钻井工程理论与技术课件

钻井工程理论与技术,本课程主要内容,绪论第一章钻井的工程地质条件：地下压力特性和岩石力学性质第二章钻进工具：钻头、钻柱第三章钻井液：组成、类型、性能、防塌和保护油气层第四章钻进参数优选：钻压、转速、钻进方程、水力参数第五章井眼轨道设计及轨迹控制：轨道设计、防斜理论与技术、定向钻井工艺与技术第六章油气井压力控制：地层压力的平衡与控制第七章固井与完井：井身结构、套管柱设计、油井水泥、固、完井技术第八章其他钻井作业：事故处理、取心、套管开窗侧钻,主要参考书,1.钻井工艺原理(上、中、下)，石油工业出版社，刘希圣主编。2.钻井事故与复杂问题，石油工业出版社，蒋希文编著3.钻井工艺技术基础石油大学出版社，王瑞和编著4.钻井工程郝瑞主编（中等专业用书）。5.实用钻井工程中国石油情报研究所，徐云英主编6.喷射钻井理论与计算石油工业出版社，张绍槐编著。7.最优化钻井理论基础与计算石油工业出版社，郭学增编著。,常用的石油论坛,1.中国钻井网：http:/www.china-,石油钻井概述钻井技术在石油勘探开发中的重要作用钻井技术发展简史现代钻井技术主要进展我国钻井技术的现状、难点及展望钻井施工工序,绪论,本章重点：1.现代钻井技术的进展2.我国钻井技术的现状及难点3.钻井施工程序本章难点1.钻井施工程序,1、石油钻井的概念所谓石油钻井是指利用专用设备和技术，在预先选定的地表位置处，向下或一侧钻出一定直径的孔眼，一直达到地下油气层的工作。,一、石油钻井概述,2、石油钻井平台介绍钻井平台：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。,3、石油钻井的种类(1)把钻井按钻井的目的进行分类：区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井探井：预探井、详探井、边探井开发井：生产井(油井、气井)、注入井(注水井、注气井)特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等,基准井：在区域普查阶段，为了了解地层的沉积特征和含油气情况、验证物探成果而钻的井。剖面井：是为了研究地层岩性、岩相变化，为寻找含油气构造而钻的井。参数井：为了解区域构造，提供岩石物性参数而钻的井构造井：为了了解地质构造特征、验证物探成果，并编制地下某一标准层的构造图。探井：为了确定油气藏是否存在及其埋藏位置（预探井），对油气藏进行工业评价及取得油气开发所需的地质资料（详探井），圈定油气藏边界及其储量（边探井）。,生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而钻的井。注入井：开发后期为了提高采收率及开发速度，而对油田进行注水注气以补充和合理利用地层能量所钻的井。检查井：油田开发到某一含水阶段，为了搞清各油层的压力和油、气、水分布状况，剩余油饱和度的分布和变化情况，观察井：油田开发过程中专门用来了解地下动态的井调整井：油田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率，而调整原有开发井网所钻的井救援井：为了救援而钻的井。,(2)把钻井按井斜角不同分类：直井、定向井、水平井直井：井口与井底在同一条铅垂线上定向井：沿着预先设计的井眼轨迹钻达目的层，井口与井底不在同一条铅垂线上。水平井：沿着预先设计的井眼轨迹以井斜角85的角度进入目的层。,浅井H9000m,(3)把钻井按井深不同分类：,二、钻井技术在石油勘探、开发中的重要作用,1、钻井技术在油气勘探阶段的重要作用：(1)了解地层的沉积特征和含油气情况，验证物探成果，全井取心。(基准井)(2)揭示区域地质剖面，研究地层岩性、岩相变化并寻找构造。(区域查)、(剖面井)(3)在含油盆地内，了解区域构造，提供岩石物性参数。（综合详查）（参数井）(4)编制地下某一标准层的构造图，了解其地质构造特征，验证物探成果。（构造井）(5)在有利的集油气构造或油气田范围内，为确定油气藏是否存在，圈定油气藏的边界，并对油气藏进行工业评价，取得油气开发所需的地质资料。（探井）(6)为了编制油田开发方案或在开发过程中为某些专题研究取得资料数据。（资料井）,2、钻井技术在油气开发阶段的重要作用：(1)油气田开发建立油气生产通道。（生产井）(2)为了提高采收率及开发速度，进行注水、注气以补充和合理利用地层能量。（注入井）(3)油田含水阶段，为了搞清各油层的压力，油、气、水分布状况，剩余油饱和度分布和变化情况，了解各项调整挖潜措施的效果。（检查井）(4)在油气开发过程中，专门用来了解油气田地下动态，观察油气层压力、含水变化规律和单层水淹规律（不生产）。（观察井）(5)油气田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率而调整原有开发井网。（调整井）,三、钻井技术发展简史,1、钻井的发展史中国是钻井的起源地。以卓筒井为代表的中国井盐凿井技术在盐卤凿井中发现了石油矿藏，从而掀起了石油的勘探和开发。2100多年前，中国就在四川自贡应用顿钻钻井方法开始了钻井，目的是为了获得地下的盐。1521年在四川乐山钻盐井偶得石油，这是我国的第一口油井。1835年在四川钻成了一口天然气井兴海井，井深达1200m，是当时世界上最深的井1850年，钻井深度突破1000米，中国第一口产油的油井在陕西延长油矿。1834年，欧洲人才正确地把中国钻井技术应用于打盐井，1841年才开始用于钻油井。1848年，俄国钻成他们的第一口油井。美国1859年8月在宾夕法尼亚洲泰特斯维尔小镇才打了一口20m深的油井，也就是所谓的世界上的第一口油井；前苏联在1863年才打出20m深的井。,2、钻井技术的发展历程(1)人工掘井(公元前3世纪1041年之前)井的口径大到二三十丈（古长度单位），井身浅，每挖一井投入几百人,凿挖工具都是铲锄等农用工具。自秦汉至南北朝,凿挖的都是上土下石的裸眼井；南北朝至五代，始用木制井筒护壁。,(2)人力冲击钻(14011835年)口径小，一般如碗大（59寸），深度自几十丈到百余丈。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。特点是：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,(3)机械顿钻(18591901年)优点：设备简单；起下钻方便。缺点：靠冲击作用破岩，钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢；破岩和清岩相间进行,(4)旋转钻(1901年至今)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、顶部驱动旋转钻井特点是：(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。,3、旋转钻井技术发展的四个时期(1)概念时期(1901年-1920年)钻井和钻井液配套牙轮钻头的使用下套管用水泥封固(2)发展时期(1920年-1948年)固井工艺牙轮钻头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年-1969年)这个阶段开展了大量的科学研究，使钻井技术得以迅速发展。突出的技术成就有：高压喷射钻井高效牙轮钻头（镶齿、滑动密封轴承钻头）优质钻井液（低固相、无固相不分散体系钻井液）优选参数钻井（优选钻压、转速和水力参数）地层压力检测技术、油气井压力控制技术钻井液固相控制技术平衡压力钻井技术。,(4)自动化钻井时期(1969年-)主要特征是以钻井信息化、智能化并向自动化钻井方向迈进。突出的技术成就有：井下信息实时检测技术如：随钻测量、随钻测井、随钻地震、随钻地层评价和钻井动态数据实时测量。井下导向和井下闭环钻井系统。新型钻井技术和方法如：欠平衡压力钻井、水平井钻井、多分支井钻井、连续油管钻井技术等。,四、现代钻井技术的主要进展1、随钻井下测量与评价技术80年代中期第一次在定向井中使用MWD与近钻头测斜器MNB配合使用、实现几何导向。80年代末期出现随钻测井仪LWD。如：三参数组合（地层电阻率、体积密度、中子空隙度），四参数组合（地层电阻率、体积密度、中子空隙度、自然伽马）随钻测井仪,随钻测量特点：在地层未被钻井液污染时测得的。实时进行地层对比与评价。实时检测异常高压层。对比分析钻井液侵入情况。随钻测井不占用钻井时间。实现钻井数据自动采集。,进入90年代以来MWD和LWD日趋结合形成了新的随钻地层评价测试技术FEMWD如斯伦贝谢的聚成钻井信息系统，可测井斜方位、钻压、扭矩波动、应力状态、流动压力、钻井液密度、地层电阻率（射线）、孔隙度（补偿热中子、岩石密度）。成为地质导向和全功能闭环钻井系统中的重要一环,2、地质导向钻井技术地质导向钻井技术以人机对话方式来控制井眼轨迹的技术。它是以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹进行钻井。不是按预先设计的井眼轨道进行钻井地质导向可以随时知道钻头周围几米范围内的地质特征、钻头与地质界面以及地层流体界面的相对位置，可以控制钻头始终在油层中钻井。地质导向钻井是在钻井过程中，将井下随钻测量和随钻测井工具发送至地面的实时测井数据与模拟数据相对比，如果模拟数据与随钻实时数据一致，说明命中了最佳地质目标，否则应按井下实时地质特征修正和改变井眼轨道。,地质导向钻井技术,地质导向钻井技术,3、井下闭环钻井技术闭环钻井技术包含以下内容：地面测量，包括钻井液录井和钻井参数地面测量。井下随钻测量，包括MWD、LWD测量井下几何参数和地层参数。数据采集和地面计算。数据整体综合解释，把测量数据解释成有用参数以指导作业。地面操作控制自动化。井下操作自动控制。,4、水平井钻井技术90年代大规模推广，已成为常规钻井技术水平井的钻井成本降至直井的1.5-2.0倍水平井的产量是直井的4-8倍水平井全世界1985年20口，1989年500口，1995年7000口，2000年20000口，2006年30000口水平井向大位移水平井、多分支水平井、小井眼水平井方向发展，用于油田整体开发，控制产量递减国内水平井技术的研究与应用从“八五”初期逐步兴起。截至2002年底,共完钻水平井350口左右。已经形成了长、中半径水平井钻井、完井配套技术。2006年中石油计划打水平井500口，实际打560口，钻井成本是直井的1.5倍，但平均产量达三倍以上，主要是增加钻头在储层的钻遇率和长度，以提高单井产量，采收率和储量动用率。,水平井,桩314井,完钻井深：3750米完钻垂深：2632.44米，水平位移：2051.55米。,5、大位移钻井技术大位移井是指水平位移与垂直深度之比大于2以上的定向井和水平井，比值大于3为特大位移井。大位移井的主要特征是斜井段长，钻柱磨阻和井眼清洁是两大难题，需要应用旋转导向技术和工具。大位移井对海上钻井、海油陆采具有突出意义。1997年5月19日,在南海东部海域钻成了国内第1口大位移井西江24-3-A14井。该井完钻井深9238m,水平位移8062.7m世界水平位移已突破万米,水垂比接近7。发展了旋转导向、变径稳定器、防扭接头、随钻测量等先进的工具和仪器。在世界范围内,水平位移超过7000m的井在20口以上;水平位移超过10000m的井有3口:英国1998年完成的M11井(水平位移10114m,总井深10658m)和1999年完成的M16井(水平位移10728m,总井深11728m),以及阿根廷1999年完成的CN-1井(水平位移10585m,总井深11184m),西江24-1边际油田,西江24-3海上平台,97年在我国的南海东部，菲利浦斯公司完成的西江24-3-A14井完钻井深达9238米，垂深2985米，水平位移8062.7米，垂深与位移比1:2.7。,用水平井连通有高低差的两孤立油藏,三维大位移井,6、多分支井钻井技术90年代后期国外大力发展多分支井钻井技术。多分支井是指在一口井的底部钻出2口或多口进入油气藏的分支井眼，或再从2级井眼中钻出3级井眼。主井可以是直井、斜井、水平井多分支井可实现多个油气层的立体开采。多分支井可以从老井侧钻（重入）或新井再钻。按连通性、隔离性、可及性三个特性来评价多分支井技术多分支井在完井方法上需要进一步攻关。预计这项技术在21世纪将得到更大的发展，成为石油工程的主导技术之一。多分枝井的优势在于利用老井,钻井工艺主要采用短半径水平井技术。,7、欠平衡钻井技术早在19世纪末就提出，到20世纪80年代初井控技术及设备完善后得以发展，90年代初这一技术得到大规模的应用。欠平衡压力钻井具有以下优点：1、减少了对油气层的污染和损坏；2、及时发现新生的低压低渗油气层；3、可大幅度提高机械钻速；4、可边钻边采使油气井提早投产。欠平衡钻井的适用条件有：1、完善的井控设施；2、良好的井壁稳定性；3、无水层欠平衡压力钻井技术适应了勘探过程中及早发现油气层和开采过程中提高油气产能和油气采收率的要求，越来越广泛地得以应用。欠平衡钻井技术主要有空气和天然气钻井、流动钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气液钻井、泥浆帽钻井、不压井起下钻钻井、海洋欠平衡钻井等,8、小井眼钻井技术侧钻水平井、分支水平井、多分支井、重入井、连续油管钻井和欠平衡钻井都要采用小井眼钻井来完成，使小井眼钻井技术得到了发展。截至1999年底,中石油现已探明低渗透石油地质储量约40108t,约占全部探明地质储量25%。低渗透油气藏的油井产量都很低,从作业上能否做到低成本,是决定能否经济开发这类油气藏的关键。因此需要研究小井眼钻机等钻井配套工艺,降低小井眼钻井成本。开展120.65mm井眼、88.9mm套管等井眼尺寸的系列钻井完井技术研究,将小井眼技术应用到调整井、探井和老井再钻中,形成小井眼钻井技术系列,降低低渗油田的生产成本。,五、我国钻井技术的现状、难点及展望,1、我国钻井技术的现状(1)我国钻井工作量已位居世界第三,仅次于美、俄两国。目前,我国已经掌握了常规的水平井、老井侧钻及深井钻井技术等；(2)我国在复杂结构井(如多分枝井、三维多目标井等)的钻井和完井技术,高温高压钻井技术,深井、超深井钻井技术,大位移钻井与完井技术,连续管钻井技术，井眼钻井技术,欠平衡钻井技术,以及油气层保护技术等领域与国际先进水平相比仍存在较大的差距；特别是在复杂结构井、大位移井及连续管钻井等方面的钻井技术,我国几乎还是空白。,(3)我国在深井、超深井(主要是深探井)钻井方面的装备和技术水平现状与美国和欧洲相比还存在较大的差距；(4)我国水平井的规模、质量和效益与