《钻井工程理论与技术》绪论

,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、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,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。,石油钻井概述钻井技术发展简史现代钻井技术发展趋势石油工业发展前景我国钻井技术现状、难点及展望钻井施工工序,绪论,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,(2)把钻井按井斜角不同分类：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；,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：随钻测量、综合录井、自动化钻机、地质和自动导向、垂直钻井系统、膨胀管技术、小井眼、欠平衡压力钻井、大位移水平井和分枝井、连续管钻井、超高压喷射钻井技术等。,二十世纪的10项重大技术,欠平衡压力钻井1970S牙轮钻头1909年水平井钻井1925年电测井1927年水力射孔1932年海洋钻井1945年水力压裂1947年反射地震1950S连续管技术1970年顶驱1990S,三、钻井技术发展的趋势,1、井眼轨迹的多样化（特殊工艺井）,1999年英国北海的M-16SPZ井，其水平位移达到10728米，平垂比大6.7全井井深世界第二(世界最深油气井)，11728米；,关键技术1、管柱的摩阻和扭矩2、钻柱设计3、轨道设计4、井壁稳定5、井眼清洗6、固井完井7、轨迹控制,水平井和大位移井,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。,桩314井,完钻井深：3750米完钻垂深：2632.44米，水平位移：2051.55米。,用水平井连通有高低差的两孤立油藏,三维大位移井,多底井（分支井）,一个主井眼中钻出两个以上同尺寸的井眼。,套管侧钻井,侧钻井是一种投资少、见效快、经济效益显著的老油田开发技术，世界各国都非常重视，许多油田都把他作为重新认识老油田、使老油田增储上产和提高最终采收率的重要手段。,2、提高机械钻速（特别是深井超深井）欠平衡压力钻井、超高压钻井动力钻+旋转钻+PDC钻头（或其它特种钻头）,深井超深井特点：*裸眼井段长，要钻穿多套地层压力系统；*井壁稳定性条件复杂；*井温梯度和压力梯度高；*深部地层岩石可钻性差；*钻机负荷大。,3、自动导向钻井井眼轨迹的自动控制地质导向钻井,利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、英国、德国、法国和挪威等国家。,4、自动化钻井数据采集地面：综合录井仪、工程参数仪地下：MWD、LWD、FEWD数据传输（存储分析处理决策）反馈到井场执行机构，形成优化钻井的闭环系统。现代钻井技术是各项新技术的综合集成，是领域的拓宽，是学科的交叉与复合。,四、我国石油工业的发展前景,从我国的情况来看，陆上石油资源储量为694亿吨，目前探明172.8亿吨，探明率为25%，陆上天然气资源量为30万亿立方米，目前探明1.2万亿立方米，探明率仅为4%。,西部地区（包括塔里木、准葛尔、吐哈和柴达木四个盆地）：石油资源量占全国总资源量的38%，探明率仅为9%，是我国石油产量主要接替地区。西部地区的石油资源量的73%埋藏在深部地层，所以要靠深井和超深井进行勘探开发。东部地区是我国石油的主力产区，浅层和中深层的勘探程度较高，深层较低，如渤海盆地石油资源的探明率为38%，且探明的主要在浅层和中深层，深部地层尚有53亿吨的石油储量可供勘探。中部地区（包括陕甘宁、四川两大盆地）是天然气的集中区，但探明率极低，有52%的天然气资源量在深部地层，所以中部地区深井超深井的钻井工作量将大幅度增加。深井超深井钻井技术在我国有广阔的前景。,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)技术落后：复杂结构井钻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小井眼钻井技术欠平衡钻井技术油气层保护技术,(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、质量和效益与国外先进水平相比仍有较大差距，尤其在超短半径水平井及侧钻水平井钻井方面差距更大；(5)我国的钻井技术的研究和发展基本上是跟踪国外的发展，具有自主知识产权的重大发明比较少，这种与国际先进水平存在较大差距的引进式和自足式的技术状况，很难适应全球化国际技术市场的激烈竞争。,2.我国钻井技术的难点我国石油钻井面临五项技术难点：(1)深探井周期长，钻井速度慢，成本低；(2)低渗透油气藏单井产量低，需降低钻井成本，提高效益;(3)井漏、井斜等复杂情况仍时制约钻井速度的重要环节；(4)储层油气保护不尽人意；(5)在国外油田钻井遇到复杂情况不能及时解决，影响国际市场。,3.我国钻井工程的展望(1)我国西部油田如塔里木油田、吐哈油田、长庆油田、四川油田在深井和超深井钻井中经常遇到高温高压、失稳、失效及储层伤害等一系列技术难题还需要进一步加强研究和解决；(2)我国东部油田的开发已经进入中后期，如何用经济适