智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望

智能流体作为一种物理性能“可控”的智能材料，在航天、生物、医疗以及微电子等行业得到了广泛应用。根据智能流体响应条件，将智能流体分为了外场可控智能流体(以磁流变流体和电流变流体为代表)和刺激响应可控智能流体(以智能水凝胶为代表)，系统总结了智能流体的流变机理、研究现状，指出将纳米材料引入智能流体是目前研究热点。在此基础上，介绍了可应用于钻井液中的智能流体室内研究进展，分析了智能流体应用于钻井液的可行性。最后结合智慧油田发展需求，提出了开发智能钻井液、研发智能钻井设备以及智能钻井液操控系统是未来智能钻井发展新方向。     

基于地层性质与环空状态的钻井液流变参数优选

钻井液流变参数优化设计对安全、优质高效钻井有着十分重要的意义,目前国内外还没有系统、科学、定量的优化理论与方法。笔者论述了钻井液流变参数既要适应所钻地层,又要保持良好的环空状态的优选与设计原则。提出了针对不同钻井液体系选择的流变模式,用井壁冲蚀系数、环空岩屑输送比与环空动压系数来表征环空状态的理论,研究建立了基于地层与环空状态的钻井液流变参数优选的理论与方法,为钻井液流变参数定量优选设计及现场优化控制提供了一种新的理论与工艺技术。      

智能测试工具及工艺的研究与应用

针对目前国内卟地层测试技术中出现的问题,为满足未来高温高压、深井、非常规井等测试需要,促使地层测试技术向智能化方¨发展,研制出了智能测试器。工具包括开关阀、智能阀、压控取样器,形成了一套完整的智能测试技术。经过现场试验与应用,各项性能指标均达到设计要求,实现了地层测试向智能化方向发展。可用于套管井、裸眼井地层测试,具有设计科学,智能化高,结构先进、简单、合理,操作简便、安全,使用、维护保养简便等特点。     

临界井径计算分析与工程应用

针对钻井过程中松散砂岩、易水化泥页岩等地层易发生井下井径扩大、缩径甚至卡钻等复杂问题,提出了临界井径的新概念,采用了理论分析与现场模拟等方法,研究了其形成原理、影响因素。建立了临界井径反映井壁受钻井液冲刷的相关规律。为了定量描述井壁受冲刷的程度与井眼变化态势,定义了井壁冲刷系数,并用其来反映在特定钻井液流变参数与钻井液排量联合作用的情况下钻井液对井壁冲刷能力的大小。针对不同地层井壁对冲刷能力的不同需求,提出了基于井壁冲刷系数的钻井液流变参数与排量优选的理论及工程应用方法,并在钻井设计与优化施工中得到了广泛地应用。结果表明,基于临界井径的钻井液流变参数与施工排量优化理论,为钻井液流变参数与施工排量的设计与实施优化提供了一种可行的技术方法。     

考虑井眼清洁条件下的小井眼钻井液性能优化研究

新疆油田玛湖部分区块采用长水平段(超2000 m)小井眼技术进行钻井和开发。在钻井过程中,井眼不清洁导致的卡钻,井筒压力过大导致的漏失问题严重制约了该区块的高效经济开发。钻井液性能的优化是解决上述问题的关键方法之一。为此,采用了CFD数值模拟的方法,建立了环空固液两相流模型,探究了不同钻进参数下钻井液不同流变参数(赫巴流变模型)对岩屑运移和环空压耗的影响。根据数值模拟结果可知:(1)提升钻井液密度有利于提高携岩能力;(2)不同钻进参数下,钻井液流变参数对岩屑运移作用效果不同;(3)钻井液流变参数并非越大越有利于岩屑运移;(4)结合玛湖区块特征,确立了最优钻井液流变参数范围,并将该范围成功的应用于现场。     

干热岩钻井液技术新进展

热岩钻井液遇到的2个主要关键问题是抗高温和堵漏能力。分析了干热岩钻井施工的地质特点和钻井液技术难点,调研了干热岩钻井液体系及现场应用情况,总结了适合不同地层条件的国内外干热岩钻井液新技术,以及现阶段存在的问题,展望了未来的发展方向。目前干热岩钻井液仍是以聚磺钻井液为主的水基体系,已研究出抗高温泡沫钻井液、充气钻井液、液氮流体等,他们在现场的应用效果明显;具有地层伤害小、抗温抗盐、地层适应性强、环境友好等特点的体系是干热岩钻井液未来的发展方向。      

钻井液侵入情况下随钻电磁波电阻率测井的响应

钻井液侵入地层使得井周介质电阻率分布发生变化,从而影响了随钻电磁波电阻率测井的响应。文中基于渗流理论、对流扩散理论及电磁场理论,利用有限元数值模拟技术,定量分析了侵入时间、储层孔隙度等变化对钻井液侵入下随钻电磁波电阻率测井响应的影响。结果表明:钻井液侵入10 min后,随钻电磁波电阻率测井的响应明显受到钻井液侵入的影响;储层孔隙度大于15%时,相位差响应增长超过5%;储层含水饱和度小于60%时,相位差响应增长超过4%;钻井液与地层水的矿化度比值大于0.244时,相位差响应增长超过10%;储层渗透率和压差变化在钻井液侵入情况下对随钻电磁波电阻率测井相位差响应的影响基本固定。研究结果为随钻电磁波电阻率测井解释消除钻井液侵入的影响提供了一定理论基础,对探测深度的综合判断有助于相关仪器的研发和改进。     

超高密度钻井液在官7井的应用

针对赤水官渡地区的地层压力规律性差、异常压力系数高、地层易垮塌、喷漏并存等复杂情况,分析了超高密度钻井液技术难点,在优选处理剂和控制合适的膨润土用量的基础上,确定出了密度大于2.5g/cm3的钻井液配方,即2%膨润土浆 0.2%CPS-2000 0.8%Siop-E 0.3%LV-CMC 3%SMC 3%SMP 2%聚合醇 5?T-1 (1%~3%)NCQ 2%KCl 1?Cl2,并对该钻井液的配制、维护提出了具体要求。室内实验表明,超高密度钻井液性能稳定,具有良好的抗盐水能力,沉降稳定性好,满足了超高压地层压井的需要。超高密度钻井液在官7井压井过程中,钻井液密度高达2.64g/cm3,钻井液沉降稳定性和流变性能良好,上下密度差不大于0.02g/cm3,未发生重晶石沉降现象,为压井安全施工提供了保障。超高密度钻井液配方简单,易于维护。     

水平井吞吐智能配水器设计及研制

针对目前水平井吞吐分段注水尚处于初级摸索阶段,且存在后期测试调配成本高以及无法实时监测地层数据等问题,设计研发了水平井吞吐智能配水器。同时对配水器关键部件进行理论强度校核,并开展室内密封性、耐温耐压性、流量计及压力传感器等性能评价,试验结果均满足生产设计需求。2016年开展现场试验3口井,实现分层流量井下自动测调、后期无需测调、生产数据(流量、温度、压力)实时存储和兼顾地层压降测试功能,最大程度满足了水平井吞吐分注及测试要求。该产品的成功研制对于水平井吞吐分注技术的推广应用具有一定的促进作用。     

米泉区块井壁稳定性分析及钻井液的优选

准噶尔盆地南缘山前构造带米泉区块由于构造运动激烈,地层稳定性差,存在大段强水敏性泥岩和煤层。根据米泉1井实钻资料和岩屑分析了易塌和易水化缩径地层的地质特点,编制了米泉区块复杂地层三项压力预测软件,应用米泉1井测井数据计算了3个压力剖面,并据此分析了坍塌地层合理的钻井液密度窗口。在此基础上,对比研究了加入聚合醇的甲酸盐钻井液体系和两性离子钻井液体系。实验和现场应用结果表明,甲酸盐钻井液体系具有稳定井壁、抑制造浆、润滑防卡、抗黏土污染、流变性能好等特点,更适合米泉区块钻井的需要。     

用有机胺处理剂解决高温钻井液流变性调整困难问题

在胜利油田深部泥岩地层钻进时,由于井内温度高、高密度钻井液固相含量高,特别是低密度固相含量高,同时因地层等原因产生的以CO32、HCO3-为主的无机离子的影响,导致钻井液流变性能难以控制.有机胺处理剂由于具有极强的抑制黏土水化分散的能力,对黏土等低密度固相起到了"钝化"作用,能够明显改善钻井液的流变性,提高钻井液的稳定性.通过在利深102和桩古18-3井的应用,表明有机胺处理剂是解决胜利油田深部泥岩地层施工中钻井液流变性能控制的有效办法.     

基于多孔介质热弹性理论的井壁诱导缝成因

常规纯弹性理论通常把钻井过程中直井井壁诱导缝的形成归结为钻井液密度过高或者水平主应力差值过大,然而该理论却并不能完全合理地解释深井井壁诱导缝的成因。为揭示井壁诱导拉伸缝形成机理,考虑钻井液循环期间低温钻井液与高温井壁围岩的热交换,基于多孔介质热弹性力学理论,建立了适于深部地层的井壁稳定分析模型,研究了流固热耦合作用下的井周周向有效应力、孔隙压力与温度分布计算模型。计算结果表明:(1)在最大水平地应力方位,井眼钻开初期多孔弹性作用居于主导,孔隙压力在近井壁地带出现谷值,对诱导缝的形成起到了抑制作用;(2)然而随着钻井液与地层热交换的进行,钻井液的冷却作用愈加重要,井周周向有效应力由挤压状态逐渐转变为拉伸状态,从而导致近井壁地带诱导缝的形成。结论认为,为避免诱导缝的形成,在工程上一方面需加强钻井液的封堵性,控制液柱压力向井周的扩散;另一方面也可以通过调整优化钻井液密度与流变性能,控制井底钻井液当量密度(ECD)。     

离子色谱录井地层水识别方法

随着钻井工艺及钻井液技术的突飞猛进,录井施工面临的环境越来越复杂,传统的录井氯离子滴定分析技术已经不能满足现场有效识别地层水的需要。虽然离子色谱录井技术在这方面具有独特的优势,但受限于复杂钻井液体系、钻井液滤液分析代表性以及分析数据准确性等因素的影响,该技术在地层水识别方面尚未得到广泛应用。通过对XX气田须家河组地层水地球化学特征的分析研究,结合实验室内钻井液滤液分析结果,建立了正常钻进、弱异常显示钻进和复杂钻井液体系条件下识别须家河组地层水的3种经验识别方法;运用聚类分析、概率分布统计方法,挖掘Na~+、Cl~-增长率区间分布规律,建立了离子色谱录井地层含水程度判别标准和图板;为进一步明确地层水成因与水型,给出了苏林地层水成因与水型判别标准。现场应用表明,离子色谱录井技术在识别地层水以及不同含水程度储集层方面效果显著,具有识别简便、直观的特点。     

论智能钻井理论与技术及其发展

复杂地质条件下，钻井工程会遇到大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，迫切需要智能钻井理论与技术来解决以上难题。将理论与实践结合，论述了第一代和第二代智能钻井技术的发展历程和技术价值，后者能够更广泛更全面地集成当代高科技和当代钻井、测井、录井等成果，将成为今后的主流钻井技术，其主要工作与关键技术是设计研制电子钻柱。分析了未来智能钻井技术的其他研究方向，深入研究了智能钻井的基本理论、基本技术及其概念与内涵。重点介绍了正在研发中的基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术，论述了其主要的研究内容和技术难点。基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术具有众多优点，可彻底解决第一代智能钻井技术的瓶颈问题。     

孔隙-裂缝性漏失层防漏堵漏技术

本文针对LZ地区地质特征,在分析钻井井漏的基础上,以架桥性材料有机智能可变形堵漏剂SY-5和膜承压材料双膜承压处理剂SY-20复配,探讨既能封堵孔隙-裂缝性地层漏失,又能适当提高地层承压能力的钻井液技术及施工工艺。实验结果表明:加入SY-5和SY-20后,钻井液的流变性能变化不大,但降滤失性能明显提高,加入1.5%SY-20+2.5%SY-5后,钻井液的API和HTHP滤失量分别从20.0 mL和38 mL降为8.5 mL和14 mL;SY-5与SY-20复配使用后能有效建立封堵膜,而且一旦形成就不会有钻井液漏失,砂床的承压强度由0提高到10 MPa,岩心承压强度由3.2 MPa提高到25 MPa。使用该技术在LZ地区孔隙-裂缝性发育的易漏失井段进行现场应用,安全钻井液密度由1.10 g/cm3提高到1.20 g/cm3,显著提高了地层的承压能力,解决了LZ地区沙河街组生物灰岩地层漏失技术难题。表3参3     

一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:(1)井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;(2)井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在?215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;(3)增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;(4)深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。     

深水钻井液国内外发展现状

分析了墨西哥湾、巴西、西非等深水区块地层特性，介绍了深水盐层特性以及钻井过程中面临的技术挑战，并针对深水盐岩及活性泥岩等复杂地层对钻井液设计提出了要求，结合国内外不同公司研制开发的深水高性能水基钻井液以及深水恒流变合成基钻井液体系，归纳总结了深水钻井液国内外发展现状。      

赤水地区深井超高密度钻井液技术问题的研究及应用

针对赤水地区深井段、地层异常高压（实测地层压力系数2．85～2．87）、多压力系统、高压盐水层等特点,通过室内优选评价出超高密度抗盐水钻井液体系中主体处理剂以及须表面进行特殊处理的加重剂一重龋石,确 保了超高密度抗盐水钻井液体系在密度为3．02g/cm^3,体系固相含量达极限的条件下其流动性、抗污染能力、热稳定性等技术难点都得以很好的控制和解决。经现场应用,体系性能稳定无沉降,所使用井段安全钻进无阻卡。完全满足在赤水地区深井段、地层异常高压、多压力系统、高压盐水地层钻井勘探施工的需要。重晶石对超高密度钻井液流变性能有非常重要的影响,重晶石参与体系凝胶结构的形成,这是对超高密度钻井液体系流 变机理认识上的一个突破;同时为在此特殊地层钻井勘探提供了钻井液技术保证,完成了处理超高压力的钻井液技术储备。     

东海某气田大位移井钻井液技术室内研究

依托平湖气田平台现有设施,利用大位移井可实现东海某边际气田难动用储量的经济开发,但目前东海海域尚未有大位移井的应用实践,东海复杂的地层情况给大位移井开发带来了前所未有的挑战。对东海某大位移井油基钻井液技术开展室内研究和评价,建立了一套大位移井油基钻井液体系。试验结果表明,该油基钻井液性能稳定,有着合适的流变参数,能够满足大位移定向井井眼清洁的携砂性能,具有降低钻具旋转摩阻性能防止地层垮塌及煤层坍塌的封堵性能,并在需要时可以及时消除高压疏松易漏地层的钻井液漏失,能够满足东海大位移井钻井技术的实践要求。     

钻井过程中钻井液循环温度数值模拟

准确的预测钻井液循环温度对钻井作业安全、快速钻进具有十分重要意义。文章根据热力学第一定律及传热学的基本原理,考虑了钻井液传热受流动影响,建立了钻井液与地层之间的二维非稳态循环温度数学模型,模型通过优选钻井液流变模式,精确计算钻井液流变参数,并采用无条件稳定的全隐式有限差分法求得模型的数值解,提高了预测精度。最后用现场实测数据与模型计算数据进行了对比分析,验证了该模型的可行性和准确性。该模型可用于计算实际循环条件下的管柱内钻井液、管壁、环空钻井液与地层的温度分布,为准确预测钻井安全密度窗口和钻井液设计提供基础数据。