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钻井工程技术基础 2 一 钻井基础概论 钻井定义利用机械设备 将地层钻成具有一定深度的园柱形孔眼的工程 钻井目的确切地了解地下地质情况 正确判断储油构造 为油田开发方案提供第一手资料 钻井过程中 可以通过岩屑录井 取心 电测得到地层分层 岩性 岩石的物理化学性质 含油气情况 开采油气 提高油气采收率形成油气到地面通道 油田开采后期钻注水或注气井 3 一 钻井基础概论 钻井是石油工业的龙头 钻井工程作为油气勘探开发的主要手段 具有资金 技术密集 高投资 高风险的特点 钻井占勘探开发投资的50 以上 钻井水平的高低对于油气勘探开发效益具有十分重大的影响 合理的钻井工艺 适用的钻井技术和完井方法是提高油气勘探成功率 发现油气田 提高产量 降低成本 推动并实现油气田勘探开发经济目标的重要保证 第三章钻井与完井 油气井分为探井和生产井两种 探井 获取资料 评价油气状况 石油和天然气是深埋在地下的流体矿藏 必须钻井才能生产 生产井 生产 井分三种 直井 斜井和水平井 5 中国是世界上最早应用钻井技术的国家 中国古代的钻井技术在世界上占有举足轻重的地位 中国古代钻井 公元前 1840年 创造了辉煌历史 绳索顿钻 中国近代钻井 1841年 1948年 由领先沦为落后 旋转钻 中国现代钻井 1949年 至今 奋起直追 逐步缩小差距 期望再次走向辉煌 公元前69年中国出现了天然气井1041 1053年形成了竹筒井1206 1368年产生了油井1835年在四川自贡钻成了世界上第一口千米井 顿钻钻井 一 钻井基础概论 6 6 1950 1959年 初创阶段1960 1978年 发展阶段1979年 现在 提高阶段 石油钻井初具规模 到1959年钻井数达到2089口 旋转钻井技术得到初步发展 19年共钻井38168口 钻井规模居美国 前苏联之后的世界第三 2008年仅中国石油年钻井数达到19229口 进尺3545万米 井数居美国 加拿大之后 进尺已经超过加拿大 居世界第二位 一 钻井基础概论 7 人工掘井 人力冲击钻井法 顿钻钻井法 旋转钻井法 连续管钻井法 目前普遍使用 钻井方法分类 钻井方法 一 钻井基础概论 8 顿钻钻井法 顿钻钻井示意图 钢丝绳提升钻头 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 一 钻井基础概论 9 顿钻钻井法 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 一 钻井基础概论 10 旋转钻井法 图6 2转盘旋转钻井法 分类 一 钻井基础概论 11 转盘旋转钻井法 图6 2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 一 钻井基础概论 12 转盘旋转钻井法 图6 2转盘旋转钻井法 特点 目前这种方法在世界各国被广泛使用 钻杆完成起下钻具 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 一 钻井基础概论 13 井底动力钻具旋转钻井法 钻头 吃入地层 破碎岩石 清洗井底 设计井深 一 钻井基础概论 14 井底动力钻具旋转钻井法 一 钻井基础概论 15 井底动力钻具旋转钻井法 特点 转动钻头的动力由地面移到井下 直接接在钻头之上 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地面泥浆泵提供的 通过钻柱内孔传递到井下的具有一定动能和压力的洗井液流体或交流电 一 钻井基础概论 16 连续管钻井法 柔杆钻井法 钻头 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 图6 3连续管钻井示意图 一 钻井基础概论 17 连续管钻井法 柔杆钻井法 特点 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 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 5 具有巨大的发展潜力 目前正在发展 完善中 一 钻井基础概论 18 钻井类型 井的类型 由于钻井的目的 要求不同而产生的分类 通过钻井而达到探明地质情况 获取地下地层油气资源分布及相应性质等方面资料的井 以开发为目的 为了给已探明的地下油气提供通道 或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井 一 钻井基础概论 19 探井 一 钻井基础概论 20 开发井 一 钻井基础概论 21 图6 4大庆I 130型钻机 定义 钻井中所需各种机械设备的总称 包括 提升系统旋转系统循环系统控制系统柴油机辅助设备 二 钻井工程主体设备及工具 第一节钻井设备 一 钻机 23 钻机 石油钻井的地面配套设备 由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组 可以满足完成钻进 接单根 起下钻 循环洗井 下套管 固井 完井及特殊作业和处理井下事故等要求 图6 4大庆I 130型钻机 二 钻井工程主体设备及工具 24 钻机的分类 钻井深度 二 钻井工程主体设备及工具 25 钻机的分类 动力设备 二 钻井工程主体设备及工具 26 钻机的分类 使用地区 二 钻井工程主体设备及工具 27 钻机的组成及功能 1 起升系统 2 旋转系统 3 循环系统 4 驱动与传动系统 5 气控系统 6 井控系统 二 钻井工程主体设备及工具 28 钻机的组成及功能 1 起升系统 1 组成 2 功能 起下钻 接单根和钻进时的钻压控制 下放 悬吊或起升钻柱 套管柱和其它井下设备进 出井眼 井架 天车 游动滑车 大绳 大钩及绞车 图6 4大庆I 130型钻机 二 钻井工程主体设备及工具 29 钻机的组成及功能 水龙头 转盘 2 旋转系统 1 组成 2 功能 保证在洗井液高压循环的情况下给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力 以满足破岩钻进和井下其它要求 保证在洗井液循环时钻柱能够旋转 带动整个钻柱及钻头旋转 图6 4大庆I 130型钻机 二 钻井工程主体设备及工具 30 钻机的组成及功能 泥浆泵 泥浆净化装置 固相控制设备 和泥浆槽 罐等 3 循环系统 1 组成 2 功能 从井底清除岩屑 冷却钻头和润滑钻具 图6 5洗井液循环系统示意图 二 钻井工程主体设备及工具 31 钻机的组成及功能 3 循环系统 洗井 清洗井底 运移岩屑出井的工艺过程 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 类型 水基体系 油基体系和空气一天然气体系 二 钻井工程主体设备及工具 32 钻机的组成及功能 3 循环系统 洗井液功能 二 钻井工程主体设备及工具 33 钻机的组成及功能 动力机 传动部分 4 驱动与传动系统 1 组成 2 功能 产生动力 并把动力传递给泥浆泵 绞车和转盘 柴油机或电动机 联轴器 离合器 变速箱 皮带传动及链条传动等装置 图6 4大庆I 130型钻机 二 钻井工程主体设备及工具 34 钻机的组成及功能 5 气控系统 控制面板 控制机构 传输管线和阀门 执行机构以及压气机等 1 组成 2 功能 确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确 迅速控制 使整机协调一致的工作 图6 4大庆I 130型钻机 二 钻井工程主体设备及工具 35 钻机的组成及功能 6 井控系统 1 组成 防喷器组 钻井四通 节流管汇 压井管线以及液 气压控制机构组成 2 功能 控制井内的压力 防止地层流体无控制地流入井中 图6 4大庆I 130型钻机 二 钻井工程主体设备及工具 36 二 钻井工程主体设备及工具 37 钻机的组成及功能 二 钻井工程主体设备及工具 38 钻机的组成及功能 钻井现场 十大件 钻机八大件是指 井架 天车 游动滑车 大钩 水龙头 绞车 转盘 泥浆泵 二 钻井工程主体设备及工具 39 二 钻井工程主体设备及工具 40 二 钻井工程主体设备及工具 41 二 钻井工程主体设备及工具 42 二 钻井工程主体设备及工具 43 二 钻井工程主体设备及工具 44 二 钻井工程主体设备及工具 45 二 钻井工程主体设备及工具 46 二 钻井工程主体设备及工具 47 二 钻井工程主体设备及工具 48 二 钻井工程主体设备及工具 49 二 钻井工程主体设备及工具 50 钻井工具 一 井下钻具 水龙头以下至钻头的管柱和工具的总称 主要包括钻头和钻柱 1 钻头 影响钻井速度最直接的因素之一 二 钻井工程主体设备及工具 51 钻头的分类 按照钻切岩石面积及形状的不同 全面钻进钻头 取芯钻头 特种钻头 按照结构特点和破岩机理的不同 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头 二 钻井工程主体设备及工具 52 钻头的分类 刮刀钻头 1 刮刀钻头 图6 6刮刀钻头 切削型钻头 适用地层 松软地层 工作原理 工作时其刀翼在钻压作用下吃入岩石 并在扭矩作用下剪切破碎岩石 破岩方式 以刮削 挤压和剪切为主的方式 二 钻井工程主体设备及工具 53 钻头的分类 刮刀钻头 刮刀钻头的寿命取决于刀翼的寿命 二 钻井工程主体设备及工具 54 钻头的分类 牙轮钻头 2 牙轮钻头 组成 钻头体 水眼 巴掌 轴承和牙轮等 图6 7牙轮钻头 二 钻井工程主体设备及工具 55 钻头的分类 牙轮钻头 2 牙轮钻头 破岩形式 具有冲击 压碎和剪切等多种形式 适用地层 从软到坚硬的各种地层 工作原理 牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下 牙齿压碎并吃入岩石 同时产生一定的滑动而剪切岩石 当牙轮在井底滚动时 牙轮上的牙齿依次冲击 压入地层 这个作用可以将井底岩石压碎一部分 同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石 使井底岩石全面破碎 井眼得以延伸 二 钻井工程主体设备及工具 56 钻头的分类 牙轮钻头 牙齿与井底接触面积小 比压高 工作扭矩小等 特点 多牙轮钻头 牙轮数目 分类 单牙轮钻头 双牙轮钻头 三牙轮钻头 二 钻井工程主体设备及工具 57 钻头的分类 金刚石钻头 3 金刚石钻头 磨铣型钻头 破岩形式 破磨和铣削 适用地层 坚硬地层 二 钻井工程主体设备及工具 58 钻头的分类 金刚石钻头 二 钻井工程主体设备及工具 59 钻头的分类 取芯钻头 二 钻井工程主体设备及工具 二 钻进工具1 钻头 61 钻柱 二 钻井工程主体设备及工具 2 钻铤 是一种钢质厚壁的简型管材 接在钻头之上向钻头施加钻压和传递扭距 尺寸从33 8 11英寸 最重的钻铤每米可达300千克 3 钻杆钢质厚壁管材 是钻井延伸 传递扭距和输送钻井液的工具 标准长度 8 10和12米 单根 立根 2 3个单根 24 28米 组成一个立根 4 方钻杆方钻杆位于钻柱最上端 其主要作用是传递扭距 5 井下动力钻具螺杆钻具和涡轮钻具是两种主要的以钻井液的压力为动力的钻具 钻定向井 水平井和大斜度延伸井 能有效地控制井眼轨迹 螺杆钻具是靠钻井液流在螺杆钻具的定子和转子间的容积挤压得到扭距和转数 转数低 扭距大 可控转数 定子的合成橡胶 抗高温及抗油能力差 适于浅井 涡轮转具是靠钻井液流冲击装在涡轮轴上的转子而得到扭距和转数 转数高扭距低 结构复杂 适于硬地层 6 其它钻井工具 稳定器 振击器 安全接头 安全截止阀 取心钻具和打捞工具等 65 钻柱 方钻杆 方钻杆 二 钻井工程主体设备及工具 66 钻柱 钻杆与钻杆接头 钻杆与钻杆接头 二 钻井工程主体设备及工具 67 钻柱 钻杆与钻杆接头 钻杆与钻杆接头 二 钻井工程主体设备及工具 68 钻柱 钻铤 钻铤 二 钻井工程主体设备及工具 69 井口工具 指在起下钻过程中井口所用的工具 主要有吊钳 吊卡 吊环 卡瓦 安全卡瓦 提升短节等 二 钻井工程主体设备及工具 70 井口工具 二 钻井工程主体设备及工具 71 井口工具 二 钻井工程主体设备及工具 三 钻井液旋转钻井方法是利用钻井液清洗井底 携出井下钻屑并控制井内压力 水基钻井液 以水为连续相 油基钻井液 以油为连续相 泥浆 钻井液 液相 淡水或盐水 某种油品 固相 重晶石 高岭土 处理剂 有机或无机化学处理剂污染物 岩屑等 钻井液的作用 清洗井底 携出岩屑 冷却钻头 保护井壁 润滑钻具 破岩作用 平衡地层压力和保护油层 73 钻井施工工序钻井是一项复杂的系统工程 每一口油 气井的完成都包括钻前施工 钻井施工和固井作业三个阶段 每一项工程阶段又有一系列的施工工序 就钻井工程总体而言 其主要施工工序一般包括 定井位 道路勘测 基础施工 安装井架 搬家 安装设备 一次开钻 二次开钻 钻进 起钻 换钻头 下钻 完井 电测 下套管 固井作业等 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 74 钻井施工工序钻井是一项复杂的系统工程 每一口油 气井的完成都包括钻前施工 钻井施工和固井作业三个阶段 每一项工程阶段又有一系列的施工工序 就钻井工程总体而言 其主要施工工序一般包括 定井位 道路勘测 基础施工 安装井架 搬家 安装设备 一次开钻 二次开钻 钻进 起钻 换钻头 下钻 完井 电测 下套管 固井作业等 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 75 三个阶段 钻前准备 钻进 固井与完井 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 第二节钻井过程 一 准备工作定井位 修公路 平井场 打基础 安装 77 2 钻进 进行钻井生产取得进尺的唯一过程 生产套管 技术套管 表层套管 导管 井身结构 指井内所下套管层数 尺寸 深度 水泥返高等 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 78 每改变一次钻头尺寸 开始钻一新的井段的工艺叫开钻 2 钻进 进行钻井生产取得进尺的唯一过程 基本工艺过程 第一次开钻 一开 下表层套管 第二次开钻 二开 下技术套管 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 二 钻进钻进 狭义 洗井 接单根 起下钻 其它作业 80 3 固井 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空间内注入水泥浆 将套管和地层固结成一体的工艺过程 图6 15固井后井眼状况示意图 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 三 固井目的 加固井壁和隔离钻井的油气水层 固井是钻井过程中的重要作业 一般至少要有两次固井 生产井 多至4 5次固井 深探井 固井过程分三步 1 下套管2 注水泥3 井口安装和套管试压 84 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 85 2 下套管 套管柱设计 尺寸设计 强度和密封性设计 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 86 一般要求水泥环在最上部油层50 100m以上 3 注水泥 水泥浆是由干水泥和水配制而成 用一套专用设备 水泥车 混合漏斗 灰罐车 将水泥浆按设计用量注入井内 使其返至套管外设计的位置 水泥返高指固井时套管与井壁之间水泥环上升的高度 常指水泥环上端到井口方补心的距离 三 钻井工程工艺基础知识及施工流程 第三节完井完井 顾名思义 即井的完成 通常完井分探井完井和开发井完井 探井完井 包括发现有价值的油气 开始下油层套管 注水泥固井 射孔 试油气 直到弃井或临时性弃井 开发井完井 包括下油层套管 注水泥 射孔 下生产管柱和安装井口直到交井 一 保护油气层的措施采取平衡压力钻井油气层 减少钻井液和完井液的滤失性 清除钻井液和完井液中的无用固相颗粒 控制膨润土的含量 减少钻井液和完井液对油气的浸泡时间 固井水泥对油气层的损害更严重 在水泥中加失水剂和缩短水泥凝固时间 二 完井方法套管射孔完井 尾管射孔完井 先期裸眼完井 后期裸眼完井 筛管完井 砾石充填完井 三 完井井口装置组成 通常包括套管头 油管头和采油树三大部件套管头 在完井中起着悬挂和密封油层套管的作用 油管头 与油层套管连通 起着悬挂 支撑井中油管柱 密封油管柱和套管的环形空间的作用 采油树 安装在油管头上 是油气井生产的总闸门 用来控制和调节油气流的生产 四 油气井的射孔方法射孔 完井前用射孔弹把封固的油气层射开这就叫射孔 正压射孔 是在套管里的液柱压力大于地层压力下进行射孔 负压射孔 是在生产管柱的封隔器坐封后 在生产管柱内的压力低于油气层压力下 用电缆把射孔枪送到预定的油气层深度进行射孔 过油管射孔 用电缆把把射孔弹送到预定的油气层深度射孔 油管输送射孔 将射孔枪接在油管柱的下部 下入到井下预定深度 封隔器坐封和装好采油树后 打开清腊闸门和总闸门 用投棒或环空加压的办法起爆射孔 五 完油试油试油 完井作业的最后工序 探井试油 主要是了解地层的真实情况和生产能力 为勘探的情况和生产能力做出评价 生产井试油 要按开发方案的试油程序进行 试油时间长 资料收集全面详细 资料解释系统深入 通过测试和解释 了解油气井在各种条件下的生产能力 为油田开发提供实际依据 第四章油田开发 本章介绍油气田是如何进行开发和生产的 油气田开发总体方案 油是怎样采出的 保持压力的措施 注水 改造油层 酸化和压裂 先进的增产技术 第一节油气藏地质基础 一 油气藏分类以圈闭的成因为基础 将油气藏分为构造油气藏 地层油气藏和岩性油气藏三大类 构造油气藏 1 背斜油气藏 2 断层圈闭油气藏 地层油气藏 岩性油气藏 二 储层物理性质储层是油气聚集的场所 其物理性质的好与差 以其分布规律与特征 对于油田开发方式和油井产量有直接关系 岩石孔隙度 岩石孔隙体与岩石总体积之比 有效孔隙度 流体可以在其中流动而互相连通的孔隙体积与岩石总体积之比 绝对渗透率 利用空气测试岩心的渗透率 有效渗透率 油气和水三种流体 允许其中某一种流体通过的能力 其中K为渗透率 油 气 水饱和度 储层岩石孔隙被流体充满的程度 通常是以该流体所占孔隙的百分数来表示 含油饱和度So Vo Vp 100 含气饱和度Sg Vg Vp 100 含水饱和度Sw Vw Vp 100 润湿现象 润湿现象是指流体在其表面分子力的作用下 将其滴放在固体表面上时 所呈现的流散现象 天然气分类1 按矿藏分类 气藏气 主要为甲烷 含量大于85 以上 油藏气 也称伴生气 它包括溶解气和气顶气 特征是乙烷和乙烷以上的烷类含量较高 凝析气藏气 除含有大量的甲烷之外 戊烷及其以上的烃类含量较高 2 按烃类的组成分类 湿气 每1立方米天然气中 戊烷以上 C5 的烃类 按液态计大于10毫升的天然气叫湿气 干气 按液态计小于10毫升的天然气叫干气 3 按硫化氢和二氧化碳含量分类 净气 是指天然气中硫化氢和二氧化碳含量甚微或不含有 酸气 是指硫化氢和二氧化碳含量超过有关质量标准 油气田水的分类1 硫酸钠 Na2SO4 水型 开启型 代表着大陆环境 是环境封闭性差的反映 不利于油气聚集保存 2 碳酸氢钠 NaHCO3 水型 还原氧化型 这种水型的水pH值大于8 为碱性水 我国油 气田水属于这种水型的很多 其储层多是陆相淡水潮湿的湖盆沉积 是含油气的良好标志 3 氯化镁 MgCl2 水型 氧化还原型 这种水型代表的典型代表是海水 生成于海洋环境 说明油层与地面不连通 封闭条件好 在很多情况下 氯化镁水型存在于油气田内部 4 氯化钙 CaCl2 水型 还原封闭型 在完全封闭的地质环境中 地下水与地表完全隔离不发生水的交替 这与油气聚集所要求的环境相同 是含油气的良好标志 我国油气田水的基本类型 是碳酸氢钠型和氯化钙型 总的矿化度变化范围在3 000 300 000毫克 升 第二节油田开发 油田开发是一项技术业务性很强的工作 它涉及的技术领域很广 它包括地质 油藏 钻井 完井 采油 地面工程设计和经济分析等 一 油藏的驱动类型油藏在开采过程中 驱使原油流向井底 并升举到地面 主要依靠的能量来源是什么 刚性水压驱动 有充足供水能力的边水或底水的水头压力 弹性水压驱动 主要依靠与油藏含油部分相连通的广大水体的弹性膨胀 生产特点 当产量保持一定时 油层弹性能量逐渐消耗 压力不断下降 国内大部分已开发油田属于弹性水