深水钻井隔水管与井口技术研究进展

钻井隔水管与井口系统是深水钻井装备中重要而薄弱的环节,其正确设计与使用直接关系到钻完井作业的顺利完成。系统开展了面向南海的深水钻井隔水管与井口技术研究,建立其力学分析方法,形成一套深水钻井隔水管与井口系统钻前设计与作业技术体系;提出隔水管与井口系统的波激疲劳、涡激疲劳、磨损以及隔水管接头完整性评估方法,并进一步完善深水钻井隔水管与井口完整性管理方案;建立深水钻井隔水管关键装备与作业风险评价框架,探索台风环境下的隔水管系统安全保障的关键技术;在此基础上开发深水钻井隔水管作业管理软件,承担中国南海6口自营深水井的隔水管与井口系统钻前设计与作业技术研究工作,成功将科研成果应用到深水钻井实践中,并取得良好的应用效果。笔者对这些进展进行总结和回顾,并对今后的研究方向进行展望。     

海洋水下井口控压钻井系统装备配置方案探讨

控制压力钻井技术是解决窄密度窗口地层钻井井控问题的有效技术保障，在全球陆地、浅海和深水都得到了成功运用。深水是我国油气勘探开发的重要接替区，我国南海油气资源丰富，但是面临高温高压、窄密度作业窗口等难点，井筒压力控制难度较大，给安全高效作业带来了较大困扰。在当前深水控压钻井设备、工艺几乎被国外垄断和深水钻井作业量加大、钻井风险等级升高的背景下，拥有我国自主的深水控压技术及装备是必然的选择。由于水上、水下井口控压钻井技术和装备体系存在较大差异，现有水上井口控压钻井技术无法直接移植到深水。因此，基于我国深水钻井作业现状，提出海洋水下井口控压钻井关键装备自主化配套建设探讨方案。将环空背压的控压钻井系统作为自主化建设的主线，对水上井口的控压系统进行工艺适应性移植，通过综合比较分析，推荐水下井口控压钻井系统ATR配置方案。     

深水表层导管在打桩过程中的强度分析

随着陆地油气产量趋于平稳并呈现下降趋势,浅海油气勘探也逐渐逼近顶峰,深海必将成为油气勘探开发的重要方向。深海浮式钻井装置采用常规的钻入法、喷射法下入表层导管时往往会出现一些难以解决的问题。水下打桩对海底土造成的扰动较小,表层导管可获得更大的承载力和井口稳定性。针对深水区块的海底地质调查资料和常用的钻井导管规格,利用有限元方法分析了深水水下打桩工况下表层导管的强度能否满足设计要求,以期为深水表层导管打桩施工提供指导。     

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。     

基于局部等效方法的深水水下井口半解耦分析模型

波致、涡激和浮式钻井装置运动引起的疲劳是深水水下井口失效的主要形式之一,井口动力分析方法的选取直接影响水下井口疲劳评估的效率和准确性。针对采用局部精细模型对井口进行动态响应分析时的耗时和精度低等问题,提出基于局部等效方法的深水水下井口半解耦分析模型,研究隔水管-井口整体分析模型中的井口局部等效方法,考虑管土作用建立水下井口局部有限元模型,建立梁和弹簧组合的井口局部等效数学模型,推导梁单元和弹簧单元参数计算公式。采用该半解耦模型进行南海深水水下井口分析,将静力分析结果与精细有限元模型分析结果进行对比,并将动力分析结果与解耦、全耦合两种方法进行对比。结果表明,提出的井口等效模型计算精度高、效率高,可为开展水下井口系统动态响应分析和疲劳评估提供一种高效算法。     

深水钻井井身结构设计参数的选取

深水钻井具有自然灾害多、安全作业窗口窄、完井井眼大的特点。在实际工程设计中面临着套管下入层次多、可选尺寸少等问题,增加了深水井身结构设计的难度;因此在实际工程中特别需要更科学的井身结构设计方法。鉴于目前海洋钻井手册井身结构设计采用的设计参数是陆地钻井的经验值,缺乏对深水作业特点的考虑,因此十分有必要研究这些参数对于深水的适用性,以避免因设计不合理而造成的井下事故。在充分考虑深水钻井特点的基础上,给出了深水油气井井身结构设计参数的选取办法及推荐值;与传统的井身结构设计方法相比,深水井身结构设计还要考虑深水作业过程中隔水管解脱的工况,以及当量循环密度、井涌余量等参数的影响。研究对陆地及浅海钻井井身结构设计也具有一定的借鉴作用。     

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析

深水隔水管是深海石油钻采作业中的一项关键装备,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,国内尚无国产化产品成功应用的案例。在工程现场应用过程中,涡激振动是导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏严重的主要原因之一。采用有限元分析方法,模拟深水隔水管在深海环境下的工作状态,结合控制变量法,应用模态分析和涡激振动理论,分析了涡激振动对深水隔水管强度和疲劳寿命的影响,并且从理论上给出了降低隔水管疲劳破坏的方法和建议。     

深水钻井隔水管下放试压单元智能优化

深水钻井隔水管下放过程中须对周边辅助管线进行试压以保证系统的密封性能。为保证隔水管下放试压的安全高效性,基于深水钻井隔水管下放试压工艺建立深水钻井隔水管下放试压时效评估模型与风险计算模型,采用蜂群算法形成深水钻井隔水管下放试压智能优化方法。结果表明:隔水管下放试压智能优化方法具有较好的全局搜索能力和探索能力;依据优化结果开展试压作业有望节约可观的钻井成本;隔水管下放试压安全效益曲线随可靠度的增加呈现先减小后增大趋势;单根密封可靠性是确定试压单元单根数目的关键因素,作业水深对试压次数与安全效益的影响较大,但对试压单元单根数目的影响较小。     

无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析

 无隔水管深水钻井作业是深水钻井的关键环节之一,管柱的力学行为十分复杂。本文阐述了无隔水管深水钻井管柱的纵横弯曲变形力学模型、纵向振动力学模型及无隔水管深水钻井送入管柱设计与强度校核方法等,分析了作业管柱变形及运动的主要影响因素和规律,提出了解决这类复杂工程问题的简化思路。结果表明,作业管柱的轴向拉力过大或过小、海水深度大、平台偏移或升沉振动幅度过大以及海流流速快等因素对管柱的强度安全具有显著影响。在无隔水管深水钻井作业管柱强度设计与校核时,应充分考虑管柱的作业工况及环境载荷的影响。     

整体式Y型采气井口装置冲蚀规律及量化计算

 国内某油田在应用氮气欠平衡钻井技术以及钻油管技术过程中, 采用钻油管完井一体化井口装置。由于钻完井过程中气体流量大, 高速携岩气流容易造成完井井口装置的冲蚀磨损, 导致井口装置的承压能力下降, 造成井控风险增大, 极易诱发工程安全事故。本文结合冲蚀磨损仿真与缺陷量化计算, 定性、定量地探索整体式Y 型采油树井口携岩气体流动特性及缺陷深度随时间的变化关系, 计算得出不同采油树的安全生产时间, 为整体式Y 型采油树在高压高产气井的安全使用提供了理论依据。研究表明:同等工况条件下, 冲蚀深度随采气量的增大而增大, 随井口压力的增加而减小。     

美国致密油开发关键技术

 中国致密油储量丰富, 但目前国内的致密油开发技术还处于探索阶段。美国的致密油开发技术在全球致密油开发技术中最为成熟, 具有非常重要的借鉴意义。从美国致密油开发过程分析看, 可以发现水平井技术和水力压裂技术是推动致密油成功开发的关键, 而与之相配套的技术工艺与工具, 包括水平井布井方式、旋转导向工具、行走式钻机、分级/分段改造工艺及工具等, 是致密油开发技术最重要的组成部分。通过对美国致密油钻井及水力压裂的相关关键技术的认识, 对其开发过程中钻井工艺、配套工具及钻井设备和压裂工艺、分段改造工具及压裂施工参数进行了总结。对比目前中美致密油开发技术, 认为加强国际间技术合作及相关技术的自主研发, 是推动国内致密油高效开发的关键。     

天然气水合物钻探现状与钻井技术

钻井是天然气水合物勘探发现最直接的手段,也是天然气水合物开发的必要环节。天然气水合物,尤其是海域深水天然气水合物的勘探与开发对钻井技术提出了更高的要求。在总结全球天然气水合物钻探现状和钻井技术的基础上,对天然气水合物钻井面临的挑战和未来发展方向进行了分析。总结认为,全球已在多个冻土区和海域开展了天然气水合物勘探与试采,显示了较好的天然气水合物勘探开发前景;天然气水合物钻探通常与随钻测井(LWD)相结合,并以常规钻探设备、水基钻井液为主;天然气水合物试采井的完井方式各不相同,尚未形成有效的完井技术系列;天然气水合物的温度-压力特征、储层特征、埋深特征和力学特征等决定了天然气水合物钻井面临井筒稳定性、钻井液安全密度窗口窄等方面的挑战。未来,应进一步探索研究控压钻井、欠平衡钻井、套管钻井、隔热竖管钻井、深水浅软地层水平井钻完井、潜式钻探设备组合和经济环保高效型低温钻完井液等技术在天然气水合物钻井中的应用。     

深水钻井防喷器系统失效定量风险分析

为了准确客观的评价深水防喷器系统的失效风险,建立基于改进屏障和可操作性分析方法的风险评价模型。首先应用安全屏障框图识别深水防喷器系统的安全屏障,从人员、设备和技术三个角度建立了包含15个因素的评价指标体系和深水防喷器系统失效分析模型;然后根据文献公开数据,分别计算了深水钻井井涌和防喷器系统失效的平均概率;同时利用齐次泊松过程参数模型代替屏障和可操作性分析方法中确定事件发生概率的专家赋值法,提高了结果的客观性;最后对Block47-1井的防喷器系统可靠性进行了评价,并对影响因素进行了敏感性分析。结果表明:Block47-1井的深水防喷器系统失效风险符合事故调查报告中的风险状况;安全密度窗口[1]对深水防喷器系统可靠性影响最大,在实际工作中应该特别防范窄密度窗口带来的影响;验证了所建模型的科学性,可为深水钻井作业风险评价提供参考。     

基于AHP的石油钻井成本风险因素分析研究

油气钻井工程是石油天然气资源勘探与开发的重要手段和环节,同时钻井成本占油气勘探和开发总成本的比重也较大,钻井成本大小直接影响石油天然气勘探开发的收益。由于钻井工程风险系数不断上升,使得钻井成本波动性越来越大,因此,控制油气钻井成本风险对于控制油气田开发成本至关重要。文章在定性分析了石油钻井成本构成要素以及钻井成本风险因素的基础上,利用层次分析法对影响石油钻井成本的风险因素进行定量分析,并对风险因素权重进行排序,得出风险因素对钻井成本的影响程度。     

主成份投影法在油气钻井技术评价中的应用

油气钻井技术的评价对于科学合理地制定我国石油工业科技发展战略具有重要意义。针对油气钻井技术的特点,建立了油气钻井技术评价指标体系。指标权重的确定采用权值因子判断法,该方法计算简单、实用。应用多指标评价的新方法—主成份投影法对14项油气钻井技术进行了评价。应用结果表明,该方法是合理的。     

主成份投影法在油气钻井技术评价中的应用

油气钻井技术的评价对于科学合理地制定我国石油工业科技发展战略具有重要意义。针对油气钻井技术的特点,建立了油气钻井技术评价指标体系。指标权重的确定采用权值因子判断法,该方法计算简单、实用。应用多指标评价的新方法—主成份投影法对14项油气钻井技术进行了评价。应用结果表明,该方法是合理的。     

井下仪器电路系统主动降温技术研究现状及发展前景

井下仪器电路系统耐高温问题是制约着钻井工程向深地发展的瓶颈问题之一。阐述了井下仪器电路系统主动降温技术的定义,分类研究了各种主动降温技术的原理及发展现状,评价分析了各种技术的特点,总结了井下仪器电路系统的热量来源及主动降温技术的构成要素。指出降温技术发展的趋势是大制冷量、小尺寸、强适应性及模块化;认识到井下仪器电路系统降温的必要性。建议加强对井下仪器电路系统主动降温装置的设计和研发,掌握井下主动降温关键技术,对优质高效勘探开发深部地层油气藏,保障中国油气资源的供应有重大意义。     

含热力学抑制剂钻井液侵入天然气水合物地层扰动模拟

深水油气勘探开发过程中,为防止井筒内生成天然气水合物,在钻井液中添加水合物热力学抑制剂是有效措施之一。然而含水合物热力学抑制剂钻井液侵入水合物地层的扰动影响鲜有报道。为探究水合物热力学抑制剂对水合物层的扰动规律,利用超声波测试手段,研究了NaCl、乙二醇两类水合物热力学抑制剂钻井液侵入水合物岩样的过程,并讨论了适用于水合物地层钻井液的设计要点。结果表明:含水合物热力学抑制剂的钻井液相比未含抑制剂的钻井液会显著促进水合物分解,且随着抑制剂浓度的增加,水合物分解速度会大幅度增加;NaCl盐类抑制剂促进水合物分解的作用明显强于乙二醇醇类抑制剂;钻井液侵入水合物地层引发的水合物分解呈现非匀速现象。深水钻探水合物地层时,防止地层中水合物的分解与抑制井筒中水合物的生成是相互矛盾的,研发适合水合物地层的钻井液配方来平衡这个矛盾是有效途径。     

浅层页岩气井全生命周期地质工程一体化应用

昭通国家级示范区太阳山地浅层页岩气田作为中国首个工业开发的大型整装浅层页岩气田,目前已进入规模商业开发阶段,证实了盆地外强改造复杂构造区浅层页岩气仍具有较好的勘探开发前景,对中国页岩气的发展具有重要的启示意义。基于太阳山地浅层页岩气田地质工程一体化高效开发创新实践,系统梳理和总结了地质工程一体化的核心内涵,形成了适用于山地浅层页岩气高效勘探开发的地质工程一体化工作方法。勘探开发实践经验表明,基于地质工程一体化综合评价理念,通过一体化评价实施平台,一体化协同地对浅层页岩气井全生命周期进行质效把控,针对地质工程“4Q”品质,即：储层品质（RQ）、钻井品质（DQ）、完井品质（CQ）及开发品质（PQ）进行实时动态评估与生产制度优化调控,进而实现气井提质、工程提效、单井提产。