西安石油大学石油工程概论4.钻井与完井

1、48,1,Chapter 4 钻井与完井 （3课时）,第一节 钻井方法 第二节 旋转钻井系统的基本构成 第三节 旋转钻井工艺过程,第四节 完井 第五节 特殊钻井技术 第六节 海洋石油钻井,本章就钻井和完井工程中的主要概念、设备、方法及过程进行介绍。,48,2,一、我国钻井技术发展简况,古代钻井,约在公元前3世纪到公元11世纪，井眼由人下入井内挖掘而成。,始于公元1041年1053年前后，井眼以顿钻方式由人力向下钻凿成井。井口直径如碗口大小(约35寸)，即“卓筒井”，井深达千余尺，公元1253年用牛做动力代替人力。,大井眼阶段,小井眼阶段,公元前31世纪（战国时期），李冰在四川钻凿盐井； 公元1

2、47189年，在邛崃(qingli)钻出一口天然气井,称为火井,1521年，四川嘉州(今乐山)钻盐井时偶得石油，是为我国第一口油井； 1840年，在四川钻成世界上最深的井（1200m），火井； 清初,四川有盐井5637口，清末有8456口，分布于40个洲县。,中国最早利用钻井技术进行油气及资源勘探与开发。,4.1 钻井方法,48,3,欧洲是在19世纪初开始用顿钻打井 美国第一口油井（机械顿钻）完成于1859年，井深21.7m。,近代钻井,19011920年，萌牙时期；发展了旋转转井方法，循环钻井液清洗井底； 19201948年，发展时期；牙轮钻头、固井工艺、钻井液应用 19481968年，科学

3、化钻井时期；研究钻井中的内在规律； 1968至今，自动化钻井时期。 1907年，在陕西省延长油矿利用金属制钻机钻成中国大陆第一口油井(延一井)；井深81米；日产油400500斤。 1939年，在甘肃玉门用德国造钻机钻成一口井； 1907年1948年，共利用新方法钻井169口，总进尺67020米，井深都小于1500米。,48,4,二、钻井方法,常用钻井方法,顿钻钻井(冲击钻井),旋转钻井,在长期的生产实践中，人类创造和发明了多种钻井方法，并且随着生产的发展，钻井设备也在进步和完善。,48,5,顿钻钻井也叫冲击钻井。 通过地面将钢丝绳拉起，将钻头提离井底，再向下冲击，岩石随之破碎，再不时向井内注水

4、，将岩屑和泥土混成泥浆，再下入捞砂筒捞出岩屑。 钻进不连续，速度慢；冲击方式，费时费事费力,1.顿钻钻井,它不适应快速钻井的要求，特别钻深井或超深井它更不能满足生产的需要，因此代替它的是旋转钻井。,48,6,旋转钻井是利用钻头旋转时产生的切削或研磨作用破碎岩石，是当前最通用的钻井方法。 1901年美国首先使用，中国于30年代中期开始使用，它比顿钻钻速快，并能处理井塌、井喷等复杂情况。 按动力传递方式不同，分为转盘旋转钻井和井下动力钻井两种。,2. 旋转钻井,48,7,又称为转盘钻井，其是从顿钻钻井演变而来的。 地面钻具转动带动井下钻头转动，钻头转动时就可破碎岩石，破碎了的岩屑被泥浆泵泵入井内的

5、泥浆循环带到地面。 连续钻进，速度快，冲击+切削； 地面驱动地下钻头转动，浪费功率。,（1） 转盘旋转钻井,48,8,这是旋转钻井的又一种方法，这种方法钻井就是在钻柱下边接上井下动力钻具，其他的和转盘钻井一样。 钻头转动不是靠转盘而是靠井下动力钻具带动。因此大部分钻具不转动，节省了大量功率，磨损小、使用寿命长。 井下动力钻具包括涡轮钻具和螺杆钻具 该方法主要用于钻定向井、丛式井和水平井。,（2）井下动力钻具钻井,48,9,钻井方法总结,常用钻井方法,顿钻钻井(冲击钻井),旋转钻井,转盘旋转钻井 井下动力钻具旋转钻井,井口是敞开的，无控制装置； 钻井是间断的，进展慢； 适用于浅层低压油气井。,井

6、口是封闭的，有控制系统； 连续性，进展快； 用于硬软地层和各种压力系统； 用于定向井、水平井的钻井；,48,10,按用途一般分为两种：探井和生产井 探井：探明储油构造，取得地质资料，认识和评价含油气情况，落实油层位置和油气田面积、储量等等； 生产井：按照油气田开发方案有效地开采地下石油与天然气资源。 按井筒在地下的形状（即井眼的轨迹）又可分为二种：直井、定向井。其中定向井又可再分为斜井和水平井。,三、石油井的分类（2种）,48,11,最大井深：12226m（俄罗斯） 最大单只钻头进尺：2134m(PDC钻头8 英寸/ 21.59cm） 最高温度、压力：温度200，压力110MPa 最长的连续取

7、心：128m 最大水平位移：11278m(垂深1637m),四、钻井世界纪录,48,12,4.2 旋转钻井系统的基本构成,系统基本构成（4类） 一、钻机 二、钻进工具 三、钻井液 四、钻井作业人员,48,13,钻机是全套钻井设备的总称。 目前全球使用最为广泛的是转盘旋转钻机。 钻机由柴油机、传动轴、泥浆泵、绞车、井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头和转盘等组成。 整个转盘旋转钻机成套钻井设备通常由六个系统组成。,一、钻机,旋转钻井系统的基本构成,48,14,旋转钻机,动力系统,由发动机和一套动力传动装置来驱动钻井设备。目前柴油发动机(14904470千瓦)是国内主要的动力来源。,用来起下井内钻具

8、和下套管的设备。包括井架、天车、游车、大钩、吊环等组成,用来旋转钻柱、向井底传递动力、破碎岩石的一套设备。包括转盘、转盘变速箱、水龙头、方钻杆及其传动装置。旋转系统还有接、卸钻柱和钻具的功能。,钻进时能循环泥浆，冲刷井底，将破碎的岩石带到地面上的一套设备。包括泥浆池、泥浆槽等。,井控系统,对可能发生的复杂情况进行控制和处理，以恢复正常钻井。有防喷器组、储能器机组和防喷器组遥控面板、测试管汇、压井管汇4部分。,监测系统,a.由综合录井对井下情况进行监测；b.由各种仪表对钻进参数进行记录和测量；c.对钻井液中的天然气和硫化氢进行监测。,提升系统,旋转系统,循环系统,六个组成系统,48,15,二、钻

9、进工具基本构成之二,钻进工具（又称钻柱）主要包括钻头、方钻杆、钻杆、钻铤、井下动力钻具等。 一般情况下方钻杆在最上面，方钻杆下接钻杆，钻杆下接钻铤或井下动力工具，最下端接钻头。 以下对主要的井下钻井工具及作用进行了介绍。,48,16,钻头尺寸,应用最多,4 in(12.06cm) 5 7/8 in(14.92cm) 6 in(16.51cm) 7 7/8 in(20.00cm) 8 in(21.59cm) 9 in(24.13cm) 10 5/8in(26.98cm) 12 in(31.11cm) 14 in(37.46cm) 17 in(44.45cm) 20 in(50.80cm) 26

10、in(66.04cm),聚晶金刚石复合片钻头,48,17,二、钻进工具基本构成之二,1.钻头 钻头是直接破碎岩石、造就井眼的重要工具。要加快钻井速度，必须采用适合地层条件的“锋利”钻头。 分类 （1）刮刀钻头：切削xio刃，用于非固结的软地层效果极佳。 （2）PDC钻头：切削刃上使用了人造金刚石和烧结碳化钨，比刮刀钻头强度性能好，用于软性地层。 （3）金刚石钻头：切削刃用天然金刚石制成，适用于坚硬地层或较软地层。但怕高温，注意冷却钻头。 （4）牙轮钻头：目前使用最广泛的钻头。压碎、冲击、剪切，可适用于从软到硬的各种的地层。,48,18,二、钻进工具 （续）,1.钻头：直接破岩、造就井眼的重要工

11、具。 2.钻铤：钢质厚壁筒形管材。接在钻头之上向钻头施加钻压和传递扭矩。 3.钻杆：钢质厚壁筒形管材。钻井延伸、传递扭矩和输送钻井液的工具。钻杆在起下钻中要负担最大的拉伸力，例如4000米的5英寸的钻柱重量约150吨。 4.方钻杆：传递扭矩。中空四边形或六边形钢柱。壁厚比钻杆大三倍左右,具有较高的抗拉与抗扭强度 5.井下动力钻具：可直接在井下驱动钻头钻进，可以减少动力消耗，减轻钻具和套管的磨损和破坏。 6.其他钻井工具：防斜、造斜、防卡、解卡和钻柱稳定的钻井工具等。 7.钻台上的操作工具：包括吊卡、卡瓦、上卸和大钳、动力大钳和吊环等。,48,19,三、 钻井液 基本构成之三,钻井液：具有满足钻

12、井和完井工程所需要的多种功能的循环流体。 由于初期的钻井液是由最简单的泥土和水组成，“钻井泥浆”或“泥浆”就成为钻井液沿用至今的代名词。 旋转钻井中，要利用钻井液清洗井底，携出井下钻屑并控制井内压力。,清洗井底 携出岩屑 冷却钻头 保护井壁,钻井液在钻井中的8种主要作用,润滑钻具 破岩作用 平衡地层压力 保护油气层,48,20,三、 钻井液 基本构成之三,钻井液对于钻井就像血液对于人体一样重要。 如果没有性能良好、足够数量的钻井液，或者钻井液不能正常循环时，钻井工作将无法进行，有时还将严重危及井的“生命”。 我校的大庆“铁人”王进喜肖像：铁人搅拌泥浆，人拉肩扛安装钻机。,48,21,钻井液是溶

13、胶悬浮液体系，由三个部分组成： 液相：可以是淡水或盐水，或某种类型的油品 固相：为增加体系密度，常用重晶石，为改善流变性和滤失性常用微晶高岭土 处理剂：用以调整泥浆性能，常用各种有机或无机化学处理剂 分类 以水为连续相的钻井液叫水基钻井液 以油为连续相的钻井液叫油基钻井液。 水基钻井液的应用最为广泛，只是在特殊井如取心或高难度定向井中才使用油基钻井液。,现代钻井技术对泥浆的性能要求很高，要具有一定的密度、粘度、滤失量、泥饼、切力及含砂量等，并且随着钻井所钻遇的地层变化能及时做出调整。,48,22,四、钻井作业人员基本构成之四 钻井队基本上由三部分人员组成。 第一部分是钻井操作人员 包括钻工、井

14、架工、副司钻、司钻和钻井班长；设备的操作人员有机械工、电工、材料工和通讯员等。司钻是操作钻机、实施钻井作业最关键的人员之一。 第二部分是技术人员 包括钻井工程师、机械工程师和电气工程师等。 第三部分人员是管理人员 包括钻井经理、会计、器材管理员和生活管理员等。,48,23,4.3 旋转钻井工艺过程,一口井从开始到完成，大致要经历准备工作、钻进、固井、其它作业等工序。,48,24,一. 准备工作,1.定井位 2.修公路 3.平井场 形状大致为长方形，ZJ70钻机：120m100m 4.打基础 5.安装：立井架，安装钻井设备、泥浆泵，安放或挖掘泥浆池等。,4.3 旋转钻井工艺过程,一口井从开始到完

15、成，大致要经历准备工作、钻进、固井、其它作业等工序。,48,25,旋转钻井法的钻进大致可分为以下几道工序： 1.钻进：用钻头直接破碎岩石 2.洗井：将钻屑从井底清除掉，并携带到地面 钻屑：井底岩石被钻头破碎后形成小的碎块 3.接单根：钻柱也要及时接长，接一根钻杆就叫接单根。 4.起下钻：换上新的钻头以后在重新下到井中继续作业，这叫做起钻和下钻。 5.其它作业：进行岩屑录井、地球物理测井以及地层测试等作业。,二、钻进钻进过程之二,广义的钻进：从开钻到完钻一段地层或完钻一口井的过程,48,26,三、固井钻进过程之三,目的 加固井壁，防止浅处井壁坍塌。 隔离钻开的油气、水层，防止开采时层间相互干扰。

16、,将称为套管的无缝钢管下入井中，并在井眼和套管之间灌注水泥浆以固定套管。 固井重要工序:下套管和注水泥,一口井从开始到完成，常需下入多层套管并注水泥，即需数次固井作业。,48,27,1.下套管固井重要工序之一,第二次开钻后，改用小于表层套管直径的钻头，往下钻至目的层上方处再停钻；,第三次开钻后再改用更小的钻头，一直钻到目的层以下； 下入第三层套管，称为油层套管，再注水泥固井。 目的：为试油和今后采油气创造条件。 最后射孔：利用射孔枪打穿套管和水泥环，为油流入井提供流动通道。,钻头钻入地层一定深度（30300m）；,下入第一层套管，称为表层套管，再注水泥固井。 目的：封住这一井段的粘土层、流沙层

17、、砾石层及水层，并在表层套管井口安装防止井喷的装置。,下入第二层套管，称之为技术套管，再注水泥固井。 目的：用以封固易塌层和高压水层，或为保护浅部的油气层等。,48,28,常用的套管、钻头尺寸,钻头 套管 6 in(16.51cm) 5 in(13.97cm) 8 in(21.59cm) 7 in(17.78cm) 12 1/4 in(31.11cm) 9 5/8 in(24.46cm) 17 3/4 in(44.45cm) 13 3/8 in(33.97cm) 26 in(66.04cm) 20 in(50.80cm),1.0英寸=25.3995mm,48,29,2.注水泥固井重要工序之二,

18、工序：将配置好的水泥浆，通过一定的设备和工艺注入套管，并按照设计要求使水泥浆在管外环形空间上返到一定的高度。 作用：将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。,48,30,4.4 完井,油层钻开以后，油井与油气层如何连通？这对油气田开发、开采非常重要。,完井，顾名思义，即井的完成，是油气井生产前的最后一道工序。 主要指油气层与井底的连通方式、井底结构及完井工艺。 根据地层的不同性质，可以采取不同的完井方法。 对各种完井方法的要求： （l）使油气层与井底有效地连通起来，尽量减小油、气流动阻力； （2）妥善地封隔油、气、水层，防止各层之间互相干扰； （3）克服井

19、壁坍塌和油层出砂的影响，保证油气井长期稳定生产； （4）能为今后的井下修井作业和增产措施（压裂、酸化）提供方便； （5）工艺简便、完井速度快、成本低。,48,31,裸眼完井 射孔完井 衬管完井 砾石充填完井,根据油井与油气层连通方式，常见的完井方法有:,一、裸眼完井 油层部位不下套管，全部裸露，油层没有任何遮挡地直接与井底相通。,油气向井流动的阻力最小，但井底容易坍塌，不易防止油层出砂。,48,32,二. 射孔完井 下入射孔枪向油层部位射孔，穿透套管和水泥环，为油、气流入井内打开通道。,能比较有效地封隔和支持疏松易塌的生产层，能为后继生产提供便利条件；但生产层易受到严重侵害，油气向井流动阻力增

20、大等。,套管被射开的孔眼,套管,油层,徐波2007,徐波2007,48,33,三. 衬管完井 在裸眼的油气层部位，下入一根预先钻好孔眼的衬管，油、气经衬管上的孔眼流入井中。,由于衬管是利用油层中的砂层自然成拱防砂，故不易入工控制。在裸眼井中无法封隔油、气、水层。,48,34,人为地在衬管和井壁之间充填一定尺寸的砾石，使它起防砂和保护生产层的作用。,四. 砾石充填完井,油、气流的渗流面积大，阻力较小，同时可以防止油层坍塌出砂和堵死油井，因而油井寿命较长。但是，它在完井工艺上比较复杂。,两种砾石充填方法：裸眼内砾石充填和套管内砾石充填。,48,35,斜井和水平井，都可称之为定向井。 定向井与普通直

21、井(垂直地面)的井筒形状是不一样的，明显的特点是从井口到井底有一个预定方向的大斜度，最大可达90(水平井) 在油气藏中钻开产层的井段斜度超过85，其水平井段延伸长度约为产层厚度10倍以上的井称为水平井。 使用定向井仪器、工具、钻具和技术，使井眼沿着预定的斜度和方位钻进，直到钻达目的层。 一般的直井，也并非人们所想象的那样是垂直的，实际也都有大小不等方位不一的斜度，但这个斜度都不很大，是要求加以控制的。按井身质量标准的规定，直井井斜不得超过35,一、定向钻井,4.5 特殊钻井技术,48,36,（l）为了避开不可越的地面障碍，例如居民住宅区、工业建筑、文化古迹、江河湖泊等。 （2）为了少占农田，节

22、约修公路和平井场的土地、资金和时间，可在同一口井或同一井场按需要钻丛式井。 （3）对于某些有裂缝的油气层或低渗透油气层，为了增大井筒内油气层裸露的面积，以扩大油流通道，减小渗流阻力，提高油井产量，可以在油气层内钻一定长度的大斜度定向井或水平井。 据统计，一口水平井的造价是一口直井由1.52倍，而在相同地质条件下，一口水平井的产量是一口直井的37倍。,钻定向井的6类理由,48,37,（4）对某些特殊油田，用一口井钻过多套油气层，使一口井起到多口井的作用，这种井叫多目标井。 （5）开发海洋油气田时，在一个钻井平台上钻多口定向井，即可节约钻机搬迁时间和钻机成本，也有利于油气集输。 （6）当油气井发生

23、强烈井喷、着火而失去控制时，可以采取钻定向求援井的办法，进行压井止喷或引流灭火。,钻定向井的6类理由,由于定向井技术的提高和测量仪的发展，定向井的水平位移（指井口和井底在水平面上的直线距离）一般可以从几百米到十几千米。海上钻井一个平台上可以钻几十口定向井。 开发油气田要用定向井的钻井方法钻丛式井、水平井和大斜度延伸井，以勘探和开发更远更深处的石油资源。,48,38,二、丛式钻井,从式井的井身示意图,在一个井场或平台上，钻出若干口甚至上百口井，各井的井口相距不到数米，各井井底则伸向不同方位。 丛式井有两口以上的井：除一口直井外，其他的井都是“定向斜井”。 采用丛式钻井能够节约大量土地和资金，并能

24、增产原油。 陆地油气井部分为丛式井 海上油气井全部是丛式井,48,39,三、水平井钻井 在油层以上井眼是直的，当井眼进入油层后水平钻进。,用途： 油层薄、油稠 具有底水和气顶的油藏 具有垂直裂缝带的产层 改变注水效率和驱油效率,48,40,四、喷射钻井与优化钻井,喷射钻井1948年出现在美国，60年代被大量推广应用，使钻井速度有了大幅度的提高。它曾被誉为钻井技术的重大革命。 喷射钻井与普通钻井不同，普通钻井要求重压、快转、大排量。而喷射钻井要求高泵压，喷嘴小，喷射速度高，适当排量，使用喷射式钻头。 钻井液从钻头喷嘴喷出的速度高，水马力大，冲刷井底好，清岩快，携岩好，与机械因素起联合破岩作用，从

25、而提高了钻井速度。 喷射钻井还要求有好的钻井液，具有抑制泥岩膨胀，有利于井壁稳定，剪切稀释性能好、粘度低、摩阻小、携岩好等特点。,48,41,五、平衡压力钻井与井控技术,平衡压力钻井也称近平衡压力钻井，是指钻井时井筒液柱压力与地层压力接近平衡的一种钻井技术。 这项技术的主要特点是对油气层的损害小，但此项钻井技术易造成发生事故，这就要有高水平的井控和钻井技术。 80年代末到90年代初发展了欠平衡压力钻井技术，又称有控制的负压钻井，是指钻井过程中钻井液液柱压力略小于地层压力、允许油气层流体流入井眼，并可将其循环到地面，进行有效控制，有利于油气层保护。但采用欠平衡钻井也是有条件的。 欠平衡压力钻井技

26、术，适应了勘探过程中及早发现油气层和开采过程中提高油井产能和油气采收率的要求，得到了越来越广泛地应用。,48,42,六、保护油气层的钻井完井技术,钻井液对油气层的损害严重，常会严重影响油气产量和误判油气层，给油田开发带来较大的不利影响，因此钻井完井过程中的油气层保护技术得到了较大的发展。 油气层保护技术最早是50年代提出的，至80年代末逐渐形成了系列配套的储层损害评价技术及配套的钻井完井技术。 对认识储层保护： （1）油气田开发过程中对油气层造成的损害贯穿于整个施工过程。 （2）应该针对不同类型油气藏岩层特点使用不同的钻井液、射孔液、酸化液，这些工作液要和油气层配伍，不造成油气层的损害。 （3）为保护油气层，在钻井完井过程中尽可能的使用平衡或欠平衡压力钻井技术，使用合理泥浆密度，低密度固井水泥、负压射孔技术（指井内液柱压力小于地层压力的射孔技术）等。,48,43,4.6 海洋石油钻井,海上钻井是所有在水面上(海洋，湖泊)钻井活动的总称，其中以海洋上的钻井为最多。 海洋的自然条件和陆地不同，有风暴、潮汐、海浪、海流等，因此，海上钻井时，钻井工