钻井工程理论与技术

钻井工程理论与技术本课程主要内容绪论第一章钻井的工程地质条件：地下压力特性和岩石力学性质第二章钻进工具：钻头、钻柱第三章钻井液：组成、类型、性能、防塌和保护油气层第四章钻进参数优选：钻压、转速、钻进方程、水力参数第五章井眼轨道设计及轨迹控制：轨道设计、防斜理论与技术、定向钻井工艺与技术第六章油气井压力控制：地层压力的平衡与控制第七章固井与完井：井身结构、套管柱设计、油井水泥、固、完井技术第八章其他钻井作业：事故处理、取心、套管开窗侧钻主要参考书1.《钻井工艺原理》(上、中、下)，石油工业出版社，刘希圣主编。2.《钻井事故与复杂问题》，石油工业出版社，蒋希文编著3.《钻井工艺技术基础》石油大学出版社，王瑞和编著4.《钻井工程》郝瑞主编（中等专业用书）。5.《实用钻井工程》中国石油情报研究所，徐云英主编6.《喷射钻井理论与计算》石油工业出版社，张绍槐编著。7.《最优化钻井理论基础与计算》石油工业出版社，郭学增编著。常用的石油论坛1.中国钻井网：。2.精准石油论：石油帝国论坛：阿果石油论坛：石油科学与技术论坛：=36石油钻井概述钻井技术在石油勘探开发中的重要作用钻井技术发展简史现代钻井技术主要进展我国钻井技术的现状、难点及展望钻井施工工序绪论本章重点：1.现代钻井技术的进展2.我国钻井技术的现状及难点3.钻井施工程序本章难点1.钻井施工程序1、石油钻井的概念所谓石油钻井是指利用专用设备和技术，在预先选定的地表位置处，向下或一侧钻出一定直径的孔眼，一直达到地下油气层的工作。一、石油钻井概述2、石油钻井平台介绍钻井平台：石油钻井的地面配套设备，由多种机器设备组成的一套大功率重型联合机组，可以满足完成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、完井及特殊作业和处理井下事故等要求。3、石油钻井的种类(1)把钻井按钻井的目的进行分类：区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井探井：预探井、详探井、边探井开发井：生产井(油井、气井)、注入井(注水井、注气井)特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等基准井：在区域普查阶段，为了了解地层的沉积特征和含油气情况、验证物探成果而钻的井。剖面井：是为了研究地层岩性、岩相变化，为寻找含油气构造而钻的井。参数井：为了解区域构造，提供岩石物性参数而钻的井构造井：为了了解地质构造特征、验证物探成果，并编制地下某一标准层的构造图。探井：为了确定油气藏是否存在及其埋藏位置（预探井），对油气藏进行工业评价及取得油气开发所需的地质资料（详探井），圈定油气藏边界及其储量（边探井）。生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而钻的井。注入井：开发后期为了提高采收率及开发速度，而对油田进行注水注气以补充和合理利用地层能量所钻的井。检查井：油田开发到某一含水阶段，为了搞清各油层的压力和油、气、水分布状况，剩余油饱和度的分布和变化情况，观察井：油田开发过程中专门用来了解地下动态的井调整井：油田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率，而调整原有开发井网所钻的井救援井：为了救援而钻的井。(2)把钻井按井斜角不同分类：直井、定向井、水平井直井：井口与井底在同一条铅垂线上定向井：沿着预先设计的井眼轨迹钻达目的层，井口与井底不在同一条铅垂线上。水平井：沿着预先设计的井眼轨迹以井斜角85°的角度进入目的层。浅井H2500m中深井2500mH4500m深井4500mH6000m超深井6000mH9000m特超深井H9000m(3)把钻井按井深不同分类：二、钻井技术在石油勘探、开发中的重要作用1、钻井技术在油气勘探阶段的重要作用：(1)了解地层的沉积特征和含油气情况，验证物探成果，全井取心。(基准井)(2)揭示区域地质剖面，研究地层岩性、岩相变化并寻找构造。(区域查)、(剖面井)(3)在含油盆地内，了解区域构造，提供岩石物性参数。（综合详查）（参数井）(4)编制地下某一标准层的构造图，了解其地质构造特征，验证物探成果。（构造井）(5)在有利的集油气构造或油气田范围内，为确定油气藏是否存在，圈定油气藏的边界，并对油气藏进行工业评价，取得油气开发所需的地质资料。（探井）(6)为了编制油田开发方案或在开发过程中为某些专题研究取得资料数据。（资料井）2、钻井技术在油气开发阶段的重要作用：(1)油气田开发建立油气生产通道。（生产井）(2)为了提高采收率及开发速度，进行注水、注气以补充和合理利用地层能量。（注入井）(3)油田含水阶段，为了搞清各油层的压力，油、气、水分布状况，剩余油饱和度分布和变化情况，了解各项调整挖潜措施的效果。（检查井）(4)在油气开发过程中，专门用来了解油气田地下动态，观察油气层压力、含水变化规律和单层水淹规律（不生产）。（观察井）(5)油气田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率而调整原有开发井网。（调整井）三、钻井技术发展简史1、钻井的发展史中国是钻井的起源地。以卓筒井为代表的中国井盐凿井技术在盐卤凿井中发现了石油矿藏，从而掀起了石油的勘探和开发。2100多年前，中国就在四川自贡应用顿钻钻井方法开始了钻井，目的是为了获得地下的盐。1521年在四川乐山钻盐井偶得石油，这是我国的第一口油井。1835年在四川钻成了一口天然气井—兴海井，井深达1200m，是当时世界上最深的井1850年，钻井深度突破1000米，中国第一口产油的油井在陕西延长油矿。1834年，欧洲人才正确地把中国钻井技术应用于打盐井，1841年才开始用于钻油井。1848年，俄国钻成他们的第一口油井。美国1859年8月在宾夕法尼亚洲泰特斯维尔小镇才打了一口20m深的油井，也就是所谓的世界上的第一口油井；前苏联在1863年才打出20m深的井。2、钻井技术的发展历程(1)人工掘井(公元前3世纪～1041年之前)井的口径大到二三十丈（古长度单位），井身浅，每挖一井投入几百人,凿挖工具都是铲锄等农用工具。自秦汉至南北朝,凿挖的都是上土下石的裸眼井；南北朝至五代，始用木制井筒护壁。(2)人力冲击钻(1401～1835年)口径小，一般如碗大（5～9寸），深度自几十丈到百余丈。是靠人力、捞砂筒、特殊钻头、悬绳、游梁等来完成的。实际上是利用了杠杆原理及自由落体的下落冲击作用来钻井的。特点是：1）破岩与清岩相间进行。2）冲击力小，破碎效率低。3）设备简单，起下钻方便支架游梁悬绳井壁钻头井底(3)机械顿钻(1859～1901年)优点：①设备简单；②起下钻方便。缺点：①靠冲击作用破岩，钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢；②破岩和清岩相间进行(4)旋转钻(1901年～至今)旋转钻井是靠动力带动钻头旋转，在旋转的过程中对井底岩石进行破碎，同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法。旋转钻井又分为转盘钻井、井下动力钻具钻井、顶部驱动旋转钻井特点是：(1)破岩与清岩相接进行。(2)旋转动力大，转速高，破碎效率高。(3)设备复杂，起下钻繁琐。3、旋转钻井技术发展的四个时期(1)概念时期(1901年-1920年)钻井和钻井液配套牙轮钻头的使用下套管用水泥封固(2)发展时期(1920年-1948年)固井工艺牙轮钻头钻井液等得到进一步发展同时出现了大功率钻井设备。(3)科学化钻井时期(1948年-1969年)这个阶段开展了大量的科学研究，使钻井技术得以迅速发展。突出的技术成就有：高压喷射钻井高效牙轮钻头（镶齿、滑动密封轴承钻头）优质钻井液（低固相、无固相不分散体系钻井液）优选参数钻井（优选钻压、转速和水力参数）地层压力检测技术、油气井压力控制技术钻井液固相控制技术平衡压力钻井技术。(4)自动化钻井时期(1969年-)主要特征是以钻井信息化、智能化并向自动化钻井方向迈进。突出的技术成就有：井下信息实时检测技术如：随钻测量、随钻测井、随钻地震、随钻地层评价和钻井动态数据实时测量。井下导向和井下闭环钻井系统。新型钻井技术和方法如：欠平衡压力钻井、水平井钻井、多分支井钻井、连续油管钻井技术等。四、现代钻井技术的主要进展1、随钻井下测量与评价技术80年代中期第一次在定向井中使用MWD与近钻头测斜器MNB配合使用、实现几何导向。80年代末期出现随钻测井仪LWD。如：三参数组合（地层电阻率、体积密度、中子空隙度），四参数组合（地层电阻率、体积密度、中子空隙度、自然伽马）随钻测井仪随钻测量特点：在地层未被钻井液污染时测得的。实时进行地层对比与评价。实时检测异常高压层。对比分析钻井液侵入情况。随钻测井不占用钻井时间。实现钻井数据自动采集。进入90年代以来MWD和LWD日趋结合形成了新的随钻地层评价测试技术FEMWD如斯伦贝谢的聚成钻井信息系统，可测井斜方位、钻压、扭矩波动、应力状态、流动压力、钻井液密度、地层电阻率（射线）、孔隙度（补偿热中子、岩石密度）。成为地质导向和全功能闭环钻井系统中的重要一环2、地质导向钻井技术地质导向钻井技术以人机对话方式来控制井眼轨迹的技术。它是以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹进行钻井。不是按预先设计的井眼轨道进行钻井地质导向可以随时知道钻头周围几米范围内的地质特征、钻头与地质界面以及地层流体界面的相对位置，可以控制钻头始终在油层中钻井。地质导向钻井是在钻井过程中，将井下随钻测量和随钻测井工具发送至地面的实时测井数据与模拟数据相对比，如果模拟数据与随钻实时数据一致，说明命中了最佳地质目标，否则应按井下实时地质特征修正和改变井眼轨道。地质导向钻井技术地质导向钻井技术3、井下闭环钻井技术闭环钻井技术包含以下内容：地面测量，包括钻井液录井和钻井参数地面测量。井下随钻测量，包括MWD、LWD测量井下几何参数和地层参数。数据采集和地面计算。数据整体综合解释，把测量数据解释成有用参数以指导作业。地面操作控制自动化。井下操作自动控制。4、水平井钻井技术90年代大规模推广，已成为常规钻井技术水平井的钻井成本降至直井的1.5-2.0倍水平井的产量是直井的4-8倍水平井全世界1985年20口，1989年500口，1995年7000口，2000年20000口，2006年30000口水平井向大位移水平井、多分支水平井、小井眼水平井方向发展，用于油田整体开发，控制产量递减国内水平井技术的研究与应用从“八五”初期逐步兴起。截至2002年底,共完钻水平井350口左右。已经形成了长、中半径水平井钻井、完井配套技术。2006年中石油计划打水平井500口，实际打560口，钻井成本是直井的1.5倍，但平均产量达三倍以上，主要是增加钻头在储层的钻遇率和长度，以提高单井产量，采收率和储量动用率。水平井桩314井完钻井深：3750米完钻垂深：2632.44米，水平位移：2051.55米。5、大位移钻井技术大位移井是指水平位移与垂直深度之比大于2以上的定向井和水平井，比值大于3为特大位移井。大位移井的主要特征是斜井段长，钻柱磨阻和井眼清洁是两大难题，需要应用旋转导向技术和工具。大位移井对海上钻井、海油陆采具有突出意义。1997年5月19日,在南海东部海域钻成了国内第1口大位移井—西江24-3-A14井。该井完钻井深9238m,水平位移8062.7m世界水平位移已突破万米,水垂比接近7。发展了旋转导向、变径稳定器、防扭接头、随钻测量等先进的工具和仪器。在世界范围内,水平位移超过7000m的井在20口以上;水平位移超过10000m的井有3口:英国1998年完成的M11井(水平位移10114m,总井深10658m)和1999年完成的M16井(水平位移10728m,总井深11728m),以及阿根廷1999年完成的CN