钻井工程设计(石油、煤层气)

钻井工程设计目录1、钻井工程设计的基本内容2、钻井工程设计前的基础资料3、井身结构设计4、钻井液设计5、钻柱与下部钻具组合设计6、钻井参数优化设计7、井控与HSE设计8、固井、完井工程设计1、钻井工程设计的基本内容（1）确定合理的井身结构；（2）选择钻机（设备）类型；（3）钻柱组合和强度设计；（4）钻井参数设计；①机械破岩参数：钻头类型、尺寸、数量、钻压、转速、冲洗液排量等；②钻井液性能；③水力参数设计。1、钻井工程设计的基本内容（5）固井工程设计①固井要求；②套管柱强度设计；③水泥浆性能参数设计；④流变学注水泥浆设计。（6）油气井压力检测；（7）环境保护要求（8）成本及材料预算；（9）技术经济指标及时效分析。钻井工程设计的基本方法2、钻井工程设计前的基础资料（设计资料收集）1．地质资料地质资料是钻井工程设计的第一手资料，在收集地质资料时主要收集设计井的地质分层、地层岩性、可钻性、研磨性、故障提示、地层倾角、地层压力、破裂压力等。钻井工程设计的基础资料2．完井方法和井身结构在完井方法和井身结构确定过程中，要了解设计井所在地区的各种完井方法和井身结构、施工和生产中的情况、各种完井方法和井身结构的优缺点。钻井工程设计的基础资料3．钻头资料收集3～5口设计区块的全井实际钻头使用资料，包括每只钻头的类型，所钻地层井深、层、段、主要岩性，钻头进尺、钻头工作时间，主要技术参数（钻压、转速、排量、钻井液密度），钻头磨损特点，钻头成本。钻井工程设计的基础资料4．钻井液资料收集1～2口井的钻井液的资料，总结对分层钻井液性能的要求，使用过程中遇到的问题，如何处理维护钻井液性能，全井钻井液材料及处理剂消耗情况，钻井液成本，钻井液净化系统情况、数量、规格、使用效果和存在问题。钻井工程设计的基础资料5．技术参数收集3～5口井的钻井技术参数资料（钻压、转速、排量、钻井液密度、泵压、钻头尺寸），同时，收集喷射钻井资料，钻具及井眼尺寸，钻头水眼尺寸，泵排量和泵压，喷射钻井的效果。钻井工程设计的基础资料6．钻具结构资料收集设计井油气田的钻头尺寸与钻具尺寸的配合，常用钻具尺寸、类型、钢级、壁厚、国别、合理使用钻具的措施，易斜井段所用的钻具结构的防斜效果，稳定器的使用情况。钻井工程设计的基础资料7．压力控制资料包括设计区块各地层的地层压力值，所采用的附加压力数值，井口装置及防喷设备、规格、类型，除气设备，除气措施。钻井工程设计的基础资料8．套管柱设计及注水泥收集设计井油田所用的各种载荷的安全系数、设计方法，实际套管柱的区域、套管柱下部结构，所用注水泥措施（替钻井液速度，隔离液、水泥浆密度，速凝剂，缓凝剂，放压与环空蹩压候凝，注水泥计算，水泥量附加数，井径扩大情况，注水泥泵压的计算方法，提高固井质量的措施与方法。）3、井身结构设计定义套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。目的保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层内容下入套管层数各层套管的下入深度选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合3、井身结构设计井身结构设计的主要原则能有效保护矿层能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件；当实际地层压力超过预测值使井出现液流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。必封点易坍塌地层、蠕变地层、塑性地层。如页岩地层、泥岩地层、盐岩地层、盐膏层、煤层等裂隙溶洞、破碎带、不整合交接面型漏失地层含有毒气体地层井位附近河流河床底部深度处、饮用水水源的地下水底部深度处套管类型导管•钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。表层套管•防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管的载荷。技术套管（中间套管）•封隔坍塌地层及高压水层•封隔不同的压力体系•继续钻井的需要套管类型生产套管•为油气水等生产提供流通通道•保护产层、分层测试、分层采油、分层改造尾管•技术尾管•生产尾管•尾管回接套管尺寸与井眼尺寸选择及配合1．设计中考虑的因素生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来的预告难于准确，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心尺寸要求等。要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头库存规格等的限制。套管尺寸与井眼尺寸选择及配合2．套管和井眼尺寸的选择和确定方法确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方要求来定。套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在9.5~12.7mm(3/8~1/2in)范围，最好为19mm（3/4in）。套管尺寸与井眼尺寸选择及配合3．套管及井眼尺寸标准组合设计结果4、钻井液设计钻井液设计需考虑的因素：地质条件——泥浆选型、性能参数钻孔结构参数、工艺方法等——泥浆选型、参数不同孔段泥浆转换－兼顾性、经济性循环系统排布及固控设备状况－性能维护测录井及环保等其它要求－限制性要求对工程的要求－预防性措施地层条件1）地层压力（地应力）：孔隙压力大，发生涌水、井喷等；地应力大，会出现缩径、坍塌，需采用加重泥浆。孔隙压力小，易漏失，采用气体钻进、充气泥浆、泡沫泥浆等。2）蒙脱石含量高的强水敏性地层，易产生膨胀缩径、分散造浆。泥浆应具有低滤失量和强抑制性能，需采用聚合物泥浆、钾基泥浆等。地质条件3）炭泥质千枚岩、绿泥石化等地层，遇水易分散剥落，引起掉快及孔壁坍塌。泥浆应具有低滤失量、强封堵性和强抑制性，应适当提高泥浆密度。4）盐膏地层：如盐岩、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏等，易出现泥浆盐侵、钙侵污染，易发生扩径及孔壁坍塌等。应选用盐水泥浆及复合盐水泥浆等。地质条件5）高渗透性地层：如砂岩地层，易形成较厚泥饼，容易造成卡钻。泥浆应具有较低滤失量、较低固相含量，良好的润滑性能，并配备一定数量的解卡剂。6）地层完整程度：完整地层，重点考虑流变性能及润滑性能。松散、破碎地层，钻井液应具有适当的密度，保证对孔壁具有足够的支撑；粘度、切力不能太低，返速不能太高，以免冲刷孔壁；胶凝强度不能太大，避免起下钻及开泵时压力波动大抽垮或压漏地层。地质条件7）孔隙、裂隙发育地层：孔隙或裂隙大小，是确定堵漏方法及施工工艺的重要依据。8）地层温度梯度：高温地层，泥浆应具有良好的抗温性能。冻土层或寒冷地区，采用抗低温泥浆，或采取必要的保温措施。9）地质年代、地层埋藏深度也是判断复杂情况、进行钻井液设计的重要依据。如泥页岩地层，年代古老且埋藏较深可能已失去水敏特性；石膏地层，200米以浅的石膏含结晶水的几率很高，200米已深的石膏多不含结晶水。孔型、孔别结构参数斜孔、水平孔，对泥浆的悬浮与携带、泥浆的润滑性能要求严格。勘探孔：油气、非常规油气、钾盐等勘探，应考虑冲洗液对测录井及取心质量的影响，以及密度、封堵等对储层的影响。孔径大小：对泥浆流动速度的影响，需考虑携带及循环对孔壁冲蚀作用的影响。套管下深：下套管之后，可以改变泥浆类型和工艺参数。孔深：随着深度的增加，减摩降阻作用越重要。工艺方法、钻具组合全面钻进，岩屑量大，要考虑泥浆的携岩能力。孔底动力钻具：对泥浆流变性、固相含量及润滑性要求较高。同时应考虑对处理孔内事故的影响，如孔内动力钻具对扫孔的影响。绳索取心钻进：较低的粘度、切力及固相含量，良好的润滑性能有助于防止绳钻钻杆内壁结垢，降低环空压力，减小压力激动的影响。设备状况等循环系统：应有利于泥浆维护。如循环槽排布影响泥浆性能维护。应有利于环保。有利于特殊情况处理。泥浆泵的泵送能力。是否有固控系统。对固控系统使用提出要求，若无固控系统，应提出应对措施。不同孔段泥浆转换：既满足施工要求，又要避免泥浆浪费工程要求及操作工程要求：具有良好的防塌、防漏、保护气层等能力。应有利于安全、优质、高效钻进。应有利于环境保护。应有利于发现和保护储层（如气、油、水）。应有利于取心及其它地质资料录取。应有利于复杂情况的预防和处理。钻井液设计对操作的要求：避免不当操作诱发孔内事故。不同地层泥浆选型及要求（1）异常压力地层（2）松散地层（3）破碎（硬脆碎）地层（4）水敏性地层（5）溶蚀（或称水溶）性地层（6）漏失地层（1）异常压力地层孔隙压力大地应力：易发生涌（气、水等）、坍塌、掉块、钻孔缩径，易导致井喷、埋钻、卡钻。需加重钻井液地层压力低地层：易发生漏失。采用低密度循环流体。孔壁稳定必须满足下列条件：液柱压力大于（或等于）地层孔隙压力—不涌液柱压力大于（或等于）地层坍塌压力—不塌液柱压力大于（或等于）导致地层塑性变形的径向压力—不缩径环空压力小于地层的压裂压力—不压裂地层（2）松散地层主要结构形状为碎屑状和颗粒状。无胶结或胶结性差。岩石中含少量（或不含）泥质成分。埋藏深度浅（一般在0～1000m），因此地层结构松散、成岩性差。第四系松散沉积层，如无胶结的粉砂、流砂和风化层。渗透性强。具有胶结性差、孔壁机械强度低、渗透性强特点，易发生孔壁坍塌缩径卡钻事故。泥浆性能要求渗透性强的地层，适时添加随钻封堵材料，控制失水量，以防形成厚泥皮造成粘附卡钻。适当的粘度和泵排量，防止孔壁被冲蚀。密度较一般地层高，有利于孔壁稳定。注意提钻的抽吸作用造成孔壁坍塌，薄弱孔段避免带内管提下钻。避免在孔壁薄弱地层长时间循环钻井液。(3)破碎地层特点：无胶结、有裂缝、坍塌压力大。技术措施：增加胶结、充填裂缝，提高孔壁强度。提高液柱支撑力。及时充填裂缝，是破碎地层孔壁稳定的核心。控制失水量≤15ml。对泥浆性能要求适当提高钻井液的粘度，控制排量，防止冲刷。有坍塌掉块现象时适时提高钻井液密度。注意提下钻时的抽吸和挤压作用造成孔壁坍塌和钻孔漏失。孔壁薄弱时应避免带内管起下钻。(4)水敏性地层特征：含蒙脱石、高岭石、绿泥石等粘土矿物。产生澎胀压力、增加地层塑性，降低地层强度。技术措施：降低泥浆滤失量，提高钻井液的抑制性能，增强泥浆吸附、交联及包被作用，封堵孔壁毛细管通。(5)水溶性地层溶蚀性地层以氯化钠盐层最为典型，其他还有钾盐、石膏、芒硝、天然碱、光卤石及溢晶石等。存在问题：缩径塑性变形和蠕变流动；盐膏层中所含石膏层和钙芒硝的膨胀；盐的溶解造成扩径和岩矿心采取率低；饱和盐水由于温度差别引起的重结晶，影响打捞；盐下部泥页岩引起的复杂问题；异常压力问题。泥浆选型与对策采用饱和（或欠饱和）盐水泥浆、油基泥浆；盐的种类以盐矿体成分而定。添加盐重结晶抑制剂预防结晶，影响岩心打捞。必要时采用较高比重泥浆；不影响盐矿心检测。如钾盐矿，禁用含K+材料。加强划眼和扩眼。钻井液性能参数常用参数：密度流变参数：漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力滤失量、泥饼厚度pH值含砂量、固相含量（1）密度的确定钻井液密度是确保安全、快速钻进和保护油气层的一个十分重要的参数。利用密度的作用，调节钻井液孔内静液柱压力，达到对孔壁的支撑作用。起到防涌、防喷、防漏、防缩径、掉块、坍塌的效果。根据地质设计中的压力预测值+附加值确定。附加值为：0.05—0.15，气体：0.07—0.15。（2）钻井液流变性能钻井液的流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。钻井液的流变性与携岩、孔壁稳定、机械钻速和环空水力参数计算等密切相关，是钻井液最重要的性能之一。漏斗粘度：用漏斗粘度计测量，计量单位秒（s）。粘度高：对孔壁冲刷小，胶结作用强，有利于松散破碎地层孔壁稳定；悬浮、携带能力强；有利于减缓漏失。但易引起较大的环空压力；