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中国石油陆相页岩油钻井技术现状与发展建议

新疆石油天然气 2024年第3期20卷 1-14页

作者：汪海阁常龙卓鲁斌席传明欧阳勇中国石油集团工程技术研究院有限公司北京昌平102206 油气钻完井技术国家工程研究中心北京昌平102206 中国石油新疆油田分公司新疆克拉玛依834000 中国石油长庆油田分公司陕西西安710018

中-高成熟度页岩油是中国页岩油战略突破的重点领域,加强陆相页岩油勘探开发是保障国家能源供应安全的重要途径。详细介绍了中国石油天然气集团有限公司(简称中国石油)在鄂尔多斯、准噶尔和松辽等盆地页岩油钻井工程技术进展。包括大平... 详细信息

中-高成熟度页岩油是中国页岩油战略突破的重点领域,加强陆相页岩油勘探开发是保障国家能源供应安全的重要途径。详细介绍了中国石油天然气集团有限公司(简称中国石油)在鄂尔多斯、准噶尔和松辽等盆地页岩油钻井工程技术进展。包括大平台工厂化布井、水平井井身结构优化、分井段“一趟钻”、水平井高性能钻井液、一体化地质导向等关键技术。对标北美先进页岩油钻井技术,分析了国内页岩油钻井在布井方式与井身结构、地质工程一体化及导向技术、钻井提速配套技术、钻井液及固井配套技术等方面的差距和发展趋势。提出了持续推进大平台工厂化作业和优化井身结构、集成配套提速技术、加强地质工程一体化研究和加快新一代导向工具研发攻关等发展建议,以促进陆相页岩油钻井提速、降本、增效,引领页岩油革命工程目标实现。

关键词：中国石油页岩油钻井水平井关键技术页岩油革命

考虑初始状态影响的套管—水泥环—地层系统力学分析模型及应用

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考虑初始状态影响的套管—水泥环—地层系统力学分析模型及应用

作者：席传明中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

保持井筒完整性不发生结构性破坏、确保井筒维持正常功能,是安全、优质、高效进行钻井和生产作业的重要保证。套管-水泥环-地层系统的应力状态分析是井筒完整性设计和校核的基础。但是,现有解析模型和大部分有限元模型遵循“先建模后加... 详细信息

保持井筒完整性不发生结构性破坏、确保井筒维持正常功能,是安全、优质、高效进行钻井和生产作业的重要保证。套管-水泥环-地层系统的应力状态分析是井筒完整性设计和校核的基础。但是,现有解析模型和大部分有限元模型遵循“先建模后加载”的思路,尚未考虑系统初始受力状态的影响,仅有少数有限元模型考虑了水泥环初始应力的影响,却忽略了井壁初始变形影响,给出的计算结果和认识不够全面。为了准确分析井筒系统的应力和变形,更好的指导井筒完整性设计和校核,在前人研究的基础上,综合考虑油气井建井过程和水泥环多孔介质特性,探讨了水泥浆候凝结束的初始时刻套管、水泥环和地层对应的初始作用力,将套管-水泥环-地层系统划分为初始受力状态、虚拟的完全卸载状态以及重新加载状态;基于水泥环和地层的多孔介质假设,应用弹性力学厚壁圆筒理论和修正的位移连续条件,建立了考虑初始状态影响和未考虑初始状态影响的系统力学解析模型。通过实例对比分析两种力学模型得出的应力分布,以及两种模型受套管内压、水泥石力学参数、以及地层力学参数的影响规律。系统在对应位置上的应力大小存在较大差异,在一定的内外压条件下,水泥环应力分布规律发生了反转。因此,在求解套管-水泥环-地层系统应力分布时,考虑系统初始受力状态影响是十分必要的。还以水泥环完整性分析为例,探讨了考虑初始状态影响的系统模型在井筒完整性设计和校核中的应用。其中,借助水泥环失效准则定义了无量纲的拉伸失效指数、剪切失效指数和等效应力失效指数,结合实例进行水泥环力学完整性评价分析。实例分析表明,应用本文建立的套管-水泥环-地层系统力学模型,可以给出既定油气井后期作业合理的套管内压变化范围,也可以根据后期作业工程要求对水泥石力学性能参数进行优化。

关键词：井筒完整性应力分析模型多孔介质初始受力状态水泥环失效

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七段式三维水平井井眼轨道设计方法

石油钻采工艺 2023年第1期45卷 25-30页

作者：赵廷峰叶雨晨席传明吴继伟史玉才中国石油新疆油田分公司中国石油大学(华东)石油工程学院

国内页岩油气储层埋深较大,传统的五段式三维水平井轨道难以满足优快钻井需求。鉴于此,提出了“垂直段−增斜段−稳斜段−扭方位段−稳斜段−增斜段−水平段”七段式三维水平井轨道,给出了与之对应的基本方程组(三元非线性方程组),将上述七段... 详细信息

国内页岩油气储层埋深较大,传统的五段式三维水平井轨道难以满足优快钻井需求。鉴于此,提出了“垂直段−增斜段−稳斜段−扭方位段−稳斜段−增斜段−水平段”七段式三维水平井轨道,给出了与之对应的基本方程组(三元非线性方程组),将上述七段式三维轨道拆分至2个铅垂面和1个斜平面上,建立了与之等效的3个二元非线性方程组,降低了求解难度。实例分析表明,储层埋深较大的丛式三维水平井采用七段式轨道能够显著缩短三维扭方位段长,有助于降低井眼轨迹控制难度并提高钻井速度。该研究成果能够为丛式三维水平井轨道设计提供技术支持。

关键词：三维水平井井眼轨道设计数学模型求解方法摩阻扭矩

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锥形PDC齿和常规PDC齿混合切削破岩试验研究

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石油机械 2023年第3期51卷 33-39页

作者：张文波史怀忠席传明张楠熊超陈振良中国石油新疆油田分公司工程技术研究院中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室

混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地... 详细信息

混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地层设计并开展了锥形齿和常规齿混合切削试验,探究了同轨道切削顺序、切削齿高差和异轨道锥形齿间距、切削齿高差对破岩效果的影响规律。研究结果表明:对于同轨道混合切削,采用先锥形齿后常规齿的切削顺序可以使锥形齿和常规齿的破岩效率都达到最佳,获得最佳的整体破岩效果;对于异轨道混合切削,随着锥形齿间距的增加,切削力和破岩比能先减小后增大,而破岩体积先增大后减小;当锥形齿间距为18 mm时,切削力和破岩比能同时达到最小值,分别为4252 N和108 MPa,最优锥形齿间距为18 mm。所得结论可为适用于硬岩地层钻进的混合布齿PDC钻头设计提供指导。

关键词： PDC钻头混合布齿锥形齿破岩比能混合切削同轨道切削

基于水泥环完整性分析的许用套管内压力解析计算方法

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天然气工业 2017年第7期37卷 89-93页

作者：史玉才管志川席传明苗在强付成林中国石油大学(华东)石油工程学院中国石油新疆油田公司

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条... 详细信息

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条件下的套管—水泥环—地层系统的应力分析解析模型,针对多种水泥环破坏形式,推导出了受其作用下的水泥环径向开裂、剪切破坏、胶结面剥离等破坏条件的许用套管内压力解析计算公式。研究结果表明:(1)按水泥环径向开裂和剪切破坏条件分别求出最大允许套管内压力,推荐采用二者中的较小值作为最大许用套管内压力;(2)按水泥环胶结面剥离条件求出最小允许套管内压力,推荐将其作为许用套管内压力。结论认为,套管内压力升高可能导致水泥环径向开裂和剪切破坏,套管内压力及温度降低可能导致水泥环胶结面剥离,应综合考虑水泥环破坏条件合理确定出最大和最小许用套管内压力。

关键词：水泥环应力径向开裂剪切破坏胶结面剥离解析模型破坏条件套管内压力

吉木萨尔页岩油藏超长水平井水平段长度界限研究

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特种油气藏 2020年第4期27卷 136-142页

作者：石建刚席传明熊超吴继伟杨虎中国石油新疆油田分公司新疆克拉玛依834000 中国石油大学(北京) 新疆克拉玛依834000

页岩油气开发实践表明,较长的水平段有利于提高单井控制储量与经济效益。与美国相比,中国页岩油气埋藏深度相当,但水平井的水平段长度差距较大。优化钻井技术、提高水平井水平段长度已成为现阶段中国非常规油气藏水平井钻井技术难题之... 详细信息

页岩油气开发实践表明,较长的水平段有利于提高单井控制储量与经济效益。与美国相比,中国页岩油气埋藏深度相当,但水平井的水平段长度差距较大。优化钻井技术、提高水平井水平段长度已成为现阶段中国非常规油气藏水平井钻井技术难题之一。以吉木萨尔页岩油藏超长水平井为例,分析了制约水平段长度的关键因素,包括额定泵压、钻井液安全密度窗口、钻柱和套管屈曲等,推导了水平井管柱摩阻-扭矩计算模型。基于吉木萨尔页岩油藏JHW00421井地质条件和现有钻井设备工艺参数,优化了井眼轨迹与钻具组合,研究了避免钻柱与套管屈曲的技术条件,制订了水平段长度为3500 m的钻井技术方案,该井最终完钻井深为5830 m,水平段长度为3100 m,达到钻井方案设计要求。该项技术为页岩油藏超长水平井的实施提供了技术参考。

关键词：页岩油藏超长水平井井眼轨迹管柱屈曲吉木萨尔

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插针式水力振荡器的研制及应用

石油机械 2021年第11期49卷 17-23页

作者：史怀忠成鹏飞穆总结席传明中国石油大学(北京)油气资源与探测工程国家重点实验室中国石油大学(北京)克拉玛依校区油气资源与探测国家重点实验室克拉玛依分室中国石油新疆油田分公司工程技术研究院

针对常规水力振荡器无法适应油基钻井液及井底高温环境的技术现状,进行了插针式纯金属水力振荡器的研究。分别模拟了滑套与滑套筒连通及闭合两种极限条件下的流场分布,分析了振荡活塞断面所受作用力的变化规律。研制的插针式水力振荡器... 详细信息

针对常规水力振荡器无法适应油基钻井液及井底高温环境的技术现状,进行了插针式纯金属水力振荡器的研究。分别模拟了滑套与滑套筒连通及闭合两种极限条件下的流场分布,分析了振荡活塞断面所受作用力的变化规律。研制的插针式水力振荡器在JHW058**井进行了现场试验,试验结果表明:该振荡器通过脉冲压力驱动花键心轴,产生高频低幅的振动冲击,将井底钻柱与井壁之间的静摩擦转换为动摩擦,大幅降低摩擦因数,保证了有效钻压的实时传递,可达到提速效果;没有定转子结构部件,机械加工简单,成本较低;其纯金属设计可满足油基钻井液环境下长寿命钻井技术要求,同时可适用在高温高压地层的钻井作业中。插针式水力振荡器的研制与应用可为我国页岩油气田低成本高效开发提供技术参考。

关键词：水力振荡器仿真模拟端面压力振动冲击现场试验

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小斜度井段严重托压原因及对策分析

石油机械 2021年第10期49卷 24-29页

作者：路宗羽史玉才吴继伟席传明张楠中国石油新疆油田分公司工程技术研究院新疆克拉玛依市834000 中国石油大学(华东)石油工程学院

为了解决小斜度井段严重托压问题,分析了井壁出现台阶或斜坡的主要原因,建立了井壁有台阶时弯螺杆钻具的钻压传递规律分析模型,结合钻井实例模拟分析了钻压传递规律。分析结果表明:地层可钻性差异和钻进方式交替导致井壁有台阶、弯螺杆... 详细信息

为了解决小斜度井段严重托压问题,分析了井壁出现台阶或斜坡的主要原因,建立了井壁有台阶时弯螺杆钻具的钻压传递规律分析模型,结合钻井实例模拟分析了钻压传递规律。分析结果表明:地层可钻性差异和钻进方式交替导致井壁有台阶、弯螺杆钻具稳定器陷入井壁及其前导角较大导致小斜度井段出现严重托压;减小井壁摩擦因数和弯螺杆钻具稳定器前导角可有效缓解小斜度井段托压问题。研究结果能够为弯螺杆钻具稳定器设计和小斜度井段定向钻进提供技术支持。

关键词：托压小斜度井段井壁台阶弯螺杆钻具摩擦因数前导角

吉木萨尔页岩油水平井JHW00421井钻完井关键技术

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石油钻采工艺 2020年第6期42卷 673-678页

作者：席传明史玉才张楠王雪刚吴继伟中国石油新疆油田分公司工程技术研究院中国石油大学(华东)石油工程学院

JHW00421井是吉木萨尔油田第1口超长水平段页岩油水平井,设计水平段长度3027 m,面临钻进摩阻及扭矩大、井壁易失稳、井眼轨迹控制难度大、井眼清洁难度大、油层套管下入困难等诸多钻井难题。为攻克以上技术难题,开展了以下技术研究和现... 详细信息

JHW00421井是吉木萨尔油田第1口超长水平段页岩油水平井,设计水平段长度3027 m,面临钻进摩阻及扭矩大、井壁易失稳、井眼轨迹控制难度大、井眼清洁难度大、油层套管下入困难等诸多钻井难题。为攻克以上技术难题,开展了以下技术研究和现场实践:优化井身结构并将Ø244.5 mm技术套管下至A靶点以实现水平段专打;采用旋转导向工具对水平段轨迹进行精准控制并减小井眼曲折度;采用油水比85∶15的油基钻井液,降低长水平段井壁失稳风险、钻井管柱与井壁摩阻系数;基于水平井井筒清洁“传输带”理论,制定详细的井筒清洁技术方案以确保井筒“干净”;优选套管柱摩阻计算模型并合理选取摩阻系数,准确预测套管柱下入能力并优选下套管方案;采用多扶正器通井钻具组合、优化套管扶正器类型及安放位置以降低下套管阻力;采用油基冲洗型隔离液并优选注水泥参数来提高水平段固井质量。该井完钻井深5830 m,实际完成水平段长度达3100 m,水平段固井质量测井解释为优质,对今后同类超长水平段水平井设计和施工有借鉴和指导作用。

关键词：吉木萨尔页岩油长水平段水平井钻完井油基钻井液下套管注水泥