石油工业概论之钻井工程

钻井工程,第一章油气钻井方法及工艺第二章钻进工艺技术第三章固井、完井与试油,第六章油气钻井方法及工艺,利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼的过程。,第一节钻井方法,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,顿钻钻井法,旋转钻井法,连续管钻井法,目前普遍使用,钻井,钻井方法,钻井方法分类,一、顿钻钻井法,1.工艺过程,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,图61顿钻钻井示意图,2.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。,二、旋转钻井法,转盘旋转钻井法,井底动力钻具旋转钻井法,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,图62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。,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。,(3)特点,三、连续管钻井法(柔杆钻井法),1.工艺过程,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63连续管钻井示意图,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；,(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；,第二节钻井类型,井的类型：由于钻井的目的、要求不同而产生的,1.探井,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,地质浅井,地质探井,预探井,详探井,资料井,为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构造，地层剖面和局部构造为目的的浅井,以了解地层的时代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理解释提供各种参数为目的而钻的井,在地震详查和地质综合研究所确定的有利构造上以发现油气藏为目的所钻的探井,在已发现油气的构造上，以探明含油气的面积和储量，了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井,为编制油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题研究取得第一手资料数据而钻的井,2.开发井,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,油气井,注入井,观察井,为开发油气田，用大中型钻机所钻的采油、采气井，也叫生产井。,为合理开发油气田，提高采收率及开发速度，用以对油气田进行注气、注水以补充和合理利用地层能量所钻的井。,在已开发的油气田内，为了研究开发过程中地下情况的变化所钻的井。,第三节钻井设备,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64大庆I130型钻机,一、钻机的分类,1.钻井深度,大型钻机,超重型钻机,重型钻机,中型钻机,H5000m，W2500kN,H10002500mW8001600kN,H30005000mW20002500kN,轻便钻机,H5000m，W800kN，89140mm钻杆，井径160mm，深井,H3000m，W300kN，4289mm钻杆，井径13.8MPa承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。（7）水泥石的抗蚀性地层水中的硫酸钠、硫酸镁与水泥中的石灰反应生成硫酸钙。硫酸钙与C3A反应生成硫代铝酸钙，其体积是水花铝酸钙的2.5倍，在水泥石内部产生较大的内应力而导致破坏。抗硫酸盐腐蚀的措施：1）减少C3A含量，高抗硫水泥，C3A3%；2）在水泥中加入矿渣、石英砂、粉煤灰等。（8）高温下水泥石的强度衰减温度超过110后，温度越高，强度衰减速度越快。加入2530%硅粉，可防止水泥高温强度衰减。,（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到2.3gcm3。（2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（5）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。（6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。,2.水泥外加剂,3.特种水泥,（1）触变性水泥：在水泥中加入粘土或硫酸盐。当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，具有良好的流动性。（2）膨胀水泥：在水泥中加入铝粉或煅烧的氧化镁。水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：在水泥中加入石膏粉或铝酸钙。用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥：在水泥中加入盐粉。用于海水配桨或盐岩层固井。（5）抗高温水泥：在水泥中加入石英砂或铝酸盐。用于高温条件固井。（6）轻质水泥：低压固井用。,完井工程：,是衔接钻井和采油工程而又相对独立的工程，是从钻开油层到固井、完井、下生产管柱、排液、诱导油流，直至投产的工艺过程组成的系统工程。,完井工程设计的任务,对油气层潜在损害进行评价，提出相应保护措施，尽可能减少对储层的损害，使油气层与井筒间保持良好的连通条件，最大程度发挥其产能；,通过节点分析，优化压力系统，根据油藏工程和油田开发全过程特点以及开发过程中所采取的各项措施来选择完井方式、方法和选定套管尺寸。,第二节油气井完成,完井工程系统内容,岩心分析及敏感性评价提出对完井液、射孔液、压裂液、酸液、压井液等的基本技术要求钻井液选择主要是考虑如何防止钻井液的滤液侵入油层而造成油层伤害，同时又考虑到安全钻进的问题，选择钻井液类型、配方及外加剂。完井方式及方法根据油田地质特点及油田开发方式和井别，按砂岩、碳酸盐岩、火成岩和变质岩等岩性选择完井方式。油管及生产套管尺寸的选定根据节点分析进行油层井筒地面管线敏感性分析，选定油管尺寸，然后根据油管尺寸选定生产套管尺寸。注水泥设计水泥性能和返高的要求，注水泥的方式及选择水泥浆配方等,完井工程系统内容,固井质量评价对固井注水泥后的质量评价，检查套管外水泥是否封固好，有无窜槽和混浆段及返高状况。射孔及完井液选择根据射孔敏感性分析，确定射孔弹型、孔径、孔密、相位角和负压值，然后根据油层渗透率及原油物性选择射孔枪、射孔弹、射孔方式及射孔液和完井液。完井的试井评价通过试井解释表皮系数，检查油层伤害，找出油层伤害的原因，以便解除或减少对油层的伤害。完井生产管柱除当前国内已形成的常规油气井生产及注水管柱外，还有特殊要求的生产管柱，如高压油气、防腐、注蒸汽井隔热、双管、人工举升以及深井、超深井等管柱。投产措施,完井方式要求：,(1)保持最佳的连通条件，油层所受的损害最小；,(2)应具有尽可能大的渗流面积，入井的阻力最小；,(3)有效地封隔油、气、水层，防止窜槽及层间干扰；,(4)有效防止油层出砂和井壁坍塌，确保油井长期生产；,(5)应具备便于人工举升和井下作业等条件；,(6)施工工艺简便，成本低。,一、完井方式,完井方式分类：,套管或尾管射孔完井,割缝衬管完井,裸眼完井,裸眼或套管内砾石充填完井,滤砂管完井,化学固砂完井,(一)裸眼完井方式,先期裸眼完井方式,复合型完井方式,后期裸眼完井方式,优点：,油层完全裸露，不会产生附加渗流阻力，产能较高，完善程度高。,缺点：,不能克服井壁坍塌和油层出砂对油井生产的影响；,不能克服生产层范围内不同压力的油、气、水层的相互干扰；,无法进行选择性酸化或压裂等。,裸眼完井方式的主要特点：,(二)射孔完井方式,(三)割缝衬管完井方式,割缝衬管完井方式,改进后的割缝衬管完井方式,割缝衬管防砂机理,允许一定大小的、能被原油携带到地面的细小砂粒通过，而把较大的砂粒阻挡在衬管外面，大砂粒在衬管外形成砂桥，达到防砂目的。,衬管外自然分选形成“砂桥”示意图1-油层；2-砂桥；3-缝眼；4-井筒,缝眼形状：剖面呈梯形，衬管内表面为梯形大的底边。,缝口宽度：梯形小底边的宽度不大于砂粒直径的两倍。e2D10,割缝缝眼形状,绕丝筛管剖面,(四)砾石充填完井方式,直接充填,先将绕丝筛管或衬管下入油层部位，然后用充填液将在地面上预先选好的砾石泵送至绕丝筛管与井眼或绕丝筛管与套管之间的环形空间内，形成砾石充填层，阻挡油层砂流入井筒，达到保护井壁、防砂入井的目的。,预制充填,在地面预先将符合油层特性要求的砾石填入具有内外双层绕丝筛管的环形空间而制成的防砂管，将筛管下入井内，对准出砂层位进行防砂。,裸眼砾石充填,套管内砾石充填,（五）防滤砂管完井,防砂原理：采用不同介质作滤砂材料，只让油通过，而将砂挡在滤砂管外。,防滤砂管种类：预充填绕丝筛管、金属纤维、陶瓷、多孔冶金粉末、金属烧结模滤管等。,特点：（1）在油井出砂不严重、产液量不高的裸眼或套管完井中使用；（2）油井产能低于砾石充填、有效期不如砾石充填长，不能像砾石充填那样能防止油层砂进入井筒，只能防止油层砂进入井筒后不再进入油管；（3）工艺简单、成本低。,（六）化学固砂完井,化学固砂是以各种材料（水泥浆、酚醛树脂等）为胶结剂，以轻质油为增孔剂，以各种硬质颗粒（石英砂、核桃壳等）为支撑剂，按一定比例拌合均匀后，挤入套管外堆积于出砂层位，靠油层温度凝固后形成具有一定强度和渗透率的人工井壁，防止油层出砂。或者不加支撑剂，直接将胶结剂挤入套管外出砂层中将疏松砂岩胶结牢固亦可。,渗透性可凝固材料：胶结剂+增孔剂+支撑剂,水泥酚醛树脂,石英砂核桃壳,轻质油,（七）水平井完井,（1）裸眼完井（2）割缝衬管完井（3）带管外封隔器的割缝衬管完井（4）射孔完井（5）砾石充填完井,二、完井方式选择,第三节射孔方案设计,一、射孔参数设计,主要考虑的问题：,参数组合的产能比、套管损害情况和孔眼的力学稳定性,1.资料准备,收集射孔枪、弹的基本数据,进行射孔弹穿深、孔径校正,计算钻井损害参数,2.射孔参数优选过程,建立各种储层和产层流体条件下射孔完井产能关系数学模型,获得各种条件下射孔产能比定量关系；,收集本地区、邻井和设计井有关资料和数据，用以修正模型和优化设计；,调配射孔枪、弹型号和性能测试数据；,校正各种弹的井下穿深和孔径；,计算各种弹的压实损害系数；,计算设计井的钻井损害参数；,计算和比较各种可能参数配合下的产能比、产量、表皮系数和套管抗挤毁能力降低系数，优选出最佳的射孔参数配合。,射孔参数,孔密（DEN）1040孔/m孔径（DP）1025mm孔深（LP）200450mm，最深可达800mm相位角（PHA）0，45，60，90，120，1800.7Kz/Kr1.0，产率从高低顺序：90120604518000.3Kz/Kr0.7，120相位时产能最高，0最差Kz/Kr0.2，产率高低依次为：1801209060450,图9-24孔深、孔密与油井产能比关系曲线,图9-25相位角和各向异性与油井产能比关系曲线,图9-26孔径与油井产能比关系曲线,图9-27油井射孔压实程度与产能比关系曲线,影响油井射孔产能的因素,孔深、孔密、孔径、相位角、伤害程度、伤害深度、压实程度、压实厚度及非均质性等,二、射孔工艺设计,射孔方式、射孔枪、弹和射孔液选择,（一）射孔方式选择,电缆输送套管枪射孔,油管输送射孔(TCP),油管输送射孔联作,电缆输送过油管射孔(TTP),超高压正压射孔,高压喷射和喷砂射孔,电缆套管枪射孔,电缆输送过油管负压射孔,油管输送负压射孔,射孔液对油层可能造成损害,射孔液固相颗粒损害,射孔液滤失造成损害,射孔液速敏造成损害,（二）射孔枪、弹选择,有枪身射孔和无枪身射孔,（三）射孔液选择,密度可调节,腐蚀性小,高温下性能稳定,无固相,低滤失,成本低、配制方便,射孔液性能要求,射孔液体系,无固体清洁盐水射孔液,聚合物射孔液,油基射孔液,酸基射孔液,第四节油气层保护,一、油气层损害,入井流体与储层及其流体不配伍时造成近井地带油层渗透率下降的现象。,损害机理,外来流体与储层岩石矿物不配伍造成的损害；,外来流体与储层流体不配伍造成的损害；,毛细现象造成的损害；,固相颗粒堵塞引起的损害。,二、储层敏感性,指储层对可能造成损害的各种因素的敏感程度,储层敏感性评价：,通过岩心流动实验，考察油气层岩心与各种外来流体接触后所发生的物理化学作用对岩石性质（主要是对渗透率）的影响及其影响程度。,油气层敏感性评价实验,速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸敏“五敏实验”,第五节试油,试油：,根据地质录井资料和测井资料解释结果、钻井过程中油气显示等资料，利用一套专用的设备和方法，对可能出油的层位的油气水产量、温度、压力及油气水性质进行直接测量，以鉴别和认识油气水层的工作。,试油目的：,为勘探开发提供依据,一、试油的任务及工作内容,主要任务：,(1)了解储层及流体性质，为附近同一地层的其它探井提供重要的地质资料；,(2)查明油、气田的含油面积及油水或气水边界以及驱动类型，为初步计算油气工业储量提供必要的资料；,(3)了解储层产油气能力和验证测井资料解释的可靠程度；,(4)整理和分析试油资料结果，确定油井合理工作制度，为制定油田开发方案时确定单井生产能力提供依据。,主要工作：,诱导油流和测试,完井后通常井内充满泥浆(或其它液体)，所以进入试油阶段的第一步就是要设法降低井底压力，使井底压力低于油藏压力，让油气流入井内，这一工作称为诱导油流。诱导油流的工作目的是为了清除井底砂粒和泥浆等污物，降低井底及其周围地层对油流的阻力。降低井底压力的方法，通过降低井内液柱高度或井内液体相对密度来实现。,二、诱导油流方法,诱导油流方法应遵循的基本原则：把井底和井底周围地层的脏物排出，使油层孔隙畅道，以利于油气流入井筒