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第七章钻进工艺技术 钻进的任务是破碎岩石 钻进的速度快慢 质量和成本的高低 受到地层的物理机械性能的制约 同时也受到钻进设备 工具的性能及钻进工艺技术措施的影响 钻进是通过选择和使用合适的工具 根据所钻地层的特点 选择合理的工艺技术 使钻头在地层中沿预定的轨道前进的过程 是一口井建井过程的最主要的环节 第一节影响钻进的主要因素 影响钻进的因素按其本身可否改变可分为两大类 指已经客观存在 无法改变的因素 如所要钻进地层的岩石物理机械性质 地质构造 地下压力分布及地层中的流体性质等 不可变因素 可变因素 指可以人为的选择和改变的因素 如钻头和钻具 钻压 转速 水力参数 洗井液性能及洗井技术等 利用其有利方面 并调节可变因素适应之 优选 设计 是直接作用于钻头上的压力 是使钻头破碎岩石的最基本参数 也是最活跃的因素 一 钻压 钻进速度 钻头的磨损速度和工作寿命 确定钻压的大小 图7 1钻压与钻速的关系曲线 钻压 W 与钻速 Vm 直线ab段 的关系 W 称为门限钻压 它是ab线在钻压铀上的截距 相当于牙齿开始压入岩石时的钻压 其数值主要与岩石性质有关 钻压对钻头牙齿磨损速度的影响关系式为 钻压与轴承磨损速度的关系式为 钻头牙齿的磨损量对钻速的影响关系式 C2为牙齿磨损系数 与牙齿结构及地层岩性有关 二 转速 如果每旋转一周都有相同的破碎深度 那么钻速将会随转速的增加而直线地增大 但实际上并非如此 转速与转速的关系 在钻压一定时 如果增加转速 牙齿和轴承的磨损速度也将加快 它反过来又会影响到机械钻速和钻头寿命等 三 水力因素 在钻进过程中 从钻头上的喷嘴中喷射出的洗井液 射流 对钻进过程发挥着三种作用 清洁 净化井底 避免重复切削 保持和扩大预破碎带裂缝 直接水力破岩 最主要的作用 保持井底清洁要经过三个过程 首先是使破碎的岩屑离开岩石母体 然后是岩屑在井底被移动 最后由上返的洗井液将其从环空举升到地面 常用钻头水功率表示 压持效应 由于井内洗井液柱所形成的静液压力大于地层压力 使得岩屑被压持在井底不易脱离的现象 克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力 Nb 钻头水功率 kW Pb 钻头喷嘴压降 MPa Q 排量 L S 钻头水功率大 就会使井底的清洁程度高 从而减小重复破碎所消耗的机械能 并能在一定程度上增加水力破碎和使破碎带裂缝扩大的效果 使机械钻速提高 图7 3钻速与水力参数的关系曲线 四 洗井液性能 洗井液密度 粘度 固相含量及其分散性等性能指标对钻速都有明显的影响 1 洗井液密度对钻速的影响 洗井液密度 压持效应 钻头的破碎效率 钻速 2 洗井液粘度对钻速的影响 洗井液粘度 循环系统的压耗 钻头喷嘴的压降 射流对井底的冲击作用 改善清岩效果 钻进速度 3 洗井液固相含量及其分散性对钻速的影响 固相含量增加会降低钻进速度和钻头 泥浆泵寿命 小于l m的胶体颗粒越多 对钻速的影响越大 为了提高钻速 应尽可能采用低固相不分散体系洗井液 第二节钻进参数选择 钻进是钻压 钻速 水力参数 洗井液性能等共同作用的过程 要达到高效率 低成本钻井的目的 必须合理确定出钻进施工中的各参数值及其相互的配合关系 采用先进技术 提高钻进效益 一 平衡压力钻井技术 基本内容 在井内洗井液压力与地层压力相平衡的条件下进行钻进 以便有效地保护油 气层不受洗井液的侵污 保证油气井的生产能力 同时保证较高的钻进速度 缩短建井周期 降低钻井成本 科学依据 根据地层的压力来确定所用洗井液的密度 二 高压喷射钻井技术 基本原理 使用新型喷射式钻头 改善井底流场 提高水力清岩效率 并使水力作用与机械破碎相结合 提高钻进速度与进尺 三种不同的喷射钻井工作方式 1 最大水功率理论及其工作方式 2 最大冲击力理论及其工作方式 3 最大喷射速度理论 用得最多 有时使用 三 优选参数钻井技术 1 钻速模式 K 岩石可钻性系数 与岩石硬度 钻头类型及洗井液性能有关 可由实验确定 Cp 压差影响系数 当压力平衡时 Cp 1 Ch 水力参数影响系数 井底达到充分净化时 Ch 1 使用最广泛 2 钻头牙齿磨损速度模式 Af 地层研磨性系数 其含义是当钻压 转速和牙齿的磨损状况一定时 牙轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性成正比 具体数值可由实验确定 Q1和Q2 由钻头类型决定的转速影响系数 D1和D2 由其直径决定的钻压影响系数 C1 牙齿磨损减慢系数 均可从相应表中查得 3 钻头轴承磨损速度模式 b为轴承工作系数 它取决于轴承结构 钻头类型 尺寸以及洗井液性能等因素 由实际钻井资料中求出 B为钻头的轴承磨损量 单位时间内的磨损量即为磨损速度 新钻头B 0 轴承损坏则B 1 4 钻进成本模式 Ct 每米钻进成本 元 米 Cb 钻头成本 元 只 Cr 钻机作业费 元 时 Tt Ts Td 分别为起下钻时间 接单根时间和纯钻进时间 时 H 钻头总进尺 米 第三节井斜及控制 一 井斜的基本概念 井斜 井眼轴线和铅垂线之间的偏离 井斜角 井眼轴线的切线与铅垂线之间的夹角 图7 4井身轴线的垂直投影和水平投影图 方位角 井眼轴线在水平面上投影的切线与正北方向的夹角 顺时针方向 井底水平位移S 指井眼轨道上某点至井口的距离在水平面上的投影 井斜变化率 指单位井眼长度井斜角变化值 指单位井眼长度方位角变化值 指单位井眼长度内井眼全角的变化值 通常也叫狗腿度 方位变化率 井眼曲率 二 井斜的危害 井深会被歪曲 地质资料不真实 甚至会漏掉油 气层 由于实际钻开点和设计点偏离较远 可能会打乱油 气田的开发方案 降低原油采收率 起下钻困难 钻柱工作条件恶化 还会造成粘附卡钻 键槽卡钻等复杂情况 固井时 下套管遇阻 套管不能居中 固井质量难以保证 会对以后的采油 修井等作业带来困难 三 井斜的标准 表7 1胜利油田生产井的井斜标准 胜利油田探井的井斜标准 2000m井深最大井斜角不得超过5 2500m井深最大井斜角不超过6 3200m井深最大井斜角不超过8 我国已规定了井斜变化率要小于3 100米的标准 四 井斜的原因 1 地质条件对井斜的影响 沉积岩大都是非均质的 具有典型的各向异性 平行于层理方向的岩石强度大 破碎比较困难 由于岩性的变化 软硬交错而引起井斜 2 下部钻柱弯曲对井斜的影响 3 钻井设备安装不合适 钻具本体弯曲 丝扣歪曲等也会引起井斜 五 井斜的控制 井斜出现后采取相应的纠斜钻具和措施进行纠斜 通过使用防斜钻具和措施防止井斜的出现 1 防斜钻具及原理 防斜原理 使钻头上面的一段钻铤具有尽可能大的刚度和大的直径 与井眼保持较小的间隙 以便在钻进过程中受钻压作用时不易弯曲 并保持钻柱始终居于井眼中心 使钻头轴线与井眼轴线基本一致 迫使钻头沿着原来的井眼方向钻进 防斜钻具 一般是采用刚性强的大尺寸钻具 常用的有扶正器组合刚性满眼钻具 塔式防斜钻具 方钻铤防斜钻具等 2 纠斜钻具及原理 1 钟摆钻具纠斜 利用斜井内切点以下钻铤重量所产生的横向力将钻头推向井眼下侧 以达到减小井斜的目的 钟摆力 2 偏重钻铤纠斜 偏重钻铤即是沿普通钻铤的一根母线钻一排均匀分布的孔 从而使钻铤一边重 一边轻 钻具在旋转时 产生一个朝向重边的离心力 且转速越高 离心力越大 这样就对斜井眼的下侧井壁产生一个较大的冲击力 而使井斜减小 3 涡轮钻具纠斜 涡轮钻具与造斜工具相结合 向原井斜的反方向造斜 以达纠斜之目的 第四节洗井与洗井液 一 洗井 清洗井底 运移岩屑出井的工艺过程 洗井的循环流程 洗井循环流程 洗井的主要任务 保证井眼清洁 循环过程中能够将岩屑冲离井底 从环空中携带岩屑上返到地面 循环中断时将岩屑悬浮在洗井液中不让其下沉 二 洗井液功能及类型 洗井液 在钻井过程中 能够完成洗井循环而达到清洗井眼目的的流体 包括泥浆 清水 空气和天然气 最常用 固相颗粒悬浮在水或油中所形成的一种分散体系 1 洗井液功能 1 清洗井底携带岩屑 2 悬浮岩屑 3 阻止地层中油 气 水流入井内 4 保护井壁 防止井壁坍塌 5 冷却 润滑钻头和钻柱 6 向井底传递水功率 7 了解地层 8 减轻钻柱或套管拄的悬重 三 洗井液性能及维护 1 密度 2 粘度 3 切力 4 失水量和泥饼厚度 5 含砂量 6 pH值 酸碱度 2 洗井液类型 水基体系 油基体系和空气一天然气体系 用的最多 用的最少 第五节特殊钻井工艺技术 一 取心钻井 1 取心工具 取出岩心 取芯过程三个环节 钻出岩心 保护岩心 取芯工具 取心钻头 岩心筒及悬挂装置 岩心爪等 2 取心工艺 1 取心工具的选择 主要依据地层岩性和井下条件 合理选择钻头 岩心爪的类型及工具长度 2 取芯钻进参数配合 钻压 转速和排量等参数均要比全面钻进钻头用的要小些 但要适当 否则 太小则钻速慢 进尺低 取心时间长 效益低 且对保护岩心亦不利 3 取心工艺 做好准备工作 开泵循环 缓慢下放到井底 取心钻进 割心操作 起钻到地面 取出岩心 测量 记录 二 定向钻井 定义 使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法 1 定向井井身剖面 1 井身剖面设计原则 必须保证实现定向钻井的目的 尽可能利用地层自然造斜规律 有利于安全 快速钻进 有利于以后的采油和修井作业 2 井身剖面类型 图7 7定向井剖面的基本类型 类型I 造斜深度较浅 在达到所要求的井斜角后 保持这个角度钻达目的层 适用于不需要下中间套管和具有单一油层的中深井中 或水平位移较大的深井中 类型 在接近下表层套管的井深开始造斜 造斜完后下表层套管 然后稳斜钻进到预定的水平位移后 降斜钻进 最后使井眼垂直进入目的层 适用于多油气层 有盐水层等复杂情况的 需要下中间套管的深井 类型 具有较长的垂直井段 便于在上部实行快速钻进 适用于地层倾角较大 要求闭合距不太大的多油气层深井 所有的井身剖面都是垂直段 增斜段 稳斜段 降斜段的组合 2 定向井造斜方法及原理 1 转盘钻造斜 槽式斜向器 水力喷射造斜钻头 扶正器造斜钻具 在靠近钻头之上的适当位置安装一个或两个 三个 扶正器组成增斜 稳斜和减斜钻具 扶正器造斜钻具不能改变方位 2 井下动力钻具造斜 常用的井下动力钻具主要是涡轮钻具和螺杆钻具 常用的造斜工具有弯钻杆和弯钻铤 3 定向井的方位控制 通常用来纠正井眼方位的方法是调整造斜工具在井底的作用方位 三 水平钻井 指在地下某一深度的地层中沿水平方向钻出一段水平井眼的工艺过程 水平钻井 1 水平井剖面类型 表7 1水平井分类及特点 2 水平井钻井系统 能够完成水平井钻井工艺过程的配套设备和工具 水平钻井系统 1 超短曲率半径水平钻井系统 靠作用在射流喷嘴内腔的静液压力自动送钻 特点 用高压水射流破岩钻进而不用钻头机械钻进 钻柱不旋转 只需要功率较小的车装钻机作为起升设备 功能 可以钻出直径50 100mm 长30 60m的水平井眼 其由垂直到水平的转弯半径为0 3m左右 超短曲率半径水平井的应用 设备 对于开发薄油层 稠油层 低渗油层 垂直裂缝油层具有良好的效果 主要用来恢复老井的产能 当然也可用于新井的增产 2 短曲率半径水平钻井系统 设备 地面设备与常规的钻井设备相同 按动力来源的不同可分为两种 地面动力钻井系统和井下动力钻井系统 现常用的是井下动力钻井系统 功能 可以钻出300 500m长水平井眼 3 中曲率半径钻井系统 水平段一般用导向马达或旋转钻具组合钻进 水平段用导向马达或带双斜式万向节的马达进行钻进 大直径中曲率半径井眼 140 318mm 造斜段一般用有弯接头 弯外壳稳定器的马达进行钻进 通常要使用随钻测量仪 低速马达 牙轮钻头 加重钻杆或抗压缩钻杆等 小直径中曲率半径井眼 89 140mm 造斜段一般用光滑钻具组合进行钻进 这种钻具组合使用带垫块或稳定器的高转速双弯马达 以便将钻头推向一侧造斜 长曲率半径井眼的弯曲率较小 井眼的造斜率一般为1 3 10m 4 长曲率半径钻井系统 与钻中曲率半径井眼使用的工具相似 设备 现在多用导向马达进行造斜 因为这种马达的钻井速度较高 定向控制也更为精确 最初经常用转盘钻具组合进行钻进 造斜方法 特点 3 水平井钻进过程中的主要问题 井下测量困难 由于钻具自重造成贴向井眼下侧井壁 摩擦阻力增大 钻压施加困难 严格控制井眼孰迹较难 岩屑不易带出 易造成井下事故 井壁不稳定 固井难度大 选择合适