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破岩与高压水射流实验室针对深层、非常规、低渗、深水等复杂油气钻完井技术难题,围绕新型射流径向井钻完井一体化、新型射流破岩机理与钻井提速、非常规储层射流改造机理与增产、复杂油气智能钻完井、地热资源高效开发等方向开展理论与技术研究。

实验室现有科研人员25人,其中教授级高工(教授)11人、高工(副教授)12人。NSFC杰青2人、NSFC优青1人,获孙越崎能源大奖1人、教育部新世纪优秀人才1人、全国优秀博士学位论文及提名各1人。近年来累计承担973、863、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家油气重大专项等国家级项目(课题)40余项,研究成果在全国陆上和海上10多个油气田试验和示范,生产效益显著。获省部级奖20余项,发表学术论文300余篇,出版中英文专著4部、教材1部,授权发明专利90余件、国际发明专利3件,登记计算机软件著作权20余件。

实验室拥有自主研发的水力喷射径向井综合实验系统、真三轴压裂钻井地热综合实验系统、围压热力射流实验系统、高压磨料射流实验系统等20余套标志性实验设备,实验总体能力达到国际一流水平。

新型射流破岩机理与钻井提速技术
简介:将水热流技术与钻井工程相结合,开展提高射流再井底工作效率的研究,在淹没非自由射流动力学规律、自振空化射流理论和水力-机械联合破岩理论方面取得了重大突破与进展,发明了加长喷嘴压轮钻头、自振空化射流钻头、水力脉冲空化射流提速技术等,在国内外油气田推广应用,获2007年国家科技进步二等奖。
主要研究包括:新型介质超高压射流破岩理论与技术;轴-扭欧和冲击钻井提速技术;个性化PDC钻头设计等。
新型射流径向井钻完井一体化方法
简介:水力喷射径向微小井眼技术可在套管内实现超短半径转向,在储层形成“一井多层、同层多支”的径向油气运移“高速路网”,可为老油田挖潜、非常规改造、地热资源开发等领域提供一项革命技术。
主要研究包括:新型射流径向水平井技术;径向水平井符合压裂技术;径向水平井筛管钻完井一体化技术;径向水平井增注增产机理与产能预测。
非常规储层射流改造机理与增产技术
简介:水力压裂是高效开发非常规等油气资源的关键技术和重要方向。提出了集喷砂射孔、水力压裂、分段封隔一体化的学术构想,发明了自主知识产权的水力喷砂射孔与分段压裂联作技术,在国内外油气田千余井次推广使用,获2012年国家技术发明二等奖。
主要研究包括:水力喷射压裂完井增产机理与方法;非常规储层复杂流动规律与产能预测;水平井多级压裂完井参数设计方法;超临界CO2/液氮压裂机理与方法。
复杂油气智能钻完井理论与技术
简介:智能钻完井融合了人工智能、大数据、物联网和云计算等技术,利用地面智能装备、井下智能执行机构和智能诊断与决策系统,实现复杂油气钻完井过程的超前感知、协同优化、闭环调控和智能决策。有望大幅度提高储层钻遇率和采收率,实现安全经济高效钻完井。
主要研究包括:机械钻速智能预测与综合优化;钻井风险智能预测、诊断与调控;井筒多相流压力智能预测与控制;非常规油气水压裂智能设计与优化;钻完井多目标协同优化与智能决策。
地热资源高效开发理论与技术
简介:针对高温硬岩钻速慢、热储改造难喝取热效率低等关键难题,在国家重点研发计划、NSFC重点国家合作等资助下,研发了适用于高温岩样的个性化PDC钻头、揭示了干热岩滑移剪切造缝机理,提出了地热多分支径向井钻完井一体化开采新思路,构建了井筒-热储流动传热多场耦合模型和取热性能优化方法,发明了“取热不取水”的单井高效热提取系列技术,建立了我国地热领域首个“111计划”引智基地。
主要研究包括:高温热储钻井岩石破碎机理与提速技术;干热岩储层造缝机理与EGS建造技术;低渗透热储堵塞机理与增产增注新技术;单井自循环注采“取热不取水”技术;流动传热多场耦合模型与取热性能优化。
  • 张立刚
  • 毕雪亮
  • 李士斌
  • 李玮
  • 纪国栋
  • 黄志强
  • 邓嵘
  • 汪海阁
  • 黄洪春
  • 李根生
  • 黄中伟
  • 田守嶒
  • 宋先知
  • 牛继磊
  • 史怀忠
  • 汪志明
  • 王海柱
  • 盛茂
  • 穆总结
  • 张逸群
  • 杨睿月
  • 李敬彬
  • 曾泉树
  • 武晓光
  • (1)水力脉冲射流振动+个性化PDC钻头提速技术

    我国深部资源储量巨大,是我国能源的重要接替领域。但是深部地层岩石存在硬度大、致密难钻等难题,制约了深部储层的高效开发和利用。针对以上难题,本研究室提出了水力脉冲射流振动+个性化PDC钻头一体化钻井提速技术。通过设计并开展PDC钻头单齿破岩实验,揭示常规齿和异形齿的破岩机理;研制水力脉冲射流振动提速工具,研究不同排量下提速工具的振动频率、冲击力幅值等参数的变化规律,优化工具结构、优选工作参数;研制与提速工具相匹配的个性化PDC钻头,对钻头切削和水力结构进行优化设计,明确钻头本体结构、钻头齿类型、钻头内流道结构等参数的影响规律。相关成果发表于International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences、Journal of Petroleum Science and Engineering等能源领域重要国际期刊。水力脉冲射流振动+个性化PDC钻头提速技术在西藏、四川、江苏、雄安、东北吉林、淮南等10余个油田应用千余井次,平均机械钻速提高20%以上


    (2)水力喷射径向水平井技术

    我国老油田、非常规、低渗、深层、深水等复杂环境油气资源储量丰富,开发前景广阔。但常规的钻井方法面临有效性和经济性的重大挑战,亟需一种新型的钻完井技术。径向水平井技术(RJD)可在储层形成“一井多层、同层多支”的径向油气运移“高速路网”,有望经济高效开发上述油气资源。但在应用过程中存在管柱送进摩阻大、水力破岩效率低、孔眼轨迹不确定等难题。针对上述难题,研发了直-旋混合磨料射流喷嘴、低转向阻力转向器、小尺寸轨迹测量工具;优化了进地层管材质、射流破岩参数、径向井施工参数;编制了水力参数计算软件、轨迹测量软件;最终形成了水力喷射径向水平井高压软管方案、旋转磨料射流径向水平井方案、轴管钻进径向水平井技术方案和柔性钻具侧钻径向水平井技术方案。上述4种方案使得径向井技术适用于各种尺寸井眼及各种类型储层地层。相关成果发表于SPE drilling & Completion、International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences等期刊。在重庆大足、山西临汾、湖北荆州等地展开现场实验,取得了较好的应用效果。


    (3)中深层地热高效钻采关键技术

    我国中深层地热资源储量丰富,开发前景广阔。但在资源开采过程中会面临尾水回灌困难、单井产量低、高效完井取热方法缺乏等难题。针对上述难题,提出了中深层地热高效钻采关键技术。通过明确导热材料与固井水泥的最优匹配参数,优化设计双层隔热管保温结构,发明了水力喷射多分支井强化取热+双层管高效保温隔热的完井取热新方法;通过建立复杂缝网条件下井-储多尺度多场耦合模型,阐明了流体-岩石的热流固化耦合作用机制;通过数值分析和数理统计手段,实现了多场多因素耦合下地热开发方案的优化设计。相关成果发表于Applied Energy、Renewable Energy等能源领域的重要国际期刊。中深层地热高效钻采关键技术在雄安地热井成功示范应用,减少开采流体热量损失达90%以上,实现了中深层地热高效开采方法的突破。



    (4)超临界CO2喷射压裂技术

    随着全球经济快速发展,CO2排放量与日俱增。从2008年开始我国CO2年排放量超过百亿吨,约占全球29%,减排压力较大。同时,将CO2用于储层压裂改造可有效降低储层伤害、改善储层物性,降低岩石起裂压力,形成复杂裂缝网络,并且CO2吸附性强,能够在置换页岩中吸附的甲烷分子提高产量和采收率的同时,实现CO2的永久埋存。针对上述难题与优势,设计了超临界CO2喷射压裂工具及工艺流程,建立了超临界CO2压裂流体注入与压后返排井筒流动模型;编制了超临界CO2井筒压力温度计算软件,提出了超临界CO2压裂井筒流动控制方法;绘制了考虑热量源汇的超临界CO2压裂井筒温压分布图谱,剖析了压裂过程中井筒轴向和径向双重换热机理,制定了超临界CO2压裂返排抑制水合物生成方案。最终形成超临界CO2射流、射孔-压裂联作、水力封隔的喷射压裂技术方案,解决了不下机械封隔器即可实现超临界CO2分段压裂的难题。研究成果发表于Journal of Petroleum Science and Engineering、Journal of CO2 Utilization、SPE Journal等期刊。目前超临界CO2喷射压裂技术已形成了特定的工艺流程,在加砂规模和强度方面形成了设计标准。经过延长、江汉等多个油田现场试验,已成功应用45口井,压后平均增产50%~150%,采出气CO2浓度仅为2%,与原始页岩气中CO2含量接近,证明了超临界CO2压裂达到了在提高产量的同时,实现CO2永久埋存的双重技术效果,为我国“双碳”目标的达成探索出了新的途径,经济和社会效益显著。


    (5)天然气水合物水力喷射径向水平井+筛管完井一体化开采技术

    我国南海天然气水合物资源储量巨大,但储层丰度低、非均质性强、渗透率低。开采技术面临多重挑战,包括钻完井安全风险大、开采过程大量出砂及储层改造难等。为大幅提高单井产量至商业化开采水平,本实验室基于增大水合物分解阵面、扩展储层径向通道的思路,提出了水力喷射钻径向水平井+筛管完井一体化技术。开展天然气水合物矿体合成及力学特性实验,为应力应变本构模型和屈服破坏准则的选取提供依据;设计并开展空化射流作用下矿体微观结构演化与宏观破坏特征多尺度研究,揭示空化射流作用下水合物储层成孔机理;建立水合物储层出砂预测模型,进行微小井眼防砂工艺研究;分析开采过程中储层物性参数动态演化规律,建立热-流-固场多场耦合模型,评价降压开采条件下径向水平井产能主控因素,优化多分支径向水平井井型参数;开展水合物沉积物二氧化碳压裂实验,为水合物储层改造提供新思路。相关成果发表于Energy、Petroleum Science、Review of Scientific Instruments、中南大学学报、石油科学通报等学术期刊。



    (6)液氮射流压裂技术

    我国低渗透非常规油气资源储量丰富,大部分只有经过储层改造才能有效开发。目前普遍采用水力压裂对储层进行“密切割”改造,面临起裂压力高、造缝难度大、水资源浪费、储层伤害严重、返排液污染环境等难题。同时,地热资源开发中,深部地热储层普遍岩体坚硬,具有高温、高地应力、高闭合压力等特点,给钻井完井带来了更大的挑战,亟须探索一种新型钻井造储技术。液氮,惰性、无色、无臭、无腐蚀性、不可燃、温度极低(常压下-196℃)。由于液氮与储层岩石温差很大,由此引起的冷冲击作用可在岩石内部形成热应力、辅助破裂岩石,且热应力诱导微裂缝不受地应力方向控制,易于形成复杂缝网。水射流钻井与完井研究团队多年来一直从事新型射流提高钻井完井效率的基础理论与应用研究,结合国家自然科学基金杰出基金、国家重点研发计划、高等学校学科创新引智计划(111计划)、北京高校卓越青年科学家计划等研究课题,提出了液氮喷射辅助钻井和压裂新方法,通过理论分析、室内实验、数值模拟等手段,系统开展了液氮对岩石的低温致裂特征、液氮-岩石传热特征、液氮射流破岩特征、液氮压裂裂缝起裂和扩展特征以及液氮在管柱内的流动传热及其对管柱力学性能的影响等研究,揭示了液氮对岩石的劣化损伤机制、流固热多场耦合作用下的岩石破裂机理和缝网形态特征、液氮-岩石瞬态传热规律、液氮-井筒换热规律等,并提出了“管柱预冷+局部封隔压裂”的液氮压裂新模式。研究成果曾先后在《石油勘探与开发》、《石油学报》、Applied Energy、SPE Journal、Geothermics和国际地热年会上发表,成果得到了国内外同行高度评价。


    (7)智能钻完井技术

    我国油气勘探开发领域正在逐步向深层超深层资源拓展,面临着资源劣质化、勘探多元化、开发复杂化、环境恶劣化等挑战。但现有钻井技术在经济、安全、高效等方面还无法满足复杂油气资源的开发需求,亟需发展新一代变革性钻井技术。基于大数据和人工智能等前沿技术的智能钻井技术,有望实现钻井过程的超前探测、闭环控制和智能决策,从而大幅提高油气井产量和采收率,降低钻井成本。构建了人工智能和大数据技术在深层油气钻完井中的应用场景,建立了机理和数据联合驱动的钻完井智能预测、诊断和优化方法,为实现深层油气资源的安全高效钻完井探索了一种新途径。

    利用人工智能和大数据技术解决非线性问题的优势,依托国家重点研发计划项目“复杂油气钻井基础理论与技术研究”、中石油战略合作重大项目“物探、测井、钻完井人工智能理论与应用场景关键技术研究”等项目,创新性开展了油气钻完井人工智能应用场景及关键理论与技术研究,推动了油气钻完井与人工智能和大数据技术的深度融合,在钻井多目标优化、井壁失稳预测和调控、压裂方案优化和产能预测方面取得了如下创新成果:(1)针对非常规油气长水平井钻井易发生井壁失稳坍塌、甚至埋钻具等技术挑战,建立了基于注意力机制的地层岩性和地层压力剖面智能预测模型,为非常规油气长水平井段安全钻进提供了了理论支撑;(2)非常规油气水平井钻井携岩效率低、钻柱摩阻大,导致钻头托压严重、钻速低甚至发生卡钻事故。创新性提出了钻井破岩-减阻-清屑多目标协同优化方法,为复杂地层钻井提速探索了一种新途径;(3)针对非常规储层岩性非均质性强、可压性差异大等难题,建立了基于钻井机械比能的储层可压性智能评价方法,构建了基于门控循环神经网络的油气产能智能预测模型,提出了基于水击信号监测的压裂事件智能诊断技术,揭示了压裂参数井下智能闭环调控机制,形成了压裂方案设计-诊断-调控的一体化优化方法,为取得非常规油气高效完井改造提供了科学依据。