小井眼钻井技术论文

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文） 题 目：小井眼钻井技术毕业论文 学习中心： 华北油田学习中心 年级专业： 网络12春 石油工程（钻井） 学生姓名： 董浩 学 号： 12803368809 指导教师： 王丽 职 称： 讲师 导师单位： 中国石油大学（华东） 中国石油大学（华东）远程教育学院论文完成时间： 2014 年 6 月 01 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 1设计(论文)题目： 2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日至 年 月 日 3设计(论文)课题要求： 4实验（上机、调研）部分要求内容： 5文献查阅要求： 6发 出 日 期： 年 月

2、 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： 注：此页由指导教师填写摘要对于小井眼的提法有各种各样，不尽相同，国内外到目前为止没有统一的定义，发展和应用小井眼技术的主要目的是降低钻井成本，专用小井眼钻井系统是实现小井眼钻井的关键，而小井眼技术的难点主要表现在井控方面，主要表现在：环空间隙、系统的压力损失大、井涌检测技术、小井眼压井方法；鉴于以上情况，接下来作一个综合分析。关键字：成本，钻井系统，井控目录第1章 前言1第2章 小井眼的基本概念12.1小井眼钻井技术发展概况12.2小井眼技术发展的原因32.2.1 经济因素32.2.2 技术进步32.2.3勘探开发的需要3第3

3、章 小井眼钻井系统、装备及工具43.1小井眼钻井系统43.1.1转盘钻进系统43.1.2连续取芯钻进系统43.1.3井下动力钻具钻进系统43.2 国外小井眼钻井设备的发展现状43.3 国内小井眼钻井设备现状7第4章 小井眼技术的难点及对策84.1小井眼井控与常规井控的差别84.1.1环空间隙（小井眼环空体积小）84.1.2 系统的压力损失大94.2小井眼井涌检测技术104.2.1 Amoco公司井涌检测法（出入口流量法）104.2.2 Ana drill公司的井涌检测方法104.3小井眼压井方法-动态压井法114.3.1动态压井法（动平衡压井）114.3.2 动态压井的实施114.3.3 应注

4、意的问题11第五章 结 论12参考文献13致 谢14第1章 前言小井眼钻井技术应用领域比较广阔，随着钻井技术设备及工具的出现，当前，小井眼技术不仅可用于浅井，直井，也可用于中深井和深井，定向井和水平井，多分支井；不仅可用于探井也可用于开发井；不仅用于打新井，也用于老井加深和开窗侧钻。因此，小井眼技术用于低渗透油气田的开发，老油田中后期挖潜开发和边远新区的勘探，都具有突出的优越性。在过去的几十年里，国外对小井眼钻井技术进行了大量的研究，取得了很多成果，形成了相对完善的理念。这些成果非常值得我们去借鉴。下面将从国外的一些技术入手向大家介绍小井眼钻井的发展。第2章 小井眼的基本概念对于小井眼的提法有

5、各种各样，不尽相同，国内外到目前为止没有统一的定义。(1) 美国Amoco公司：90%以上的井眼用小于6的钻头钻成。(2) 法国Elf公司：完钻井眼小于常规完钻井眼（81/2） 的井统称为小井眼。(3) 凡是大于2 3/8油管不能作内管柱的井称小井眼；(4) 全井90的井眼直径是用小于7钻头钻的井称为小井眼；(5) 还有的认为环空间隙小于1的井眼为小井眼。目前，比较普遍的定义是：90的井眼直径小于7 或 70的井眼直径小于6的井称为小井眼井。2.1小井眼钻井技术发展概况小井眼钻井是于始于上世纪40年代，50年代美国的Carter公司在犹他州，阿肯色州，路易丝安那州等地钻了108口小井眼井，得出

6、的结论是钻小井眼井在经济上是合算的。据统计，50年代后期至60年代初，世界上有131家石油公司共钻了3216口平均井深为1376m。的小井眼井 （最大井深达3658m），明显降低了钻井成本。在这期间，小井眼钻井兴旺，开发了小井眼钻井的配套工具，如小尺寸卡瓦、吊卡、扶正器、防喷器、井口等 。进入60年代中后期，世界范围内小井眼活动减少，主要原因是借助常规钻机或改进的常规钻机打小井眼井节省费用不大。70年代初，开始借用采矿业的小井眼连续取心钻机钻井，并专门研制专用的小井眼钻机，例如瑞典的Cordell 公司研制的MD系列钻机。80年代中期以前，小井眼没有引起石油界足够的重视，原因之一是当时的油价较

7、高。原因之二是小井眼钻井技术还不完善。80 年代中期以来，由于油气价格的下跌，世界范围内石油工业不景气，钻井综合成本压力大，小井眼又引起广泛重视。当时英国的 BP公司1986年在Plunger油田，用MD3型小井眼钻机钻6口1000M的井，并取得了很好的效果。这几口井的井身结构为61/4（168.75 mm钻头）×51/2 (139.7 mm套管)×40m43/4（120.65 mm钻头）×37/8（96.875 mm 套管）×500m33/8（85.725 mm钻头）×27/8（73.914 mm套管）×1000m90年代小井眼钻井

8、成为世界范围内的热门技术之一，并且小井眼钻井技术和装备趋于成熟，特别是连续软管钻井技术的发展，使小井眼可完成常规井眼完成的任务，例如小井眼定向井、水平井、大位移井、欠平衡压力钻井、地质导向钻井等。电子学的进步为小井眼技术的发展奠定了基础。采用小型传感器就不必利用常规直径的油井来获得地下信息。从而可大大降低成本。就目前的勘探技术、油藏描述技术及输送EOR化学药剂的技术来说，采用直径为3.2-6.03cm的小井眼与2.22cm的小型测井工具组合将是一个很好的选择方案。美国能源部(DOE)正在开发通过小井眼技术减少获得地下信息成本的技术。该项目的主要任务包括：(1)利用当前可用的连续管技术对浅井进行

9、小井眼钻井；(2)对深井小井眼钻井的可行性进行评估；(3)将井底钻井设备小型化，并对其进行测试；(4)将测井工具小型化；(5)在地震检测仪器设备中结合新兴的小型传感器技术；(6)通过小井眼来输送EOR化学药荆。小井眼钻井系统由1个机械旋转的刮刀钻头、1个水力驱动的容积式马达以及连续管钻柱等组成。通过对井径为4.45 cm垂直井的小井眼钻井系统的工业可行性实验研究表明该系统适用于连续管钻井，在Cathie大理岩与Berea砂岩中的钻进速度可达30.5m/h。在常规油田测井工具中标准尺寸最小的直径为4.29cm，这对小井眼来说尺寸仍太大，无法使用。因而，按常规设计了2.22cm的伽马测井工具，结合

10、密度与井径测井曲线，可提供足够多的测井资料。目前还没有适于小井眼尺寸的井径测量工具，但将其微型化也不是很难。此外，还需要小型轻便的测井电缆以及相关的数据采集系统，而采用连续管传送测井工具将成为可能。2.2小井眼技术发展的原因2.2.1 经济因素发展和应用小井眼技术的主要目的是降低钻井成本。据几家石油公司小规模实验统计，与常规井相比小井眼可节省钻井费用25-50%。在个别边远地区甚至使钻井费用降低75%。特别是80年代中期油价下跌，迫使各石油公司用更廉价的勘探方法，小井眼便是其主要途径。具体原因(1) 小井眼钻井的初期投资较小，包括使用较小的钻机、较小的井场、较细的管材、较少的泥浆、水泥等；(2

11、) 小油藏使用小井眼钻井技术可以较经济地采油；(3) 对于有疑问的产层（主要勘探）可以经济测试；(4) 小井眼的修井成本较低；(5) 小井眼的整体开发成本较低。以上这些因素对于油公司和钻井承包商都具有很大的吸引力。 2.2.2 技术进步进入80年代，小井眼钻井装备（小井眼钻机、连续软管钻机）、工具（小尺寸防喷器、井口、钻头、井下动力钻具等）和整套小井眼钻井技术（小井眼水力学、井控技术、固井完井等）均取得重大发展，使安全经济地进行小井眼钻井成为可能。2.2.3勘探开发的需要在边远地区，地面条件恶劣，运输困难的地区，勘探工作风险大，地震工作在短时间内不能获得精确的地下资料，在这些地区打一些小井眼连

12、续取芯的探井，可及早搞清地下情况，及早作出决策，减小勘探的风险。第3章 小井眼钻井系统、装备及工具3.1小井眼钻井系统专用小井眼钻井系统是实现小井眼钻井的关键。典型小井眼钻井系统有3种基本型式，转盘钻进、连续取芯钻进和井下马达系统。共同特点是：采用小钻机、小直径钻具和高转速钻进，比常规钻井系统可节约钻井成本40-70%。3.1.1转盘钻进系统采用小直径钻杆和高速度的金刚石钻头，钻速一般可达6m/h。该系统可用在50.8mm小井眼内进行取芯钻进、扩眼完井，还可以用于老井加深的小井眼完井。3.1.2连续取芯钻进系统Amoco 公司最早研制并使用了这种钻井系统，采用矿业取芯小钻机，液压顶驱，外平接头

13、薄壁钻杆，电缆可回收岩芯筒和取芯钻头。顶驱钻速可高达2250r/min，一般使用400-800r/min，采用电缆可回收岩芯筒和111.3mm取芯钻头，得到连续岩芯长度可达12.19m。在开发井的小井眼取芯钻井中，取芯率高达98.3%。3.1.3井下动力钻具钻进系统 国外已研制了多种小型井下动力钻具（又称井下马达）用于钻小井眼井。螺杆钻具直径为38.1-85.73 mm，可钻井眼直径相应为50.8-114.3 mm。钻井速度为500-1000r/min，钻井速度比转盘钻快3-5倍。3.2 国外小井眼钻井设备的发展现状(1) 由常规石油钻机改造的小井眼钻机美国Pacer钻井公司、Coffer公司

14、在常规石油钻机上装配了1套钢丝绳连续取芯装置，将其改造成能钻6000m的小井眼钻机。并制造了能满足钻压和转速要求的92.7mm特殊钻柱。法国FortsonFormer公司分别改造成功了1台WN Apache型拖车式、全自动液压驱动小井眼钻机和1台可控硅电驱动半自动钻机。其共同特点是自动化程度高、作业更安全、效率高，只需3人操作，所用钻杆较常规钻杆长，钻机配备有液压大钳，自动卡瓦，管子自动排放系统，并配有220 kW(300hp)液动顶驱装置，钻机体积小，钻井深度2500m。意大利改装成的G150钻机，全部采用液压驱动，整部钻机安装在1台半联挂式牵引车上，移动非常方便。其顶部驱动装置安放在井架上

15、，并由2根钢缆悬吊，缆绳滑轮在液压缸顶部，并固定在半挂车的支架上，可使大钩具有液压缸伸缩速度的2倍。液压缸支撑柱轻便又可改变高度。改造的另一部分是竖直钻杆排放导轨系统，共有12个排放钻杆笼，每个可装18根88.9mm立根，利用一悬臂吊可把钻杆抓举到井眼中。钻机最大起吊行程可达16m，钻机平台高度为6.1m，顶驱由4个液压马达组成，并可提供可达36kN·m 的扭矩，发电系统和冷却风扇都安装在隔音房内，钻机平台上安置了自动化液压卡瓦和动力大钳，专门设计的小井眼钻井液处理系统也集中在钻机上，泥浆槽容量为80 L/cm便于快速监测。该钻机的质量为20t，可钻2000m以下的井。据英国壳牌公司

16、统计，至少有5个国家将常规钻机改造成小井眼钻机，并钻了几百口井，在一定程度上，取得了较好的经济效益。但改造的小井眼钻机，系统工作不可靠，尤其是升降系统，在下套管时常会出现故障；改造型钻机平台不标准，配套设备及工具(如卡瓦、大钳、升降系统等)在钻机平台上布置不易协调，势必会影响钻井作业时间；对钻机实现完全自动化改造，需投资费用较高。所以，国外钻井经验表明，使用改造的小井眼钻机还不能取得非常令人满意的效果。(2) 专门设计的几种典型小井眼钻机瑞典Micro drill公司是最先设计小井眼钻机的公司，已设计了800m、1500m、1700m 三种规格的小井眼钻机，其中MD-1500型钻机井架高11m

17、，最大钻深1500m，液压顶部驱动装置安装在井架上，钻台配有自动液压卡瓦，采用3m 长外平内加厚钻杆，接单根时用人工放在钻柱顶部，用旋转头旋合螺纹，所用钻具外径为25127mm，钻机井场面积为42m×25m。Long year公司生产的PM603小井眼取心钻机，采用双筒连续取芯筒，岩芯通过取芯钻头进入27m长内筒，筒满后，可在钻具内将钢丝绳打捞筒下入井内，与取芯筒内筒连接提至地面，然后再将另一内筒下入井内。采用液压顶驱，可钻3000m(完井井径77mm)，据称是目前世界上最好的取芯钻机。美国Standard公司设计了一台专门用于印尼爪哇的Irion沼泽地小井眼钻机，该钻机装在9个8m

18、长、2m宽、1m深的滑撬上。在35000km2沼泽地内移运非常方便。另外，Concho和Westbourne公司还专门制造了可用Skokie S-58T直升飞机搬运(每次搬运1.8t)的钻机，直接用飞机吊装。搬运这种钻机只需100架次，而搬运常规钻机需500多架次。Amoco公司和Nabobs工业公司联合研制的Nabors170型小井眼钻机，井架高26m，可钻3600m井，该钻机配有2台239kW(325hp)柴油机，比常规钻机装机功率减少4/5，通过液压系统分别驱动257kW(350hp)液压绞车和2台122kW (165hp)三缸钻井泵，其顶部驱动既可提供低转数(150r/min)、高扭矩

19、(13.83kN·m)，又可提供连续取芯时的高转数(1000r/min)、低扭矩(1.66kN·m)，起下钻时，可进行划眼或倒划眼。该钻机配有Amoco公司的数据控制系统和井控专家系统，可实时收集、处理、储存、显示各钻井参数，专家系统能自动判断井涌并通知司钻，若司钻没有做出反应，系统10s内自动采取措施。该钻机采用模块化设计，每块不超过2.7t，由直升飞机吊运。随着国外小井眼钻机技术的发展，许多公司都已形成各自的小井眼钻机系列。例如，意大利的Silvia Ballerinas公司的ST 系列包括ST-2、ST-4、ST-6、ST-10，钻井深度从980-3500 m；Adv

20、ance公司的G 系列车装钻机包括G-14、G-22、G-35、G-55、G-75，钻井深度从800-1800m；美国的CBC公司的CS系列包括CS-1000、CS-2000、CS-4000，钻井深度从1000-4000m，其中CS-4000钻机可进行连续取芯钻井。另外，小井眼钻机的机械化、自动化、智能化水平非常高；井队作业人员非常少，一般只需2-3人操作，有的只需1人操作，且作业过程准确、安全、可靠、省时(如接单根在1 min内完成)。(3) 小井眼钻具的发展现状 钻头 常规小尺寸牙轮钻头不能适应小井眼高转数，因为转速高，轴承磨损快，钻头进尺小，效率非常低。因此，国外在70年代已研制开发了抗

21、偏转的PDC钻头，热稳定聚晶金刚石钻头(即TSP钻头)和天然金刚石钻头，这几种钻头都能适应高转速、全面钻进、连续取芯和与泥浆马达配合使用，且寿命都比常规牙轮钻头高4倍以上。新型的PDC聚晶金刚石钻头和TSD金钢石钻头，外形为穹形刀头，对深层、中硬地层二叠纪的钻井及扩眼效果非常好，在降低扭矩、钻头冷却方面都比普通的PDC和TSD钻头效果好。最近美国见克休斯公司已研制成功一种适合于小眼井高速旋转的三牙轮钻头，其滑动轴承采用专门设计的ATJ-33 O型环密封，有非常高的可靠性。 钻柱 国外小井眼钻井一般用88.9mm钻杆。而对于用120.7mm或更小尺寸钻头钻井时，则用 73.25mm或60.325

22、mm钻杆。对于较小尺寸的钻杆，由于其抗拉、抗扭强度的限制，使得小井眼钻进过程中钻头加压和扭矩能力降低。因此，国外研制成功了高强度钻杆和优质接头以及适应小井眼钻柱组合的直径为88.9mm，95.2mm，120.7mm 等几种规格的或成系列的钻头加压器、振击器、钻杆工具接头、可变径扶正器等井下钻井工具。 井下取芯工具 Amoco公司已研究出一种地层高速钻井系统，即在小井眼钻井中采用连续取芯技术，同时也研制开发了一种钢丝绳连续取芯筒，即将岩芯筒做成双筒式，钻进过程中岩芯进入内筒，然后用钢丝绳通过钻柱将内筒打捞提出，再下入1个新的内筒与取芯外筒连接好，继续取芯。例如CBC公司的CBC系列钢丝绳取芯系统

23、。 打捞工具小井眼打捞工具乃是非常重要的工具，国外已专门设计制造了几种直径在103.2mm以下的打捞筒，可以打捞小井眼钻井事故中的各种落鱼，其提升能力都在20t左右，足以打捞起井下钻柱总成。3.3 国内小井眼钻井设备现状 国内各油田及钻井公司钻小井眼设备多数为小型常规钻机、地质勘探钻机、修井机，有些油田甚至还用到中型钻机，形成“大马拉小车”的现象。近几年来国内钻小井眼井所用钻机大概有以下几种主要类型：吉林油田使用F100型钻机及ZJ15D 型钻机钻1 500m深的井；四川油田在川西地区用XY5G型矿业钻机和TSJ6/660型水井钻机分别钻1000m以下和1500m小井眼井；胜利油田钻1500m

24、以下浅层气井也曾使用了大庆130钻机和ZJ45型钻机；大庆油田近几年来小眼井钻得较多，占国内80% 以上，主要使用进口的1500m 车装钻机钻小井眼井；而长庆油田钻小井眼井主要用XJ-450、350、250及T50B几种车装修井机。从各油田钻小眼井的情况看，由于钻机选择不合理，或钻机不配套(如修井机没有泥浆循环系统)，钻井、测井工具不配套，以及小井眼井控设备不配套等原因，在钻井过程中，遇到的各种事故不能及时处理，设备待机时间太长，使得钻井设备费用抵消了小井眼工艺过程中其他项目节省的费用，实际上有些小井眼费用已超过了常规钻井费用。第4章 小井眼技术的难点及对策小井眼技术的难点主要表现在井控方面。

25、4.1小井眼井控与常规井控的差别 4.1.1环空间隙（小井眼环空体积小） 图3-1 常规井与小井眼试井比较图3-1中与常规井眼相比，小井眼环空间隙小，体积小。同样的流体侵入量，小井眼比常规井眼：流体在环空占的体积大，上返速度快，对溢流很敏感。 例：31L的溢流在常规井眼环空中占12 m长，使井底压力降低0.105MPa；在小井眼环空中占114 m长，使井底压力降低0.84MPa。流体在小井眼环空上返的速度是在常规井眼环空上返速度的数倍。从井控的观点来看，流体在井筒侵入高度越高，井控的难度就越大。小井眼井控要解决的问题：(1) 井眼系统的压力分布规律及计算公式；(2) 最佳的溢流监测方法；(3)

26、 最有效的压井方法。4.1.2 系统的压力损失大系统的压力损失包括：地面管汇、钻柱内、钻头水眼和环空压力损失。掌握系统压力损失是小井眼井控的关键，有关测试数据表明，小井眼中的压力损失分布与常规井是相反的。在常规井中，大约90%的泵压损失在钻柱内及钻头处，环空压力损失仅为泵压的10%。而在小井眼井中，泵压的90%损失在环空，其它损失占泵压的10% 。传统的环空压力损失计算方法对小井眼是不适用的，而且钻柱在井内的偏心度对小井眼环空压力损失也有很大影响，把用常规环空压力损失计算公式所算结果与美国Amoco公司SHADS井所测数据进行比较，在2430m小井眼中，钻井液密度1.02g/cm3，塑性粘度1

27、1×10-3Pa·s，屈服值2.39Pa，流量3.154L/s，用正常计算公式算得环空压力损失5308kPa，而实际测得的环空压力损失是3344kPa。由此可见，传统的计算方法不适用于小井眼，但除环空以外的其它部分的压力损失，仍然可以用传统的方法计算，而小井眼的环空压力损失可由SHADS井所得公式确定见式(3-1）。SHADS公式 (3-1)式中： din 钻柱直径，mm； do 井径，mm； f 摩阻系数； k 钻井液稠度系数； n 钻井液流性指数； Re雷诺数； p 环空压力损失，K Pa； q 排量，L/s； 钻井液密度，g/cm3。 小井眼中钻柱的旋转对环空压降的影

28、响也很大，随着钻柱的高速旋转，环空压降会显著增加。例：Amoco公司做过实验：井深2438m，泥浆密度为1.028/cm3，泵排量Q=3.15L/s，钻柱不旋转时，环空压降为3.4MPa，当量循环密度为1.13g/cm3，钻柱以600r/min旋转时，环空压降为7.5MPa，当量循环密度为1.33g/cm3 。4.2小井眼井涌检测技术常规钻井主要通过监测泥浆池液面的增量来控制检测井涌。这种检测方法的灵敏度主要取决于液面高度仪和操作人员的警惕性。这种方法一般要等到泥浆池的增量达到2m3 以上才能检测到井涌，显然小井眼钻井不能单纯依靠池增量来检测井涌，必须应用新的方法来提高检测精度和灵敏度。国外发

29、展了一些小井眼井涌检测方法。4.2.1 Amoco公司井涌检测法（出入口流量法）在泥浆吸入管和返出管线上安装电磁流量计，实时记录入、出口流量，并打印出，从曲线的变化及发生现井涌或井涌，也可通过计算机实时判断并报警，这种方法的灵敏度高。4.2.2 Ana drill公司的井涌检测方法该公司研究了两种井涌检测法(1) 泥浆流量的波测量方法。(2) 泥浆泵压力波的往复传播时间。由于波在气体中的传播速度比在泥浆中慢，传播时间急剧增加就说明发生了气涌。4.3小井眼压井方法-动态压井法由于小井眼环空体积小，井涌来的快的特点，一般不能采用常规压井方法。小井眼环空压耗很大（占泵压的90%），动态压井是一种有效

30、的小井眼压井法。4.3.1动态压井法（动平衡压井）动态压井是利用循环泥浆时产生的压力损耗来控制地层压力。例：在图8所示的小井眼中，以3.15L/s的排量循环泥浆时，当量循环密度(ECD)为1.15g/cm3; 当排量增加到6.3L/s时，井底的当量循环密度增至1.45g/cm3 。通过改变排量、钻柱旋转速度和泥浆性能，就可控制小井眼井涌，而不需要加重泥浆。4.3.2 动态压井的实施(1) 钻井过程实测环空压耗的大小。改变泵排量，在各种排量下实测环空压耗，并记录下来，以备动态压井时使用。(2) 若检测到井涌，立即增大排量，从而增大泥浆柱对地层的压力。最大排量取决于地面管汇的额定压力、地面泵的能力和裸眼井段的地层破裂压力。(3) 将钻柱稍稍提起，关闭环行防喷器，使泥浆通过节流管线流出。在钻进过程中发生井涌，也可不停钻，通过增大排量和钻柱的旋转速度来控制井涌。4.3.3 应注意的问题(1) 采用动态压井法还是常规压井法，取决于地层压力预测值和可获得的环空压耗。环空压耗的大小取决于设备能力（额定排量、功率）、井径、井深、泥浆性能、钻柱直径。环空压耗对井眼冲蚀非常敏感。(2