国外小井眼钻井技术ppt课件.ppt

国外小井眼钻井技术周广陈,中国石油大学2006年4月 西安,一、小井眼的基本概念 1、凡是大于2 3/8”（60.23mm）油管不能作内管柱的 井称小井眼； 2、全井90的井眼直径是用小于7”（ 177.8mm）钻 头钻的井称为小井眼； 3、直径小于8 1/2”（ 215.9mm）的井称为小井眼。 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。,二、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1376米的小井眼井 （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Mcrodrill 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Plungar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”（ 168.75mm钻头）/51/2” (139.7mm套管)40m 43/4”（ 120.65mm钻头）/37/8”（ 96.875mm 套管）500m 33/8”（ 85.725mm钻头）/27/8”（ 73.914mm套管）1000m 90年代小井眼钻井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。 目前，由于小井眼钻井的自身优势，在世界范围内正蓬勃发展，小井眼正在部分的取代常规井眼，给石油工业带来显著的技术经济效益。,三、小井眼钻井技术发展的原因 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）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、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。3、环境保护的压力小 小井眼钻机占地面积小,小井眼比常规井眼井径缩小一半，钻井液用量及岩屑量减少75%，施工机具用量大幅度下降，对环保有利。4、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。,1524m深小井眼与常规井的各项费用对比,小井眼与常规井各项指标对照表（4267M中深井）,Amoco公司在不同国家所钻井成本对比,Amoco公司在阿拉斯加、巴基斯坦和肯尼亚地区所钻的小井眼井与常规井的钻井成本对比。,在印尼新几内亚西南的鸟头地区，Conoco公司于1986年使用新设计的直升飞机吊运的轻便钻机钻了12口小井眼，平均每口井的成本200万美元，而过去同一地区的普通井则需655万美元。1989年，Oryx能源公司制定了一项采用小井眼开窗侧钻和水平钻井计划来改造位于美国德克萨斯州的Pearsau油田。1990年初开始对5口老井实施小井眼开窗侧钻方案，即在老井51/2”（ 139.7mm）套管中开窗侧钻一个41/2”（ 114.3mm）的水平井段。表2-4为这5口井开窗侧钻的数据统计。从表中可看出，水平段的成本明显较高，且平均费用几乎与一口新井相同，其结果在经济上并不令人鼓舞。费用高的原因主要是由于井下连接导向工具系统的接头过多，易出故障，这大大降低了钻速，使每米成本升高。,小井眼开窗侧钻数据统计（1990年）*,1990年常规井的总成本和水平段成本为1。,1991年，由于开发了一种可靠的井下导向工具系统以及动力水龙头组合，从而使日进尺提高55。因此，又进行了8口井的小井眼开窗侧钻作业（在老井51/2”套管中开窗侧钻37/8”的水平井段）。下表为这8口井的数据统计。与前5口井对比，水平位移增加6，而日进尺提高55，建井周期缩短了31，成本降低了53。,小井眼开窗侧钻数据统计（19911992年）,小井眼与常规井的钻井成本比较,Oryx公司在Pearsau油田所钻的常规井与小井眼井的钻井成本对比比可以看出，小井眼水平井，老井开窗侧钻，成本都是降低的。,国内外对环境保护问题越来越重视，钻井作业带来的大量钻井液、废油、水泥浆、钻屑，各种废料的处理和排放、空气污染和噪声污染等问题一直使钻井承包商感到头疼。小井眼钻井使这些问题得到了较好的解决。 BP勘探作业公司对环境保护和费用方面作了小井眼与常规井的比较，如图3所示。从图中可以看出，在井深相同时，小井眼较常规井眼井径缩小50%，钻井液用量和排放钻屑量减少75% ，这些对环境保护很有利。此外，小井眼费用也较常规井减少40% 。,小井眼井与常规井比较,不同尺寸井眼的费用和时间对比,从以上分项费用分析中可以看出，小井眼钻井费用降低主要在以下三个方面： （1）钻前费用，即井场及钻机搬迁费用，约占节约总费用的30%左右。随着井深加大，其比例下降，这说明小井眼要用轻便钻机。 （2）钻井液、套管、水泥及注水泥费用，约占节约总费用的30%以上。随着井深加大，其比重上升。 （3）评价费用，包括录井、测井、中途测试、岩心分析等费用，约占节约总费用的11%12%。基本上不随井深变化而变化。以上三项节约的费用占总节约费用的70%80%。,四、小井眼钻井装备及工具 目前，发展和采用的小井眼钻井系统有三种基本形式：转盘钻进、井下马达、连续取心钻进。（一）小井眼钻机 适用于小井眼的钻机：常规小型石油钻机、连续取芯钻机、混合钻机、连续软管作业装置。国外大部分使用小型石油钻机和车装钻修两用钻机。例如美国生产的65-B型车装钻机 用27/8”- 41/2”钻杆 ，钻深能力 1372 3658米。,为满足小井眼钻井的要求，国外一些公司专门研制了多种型号的小井眼钻机，例如瑞典Microdrill公司研制的小井眼钻机 钻深能力介于800-1700m之间 钻机总高10.91m（相同钻深能力的常规钻机总高为40m） 外形尺寸 9.50*3.53*10.91 井场占地25*32m，是常规钻机占地面积的1/4。,（1）MD3型小井眼钻机 钻机重13吨，钻深能力1500m 井场布置如下图,图 3,（2）MD5小井眼钻机安装后 长宽高 9.5 3.53 10.91最大钻深 1500米配有先进的仪表,图 4,直升飞机运输式小井眼钻机（Conoco印尼公司生产） 是为在沼泽地区钻井而设计的，一次搬家需运输能力1.8吨的直升机运100架次。,图 5,国外一些公司用矿业连续取芯钻机钻小井眼探井。,图 6,连续软管钻机(CTD)连续管钻机采用一条很长的柔性金属软管，起下钻时连续地将软管缠绕在一个直径很大的滚筒上，中间不用拆卸钻杆，可节省起下钻时间60%-70%。连续管钻机重量轻，占地面积小。目前连续管钻机钻深能力可达15240米。截止到上世纪90年代末,世界上约有500多台连续管钻机，预计2010年可达800多台。,连续软管钻机,连续软管钻井装置,图 7,全套装置分别安装在两台卡车上，无井架，利用随车吊吊着注入头对准井口，注入头本身有坐地的框架,主要用于北极地区各种地形-45环境下钻井.,全地形车装连续软管钻井装置,无井架，所有装置均安装在一个大型拖车上，主要用于陆地钻井,拖车装连续软管钻井装置,所有部件均安装在一台8轮重型车上,卡车尾部装有两腿井架,可利用两个液缸起升到钻井位置,井架放倒后卡车可在公路上自由行驶.井架上面有一个悬吊注入头的横梁,横梁可沿井架上下移动,注入头可在横梁下面水平移动,以对准或离开井口.,带井架的车装连续软管钻井装置,全装置分为注入头、滚筒、控制室、液压动力装置、钻井泵、高压管线和净化系统6个模块，组装在钻井船上。,模块式海上连续软管钻机,装置安装在长方形井场中央，井架固定在可以平行四边形起升的高钻台底座上面。滚筒架空设计可减少连续软管疲劳.,陆地连续软管钻井装置,专用的塔式井架固定着注入头，井架的3个侧面均有可上下的扶梯，滚筒置于井架前面，钻井泵和净化系统置于井架右侧，液压动力装置置于左侧，主要用于陆地钻井,陆地连续软管钻塔,地面设备：,2000年阿曼CTDU小井眼欠平衡压力钻井,（二）小井眼钻头及钻杆 1、小井眼钻头 80年代中期以来，钻头技术取得重大进展，不再构成小井眼钻井的障碍。适用于小井眼的钻头有：牙轮钻头. PDC. TSP钻头和天然金刚石钻头。一般采用PDC.TSP钻头.还有用偏心 PDC钻头。 2、小井眼钻杆 标准尺寸的钻杆 3 1/2 、2 7/8有时也用2 3/8 的油管。 连续软管 用一根根长度有限的钢管对焊而成,长度可根据需要而定。软管的材料用淬火钢、回火钢或钛合金钢。 连续软管的外径有1、1 1/4 、1 1/2 、1 3/4 、2 、2 3/8 和3 7/8的，可满足钻井和修井的要求。 （三）小尺寸井下动力钻具,（四）液力加压器 液力加压器是小井眼钻井的主要井下工具之一。是钻压的主要来源。液力加压器的优越性1、液力加压器的本质是一个水力学上受控的活塞，在井底钻具组合内动作起来像一个能自由伸缩的节点，有效地减小了钻头的轴向振动，因此阻止了轴向振动的积聚；2、中性点稳定，钻压平稳，延长钻头、钻柱的寿命；3、钻速快，且井眼规则；4、少用或不用钻铤，降低环空压耗，提高钻头的水力作用。,五、小井眼井控技术 （一）小井眼井控与常规井控的差别 1、环空间隙（小井眼环空体积小）,图 8,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：318升的溢流在常规井眼环空中占12m长，使井底压力降低0.105MPa；在小井眼环空中占114m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）最有效的压井方法。,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1.02 g/cm3，塑性粘度1110-3Pas，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。,式中，di 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，kPa； q 排量，L/s； 钻井液密度，g/cm3。,SHADS公式,小井眼中钻柱的旋转对环空压降的影响也很大，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m =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600转/分（RPM）旋转时，环空压降为7.5MPa,当量循环密度为1.33g/cm3 。,（二）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魂度。国外发展了一些小井眼井涌检测方法。 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。 2、Anadrill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。,3、BP公司研制了一种小井眼井涌早期检测系统 该系统实时采集泥浆流出量和立管压力，并用井筒动态模型预测泥浆流出量和立管压力，将实测值与预测值进行对比，根据两者之间的偏差及时判断是否发生了井涌、井漏或钻具刺漏异常情况。据BP公司称，系统模型考虑了钻柱旋转的影响，能够检测到1桶（159升）的溢流量。该系统在小井眼钻井作业中获得了成功的应用。,为安全地钻小井眼，美国的Amoco公司还专门研制了小井眼井控专家系统。该系统可实时采集和处理钻井数据，及时检测井涌，并可自动执行井控措施。,Amoco公司的小井眼井控专家系统,（三）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的小井眼压井法。 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3.15升/秒的排量循环泥浆时,当量循环密度(ECD)为1.15g/cm3; 当排量增加到6.3升/秒时,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。,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。,3、动态压井的优越性 动态压井法优于常规压井的等待加重法和司钻法 （1）不用加重泥浆。 （2）可以尽快地实施。 （3）可最大限度地减小套管鞋处的压力。 对裸眼井段而言，动态压井比常规压井对井壁产生的压力小。动平衡压井时，泥浆系统的欠平衡压力是均匀的作用在整个井壁上的，井壁上任意深度处所受的压力等于该深度以上泥浆静液柱的压力与环空压降之和。常规压井是利用节流产生的套压来增大井底压力的，任意深度处所受的压力等于该深度以上泥浆柱的动压力与井口套压之和。,4、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）动态压井有利有弊，用环空压耗控制井底压力容易压漏地层，从而进一步加重井控问题，所以选择和实施动态压井要审慎行事。,实践证明，某些小井眼也可用常规法压井，这要根据具体情况而定。决策程序如下： 计算压井排量下的环空压降 计算常规压井时的井底压力 常规压井会引起井漏吗？ 不 环空压降大于1.4MPa? 不 采用常规压井 降低压井排量能使环空压降 减少到1.4MPa或以下吗? 是 采用小井眼压井,六、小井眼完井 小井眼可用常规的完井方法（裸眼完井.尾管注水泥完井.割缝衬管完井等)。 国外常用单筒完井法,可降低小井眼完井费用,增大小井眼油气流动通道,提高小井眼油气产量。（单筒完井是英国油公司80年代提出的） 单筒完井的特点：1、允许油管的直径等于或大于生产尾管的直径。2、在全井没有通向产层的永远性直径约束。3、完井时在井内安装的工具设备最少。4、可通过油管进行修井作业。5、当油井自喷时可以在不压井的情况下进行修井作业从而减轻井的损坏和地层伤害。6、过油管可将尽可能大的射孔枪下入生产尾管。7、可过油管下入测井仪。 以31/2“作为小井眼单筒完井的基本形式，可允许日产油量30005000桶，或日产气5010 6 ft3。,七、小井眼钻井的应用 小井眼的应用范围很广，既可用于边远地区和地面条件恶劣的地区（如层林、沼泽、滩海等）的勘探与开发，也可用于老油田的再勘探和再开发。在环保要求严格的地区也可用小井眼钻井，以减轻对环境的影响。就井的类型而言，小井眼适用于： 1、探井、开发井； 2、直井、定向井、水平井； 3、浅井、深井、超深井； 4、低产井、中产井。 三个重要应用领域 ：小井眼水平井、老井侧钻、老井加深,八、结束语 1、关于小井眼，目前还没有一个统一的定义。 2、小井眼钻井是低油价下降低勘探开发费用的一种有效途径。 3、连续取心探井结合小量地震勘探有助于减少勘探风险，降低勘探费用，缩短勘探周期，提高勘探准确性。 4、钻小井眼一般能节省1540%的费用，在边远地区节省的费用会更多。 5、小井眼钻井能节省套管、水泥、泥浆等材料的消耗量，减少泥浆和钻屑的处理量。利用现有的石油钻机也能钻小井眼。但如用小型石油钻机、矿业连续取心钻机、钻修两用钻机、专门研制的小井眼钻机或连续软管作业装置钻小井眼，还能大幅度减少井场占地，进一步减少环境污染和降低钻后井场占地的修复费用。,6、小井眼特别适用于边远地区、运输困难及地面条件恶劣的地区，以及环境敏感地区。 7、小井眼的应用范围广泛，其中小井眼水平井、现有井侧钻和加深是小井眼的三个重要的应用领域。 8、连续软管钻井在技术上也是可行的。连续软管钻井技术是国外近年来的一个研究热点，正处在迅速发展之中。随着连续软管强度和可靠性的增强，专用井下工具的不断改进，应用将不断增加。 9、小井眼是一项系统工程。小井眼测井、完井、试井、射孔、采油和修井等技术已引起高度重视，这些技术的不断发展将进一步推动小井眼的广泛应用。 10、据称，80年代是重点发展水平井技术的时代，而90年代则是重点发展小井眼技术的时代。,谢谢大家！,谢谢！,