第2章钻井工艺与方法(新).ppt

第2章油气钻井方法及工艺 第一节钻井概述第二节钻井方法第三节基本钻井工艺工程 第一节钻井概述 钻井的概念钻井的种类 一 什么是钻井 利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼 井眼 的过程 井眼直径 6 26 对我们而言 主要是开发油气资源 钻井 直井 水平井 按钻井目的 几何形状 井深 温度压力的高低等进行分类 二 钻井的种类 1 按钻井目的分类 主要分为探井和开发井两大类 探井 为探明地下地质情况 获取地下油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井 开发井 以开发为目的 为了给已探明的地下油气提供通道所钻的井 或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井 1 区域探井为了解地层年代 地层时序 岩性 厚度 生储盖组合 并为物探解释提供参数而钻的探井 2 预探井在确定含油气有利构造的基础上 以发现油气藏为目的而钻的探井 3 详探井在已发现油气构造上 为探明含油气的面积和储量 了解油气层产能为目的而钻的探井 二 钻井的种类 探井 1 生产井为完成产能任务和生产油 气所钻的井 2 注入井为提高油 气井生产能力所钻的井 目的是改变地层油气驱动能力 提高产能 提高采收率 用于注水所钻的井为注水井 用于注气所钻的井为注气井 二 钻井的种类 开发井 2 按几何形状不同分类 二 钻井的种类 直井 井口与井底在同一条铅垂线上 定向井 井口与井底不在同一条铅垂线上 根据井眼的几何形状不同 所钻的井可分为 直井和定向井 定向井 直井 二 钻井的种类 定向井的种类 定向井 普通定向井大斜度井水平井大位移井丛式井多底井 分支井 井斜角 井身轴线的切线与铅垂线的夹角 垂直井深 垂深 井口至井眼某点的垂直距离 水平位移 井口至井眼某点的水平距离 测量井深 测深 井口至井眼某点的轨迹长度 定向井的有关概念 1 普通定向井 一个井场内仅钻1口最大井斜角小于60 的定向井 2 大斜度井 最大井斜角在60 80 范围内的定向井 3 水平井 最大井斜角大于或等于86 并保持这种井斜角钻完一定长度井段的井 根据从垂直井段向水平井段转弯时的曲率半径大小进行分类 定向井的分类 分为普通定向井 大斜度井 水平井 大位移井 丛式井 多底井 分支井 等 4 大位移井 定义一 水平位移 垂深 2的定向井或水平井 定义二 测深 垂深 2的定向井或水平井 5 丛式井 在一个井场 海洋平台 上有计划地钻出两口或两口以上的定向井组 其中可含1口直井 井架底座移动 最多有40多口 流花11 1油田生产平台上的丛式井 6 多底井 分支井 一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井 分支井分级 可高效开发海洋边际油田 可实现 海油陆采 可开发湖泊上的油气田 用大位移井技术维护国家海洋权益 大位移井主要用途 大位移井在南海西部海域的应用 由于油田边际 采用任何常规方案开发都没有经济价值 该油田被搁置了10多年 西江24 3平台 西江油田位置图 水深100米 南海西江24 3 A14大位移井 水垂比 2 83 利用邻近已有的生产平台及设备 通过钻大位移井使XJ24 1油田得以成功的开发 西江24 3 A14 水深100米 测深9450米 创造了全井水平位移8062 7米 裸眼井段5032米 MWD LWD实时传输接收讯号深度9106米三项世界记录 1997年 标志着我国大位移井钻井技术已经进入世界先进行列 与Phlips公司合作 中国第一口世界记录大位移井 流花11 1油田位置示意图 位于香港东南130海浬 所在海域水深约300米 流花11 1油田设施示意图 油田于1987年发现 是中国南海东部海域地质储量最大的油田 1996年3月29日油田建成投产 油田是CNOOC和BP AMOCO联合开发 2003年7月 由CNOOC接管油田全部权益 成为中海油深圳分公司第一个自主管理的自营油田 该油田共有25口生产 目前产量约22000桶 FPS FPSO距离 1 5miles 大位移井开发方案背景回顾 流花11 1主开发区 现生产设施 流花11 1 3井区位于主开发区东翼4 5公里 3井区单独开发不具备经济效益 LiuhuaERWSpiderPlot 大位移井在南海东部海域应用情况 4 流花11 1油田侧钻大位移井取得的业绩 B3ERW4大位移井创造了目前中国水垂比的最大记录4 58 排列在世界第10位 水深大于300m 采用水下井口 在浮式钻井平台上钻成 流花11 1 A4ERW3井实际钻井周期33 77天 创造了海洋石油钻井井深5000米以上井的最短钻井周期记录 创造了PDC钻头单次入井进尺4380米的海洋钻井新记录 Best公司生产的MS1951RS钻头 平均钻速为44 76m h 旋转导向工具Powerdrive675一次入井进尺4380米 在世界范围内获得了其最好成绩 3井区4口ERW井已成为流花油田生产的主力 日产油量约占全油田25口井日产总量的46 半年生产期即可全部回收投资 经济效益显著 12 1 4 MS1951RS IADCCode S122 20世纪90年代历年大位移井的世界纪录 国外分支井加拿大稠油油藏开发 采用多分支井开采煤层气 美国CDX公司 多分支水平井投影图 煤层气俗称煤矿瓦斯 是一种以吸附状态为主 生成并储存在煤系地层中的非常规天然气 其成分与常规天然气基本相同 煤层气是近20年来崛起的新型洁净能源 它在发电 工业和民用燃料及化工原料等方面有广泛的应用 对煤层气的合理利用可以缓解当前能源短缺的状况 提高煤矿生产的安全性并带动相关产业的发展 我国地质条件复杂 煤储层具有 三低一高 的特点 即 低压 低渗 低饱和 高含气量的特征 需要进一步完善基础理论 指导煤层气勘探开发工作 煤层气储量世界第二位 年产量30亿方 美国500亿方 煤层气简介 中国第一口煤层水平多分支井 DNP02井实钻井身剖面结构图 中国第一口煤层水平多分支井 位于山西沁水盆地 煤层中水平井眼总长度7687m 共13个分支 由奥瑞安国际能源公司于2004年11月完成 煤层气稳定产量达到2万m3 日 中国第二口煤层水平多分支井 中国第二口煤层水平多分支井 位于山西宁武盆地 总进尺7993m 共10个分支 由中石油于2005年10月建成 垂直井的目的 排水 向分支井环空注蒸汽形成欠平衡钻井 可燃冰 是天然气水合物的俗称 是由水和气体分子在低温 高压环境下形成的 含天然气体分子 以甲烷为主 的冰状物 是近20年来在海洋和冻土带发现的新型洁净能源 可燃冰 99 的储量都在海底 中国近年已在南海北部陆坡 南沙海槽和东海陆坡等3处地方发现 可燃冰 存在的证据 在南海东沙群岛西南部海域新发现了潜在的 可燃冰 发育区 有可能会成为中国未来 可燃冰 开采的首选区 根据估算 世界上 可燃冰 所含有机碳的总资源量相当于全球已知煤 石油和天然气的2倍 可满足人类千年的能源需求 尽管储量丰富 但 可燃冰 的商业应用尚面临诸多难题 目前美国和日本也在进行 可燃冰 的勘探研究 但目前的成本高达200美元 立方米 只有将勘探成本降低 可燃冰 才能真正得到大规模应用 国内 可燃冰 预计可在2010 2015年进行试开采 而实现商业开发目前还有待技术上的突破 3 按井深不同分类 浅井H6000m 二 钻井的种类 深水钻井 超过500m水深的海洋钻井 荔湾3 1 1 水深1480米 06年 桑美 特大台风 国内外钻井水平 世界上最深的直井12260米 原苏联在科拉半岛的 井 德国正在施工一口设计14000 的井 中国垂深最深的井 塔深1井 8408m 中石化 钻井队 中国石化集团华北石油局西部工程公司90152HB钻井队 钻机 E 3000型9000m钻机开钻时间 2005年4月18日完钻时间 2006年7月12日凌晨2 30时三大难题 钻遇中上奥陶系碳酸盐岩缝洞发育区放空漏失 目的层高温高压对钻井液和水泥浆提出的高要求 国内首次将 273 1mm无接箍套管下深达5481m 深水钻井技术发展较快 目前 钻井水深已超过3000m 基本上形成了一套完整的深水钻井技术 4 按温度 压力的高低分类 二 钻井的种类 高温高压井 按国际通用概念 地温超过150度称为高温 地层压力当量密度超过1 8g cm3或用超过70MPa井口装置时称高压 两者同时具备的井称为高温高压井 超高温高压井 井底温度超过220度 井底压力超过105MPa的井 高温高压气井钻井风险很大 异常高温超压天然气可谓 气老虎 对开发工程造成极大威胁 这类气藏开发难 风险高 周期长 费用高 南海崖城21 1构造 1990 1991年相继报废崖城21 1 1井和崖城21 1 2井 设计深度4580 造成1 6亿元的直接损失 两年后又钻崖城21 1 3井 钻至井深4680 完钻 钻井液密度2 33g cm3 井底温度206 但钻井时间长达268天 钻井费用1 3亿元 不包括完井测试费 柯深1井 实钻井深6481米 钻井周期1002天 花费超亿元 但在测试时又因HTHP效应使管柱失效而报废 1996上半年 塔里木迪那2井 2001年4月30日钻至4800米遭遇高压 压力系数2 13 而失控 发生严重的井喷着火事故 造成1人死 3人伤 钻井设备化为灰烬 损失惨重 处理事故2个月 小结 1 钻井 的概念 2 钻井的种类 钻井目的 探井 开发井几何形状 直井 定向井 普通定向井 大斜度井 水平井 大位移井 丛式井 分支井 井深 浅井 中深井 深井 超深井温度 压力 高温高压井 超高温高压井 第二节钻井方法 为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法 人工掘井 人力冲击钻井法 机械顿钻钻井法 冲击钻 旋转钻井法 连续管钻井法 目前普遍使用 钻井方法 钻井方法分类 依据 如何破碎岩石 怎样取出岩屑 净化井眼 人工掘井 1521年之前 人力冲击钻 1521 1835年 是靠人力 捞砂筒 特殊钻头 悬绳 游梁等来完成的 实际上是利用了杠杆原理及自由落体的下落冲击作用来钻井的 特点 1 破岩与清岩相间进行 2 冲击力小 破碎效率低 3 设备简单 起下钻方便 支架 游梁 悬绳 井壁 钻头 井底 第二节钻井方法 公元二百多年前 在我国自贡开始用人力绳索式 顿钻 法钻盐井和天然气井 号称我国的 第五大发明 我国古代钻井系统 古代钻井工具 现代钻井工具 钻井技术发展简史 机械顿钻钻井法 1859 1901年 工艺过程 钢丝绳提升钻头到一定高度 冲击井底 击碎岩石 岩屑 泥土混合成泥水浆 提出钻头 捞出井内的泥水浆 暴露新井底 设计井深 特点 起 下钻费时少 设备简单 1 破碎岩石 取出岩屑的作业都是不连续的 优点 缺点 2 钻头功率小 破岩效率低 钻井速度慢 3 不能进行井内压力控制 4 只适用于钻直井 机械顿钻钻井法 1859 1901年 旋转钻井法 旋转钻井 是自1901年发展起来的 旋转钻井是靠动力带动钻头旋转 在旋转的过程中对井底岩石进行破碎 同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法 旋转钻井又分为转盘钻井 井下动力钻具钻井 顶部驱动钻井 特点是 1 破岩与清岩相接进行 2 旋转动力大 转速高 破碎效率高 3 设备复杂 起下钻繁琐 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固套管技术 2 发展时期 1920 1948年 这个时期牙轮钻头 固井工艺 钻井液等得到进一步发展 同时出现了大功率钻井设备 3 科学化钻井时期 1948 1968年 这个时期钻井技术有了迅速发展 采用了喷射钻井 镶齿 滑动密封轴承钻头 低固相 无固相不分散体系钻井液及固相控制技术 总结出了影响机械钻速的有关因素 采用了地层压力检测 井控技术及平衡压力钻井技术 4 自动化钻井时期 1968 现在 发展了钻井参数自动检测 综合录井 随钻测量技术等计算机技术在钻井工程中的应用 发展了优化钻井 井口机械化自动化工具 自动化钻机 井眼轨迹遥控及自动闭环控制技术等新技术 新工艺及新设备 旋转钻井技术的发展 旋转钻井法 转盘带动方补心 方补心带动转盘旋转 旋转钻井法 动力钻具接在钻头之上 钻铤之下 动力钻具以上的钻柱不旋转 顶部驱动钻井 旋转钻井法 1 转盘旋转钻井法 1 工艺过程 钻头 吃入地层 破碎岩石 清洗井底 设计井深 转盘旋转钻井法 2 特点 目前这种方法在世界各国被广泛使用 钻杆取代了顿钻中的钢丝绳 能够完成起下钻具 传递扭矩 为钻头施加钻压 提供洗井液的入井渠道等任务 钻头在一定的钻压作用下旋转破岩 提高了破岩效率 在破岩的同时 井底岩屑被清除出来 提高了钻井速度和效益 1 转盘旋转钻井法 钻头 吃入地层 破碎岩石 清洗井底 设计井深 2 井底动力钻具旋转钻井法 1 工艺过程 2 分类 涡轮钻具 螺杆钻具 电动钻具 转动钻头的动力由地面移到井下 直接作用在钻头上 减少了功率损失 钻柱不旋转 钻柱的功能只是给钻头施加一定的钻压 形成洗井液通路和承受井下动力钻具外壳的反扭矩 井底动力钻具的动力是由电源或井内钻井液流体提供的 3 特点 2 井底动力钻具旋转钻井法 减速涡轮钻具结构示意图 涡轮钻具定转子 行星减速机构 连续管钻井法 柔杆钻井法 1 工艺过程 钻头 井下加压装置 动力机 下放至井底 循环洗井液 延伸井眼 钻头旋转 破碎岩石 为动力机提供动力 清洗井底 连续管钻井示意图 钻井液由滚筒上的导流头进入连续管连续管不转 井下动力机带动钻头旋转 2 特点 5 具有巨大的发展潜力 目前正在发展 完善中 1 连续管钻井实现了起 下钻的连续机械化 节省了时间和劳动量 避免了钻柱上 卸扣 2 在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环 3 由洗井液直接提供破岩钻进的能量 大大提高了能量的有效利用率 4 为全自动化控制提供了很好的条件 连续管钻井法 柔杆钻井法 钻井新技术 连续油管的应用 CoiledtubingTech 应用 钻井完井修井理论 流体力学分析疲劳寿命估计 CoiledTubing reeledtubing 冲击旋转钻井 冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井钻头上部接一个冲击器 冲击器 有液动冲击器 气动锤等 是一种井底动力机械 依靠高压钻井流体 推动其活塞冲锤上下运动 撞击铁砧 并通过滑接套传递给钻头 钻头在冲击动载和静压回转的联合作用下破碎岩石 冲击力不同于静压力 它是一种加载速度极大的动载荷 作用时间极短 岩石中的接触应力瞬时可达最大值并引起应力集中 岩石不易产生塑性变形 表现为脆性增加 岩石易形成大体积破碎 提高钻井速度 从破岩机理来看 空气锤钻井主要依靠空气锤活塞对钻头的高频冲击作用破岩 而不需要采用大钻压迫使钻头吃入地层破岩 因此 在实际钻井作业中 空气锤钻井技术是采用低转速 20 30rpm 小钻压 5 10kN 及高频震击破岩方式的钻进技术 既能有效满足井斜控制要求 又能大幅度提高机械钻速 是一种比较理想的防斜打快钻井技术 空气锤钻井及其防斜特性 空气锤结构简图 中国钻井史年代划分中国古代钻井 公元前 1840年 中国近代钻井 1841年 1948年 中国现代钻井 1949年 2000年 中国21世纪钻井 2001年开始 中国钻井史的特点 中国古代钻井 创造了辉煌历史 绳索顿钻 中国近代钻井 由领先沦为落后 旋转钻 中国现代钻井 奋起直追 逐步缩小差距中国21世纪钻井 期望第二次走向辉煌 中国钻井简史 第三节基本钻井工艺过程 三个阶段 即钻前淮备 钻进以及固井与完井 1 钻前准备 修公路 平井场 钻井设备的搬运和安排 井口准备 打导管和钻鼠洞 备足钻井所需要的各种工具 器材等 大鼠洞 放方钻杆和水龙头小鼠洞 接单根时存放钻杆 70D钻机井架整体搬迁图 第三节基本钻井工艺过程 2 钻进 钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一过程 其基本工艺过程有 第一次开钻 一开 第二次开钻 二开 第三次开钻 三开 从地面钻出一个大井眼 然后下表层套管 用较小一些的钻头继续钻进 若遇到复杂地层 用钻井液难以控制时 便要下技术套管 中间套管 再用小一些的钻头往下钻进 直到设计井深 下油层套管 进行固井 完井作业 每改变一次钻头尺寸 开始钻一新井段的工艺叫开钻 oilzone 井身结构 CasingProgram 技术套管 表层套管 油层套管 171 2 133 8 121 4 95 8 81 2 7 3 固井与完井 固井即是在已钻成的井眼内下入套管 而后在套管与井眼间的环形