论现代油井钻井技术的研究

1、现代油井钻井技术的研究班级 姓名 学号 序号 现代油井钻井技术的研究摘要伴随着我国的国民经济的稳定的发展对于石油的资源要求也是越来越大，因此对石油钻井技术的要求也是越来越高，对油气钻井的关键技术、理论基础及多学科的交叉特点进行了阐 述 ,指明了旋转钻井的发展趋势与内在动力 ,并对 2 1世纪油气钻井技术进行了展望。分析表明 ,高压高温钻井、深井超深井钻井、特殊工艺钻井及三维可控与可视化钻井技术将是 2 1世纪最重要的和最具发展前景的钻井技术系列石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特 点 ,最终实现自动化钻井。提出2 1世纪初期应加速研究与自动化钻井有关的主要技术 :复杂结构井的

2、产业化技术 ,钻井信息技术 ,新型绿色无污染钻井液 ,随钻测量和随钻地层评价技术 ,井下动态数据的采集、处理与应用系统 ,信息流闭环系统及旋转导向闭环钻井技术 ,现代平衡钻进技术 ,柔管技术等 ,继续解决深井、超深井钻井技术难题 ,进一步完善和推广油气层保护技术和小井眼产业化技术 ,加强钻井理论研究。关键词:石油钻井工程；随钻测量；钻井信息技术；闭环钻井；钻井液1目的及意义目前国内的钻井工程技术公关领域有了很大的拓展，已经从单纯钻井施工提供技术支撑，延伸到勘探开发。传统的公关领域，主要是为钻井施工提供实用新型的施工技术和装备，目的是提高钻井速度，降低钻井成本，钻井公司作为施工方，是油公司的乙方

3、，为油公司提供优质的服务，并获得最大的经济效益是钻井公司的追求。对于目前绝大多数的常规探井，开发井来说，不是能不能打成的问题，而是如何打快，打好，创造最大效益的问题。因此，一些实用，先进的钻井技术和装备就成为提高钻井速度，降低钻井成本的重要手段，二这正是钻井技术传统的公关方向。在这方面，一些先进的钻井技术已经取得突破并正在推广应用，如优快钻井技术的实施，将钻井完井周期缩短了40以上；新型PDC钻头的推广应用，将过去几只钻头打一口井变成一只钻头打几口井。这些技术，对提高钻井质量、加快钻井速度、降低钻井成本起到了很大的推动作用。然而，这些技术和装备还远远不能满足现场需求，还有许多新的课题需要继续攻

4、关，面对这些新要求，石油工程技术必须在科技创新重点、科研攻关方向上进行新的调整，在关键技术和优势技术上寻求突破。在为提高钻井速度、降低钻井成本提供技术支撑的传统技术攻关领域，要瞄准世界前沿的钻井新技术，全面分析影响钻井速度和效率的各项因素，重点在钻井工艺、井下测量仪器、井下实用工具、新型钻井液、先进的钻井完井技术等方面开展有针对性的立项攻关，力争迅速形成成果并尽快转化。针 对欠平衡钻井技术在海上钻井 中难以解决的固有问题,近几年国外开发了控制压力钻井(MPD)和控制钻井液帽(CMC)钻井技术。MPD是由欠平衡钻井(UBD)和动力钻井技术综合而 发展起来的一项新技术,它利用封闭的钻井液循环系统,

5、通过液力井的模拟程序来反馈数据,预测环空压力剖面,从而使自动控制压力系统自动调节节流阀,产生微 小调节量来精确控制整个井眼的环空压力剖面。控制钻井液帽(CMC)钻井技术是MPD在深水钻井应用的新发展,它既能当作开式循环系统操作,又能当作封闭 式循环系统操作,同时使用较重的钻井液。通过水下钻井液举升泵系统调节钻井液帽在隔水管内的位置,就能快速、准确调节井底压力。实践证明,MPD和CMC 一定会有广阔的应用前景。2 国内外现状 2.1国内技术现状就钻井工程而言，我国东部深部地层的勘探面临着地质结构复杂、压力层系多、井下高温等难题；在西部和南方海相地区，面临着超深井钻探、地质构造斜度大、地层压力复杂

6、多变等难题；在海外，面临着地质资料不全、超长段盐层下的勘探难题，这些都是目前钻井工程技术面临的紧迫的攻关任务。在开发方面，东部老区由于进入开发中后期，边际油藏、薄油层及特殊岩性油藏和低渗透油藏开发成为主攻方向，钻井工程技术举足轻重。西部新区降低吨油成本、提高开发效益的要求，对钻井工程技术和保护油气层提出了许多新的课题。可以说，钻井工程技术已经成为勘探开发的先头“攻城”部队。面对这些新要求，石油工程技术必须在科技创新重点、科研攻关方向上进行新的调整，在关键技术和优势技术上寻求突破。在为提高钻井速度、降低钻井成本提供技术支撑的传统技术攻关领域，要瞄准世界前沿的钻井新技术，全面分析影响钻井速度和效率

7、的各项因素，重点在钻井工艺、井下测量仪器、井下实用工具、新型钻井液、先进的钻井完井技术等方面开展有针对性的立项攻关，力争迅速形成成果并尽快转化。2.1.1套管钻井工艺套管钻井工艺是用套管代替钻柱，通过套管向钻头传递水力和机械能的。它采用一种可回收式再进入钢丝绳井下钻具组合钻进，并且起下钻具组合不需要起下套管。这种井下钻具组合是由能穿过套管的领眼钻头和扩孔器组成的。钻进时由领眼钻头先钻出领眼，再打开其后面的张合式扩孔器进行扩孔，把领眼扩成与套管留有一定间隙的井眼。在钻定向井时，井下钻具组合还包括螺杆钻具和随钻测量仪等必备的定向钻井设备，并可同时下入随钻测井仪或取心工具。套管钻井与常规的转盘钻井的

8、主要区别在于：套管钻井需要的是一种特制钻机，也可对常规钻机进行改造，使其适用于套管钻井。套管钻机必须使用顶驱来旋转套管，它还要有一个大型钢丝绳装置来起下钻具组合。用套管钻井系统钻进时，要求钻头能穿过套管，同时又能钻出尺寸比套管直径大的井眼。套管钻井所钻出的井眼无法用常规的测井仪进行测井，而是用套管内测井仪进行随钻测井。用这种钻井工艺其造斜率要比常规钻井的造斜率高。2.1.2 水基钻井液新技术水基钻井液的成膜理论与控制技术是近年来国内外研究较多和发展较快的一类新型钻井液技术和理论。该理论与技术的提出基于解决两方面问题：一是非酸化屏蔽暂堵保护储层；二是成膜护壁维持井壁稳定。众所周知，国内外保护储层

9、技术最普遍使用的是屏蔽暂堵技术，该技术在国内的应用己见到很好的效果非酸化隔离膜保护储层技术的核心内容是尽量减少井液中的有害固相含量，通过改变钻井液处理剂的抑制性使钻井液本身固相颗粒的粒度大小与储层的孔隙大小相匹配，有效封堵孔隙，与此同时，利用成膜技术中特定的聚合物在井壁岩石表面形成一层防止钻井液和钻井液中有害固相进入储层的屏障，即隔离膜。无需进行酸化作业，求得最大自然产能，与屏蔽暂堵技术相比可节省大量的屏蔽暂堵材料费用和酸化作业费用。2.1.3无渗透钻井液技术无渗透钻井液技术（简称NIF钻井液），是由美国环保钻井技术公司（EDTI）生产的一种钻井液。该钻井液主要由DWC2000（增粘剂）、FL

10、C2000（动态降漏失剂，注意：不是API降滤失剂）、KFA2000（润滑剂）组成，是一种据称可以在超低固相含量下，使所钻地层损害接近于零的钻井液。这种钻井液依靠表面化学原理在地层表面产生可以密封地层的非渗透膜，实现同一种组分的钻井液封闭不同孔隙尺寸分布的地层的目的，从而实现钻井液对地层的无渗透。NIF钻井液可以无损害地钻开油层，还可以钻进油层与页岩的互层、在同一裸眼井段中不同压力的油层、由于力学原因而严重失稳的地层。室内试验表明，NIF钻井液可使岩石的渗透率恢复率达到90 %以上。2.1.4 水基成膜钻井技术这种技术在理论上认为，在水基钻井液中，通过加入一到几种成膜剂，可以使钻井液体系在泥页

11、岩等类地层井壁表面形成较高质量的膜。这样可阻止钻井液滤液进入地层，从而在保扩油气层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。国外M钻井液公司对页岩的膜效率进行过比较系统的研究，并取得了一些成果，比如他们研究认为，在水基钻井液中可以形成三种类型的膜：（1）水基钻井液成膜（型膜）。这类膜形成于页岩表面，钻井液滤液、页岩粘土、孔隙流体的化学性、孔隙尺寸、滤液粘度、渗透率、粘土组分和页岩的胶结作用都会影响膜的形成。在水基钻井液中能够成膜的物质有糖类化合物及其衍生物（如甲基葡糖贰MEG）、丙烯酸类聚合物、硅氧烷、木质素磺酸盐、乙二醉及其衍生物和各种表面活性剂（如山梨糖醇配的脂肪酸盐）；（2）封堵材料成膜（

12、型膜）。如硅酸盐、铝酸盐、铝盐、氢氧化钙和酚醛树脂等封堵材料。在实验中发现在硅酸盐钻井液中加入糖类聚合物可保持实际渗透压接近理论渗透压。硅酸盐钻井液的成膜效率可达到70% 以了毛细管力和较高的膜效率。此膜是由连续相的可移动薄膜、表面活性剂薄膜和钻井液的水相的薄膜组成的膜。型膜形成了一道防止水和溶质扩散的屏障。其中型膜的膜效率最高，并认为，各种类型膜的渗透机理是完全不同的。就能形成膜的钻井液种类来讲有:合成基钻井液、硅酸盐钻井液、逆乳化钻井液和聚合醇类钻井液等。据报道，目前，国外CSIRO 和Baroid 公司已联合开发研制了具有高膜效率的新型水基钻井液，在现场使用获得较好的效果。国内中国石油勘

13、探开发研究院等研位已研制出BTM-1水基钻井液成膜剂，具有良好的半透膜效能，抑制泥页岩水化膨胀、分散能力较硅酸盐、聚合物钻井液强。在吉林大庆等油田应用，取得了较好效果。上；（3）合成基和逆乳化钻井液成膜（型膜）。钻井液中的流体和页岩作用导致。2.1.5 纳米处理剂基础上处理的钻井液技术通常将纳米尺寸范围定义为1100nm，处于团簇（尺寸小于1nm 的原子聚集体）和亚微米级体系之间，其中纳米微粒是该体系的典型代表。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出四大效应小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，从而使纳米粒子出现了许多不同

14、于常规粒子的新奇特性，展示了广阔的应用前景。为了在正电性钻井液技术基础上，进一步改善钻井液的综合性能，探索纳米技术在钻井液完井液领域中的应用。由中国石化石油勘探开发研究院、胜利石油管理局和山东大学共同承担了中国石化科技开发部纳米技术在钻井液完井液中的应用研究项目，通过此项攻关研究，欲达到以下目标:（1）研究成功正电纳米钻井液处理剂；（2）研究成功一种新型纳米润滑剂；（）形成一种新型防塌保护油层钻井液体系和新型纳米润滑工艺技术。在以往国内外同行对钻井液技术的研究中，均着眼于如何改变钻井液体系中组份的物理化学性质来达到目的，有目的地从纳米技术的角度来对钻井液技术进行研究，国内外这方面的工作做的还很

15、少。目前，该项研究的室内工作已全部结束，取得一些阶段性成果，所研制的中试产品性能达到了合同的要求。在研究出的新材料基础上形成的钻井液体系，经在胜利油田三口井中进行试验，取得了明显的效果。可以预见，以上项目的研究完成，将提高钻井液的水平2.2 国外技术现状2.2.1大位移钻井技术位移井(Extende2ReachDrilling,简称ERD)是指水平位移深度(HD)与垂直深度(TVD)之比大于2.0以上的定向井或水平井;当比值大于3时则称为特大位移井。80年代末随着水平井钻井高潮的到来,促进了大位移井技术的发展;在1994年SPE第69届钻井会议上,大位移井成为讨论的主题之一。钻大位移井的主要原

16、因是基于经济上的考虑,在海洋及滩海油气勘探和开发中,节省近三分之一以上的费用,并大幅度提高了油气采收率。挪威国家石油公司(Statoil)是钻大位移井的代表,在挪威北海钻成了一批大位移井,从1990至1994年连续4年保持大位移井世界纪录。1994年所钻的30/6C226A井,水平位移7850m,垂深2760m,HD/TVD为2.84;英国石油(BP)公司于1998年12月在英国南部WF油田完成的M11井,水平位移达10114m完钻井深10656m,D/TVD达6.13目前一直保持着大位移井世界纪录。大位移井的大斜度、长裸眼,增加了钻具下行阻力,甚至靠自重也无法下到井底。如何在保证井身质量的前

17、提下增大钻具的滑动能力是问题的核心。国外解决的方法是:优化设计井眼剖面,采用准悬链线剖面,同时综合考虑造斜点、造斜率、井斜角及斜井段长度;准悬链线的造斜率一般为1°2.5°/30m。优化钻井液体系,提高钻井液的润滑性。采用特种工具降摩阻,如钻杆轴承短节、旋转钻杆保护器、钻柱降扭矩短节等。在上部直井段多加钻铤或加重钻杆。使用水力加压器。开发预测摩擦系数软件,建立理论预测模型2.2.2 欠平衡钻井技术欠平衡钻井就是在钻井液循环液注压力低于地层孔隙压力状态下的钻井技术,也称有控状态下“边喷边钻”工艺技术或负压钻井技术。欠平衡钻井作分2种型:边喷边钻和人工诱导欠平衡钻井。边喷边钻作

18、业中,主要是由于地层压力很高,调整钻井液密度就能在井底形成欠平衡压力状态,即循环钻井液的液柱压力低于正钻地层的有效孔隙压力,保证这种钻井方式安全钻井的设备,就是在井口原有压力级别的井控装置上加上一个旋转控制头(RCH)。而在人工诱导欠平衡作业中,由于地层压力低,采用降密度介质来保证有效的欠平衡状态。降密度介质需配备专门的地面混气设备,工艺复杂。欠平衡钻井与常规钻井相比具以下优点:避免流体进入地层,减少对油气层的污染和损害。可实现边钻井、边生产,钻井作业期间生产的油气直接投入市场,回收部分费用。欠平衡钻井消除了液柱对岩石的“压持效应”,大幅度提高机械钻速,避免钻井液漏失和粘卡事故的发生。可对产层

19、进行实时调查,及时发现油气层。欠平衡钻井由于其施工的特殊性,还存在着缺点和不足:费用问题;安全问题;井壁稳定问题;连续欠平衡条件的失败和地层损害。欠平衡钻井关键技术包括:欠平衡条件的产生与保持技术、井控及产出流体的地面处理技术及相应的测量技术等。欠平衡钻井的首要问题是降压介质的选择,究竟采用何种流体、流体体积和气体组合比例、何种混合方法等,依所要求的钻井液密度而不同。通常使用的气体有空气、氮气、天然气等;液体有水、海水、地层水、原油、柴油等。从而衍生出的钻井方法有空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气泥浆钻井、单相液体钻井或上述方法的组合。欠平衡钻井的第2个主要问题是地面混合设备及井控装置。地面气

20、、液体混合设备目前在国内外都比较先进,其关键是井控装备,根据降压程度的不同来配备高一级别的井控设备,在环形防喷器和闸板防喷器组成的常规防喷器组的基础上,配备一套旋转控制头。如中原油田钻成的白21井采用美国威廉斯工具公司生产的7000型旋转控制头。据该公司介绍7000型旋转控制头已成功地应用了上千口井2.2.3 小井眼钻井技术目前小井眼钻井技术是一项综合性、技术密集型的钻井配套技术,它包含许多先进的生产工艺,如侧钻水平井、分支水平井径向水平井欠平衡钻井及连续管钻井等,这些钻井方法大都采用小井眼钻成,是先进工艺技术、新型工具的集大成者。小井眼钻井50年代,到90年代发展至顶峰。美国、英国加拿大等国

21、钻成了一定数量的小井眼油井,受益非浅。小井眼钻井适于钻浅井、加深井、修井及水平径向井,能节约耕地,利于搬迁,减少人员、环保等费用。实践证明,与常规井相比,小井眼探井和评价井的钻井成本可降低25%40%,或更大,从而该技术具有广阔的发展前景。1,小井眼井控小井眼井控与常规井有很大不同,这不但体现在井控设备上,而且在小环空对溢流的敏感性、系统的压力分布及其计算公式、最佳的溢流监测方法以及最有效的压井方法上,都存在相当大的差异。R.B.Noffke曾钻了一口全尺寸小直径模拟实验井,详细研究了小井眼与常规井在井控方面的差异。小井眼环空小,地层流体侵入环空时,相同的流体体积、小井眼的侵入高度对井控形势更

22、加严峻。如溢流1m3,在常规󰂊215.9mm井眼中占环空高度41.7m,而在󰂊152.4mm井眼中环空高度为316m,可见,小井眼稍有溢流往往使套压较常规井大几倍、几十倍。小井眼须从2个方面加以重视:发现早期溢流必须安装精密的监测系统;井口要有较高的承压能力。小井眼水平井包括用小钻机或修井机钻成的常规水平井和老井侧钻水平井。小井眼水平井有一系列的配套工艺,如钻头系列优选、水平井眼完井、小井眼测量、钻井液等。研制开发出一些专用工具被用于小井眼水平井的特殊施工,但有些工具、仪器还处于探索阶段,需要进一步丰富完善2.2.4超深井钻井技术国外把井深超过6000m的井叫超

23、深井。从60年代以来,全世界约有20多个国家能钻超深井。美国是世界上钻超深井历史最长和工作量最大的国家,钻井技术比较先进。1970年以来,美国每年所钻超深井都在45口以上1982年达到最高峰,年完井达130口,平均井深6589m。其它钻超深井的国家主要有委内瑞拉、法国、德国、前苏联等。1,井身结构设计超深井井身结构设计首先以所钻地层的地质情况为依据,并掌握地层孔隙压力和破裂压力梯度,才能确定各层套管的下入深度。另外,超深井的导管和表层套管的口径要大一些,以便为选择套管尺寸留有余地,在遇到复杂情况时有调整的机会(如多下一层技术套管或把最后一层套管改为尾管等)。2,快速钻井技术钻超深井过程中,常会

24、钻遇坚硬的岩石、高温高压、井壁不稳定、井喷井漏等复杂情况,要想加快钻进速度,国外一般从3个方面考虑:选择大功率、高性能、自动化程度高的钻机,选用先进钻头,采用其它先进设备和井下工具,装备上要有优势;在工艺上实施实时监控,优化钻井参数,用优质钻井液进行平衡或近平衡钻井,实现科学化钻井作业;加强管理,尽量减少钻井事故。3,超深井钻井液深井钻井液处理剂的主要问题是在高温高压条件下能否保证其原有调整泥浆性能的效果。六十、七十年代,研制出一部分抗温120150的处理剂,远远达不到超深井的钻井要求。80年代以来,出现了许多抗温200以上的新型处理剂,如CPD,一种抗钙、抗电解质的解絮凝剂,抗温极限260;

25、又如COP21,一种降失水剂,抗温也达260，目前处理剂的类型和数量基本上能够满足钻超深井的需要。超深井钻井液体系有2大类,即油基和水基钻井液。超深井井下条件恶劣,普通钻井液在高温高压下会发生降解而失效,因此,必须根据钻井实际情况综合考虑钻井液类型。国外目前所用的油基钻井液体系有真油基和逆乳化两种,热稳定性较好,抗电解质能力强,抗温260;缺点是维护费用高,测井解释困难。水基钻井液体系具有成本低、污染环境少等优点,但必须通过各种抗高温处理剂复配才能达到良好效果。国外较成熟的水基钻井液体系有以下几种:抗高温的石灰钻井液体系、SIV钻井液体系、低胶体水基钻井液体系、聚合物钻井液体系,其它还有高温钾

26、基钻井液、海泡石抗高温钻井液、氧化铝凝胶2交联聚乙烯醇钻井液等。2.2.5 老井垂钻技术老井重钻并不是新概念,主要包括老井加深和老井侧钻。自50年代中期以来,一直就有油公司开展这类作业活动,目的是以较低的成本来提高老油田的开发程度。进入90年代,老井重钻作业有越来越活跃的趋势。据国外有关报道,仅1990年美国老井侧钻井就有500余口,1993年约为1000口,1996年超过了1500口,预计1999年将达2000口。与新钻井相比,在老井中进行重钻作业,充分利用已有井段,其成本要低得多,特别是侧钻水平井,经济上更为合算。通过老井重钻,可以开采以前遗漏的产层,减轻气、水锥进,救活死井,增大泄油面积,提高生产指数。老井重钻井大多采用小井眼,与小井眼钻井技术是息息相关、相辅相成的,主要区别是多了重钻前的打捞老井落物及套管开窗作业。有些井还采用了拔套管侧钻施工,钻进的井眼直径增大了一个层次,利于事故处理和保证井下安全。目前来讲,除了小井眼钻井技术外,老井重钻技术的关键是套管开窗作业,主要包括开窗方式的选择、开窗位置的确定、磨铣工具的设计及优化、小井眼轨迹控制等