石油工程钻井工程课件

石油工程导论（油气井工程部分）樊洪海(教授)油气井工程系办公室：中油大厦北楼903电话：89733221邮箱：fanhh@田冷(副教授)油气田开发工程系油气田开发部分课程目的《石油工程导论》是石油工程专业大一新生的科普性的必修课。

介绍石油地质、钻井和完井、开发和开采等各环节的基本知识。课程的主要目的是使学生对以下内容有一个初步的了解:石油工程专业的工程背景；石油工程需要解决哪些问题；解决这些问题需要具备哪些知识，并了解这些知识需通过哪些课程的学习来获的；为学生更好的学习后续专业课程打下一定的基础。此课程涵盖普通地质学及油气藏工程、钻井工程、完井工程、采油工程石油工程专业的几大主干专业课程基础内容的简介。授课内容序号专题标题主讲第1讲油气基本知识与石油工业概况樊洪海第2讲油藏流体与岩石的性质田冷第3讲油气藏开发设计与动态分析田冷第4讲油气钻井工程概述樊洪海第5讲固井与完井工程概述樊洪海第6讲钻完井新技术新工艺简介樊洪海第7讲采油采气工程概述田冷第8讲油气增产与提采技术概述田冷本讲主要内容1.1什么是石油与天然气1.2石油与天然气的用途1.3油气的形成与分布1.4石油工业概述1.5石油与天然气工程概述第1讲油气基本知识与石油工业概况1.1什么是石油和天然气石油（Petroleum、Oil）：又称原油，是一种粘稠的、深褐色(有时有点绿色)的液体。它由不同的碳氢化合物混合组成，其主要组成成分是烷烃，此外石油中还含硫、氧、氮等元素。1.1.1基本概念1.1什么是石油和天然气1.1.1基本概念原油的性质差别很大，因产地而异。密度为0.8~1.0克/厘米3，粘度范围很宽，凝固点差别很大(30~-60°C)，沸点范围为常温到500°C以上。可溶于多种有机溶剂，不溶于水，但可与水形成乳状液。1.1什么是石油和天然气1.1.1基本概念不同油田出产的石油的成分和外貌可以差别很大正在冒泡的石油潭1.1什么是石油和天然气天然气（Naturalgas）：从广义的定义来说，天然气是指自然界中天然存在的一切气体，包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。而人们长期以来通用的“天然气”的定义，是从能量角度出发的狭义定义，是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物。主要存在于油田、气田中，也有少量出于煤层。主要成分为甲烷，是一种无色、无味、无毒且无腐蚀性的可燃气体。天然气1.1.1基本概念现在习惯上将油田和气田气称为天然气，煤层中的气还称瓦斯气或煤层气。石油和天然气是深藏地下的、天然形成的、不可再生的流体矿物。1.1

什么是石油和天然气1.1.2

常规与非常规油气资源常规油气资源（Conventionalpetroleum）：在已经掌握的技术条件下可以采出，并具有较好的经济效益的石油和天然气资源。非常规油气资源（Unconventionalpetroleum）：在目前技术条件下不能采出，或采出来不具较好经济效益的石油和天然气资源。一般包括致密和超致密砂岩油(气)、页岩油(气)、超重(稠)油、沥青砂岩、煤层气、天然气水合物（甲烷水合物，可燃冰，高压低温下甲烷气体和水分子形成的笼状结晶）等。油页岩油砂(岩）1.1什么是石油和天然气常规石油资源非常规石油资源高质量油藏低质量油藏生油岩层（自生自储）储层致密油页岩油油页岩储层高丰度易开发产量高低丰度难开发产量低1.1.2常规与非常规油气资源常规与非常规油气资源特点—石油121.1

什么是石油和天然气常规天然气高质量气藏低质量气藏致密气煤层气页岩气天然气水合物非常规天然气高丰度易开发产量高生油岩层（自生自储）储层储层低丰度难开发产量低储层1.1.2

常规与非常规油气资源常规与非常规油气资源特点—天然气本讲主要内容1.1什么是石油与天然气1.2石油与天然气的用途1.3油气的形成与分布1.4石油工业概述1.5石油与天然气工程概述第1讲油气基本知识与石油工业概况构成石油的化学物质，用蒸馏方法能分解（石油炼制）1.2石油与天然气的用途1.2.1石油的主要用途1.2石油与天然气的用途1.2.1石油的主要用途石油被称为“工业的血液”，广泛应用于汽车及航空燃料、工业用润滑剂、合成橡胶、建筑、医疗等。石油全身是宝，即使提炼下来的残渣——沥青，也可以用来铺柏油马路！石油产品可分为：燃料、溶剂与化工原料、润滑剂、石蜡、沥青、石油焦等6类。其中，燃料产量最大，约占石油总产量的90%；润滑剂品种最多，产量约占5%：汽油：沸点范围为40~205℃。汽油是消耗量最大的燃料品种；灯用煤油：沸点范围为180~310℃；柴油：分180~370℃的轻柴油和350~410℃的重柴油两类；燃料油：用作锅炉、轮船及工业加热炉的燃料；石油溶剂：用于轻纺、橡胶加工、涂料工业做溶剂，或清洗仪器、仪表、机械零件；润滑油：

从石油制得的润滑油约占总润滑剂产量的95%以上；润滑脂：俗称黄油，是润滑剂加稠化剂制成的固体或半流体；石油蜡：包括石蜡（占总消耗量的10%）、地蜡、石油脂等；石油沥青：石油焦：用于冶金（钢、铝）、化工（电石）行业做电极；炼厂气：炼油装置得到一些在常温下是气体的产物；1.2石油与天然气的用途1.2.1石油的主要用途1.2

石油与天然气的用途原油对外依存度是指一个国家原油净进口量占本国石油消费量的比例，体现了一国石油消费对国外石油的依赖程度。一般通行观点认为，一国石油进口依存度超过50%就说明该国已进入能源预警期。随着经济快速发展，中国能源消耗维持高速增长，原油进口量不断刷新历史记录。右图为近年来中国原油对外依存度变化趋势。1.2.2中国原油对外依存度1.2石油与天然气的用途数据来源：AIE(AustralianInstituteofEnergy，澳洲能源所)能源的消耗结构——以美国为例石油37%天然气25%煤21%可再生能源8%核能、电能等9%交通28%工业20%商业及居住相关11%电力供应41%72%22%5%1%3%32%35%30%<1%7%93%12%26%9%53%100%94%3%3%41%40%7%11%17%76%1%7%1%18%48%11%22%1.2石油与天然气的用途1.2.3世界能源的消耗结构及趋势百分比（%）时间（年）生物能煤石油天然气水力能其它核能数据来源：Smil,EnergyTransition本讲主要内容1.1什么是石油与天然气1.2石油与天然气的用途1.3油气的形成与分布1.4石油工业概述1.5石油与天然气工程概述第1讲油气基本知识与石油工业概况1.3油气的形成与分布1.3.1地球的结构地球的内部结构为一同心状圈层构造，由地心至地表依次分化为地核（core）、地幔（mantle）、地壳（crust）。地核、地幔和地壳的分界面，主要依据地震波传播速度的急剧变化推测确定。地球外圈分为四圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。莫霍面1909年克罗地亚科学家莫霍诺维奇发现地下几十公里处存在一地震波不连续面，称为莫霍面，就是地壳与上地幔的分界面

地壳即位于(莫霍面)以上的固体岩石圈层。在大陆区地壳较厚，平均为33公里，最厚处达70—80公里，在大洋区较薄，平均为6公里。大陆区的地壳称为陆壳，分为上地壳和下地壳。1）上地壳：厚度变化较大，平均厚约15公里，成分以硅、铝为主，相当于花岗岩，因而称之为硅铝质壳(硅铝层)或花岗岩质壳。2）下地壳：厚度稳定，约为5—8公里，成分以硅、铁、镁、铝为主，相当于玄武岩，因而称之为硅镁质壳(硅镁层)或玄武岩质壳。大洋区的地壳称为洋壳，洋壳仅由硅镁层组成，基本无硅铝层。1.3油气的形成与分布1.3

油气的形成与分布1.3.2岩石类型岩石按其成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩岩浆侵入地壳上部或喷出地表冷却岩浆岩裸露岩石

风化、侵蚀、搬运

沉积、固结成岩沉积岩已成岩石变质（作用）

受高温、高压作用变质岩凝固侵入型花岗岩等喷出型玄武岩等岩浆岩岩石风化碎屑岩浆沉积岩砂岩、页岩等变质岩大理岩等高温高压变质高温高压变质风、流水等外力作用将岩石碎屑物由高处搬运到低处沉积重融、再生各类岩石形成的过程：变质岩岩浆冷却凝固岩浆岩侵蚀、搬运、堆积等作用沉积岩变质作用变质作用重融再生侵蚀、搬运、堆积等作用重融再生重融再生沉积岩(1)沉积物:风化作用使现成岩石分解为矿物颗粒或溶解的盐类。1.3

油气的形成与分布(2)沉积岩分类：

碎屑岩:矿物颗粒胶结而成

结晶沉积岩:盐类结晶而成1.3

油气的形成与分布

胶结作用:盐类从地下水中沉淀出来，在疏松颗粒间形成联桥，该过程称为胶结作用。如钙质CaSO4、硅质SiO2

成岩作用:把疏松的沉积物转变成沉积岩(固结的或硬化的沉积物）的物理化学作用(3)碎屑岩成岩过程:

沉积→埋藏→压实→胶结(固结)作用→成岩作用→沉积岩1.3

油气的形成与分布沉积环境:通过沉积构造(波痕、泥裂、流痕、化石)解释岩石的沉积环境层理面:沉积岩具有层理(成层性)，两沉积层之间形成的面称为层理面板状交错层理楔状交错层理1.3

油气的形成与分布(4)常见沉积岩砾岩:颗粒直径>2mm，河道或山区径流的冲积扇巨砾岩:>256mm中砾岩:64-256mm细砾岩:4-64mm极细砾岩:2-4mm角砾岩:颗粒呈角砾状砾岩1.3

油气的形成与分布砂岩:颗粒直径:1/16mm-2mm；

粗砂岩(0.5～1毫米)

中砂岩(0.25～0.5毫米)

细砂岩(0.1～0.25毫米)

粉砂岩(10微米～100微米)为常见的储集层页岩(泥岩):<10微米颜色从绿色和灰色至黑色，取决于有机质含量。

大多数油气的源岩砂岩1.3

油气的形成与分布灰岩:由方解石矿物颗粒组成结晶灰岩(普通灰岩）生物灰岩(含有化石碎片)灰岩1.3

油气的形成与分布1.3

油气的形成与分布1.3.3石油的形成理论石油有机生油理论无机生油理论石油是由史前的海洋动物和藻类尸体变化形成的(陆上的植物则一般形成煤)。在地壳内已经有许多碳，有些碳自然地以碳氢化合物的形式存在。碳氢化合物比岩石空隙中的水轻，因此沿岩石缝隙向上渗透，形成石油。（大多数地质学家支持）（少数地质学家支持）1.3油气的形成与分布水中大量海藻、浮游生物等死亡后沉积到海底经过上百万年复杂变化形成石油和天然气石油和天然气向上运移形成油气储层如：断层圈闭有机生油理论烃源岩和石油窗1.3

油气的形成与分布1.3.4油气藏形成的基本要素(油气藏：油气在地壳中聚集的基本单位)油气藏生运盖保圈储生油层，富含有机质且大量转化为油气盖层，覆于生油层、储集层上部，阻止油气的向上散逸储层，为油气提供储存空间圈闭，保存油气的构造、地层、岩性条件运移，石油由生成到储存的有效流动保存，适合油气保存的综合条件1.3

油气的形成与分布1.3.4油气藏形成的基本要素油气生成后，只有及时的排出，聚集起来形成油气藏，才能成为可以利用的资源；否则，只能成为油浸泥岩。有利的生、储、盖组合，则是形成大型油气藏不可缺少的基本条件。生储盖组合：是指烃源岩、储集层、盖层三者的组合形式。有利的生储盖组合：是指三者在时空上配置恰当，有良好的输导层，使烃源岩生成的油气能及时地运移到储集层聚集；盖层的质量和厚度能确保油气不至于散失。1.3

油气的形成与分布1.3.5世界主要含油气区1.3油气的形成与分布我国石油资源集中分布在渤海湾、松辽、塔里木、鄂尔多斯、准噶尔、柴达木、珠江口和东海陆架八个盆地天然气资源集中分布在塔里木、四川、鄂尔多斯、东海陆架、柴达木、松辽、莺歌海、琼东南和渤海湾九大盆地。1.3.6我国石油与天然气的主要分布1.3

油气的形成于分布1.3油气的形成与分布1.3.7我国石油分布特点从地理环境分布看：石油可采资源有76%分布在平原、浅海、戈壁和沙漠；天然气可采资源有74%分布在浅海、沙漠、山地平原和戈壁。从资源品位看：石油可采资源中优质资源占63%，低渗透资源占28%，重油占9%；天然气资源中优质资源占76%，低渗透资源占24%。本讲主要内容1.1什么是石油与天然气1.2石油与天然气的用途1.3油气的形成与分布1.4石油工业概述1.5石油与天然气工程概述第1讲油气基本知识与石油工业概况1、原始直接找油阶段19世纪50年代，勘探的依据是油气苗，油气苗是地下油气藏的直接显示。因此，井位主要选择在接近油苗和先期钻探成功井的附近。1.4石油工业概述—世界油气勘探简史油气苗：石油、天然气以及石油的衍生物在地表的露头(显示）。美国地质学家怀特于1861年提出了具有划时代意义的背斜聚集学说。该学说认为：石油和天然气聚集于背斜构造中，石油、天然气和地层水按其比重分异，油气的密度低，占据背斜的顶部，而水占据底部。因此，背斜褶皱的顶部被公认为是勘探油气的最佳对象。2、背斜找油阶段1.4石油工业概述—世界油气勘探简史1926年首次利用重力勘探发现了美国得克萨斯州的一些盐丘油田，随后地球物理勘探方法在圈定构造油气田方面开始显示成效。3、地球物理勘探找油阶段石英弹簧重力仪野外重力勘探重力勘探是测量与围岩有密度差异的地质体在其周围引起的重力异常﹐以确定这些地质体存在的空间位置﹑大小和形状﹐从而对工作地区的地质构造和矿产分布情况作出判断的一种地球物理勘探方法。1.4石油工业概述—世界油气勘探简史1.4石油工业概述—世界油气勘探简史1929年开始采用地震反射波法(地震勘探)，目前该方法发展成为油气勘探中应用最广泛和必不可少的一种方法，是大陆架油气勘探的首要手段。在地表人工激发地震波向地下传播，遇到介质性质不同的岩层分界面地震波发生反射和折射检波器接收地震波记录处理和解释推断地下岩层的性质与形态1.4石油工业概述—世界油气勘探简史

第二次石油技术革命主要发生在60-70年代。板块构造理论的诞生，被称为地学上的一次革命。有机地球化学研究，可对沉积盆地的成油条件、油源、及生油量进行定量评价，指出有利油气勘探地区(化探）。沉积学研究从现代沉积类比入手建立了地层学，可以充分利用地震信息，进行地层、岩性和岩相的研究(沉积地层学)。4、协同勘探找油阶段1.4石油工业概述—世界油气勘探简史自20世纪80年代至今的第三次石油科技革命正在向纵深发展，以信息技术为主要特征。石油科技新概念、新理论、新方法层出不穷：高分辨率地震、三维地震、四维地震、处理解释一体化、三维可视化、核磁测井等。油气勘探的显著特点是向深层、深水、超深水、低渗透和非常规等新领域进军，大大地加强了油气地质的综合研究和强化高新技术的应用，注重深化勘探和精细勘探。5、深化勘探找油气阶段1.4石油工业概述—中国油气勘探简史我国第一口油井：台湾苗栗（1878年井深120m，日产油0.75t）大陆第一口油井：延长1号井（1907年9月10日），井深80m，日产原油1.5t1937年发现新疆独山子油田；1939年8月11日，发现玉门老君庙油田一、解放前的石油工业延长1号井1939年1号井发现了老君庙油田1.4石油工业概述—中国油气勘探简史解放前发现的油田：四个小油田：台湾出磺坑、陕西延长、新疆独山子和甘肃玉门老君庙解放前发现的气田：七个小气田：四川自流井、石油沟、圣灯山、台湾锦水、竹东、牛山和六重溪解放前石油储量：从1904年-1948年累计探明石油储量2900万吨，累计产油278.5万吨。1949年生产原油12万吨。一、解放前的石油工业延长1号井1939年1号井发现了老君庙油田1.4石油工业概述—中国油气勘探简史二、恢复和发展时期（1949～1960年）克拉玛依大油田的发现1955年10月29日，克1号井发现，并开始全国第一个石油会战，到1955年探明地质储量2亿吨；1958年，青海石油勘探局在冷湖5号构造上打出日产800吨的高产油井，并相继探明了冷湖5号、4号、3号油田1958年石油部组织川中会战，发现南充、桂花等7个油田，结束了西南地区不产石油的历史；到20世纪50年代末，全国已初步形成玉门、新疆、青海、四川4个石油天然气基地。1959年，全国石油产量达到373.3万吨。1.4石油工业概述—中国油气勘探简史三、高速发展时期（1960～1985年）1959年9月26日，松基3井发现大庆油田渤海湾盆地油气勘探接连取得突破：济阳坳陷：1961年4月华8井黄骅坳陷：1963年12月黄3井辽河坳陷：1965年7月辽2井冀中坳陷：1975年7月任4井陕甘宁盆地中生界岩性油气藏勘探取得突破东部中小盆地：南阳、泌阳、苏北等松基3井1.4石油工业概述—中国油气勘探简史塔里木盆地1989年-1995年，相继发现轮南三叠系油气田、东河塘油田、塔北北部第三系-白垩系凝析油气富集带、和田河大气田、克拉2大气田、塔河大油田等；吐哈盆地1989年台参1井日产油35m3，气4145m3，发现鄯善油田，实现侏罗系煤系地层的石油勘探重大突破；准噶尔盆地发现盆地东部、腹部含油气区；白垩系勘探获得突破；四、稳定发展时期（1986至今）“石油七姊妹”：埃克森公司、美孚公司、德士古公司、雪佛龙公司、海湾石油公司、英荷壳牌石油公司、BP公司。(20世纪70年代瓦解)“新石油七姊妹”：埃克森美孚，雪佛龙德士古，壳牌，BP，道达尔菲纳埃尔夫，雷普索尔（西班牙），意大利埃尼集团。1.4石油工业概述—世界石油巨头沙特阿拉伯国家石油公司(ARAMCO)（日产1250万桶）俄罗斯国家天然气工业股份公司(Gazprom)（日产970万桶）伊朗国家石油公司(Nioc)

（日产640万桶）中国石油(PetroChina)（日产440万桶）巴西石油公司(Petrobras)

（日产260万桶）委内瑞拉国家石油公司(PDVSA)（日产190万桶）马来西亚国家石油公司(Petronas)（日产140万桶）这些国家（国有）石油公司年净收入都在100亿美元以上，对世界原油市场的四大巨头，即艾克森美孚、皇家荷兰壳牌、英国石油公司与雪佛龙形成了巨大挑战。1.4石油工业概述—国家石油公司

斯伦贝谢是一家全球化的技术服务公司，总部设在纽约，并在巴黎和海牙成立准总部机构。公司员工超过80000人，在全球100多个国家有经营活动。它源自1927年创立的勘测公司，经过75年发展和扩张，先后收购了20多家公司或其它公司的业务，形成了能为客户提供实时的油气田综合服务和解决方案的综合服务公司，并将其信息技术和网络解决方案拓展到油气行业以外的其它领域。主要业务领域包括两大方面，一是传统业务——斯伦贝谢油田服务；二是信息技术——SchlumbergerSema。斯伦贝谢公司由三大部门组成－油田服务、电子交易与测试和资源管理服务（RMS-ResourceMangagementServices）。1.4石油工业概述—油田服务公司中石油：油气产量当量约为2.38亿吨（2013年）中石化：油气产量当量约为0.6亿吨（2013年）中海油：油气产量当量约为0.86亿吨（2013年）延长石油：油气产量当量约为1254.4万吨(2013年)1.4石油工业概述—中国石油公司2013年全年我国石油产量2.1亿吨；天然气产量1209亿立方米(1.209亿吨原油当量），其中常规天然气产量1177亿立方米，煤层气和页岩气分别超过30亿立方米和2亿立方米。全国油气当量3.2亿吨。1.4石油工业概述石油工业上游石油勘探下游石油炼制石油化工石油开采(石油工程)油气储存与运输：油气储运工程专业钻井工程(油气井工程系)采油工程(油气田开发工程系)化学科学与工程学院地质工程专业、环境科学专业勘察技术与工程专业(地球科学学院)(地球物理与信息工程学院)(机械与储运工程学院)其他辅助行业：其他相关专业(石油工程学院）油藏工程HSE经济评价地面工程采油工程钻完井工程确定钻井方法和钻进工艺技术，建立起一条开采油气的通道，保护油气层。油田开采过程中根据开发目标通过产油井和注入井对油藏采取的各项工程技术措施的总称。油气的分离、储存、输送等油田整体健康、安全、环境方案经济效益计算等研究油气田地质资料，掌握地下油气的分布状况，掌握储层及其流体的性质与特点，制定合理的开发方案。1.4石油工业概述本讲主要内容1.1什么是石油与天然气1.2石油与天然气的用途1.3油气的形成与分布1.4石油工业概述1.5石油与天然气工程概述第1讲油气基本知识与石油工业概况1.5石油与天然气工程概述1.5.1什么是石油工程？

石油工程是根据油气和储层特性建立适宜的流动通道并优选举升方法，经济有效地将深埋于地下油气从油气藏中开采到地面所实施的一系列工程和工艺技术的总称。包括油藏(Reservoir)、钻井(Drilling)、采油(OilProduction)和石油地面工程(PetroleumSurfaceEngineering)以及延续的HSE(Health、Safety、Environment)及经济评价等。1.5石油与天然气工程概述1.5.2石油工程核心课程油层物理包括油气藏流体的物理化学性质、储层岩石的物理化学性质、储层中多相流体的渗流机理等相关的基础知识。渗流力学钻井工程完井工程油藏工程采油工程油田化学包括渗流的基础知识和基本定律、液体的稳定渗流、液体的不稳态渗透、天然气渗流、等相关的基础知识。包括钻井的工程地质条件、钻进工具、钻井液、钻进参数优选、井眼轨道设计与轨迹控制、等相关的基础知识。包括完井工程基础、套管柱设计与固井、油气井完井方法、完井液与储层保护、射孔等相关的基础知识。包括油藏工程设计基础、油藏动态检测原理与方法、油藏动态分析方法、油藏管理等相关的基础理论知识。包括自喷与气举采油、有杆泵采油、无杆泵采油、注水、水力压裂技术、酸处理技术等相关的基础知识。包括钻井液化学、完井液化学、水泥浆化学、化学驱与混相驱、注水井调剖与油井堵水、等相关的基础知识。1.5石油与天然气工程概述1.5.3石油与天然气工程本科毕业生应具备的能力具有学石油、爱石油、献身石油事业的专业精神和社会责任感；熟练掌握石油工程专业的基本理论知识，包括钻井工程、完井工程、采油工程、油藏工程等；掌握石油工程现场工艺技术和方案设计所设计的理论知识和方法原理；初步了解与石油工程行业相关的经济、管理、法律知识以及相关的政策和技术标准；具有应用理论知识分析和解决石油工程实际问题及进行现场钻井、完井、油藏、采油方案设计的初步能力。1.5石油与天然气工程概述1.5石油与天然气工程概述中国石油大学（北京）（昌平）中国石油大学（华东）（黄岛）西南石油大学（成都）东北石油大学（大庆）长江大学（武汉、荆州）