深井钻井技术

深层钻井技术,石油大学（华东）钻井所2000年10月,主要内容,深层钻井的主要技术难点井身结构设计深井超深井套管、钻头系列不同尺寸套管下深能力推荐的深井超深井套管钻头系列套管、钻头数据库井身结构设计方法套管柱强度设计高效破岩工具深井小井眼钻井技术深井复杂事故监测技术,一、深层钻井的主要技术难点,复杂地质条件下深探井和超深探井的难点主要有以下三个方面：1、探井具有地质不确定性，新区第一口探井的地质不确定程度更大。2、现有钻井技术不完全适应复杂地质条件深探井钻井的要求。3、深井钻井主要装备技术性能差，比较陈旧。,克服技术难点需要解决的问题,（1）提高地层压力和地应力预测监测的精度问题（2）确定复杂地质条件下深探井合理井身结构问题。（3）一旦同一裸眼井段内打开两套或更多套地层压力系统后的有效处理问题。（4）高陡构造高效防斜问题。（5）提高上部大尺寸井眼和深部井段钻井速度问题。（6）提高长井段小间隙高密度条件下的固井质量问题。（7）减少技术套管磨损和破裂后的处理问题。（8）严重井漏、井塌、缩径的有效处理问题。（9）含硫气井的安全钻进问题。（10）高密度（大于2.0g/cm3）,抗高温(大于150C),抗污染钻井液问题。,表1我国复杂地质条件新区第一口深探井钻井情况,表2美国复杂地质条件初探井钻井情况,二、井身结构设计,目前国内深井井身结构设计的问题套管与钻头系列单一设计目标及方法有待改进套管柱强度设计需考虑温度和三维受力问题,1、国内常用深井超深井套管、钻头系列目前，我国深井、超深井钻井中普遍采用的套管结构程序为：20”133/8”95/8”7”5”，少数陆地超深井和海洋钻井已采用30”20”133/8”95/8”7”5”的套管程序。,（一）深井超深井套管、钻头系列,海洋复杂深井套管、钻头系列（36”）30”-（26”）20”-（171/2”）133/8”-（14”）113/4”-（121/4”）95/8”-（81/2”）7”-（6”）41/2”在14井眼用83/4121/414偏心钻头钻进，113/4尾管采用无接箍套管，在121/4井眼段，用77/8105/8121/4偏心钻头钻进。95/8套管柱的上部用普通接箍的套管，进入113/4尾管及以下井眼的套管为无接箍套管。,2、国外深井超深井套管、钻头系列20-133/8-103/4-75/8-5（美国西德克萨斯、俄克拉何马等地区）6900米36-26-20-16-103/4-73/4-5（美国加利福尼亚最深井943-29R井）7445米30-20-16-117/8-97/8-73/4-51/2（美国怀俄明）7582米36-30-24-185/8-133/8-95/8-7-41/2（沙特阿拉伯Khuff井）32-241/2-16-133/8-95/8-75/8（德国KTB超深井）12000米30-24-20-16-133/8-113/4-95/8-75/8（拉丁美洲和墨西哥湾地区）5638米,（二）不同尺寸套管的下深能力,1、影响套管下深能力的因素套管下深能力：指各种尺寸套管在不同约束条件下可下入的最大深度。约束条件：钻机起重能力套管接头的连接强度套管的抗外挤强度,2、套管柱的轴向载荷计算,1、套管柱自重产生的轴向力计算2、井壁摩阻力的计算3、泥浆摩阻力的计算模型4、注水泥引起的套管柱附加拉力5、套管弯曲引起的附加拉力,3、套管柱抗外挤计算按套管内全部掏空时的泥浆柱压力计算；4、钻机安全钩载的计算API建议钻机的最大钩载应比最重套管柱大20%。,5、套管柱可下入深度的计算,计算方法钻机最大钩载条件下的可下入深度计算：套管接头抗滑扣力条件下的可下入深度计算：套管抗挤强度条件下的可下入深度计算：,6、套管柱可下入深度的计算结果,（三）推荐的深井、超深井套管钻头系列1、增加套管柱层次的途径经过文献调研和分析研究，认为有四种途径增加套管柱层次：1、增大上部井眼和套管的尺寸2、钻小井眼可增多套管柱层数3、采用无接箍套管，缩小相邻套管柱及套管与井眼之间的间隙4、优化套管/井眼尺寸组合，设计新的套管钻头系列,2、套管与井眼间隙的研究间隙大小对钻井的影响间隙过大：将明显增加钻井成本；影响水泥浆顶替效率，增加固井成本。间隙过小：固井质量难以保证；不利于下套管作业；下套管的压力激动易压裂地层。（1）、固井对套管与井眼间隙的要求（2）、波动压力对套管与井眼间隙的要求（3）、其它因素对套管与井眼间隙的影响（4）、国内外实践过的套管与井眼尺寸配合,3、改进的套管钻头系列方案,（1）、在20”13-3/8”之间增加一层16英寸套管（常规接箍）,3、改进的套管钻头系列方案,（2）、在13-3/8”9-5/8”之间增加一层11-3/4英寸尾管（平接箍）,4、新增套管钻头系列方案,（1）20”14”10-3/4”7-5/8”5-1/2”主要特点是可以用9-1/2”钻头钻进下入7-5/8”套管。,4、新增套管钻头系列方案,（2）20”16”11-7/8”9-7/8”7-5/8”5-1/2”,4、新增套管钻头系列方案,（3）24”18-5/8”14”10-3/4”7-5/8”5-1/2”全井可以不使用偏心钻头。,（四）套管钻头数据库数据库中已录入套管数据2948条，；钻头数据2079条，基本覆盖了国内钻井需要的所有套管及钻头数据。在数据库中创建了三个主要数据表。钻头数据表内容包括：厂家、类型、型号、IADC编码、尺寸、比钻压上限、比钻压下限、转速上限、转速下限、适钻地层、特殊性能、备注等。套管数据表内容包括：厂家、外径、内径、壁厚、线重、钢级、长度、管体屈服强度、抗挤强度、管体抗内压强度等。套管接箍数据表内容包括：接箍类型、接箍外径、抗内压强度、通径、最大上扣扭矩、最小上扣扭矩、最佳上扣扭矩、连接强度等。,（五）深井井身结构设计方法,重点考虑三个方面的内容：1、井身结构设计所需要的基本钻井地质环境资料2、井身结构设计基本参数的确定3、设计方法,1、井身结构设计所需要的基本钻井地质环境资料,地质分层及地层岩性剖面地区钻井事故统计剖面卡钻、坍塌、井漏、异常压力等地层孔隙压力剖面地层坍塌压力剖面地层破裂压力剖面,2、井身结构设计基本参数确定方法,（1）抽吸压力系数和激动压力系数；（2）破裂压力安全系数；（3）井涌允量；（4）压差卡钻允值。,准葛尔盆地井身结构设计基础参数抽吸压力系数和激动压力系数（g/cm3）0.040.06井涌允量（g/cm3）0.050.08破裂压力增值（g/cm3）0.030.06压差卡钻允值正常（Mpa）1820异常（MPa）2325塔西南井身结构设计基础参数抽吸压力系数和激动压力系数（g/cm3）0.050.07井涌允量（g/cm3）0.0420.07破裂压力增值（g/cm3）0.030.06压差卡钻允值正常（Mpa）1820异常（MPa）2325,3、井身结构设计方法,（1）井身结构设计的约束条件max=max(pmax+Sb),cmax+防喷、防塌(max-pi)Hi0.098P防卡max+Sg+Sffi防漏max+Sf+SkHmax/Hifi关井时防漏,（2）井身结构设计方法1)对传统设计方法的分析,传统的设计方法是自下而上逐层确定每层套管的下入深度。每层套管下入的深度最浅，可使套管费用最少。上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特性了解的准确程度和充分程度。应用于已探明地区的开发井的井身结构设计比较合理。对于深探井，由于对下部地层了解不充分，难以应用这种传统方法自下而上合理地确定每层套管的下深。,2)改进的设计方法,对深层钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻地区深层的地层资料掌握不清，中心目标是怎样切实保证钻达目的层，提高深探井的钻井成功率。要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限，只能有两到三层技术套管。希望上部大尺寸套管尽量下深，以便在下部地层的钻进时有一定的套管层次储备和不至于小井眼完井。,2)改进的设计方法,自上而下的设计方法：根据在裸眼井段安全钻进必须满足的压力平衡约束条件，在已确定了表层套管下深的基础上，从表层套管鞋处开始向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层位。套管下深根据上部已钻地层的资料确定，不受下部地层的影响，有利于井身结构的动态设计。每层套管下入的深度最深。有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。与传统设计方法相结合，可以给出套管的合理下深区间。,3)设计举例,井深：5430米，；表层套管下深505米。自下而上设计：技套下深1529米自上而下设计：技套下深4285米,（六）套管柱强度设计设计方法主要新增了三个内容：1、以满足外载约束条件的套管柱总成本（最低）或总重量（最轻）作为优化设计目标函数。2、采用三轴应力设计。3、考虑温度对套管柱载荷和强度的影响。,三、高效破岩工具,高压水射流辅助破岩钻头加长喷嘴钻头、空化射流喷嘴钻头PDC钻头FMG系列PDC钻头（刀翼式、具有自锐能力）钻头尺寸：118mm-444mmFMD系列PDC钻头（定向、侧钻、造斜、扭方位）FMB系列PDC钻头（侧翼扩眼、超出通径1英寸）,四、深井小井