高效破岩及油气藏压裂改造

高效破岩及油气藏压裂改造研究方向是东北石油大学石油工程学院众多学者多年积累形成的优势方向。该研究方向依托于高效钻井破岩技术国家工程研究室、提高油气采收率教育部重点实验室以及非常规油气成藏与开发国家重点实验室培育基地。

在研究期间先后参加了2005年国家自然科学基金“油气钻井中岩石破碎的分形机理”、2005年石油天然气集团公司重点基础研究项目“地层岩石可钻性评定新方法研究”、2008年国家重大专项子课题“火山岩地层岩石可钻性与钻头优选技术研究”、2008年博士点基金“凝灰质储层水力压裂断裂损伤机理及裂缝几何形态描述”、2009年黑龙江省自然科学基金项目“非裂缝型火山岩水力压裂岩石断裂损伤机理研究”、2010年国家重点基础研究发展计划（973计划）“深井复杂地层破岩机理与高效破岩方法”、2010年国家自然科学基金“基于分形理论的裂缝性储层水力压裂机理及三维动态模拟”、2016年国家科技重大专项项目子课题“高频扭转冲击工具研制”、2017年国家自然科学基金面上项目“基于岩石共振的旋冲钻井动力学系统的破岩机理研究”、2017年国家自然科学基金青年基金“简谐振动冲击钻井岩石共振破碎机理研究”等课题的研究工作。

获得的主要学术成果包括：基于分形理论的储层特征及水力压裂机理、大庆深层火成岩破碎机理及优选参数钻井、扭力冲击破岩机理研究及工具研发等三个方面。

1、基于分形理论的储层特征及水力压裂机理

水力压裂工艺一直是低渗透油田增产开发的重要工艺措施，是“非常规油气成藏与开发”国家重点实验室培育基地的主力研究方向之一。低渗透储层内部发育着复杂的、纵横交错的天然裂缝系统。天然裂缝发育程度及分布的复杂性影响了地应力场的格局，同时改变了人工裂缝起裂及延伸机理，无疑增加了低渗透裂缝性储层的开采难度。在我国，裂缝性储层油气产量占整个石油天然气产量的一半以上，占未来准备投产的石油天然气储量的2/3以上。

该成果研究内容包括：（1）基于分形方法的储层裂缝介质系统的分布特征；（2）不同类型裂纹汇聚成缝的判定准则；（3）天然裂缝介质系统中人工裂缝的起裂方式及判定准则；（4）人工裂缝与天然裂缝的交汇模型及再延伸判定；（5）大尺寸水力压裂室内模拟测试实验。（6）清水压裂岩石粗糙壁面的描述、支撑及导流机理。

将分形理论系统地引入石油与天然气工程的水力压裂领域，取得的成果创新性如下：（1）应用分形方法分析了储层裂缝介质分布的分形特征，基于三维可视化平台应用确定性离散方法进行了分形裂缝介质系统分布的三维模型。（2）基于孔隙介质有效应力的分形模型建立了井壁围岩应力状态方程，建立了人工裂缝起裂、延伸判据，分析了不同裂纹系汇聚成缝的机理，给出人工裂缝与天然裂缝遭遇、再延伸的分析准则。（3）分析了人工裂缝与天然裂缝遭遇处的应力场特征，构建人工裂缝再延伸形式的判别函数。该函数能够在给定地应力差值及岩石抗张强度的基础上划分天然裂缝起阻滞作用的分布域及可被突破的分布域。（4）从力学、实验角度上，分析了清水压裂裂缝的张开程度、错动程度、抗剪强度和裂缝导流能力等四方面内容。

科学价值：目前，在国内外对于裂缝性储层水力压裂改造技术及工艺还属于前沿性研究，以往的裂缝性储层压裂机理研究往往是沿用以线弹性力学为基础的单一裂缝模式，不能很好的解释裂缝性储层人工裂缝的多裂缝扩展情况。基于分形裂缝分布的人工裂缝的多种起裂模式、非线性断裂延伸、再延伸方向的判别及逢高控制等技术具有十分重要的学术意义。

该成果已经发表文章15篇，其中SCI文章1篇，EI文章4篇，授权专利5项，其中发明专利2项，获奖5项。该创新成果获得了2007年第五次全国深层岩石力学学术讨论会优秀论文奖、2009第六届青年学术年会优秀论文二等奖，并进行了大会宣读，获得了与会专家的肯定。

社会经济意义：针对大庆油田、海拉尔油田裂缝性储层，采用水力压裂技术改善其储层的渗流条件。自2008年开始研究到现场验证以及推广应用，该研究成果的可靠性已经得到证实。大大提高了作业的工作效率的同时，也为裂缝性储层开采创造出更高的经济效益。

2、大庆深层火成岩破碎机理及优选参数钻井

大庆深层天然气井钻井提速的难点：气田埋层深，岩石可钻性差，研磨性强，机械钻速低，钻具事故和牙轮钻头事故频出，钻井时效低，钻井周期长等。该层位火成岩的硬度分布在704～4648MPa，平均硬度为2460MPa，可钻性级值分布在5.21～9.88之间，平均可钻性级值为7.41，该段地层属硬到极硬地层。庆深气田火山岩地层，是世界石油工程领域公认的难钻地层之一。高效破岩技术贯穿庆深气田开发的始终，是控制庆深气田勘探开发成本的主要因素之一。

该成果研究内容包括：（1）火成岩地层岩石可钻性的分形描述方法；（2）旋转钻井钻头破岩能耗分析原理及破碎比功模型；（3）庆深井多种类型钻头的选型技术；（4）基于破碎比功模型的钻井参数优化。（5）火成岩地层个性化钻头优化设计技术。

通过以上的工作，最终为合理选择破岩工具、优化设计钻井参数提供理论依据，为解决该地区钻井速度较低、钻井成本较高等问题奠定基础。成果创新性包括以下几个方面：（1）提出了地层岩石可钻性的分形分析方法。建立了岩屑粒度处理的标准化程序，确定了岩石可钻性级值和岩屑分形维数的计算模型，制定了岩屑粒度分形维数的岩石可钻性分级标准，绘制了随井深分布的岩石可钻性图谱。（2）旋转钻井岩石破碎比功分析理论：提出了旋转钻井钻头破岩能耗分析的基本原理，建立了岩石破碎比功分形计算模型，发展了深井钻头破岩的钻速方程理论体系，实现了不同类型岩石、不同井眼类型、不同破岩工具下岩石破碎的理论分析方法，建立了随井深分布的岩石破碎比功剖面。（3）钻头选型及进尺成本评价方法：建立了钻井基础“五因素”的钻头选型层次分析法，提出了基于分形维数和相邻重要度比率的钻头评价的指数标度法，建立以分形钻速方程为基础的单位进尺成本为约束函数，完善了深层天然气井的钻井参数优化方法。

科学价值：旋转钻井岩石破碎比功分形钻速方程统一了岩石破碎比功三大学说（包括Rittinger新表面学说、Bond裂纹学说和Kick相似学说）的表达式，即通过分形钻速方程可以得到不同物理意义下的岩石破碎比功三大学说表达式。并创新地将岩石破碎体的尺度和粒度分布等因素引入到钻速方程中，完整地考虑了旋转钻井破岩过程的四个方面：钻头类型、岩石属性、钻井参数和破碎程度，将钻速方程的实用性向前推进一步。

该成果已发表文章19篇，其中EI文章8篇，会议论文7篇，授权专利10项，其中发明专利6项，获奖3项。创新成果在2007年首届油气资源博士论坛、2007年第六届石油钻井院所长会议、2008年第八届石油钻井院所长会议、2010年钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展讨论会和2010 Taylor & Francis Group.London等会议上进行交流。

社会经济意义：在庆深火成岩地层中，建立了一套从岩石可钻性评价剖面、钻头破碎比功模型、单位进尺成本优化，到钻头选型、个性化钻头设计的配套技术，可以实现深层火山岩钻井提速的系统性设计、分析和计算。自2008年研究此项技术起至2012年底，该研究成果已应用于大庆油田松辽火成岩地层深井钻井。基于破碎比功模型，完成多种钻头的选型、进尺成本分析和火成岩个性化钻头设计。在古深A井、达深B井现场试验结果表明，平均机械钻速1.43~2.36m/h，与牙轮钻头邻井同层对比提速20~50%。满足了安全、高效、优质钻井的要求，给深井火成岩钻井提供了理论与技术支撑。

3、扭力冲击破岩机理研究及工具研发

深井、超深井难钻地层的钻井提速是石油勘探作业增效降耗的核心问题。针对我国大庆油田火成岩、塔里木油田泥岩、元坝油田砂泥岩等地层的岩石可钻性差、研磨性强，破岩钻具工作条件恶劣，钻头失效快、寿命短、机械钻速低等问题。项目负责人通过理论分析、室内实验和现场测试相结合的方法，探索了扭力冲击的破岩机理，并研发出一种与现有PDC钻头相配合的扭力冲击工具，从而达到提高深井难钻地层的机械钻速，延长破岩钻具的寿命，节约钻井成本的目的。

该成果研究内容包括：（1）扭力冲击的力学作用机制及PDC钻头的破岩机理；（2）扭力冲击器的工作原理；（3）扭力冲击器结构的优化设计及安全性测试；（4）扭力冲击器的室内、现场试验及操作工艺。

成果创新性包括：（1）建立了旋转钻进系统的动力学分析方法，给出了钻柱的轴向及周向上的动力学方程，深入剖析了深井钻头冲击破岩机理。（2）建立了高频振动冲击激励下岩石的稳态响应计算公式，分析了岩石的固有频率、激励频率和阻尼系数等参数对岩石破碎的影响。（3）发展了高频低幅冲击工具的工作原理，设计了工具组成结构及部件，实验检验了工具强度、寿命等参数，制订了工具的现场工艺规范，实现了提速工具的现场推广。

科学价值：阿特拉能源技术公司（ULTERRA）的扭力冲击器（TorkBuster）是深井硬地层提速的利器，号称“扭力牛仔”。由于该工具在国内技术服务成本高，限制了该技术进一步服务于油田。东北石油大学“高效钻井破岩技术”国家工程研究室研发的全金属扭力冲击器，有利于打破该技术的国际垄断，加速该技术的常规化、普遍化。该工具可以解决PDC钻头在复杂地层寿命短和机械钻速低的难题，与PDC钻头配合后的钻井工艺打破了对PDC钻头使用的传统认识。

该成果已发表文章12篇，其中SCI文章1篇，EI文章3篇，会议论文4篇，授权专利7项，其中发明专利3项。相关研究成果获2012年第十二届石油钻井院所长会议优秀论文奖、2012年钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展讨论会优秀论文奖、2013年第十三届石油钻井院所长会议优秀论文奖、2014年第十四届石油钻井院所长会议优秀论文奖、2014年钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展讨论会优秀论文奖和2014年第十二届全国岩石破碎工程学术大会主题报告，并在会上进行学术交流，并得到与会专家的肯定。

社会经济意义：自主研发了扭力冲击器，确定了工具的性能参数：钻压8~14t，转速50~75rpm，排量26~35L/min，工作频率在750~1500次/min，扭转冲击力在1.5~5KNm。研发工具在塔里木油田、吉林油田进行了现场应用。应用结果表明：研发工具与国外同类型冲击器的机械钻速百分比为80%~150%；研发工具与常规钻具的机械钻速百分比为170%~200%。