钻井与完井工程完整课件超值

1、钻井与完井工程,石油工程学院钻井研究所,钻井与完井工程课时安排,概述(2学时) 井身结构设计（6学时） 钻井液（8学时） 钻井工艺（12学时） 压力控制(6学时),定向钻井与防斜（10学时） 固井（ 8学时） 完井（4学时） 储层保护（4学时）,课内教学课时（60学时） 实践教学环节 （4学时） 考试统一安排，不占学时,第一章:绪论,第一章:绪论,第一节：钻井与完井的定义 第二节：一口井的钻井过程 第三节：钻井与完井工程技术发展,钻井定义、目的,定义 利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的园柱形孔眼的工程。 钻井目的 确切地了解地下地质情况，正确判断储油构造，为油田开发方案提供第一手资料。钻井

2、过程中，可以通过岩屑录井、取心、电测得到地层分层、岩性、岩石的物理化学性质、含油气情况。 开采油气，提高油气采收率 形成油气到地面通道。 油田开采后期钻注水或注气井。,油气井类型,地质基准井（参考井） 为了了解地层的沉积年代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理勘探提供各种参数所钻的井 预探井 主要上为探明油田面积，油水边界线，为油田计算可靠工业储量提供资料。 详探井 在已证实有工业开采价值的油田上，为确定油层参数，查明油田地质特性，为油田开发做好准备的井，这种井在油层部位要求全取心。,油气井类型,生产（或开发）井 在已探明储量，有开采工业价值的油田构造上钻产油产气井 注水（气）井 为了提高

3、采收率，达到稳产所钻的井。注水注气的主要目的是为了给地层提供生产油气所必须的能量。,国外钻井水平,世界上最深的直井 12260米，原苏联在科拉半岛的井，德国正在施工一口设计14000的井。 世界最深的水平井 Cliffs油气公司1991.11在 Bagou Jack油田钻成一口水平井，造斜点井深：4446、垂深4672，测深5212创世界水平井最深纪录。,国外钻井水平,世界水平段最长纪录 aersk油气公司1991.11在北海、丹麦海域Tvra West Bravo油田钻成一口水平井、测深4768、垂深2266、水平段长2501创当时世界水平段最长纪录。 水平位移最大的大位移井 Statoil

4、公司在施达福油田钻成一口水平井、测深7028，垂深2681、水平位移6086创世界纪录 英国Witch Farm油田，水平位移已经超过10,000m。,钻井工程技术的发展,概念时期（1900-1920） 钻井和钻井液配套 牙轮钻头使用 下套管用水泥封固 发展时期（1920-1948） 以上概念进一步发展，开始使用大功率钻机。 科学化钻井时期（1948-1968） 喷射钻井技术（水射流理论） 镶齿、滑动密封轴承钻头的使用 低固相、无固相不分散钻井液体系和固控技术 地层压力检测技术、井控技术、平衡压力钻井技术,钻井工程技术的发展,自动化钻井时期（1968目前） 自动化钻机 井口自动化工具 钻井参数

5、自动测量 计算机在钻井工程中应用 最优化钻井技术（系统工程分析理论） 井下闭环钻井系统 随钻地震,一口井钻井过程,钻前工程定井位、平井场及修公路 钻井工程钻机搬安、一开、固表层套管、二开、固技术套管、, 钻至完钻井深、完井电测、固油层套管 完井工程,钻井设计,地质设计： 构造、井口坐标、目的层、岩性描 述、地质录井要求 工程设计：钻井设备、井身结构、钻头设计、钻柱设计、钻井液设计、水力参数设计、套管强度设计、井口装置、钻井施工措施,oil zone,井身结构(Casing Program),一开：第一次开钻 二开：固表层套管后在开钻 三开： 。,与钻进有关的几个基本概念,钻机 钻头 钻具 钻柱

6、 钻井液 钻压 转速 排量 接单根,与钻进有关的几个基本概念,起下钻,旋转钻井钻机,动力系统 旋转系统 提升系统 循环系统 井控系统,旋转钻井系统,动力系统(Power system),柴油机 (diesel engine) 发电机 (generator) 传动机构 (compound) 机械传动 (Mechanical Power Transmission) 柴油机-电传动(diesel electric Power Transmission),旋转系统(Rotating system),转盘 (Rotary Table) 转盘方补心 （Master Bushing) 方补心 (kelly

7、Bushing) 方钻杆 (kelly) 钻柱 (drill string) 钻头 (bit),转盘(Rotary Table),转盘(Rotary Table),钻 铤Drill Collar,稳定器Stabilizer,接 头(Tool joint),钻 头Rock Bit,接 头sub,钻 杆drill pipe,钻 杆Drill Pipe,方钻 杆Kelley,钻柱组成 Composition of drill string,钻头(Rock Bit),起升系统(Hoisting system),井架（derrick) 绞车（draw works) 钢丝绳 (wire rope、fast

8、 line、dead line) 天车（Crown) 游动滑车 (traveling Block) 大钩 （Hook),循环系统（Circulating System),泥浆泵（pump) 立管(standpipe) 水龙头(swivel) 方钻杆(kelly) 钻柱(drill stem) 钻头(bit) 环空(annulus),出口管线(discharge line) 震动筛shale shaker 除气器(degasser) 除砂器desander 除泥器(desilter) 泥浆罐 (mud tank),泥浆泵,钻井泵（Pump),钻井泵（Pump),井控系统（The well Con

9、trol),球型防喷器（Annular BOP） 旋转防喷器（Rotating BOP) 闸板防喷器（Ram BOP） 方钻杆旋塞（Kelly cock） 压井管汇（choke manifold）,球型防喷器（Annular BOP）,闸板防喷器（ Ram BOP ）,旋转防喷器（ RBOP ）,地面节流管汇 choke manifold,oil zone,井身结构(Casing Program),固井,在钻井到设计套管下入深度后，下入套管 在套管和裸眼之间注入满足一定性能要求的水泥浆 候凝，使得套管和裸眼之间的水泥石具有一定的强度 固井的关键技术 下套管工艺 水泥浆的配方设计 注水泥工艺（浆

10、柱结构、注水泥排量、注水泥过程中的压力控制） 固井质量检测,完井方法(Completiom),1、射孔完井,2、裸眼完井,裸眼砾石充填完井,套管砾石充填完井,grabed packed,割缝衬管完井(slotted Liner),钻井新技术,深井超深井技术（Deep well Drilling) 水平井钻井技术（Horizontal well Drilling) 大位移井 ERD Drilling Tech.(Extended Reach Displacement) 欠平衡钻井技术(Underbalanced Drilling) 连续油管的应用(Coiled tubing Tech.) 保护油

11、气层的钻井完井技术 小井眼钻井技术（Slim Hole Drilling）,钻井新技术,深井超深井技术（Deep well Drilling) 高温高压的钻井液技术 高温高压的固井技术 深井钻柱、套管柱强度设计 深井提高钻速技术 深井井斜控制技术,钻井新技术,水平井钻井技术（Horizontal well) 定义 长半径（2-6/30m、半径：300m-900m） 中半径（8-20/30m、半径：86m-215m） 短半径 (5-10/m、半径：10m-20m) 关键技术 井眼轨迹测量和控制技术 地质导向钻井技术 井下闭环钻井技术 应用 是提高开发效益的有效手段。其优点包括提高单井产量，减小水

12、锥和气锥，已经在全国各大油田进行了推广应用。,钻井新技术,大位移井钻井技术（测深/垂深2的井） 应用范围： 海上钻井平台 海边开采近海油藏 环境保护要求特别严格的地区 设备： 顶驱 大尺寸钻杆 改进钻机，增大钻机负荷 可变径稳定器 先进的随钻测量系统,大位移井 ERD Drilling Tech.(Extended Reach Displacement) 理论问题 井身轨迹优化 井壁稳定理论 摩阻分析 扭矩测量及分析 环空流体学及环空携岩 钻柱强度分析,钻井新技术,钻井新技术,欠平衡钻井技术(Underbalanced Drilling) 定义：指钻井过程井内压力小于地层压力一定值的钻井过程

13、设备：旋转防喷器、井内流体的地面多级分离器、惰性气体发生器 基本理论：多相流理论 优点： 适合于在异常低压地区钻井 及时发现和保护油气层 提高机械钻速，降低钻井成本,钻井新技术,连续油管的应用(Coiled tubing Tech.) 应用： 钻井 完井 修井 理论： 流体力学分析 疲劳寿命估计,Coiled Tubing(reeled tubing),Coiled Tubing(reeled tubing),Coiled Tubing(reeled tubing),Applications Through-tubing re-entry Conventional re-entry Under

14、balanced drilling Slimhole exploration Operation Unit is automated and controlled using a PC-based system with a graphical operator interface inside the control cabin. Operated by a multi-task crew On-line directional drilling process,钻井新技术,保护油气层的钻井完井技术 岩性测定及分析技术 储层敏感性评价技术 有气层损害机理研究 油气层损害评价技术 保护有气层的

15、钻井液完井液技术 保护油气层的固井技术 负压射孔技术 保护油气层的压裂酸化技术,第二章：井身结构设计,第二章：井身结构设计,第一节：地层压力理论及预测方法 Dc指数 声波时差 地震层速度法 第二节：地层破裂压力预测 理论计算 地破试验 第三节：地层坍塌压力预测 第四节：井身结构设计 第五节：生产套管尺寸设计（自学）,井身结构,定义 套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。 主要内容 确定套管的层数 确定各层套管的下深 确定套管尺寸与井眼尺寸的配合 影响因素 地层压力（地层压力、破裂压力、地层坍塌压力） 工程参数 地层必封点,地层压力理论及预测方法,静液柱压力（Hydro

16、static pressure） Ph 定义 静液压力是由液柱重力引起的压力。 计算 ：液体密度,（g/cm3） H:液柱垂直高度，m,Ph,地层压力理论及预测方法,压力梯度(Pressure gradient) 单位高度（或深度）增加的压力值 在油田，为方便起见，有时压力梯度单位直接用密度单位。或直接用压力系数的概念。 有效密度（当量密度） 钻井液在流动过程或被激励中有效地作用在井内的压力为有效液柱压力 通过有效压力换算得到的液体密度称为等效密度。,地层压力理论及预测方法,上覆岩层压力 PO 定义： 某处地层的上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质（岩石）和孔隙中流体（油气水）的总重力造

17、成的压力。 计算,P0：上覆岩层压力；MPa；：无量纲的小数 rm:岩石骨架密度，g/cm3； :地层空隙中流体密度，g/cm3； H：井深，m.,Po,地层压力理论及预测方法,地层压力( Formation Pressure) PP 地层压力是指岩石孔隙中流体（油气水）的压力，也叫地层孔隙压力。 骨架应力(matrix pressure) 由岩石颗粒之间来支撑的那部分上覆岩层压力。,Po,Pp,地层压力理论及预测方法,地层破裂压力(fracture pressure) 在井中，当井内液体压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层破裂压力。 地层坍塌压力(Caving pressure)

18、当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌或缩径，我们称这个压力为地层坍塌压力。 现象：当井内液柱压力低于地层坍塌压力时，对于脆性地层出现坍塌，对于塑性地层出现缩径。,2008-9-18,井底环空压力 1、不循环时： 2、钻进时： 3、起下钻时： Pg为起下钻波动压力,地层压力理论及预测方法,地层压力理论及预测方法,异常地层压力 正常地层压力一般为盐水液柱压力PW。不在正常地层压力范围内的压力称为异常地层压力。 异常低压 PPPw,H,P,Pw,Po,上覆岩层压力,孔隙压力,高骨架应力,正常地层压力,异常低压,异常高压,孔隙压力,地层压力理论及预测方法,异常低压产生原因 生产层长期开采衰竭 地下

19、水位很低 异常高压产生原因 特点 异常高压地层与正常地层之间有一个封闭层 原因 沉积物的快速沉积，压实不均匀 渗透作用 构造作用 水增热作用 油田注水,2008-9-18,压实效应,P,D,P,PO,海面/地面,异常高压形成的原因,地层保持正常的压实平衡，取决于： （1）沉积速率 （2）孔隙空间减少速率 （3）地层渗透率 （4）排出孔隙流体的能力,异常高压形成的原因,水热作用：岩层孔隙中的流体受热膨胀，一旦出现隔绝的环境，地层孔隙中流体的压力就会急剧增加。 渗透作用：水或者溶液被适当的薄膜（泥岩层）隔开时，水从淡溶液到浓溶液的自然流动，导致高浓度溶液一侧水增多，如果排水作用受到阻碍，形成高压。

20、,低浓度,高浓度,2008-9-18,流体运移,异常高压形成的原因,2008-9-18,地层压力理论及预测方法,地层压力预测（监测）方法 Dc指数法 原理：机械钻速随压差的减少而增加。正常情况下，钻速随井深的增加而减小，Dc增加，在异常高压地层，钻速增加而dc减小。 适用范围：岩性为泥岩、页岩；钻进过程中的地层压力监测和完钻后区块地层压力统计分析。,d,H,地层压力理论及预测方法,Dc指数法预测的原理 D指数 钻速方程： D指数 V:钻速,m/h;N:转速：r/min P:钻压,kN;Db:钻头尺寸,mm,地层压力理论及预测方法,dc指数法预测的原理 dc指数 对钻井液密度变化进行修正 dc指

21、数 mN:正常地层压力梯度，g/cm3; m:实际钻井液密度， g/cm3;,地层压力理论及预测方法,d指数dc指数,地层压力理论及预测方法,dc指数监测地层压力的方法 按一定深度取点，一般1.53m取一点，如果钻速高可以510m一个点，重点井段1m一点，同时记录每个记录点的钻头尺寸、钻速、钻压、转速、地层水和钻井液密度。 计算dc指数 通过统计分析的方法建立正常压力趋势线 计算地层压力 提示 如有必要，必须对钻头尺寸进行校正； 一个构造上的正常压力可以通过多个井得到，以提高预测的准确程度； Dc指数预测地层压力所得到的结果可能与其它方法所得到的结果不尽一致。,地层压力理论及预测方法,地层压力

22、计算 反算法 P所求井深地层压力当量密度，g/cm3； n所求井深正常地层压力当量密度，g/cm3 dCN所求井深处正常趋势线上的dc指数值； dcR所求井深实际dc指数。,dc,H,dcn,dcR,地层压力理论及预测方法,地层压力计算 等效深度法：若地层具有相同的dc指数，则认为其骨架应力相等,即： PP所求深度的地层压力，MPa H所求地层压力点的深度，m； G0上覆地层压力梯度，MPa/m Gn等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/m HE等效深度，m。,dc,H,HE,H,2008-9-18,dc,H,地层压力理论及预测方法,等效深度计算 地层压力计算步骤 钻井参数录入 钻速、钻压、转

23、速、地层水密度、钻井液密度 计算dc指数 回归正常趋势线 计算地层压力,HE,H,地层压力理论及预测方法,地层压力预测（监测）方法 声波时差法 原理：声波在地层中的传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深度有关。当岩性一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小，对于沉积压实作用形成的泥岩、页岩，在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石孔隙度减少，声波速度增加，声波时差减小；在异常压力井段，岩石空隙度增加，声波速度减少，声波时差增大。因此，可以通过声波时差偏离正常趋势线的大小预测地层压力。 适用范围：岩性为泥岩、页岩；完钻后进行地层压力评价。,2008-9-18,H,地层压力理论及预测方法,声波

24、时差（用页岩的声波时差） 要求：足够数量的测井数据,H：井深，m t:井深H处的泥岩声波时差，s/ft t0:表层泥岩声波时差, s/ft C：正常趋势线斜率 A:正常趋势线截距,地层压力理论及预测方法,声波时差法预测地层压力 预测步骤 在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于80%的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相应的声波时差值，并在半对数坐标上描点； 建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程； 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程，求出等效深度HE； 用等效深度法计算地层压力PP。 对于碳酸岩类地层的孔隙压力预测，除了随钻测量外，目前还未研究出成熟的技术。,地层压力理论及预测方法,地层

25、压力预测（监测）方法 地震层速度法 原理：在不同岩性、不同压实程度情况下，地震波速存在差异。在正常压实地层，随着深度增加，地震波速增加；在异常压力地层，随着深度的增加，地震波速减小。 适用范围：钻前对区域地层压力进行评价。,地层破裂压力确定方法,理论计算 井眼井壁的应力： 最大最小水平主应力,地层破裂压力确定方法,理论计算 井壁上的周向应力（切向应力）： 井壁破裂的原因 井壁上的有效切向应力超过岩石的抗拉强度（破坏准则） 井壁上的有效应力,有效应力系数，Biot系数,地层破裂压力确定方法,地层破裂压力计算 地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。地层破裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩石的

26、拉伸强度（抗张强度） St：地层的拉伸强度，MPa； ：泊松比 Po:上覆岩层压力MPa; ：有效应力系数 A、B：构造应力系数 Pp：地层孔隙压力，MPa,2008-9-18,测试方法,P,Pf=Pstand_pipe+Pm,地层破裂压力确定方法,2008-9-18,液压试验（泄漏试验）,P,泵入量：V,立 管 压 力 P,A,地层破裂压力确定方法,地层破裂压力确定方法,地层破裂压力的现场测试 循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。 用较小排量（0.661.32l/s）向井内泵入泥浆，并记录各个时间的注入量及立管压力。 作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图，如

27、右图所示。 从图上确定各个压力值，漏失压力P1，即开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；压力上升到最大值，即为断裂压力Pf；最大值过后压力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力。,地层破裂压力确定方法,地层破裂压力的现场测试 求破裂压力当量泥浆密度max m试验用泥浆密度，g/cm3； P1漏失压力，MPa； H裸眼段中点井深，m。 地层破裂压力梯度(MP/m),地层坍塌压力确定方法,造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力太低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的，此时，对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大，对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。,岩石的

28、强度条件（强度准则） 根据库仑-莫尔的研究，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度值（称为粘聚力），加上作用于剪切面上的内摩擦阻力。,C:岩石的粘聚力(内聚力) ：岩石的内摩擦角；N:岩石剪切面上的法向正应力.,地层坍塌压力确定方法,岩石破坏准则 MohrCoulomb准则,岩石的剪切破坏, 有效应力系数（Biot系数）， 内摩擦角 1 和1分别为井壁上的最大和最小主应力,地层坍塌压力确定方法,地层坍塌压力计算 H：井深，m； ：钻井液密度，g/cm3； C：岩石的粘聚力，MPa； :地层非线性弹性修正系数（0.90.95）； H 、h：地层最大和最小水平地应力，MPa,地层压力

29、理论及预测方法,泥页岩强度和力学参数的确定 岩石强度参数的确定 内聚力 内摩擦角 抗拉伸强度 静态弹性参数的确定 泊松比 弹性模量 地层有效应力系数的确定 利用声波时差测井参数,井身结构设计,定义 套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。 目的 保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层 内容 下入套管层数 各层套管的下入深度 选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合,2008-9-18,井身结构设计,井身结构设计的主要原则 能有效保护油气层 能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件； 当实际地层压力超过预测值使井出现液流时，在一定

30、范围内，具有压井处理溢流的能力。,2008-9-18,井身结构设计,套管类型 导管 钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。 表层套管 防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管的载荷。 技术套管（中间套管） 封隔坍塌地层及高压水层 封隔不同的压力体系 继续钻井的需要,井身结构设计,套管类型 油层套管（生产套管） 为油气生产提供流通通道 保护产层、分层测试、分层采油、分层改造 尾管 技术尾管 生产尾管 尾管回接,2008-9-18,井深,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,考虑的因素 岩性剖面及故障提示 地层压力、地层破裂压力 工程参数

31、 正常作业：抽吸压力系数Sw、激动压力系数Sg、地层压裂安全增值Sf 出现液流：抽吸压力系数Sw、地层压裂安全增值Sf、考虑液流情况下地层压力增加值 SK 最大允许压差 PN(Pa),井身结构设计,井身结构设计关键参数 最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层压力有关： max:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3； pmax该井段的最大地层压力梯度， g/cm3； Sw:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度， g/cm3。Sw=0.024-0.048 g/cm3 .,井身结构设计,井身结构设计关

32、键参数 最大井内压力梯度 正常作业（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，井内最大压力梯度是发生在下放钻柱时，由于产生压力激动使得井内压力增高，设由于压力激动使井内的压力增加值为Sg，则最大井内压力梯度为： Sg:激动压力梯度当量密度； g/cm3； Sg=0.024-0.048 g/cm3,井身结构设计,井身结构设计关键参数 最大井内压力梯度（续） 发生液流时：为了制止液流，如压井时井内压力增高值为Sk,则最大井内压力梯度为： Sk=0.060 g/cm3 上式只适用于发生液流时最大地层压力所在的井深Hpmax的井底处，而对于井深为Hn的任意井深处的井内压力梯度为：,2008-9-18,关井井底最

33、大压力,Psd,PmE=Psd+Pm,井身结构设计,Hpmax,H,对于任意井深H处：,井身结构设计,井身结构设计关键参数 套管下深的临界条件 为了确保上一层套管鞋处的裸露地层不被压裂，应该保证，某一井段的最大井内液柱压力梯度满足： f:上一层套管下入深度处裸露地层的破裂压力梯度； g/cm3 Sf：为避免将上一层套管下入深度处裸露地层压裂的安全值， Sf =0.024-0.048 g/cm3,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,最大允许压差 为了在下套管过程中，不致于发生压差粘卡套管的事故，应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值，即规定最大允许压差。 最大允许压差的取值 在正常压

34、力地层： PN=11-17MPa 在异常压力井段： Pa=14-22MPa,PP,Pm,井身结构设计,设计步骤和方法 （1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点Hni的确定 正常钻进时： fnr:在设计套管层所在的裸眼井段内，在最大井内液柱压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3;（裸眼井段井内最大液柱压力梯度） max: 裸露井段预计的最大地层压力梯度， g/cm3;,井身结构设计,设计步骤和方法 （1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点Hni的确定（续1） 发生液流时时： fnk:在设计套管层所在的裸眼井段发生液流时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露

35、地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3;（井深为Hni处井内液柱压力梯度） Hni:设计层套管的初始下入深度，m; Hpmax: 最大地层压力所对应的井深;m。,井身结构设计,设计步骤和方法 （1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点Hni的确定（续2） 比较正常钻井情况下和发生液流情况下的最小地层破裂压力， 一般地fnk fnr,因此通常按fnk计算，只有在肯定不会发生液流的情况下，才按fnr计算。 对于技术套管，首先计算出fnk，然后通过作图或数字计算的方法找到地层破裂压力为fnk的井深，该井深即为技术套管下入的初选点。 对于技术套管，需要校核是否会卡套管，对于表层套管，则一般

36、不必进行压差粘卡套管的校核,当量泥浆密度,Gp,Gf,正常工况（起钻、下钻）,发生液流时,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,设计步骤和方法 （2）校核套管下入初选点Hni是否会发生压差粘卡套管 所用最大钻井液密度与最小地层压力之间实际的最大静止压差： P：套管所受到的最大静止压差，MPa； min：该井段内最下地层压力,g/cm3; Hmm：该井段最小地层压力所对应的最大井深,m。,Gp,Gf,Hmm,井身结构设计,设计步骤和方法 （2）校核套管下入初选点Hni是否会发生压差粘卡套管（续1） 比较P与P N(P a) PPN（或Pa），则假定深度Hni为中间套管下入深度。 若PPN（或P

37、a），则中间套管下至Hni过程中有被卡危险。在这种情况下,必须采取下尾管的方法解决。 确定技术套管的下入深度：先计算不卡套管的最大地层压力梯度，g/cm3; 与pper对应的井深即为经过校核的技术套管下深Hn,井身结构设计,设计步骤和方法 （3）在技术套套下入深度浅于初选点的情况下，确定尾管的下入深度Hn+1 确定尾管下入深度的初选点Hn+1,I 由技术套管鞋处的地层破裂压力梯度fn可求得允许的最大地层压力梯度pper: 通过数字计算或作图法找到与pper相等的地层压力梯度所对应的井深，该井深即为尾管下入深度的初选点。 校核尾管的下入深度初选点是否会发生卡套管,采用迭代法，试取一个Hn+1值求

38、pper，如果pper大于该深度的实际地层压力梯度，且二者接近，则Hn+1就是尾管下入深度。,Gp,Gf,Hn,Hn+1,1)中间套管下深Hn的确定,与pper相对应的井深即为中间套管下深Hn。,2)尾管下深Hn+1的确定,fn: 技术套管下深Hn处的地层破裂压力梯度,2008-9-18,步骤 1、定中间套管最大下入深度假定点。 根据可能钻遇的最大地层压力求设计破裂压力梯度,井身结构设计,当量泥浆密度,Gp,Gf,2008-9-18,步骤 2、验证中间套管是否有卡套管的危险。 如有，则应减小下深,3、加下一层尾管,井身结构设计,当量泥浆密度,Gp,Gf,2008-9-18,步骤 4、确定表层套

39、管下入深度。,井身结构设计,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,油层套管从井底到井口（对于射孔完井）,当量泥浆密度,Gp,Gf,生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。 对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来的预告难于准确，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心尺寸要求等。 要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头库存规格等的限制。,1设计中考虑的因素,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下入

40、生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。 生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方要求来定。 套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在9.512.7mm(3/81/2in)范围，最好为19mm（3/4in）。,2套管和井眼尺寸的选择和确定方法,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,3套管及井眼尺寸标准组合,四、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,81/2,井身结构设计实例计算分析,例1 某井设计井深4873m，其地层压力梯度和地层破裂压力梯度剖面图如图2-11示。该井无地

41、质复杂层。设计系数取以下值： Sw=0.036g/cm3 Sg=0.036g/cm3 Sf=0.024g/cm3 Sk=0.060g/cm3 Pn=16.56MPa Pa=21.36MPa,破裂压力梯度,1450m,3826m,4146m,地层压力梯度,HN,（1）求中间套管初始下入深度 钻遇最大地层压力梯度 =2.113g/cm3 考虑抽汲压力Sw =0.036g/cm3 考虑钻柱下放、压力激动Sg =0.036g/cm3 考虑安全因素Sf =0.024g/cm3 如按正常工况，则： fnr =2.209g/cm3 从压力剖面图横坐标上2.209处引垂直线，该垂线与地层破裂压力梯度曲线相交，

42、交点H3的相应井深4146m为中间套管下入深度初始选定点，该深度地层压力梯度为1.74g/cm3。,破裂压力梯度,1450m,3826m,4146m,地层压力梯度,HN,fD,井身结构设计实例计算分析,（2）验证中间套管下入4146m深度是否有卡套管的危险 其中m=PH2+Sw(PH2即4146m井深地层压力梯度)，PH2=1.74（g/cm3） 1.74+0.036=1.776g/cm3。 HN=3384m（压力剖面图最小地层压力对应的最大井深），代入上式 =23.08MPa 因为23.0816.56 所以中间套管下入井深4146m有卡套管的危险，中间套管下入井深应当 减小。,井身结构设计实

43、例计算分析,求在允许压力差16.56MPa的条件下，中间套管下入深度H2 HN=3384m m-Sw=中间套管下入深度处的地层压力梯度 1.579-0.036=1.543g/cm3 在压力剖面图上找到1.543g/cm3 ，引垂线与地层压力梯度线相交，交点即为新计算的中间套管下入深度3826m 。,井身结构设计实例计算分析,（3）计算中间尾管最大下入深度H3 4146m-3826m=320m 校核尾管下入4146m井深压差卡钻可能性。钻井尾管下入4146m时采用的钻井液密度=4146m处地层压力梯度+Sw=1.74+0.036=1.776g/cm3 P=0.00981(1.775-1.543)

44、3826 =8.745MPa 因为8.74521.36，下入中间尾管时不会卡尾管。 校核钻井至4146m时，如果产生溢流，给定0.060g/cm3溢流条件，压井时中间套管3826m处是否会被压裂，产生地下井喷危险。 中间尾管井深4146m处地层压力梯度=1.74g/cm3 =1.865g/cm3 井深3826m处地层破裂压力梯度=2.172g/cm3。 因为1.8652.172，所以当钻至井深4146m，若发生溢流，关井不会压裂中间套管鞋处地层。,井身结构设计实例计算分析,（4）表层套管可下深度H1 根据中间套管下入深度3826m处地层压力梯度，给定0.060g/cm3的溢流条件，试算表层套管

45、可下深度。 设表层套管下入深度=1067m =1.819g/cm3 井深1067m处地层破裂压力梯度=1.693g/cm3。 溢流后压井时，给予1067m处的压力负荷大于该处地层破裂压力梯度，会压裂地层产生地下井喷的危险。试算深度不能满足要求。,井身结构设计实例计算分析,设表层套管下入深度=1450m，则 井深1450m处地层破裂压力梯度=1.780g/cm3。 因为f1450fD1450，且相近，所以表层套管下入深度H1=1450m，满足设计要求。,井身结构设计实例计算分析,（5）油层套管下入4878m深度是否有卡套管的危险 P=0.00981（2.113+0.035-1.74）4146=1

46、6.635MPa 因为16.63521.36，油层套管下入4878m不会卡套管。 这样，该井设计的套管程序如表,井身结构设计实例计算分析,第二章作业,井身结构设计的任务、依据。 有关的基本概念（地层压力、地层破裂压力、地层坍塌压力） 简述dc指数法、声波时差法预测地层压力的原理和使用的条件。 （书面作业） 什么是破裂压力？岩石破裂的力学机理是什么？ 液压试验确定地层破裂压力的原理、步骤。 坍塌压力是什么？摩尔-库仑准则的含义和适用范围。 井身结构设计的步骤和基础数据是什么？ （书面作业） 熟悉掌握井身结构设计的计算方法,第三章 钻井液技术,本章内容包括:,概论 粘土矿物和粘土胶体化学基础 钻井

47、液的工艺性能 钻井液的流变性 钻井液的滤失和造壁性 钻井液的其它性能 钻井液处理剂及原材料 钻井液体系 复杂情况处理,概论钻井液定义,狭义钻井液: 粘土以小颗粒状态(2)分散在水中所形成的溶胶-悬浮体.(mud) 广义钻井液: 一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体.(drilling fluid) API定义: 用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循环流体,概论钻井液的功用,清除井底钻屑并将其携带至地面 稳定井壁及控制地层压力 冷却和润滑钻头、钻具 提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁 停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材料 给钻头传递水力能量,The Primary Functions

48、 of Drilling Fluid,Clean the rock fragments from beneath the bit and carry them to the surface Exert sufficient hydrostatic pressure against subsurface formations to prevent formation fluids from flowing into the well. Keep the newly drilled wellbore open untill steel casing can be cemented in the h

49、ole. Cool and lubricate the rotating drillstring and bit.,概论钻井液不应具有,既不能伤害钻井人员，又不能损害或污染环境 对所设计的地层评估有不利的性能 对产层产生伤害 对钻井设备和管材造成较大腐蚀 Detrimental to the operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation damage. Cause any corrosion of the drilling equipment and subsur

50、face tubulars.,概论钻井液的分类,液体,气体,气液混合物,水基 钻井液,泡沫 （以气为主）,充气泥浆 （以液为主）,空气,天然气,油基 钻井液,合成基 钻井液,概论钻井液的分类,Liquid,Gas,Gas-liquid mixture,Water base muds,Foam (mostly gas),Areated muds (mostly liquid),air,Nature gas,Oil base muds,Synthetic base muds,概论优质钻井液的标准,有利于安全、快速、优质、低耗钻井； 有利于取全、取准各项工程、地质资料； 有利于发现、保护油气层。 S

51、afe,Fast,Best,low-cost drilling. Get all kinds of engineering and geological information. Find and protect payzones.,概论钻井液的分类,分散钻井液(dispersed Drilling Fluids) 定义：用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配制而成的水基钻井液 特点 可容纳较多的固相，适合于配制较高密度的钻井液 容易在井壁上形成较致密的泥饼，失水较低 某些分散钻井液具有较强的抗温能力，适合于深井和超深井使用。,概论钻井液的分类,钙处理钻井液(Calcium tr

52、eated drilling fluids) 定义：体系中同时含有一定浓度的Ca2+ 和分散剂。 特点 抗盐、钙污染的能力强 抑制粘土的水化分散作用，控制页岩坍塌和井径扩大，减少对油气层的损害 盐水钻井液(saltwater drilling fluid) 定义：用盐水或海水配制而成。含盐量从1（Cl-为6000mg/l)直至饱和(Cl-为189,000mg/l)之前。 特点 对粘土水化有较强的抑制作用,概论钻井液的分类,饱和盐水钻井液(Saturated saltwater muds) 定义：钻井液中 NaCl的含量达到饱和的钻井液体系。 特点：用于钻进大段盐层和和复杂的盐膏层,概论钻井液的

53、分类,聚合物钻井液(Polymer drilling fluid) 定义:以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液体系。 特点 各种固相颗粒可以保持在较粗的范围内 钻屑不易分散成细微颗粒 优点 钻井液密度和固相含量低，钻速高，地层损害小 剪切稀释特性强 聚合物处理剂有较强的包被和抑制分散的作用，有利于抑制地层造浆和保持井壁稳定。,概论钻井液的分类,钾基聚合物钻井液(potassium-base polymer DF) 定义：以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液体系 特点 在各种无机盐中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚合物处理剂的存在使该钻井液体

54、系具有聚合物钻井液的各种优良特性。 在钻遇泥页岩地层时，具有理想的防塌效果。,概论钻井液的分类,油基钻井液(oil based muds) 定义：以油作为连续相的钻井液为油基钻井液。油水比在（5080）: (5020)油包水乳化钻井液最为常用。 特点 抗高温 有很强的抑制性 有很强的抗盐、钙的污染能力 润滑性好 能有效地减轻对油气层的伤害 成本较高、配制工艺复杂、污染环境,概论钻井液的分类,合成基钻井液(synthetic base muds) 定义：以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。 特点：使用无毒并且能够生物降解的非水溶性的有

55、机物取代了油基钻井液中柴油，该钻井液不仅保持了油基钻井液的优良特性，而且大大减轻了钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适合于海上钻井。 气体型钻井流体 空气或天然气钻井流体 雾状钻井流体 泡沫钻井流体 充气钻井液 保护储层的钻井液,概论钻井液的组成,水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水中，油可以乳化到水中，此时，水是连续相。(膨润土+水+化学处理剂+加重材料钻屑) 油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或盐水乳化在油中，即油是连续相。(柴油+沥青/有机土+处理剂) 气体：用高速气体或天然气清除钻屑,概论钻井液的组成,概论钻井液技术发展概况,发展 水基钻井液 清水 分散钻井液 抑制性钻井液 不分散聚合物钻井液 油基钻井液 原油 柴油为连续相钻井液 油包水乳化钻井液 预测 钻井液强化井壁技术 复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术 新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用 废弃钻井液的处理技术 保护油气层的钻井液技术,概论国内钻井液技术发展特点,同样经历了这些阶段,但滞后一定时间; 水基体系的研究应用比油基体系多; 深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟； 成功研制了一些钻井液处理剂，如FA367,