钻井工艺教学课件PPT.ppt

吐哈油田工程技术研究院2008年5月 钻井工艺 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 一 钻井与完井工程在石油工业中的地位石油工业是从事石油勘探 石油开发和石油加工的能源和化工原料生产部门 钻井是石油勘探 石油开发的一个非常重要的环节和手段 在世界范围内 油田在勘探阶段的总投资中钻井费用达到55 80 在石油开发阶段总投资中钻井的费用超过50 吐哈油田目前钻井成本占到开发投资的55 60 二 钻井与完成工程技术的发展钻井除在石油工业中应用以外 在国民经济建设中也得到广泛应用 如在探矿 水文地质 铁路 水力 各种基本建设等部门 也常利用钻井方法取得有关资料 在远古时代 人类为生存和取得地下资源就开始了掘井工作 钻井技术的发展一般可以分为四个阶段 1 人工掘井 2 人力冲击钻 3 机械顿钻 冲击钻 4 旋转钻 据记载 在两千多年前在四川就已经凿了盐井 并创造了冲击钻 在1521年就钻凿了油井和火井 天然气井 1835年在四川钻成深达1200的天然气井 这是当时世界上最深的井 一般认为机械顿钻 1859年 是现代石油钻井的开始 以后再1901年发展了旋转钻井方法 以转盘带动钻柱 钻头破碎井底岩石并循环钻井液以清洁井底 1923年前苏联工程师研究出了涡轮钻具 并在40年代开始得到广泛应用 以后又出现了电动钻具和螺杆钻具 统称为井下动力钻具 它们在钻定向井有其特殊的优越性 国外将旋转钻井技术的发展又分为四个时期1 概念时期 1901 1920年 这个时期内开始将钻井和洗井结合在一起 并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管工艺技术 2 发展时期 1920 1948年 在这个时期内 牙轮钻头 固井工艺 钻井液等得到进一步发展 同时出现大功率钻井设备 3 科学化钻井时期 1948 1969年 这个时期开展了大量研究工作 是钻井技术飞速发展的一个阶段 其中主要的技术成就有 喷射钻井 镶齿 滑动密封轴承钻头 低固相 无固相不分散钻井液体系以及钻井液固相控制技术 钻井参数优选 井控技术及平衡压力钻井技术 4 自动化钻井时期 1969年至今 在这个时期发展了钻井参数自动测量 综合录井 随钻测量技术 计算机在钻井中得到广泛应用 优化钻井 自动化钻井 井口机械自动化工具 井眼轨迹遥控等新技术 新工艺 新设备也应运而生 早期的钻井技术是靠人们积累下来的经验指导钻井 随着科学技术的发展 钻井技术也步入了科学化发展的阶段 1948年出现了喷射钻井技术 1958年前后出现了平衡钻井与井控技术 1962年又出现了优化钻井技术 20世纪80年代后期水平井钻井技术 保护油气层钻井完井技术有了很大的发展和提高 随着科学技术的介入 钻井技术不仅只有定性概念 而且有了定量概念 钻井技术也从经验钻井阶段发展到了科学钻井的新的发展阶段 三 钻井类型石油勘探的方法有很多种 但判断地下是否有油 油层有多厚 圈闭有对大 储量有多少 最终还是需要通过钻井手段来确定 在石油勘探 开发的各个阶段有个共同特点就是都需要钻井 石油钻井类型按照性质和用途一般分为 地质探井 基准参数井 是指在了解很少的盆地和凹陷中 为了了解地层的沉积年代 岩性 厚度 生储盖层组合 并为地球物理解释提供各种参数所钻的井 预探井 在地震详查和地质综合研究基础上所确定的有利圈闭范围内 为了发现油气藏所钻的井 在已知油 气田范围内 已发现未知新油气藏为目的所钻的井 详探井 评价井 在已发现的油气圈闭上 以探明含油气边界和储量 了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井 地质浅井 为配合地面地质和地球物理工作 以了解区域地质构造 地层剖面和局部构造为目的所钻的井 检查资料井 在已开发油气田内 为了研究开发过程中地下情况变化所钻的井 生产井 开发油 气田所钻的采油井 采气井 注水井 为合理开发油气田 保持油气田压力所钻的用于注水的井 地质探井 预探井 详探井和地质浅井统称为探井 检查资料井 生产井 注水井统称为开发井 四 钻井建井流程 钻井施工中几个常用概念 机械速度 每小时纯钻时间内完成的钻井进尺 机械速度 钻井进尺 纯钻进时间纯钻进时间是指钻头在井底转动 破碎岩石 形成井眼的钻进时间 包括所有有进尺的工作时间 不包括划眼 扩眼时间和井壁取芯时间 钻井周期 是指从一开钻井到测完三样所用的时间 建井周期 是指从搬家安装到测完三样所用的时间 钻机台月 是反映投入钻井工作的钻机台数和每台钻机工作时间长短的指标 钻机台月 钻井周期 h 720 h 全井平均机械钻速 完钻井深 全井纯钻进时间 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 井身结构设计是整个钻井设计的基础 也是保证一口井顺利钻井的前提 合理的井身结构可以保证顺利的钻达预计井深 也能保证钻井过程中的施工安全 防止钻井施工过程中的产层污染 井身结构设计主要包括套管层次及每层套管的下深 以及套管与井眼尺寸的配合 井身结构设计的主要依据是地层压力与破裂压力 井身结构设计是钻井的基础设计 也是钻井工程设计的主要内容 井身机构设计应满足以下主要原则 1 能有效保护油气层 使不同地层压力的油气层最小程度的受到钻井液的侵害 2 避免产生井漏 井喷 井塌 卡钻等井下复杂情况和事故 为安全 优质 高效和经济钻井创造条件 3 当实际地层压力超过预测值发生溢流时 在一定范围内 应具有处理溢流的能力 一 井身结构设计中涉及的压力概念钻井工程设计 施工中 地层压力 破裂压力 井眼坍塌压力是合理进行钻井液密度设计 井身结构设计 平衡压力钻井机油气井压力控制的基础 静液柱压力 是由液柱自身重力产生的压力 一般用ph表示 ph 0 00981 h地层压力 是指岩石孔隙中流体的压力 也称为地层孔隙压力 一般用pp表示 异常低压 异常低压压力梯度小于0 00981mpa m 一般认为异常低压主要是由于从渗透性储集层中开采石油 天然气和地层水而人为造成的 异常低压在生产中很少遇到 异常高压 形成异常高压常常是多种因素综合作用的结果 这些因素与地质作用 物理 地球化学和机械过程等有关 地层压力是钻井过程中一个非常重要的压力 对地层压力的评价方法目前可分为两类 一类是利用地震资料或已钻井资料进行预测 这类方法主要用于钻井工程设计 施工 另一类是钻井过程中的地层压力监测 掌握地层压力的实际变化 确定现行钻井措施及溢流的监控 下面我主要介绍一下第二类中的dc指数法 dc指数检测是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来检测地层压力的一种方法 检测原理 机械钻速是钻压 转速 钻头类型及尺寸 水力参数 钻井液性能 地层岩性等因素的函数 当其它因素一定时 只考虑压差对钻速的影响 则机械钻速随压差减小而增加 为了消除钻井液密度变化对d指数的影响 1971年有关学者提出了修正的d指数法 即dc指数法 dc指数法检测地层压力步骤 1 按一定深度取点 一般1 5 3m取一点 如果钻速高也可以5m取一点 重点井段1m取一点 同时记录钻速 钻压 转速 地层水和钻井液密度 2 计算d和dc指数 3 在半对数坐标上做出dc指数和相应井深所确定的点 4 做正常压力趋势线5 计算地层压力 dc偏离正常趋势线越远 说明地层压力越高 破裂压力 在井下一定深度出露的地层 承受液体压力的能力是有限的 当液体压力达到某一数值时会使地层破裂 这个压称为力地层破裂压力 一般用pf表示 对底层破裂压力有很多的预测方法和模型 但我们现场现在常用的还是液压实验法 液压试验也称漏失试验 是在下完一层套管并注完水泥后 再钻穿水泥塞 钻开套管鞋下面第一个砂层之后进行的 液压试验法的步骤 1 循环调节钻井液性能 保证钻井液性能稳定 上提钻头至套管鞋内 关闭防喷器 2 用较小的排量向井内泵入钻井液 并记录各个时间的注入量及立管压力 3 做立管压力与泵入量 累计 的关系曲线图 如右图 4 根据右图可以确定各压力值 漏失压力pl 即开始偏离直线点的压力 破裂压力即最高点压力 最大值过后压力下降并趋于平缓 平缓的压力称为传播压力 5 求破裂压力当量钻井液密度 max max m pl 0 00981h6 求破裂压力梯度gf gf 0 00981 m pl h在做地破压力试验时要注意试验压力不能超过地面设备和套管的承载能力 目前液压试验法只适用于砂泥岩为主的地层 坍塌压力 钻井井眼形成后 打破了地层原有的力学平衡 造成井壁周围岩石应力集中 当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时 对于脆性岩层将出现坍塌 对于塑性岩层将出现缩径 坍塌压力和漏失压力之间的差值是我们确定钻井液密度的依据 通常我们成为钻井液密度窗口 二 套管类型 根据套管的功用 可以把套管分为 1 表层套管 2 中间套管 也成为技术套管 3 生产套管 4 钻井衬管 表层套管是下深最浅的一层套管 主要有两种功用 一是在顶部安装套管头 并在套管头上悬挂后续套管 二是封固浅层水及浅层复杂地层 使浅层水免受钻井液污染 同时封固浅层易漏失层 避免后续施工过程中造成套管鞋处漏失 中间套管 技术套管 可以是一层 也可以是多层 有时也可以省去 中间套管的作用是隔离不同的地层压力体系和封固复杂层段 生产套管是钻入油层后下入的最后一层套管 其作用是保护油层 并为油气流到地面建立通道 钻井衬管 尾管 是一种不延伸到井口的完井管柱 通常与上层套管重叠50 100米 钻井衬管可以是套管 也可以是割缝管或打眼管 三 套管尺寸与井眼尺寸的配合套管尺寸及井眼尺寸的选择涉及采油 勘探以及钻井施工的顺利进行以及成本 1 设计中考虑的因素 1 生产套管尺寸应满足采油方面的要求 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 2 对于探井 要考虑原设计井深是否要加深 是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管 以及对岩心尺寸的要求 3 要考虑到工艺水平 如井眼状况 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 钻头规格等限制 2 套管尺寸与井眼尺寸的选择和确定方法 1 确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行 2 生产套管根据采油方面要求来定 勘探井则按照勘探要求来定 3 套管与井眼之间必须有一定间隙 间隙值一般最小在9 5 12 7mm 最好为19mm 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具 它直接影响着钻井速度 钻井质量和钻井成本 因此 选择破碎效率高 坚固耐用的钻头以及在钻井施工过程中如何使用好钻头 在钻井施工中就具有特别重要的意义 一 钻头类型 一 刮刀钻头 刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头 刮刀钻头适用于松软 软地层 在这些地层中可以取得很高的机械钻速和钻头进尺 但是在硬地层和研磨性高的地层 使用效果就很差 目前在钻井施工中几乎已经不使用刮刀钻头 刮刀钻头的工作原理 刮刀钻头在钻压和扭矩的作用下 一边在钻压的作用下向下运动 一边在扭矩的作用下围绕钻头轴线旋转 刀翼吃入并切削地层 刮刀钻头主要以切削 剪切合挤压方式破碎地层 二 牙轮钻头牙轮钻头是目前是有钻井中使用最广泛的钻头 这主要是由于牙轮钻头旋转时具有冲击 压碎和剪切破碎岩石的作用 牙齿与井底的接触面积小 比压高 工作扭矩小 工作刃总长度达的特点 因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石 目前常用的牙轮钻头有三牙轮和单亚轮钻头 按照牙轮牙齿材料不同牙轮钻头分为铣齿 也称钢齿 和镶齿两大类 铣齿钻头 镶齿钻头 镶齿钻头就是在牙轮上钻孔 然后将硬质合金材料制成齿镶入其中 国内外常见的牙轮钻头牙齿类型 楔形齿 齿形呈 楔子 状 齿尖角由65 90 不等 适用于破碎具有较高塑性的软地层以及中硬地层 齿尖角小的适合软地层 齿尖角大的适合较硬地层 圆锥形齿 锥形有长锥 短锥 单锥双锥等多种形状 以压碎方式破碎岩石 强度高于楔形齿 球形齿 顶部为半球齿 以压碎和冲击方式破碎高研磨性的坚硬地层 抛物体形齿 是球形齿的变形 齿高但较大有一定强度 同样用于高研磨性的坚硬地层 勺形齿 是一种不对称楔形齿 其切削地层的工作面是内凹的勺形 背面是微向外凸的圆弧形 还有一种偏顶勺形齿 其齿顶相对于其轴线超前偏移了一个距离 其凹面正对被切削的地层 这样可以进一步改善牙齿受力面的应力分布 提高牙齿的破岩效率和工作寿命 圆锥勺形齿是自圆锥形齿的基础上产生的 还有一种平顶形齿 主要用在牙轮钻头的背锥上起到保径作用 牙轮钻头的轴承 有滚动轴承和滑动轴承两种 牙轮钻头的破岩机理 1 钻头的纵向震动及对岩石的冲击 压碎作用 2 牙齿对地层的剪切作用 剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时也产生滑动实现的 但在极硬和研磨性很强的底层中一般不会产生剪切作用 牙轮钻头的自洗功能 在钻井软地层时会出现牙轮泥包现象 这时一个牙轮齿圈间的岩屑由另一个牙轮的牙齿清除 牙轮钻头使用注意事项 1 合理的钻头选型 根据所钻地层的可钻性和研磨性 参照邻井资料 选择适当齿形的钻头 2 钻头的装卸 要使用合适的钻头盒 以免在装卸钻头时由于碰撞而损坏钻头牙齿和钻头喷嘴 下钻前要对钻头进行全面检查 避免有问题的钻头入井 3 合理的控制下钻 在缩径 狗腿度大的井段 要小心并适当旋转下钻 必要时划眼通过 接近井底前要避免钻头插入沉积岩屑内而堵塞水眼 一般建议提前一个 提前一个单根开泵 必要时还可提前 开泵时要遵循先小排量后大排量的开泵原则 4 一般情况下 下钻时要对钻头水眼进行包扎 防止沙子进入钻具水眼 堵塞水眼 5 钻头使用初期要轻压跑和钻头轴承越半小时 钻成0 3 0 6米新井眼 形成新井底 6 钻进过程中合理选择钻进参数和水力参数 避免人为损坏钻头 同时小心操作避免墩钻 溜钻现象 三 金刚石钻头金刚石钻头早期主要是用在地质钻井中 主要为对付极硬地层和研磨性强的地层 但是随着聚晶金刚石复合片钻头 pdc钻头 的发展 金刚石钻头是的使用范围是越来越广 目前金刚石钻头已经形成一个能从极软到极硬地层的完整系列 用金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头 属于一体式钻头 整个钻头无活动部件 主要组成部分有钻头本体 也叫胎体 冠部 排屑槽 也叫流道 水眼 保径 切削刃 刀翼 金刚石钻头切削齿分为天然金刚石和人造金刚石 人造金刚石主要有聚晶金刚石复合片 简称pdc 和热稳定聚晶金刚石 简称tsp 金刚石作为目前人类所认识的最硬的 抗压强度最强的 抗研磨最高的材料 是做钻头切削齿的理想材料 金刚石存在的缺点 第一 金刚石脆性较大 遇到冲击载荷会发生破裂 第二 热稳定性差 在高温下金刚石会燃烧变成二氧化碳和一氧化碳 因此在金刚石钻头设计 制造和使用中必须避免金刚石材料受到冲击载荷 并保证金刚石切削齿得到及时冷却 由于天然金刚石钻头和tsp钻头目前我们使用较少 所以下面我们重点介绍一下pdc钻头 pdc钻头切屑齿排列及分布方式 钻头的布齿密度是依据所钻地层和钻井条件而定 各个齿承担的载荷越小钻头的寿命越长 当然机械钻速也就越低 对于深井 研磨性强的地层 布齿密度就需要高一些 对于浅井 中深井和松软地层 布齿密度将要相对小一些 pdc钻头使用注意事项1 pdc钻头在搬运过程中要防止磕碰 避免损坏切削齿 2 根据所钻地层可钻性及研磨性 选择合适的钻头 3 下钻过程中要控制下放速度 防止因下钻过快导致切削齿受损 4 下钻过程中 要避免使用金刚石钻头划眼 如确因井况复杂需要划眼 应起出金刚石钻头换用牙轮钻头划眼 5 下钻前要对水眼进行包扎 防止岩屑进入水眼 6 下钻到底要提前一个单根开泵 7 正常钻进前先进行井底造型不少于1米 金刚石钻头的特点 1 金刚石钻头是一体式钻头 没有活动部件 也没有薄弱环节 因此更适合于高转速钻进 适合与井下动力钻具一起使用 在定向钻进中可以承受较大的侧向载荷而不发生井下事故 2 在正确使用情况下 金刚石钻头具有耐磨寿且命长的特点 所以更适合深井及研磨性地层 3 在地温较高的情况下 牙轮钻头轴承密封易失效 使用金刚石钻头则不会出现此问题 4 在小于165mm的井眼中 牙轮钻头由于受空间尺寸的限制 强度受到影响 性能不能得到保证 金刚石钻头则可以 避免这些问题 5 金刚石材料钻头的钻压要低于牙轮钻头 因此在钻压受限的情况下有优势 如防斜钻进 6 金刚石钻头结构设计 制造比较灵活 生产设备简单 因而可以满足非标准尺寸的异形井眼的钻井需要 7 金刚石钻头穿夹层能力较弱 含砾地层对金刚石钻头使用寿命有很大影响 四 取芯钻头取芯钻头是钻取岩心的工具 它的切削刃分布在同一个圆心的环形面积上 对岩石进行环形破碎 形成岩心 取芯钻头的种类很多 目前常用的有刮刀取心钻头 硬质合金取心钻头 金刚石取心钻头等几种 为提高取心收获率 钻头必须平稳工作 因此要求钻头上的切削刃对称分布 耐磨性一致 并且底刃平面与钻头中心轴线垂直 以免因钻头工作时歪斜偏磨 取芯钻头 二 钻头选型 一 钻头选型的目的和意义钻头类型不同 性能不同 同一类型的钻头 结构参数不同 性能也不同 同一型号钻头 厂家不同 性能不同 选择哪一种类型的钻头 同种钻头选择哪一种型号的钻头 同一种型号的钻头选择哪一个厂家 直接关系到钻井速度与钻井成本 因此钻头选型对于提高钻井速度和降低钻井成本具有重要的意义 二 不同类型钻头机械钻速与钻头寿命百分比的关系分析 1 不同类型钻头 机械钻速的差异较大 2 不同类型钻头 机械钻速随钻头新度的变化规律不同 二 钻头的适用地层范围对比 三 不同钻头类型性能比较 三 钻头选型的原则钻头选型的原则是使钻头的每米成本最低 目标函数 单位进尺成本 钻井单位进尺成本 四 钻头选型的依据1 地层条件 所钻地层岩石的机械力学特性 可钻性 地层的均质性 地层的完整性 地层造斜特征 地层温度等 2 钻井方式旋转钻井 动力钻具 复合钻井 3 轨迹控制造斜 稳斜4 井眼尺寸 如在小井眼就不能选择三牙轮钻头 5 地质设计要求如岩屑录井 取芯等 五 钻头选型的方法1 根据地质条件 钻井方式 井眼轨迹控制要求 井眼尺寸以及地质要求选择合适的钻头类型 2 根据地层条件和钻头特性 选择钻头型号 3 对于同一地层使用不同类型 型号的钻头 以 单位钻井成本 作为评价指标 优选最佳钻头类型和型号 宗旨 以钻头每米成为最低为原则 六 钻头分类及编号的国标全世界牙轮钻头的生产厂家众多 类型和结构繁杂 为了便于牙轮钻头的选择和使用 国际钻井承包商协会 iadc 于1972年制定了全世界第一个牙轮钻头的分类标准 各钻头厂家生产的钻头虽然有自己的代号 但都标注了相应的iadc编号 1987年iadc将原有分类方法和编号进行了修改和完善 形成现在的分类及编号方法 这个在世界范围内的统一标准对钻头的分类 设计 制造 选型和使用都具有重要意义 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 钻柱是钻头以上 水龙头以下的钢管柱的总称 包括方钻杆 钻杆 钻铤 各种接头及稳定器等井下工具 钻柱是钻井的重要工具 是连接地面与地下的枢纽 在转盘钻井时 靠它来传递扭矩 给井底钻头施压 以及循环钻井液等 在井下有动力钻具时 靠它承受反扭矩 随着井深的增加 对钻柱性能的要求越来越高 在深井中 在井下的工作条件十分恶劣 它往往是钻井设备与工具中的薄弱环节 钻柱的脱扣 刺漏及扭断事故是比较常见的钻井事故 钻柱的作用1 为钻井液由井口流向钻头提供通道 2 给钻头施加适当的压力 钻压 使钻头工作刃不断吃入地 3 把地面动力 扭矩等 传递给钻头 使钻头不断的旋转破碎岩石 4 起下钻头 5 根据钻柱的长度计算井深 一 钻杆钻杆是钻柱的组成部分 是用无缝钢管制成 壁厚一般为9 11mm 主要作用是传递扭矩和输送钻井液 并依靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深 钻杆有两种 一种是细扣钻杆 一种是对焊钻杆 目前细扣钻杆已经淘汰 为了增强管体与接头的链接强度 管体两端加厚 常用的加厚形式有内加厚 外加厚和内外加厚三种 二 钻铤钻铤处于钻柱的最下部 其主要特点是壁厚大 一般为38 53mm 相当于钻杆壁厚的4 6倍 具有较大的重力和刚度 钻铤的作用 1 给钻头施加钻压 2 保证压缩条件下的必要强度 3 减轻钻头的振动 摆动和跳动等 使钻头平稳工作 4 控制井斜 钻铤有许多不同的形状 如圆的 方的 三角形和螺旋形的 目前最常用的是圆形和螺旋形的 螺旋钻铤上有浅而宽的螺旋槽 可减少与井壁接触面积的40 50 而其重力只减少7 10 可减少发生压差卡钻的可能性 三 方钻杆方钻杆位于钻柱的上端 有四方形和六方形两种 钻进时 方钻杆与方补心 转盘补心配合 将地面转盘扭矩传递给钻杆 以带动钻头旋转 标准方钻杆长度12 19米 驱动部分长11 25米 方钻杆旋转时上端处于转盘面以上 下部则在转盘面以下 所以上部连接丝扣为反扣 下部为正扣 为减轻方钻杆下部连接丝扣的磨损 一般在下部接一个保护接头 根据井控要求 方钻杆一般要求安装上下旋塞 四 稳定器在钻铤柱的适当位置安装一定数量的稳定器 组成各种类型的下部钻具组合 可以满足钻直井时防止井斜的要求 钻定向井时可以起到控制井眼轨迹的作用 此外 稳定器的使用还可以提高钻头工作的稳定性 从而延长使用寿命 五 钻柱的受力分析1 轴向拉力和压力钻柱收到的轴向载荷主要有自身的重力 由钻井液产生的浮力和因加钻压而产生的压力 此外 钻柱与井壁 钻井液间的摩擦 循环钻井液时钻柱内及钻头水眼上所消耗的压力 起下钻过程中的压力变化等 在钻进时 下部钻铤受到的是压力 上部钻杆受到的是拉力 井口处拉力最大 中性点 我们把钻柱上轴向力等于零的点成为中性点 也称中和点 钻柱中性点在实际工作中有着重要意义 中性点是钻柱受拉与受压的分界点 在钻柱设计中 我们希望中性点始终落在刚度大 抗弯能力强的钻铤上 而不是落在强度较弱的钻杆上 2 扭矩在转盘钻井时 必须通过转盘把一定扭矩传递给钻柱 用于旋转钻柱和带动钻头破碎岩石 钻柱承受的扭矩在井口处最大 向下逐渐减小 在井底最小 在井下动力钻井中 钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩 在井底处最大 往上逐渐减小 3 弯曲力矩正常钻进时 当钻压超过钻柱的临界值时 下步钻柱就会产生弯曲 从而受到弯曲力矩的作用 在钻柱内产生弯曲应力 旋转时则会产生交变的弯曲应力 4 离心力当钻柱绕井眼轴线公转时 将产生离心力 离心力将引起钻柱弯曲或加剧钻柱弯曲 5 纵向振动钻进时 钻头转动 特别是牙轮钻头 会引起钻柱的纵向振动 在钻柱中性点附近产生交变的轴向应力 当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同时 或成倍数 就会产生共振现象 振幅极具增大 称之为 跳钻 跳钻会加剧钻头的损坏 同时造成钻柱的疲劳破坏 6 扭转振动当井底对钻头旋转的阻力不断变化时 会引起钻柱的扭转振动 因而产生交变剪应力 降低钻柱寿命 钻柱受到剧烈的扭转真振动时 会出现所谓的 憋跳 现象 从上面对钻柱受力的分析来看 转盘钻井时钻柱的受力情况是比较复杂的 这些载荷从性质上来讲 可以分为不变和交变的两大类 交变载荷是钻具疲劳破坏的主要原因 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 钻进参数就是指表征钻井过程中的可控因素所包含的设备 工具 钻井液以及操作条件的重要性质的量 可控因素是指通过一定的设备和技术手段可以进行人为调节的因素 如地面机泵设备 钻头类型 钻井液性能 钻压 转速 泵压和排量等 不可控因素是指客观存在的因素 如所钻地层岩性 储层埋深以及地层压力等 一 影响钻速的主要因素钻进过程中钻压 转速 水力因素 钻井液性能以及钻头的牙齿磨损等是影响钻速的主要因素 1 钻压对钻速的影响在钻进过程中 钻头牙齿在钻压的作用下吃入地层 破碎岩石 钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小 因此钻压是影响钻速的最直接和最显著的因素之一 从上图可以看出 钻压在较大的变化范围内与钻速是近似线性关系 目前实际钻井中通用的钻压取值一般都在图中ab这一线性范围内 原因是在a点之前 钻压太小 钻速很慢 在b点之后 钻压过大 产生的岩屑过多 甚至牙齿完全吃入地层 井底净化条件难以改善 钻头磨损也会加剧 钻压增大 钻速提高不是太多 甚至使钻进效果变差 2 转速对钻速的影响随着转数的提高 钻速是以指数的关系变化的 但指数一般都小于1 主要原因是转速提高后 钻头工作刃与岩石接触时间减小 3 牙齿磨损程度对钻速的影响钻进过程中钻头在破碎地层的同时 其牙齿也受到地层的磨损 随着钻头牙齿的磨损 钻头工作效率将明显下降 新钻头h为0 牙齿全部磨损时h为1 4 水力因素对钻速的影响在钻进过程中 及时有效的把岩屑清离井底 避免重复破碎 也是提高钻速的重要手段之一 水力因素对钻速的影响还表现为另外一种形式 就是水力破岩作用 当水力功率超过井底净化所需的水功率后 机械钻速仍有可能增加 喷射钻井就是利用水力因素提高钻速的 5 钻井液性能对钻速的影响钻井液性能对钻速的影响规律比较复杂 几乎不可能在改变钻井液某一性能参数时而不影响其它性能参数的变化 试验表明 钻井液的密度 粘度 失水和固相都对钻速有不同程度的影响 二 水力参数在20世纪30年代以前 钻头水眼一直作为循环通路 钻井液只起清洗井底 冷却钻头 携带岩屑 保护井壁的作用 直到20世纪30年代初期 水力喷射技术在水力采煤中首先得到了应用 从而引起了石油界的重视 现场试验表明 在用喷射式钻头钻井 与普通钻头相比 在软地层中钻头进尺可提高50 100 在硬地层则可提高13 28 机械钻速在软地层中可提高15 30 在硬地层中可提高14 21 几个概念 钻头压降 是指钻井液流过钻头水眼以后钻井液压力降低值 钻头水功率 是指钻井液流过钻头水眼时所消耗的水力功率 循环压耗 是指钻井液流动过程中在循环系统的压力消耗 主要包括地面高压管汇 钻柱内以及环空压力损耗 简单的说就是除了钻头压降以外的压耗 提高钻头水力参数的途径1 提高泵压和泵功率 提高泵压和泵功率是受井队设备配置和物资基础条件的限制 我国喷射钻井的发展大体可以分为三个阶段 第一阶段是泵压在13 15兆帕 第二阶段是17 18兆帕 第三阶段是20 22兆帕 随着阶段的上升 所用钻井泵和额定功率都在增加 2 降低循环压耗 降低循环压耗的方法有 1 使用低密度钻井液 2 减小钻井液粘度 3 增大管路内径 3 增大钻头压降系数 水眼直径的缩小可以显著提高钻头压降系数 4 优选排量 排量增大将使钻头压降和钻头水功率增大 但同时也增大了循环压耗 因而 必须在一定的优选目标下 优选排量 钻头喷嘴组合根据试验表明 不同的喷嘴数目 不同的喷嘴组合对射流的井底压力和速度分布影响很大 根据试验和现场应用人们得出使用不等径双喷嘴组合要比等径三喷嘴组合清岩效果更好 另外钻头一入井 喷嘴组合就无法改变 就只有通过地面设备来改变水力参数 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 在刚开始采用旋转钻井的时候 都是打的直井 人们想当然的认为井眼轨迹会是一条铅垂线 但直到后来偶然的机会 当一口新井把旁边老井套管打穿 还有两口井井深不同 却打到同一油层 人们才认识到 井是会斜的 井眼轨迹是要控制的 从而有了 直井防斜技术 再后来有了定向井技术 一 井眼轨迹的基本概念通常通过井深 井斜 方位角三个参数来确定井眼轨迹的 井深 指井口 通常以转盘面为基准 至测点的井眼长度 也称为斜深 井深是以钻柱或电缆的长度来测量的 井斜角 过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线 该切线与井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线 井眼方向线与重力线之间的夹角就叫井斜角 井斜方位角 某测点处井眼方向线投影到水平面上 称为井眼方位线 以正北方向为始边 顺时针防线旋转到井眼方位线上所转过的角度称为井眼方位角 垂直深度 是指井眼轨迹上的某点至井口所在水平面的距离 水平位移 指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离 井眼曲率 指井眼轨迹曲线的曲率 也称为 狗腿严重度 二 直井防斜技术影响井斜的因素可分为两大类 一类是地质因素 一类是钻具因素 1 地质因素 地层可钻性的不均匀性和地层的倾斜两个因素是导致井斜的主要地质因素 1 地层可钻性的各向异性 即地层可钻性在不同方向上的不均匀性 沉积岩都有这样的特性 垂直层面方向可钻性高 平行层面的可钻性低 钻头总是有向着容易钻井的方向前进的趋势 2 地层可钻性的纵向变化 地层在沉积过程中 由于沉积环境的不同和变化 形成了沿垂直于地层层面方向可钻性的变化 俗称 软硬交错 3 地层可钻性在横向上的变化 是指在垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化 如钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的底层 而另一侧钻遇较致密地层 预示钻头前进方向发生了偏离 从上面三点来看 地层可钻性的不均质性和地层倾斜引起的井斜机理 最终体现钻头对井底的不对称切削 使钻头轴线偏离了井眼轴线而发生倾斜 2 钻具原因钻具的倾斜和弯曲是钻具导致井斜的主要原因 由于钻具弯曲后会使钻头发生倾斜 并产生一个侧向力使钻头发生侧向切削 从而导致井斜 3 井眼扩大除了地质因素和钻具因素 井眼扩大也是发生井斜的一个主要原因 井眼扩大后 钻头可在井眼内左右移动 靠向一侧 也可使受压弯曲的钻柱绕度增大 于是钻头轴线和井眼轴线不重合 从而导致井斜 从前面分析的三个因素看 地质因素是客观存在的 是无法改变的 钻具时可以人为控制的 通过大量研究和试验 人们设计了很多防斜钻具 最常用的是满眼钻具和钟摆钻具 后面借助仪器还有复合导向和垂直导向技术 1 满眼钻具 就是在钻铤合适的位置加装扶正器 以此来达到满眼的目的 这种钻具一般至少使用三个扶正器 一个是近钻头扶正器 后面根据计算可以加第二个 第三个扶正器 加扶正器的原理就是不不能让钻具产生弯曲 满眼钻具只能控制井眼曲率 但不能控制井斜角的变化 所以这种钻具在直井防斜技术初期使用比较多 现在已经很少使用 2 钟摆钻具 原理就是在钻柱的下部适当位置加一个扶正器 使该扶正器支撑在井壁上 使下部钻具悬空 则该扶正器以下的钻柱就像一个钟摆 会产生一个钟摆力 在钟摆力的作用下钻头切削井壁下侧 从而使新钻的井眼不断降斜 a 钟摆钻具组合的钟摆力随井斜角的大小而变化 井斜大则钟摆力大 井斜小则钟摆力小 所以钟摆钻具多数用于井斜较大的井斜纠斜 b 钟摆钻具对钻压非常敏感 钻压加大 则增斜力增大 钟摆力减小 钻压再增大 扶正器以下的钻具就会发生弯曲 甚至出现新的接触点 从而失去钟摆组合的作用 因此钟摆 钻具组合在使用中要严格控制钻压 c 扶正器与井眼间的间隙对钟摆钻具组合性能的影响特别明显 当扶正器直径因磨损而减小时 要及时跟换或修复扶正器 复合导向技术 复合导向技术就是在钻具中加上有一定弯度的井下动力钻具 螺杆 在井斜变大时 可以仪器进行有目的的滑动钻进而降斜 复合导向钻具组合 带扶正器的弯螺杆 一般采用1 以下的弯螺杆 扶正器定向接头 无磁钻铤 钻铤 钻杆纠斜时可以采用有线纠斜和无线纠斜 垂直导向技术 目前主要是国外公司掌握这项技术 只提供技术服务 不卖仪器 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 完井 顾名思义就是油气井的完成 即根据油气层的地质特性和开发开采的技术要求 在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道和连通方式 合理的完井方法应该满足一下几点要求 1 油 气层和井筒之间应保持最佳的连通条件 油 气层所受的损害最小 2 油 气层和井筒之间应具有尽可能大的渗流面积 油 气入井的阻力最小 3 应能有效地封隔油 气 水层 防止气窜或水窜 防止层间的相互干扰 4 应能有效地控制油层出砂 防止井壁垮塌 确保油井长期生产 5 应具备进行分层注水 注气 分层压裂 酸化等分层措施以及便于人工举升和井下作业等条件 6 如为稠油油田 则稠油开能达到热采的要求 这里边主要指蒸汽吞吐和蒸汽驱 7 油田开发后期具备侧钻定向井及水平井的条件 8 施工工艺应尽可能的简单 应尽量降低成本 一 裸眼完井裸眼完井是指完井时井底的储层是裸露的 只在储集层以上用套管封固的完井方法 二 射孔完井射孔完井是指下入油层套管封固产层后再用射孔弹将套管 水泥环 部分产层射穿 形成油气流通的通道的完井方法 三 割缝管完井割缝管完井是在储层内直接下入割缝管 在直井 定向井 水平井中都可以采用 四 砾石填充完井对于胶结疏松出砂严重的地层 一般采用砾石填充完井 它是将绕丝筛管下入油层部位 然后用充填液将在地面上预先选好的砾石泵送至绕丝筛管与井眼或绕丝筛管与套管之间的环形空间内 构成一个砾石填充层 以阻挡油层砂流入井筒 一 前言二 井身结构设计三 钻头四 钻柱五 钻进参数六 井眼轨迹控制七 完井八 其它钻井技术及作业 钻井中由于钻遇特殊地层 钻井液的类型与性能选择不当 井身质量较差等原因 往往会造成井下遇阻 遇卡 钻井时严重憋跳 井漏 井涌等不能维持正常钻井和其它作业的现象 均成为井下复杂情况 由于操作失误 处理井下复杂情况的措施不当等都会造成钻具折断 顿钻 井喷 失火等钻井事故 一 井喷失控及处理井喷失控除可能导致资源浪费 环境污染以外 还会造成设备损毁 人员伤亡 油气井报废等后果 一旦井喷失火 后果会更为严重 因此钻井工作中 始终要把井控工作放在首位 二 井漏及处理钻井中钻井液或水泥浆漏入地层的现象称为井漏 井漏是钻井中严重而又常见的井下复杂情况之一 井漏往往会使井内液柱压力下降 导致井壁垮塌和井喷 1 井漏的原因及现象一是井下地层破裂压力异常低 岩石孔隙度大 渗透性好 或有裂缝 溶洞等 另一方面由于钻井工艺措施不当 如钻井液密度过大 压力过高 或开泵过猛以及下钻速度过快而造成井下压力激动等 在以下四种地层中可能会发生井漏 1 松散的或高渗透性的地层中 2 天然裂缝地层 3 诱导的裂缝性地层 4 洞穴型地层 2 井漏的类型 1 渗透性漏失多发生在胶结疏松的沙砾岩层 由于这些地层渗透性较好 在井内压差的作用下钻井液会漏入岩层的空隙内 由于泥饼会阻止漏失程度 因而漏速不大 一般在10m3 h以内 2 裂缝性漏失 在自然发育的裂缝发育的地层中钻井 都会不程度的发生钻井液漏失 在破碎带地层中钻进时 常会随着井下憋跳 钻速加快等现象而发生井漏 其漏速一般为20 100m3 h不等 3 溶洞性漏失 在某些石灰岩地层中 经地下水长期溶蚀而形成大溶洞 当钻遇大溶洞时 会发生钻井液只进不出 漏速一般在100m3 h以上 井漏后往往会造成井喷或井塌卡钻事故 属最严重的井漏 3 井漏的处理 1 渗透性井漏的处理 轻微的井漏主要通过调整钻井液性能 降低井底压差及堵塞岩层孔隙通道的办法 达到恢复正常钻进的目的 一是降低泥浆密度 二是提高钻井液的粘和切力 以增大流入地层孔隙的阻力 2 裂缝性漏失的处理 目前国内用来处理裂缝性漏失的方法有三种 a 注谷壳 锯末稠钻井液堵漏 钻井液粘度要适当高些 由于锯末 谷壳易赌钻头水眼 可采用反循环注入 b 在非油气层发生裂缝性漏失 可注入水泥或胶质水泥堵漏 胶质水泥配方是 水泥5份 粘土1份 另加2 的氯化钙作为催凝剂 目前水泥堵漏在国内还是使用的比较多 c 在油气层发生裂缝性漏失时 可采用石灰乳钻井液对裂缝性油气层进行暂时性封堵 其配方是石灰乳和钻井液按照1 1或者1 2进行混合 3 溶洞性漏失是最严重的漏失 常采取直接从井口投入石子 泥球等来堵塞井下洞穴 或架起 桥 来再用水泥浆等方法封堵 三 卡钻及处理钻井过程中 由于各种原因造成的钻具陷在井内不能自由活动的现象称为卡钻 1 卡钻的类型 原因及预防 1 沉砂卡钻 由于钻井液悬浮岩屑能力差 一停泵就岩屑就会下沉 尤其在钻速较快时更是如此 严重时下沉的岩屑会堵塞环空 埋住钻头与部分钻具 形成卡钻 沉砂卡钻的表现是 接单根或起钻卸开立柱后 钻井液倒反甚至喷势很大 重新开泵循环 泵压很高或憋泵 上提钻具遇卡 下放遇阻且钻具上提下放越来越困难 转动阻力很大 甚至转不动 为预防沉砂卡钻 应确保钻井液的性能满足携岩和悬浮岩屑的要求 随时做好设备和循环系统的检查维护 在因故停止钻进时 避免停止钻井液循环 缩短接单根时间 在发现泵压升高及岩屑返出量较小时要控制钻速 加大洗井 停泵前要将钻具提离井底并随时活动钻具 2 井塌卡钻 井塌卡钻在吸水膨胀的泥岩 页岩 胶结不好的砾岩 砂岩等地层 主要原因是钻井液失水量大 地层浸泡时间长 钻井液密度小 或起钻未及时灌钻井液以及抽吸等作用导致井壁垮塌而卡钻 一般在严重井塌之前 先有大块泥饼和小块地层脱落 换钻头后下钻不能到底 有时在钻井液中携带出大块未切削的上部岩石 在钻进中突然发生憋钻 上提遇阻 泵压上升 憋泵甚至不能转动钻具等现象 都说明可能是井塌卡钻 预防井塌卡钻的主要措施有 使用低失水 高矿化度和适当粘度的防塌钻井液 在破碎易塌地层要适当增加钻井液密度 随时保证钻井液的高度 避免钻头泥包和抽吸作用引起的井壁垮塌 3 压差卡钻 钻井中由于井眼不可能完全垂直 当井下钻具静止不动时 在井下压差作用下 钻柱的一些部位会贴于井壁 与井壁泥饼粘合在一起 静止时间越长则钻具与泥饼的接触面积越大 由此而产生的卡钻称为压差卡钻 产生压差卡钻的主要原因是钻井液性能不好 密度过高造成井内压差过大 失水量大 泥饼厚 粘滞系数大 一旦停止循环 不活动钻具 钻具有一部分就会贴到井壁上与泥饼接触 时间增加则会使接触面积和深度增大 泥饼对钻具的粘滞力增加 导致钻具无法上下活动和转动 但能够开泵循环 且泵压正常稳定 压差卡钻的预防措施只要是调节好钻井液性能 尽可能降低钻井液的密度 提高钻井液的润滑性能 降低泥饼粘滞系数 并要加强活动钻具或采用加扶正器的方法使钻具居中 4 键槽卡钻 键槽卡钻多发生在硬地层中 井斜和方位变化大 狗腿度大的地方 钻进时 钻柱紧靠狗腿段旋转 起下钻时钻柱在狗腿段上下拉刮 在井壁上磨出一条细槽 它比钻杆接头稍大 但比钻头直径小 起钻时钻头拉入键槽底部被卡住 键槽卡钻发生前即可发现钻杆接头偏磨严重 下钻遇阻 钻进正常 泵压也正常 但起到狗腿处常遇卡 随着井深的增加而愈加严重 能下放但不能上提 严重时可卡死 防止键槽卡钻的发生 首先必须保证井眼质量 避免出现狗腿段 起钻或再次下钻时应在键槽段反复划眼 及时破坏键槽形成 并在起钻到键槽井段时要放慢起钻速度 严禁使用高速起钻 5 缩径卡钻 缩径卡钻常发生在膨胀性地层和渗透性 孔隙性良好的地层 由于钻井液性能不好 失水量大 在井壁容易形成胶状疏松的泥饼 当泵排量小 钻井液返速低时 易在泥饼上面沉积较多的粘土颗粒 岩屑及加重剂 致使井径缩小 缩径卡钻的主要表现是 遇阻的位置固定 循环时泵压增大 上提困难 下放容易 起出的钻杆接头上部经常有松软泥饼 预防措施 采用低密度 低固相 低失水的优质钻井液 或混油在其中 并在下钻遇阻井段划眼以扩大井径 常活动钻具也可有效的预防缩径卡钻 6 落物卡钻 由于操作不小心 将卡瓦牙 吊钳牙或其它小工具掉井里 卡于井壁与钻具之间而造成的落物卡钻 落物卡钻只要加强加强管理 加强责任心还是可以避免的 其实在现场还有砂桥卡钻和泥包卡钻等 由于卡钻的类型很多 因此在现场发生卡钻后要进行正确的分析 找出真正的卡钻原因 才能对症下药的采取合理的处理措施 避免造成下步复杂 2 卡钻事故的处理卡钻事故发生后 首先要根据上提 下放 转动 开泵循环等情况 以及井眼状况和卡钻前各种征兆进行分析 准确判断出卡钻原因 再采取相应措施 常用卡钻处理方法 1 上提 下放和转动钻具解卡 如果能开泵 在循环钻井液的同时配合活动钻具 若卡的不严重 一般可以得到解决 但如果是沉砂卡钻和井塌卡钻则不能上提钻具 以免卡的更死 这时可以适当下放钻具 设法开泵循环 用倒划眼的方法慢慢上提解卡 2 浴井解卡 在采用上面方法无法解卡的情况下 对于压差卡钻 泥包卡钻 缩径卡钻 沉砂卡钻等情况可以采用浴井解卡 这种方法既是向井内泡油 泡盐水 泡酸或采用清水循环等方式 泡松粘稠的泥饼