场试验,与同井段井漏地层相比,较常规钻井工艺技术井漏减少83.6%。研究成果为解决四川长宁页岩气表层井漏问题提供了一种新的技术措施。     

控压钻井地质适应性评价技术

 控压钻井(MPD)技术是解决具有窄安全密度窗口、易漏易喷地层安全钻井的一项关键技术。控压钻井的适应性评价技术是控压钻井科学选井选层、安全实施的关键。目前国内外还没有成熟的控压钻井适应性评价体系。首先对控压钻井应用类别分类和IADC分类进行了对比,选用IADC颁布的5种流体类型、6个风险等级、3种应用形式的分类方法。然后从地质、工程和经济角度建立了控压钻井地质适应性评价方法,即“三步法”评价体系,主要包括必要性评价、可行性评价、技术经济性评价,在此基础上提出了控压钻井地质适应性评价的关键技术,即地质环境因素描述、精细水力学计算、设备配套与优选、压力控制方法、经济性评价。最后在缅甸D区块进行了应用,结果表明所建立的分类方法和地质适应性评价技术具有很强的实用性。     

井下防喷器坐封后多相流瞬态流动规律研究

钻井钻遇高压、高产气层后,井漏、气侵及溢流等复杂情况多发。目前,井口防喷器的研究已日趋成熟,但对井下防喷器坐封后多相流瞬态流动规律的研究较少。为此,针对井下防喷器坐封后下部井筒复杂流动特性,建立了一套防喷器坐封后下部地层-井筒耦合瞬态流动数学模型及其数值求解方法,对井下防喷器坐封后压力分布及影响因素进行了分析。实例模拟计算表明,防喷器期坐封期间,采用不同下深防喷器的井筒压力演变规律基本一致;不同地层渗透率下井底压力都先呈增加趋势,渗透率越大,井底压力升至地层压力的所需时间越短;随着气侵量不断增加,不同初始井底压力最终都稳定在地层压力附近。     

平衡自动控压钻井技术在顺南501井的应用

平衡自动控压钻井是根据地层压力限制,在常规钻井的循环路径中,加入精细控制系统,实现井底压力实时监测,根据要求自动控制井底压力,在钻井过程中始终保持井底压力略大于地层压力的钻井工艺。格瑞迪斯自主研制的平衡自动控压钻井系统在顺南501井成功应用,解决了该井油气活跃、气侵严重导致钻井效率低的难题。     

欠平衡气侵与重力置换气侵特征及判定方法

在裂缝性碳酸盐岩地层中,地层气体以欠平衡或重力置换方式进入井筒形成气侵。对重力置换气侵和欠平衡气侵类型及进气量进行分析;基于气液两相流理论建立井筒气侵模型,改变边界条件计算精细控压钻井气侵期间井底压力和泥浆池增量的变化;通过改变井口压力观察泥浆池总量或出口流量的变化,分析井底气侵方式。结果表明:井口增加回压后,井底压力由欠平衡状态转变为过平衡状态,泥浆池增量略微增加,而重力置换气侵泥浆池增量保持原趋势增加,由此可以判断出井底的气侵方式;该判定方法在现场试验中得到验证,对精细控压钻井安全快速控制气侵有指导意义。     

控压钻井气侵流动分析模型研究与应用

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)发生气侵时,可通过实时动态压力控制在保持井底压力恒定的情况下实现气侵有效控制与安全排溢,气侵安全控制的关键是实时准确地井筒流动分析。通过理论分析建立了考虑侵入流体在不同类型钻井液中溶解析出影响的井筒气液两相流模型,考虑动态回压影响,给出了不同控压钻井模式下模型求解的初始及边界条件。基于有限差分法充分考虑不同控压模式下的压力动态调节对气体滑脱、相态变化的综合影响,给出了该模型的求解流程。运用全尺寸模拟井筒气侵测试数据对模型进行了验证分析,运用该模型对页岩气水平井控压钻井气侵控制进行了计算分析。结果表明,该模型具有较高的精度,能够很好地为控压钻井气侵控制与分析提供技术支持。     

微流量控制钻井中两相许用钻杆下行速度研究

针对微流量控制钻井中气液两相许用钻杆下行速度问题,考虑气体滑脱、相与环空壁面阻力、回压及井底压 差,开展了对不同井深的气液两相许用钻杆下行速度半经验模型的研究,获得了气液两相许用钻杆下行速度的变化规 律。当钻杆在气液两相中下行运动时,回压的增大使井筒空隙率减小、气液两相密度增大,加载在井底的有效压力增 大,从而使许用钻杆下行速度减小;当井底气侵量增大,此时井底压力小于地层压力,许用钻杆下行速度增大,可借助 增大的激动压力消除一部分井底与地层欠压差;当井底安全压差减小,许用钻杆下行速度呈减小趋势。控压钻井中精 确计算钻杆许用下行速度,可增大钻井时效。     

空气锤钎头流热耦合的三维数值模拟

以设计的121/4″空气锤钎(钻)头为研究对象,在求解气体钻井井底动力学参数的基础上,充分考虑了空气锤钎头的排屑槽和硬质合金齿对井底流场的影响,建立了真实的空气锤钎头井底流场的数学模型,并采用流体力学软件(CFD)对其3000m井底流场的速度场、压力场和温度场进行数值模拟研究.结果表明:空气锤钎头井底流场速度、压力和温度分布合理,流场对硬质合金齿具有良好的清洗和冷却作用.数值模拟的结果与气体钻井经验公式计算值比较符合.     

温度对气层气体钻井井壁稳定的影响

气体钻井过程中气体经过钻头喷嘴后产生焦耳-汤姆逊冷却效应,导致井底温度远小于地层温度。当气层被钻开后井壁围岩温度、孔隙压力和应力分布发生改变,容易引起井下复杂事故。为此,分析了井底低温对致密砂岩气藏气体钻井井壁稳定的影响。研究表明,井眼钻开后井底低温产生拉热应力,使近井壁有效应力减小,有利于防止岩石剪切失稳,但增加了岩石产生拉伸破坏的可能。气层气体产出使近井壁地层孔隙度和渗透率减小,不考虑井底低温时减小程度偏大。气体钻井近井壁可能存在塑性区,低温使塑性区向地层延伸更容易导致井壁失稳。塑性区的形成不仅取决于水平地应力,而且与垂向地应力有关。通常致密砂岩气藏埋藏较深,垂向应力影响大,其弹塑性分析需考虑三维主应力的影响。     

沥青层钻井液柱压力关键影响因素及控制技术

沥青层安全钻井问题困扰Y油田的开发,微小的钻井液柱压力波动即可引起沥青流动侵入井内而发生复杂事故或弃井。分析表明,污染后钻井液性能恶化快、沥青易黏附固相颗粒、高温可流动性好、钻井液与沥青的置换型漏失等造成钻井液柱压力难以控制,进而造成沥青侵入速度与程度得不到有效控制。室内和现场试验表明,保持钻井液膨润土含量1%、随钻堵漏材料含量8%左右有利于钻进时钻井液柱压力控制;稠化封堵技术可减慢停止循环时的沥青侵入速度;控压钻井(MPD)技术可有效调控井筒液柱压力,以较低钻井液密度钻穿沥青层,降低沥青与钻井液置换量、侵入速度与程度到可控水平。     

井下流量测量装置在MPD系统中的应用研究

在常规钻井和欠平衡钻井的基础上发展起来的控压钻井（MPD）技术已经在国内外一些地区的实际应用中取得了良好效果。介绍的井下流量测量装置采用节流压差法,接在近钻头处,能够随钻监测井下环空流量,并通过随钻测量技术（MWD）把数据及时传至地面进行分析处理,可以及早发现溢流或井漏等井下复杂情况。该技术与现有控压钻井系统结合,能够显著提高系统的控制精度和可靠性,从而提高钻井的安全性及降低钻井成本,为安全可靠地进行控压钻井提供保障。     

基于范例推理的控压钻井方式评价

提出一种基于范例推理的控压钻井选型方法。首先大量调研成功实施控压钻井的实例为源数据库,然后根据范例推理理论建立控压钻井选型模型,利用该模型对三个区块不同地层进行控压钻井选型研究,得出具体的计算结果,并且对选型结果进行评价。通过基于范例推理的控压钻井选型研究将钻井工程与范例推理有机结合,对解决钻井工程领域不确定性问题提供一种有意义的尝试。使范例推理在具体的工程应用向前迈进了一步,并且为控压钻井适应性分析提供一种全新的研究方法,在学术和钻井工程应用上具有重要的价值。     

钻井工程中沥青与钻井液动态置换规律实验研究

钻井工程中钻遇活跃沥青层时,涌漏并发等恶性事故严重影响钻井作业的正常进行。针对中东Y油田沥青层钻井面临的严重钻井液漏失与沥青侵入问题,首先分析了沥青层特征和钻井液漏失特点,发现沥青与钻井液间的重力置换是钻井液漏失和沥青侵入的主要原因。研制了可视化沥青-钻井液动态置换模拟实验装置,分别在钻井液循环和静止状态下,模拟研究了钻井工程中钻井液与沥青的动态置换过程,分析了钻井液密度和黏度、地层裂缝宽度以及沥青黏度对置换过程的影响规律。结果表明,随着钻井液密度增加,沥青置换量呈对数增大趋势;随着地层裂缝宽度增加,置换量呈线性增大趋势;随着沥青黏度增加,置换量呈对数减小趋势;而钻井液黏度与置换量呈负相关关系。因此,钻井作业中,需合理控制钻井液密度以平衡地层压力;适当提高钻井液黏度;重点加强钻井液随钻堵漏作用,有效封堵地层裂缝,减少和堵塞钻井液漏失与沥青侵入井筒的通道。结合控压钻井技术,在该方法的指导下后续钻井作业中顺利钻穿沥青层。     

沥青层钻井液柱压力关键影响因素及控制技术

 沥青层安全钻井问题困扰Y 油田的开发,微小的钻井液柱压力波动即可引起沥青流动侵入井内而发生复杂事故或弃井。分析表明,污染后钻井液性能恶化快、沥青易黏附固相颗粒、高温可流动性好、钻井液与沥青的置换型漏失等造成钻井液柱压力难以控制,进而造成沥青侵入速度与程度得不到有效控制。室内和现场试验表明,保持钻井液膨润土含量1%、随钻堵漏材料含量8%左右有利于钻进时钻井液柱压力控制;稠化封堵技术可减慢停止循环时的沥青侵入速度;控压钻井（MPD）技术可有效调控井筒液柱压力,以较低钻井液密度钻穿沥青层,降低沥青与钻井液置换量、侵入速度与程度到可控水平。     

控压钻井井控过程中排量优化设计

控压钻井井控是处理气侵溢流问题的有效新方法,包括前期控制和循环排气两个阶段。基于快速施加井口回压控制方法,根据气液固多相流理论,建立控压钻井井控数学模型,并采用有限差分法迭代求解。在此基础上,分析排量对最大井口回压、最大套管鞋处压力和最大立管压力的影响,并提出基于井控安全目标函数的排量优化设计方法。模拟结果表明:在循环排气阶段,立管压力维持不变且为最大值,井口回压达到最大值与气体前沿运移到井口之间存在明显的时间滞后性,气体运移到套管鞋处时套管鞋处压力最大;验证了以出入口流量一致表征井底气侵停止的合理性。模型计算得到的压力值与实验测量值吻合较好。     

控压节流阀压降特性及结构改进

 针对控压钻井过程中节流阀压降调节线性度差的问题,采用计算流体力学方法对塔里木油田现用节流阀进行数值模拟,分析现有结构下阀芯开度与压降的关系,并对阀芯进行了结构改进。结果表明,改进后的节流阀更加符合控压钻井工艺要求,其压降特性线性度明显提升,在开度20%~70%时,线性相关系数达到0.973,提高了节流阀压降可调性和控压钻井的安全性。阀芯结构的改进改善了内部流场的涡流现象,比较改进前后速度云图发现最大速度减小了29.78%,提高了节流管汇防冲蚀能力。     

精细控压钻井溢流检测及模拟研究

针对现有钻井过程中溢流检测方法无法检测微溢流量,对深井和复杂井井控提出挑战,展开了精细控压钻井 溢流检测及模拟研究。研究中通过对比出入口微流量变化,提出了精细控压钻井溢流检测和分析方法;根据气液两相 流理论,建立了井筒气侵期间流动计算模型。将该检测方法应用于塔中某井进行试验,结果表明：精细控压钻井系统 溢流检测方法可以准确检测溢流的发生和累积溢流量;根据气液两相流模型,可以模拟精细控压钻井不同回压时井筒 流动参数的变化;该检测方法在现场试验中检测结果和模拟结果一致。精细控压钻井系统溢流检测方法能够准确检 测溢流发生,该检测方法具有可行性和可靠性,可对控压钻井发现和控制溢流提供了理论支持。     

An analytical study on early kick detection and well control considerations for casing while drilling technology

Casing while drilling (CwD) technology is designed to reduce drilling time and expenses by improving the wellbore stability, fracture gradient, and formation damage while reducing the exposure time. However, for the purpose well control, the wellbore geometry and volumes differ from those obtained via a conventional drilling technique, thereby requiring a different approach. This study discusses well control principles for CwD operations. It presents a simplified method for evaluating the maximum kick tolerance and allowable well shut-in time for both conventional and CwD techniques using a mathematical model. Preliminary results revealed that the use of CwD leads to an annulus pressure loss three times higher than that observed in the conventional drilling. In addition, the kick tolerance is reduced by 50% and the maximum allowable well shut-in time is reduced by 65%, making an early kick detection system necessary.