高德利老师-现代油气井工程理论和方法概论2016

研究生课程《现代油气井工程理论和方法》现代油气井工程理论和方法概论现代油气井工程理论和方法概论高德利2016年11月01日,北京提纲提纲油气井工程学科概念一．油气井工程学科概念二现代油气井基本特征二．现代油气井基本特征三油气井工程技术关键三．油气井工程技术关键四．特殊工艺钻完井技术四．特殊工艺钻完井技术五．复杂井工程特点与挑战复杂程特六．结束语一、油气井工程学科概念•要发现、探明及开采地下的矿产资源，都离不开、油气井工程学科概念“井”。油气井，就是勘探开发地下油气资源不可或缺的信息和物质的通道。•油气井工程，就是围绕油气井的建设（钻井与完井）、测量（测、录、试，等）、使用及防护而实施的知识、技术及资金密集型系统工程。施的知识技术及资金密集型系统程•它不仅是贯穿于油气勘探开发全过程的基本工程，而且对地热、地下水等流体资源的开发，以及管道穿越、地球科学钻探等工程都具有重要意义。穿越、地球科学钻探等工程都具有重要意义。•在资源、环境及工程建设等具有战略或社会重要性政府业大学的应用领域，井是不可或缺的信息和物质通道。政府，工业界，大学NADET（美国计划）1.地下资源勘探开发1.煤炭生产1.现代化运输系统地下资源勘探开发2.环境监测与治理3.掘进与浅层开发4地球科学研究煤炭生产2.一次和二次矿采掘3.就地开采系统4油页岩经济生产现代化运输系统2.供电和通讯3.供水和污水排放4废物安全存放等4.地球科学研究4.油页岩经济生产4.废物安全存放等钻井与掘进矿业生产城市基础设施与建筑•中国钻井史年代划分：•中国钻井史年代划分：–中国古代钻井：公元前1840年；–中国近代钻井：1841年1948年；中国现代钻井1949年2000年–中国现代钻井：1949年2000年；–中国21世纪钻井：2001年开始。•中国钻井史的特点：–中国古代钻井：创造了辉煌历史（绳索顿钻）–中国近代钻井：由领先沦为落后（旋转钻）中国近代钻井：由领先沦为落后（旋转钻）–中国现代钻井：奋起直追，逐步缩小差距–中国21世纪钻井：期望第二次走向辉煌一、油气井工程学科概念目前全世界广泛采用钻井方式，是水力辅助机械破岩的旋转钻井方式：①转盘（或顶驱）驱动旋转钻井方式：由钻头、钻铤及助机械破岩的旋转钻井方式：稳定器等组成的BHA；带旋转导向工具的BHA；②井下动力钻具：螺杆钻具、涡轮钻具等；③复合钻井方式(双驱)：井下动力钻具+钻柱旋转；④旋转导向钻井：推靠式、指向式等；④旋转导向钻井：推靠式、指向式等；⑤冲旋钻井方式：液动冲击器、空气锤等；⑥带扭力冲击器的旋转钻井⑥带扭力冲击器的旋转钻井；⑦特殊工艺钻井：欠平衡/气体钻井、套管钻井、连续管钻井、膨胀管钻井、反循环钻井，等。•国家自然科学基金创新研究群体：复杂油气井钻井与完井基础研究，2012年入选，2015年延续资助。研究对象研究对象流体流体装备装备地层地层流体流体装备装备地层地层科学问题科学问题工程设计与控制体化理论不稳定性机理与主要影响因素复杂井工程风险特征与极限条件科学问题科学问题一体化理论主要影响因素特征与极限条件分支方向分支方向深层岩石力学深层岩石力学与井眼稳定与井眼稳定钻完井化学钻完井化学与安全环保与安全环保井下复杂流动井下复杂流动与控压技术与控压技术井下管柱力学井下管柱力学与控制工程与控制工程一、油气井工程学科概念•油气井工程学科工学硕士学位获得者，应在油气井、油气井工程学科概念钻井、完井、测量及防护等方面具有坚实的理论基础，掌握较多的专业知识了解本学科发展动态能够运掌握较多的专业知识，了解本学科发展动态，能够运用数理方法、化学方法、计算机技术及现场资料等，分析和解决油气井工程设计和作业问题；应掌握一门外语能够熟练阅读和撰写论文并具有定的听外语，能够熟练阅读和撰写论文，并具有一定的听、说能力；应具备一定的独立开展科研工作的能力，在某一研究方向上有较深入的研究，并有所创新；还应具备良好的科学作风具备良好的科学作风。博士及硕士学位培养目标一、油气井工程学科概念博及硕学位培养目标•油气井工程学科工学博士学位获得者，应在油气井钻井、完井测量及防护等方面具有坚实宽广的理论基础和系统完井、测量及防护等方面具有坚实宽广的理论基础和系统深入的专业知识，较深入地了解油气井工程学科发展的现状和未来趋势，能够对油气井工程问题进行深入的数理分析科学实验及多学科交叉研究并善于运用计算机实析、科学实验及多学科交叉研究，并善于运用计算机、实验平台条件及现场信息资料等综合手段，分析和解决实际工程问题或进行系统工程优化设计；应掌握两门外语，其中一门具有熟练读、写、听、说的能力；应具有创造性和中具有熟练读写听说的能力；应具有创性和独立开展科研工作的能力，在某一研究方向上达到本学科的前沿水平还应有严谨求实的科学态度和作风的前沿水平；还应有严谨求实的科学态度和作风。二、现代油气井基本特征①①直井复杂地层：直井复杂地层：浅井浅井（（33千米千米））；中深井；中深井（（44..55千米千米））；；盐下油气井高温高压井盐下油气井高温高压井（（井底井底1001001010℃℃））酸性酸性盐下油气井；高温高压井盐下油气井；高温高压井（（井底井底100100MPaMPa、、150150℃℃））；酸性；酸性气井；深井气井；深井（（44..55千米千米--66千米千米））；；超深井超深井（（66千米千米））②②斜井大位移：斜井大位移：定向井定向井、、水平井水平井、、丛式井；大位移井丛式井；大位移井（（水平水平位移位移33千米千米，，水垂比水垂比≧≧22）），，高水垂比高水垂比（（33））大位移井大位移井，，位移位移33千米千米，，水垂比水垂比22）），，高水垂比高水垂比（（33））大位移井大位移井，，超大位移井超大位移井，，等等③③复杂结构井复杂结构井水平井水平井双水平井双水平井多层或同层多分支井多层或同层多分支井③③复杂结构井：复杂结构井：水平井水平井、、双水平井双水平井、、多层或同层多分支井多层或同层多分支井、、鱼骨形多分支井；鱼骨形多分支井；UU形井形井、、多功能组合井多功能组合井，，等等④④海洋深水：海洋深水：近海近海、、浅海；浅海；次深水次深水（（00..33千米千米--00..55千米千米））；；深深水水（（00..55千米千米--11..55千米千米））；超深水；超深水（（11..55千米千米））水水（（00..55千米千米11..55千米千米））；超深水；超深水（（11..55千米千米））二、现代油气井基本特征•在蠕动地层、高温高压、酸性、海洋深水等复杂条件下油气工程作业风险高井筒完整性难以管控下，油气工程作业风险高，井筒完整性难以管控。天然气井筒不完整性问题二、现代油气井基本特征•2010年美国当地时间4月20日晚上22:00左右，BP公司位于墨西哥湾的深水地平线（）钻井平于墨西哥湾的深水地平线（DeepwaterHorizon）钻井平台MissssippiCanyon252#-01井发生井喷着火事故，造成11人失踪，17人受伤，大面积海域受到严重污染。新闻图片新闻图片BPBP网站网站新闻图片新闻图片BPBP网站网站二、现代油气井基本特征•全球盐下油气资源比较丰富。盐膏地层缩径卡钻及挤毁套管缩•盐膏地层缩径卡钻及挤毁套管，是国内外面临的两大难题。揭示了盐膏地层的蠕变规律及非缩径卡•揭示了盐膏地层的蠕变规律及非均匀载荷作用机理，建立了计算模型提出了安全控制对策钻盐膏层模型，提出了安全控制对策。盐膏层套管水泥环套损区挤毁套套管二、现代油气井基本特征高温高压井的定义：、现代油气井基本特征•按国际通用概念,地温超过150℃称高温，地层压力当量密度超过1.8g/cm3或需用超过70MPa井口装置时称高压，两者同时具备的井称高温高压(HPHT)井。•井底温度超过220℃，井底压力超过105MPa，称超高温高井底温度超过220℃，井底压力超过105MPa，称超高温高压井。气层的温度较油层要高，地温梯度一般在3-5℃/100m，5000米的井地温就可能达到150℃-250℃。5℃/100m，5000米的井地温就可能达到150℃250℃。•天然气地层的压力一般也较油层高，故天然气井，特别是深层天然气井大都是高温高压井高温高压井特别是高深层天然气井大都是高温高压井。高温高压井，特别是高温高压深探井，是钻井工程中难度最大、风险最高，因而工程费用也最高的种苛刻井工程费用也最高的一种苛刻井。高危气井井身结构高危气井井身结构泥线90m高危气井井身结构高危气井井身结构针对气藏：针对气藏：3020•富含H2S（如罗家寨气田、普光气田等）•高温高压和富含CO2的气藏（如南202.16海莺琼盆地等）•深层超压气藏（如塔里木克拉2气田）16•高压凝析气藏（如塔里木牙哈气田）在建井及生产作业中：在建井及生产作业中：13-3/82.18在建井及生产作业中：在建井及生产作业中：•难度最大风险最高10-3/42.3•风险最高•花费昂贵寿命较短9-5/8•寿命较短某高温高压气井井身结构某高温高压气井井身结构1)导管2006年4月30日0：00时开钻，70135ZY钻井队1)导管：井眼直径(mm):660.4所钻深度(m):203)二开：井眼直径(mm):314.1典所钻深度(m):20套管外径(mm):508套管下深(m):20所钻深度(m):4152套管外径(mm):273.1型的套管下深(m):20水泥返高(m):地面2)一开：套管下深(m):4150水泥返高(m):地面的高危)井眼直径(mm):444.5所钻深度(m):5024)三开：井眼直径(mm):241.3危气井套管外径(mm):339.7套管下深(m):500所钻深度(m):6222.99套管外径(mm):177.8套管深井水泥返高(m):地面套管下深(m):6220水泥返高(m):地面普光气田P42开发井的井身结构普光气田P4-2开发井的井身结构（预算：1.2亿人民币）二、现代油气井基本特征二、现代油气井基本特征•水平井的定义及分类•油藏设计完井设计•完井设计•钻井设计井设•生产设计二、现代油气井基本特征大位移井的定义水深垂垂大位移井我国的定义：水平位移我国的定义：水平位移垂深垂深我国的定义：水平位移我国的定义：水平位移22垂深，并且水平位移垂深，并且水平位移不小于不小于30003000米。米。已生产油田已生产油田水平位移水平位移待开发油田待开发油田二、现代油气井基本特征US4344485US4577651Horizontal•G.Renardetal.ComplexUS4085803G.Renardetal.ComplexWellArchitecture:IORandHeavyOils.Topic8,tdtth15thWldUS5141054US5148869presentedatthe15thWorldPetroleumCongressheldinBeijing,China,1997US5899274US5771973US5215149jg,,US2010/0065268US7464756US5626193US2010/0065268US7556099“复杂结构井”的由来“复杂结构井”的由来？二、现代油气井基本特征二、现代油气井基本特征••20″导管管133/8″95/8″7″(应急)••9955//88″″套管在套管在85859090着陆着陆88套管在套管在着着••8½8½″″水平段，水平段，222000m,2000m,一般为一般为9090夹角夹角••裸眼完井裸眼完井9090夹角夹角长北复杂水平井钻井的全新策略长北复杂水平井钻井的全新策略..世界石油工业，世界石油工业，20102010年年55月，月，220220二、现代油气井基本特征采用多分支水平井发薄油井开发薄油层煤层气开采煤炭地下气化挪威Troll油田用多分支水平井高效开发薄油层，5个分支在油层中的总长度达13542m，为挪威国家石油公司创造了60亿美元的价值（