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第2章钻井工艺与方法

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第 2章 油气钻井方法及工艺第一节 钻井概述第二节 钻井方法第三节 基本钻井工艺工程第一节 钻井概述 钻井的概念 钻井的种类一、 什么是钻井?利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼(井眼)的过程。井眼直径: 6〞 ~ 26〞对我们而言,主要是开发油气资源。钻井直井水平井按 钻井目的 、 几何形状 、 井深 、 温度压力的高低 等进行分类 。二、要分为 探井和开发井 两大类。 探井: 为探明地下地质情况、获取地下油气资源分布及相应性质等 方面资料 而钻的井。 开发井: 以开发为目的,为了给已探明的地下油气提供通道所钻的井,或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井。(1)区域探井为了解地层年代、地层时序、岩性、厚度、生储盖组合,并为物探解释提供参数而钻的探井。(2)预探井在确定含油气 有利构造 的基础上,以 发现油气藏为目的 而钻的探井。(3)详探井在已发现油气构造上,为探明 含油气的面积和储量 ,了解 油气层产能 为目的而钻的探井。二、钻井的种类探井(1)生产井为完成产能任务和生产油、气所钻的井。(2)注入井为提高油、气井生产能力所钻的井。目的是改变地层油气驱动能力,提高产能,提高采收率。用于注水所钻的井为 注水井 ,用于注气所钻的井为 注气井 。二、、钻井的种类 直井: 井口与井底在同一条铅垂线上; 定向井: 井口与井底不在同一条铅垂线上;根据井眼的几何形状不同,所钻的井可分为: 直井和定向井。定向井直井二、钻井的种类定向井的种类定向井普通定向井大斜度井水平井大位移井丛式井多底井(分支井) 井斜角 :井身轴线的 切线与铅垂线 的夹角。 垂直井深(垂深) :井口至井眼某点的 垂直距离 。 水平位移: 井口至井眼某点的 水平距离 。 测量井深(测深): 井口至井眼某点的 轨迹长度 。A点测量井深: L=OA定向井的有关概念A点水平位移) 普通定向井: 一个井场内仅钻 1口最大井斜角 小于 60° 的定向井。(2) 大斜度井: 最大井斜角在 60° ~ 80° 范围内的定向井。(3) 水平井: 最大井斜角 大于或等于 86° ,并保持这种井斜角钻完 一定长度井段的井。 根据从 垂直井段向水平井段 转弯时的 曲率半径大小 进行分类。定向井的分类分为 普通定向井、大斜度井、水平井、 大位移井、 丛式井、多底井(分支井) 等。各类水平井的剖面对比b—短曲率半径水平井; 别 曲率半径 /m 水平长度 /80~600 300~1700中曲率半径 90~150 150~450短曲率半径 6~12 15~210超短曲率半径 0~60(4) 大位移井:定义一: 水平位移 /垂深 >=2的定向井或水平井;定义二: 测深 /垂深 >= 2的定向井或水平井。井底水平位移井底垂深(5) 丛式井:在 一个井场(海洋平台) 上 有计划地钻出 两口或两口以上的定向井组 ,其中可含 1口直井。 (井架底座移动,最多有 40多口 )流花 11) 多底井(分支井):一个井口下面 有 两个或两个以上井底 的定向井。双 向 迭 加 三 叉辐 射 形人 字 形 肋 骨 形分支井及形式主井眼和分支井都是裸眼1主井筒注水泥分支井为裸眼2主井筒注水泥分支井下套管3主井筒和分支井都注水泥4水泥封固主井筒和分支井 ,各层压力分隔5井下分叉装置6分支井分级滩海可高效开发海洋 边际油田 ;可实现 “海油陆采” ;可开发 湖泊上的油气田 。用大位移井技术维护 国家海洋权益 。大位移井主要用途20大位移井在南海西部海域的应用由于油田边际,采用任何常规方案开发都没有经济价值,该油田被搁置了 10多年。西江 244400米大位移井南海西江 24过钻大位移井使 西江 24深 100米, 测深 9450米 ) 创造了全井 水平位移 裸眼井段5032米 , 输接收讯号深度 9106米 三项世界记录 (1997年 )。 标志着我国 大位移井钻井技术 已经进入 世界先进行列 。(与 国第一口世界记录大位移井23流花 11h in aT a i w a nP h i l ip p in e sL a o sT h a i l a n dC a m b o d u l fo fT h a i l a n dC h i n aS e aS o u t 5 k m L F / A 9 5 0 4 1 4 T CB e i b u G u l fS o u t h C h i n a S e I N I N A L A N N G K O N °0 0´2 0°0 0´1 0 8 0 0 1 1 0°0 0´1 1 2°0 0´1 1 4°0 0´L u f e n g 2 2 - 1( S t a t o Y a c h e n g 1 3 - 1( A r c o )L i u h u a 1 1 - 1 ( A m o c o )H u i z h o u 2 6 - 1 & 2 1 - 1( A C T )X i j i a n g 2 4 - 3 & 3 0 - 2( P h i l l i p s )H u i z h o u 3 2 - 2 & 3 2 - 3( A C T )L u f e n g 1 3 - 1( J H N )P S C A 1 7 / 2 2Z h a n j i a n gW e i z h o u 1 0 - 3( C O N H W )S a n y aS h e k o u* 2 5 0 k m S E o f H o n g K o n g* W a t e r D e p t h - 3 2 9 m*位于香港东南 130海浬*所在海域水深约 300米24流花 11油田于 1987年发现,是中国南海东部海域地质储量最大的油田。 1996年 3月 29日油田建成投产。 油田是 2003年 7月,由 为中海油深圳分公司第一个自主管理的自营油田。 该油田共有 25口生产,目前产量约 22000桶。 1.5 1生产设施) 流花 11000 2000 3000 4000 5000 60000 1000 2000 3000 4000 5000 6000- 2 0 0 0- 1 0 0 00- 2 0 0 0- 1 0 0 00> >>>B 3 E R W 4 S u r v e S T 1B 4 - S T 0 1 E R W 3 S u r v e E R W 1 F i n a l S u r v e y 7 S T 1 S u r v e y E R W 2 S 399 398 398 3991 7 - 1 / 2 " 1103 1073 1036 10361 2 - 1 / 4 " 4587 3581 4560 54528 - 1 / 2 " 5492 4359 5393 63005492 4359 5393 63001210 1219 1213 12294802 3667 4714 56343 . 9 7 3 . 0 1 3 . 8 9 4 . 5 8703 673 634 63387 82 83 853 . 7 3 . 7 3 . 9 4 . 02002 年 9 月 16 日 2003 年 4 月 17 日 2004 年 3 月 12 日 2004 年 5 月 5 日2002 年 10 月 30 日 2003 年 6 月 30 日 2004 年 5 月 1 日 2001 年 7 月 4 日9 . 4 0 7 . 0 0 7 . 3 4 7 . 3 85 1 . 3 0 6 0 . 8 0 3 3 . 7 7 4 0 . 5 81 4 . 8 0 5 . 9 0 8 . 9 3 1 2 . 0 37 5 . 5 0 7 3 . 7 0 5 0 . 0 4 5 9 . 9 98 , 5 6 0 , 0 0 0 3 , 4 6 0 , 0 0 0 5 , 4 1 0 , 0 0 0 5 , 7 5 0 , 0 0 05096 3962 5053 59651680 873 1071 9648 - 1 / 2 " 裸眼完井 8 - 1 / 2 " 裸眼完井 8 - 1 / 2 " 裸眼完井 8 - 1 / 2 " 裸眼完井4200 桶 / 天 3600 桶 / 天 4300 桶 / 天 4800 桶 / 天造斜段井斜变化(0)钻井周期平均造斜率(0/ 3 0 米)造斜段长度(米)水垂比水平位移 ( m )测量深度 ( m )L H 1 1 - 1 - B 3 E R W 4作业时间总进尺 ( m )综合成本 ( $ )垂直深度 ( m )投产日产油量(桶 / 天)投产日期完井方式综合进尺成本( $ / m )弃井周期完井周期建井周期L H 1 1 - 1 - A 4 E R W 3井眼深度 ( m )L H 1 1 - 1 - A 2 E R W 1 L H 1 1 - 1 - D 5 E R W 2井别项目4流花 113造了目前 中国水垂比 的最大记录 列在世界第 10位 )。 水深 大于 300m,采用 水下井口 , 在 浮式钻井平台上 钻成。流花 11创造了海洋石油钻井井深 5000米以上井的最短钻井周期记录。创造了 尺 4380米 的海洋钻井新记录。( 平均钻速为 m/h)旋转导向工具 380米,在世界范围内获得了其最好成绩。3井区 4口 日产油量约占全油田 25口井日产总量的 46%。半年生产期即可全部回收投资,经济效益显著。12” 齿数 0主切削齿规格 19Φ16类型 屑槽面积 "60~260钻压 30~120最大钻压 130排量 28~70m)测量深度( m)垂深( m)水垂比 作业者 井 号 地区1999年 10728 11287 1637 P 0114 10656 1650 P 063 9238 2986 海油联合 国南海西江油田1995年 8035 8715 1607 5 5 853 9327 2760 0/6威北海1993年 7290 8716 2788 3/9威北海1991年 6086 7250 2696 3/9威北海1990年 5006 6200 2698 3/9威北海20世纪 90年代历年大位移井的世界纪录国外分支井加拿大稠油油藏开发采用多分支井开采煤层气 (美国 多分支水平井投影图煤层气俗称 煤矿瓦斯 ,是一种以吸附状态为主 ,生成并储存在煤系地层中的非常规天然气。 其成分与常规天然气基本相同。煤层气是近 20年来崛起的 新型洁净能源 ,它在发电、工业和民用燃料及化工原料等方面有广泛的应用,对煤层气的合理利用 可以缓解当前能源短缺的状况,提高煤矿生产的安全性并带动相关产业的发展 。我国地质条件复杂,煤储层具有 “ 三低一高 ” 的特点,即:低压、低渗、低饱和、高含气量的特征 ,需要进一步完善基础理论,指导煤层气勘探开发工作。煤层气储量世界第二位;年产量 30亿方,美国 500亿方;煤层气简介中国第一口煤层水平多分支井于 山西沁水盆地 ,煤层中水平井眼总长度 7687m,共 13个分支,由奥瑞安国际能源公司于 2004年 11月完成。煤层气稳定产量达到 2万 。中国第二口煤层水平多分支井8 1/2” 钻头× 950管 × 948”钻头 × 86”套管 × 85” 钻头× 950管 × 948头 × 2000m(裸眼 )8 1/2” 钻头 × 988管 × 986111位于 山西宁武盆地 , 总进尺7993m, 共 10个分支 , 由中石油于 2005年 10月建成 。垂直井的目的:排水、向分支井环空注蒸汽形成欠平衡钻井。“可燃冰 ” 是 天然气水合物 的俗称,是由水和气体分子在低温、高压环境下形成的、含天然气体分子 (以甲烷为主 )的 冰状物 ,是近 20年来在海洋和冻土带发现的 新型洁净能源 。 “ 可燃冰 ” 99%的储量都在海底。中国近年已在南海北部陆坡、南沙海槽和东海陆坡等 3处地方发现 “ 可燃冰 ” 存在的证据,在 南海东沙群岛西南部 海域新发现了潜在的 “ 可燃冰 ” 发育区,有可能会成为中国未来 “ 可燃冰 ”开采的首选区。根据估算,世界上 “ 可燃冰 ” 所含有机碳的总资源量相当于全球已知 煤、石油和天然气的 2倍 ,可满足 人类千年的能源需求 。尽管储量丰富,但 “ 可燃冰 ” 的商业应用尚面临诸多难题。目前美国和日本也在进行 “ 可燃冰 ” 的勘探研究,但目前的 成本高达 200美元 /立方米 。只有将 勘探成本降低 , “ 可燃冰 ” 才能真正得到大规模应用。国内 “ 可燃冰 ” 预计可在 2010~ 2015年 进行试开采,而实现商业开发目前还有待技术上的突破。 浅井 井的种类深水钻井 : 超过 500湾 3深 1480米; 06年 “ 桑美 ” 特大台风国内外钻井水平世界上最深的直井12260米 , 原苏联在科拉半岛的G3井 , 德国正在施工一口设计 14000m的井 。•中国垂深最深的井:塔深 1井, 8408m,中石化钻井队:中国石化集团华北石油局西部工程公司 90152机: 0002005年 4月 18日完钻时间: 2006年 7月 12日凌晨 2:30时三大难题:钻遇中上奥陶系碳酸盐岩缝洞发育区放空漏失;目的层高温高压对钻井液和水泥浆提出的高要求;国内首次将 481m。深水钻井技术发展较快目前,钻井水深已超过 3000m,基本上形成了一套完整的深水钻井技术。 压力的高低分类:二、钻井的种类 高温高压井:按国际通用概念,地温超过 150度称为高温,地层压力当量密度超过 0者同时具备的井称为高温高压井。 超高温高压井:井底温度超过 220度,井底压力超过 105温高压气井钻井风险很大异常高温超压天然气可谓 “ 气老虎 ” ,对开发工程造成极大威胁。这类气藏开发难、风险高、周期长、费用高。 南海崖城 21199011计深度 4580m),造成 年后又钻崖城 21至井深 4680m完钻(钻井液密度 底温度 206℃ ),但钻井时间长达 268天,钻井费用 包括完井测试费)。 柯深 1井: 实钻井深 6481米,钻井周期 1002天,花费超亿元,但在测试时又因 1996上半年 )。 塔里木迪那 2井: 2001年 4月 30日钻至 4800米遭遇高压(压力系数 失控 ,发生严重的井喷着火事故 ,造成 1人死 ,3人伤 ,钻井设备化为灰烬 ,损失惨重 ,处理事故 2个月。小结(1) “钻井 ” 的概念(2) 钻井的种类: 钻井目的: 探井、开发井 几何形状: 直井、定向井( 普通定向井、大斜度井、水平井、大位移井、丛式井、分支井 ) 井深: 浅井、中深井、深井、超深井 温度、压力: 高温高压井、超高温高压井第二节 钻井方法为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法。人工掘井人力冲击钻井法机械顿钻钻井法 (冲击钻 )旋转钻井法连续管钻井法目前普遍使用钻井方法钻井方法分类依据: 如何破碎岩石、怎样取出岩屑、净化井眼 人工掘井 : 1521年之前。 人力冲击钻 : 1521~ 1835年,是靠人力、捞砂筒、特殊钻头、悬绳、游梁等来完成的。实际上是利用了 杠杆原理及自由落体的下落冲击作用 来钻井的。特点:1)破岩与清岩 相间 进行。2)冲击力小,破碎效率低。3)设备简单,起下钻方便。支架 游梁悬绳 井壁钻头井底第二节 钻井方法公元二百多年前, 在我国 自贡 开始用 人力绳索式 “ 顿钻 ” 法 钻盐井和天然气井。号称我国的 “ 第五大发明 ” 。我国古代钻井系统古代钻井工具现代钻井工具钻井技术发展简史机械顿钻钻井法: 1859~ 1901年工艺过程钢丝绳 提升钻头到一定高度冲击井底,击碎岩石岩屑、泥土混合成泥水浆提出钻头捞出井内的泥水浆暴露新井底下放下捞砂筒向井内注水积累到一定量设计井深特点起、下钻费时少,设备简单(1)破碎岩石,取出岩屑的作业都是 不连续 的;优点:缺点:(2)钻头功率小,破岩效率低,钻井速度慢;(3)不能进行井内压力控制;(4)只适用于钻直井。机械顿钻钻井法: 1859~ 1901年旋转钻井法 旋转钻井:是自 1901年发展起来的。 旋转钻井 是靠动力带动钻头旋转,在旋转的过程中对井底岩石进行破碎,同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法。 旋转钻井又分为 转盘钻井 、 井下动力钻具钻井 、 顶部驱动钻井 。 特点是:1)破岩与清岩 相接 进行。2)旋转动力大,转速高,破碎效率高。3)设备复杂,起下钻繁琐。( 1) 概念时期( 1901~ 1920年) :这个时期内开始将钻井和洗井结合在一起,并使用了牙轮钻头和注水泥固套管技术。( 2) 发展时期 ( 1920~ 1948年 ) :这个时期牙轮钻头 、 固井工艺 、钻井液等得到进一步发展 , 同时出现了大功率钻井设备 。( 3) 科学化钻井时期 ( 1948~ 1968年 ) :这个时期钻井技术有了迅速发展 。 采用了喷射钻井 , 镶齿 、 滑动密封轴承钻头 , 低固相 、无固相不分散体系钻井液及固相控制技术 , 总结出了影响机械钻速的有关因素 , 采用了地层压力检测 、 井控技术及平衡压力钻井技术 。( 4) 自动化钻井时期 ( 1968~现在 ) :发展了钻井参数自动检测 、综合录井 、 随钻测量技术等计算机技术在钻井工程中的应用;发展了优化钻井 、 井口机械化自动化工具 、 自动化钻机 、 井眼轨迹遥控及自动闭环控制技术等新技术 、 新工艺及新设备 。旋转钻井技术的发展旋转钻井法 转盘带动方补心,方补心带动转盘旋转旋转钻井法 动力钻具接在钻头之上,钻铤之下;)工艺过程钻头吃入地层破碎岩石清洗井底循环洗井液转盘旋转钻柱加压设计井深 转盘旋转钻井法(2) 特点目前这种方法在世界各国被广泛使用 。① 钻杆取代了 顿钻中的钢丝绳 ,能够完成起下钻具、传递扭矩、为钻头施加钻压、提供洗井液的入井渠道等任务;② 钻头在一定的钻压作用下旋转破岩,提高了破岩效率;③ 在破岩的同时,井底岩屑被清除出来;④ 提高了钻井速度和效益。井底动力钻具旋转钻井法(1)工艺过程 (2)分类涡轮钻具螺杆钻具电动钻具① 转动钻头的动力由地面移到井下,直接作用在钻头上,减少了功率损失;② 钻柱不旋转, 钻柱的功能只是给钻头施加一定的钻压、形成洗井液通路和承受井下动力钻具外壳的反扭矩;③ 井底动力钻具的动力是由 电源或井内钻井液流体 提供的。(3) 特点2. 井底动力钻具旋转钻井法减速涡轮钻具结构示意图涡轮钻具定转子行星减速机构连续管钻井法 (柔杆钻井法 )下加压装置、动力机下放至井底循环洗井液延伸井眼钻头旋转,破碎岩石为动力机提供动力清洗井底连续管连续管钻井示意图•钻井液由滚筒上的导流头进入连续管•连续管不转,)具有巨大的发展潜力 , 目前正在发展 、 完善中 。(1)连续管钻井实现了起、下钻的 连续机械化 ,节省了时间和劳动量(避免了钻柱上、卸扣);(2)在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环;(3)由洗井液直接提供破岩钻进的能量,大大提高了能量的有效利用率;(4)为全自动化控制提供了很好的条件;连续管钻井法 (柔杆钻井法 )钻井新技术连续油管的应用 (应用:钻井完井修井理论:流体力学分析疲劳寿命估计冲击旋转钻井冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井钻头上部接一个 冲击器 。冲击器(有液动冲击器, 气动锤 等)是一种井底动力机械,依靠高压钻井流体,推动其活塞冲锤上下运动,撞击铁砧,并通过滑接套传递给钻头,钻头在 冲击动载和静压回转的联合作用下 破碎岩石。冲击力不同于静压力,它是一种加载速度极大的动载荷,作用时间极短,岩石中的接触应力瞬时可达最大值并引起应力集中,岩石不易产生塑性变形,表现为脆性增加,岩石易形成大体积破碎,提高钻井速度。从破岩机理来看,空气锤钻井主要依靠空气锤活塞对钻头的 高频冲击作用 破岩,而不需要采用大钻压迫使钻头吃入地层破岩。因此,在实际钻井作业中,空气锤钻井技术是采用低转速( 2030小钻压( 510 高频震击破岩方式 的钻进技术,既能有效满足井斜控制要求,又能大幅度提高机械钻速,是一种比较理想的防斜打快钻井技术。空气锤钻井及其防斜特性空气锤结构简图• 中国钻井史年代划分– 中国古代钻井:公元前 1840年;– 中国近代钻井: 1841年 1948年;– 中国现代钻井: 1949年 2000年;– 中国 21世纪钻井: 2001年开始。• 中国钻井史的特点:– 中国古代钻井:创造了辉煌历史(绳索顿钻)– 中国近代钻井:由领先沦为落后(旋转钻)– 中国现代钻井:奋起直追,逐步缩小差距– 中国 21世纪钻井:期望第二次走向辉煌中国钻井简史第三节 基本钻井工艺过程三个阶段:即 钻前淮备 、 钻进 以及 固井与完井1. 钻前准备修公路、平井场、钻井设备的搬运和安排、井口准备(打导管和钻鼠洞)、备足钻井所需要的各种工具、器材等。大鼠洞:放方钻杆和水龙头小鼠洞:接单根时存放钻杆70本钻井工艺过程2. 钻进钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一过程。其基本工艺过程有:① 第一次开钻 (一开 )② 第二次开钻 (二开 )③ 第三次开钻 (三开 )从地面钻出一个大井眼,然后下表层套管。用较小一些的钻头继续钻进,若遇到复杂地层,用钻井液难以控制时,便要下技术套管 (中间套管 )。再用小一些的钻头往下钻进,直到设计井深,下油层套管,进行固井、完井作业。每改变一次钻头尺寸,开始钻一新井段的工艺叫 开钻 身结构 (术套管表层套管油层套管17 1/2” - 13 3/8”12 1/4” - 9 5/8”8 1/2” - 7 ” 3、 固井与完井固井 即是在已钻成的井眼内下入套管,而后在套管与井眼间的环形空间内注入水泥浆,将套管和地层固结成一体的工艺过程。只有通过下套管、固井,才能防止井眼的坍塌,形成永久的油气通道,并防止 地下各层流体的互窜 ,达到开采油气的目的。第三节 基本钻井工艺过程固井的关键技术:• 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1 套管2 水泥环3 气层4 油层5 水层3、 固井与完井完井 包括用特定的方法连通油、气层和井筒,使用替喷或抽汲等方法诱导油、气流进入井筒,然后进行油气生产。第三节 基本钻井工艺过程完井完井方式完井井口装置试油完井方法 (、射孔完井 眼完井裸眼砾石充填完井 套管砾石充填完井井、完井、其它作业固井 下套管注水泥 完井完井方式完井井口装置试油其它作业事故处理测井射孔酸化压裂修井接单根:向钻柱上连接一根钻杆,以便继续钻进,使井深不断加深。起下钻:起钻:为了更换钻头,将井内钻柱取出换下旧钻头。下钻:换上新钻头后,重新将钻柱下入井内。有时为了处理事故、测井斜、测井等也需进行 起下钻 作业。立柱: 起下钻时,为了提高效率,一般将 三根 钻杆连接在一起作为一个单元,这一单元称为立柱(立根)。顶驱钻进时,无接单根作业。(一个立柱一个立柱的打)• 悬重 ━━ 钻柱在泥浆中的总重量(不钻进时的大钩负荷)。• 钻重 ━━ 钻进时的大钩负荷 (大钩钩载 )。• 钻压 ━━ 钻进时钻头上作用的压力。钻压=悬重-钻重几个基本概念:例题:已知钻具在泥浆中的总重量为 100吨,钻进时需给钻头加压 20吨,问钻进时大钩负荷应该是多少吨?重力: N N=重-钻重=钻压 水平井、大位移井、丛式井、分支井的定义 深井、超深井、高温高压井的定义 什么是旋转钻井?其分类和特点? 一口井的基本钻井工艺过程。本章重点
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