深井超深井钻井技术课件.ppt

1,深井超深井钻井完井技术,2,提 纲,一、深井超深井钻井技术发展现状二、深井超深井井身结构三、深井超深井提速钻井技术四、深井超深井井斜控制技术五、深井超深井压力控制技术六、深井超深井钻井复杂事故预防技术七、深井超深井固井技术,3,一、深井超深井钻井技术发展现状,按国际通用概念：井深超过4500m或15000ft的井为深井；井深超过6000m或20000ft的井为超深井；井深超过9000m或30000ft的井为特深井。从4500m深井到6000m超深井的钻井实践，人类约经历了11年时间。从6000m超深井7500m超深井实践，人类约经历了10年时间。从4500m深井到9000m特深井的钻井实践，人类约经历了34年，其中从6000m超深井到9000m特深井实践约经历了23年时间，从7500m超深井到9000m特深井实践约经历了13年。从4500m深井到12000m特深井的钻井实践，人类约经历了46年时间，其中从6000m到12000m特深井实践约经历了35年，从9000m特深井到12000m特深井实践约经历了12年。,1、深井超深井的概念,4,一、深井超深井钻井技术发展现状,世界上钻深井、超深井的国家有80多个，其中，美国、前苏联、德国的超深井钻井技术装备和综合技术水平处于国际领先地位。美国是世界上钻超深井历史最长、工作量最大、技术水平最高的国家，世界上大多数超深井集中在美国。世界上第一口超深井、特深井分别于1949年、1972年由美国完成，井深分别为6254.8m、9159m。1984年，前苏联钻成世界上第一口深超万米的特深井（12260 m），1991年该井第二次测钻至井深12869 m，目前仍保持着世界最深钻井记录。,2、国外深井超深井钻井概况,5,一、深井超深井钻井技术发展现状,世界上完成7口特深井：前苏联SG-3井12869m及SG-1井过9000m、美国瑟复兰奇1-9井9034m、巴登1号井9159m、罗杰斯1号井9583m、Emma Lou2井9029 m、德国HTB井9101m，其中美国占4口。国外超深井钻井技术发展主要集中在钻机、钻头、井下工具、钻井泥浆等方面：超深井钻机功率大、性能好、自动化程度高、配套设备性能可靠，从而在装备上为快速打好深井提供了物质上的准备。钻头质量好、品种全、选型合理，可获得钻头耗用数少、钻井进尺多、钻井速度快的好效果。钻井液具有良好的热稳定性、润滑性和剪切稀释特性、固相含量低、高压失水量低、可抗各种可溶性盐类和酸性气的污染。运用井下动力钻具提高钻速、井身结构设计灵活、高强度钻杆等工具配套齐全，使得国外超深井钻井速度快、事故少、成本低、效益好。,6,一、深井超深井钻井技术发展现状,据统计美国钻一口7000m的超深井仅需710个月。其中处理井下复杂情况所耗费的时间占完井周期的515。复杂地质条件下所钻成的深约7500m的初探井，其完井周期最短的不到1年，最长的不超过2年。前苏联拥有适用高纬度地区的先进超深井钻井技术，其中涡轮及电动钻具钻深井方面处于世界领先地位，电磁波MWD、井眼轨迹控制及纠斜技术先进。欧洲北海是世界上深井超深井集中地区，平均井深超过5000m，属高温高压深井，目前北海地区测量井深8000m左右的大位移井钻井周期一般只有90d左右。德国1990年完成的KTB大陆科探井井深9101m，在钻井应用了高新技术，包括VDS垂直钻井系统、顶驱、铝合金钻杆、金刚石绳索取心、无固相抗高温钻井液、耐高温低转速大扭矩螺杆马达、变速涡轮钻具等。,7,一、深井超深井钻井技术发展现状,我国超深井钻井主要集中在塔里木盆地、准噶尔盆地、四川盆地及柴达木盆地等地区。超深井钻井技术起步较晚，我国陆上深井超深井钻井大致可分为三个发展阶段。第一阶段（19661975年）：1966年7月28日，我国第一口深井大庆松基6井（井深4719M）完成，标志着我国钻井工作由打浅井和中深井发展到打深井的阶段。在这个阶段中只打了5口深井，这5口深井是在十分艰苦的条件下，依靠我们自己的力量完成的。继松基6井之后，又分别在大港、胜利和江汉油田打成了超过5000M的深井，初步积累了钻深井的经验。,3、国内深井超深井钻井概况,8,一、深井超深井钻井技术发展现状,第二阶段（19761985年）：1976年4月30日，我国第一口超深井女基井（井深6011M）在四川完成，标志着我国钻井工作由打深井进一步发展到打超深井。从1976年开始，我国每年都打深井，并且数量逐步增加，由1976年完成3口上升到1985年完成29口。在这个阶段中，除完成170口深井外，还完成了10口超深井，其中包括井深超过7000M的2口超深井（四川关基井，7175M；新疆固2井，7002M），这是我国深井超深井钻井的初步发展阶段。在深井钻井工艺技术方面，发展了优选参数钻井和近平衡钻井技术；钻井液体系由细分散发展到粗分散，开发了三磺和聚合物等钻井液体系；钻井液化学处理剂和水泥外加品种增多，逐步形成系列。但是，在处理深井井下复杂情况和事故方面，特别是井喷着火使我们付出了沉重代价。,9,一、深井超深井钻井技术发展现状,第三阶段（1986现在）：1986年3月揭开了塔里木大规模勘探的序幕，紧接着在90年代前期川东气区的勘探开发也进入高潮，使我国深井超深井钻井工作进入规模应用的阶段。在这个阶段中，深井超深井数量进一步增加，11年共完成深井超深井678口，其中超深井33口。90年代以来陆上深井超深井钻井技术有了明显的进步。但是，复杂地质条件下的深探井，特别是新区或新层的第一口深探井，钻井工作还存在许多问题。下表是塔里木盆地各复杂地质条件新区第一口深探井的钻井情况。,10,一、深井超深井钻井技术发展现状,复杂地质条件新区第一口深探井钻井情,表中5口井的情况反映了我国当前复杂地质条件下深探钻井现状，即井下复杂情况和事故多（时效超过10%），周期长（均超过2年），因此，钻井费用较高，井身质量和固井质量也还存在诸多问题,11,一、深井超深井钻井技术发展现状,美国复杂地质条件初探井钻井情况,上表是美国5口深探井的钻井情况。同样是复杂条件的初探井，井深较我国塔里木深探井增加约1000m，但没有一口井的完井周期超过2年，其中有2口井在1年内就完成了,12,二、深井超深井井身结构,用套管封隔复杂地层已是比较普遍的作法。国内深井、超深井钻井普遍采用 508mm+339.7mm+244.5mm+177.8mm+127mm套管程序。井身结构设计是钻井工程设计的基础，不但涉及钻井速度和钻井成本问题，甚至涉及到钻井目的能否实现。国内深井、超深井主要存在以下问题：（1）套管层数少且系列单一，不能应付复杂地质条件下深井、超深井钻井遇到的各种复杂情况，这种5层套管柱的井身结构应变能力差。难以满足封隔多套复杂地层的要求。（2）下部井眼尺寸小（4”、4 5/8”），钻具组合单一，没有配套打捞工具，不利于快速、优质、安全钻井。（3）小井眼钻进受水力参数限制，在高密度条件下，其钻达的深度是有限的，满足地质加深的要求难度非常大。（4）完井套管尺寸小，甚至只能是裸眼完井，难以满足采油方面的要求。,13,二、深井超深井井身结构,（1）增大上部套管和井眼的尺寸 增大上部井眼和套管的尺寸,可增加套管柱层次，如在 508mm套管上面 增加一层 660.4mm或 762mm的套管来封隔地表疏松地层或用作隔水管。国外典型复杂深井超深井套管柱程序(直径/mm)：美加利福尼亚934-29R井914.4+660.4+508+406.4+273.1+196.9(尾管)+127(尾管)沙特阿拉伯Khuff井914.4+762+609.6+473.1+339.7+244.5+177.8(尾管)+114.3(尾管)美得克萨斯NPI960-L1井1219.2+914.4+660.4+473.1+355.6+273.1(尾管)+228.6裸眼完钻美怀俄明洲Bighorn1-5井762+508+406.4+301.6+250.8(尾管)+196.9(尾管)+139.7(尾管)美阿克拉何马州DanvilleA#1井762+609.6+406.4+301.6(尾管)+244.5(尾管)德国KTB超深井622.3+406.4+339.7+244.5(尾管)+193.7(尾管)拉丁美洲及墨西哥海湾地区762+609.6+508+406.4+346.1(尾管)+295.3(尾管)+244.5(尾管)+193.7(尾管),1、增加套管柱层次的途径,14,二、深井超深井井身结构,上部井眼采用大尺寸套管结构为下部井眼套管及钻头尺寸的选择提供了较大的空间。在钻遇复杂情况时，可增加一层或几层套管，或者可按地质加深要求进一步加深井眼。采用大尺寸井眼和套管受到地面设备条件、管材及工具的限制,如钻机提升能力和套管强度限制大尺寸套管的下入深度,钻大尺寸井眼的钻头也不容易获得等。此外,大尺寸井眼钻井速度慢,套管和钻头成本比较高。,15,二、深井超深井井身结构,（2）采用小井眼钻井技术 采用小井眼钻井技术，在地面设备条件和原井身结构不变的情况下，根据井下实际地质条件的需要增加一层套管柱。这对于地质不确定度较大的野猫井有着重要的意义。小井眼技术是1986年石油价格暴跌后各大跨国公司着重研究开发的新技术。小井眼是以最节省费用的方式达到评价或生产目标的最小井眼，并认为可以接受的最小尾管直径是88.9mm。美国帕克钻井公司钻高压天然气井通常采用 508mm+339.7mm+244.5mm+196.9mm(无接箍尾管)+139.7mm(无接箍套管)+88.9mm(尾管)mm的套管程序,88.9mm尾管下入 104.8mm的井眼并注水泥封固,用同一尺寸的油管回接到地面。这说明，采用小井眼井身结构是多下一层套管柱的有效方法之一。,16,二、深井超深井井身结构,（3）采用下无接箍尾管和偏心钻头扩眼钻进技术 采用接箍直径比较小的新型无接箍套管，可以明显缩小上层套管柱和下层套管柱之间的间隙，在不增大上部套管尺寸的前提下达到增加套管柱层数的目的。美国得克萨斯州海上采用的一种井身结构是:在下完 508mm表层套管之后，用 444.5mm钻头钻至3048m并下入 339.7mm中间套管；用 241.3mm 311.2mm 355.6mm的钻头(分别钻领眼、通径和扩径)钻至4267.2m,下入 298.5mm无接箍套管；然后用 311.2mm或 250.8mm 295.3mm的偏心钻头钻至5181.6m，下入 244.5mm尾管并回接至井口。,17,二、深井超深井井身结构,在 339.7mm和 244.5mm套管柱之间增下一层无接箍尾管的方法，既增加了封隔多个不同压力系统的手段，又避免了采用更大直径套管的困难(受地面设备能力限制)。目前，无接箍套管和偏心钻头技术在国外复杂深井、超深井钻井中得到了广泛的应用，小间隙井身结构设计也迅速地发展起来。（4）优化套管/井眼尺寸组合，设计新的套管柱程序 多年来，一直按传统经验来确定套管/井眼尺寸的配合，如 177.8mm以下套管与井眼的间隙不小于19mm,219.1 250.8mm套管的间隙值保持在2535mm，273.1mm以上套管的间隙值应大于35mm。根据这些经验，发展形成了目前普遍采用的套管钻头尺寸系列，并把它看作是最合理的配合关系。这显束缚了设计人员的手脚，限制了井身结构设计的发展。,18,二、深井超深井井身结构,目前，供选择的套管、钻头尺寸及种类越来越多，给新系列的设计提供了有利条件。日益提高的钻井工艺技术水平、先进的防斜打直工具和垂直导向钻井系统的应用、合成钻井液及抑制性钻井液的发展，提高了井眼质量，降低了下套管作业的风险。改进的注水泥工艺提高了小间隙环空固井的质量。随钻扩眼钻头的成功应用，为小间隙固井作业提供了有力的保障。因此，优化套管/井眼尺寸组合,增加可供选择的套管程序的数量，对提高深层油气藏钻探成功率和降低成本具有十分重要的现实意义。,19,二、深井超深井井身结构,（1）套管尺寸的选择 目前，可提供的套管有很多种尺寸，除API系列的14种公称尺寸的套管外,还可提供25种超出API范围的非标准尺寸的套管。在选择套管尺寸时，重点考虑其通径和接箍外径。套管的通径，控制着套管以下井眼尺寸的设计；接箍外径影响相应井眼尺寸和上一层套管尺寸的设计。对于需要套管柱层次多的复杂深井、超深井应尽可能选择较大通径的管子,并选用接箍直径比较小的特殊间隙接箍套管，如平式接箍套管等。较大的通径可以给以下井眼的设计提供较大的空间。采用特殊间隙接箍，即可以增加套管柱层数，又可以避免更大的井眼尺寸和套管尺寸。,2、影响井身结构设计的因素,20,二、深井超深井井身结构,（2）钻头尺寸的影响 套管柱程序设计受钻头尺寸的限制，许多套管尺寸最初是适应钻头尺寸而选定的。钻头尺寸对套管柱设计有两方面的限制:一是井眼尺寸应能在套管接箍处提供足够的间隙,以满足正常下套管和注水泥的要求;二是钻下部井眼的钻头必须能通过套管顺利下入。随着聚晶和热稳定聚晶金刚石钻头的发展，可设计出任何尺寸的钻头,双心钻头和偏心钻头可以在套管下面钻出更大的井眼。因此钻头尺寸的限制已很小。通常选用常用钻头尺寸是有利的，因为钻头制造商对常用尺寸钻头提供了多种类型和特征的产品，有优选的余地。,21,二、深井超深井井身结构,（3）井控装置的限制 井口防喷装置是套管柱层次设计的制约因素。要求防喷装置的通径大于表层套管的外径。如 508mm表层套管常配备 527.1mm的防喷器,339.7mm表层套管与 346.1mm防喷器相匹配。其次，高压井口装置一般只提供3层套管柱的悬挂器和密封系统，若增加套管层次只能下尾管，或在下表层套管前加1层导管。再次,还要考虑套管头的供货情况。我国目前生产的套管头主要有 339.7mm+244.5mm+177.8mm、339.7mm+244.5mm+139.7mm、339.7mm+244.5mm+127mm三种规格。,22,二、深井超深井井身结构,（4）套管与井眼的间隙配合 套管与井眼之间应留有合适的间隙。较大的间隙需用较大的套管及钻头尺寸，增加钻井成本。间隙过小，将影响套管的顺利下入和注水泥质量，并且在下套管时容易产生较大的压力激动而造成井漏。确定套管与井眼的间隙配合时，要综合考虑与此相关联的各种因素的影响。国内外实用过的套管、尾管与井眼的间隙配合见下表：,23,二、深井超深井井身结构,国内外实用过的套管与井眼的间隙配合,24,二、深井超深井井身结构,（1）现有套管程序改进设计方案 1)在 508mm+339.7mm之间增加1层406.4mm套管 508mm套管的最小通径为 471.0mm，406.4mm套管的接箍外径为 431.8mm。在 508mm套管内可下入 469.9mm钻头钻进，406.4mm套管接箍与井眼的间隙大于19.1mm,不会影响下套管和注水泥作业。由此可见,在 508mm+339.7mm套管之间增加一层 406.4mm套管是完全可行的。406.4mm套管的最小通径为376.5mm，允许通过 374.7mm钻头。339.7mm常规接箍套管的最大外径为365.1mm，与井眼间隙为9.5mm。,3、套管程序设计,25,二、深井超深井井身结构,为减小固井作业的风险度，可采用FL-4S型的平式接箍套管,套管/井眼间隙可以扩大到17.5mm。如果地层较软,稳定性较差,井眼质量难以保证,可以采用 368.3mm+444.5mm或 374.7mm 444.5mm的偏心钻头扩眼钻进，这样就可以下入常规接箍套管。改进后的套管与钻头尺寸的配合见下表。,套管与钻头尺寸的配合,26,二、深井超深井井身结构,2)在 339.7mm+244.5mm之间增加一层 298.5mm尾管(平接箍)壁厚为13.31mm的 339.7mm套管通径为311.4mm,298.5mm普通套管的接箍外径为323.9mm，无法通过 339.7mm套管。因此,298.5mm套管要采用平式接箍套管。采用 311.2mm 374.7mm或 241.3mm 311.2mm355.6mm偏心钻头扩眼钻进 298.5mm套管段。用壁厚小于11mm的 298.5mm套管，其最小通径为272.4mm，可以通过 244.5mm(接箍外径269.9mm)套管，并可下入 269.9mm或 269.9 311.2mm偏心钻头。为减小固井作业的风险性，使用偏心钻头钻进 244.5mm套管段。改进后的套管与钻头尺寸的配合见下表。,27,二、深井超深井井身结构,套管与钻头尺寸的配合套管柱类型 表层套管 中间套管 中间套管 中间尾管 中间尾管 目的层尾管套管直径/mm 508 339.7 298.5 244.5 177.8 127套管类型 普通 普通 平接箍 普通 普通 平接箍钻头直径/mm 660.4 444.5 311.2374.7 269.9311.2 215.9 149.2套管间隙/mm 76.2 52.4 38.1 33.3 19.1 11.1接箍间隙/mm 63.5 39.7 38.1 20.6 10.7 11.1,28,二、深井超深井井身结构,3)用 193.7mm无接箍套管替代 177.8mm套管。在 215.9mm井眼内下入 193.7mm平接箍尾管取代原系列中 177.8mm套管，可下入 165.1mm钻头,加大下部井眼尺寸，下入 139.7mm平接箍尾管。这样就可采用 104.8mm小尺寸钻头继续加深钻进,必要时下入 88.9mm套管封隔。此设计为一种备用方案，以满足地质加深的要求。,29,二、深井超深井井身结构,（2）新型套管程序设计方案 1)508mm+355.6mm+273.1mm+193.7mm+139.7mm。该新型套管柱程序与钻头尺寸的配合见下表。该系列具有以下特点:套管柱类型 表层套管 中间套管 中间套管 中间尾管 目的层尾管 套管直径/mm 508 355.6 273.1 193.7 139.7 套管类型 普通 普通 平接箍 普通 平接箍 钻头直径/mm 660.4 444.5 311.2 241.3 165.1 套管间隙/mm 76.2 44.5 19.1 23.8 12.7 接箍间隙/mm 63.5 31.2 19.1 12.7 12.7,30,二、深井超深井井身结构,用 355.6mm套管取代 339.7mm套管。其优点是:355.6mm套管有较大内径,容易通过外径较大的 273.1mm套管;有较强的抗挤毁强度,T-110级的每米重128.0kg的 355.6mm套管的抗挤毁强度在40MPa以上。不足之处是 273.1mm套管与井眼的间隙较小,须使用无接箍套管以降低固井作业的风险 用 273.1mm套管取代 244.5mm套管。主要优点是在 241.3mm井眼内下入 193.7mm尾管，一是增大了套管/井眼间隙,另一方面为下部井眼下入 139.7mm套管创造了条件。此外,还可用大壁厚的 196.9mm套管,增强抗挤能力。用 193.7mm套管取代了 177.8mm套管。其优点是可以使用 165.1mm钻头钻进下部井段,扩大了下部井眼尺寸。用 139.7mm套管取代 127mm套管。对于生产井,采用较大尺寸的生产套管是有好处的;对探井来讲,井身结构留有余地,可用 104.8mm钻头继续向下钻进,以满足地质加深的要求。,31,二、深井超深井井身结构,2)508mm+406.4mm+301.6mm+250.8mm+193.7mm+139.7mm。该新型套管柱程序与钻头尺寸的配合见下表。该系列具有以下特点:套管与钻头尺寸的配合 套管柱类型 表层套管 中间套管 中间套管 中间尾管 中间尾管 目的层尾管 套管直径/mm 508 406.4 301.6 250.8 193.7 139.7 套管类型 普通 普通 普通 普通 普通 平接箍 钻头直径/mm 660.4 469.9 374.7 269.9311.2 215.9 149.2 套管间隙/mm 76.2 31.8 17.5 33.3 19.1 11.1 接箍间隙/mm 63.5 19.1 17.5 20.6 10.7 11.1,32,二、深井超深井井身结构,增加了一层套管柱,可提供4层中间套管,这对于地下地质条件不很清楚的复杂深井、超深井钻井显然是有利的。406.4mm套管内径较大,可以通过 374.7mm钻头,使 301.6mm套管柱与井眼之间有较大的间隙,大大降低了固井作业的风险。301.6mm套管可以采用普通接箍。在 469.9mm井眼内下入 406.4mm套管固井也没有问题。用 301.6mmAPI套管取代 298.5mm套管和用 250.8mmAPI套管取代 244.5mm套管,一方面允许使用壁厚较大的套管以提高抗挤强度;另一方面为下部套管和钻头的下入提供了较大的内径,提高了钻井作业的安全系数,33,4、国外深井超深井套管程序 国外在深井超深井钻井中采用的套管、钻头系列的种类很多，随地区、井深、钻井目的及钻井工艺技术水平的不同而不同。套管层次有三层、四层、五层、六层、七层等。套管尺寸最大达到36“(914.4mm)，最小为3 1/2”(88.9mm)。井眼尺寸最大到42“(1066.8mm)，最小到4 3/4”(120.7mm)。套管与井眼之间的间隙为9.5mm76.2mm。,二、深井超深井井身结构,34,（1）36-26-20-16-10 3/4-7 3/4-5,这是美国加利福尼亚最深井943-29R井采用的套管程序。这种设计的主要目的是使全井都能用5钻杆及较大尺寸钻头钻进，以避免因水敏性页岩在水基泥浆中浸泡时间过长引起的井壁坍塌而造成钻具扭断和钻杆扭断等井下事故。,35,（2）30-20-16-11 7/8-9 7/8-7 3/4-5 1/2,这种套管程序在美国怀俄明州Madden地区的Bighorn 15井实践过,36,（3）36-30-24-18 5/8-13 3/8-9 5/8-7-4 1/2,阿拉伯美国石油公司在沙特阿拉伯钻Khuff地层时成功地采用了这种套管程序。,37,1、开眼直径大，导管和表层套管尺寸大。2、探井及复杂地层开发井的完钻井眼大，小井眼钻井较少。3、采用扩眼钻头和下无接箍套管的办法增多套管柱层数。4、采用较小的套管/井眼间隙，增加技术套管层次，增大下部井眼。,