气体钻水平井关键技术研究

气体钻水平井技术为开发低孔、低渗透、低压(三低)油气藏开辟了一条技术途径,气体钻水平井技术是未来钻井技术的一个重要发展方向。采用气体钻水平井技术能及时发现和有效地保护油气藏,提高机械钻速、油气采收率和单井产量。但气体钻水平井技术还处于发展阶段,尚存在相应的关键技术问题亟待解决。 本文针对气体钻水平井的主要关键技术问题进行了系统研究,包括气体钻水平井最小注气量计算方法、地层出水与井下复杂、钻头流场特性、井眼轨迹控制、岩屑床清除技术和岩爆发生理论。 (1)从力学分析入手,引入相关理论,根据气体钻水平井不同井段的携岩特性,建立了不同井段满足携岩要求的临界气体流速的模型,提出了气体钻水平井全井段的最小注气量的计算方法和公式。以川中G-002井为例,对其全井段的最小注气量进行了验算,计算结果印证了方法的合理和可行性,并对气体钻水平井最小注气量的影响因素进行了敏感性分析,从而得出岩屑颗粒直径、机械钻速、井斜角、井眼粗糙度、岩屑内摩擦系数和迎风面积系数对气体钻水平井最小注气量的影响规律。 (2)分析了地层出水特征,建立了气体钻水平井地层出水预测模型,对气体钻水平井地层诱导出水机理进行了数值模拟,结果表明渗透率是地层诱导出水的主要影响因素,毛管力、化学势能和环空返速对地层诱导出水也有影响。 (3)分析了气体钻水平井地层出水全井段环空流动特性,并对其每个阶段进行了详细描述,在此基础上,提出了定量计算地层临界出水量的方法和公式,编制了计算程序,并做了实例计算和影响因素敏感性分析。得到注气量、井深和井斜角与地层临界出水量之间的关系以及不同影响因素对不同井段地层临界出水量的影响规律。川中H-1井和塔里木LX-1井计算所得临界出水量的值与实测临界出水量的值很接近,误差均在5%内,满足工程要求。分析了气体钻水平井地层出水发生井下复杂的机理并描述了其发生过程,通过实验评价了气体钻水平井地层出水与井下复杂的关系。 (4)基于CFD技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻水平井的钻头井底流场进行了数值模拟,对模拟结果进行了分析,得出井斜角、喷嘴角度(PDC钻头)、喷嘴倾角(三牙轮钻头)对气体钻水平井井底流场的影响规律,为钻头流体力学参数优化设计提供了理论基础。 (5)自主研发了带稳定器PDC钻头。对带稳定器PDC钻头进行了力学分析,建立了力学模型,在此基础上,对带稳定器PDC钻头的造斜能力进行了计算和分析,得出钻头稳定器长度和位置对钻头造斜率和底部钻具扭矩的影响规律。对带稳定器PDC钻头进行了优化设计,在此基础上,加工试制了6-5/8"带稳定器PDC钻头,并投入现场应用,现场试验表明：使用该带稳定器PDC钻头在定向钻进过程中造斜率高,能够使1.5°螺杆达到1.75°甚至更高度数螺杆的造斜率,并能有效解决托压和摩阻较大的问题。 (6)提出了气动机械式旋转导向钻具。对气动机械式旋转导向钻具的结构特点、工作原理及具体实施方式进行了阐述和分析,对偏置作用下的转动轴进行了力学分析,建立了力学模型,并进行了优化求解,在此基础上,对偏置作用进行了有限元模拟。所得结果印证了该工具的合理和可行性,为其后期进一步的研发提供了理论依据。 (7)提出了一种新型岩屑床清除装置及其方法。分析了该装置的结构特点和工作原理、提出并阐述了其具体实施方式及技术方案,在此基础上,通过流场数值模拟,对旁通孔轴线与外壳中心线的夹角α进行了优化。结果表明：基于该新型岩屑床清除装置的气体钻水平井岩屑床清除技术及方法,解决了气体钻水平井过程中产生岩屑床的问题,能够达到有效破坏并清除岩屑床的效果,且操作简单方便,α取30～60°最优。 (8)综合应力集中理论、损伤理论、突变理论分析了气体钻水平井岩爆发生机理,并从能量耗散与释放的角度对气体钻水平井岩爆发生的整个过程予以了解释。考虑高压渗流附加应力的影响,对气体钻水平井钻开不同高压气层前后的井眼附近岩石力学行为进行了有限元模拟,从而得到气体钻水平井岩爆发生的基础理论。在此基础上,提出了气体钻水平井岩爆预防措施和岩爆防堵技术方案。 本论文提出的理论、模型、方法以及设计和技术方案,为解决气体钻水平井关键技术难题提供了理论基础和技术支撑,丰富了气体钻水平井的理论体系,对气体钻水平井技术的研究和发展具有重要的现实和指导意义。