石油和天然气开采业毕业论文

毕 业 设 计（论文） 国内外水平井钻井技术及发展方向 姓 名： 张双红 学 号： 22 性 别 男 专 业 : 能源勘探石油与天然气开采技术 指导教师 2013 年 5 月 28 日 i 国内外水平井钻井技术及发展方向 摘 要 经济的快速发展使人们对石油的需求急剧增加，水平井钻井技术的发展对油井产量提高以及油田采收率提高都起到了至关重要的作用，水平井钻井技术的出现是石油钻井技术方面重大的突破。本文围绕水平井钻井技术的基本原理、基本概念进行了详细的介绍，对水平井钻井 技术详细的了解，然后对国内外水平井钻井技术的现状做了细致的分析，并在此基础上通过查资料总结出了现在国内外水平井钻井技术存在的差异，使我们充分了解到国内技术的差距，以便我们在今后技术改进方面有一个方向，接下来本文总结了我国现在水平井钻井技术存在的问题，并在此基础上最后给出了我国在接下来水平井钻井技术攻关目标以及研究方向。 关键词 ： 水平井 钻井技术 水平井钻井技术差异的问题 攻关目标水平井钻井技术存在问题 ii 目 录 第一章 概述 -1 第二章 水平井的基本概念及分类 -1 2.1 水平井的基本概念 -1 2.2 水平井的分类 - 2 2.2.1 按曲率半径分类（通常的分类方法） -2 2.2.2 按照水平井的其他方面分类 -2 第三章 水平井钻井技术的现状和趋势 -2 3.1 国内水平井钻井技术现状和趋势 -2 3.2 国外水平井钻井技术现状和趋势 -4 3.3 水平井钻井技术 -6 3.4 水平井钻井技术国内外几个实例 -8 第四章 国内与国外水平井钻井技术存在的差距 -10 第五章 水平井钻井技术应用效果及存在的问题 -11 5.1 水平井钻井技术应用效果 -11 5.2 存在的问题 -11 第六章 水平井钻井技术攻关目标及研究方向 -12 参考文献 -13 致谢 -14 1 第一章 概述 随着经济的发展，人们对石油的需求越来越大，平井钻井技术成为最重 要的钻井技术之一。 水平井技术于 20 世纪 20 年代提出， 40 年代付诸实施， 80年代相继在美国、加拿大、法国等国家得到广泛工业化应用，并由此形成一股研究、应用水平井技术的高潮。如今，水平井钻井技术已日趋完善，由单个水平井向整体井组开发转变，并以此为基础发展了水平井各项配套技术，与欠平衡等钻井技术、多分支等完井技术相结合，形成了多样化的水平井技术。近年来，水平井钻完井总数几乎成指数增长，全世界的水平井井数为 4.5 万口左右，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等 69 个国家，其中美国和加拿大占 88.4%。在国内，水平井钻井技 术日益受到重视，在多个油田得以迅速发展，其油藏有低压低渗透砂岩油藏、稠油油藏、火山喷发岩油藏、不整合屋脊式砂岩油藏等多种类型 ， 石油剩余资源和低渗、超薄、稠油和超稠油等特殊经济边际油藏开发的低本高效，是水平井技术发展的直接动力 。 智能化钻井系统是自动化钻井的核心，是多种高新技术和产品的进一步研究和开发，其微型化的发展趋势，可望在 21 世纪前半叶实现 ， 随着钻井过程中工具位置、状态、流体水力参数、地层特征参数的实时测试、传输、分析和控制指令的反馈、执行再修正、钻井信息日益数字化，越来越脱离了人的经验性影响和控制，钻 进过程逐步变成一个可用数字描述的确定性过程。当前出现和正在发展的三维成像技术就是钻井信息数字化的一个典型例证。 自水平井技术获得进展以来，出现了明显的专业分工和作业中的合作，现在这种趋势更加明显。测试工具开发和应用，多分支井完井管柱系统开发，都体现了专业服务公司和作业者之间的专业分工和作业合作趋势。这种趋势有利于新技术、新工艺的研究和应用。 总的来说， 21 世纪水平井钻井技术发展的趋势是向自动化、智能化、轻便化和经济化方向发展。 定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一。采用定向井技术可以 使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低开发成本，有利于环境保护，具有显著的综合经济效益。近年来 ,定向井已成为常规技术而得到普遍应用。 第二章 水平井的基本概念及分类 2.1 水平井的基本概念 2 水平井： 水平井是井斜角保持在 90 左右，并在目的层中维持一定长度的水平段的特殊井。水平井钻井技术是常规定向井钻井技术的延伸和发展。 井斜角：井眼轴线上任意一点的井眼方向线与通过该点的重力线之间的夹角，称为该点处井斜角。单位为度。 方位角：表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线的 切线在水平面投影的方向与正北方向之间的夹角。它以正北方向开始，按顺时针方向计算。单位为度 2.2 水平井的分类 2.2.1 按曲率半径分类（通常的分类方法） 表 2-1 水平井按曲率半径分类方法 类型 曲率半径 (m) 造斜率 ( /30m) 水平段长度 (m) 长半径水平井 280 860 2 6 300 1700 中半径水平井 85 280 6 20 200 1000 中短半径水平井 20 85 20 80 200 500 短半径水平井 10 60 30 150 100 300 超短半径水平井 1 30 60 2.2.2 按照水平井的其他方面分类 表 2-2 按照井的类型和用途分类 按照井的类型 常规水平井 套管侧钻水平井 分支水平井 按照井的用途 生产水平井 注入水平井 横向勘探水平井 按水平井功能 双水平井 鱼骨水平井 阶梯水平井 分支水平井 第三章 水平井钻井技术现状 3.1 国内水平井钻井技术现状和趋势 中国是发展水平井钻井技术较早的国家之一， 60 年代中期在四川打成磨 3井和巴 24 井，限于当时的技术水平，这 2 口水平井未取得应有的效益。 “ 八五 ” 和 “ 九五 ” 期间开展了对水平井各项技术的 研究和应用，并在不同类型油藏进行了先导试验或推广应用，取得了很多成果。 国内以胜利油田，塔里木油田等为代表的一些油田也广泛应用水平井技术开发各种油气藏，每年钻各类水 3 平井 200 余口，并都见到较好的效果，取得较好的经济效益。 塔里木油田是中石油应用水平井最多的油田 ,水平井技术已经成为塔里木油田“少井高产”重要的技术支撑，在原油上产中发挥着越来越重要的作用。截止 2003 年 12 月底，塔里木油田共完成各类水平井 133 口，占全油田总井数的 34%，日产油6582.76t，占全油田产量的 45.4%，平均单井日产油 86t，是直井 的 3.5 倍，已累计生产原油 1297.84 万吨。截止 2005 年 10 月，塔里木油田共钻各类水平井 160 口，平均井深 5000 米。水平井已经成为塔里木油田开发的有效手段 。 表 3-1 截止至 2002 年，我国水平井数量统计表 类型 水平井 侧钻水平井 分支井 成对水平井 大位移井 数量（口） 705 372 31 6 698 表 3-2 国内水平井仪器数量统计表 仪器类型 LWD MWD 有线随钻仪 陀螺仪 数量（套） 21 65 127 85 目前，国内有为水平井施工提供服务的各种仪器有近 900 套，基本能够满足国 内水平井施工的需要，但适应薄油层、边部断块油藏的 LWD 和 SWD 仪器数量有较大的缺口需要引进。 图 3-1 塔里木油田近年水平井应用对比来 胜利油田是国内水平井技术发展最快、应用规模最大的油田，水平井数量占全国的 80 5 ，在生产实践中初步形成了一套比较成熟的水平井地质及油藏工程设计技术。截至 2003 年 8 月，胜利油田已累计钻水平井 (含侧钻水平 4 井 )372 口，累计产油 436810t ，取得了良好的挖潜增油效果 。 0102030405060701991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002中石油 口 胜利 口 图 3-2 1991 2002 年中国石油与胜利油田水平井数对比 图 3-3 中石油、中石化、胜利油田水平井 数量对比 20 世纪 90 年代以来，钻井技术逐步细化为具有代表意义的水平井、多分支水平井、大位移井、深井钻井、连续管钻井等钻井技术，并相继开发了许多新工具、新装备，增加和完善了钻井测试和控制手段、过程分析和控制软件。 要我国目前的水平井技术基本能适应我国油田开发的需求。但是我国的水平井技术主要是以跟殊、引进、消化和吸收国外的先进技术为主 ,没有在国际上独到的先进技术 ,在硬件和软件上还受制于人。 3.2 国外水平井钻井技术发展状况 5 水平井技术于 20 世纪 20 年代提出， 40 年代付诸实施， 80 年代相继在美国、加拿大、法国等国家得到广泛工业化应用，并由此形成一股研究、应用水平井技术的高潮。 石油行业对钻井技术低成本、低污染、精确轨迹、高产量的技术需求，促使水平井数量逐年增长。近年来，水平井钻完井总数几乎成指数增长，全世界的水平井井数为 4.5 万口左右，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等 69 个国家，其中美国和加拿大占 88.4%。在国内，水平井钻井技术日益受到重视，在多个油田得以迅速发展，其油藏有低压低渗透砂岩油藏、 稠油油藏、火山喷发岩油藏、不整合屋脊式砂岩油藏等多种类型。石油剩余资源和低渗、超薄、稠油和超稠油等特殊经济边际油藏开发的低本高效，是水平井技术发展的直接动力。 表 3-3 美国钻井动态 表 3-4 世界水平井数据统计表 国家 水平井数量 油田数量 10 口水平井以上的油田 油公司 美国 13998 1235 94 994 加拿大 12221 394 69 300 世界其它地区 4211 639 84 306 69 个国家 30430 2268 247 1600 年份 水平井 海上 开发井 老井 侧钻 斜井 直井 总计 水平井 % 斜井 % 2000 1,144 565 1735 3444 27,669 31,113 4.13% 11.07% 2001 1,150 599 1,930 3,679 32,561 36,240 3.53% 10.15% 2002 1,084 442 1,822 3,348 24,767 28,114 4.38% 11.91% 2003 1,451 425 2194 4070 28,644 32,714 5.07% 12.44% 2004 2,140 381 2,724 5,245 31,262 36,507 6.85% 14.37% 2005 3,133 392 3,060 6,586 34,812 41,397 9.00% 15.91% 2006 3,650 423 3,477 7,550 39,357 46,907 9.27% 16.10% 6 0500100015002000250030001988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 图 3-4 世界水平井增长情况图 目前，国外水平井钻井成本已降至直井的 1.5 至 2 倍，甚至有的水平井成本只是直井的 1.2 倍，而水平井产量是直井的 4 至 8 倍。 美国水平井占总数的6%，加拿大水平井占总井数的 10%，而中国水平井占 总井数 0.62%。 国外水平井主要技术指标：全世界已完成各类水平井近 4 万口，最大水平位移为 10668m，最大水平井段长 6118m，双分支水平井总水平井段长度达到4550m，多分支水平井总水平井段长度达到 8318.9m，可实现在 1m 以内的薄油层中进行轨迹控制而不脱靶。国外水平井钻井技术正向着集成系统应用和综合应用发展，既以提高成功率和综合经济效益为目的 。 就总体而言，目前国外水平井钻井技术的井身结构设计、钻具配置、钻头、井下动力钻具、轨迹控制、随钻测试、泥浆技术等都有了很大程度的提高，大大降低 了水平井的技术风险。 3.3 水平井钻井技术 在水平井专用工具方面：大扭矩、低转速多级马达、可控弯接头，可控稳定器、水力加压器、随钻扩孔工具、以及高效 PDC 钻头等广泛在水平井中的应用。用连续油管钻水平井也应用的比较广泛。大扭矩、低转速多级马达较普通动力马达的输出扭矩高出 2 倍以上，提高了机械钻速。其中闭式轴承的动力马达工作在 300 个小时以内不用检修，降低了工具成本和钻井成本。可控弯接头、可控稳定器和水力加压器等实现了随机控制，确保井眼轨迹达到设计要求，减少了起下钻次数，同时也实现了安全钻井。 在水平井仪器方面： 随钻测量内容越来越丰富，现有的 MWD 仪器不仅能够 7 测量井斜、方位及工具面等参数，而且对钻头处钻压、扭矩、井底温度及井下振动等力学参数进行测量，同时还能够对地层的自然伽玛、密度、电阻率及孔隙度等地质参数进行测量，已发展成为具有随钻测量 (简称 LWD)和随钻地震(简称 SWD)的功能。测量传感器的位置也越来越靠近钻头，传感器从原来距离钻头 12 20m 缩短到距离钻头只有 1 2m 的距离。 在水平井完井方面：能够根据不同油藏地质特点和采油作业要求，水平井完井具有多样化和可选性，既能够满足前期生产要求，又能适应今后修井作业和 增产措施的需要，其技术较为成熟配套。目前，国外常用的完井方法有：裸眼完井、筛管完井、套管固井完井、砾石充填完井和组合完井。如下图； 水平井裸眼完井 图 3-5 水平井裸眼完井示意图 水平井砾石充填完井 图 3-6 水平井砾石充填完井示意图 8 水平井固井射孔完井 图 3-7 水平井固井射孔完井示意图 水平井筛管完井 图 3-8 水平井筛管完井示意图 图 3-9 水平井组合完井示意图 3.4 水平井钻井技术国内外几个成功实例 水平井组合完井 9 事件一 ： 最大井斜记录 在 Zuata 油田， Precision Drilling732 钻机 在 DE24-8 井的分支井中，创造了 139井斜的世界纪录。在 1280m 的测量深度和 520m 的垂直深度，井斜达到 153.18，方位角为 269.11 事件二： 水平井钻井速度纪录 2001 年 5 月 29 日， Ptrozuata 公司在委内瑞拉 Zuata 油田打破了自己保持的记录，在 FG25-4 井，钻完 1895m 长的水平井井眼，仅用 20.5 小时 事件三： 2000 年 Hughes Christensen 公司在委内瑞拉重油产区，应用 121/4MX C1 Vltramax钻头实现单只钻头累积钻井最长水平段 5130m(钻了 9个侧向水平井段 )的纪录 事件四 阶梯水平井（ TZ406） 事件五： 1996 年完成了国内第一组成对水平井 杜 84 块成对水平井。 1999年 5月 25日完成 这是塔里木第一口阶梯水平井，导眼直接钻至油层，然后固井、侧钻。 水平段完井 第一段： 5-1/2” 衬管 第二段： 5-1/2” 尾管 垂深：3,678 m 水平段控制进度： 2米 侧钻点 :3,460.m （ 1999/4/18） 9-1/2” 井眼 井深 :3,789.81m （ 1999/5） 垂深：3,684 m 671 m TD:4139m 13-3/8“ 表套 10 以上事例说明了水平井钻井技术在运用方面取得了巨大成功，以及发展水平井的正确性，我国水平钻井技术目前处于快速发展阶段其钻 井技术水平已处于国际先进地位，但与美国、加拿大等发达国家相比，仍有一定的差距。特别是在水平井钻井专用工具、仪器方面的研发与应用上存在较大差距。 第四章 国内与国外水平井钻井技术存在的差距 早在 1927 年，世界上就出现了水平井钻井试验。 2O 世纪 80 年代初，法国 Elf Aquitaine 公司第一次利用水平井成功地开发了意大利亚得里亚海上Rospo Mare 油田的一个碳酸盐岩稠油油藏。国外从事水平井技术研究与应用已有几十年的历史，工艺技术完善配套、工具仪器先进可靠，而且功能齐全。国内的水平井钻井技术起步晚，虽然这 几年迅速发展，但是还和国外存在着一定的差距，主要表现在下面四个方面。 1 工艺技术配套性差 国内油田虽然从事水平井技术研究与推广应用已有十多年的时间，在水平井钻井优化设计、井眼轨道控制等方面有较大的进步和提高，但在水平井下部钻具组合受力分析、水平井安全钻井、提高钻井速度、水平井采油、作业及增产措施等方面的研究还不够深入，不能适应油田大规模应用水平井的需要，影响了水平井应用效果、规模实施和经济效益的提高。 2 缺乏专业的技术人员和施工队伍 缺乏专业的水平井技术服务公司和专业的技术人员，水平井施工队伍和现场服务人员 流动性大，随意性大。造成施工不熟练，掌握专业技能不够，给水平井施工带来安全隐患并影响水平井钻井施工速度。 3 设备不配套，性能差、不稳定 国内石油企业由于管理和资金各个方面的原因，使得设备更新速度缓慢跟不上国外的更新速度，导致现有的设备陈旧、老化、性能差，有部分水平井施工队伍的设备不配套，适合水平井施工的顶驱设备更是无从谈起，造成设备修理时间长、施工周期长和存在安全隐患。 4 工具、仪器不配套、性能不稳定 11 国内的机械制作水平不能达到国际先进水平，而且目前水平井施工所用的工具、仪器大部分为国内生产，寿命短、性能差 ，与水平井施工相配套的减震器、螺旋无磁钻挺、抗压无磁钻杆等工具严重缺乏，适应薄油层开发的 LWD仪器和性能稳定的 MWD 仪器严重不足，不能适应辽河油田水平井快速发展的需要。 第五章 水平井钻井技术应用效果及存在的问题 5.1 水平井钻井技术应用效果 水平井对于低丰度、薄油层、稠油油藏、裂缝油藏、低渗透油藏、薄油层和井间剩余油的开发具有非常好的效果，能够大大提高单井产量，提高油田的采收率。由于水平井钻井技术的成熟与配套，国内外各油田广泛应用水平井开发各类油气藏。国外每年钻水平井在 2000 口以上，国内钻水平井也在 200 口以上，其产量也是直井的 4 8 倍。水平井在各种油藏开发应用中都见到明显的效果。 水平井应用井眼轨迹控制技术，解决了由于受地面条件制约而造成靶前位移不够的“ L”型井身剖面，为了提高固井质量，防止顶水下窜的双靶点“ S”型井身剖面，以及各种三维井眼轨迹和防碰绕障问题。 胜利油田通过套管内侧钻短半径水平井研究，至今已在油田内外完成套管内侧钻水平井约 38 口，其中侧钻短半径水平井 19 口。形成了具有胜利特色的套管开窗侧钻（短半径）水平井钻井配套工艺技术。该技术能成倍的提高原来老油井产量，减少加密井，改善井网布置。利用现 成的垂直井眼和地面生产设施（如井口设施、地面集输管线和计量仪等），合理有效的开发各类油藏，增加可开采储量及石油采出率，在加快产能建设，降低开发成本，回避钻探风险等方面，显示出了巨大的经济价值和潜力。与钻一口新的水平井或垂直井相比，侧钻短半径水平井能够明显降低相应的钻井和完井费用，是一种投资少、见效快、经济效益显著的油田开发技术，是老油田稳产增产和提高最终采收率的一种有效途径。 5.2 存在的问题 通过第四章对国内与国外水平井钻井技术存在的差距分析并结合资料得出了我国水平井钻井技术发展还存在一些问题，大致概括如 下： （ 1）针对各种油藏类型的工艺技术不配套 12 （ 2）工具、仪器不配套，技术性能落后 （ 3）绕障、防碰手段不多，防碰问题突出 （ 4）工程与地质进一步结合，提高油层钻遇率 （ 5）完井方法单一，后期改造困难 （ 6）设备陈旧、不配套、修理时间长，给施工带来风险。 （ 7）提高钻井速度方法不多 第六章 水平井钻井技术攻关目标及研究方向 大力发展水平井技术是高效开发复杂油气藏特别是低渗透、稠油和裂缝性气藏的重要举措。我国页岩气资源前景广阔，包括海相页岩分布区和陆相页岩分布。水平井分段压裂改造等技术是重点突破口。未来页 岩气的开发将主要是靠小井眼钻井和先期裸眼完井降低工程成本、靠水平井分段压裂技术提高单井产量、靠长水平段水平井延长油气井生产周期的开发模式，最终实现页岩气的效益开发。 针对胜利油田低渗透油藏水平井开发技术状况，重点从四个方面进行了攻关研究 1、水平井分段裂缝配置优化技术 2、水平井分段压裂工艺 3、水平井分段压裂管柱及配套工具 4、水平井施工压力诊断及裂缝测试 总体来说国内该工艺技术不完善