石油工程概论第2章钻井工艺与方法(新).ppt

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1、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、钻井的种类,1.按钻井目的分类：主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

2、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,开发井,2.按几何形状不同分类：,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

3、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。,定向井的有关概念,(1)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6080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

4、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。,(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。,(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11-1油田生产平台上的丛式井,(6)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。,分支井分级,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,大位移井在南海西部海域的应用,由于24-1

5、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24-3平台,西江油田位置图,水深100米,南海西江24-3-A14大位移井,水垂比：2.83,利用邻近已有的生产平台及设备，通过钻大位移井使XJ24-1油田得以成功的开发。,西江24-3-A14（水深100米，测深9450米）创造了全井水平位移8062.7米，裸眼井段5032米，MWD/LWD实时传输接收讯号深度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Phlips公司合作）,中国第一口世界记录大位移井,流花11-1油田位置示意图,*位于香港东南130海浬*所在海域水深

6、约300米,流花11-1油田设施示意图,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CNOOC和BP-AMOCO联合开发。2003年7月，由CNOOC接管油田全部权益，成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。,FPS-FPSO距离=1.5 miles,大位移井开发方案背景回顾,流花11-1主开发区（现生产设施）,流花11-1-3井区位于主开发区东翼4.5公里,3井区单独开发不具备经济效益,Liuhua ERW Spider Plot,大位移井在南海东部海域应用情况,4,流花11-1油田侧

7、钻大位移井取得的业绩,B3ERW4大位移井创造了目前中国水垂比的最大记录4.58(排列在世界第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11-1-A4ERW3井实际钻井周期33.77天，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PDC钻头单次入井进尺4380米的海洋钻井新记录。（Best公司生产的MS1951RS钻头，平均钻速为44.76 m/h）旋转导向工具Powerdrive675一次入井进尺4380米，在世界范围内获得了其最好成绩。3井区4口ERW井已成为流花油田生产的主力，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

8、投资，经济效益显著。,12-1/4”MS1951RS,IADC Code:S122,20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CDX公司),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

9、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,DNP02井实钻井身剖面结构图,中国第一口煤层水平多分支井，位于山西沁水盆地，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m3/日。,中国第二口煤层水平多分支井,中国第二口煤层水平多分支井，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

10、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

11、模应用。国内“可燃冰”预计可在20102015年进行试开采，而实现商业开发目前还有待技术上的突破。,3.按井深不同分类：浅井H6000m,二、钻井的种类,深水钻井：超过500m水深的海洋钻井。大于1500m水深称为超深水。荔湾21-1-1井，水深2461米，正在设计论证。目前深水钻井的世界记录为水深3052米，是2003年 11月，Transoccan公司在墨西哥湾钻井时创造的。,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90152HB钻井队。钻机：E-3000型9000m钻

12、机开钻时间：2005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273.1mm无接箍套管下深达5481m。,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。,4.按温度、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1.8g/cm3或用超过70MPa井口装置时称高压，两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105MPa的井。,高温高压气

13、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21-1构造：1990-1991年相继报废崖城21-1-1井和崖城21-1-2井（设计深度4580），造成1.6亿元的直接损失；两年后又钻崖城21-1-3井，钻至井深4680完钻（钻井液密度2.33g/cm3,井底温度206），但钻井时间长达268天，钻井费用1.3亿元（不包括完井测试费）。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HTHP效应使管柱失效而报废(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

14、力系数2.13）而失控,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

15、：15211835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：18591901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,设计井深,特点,

16、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：18591901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（19011920年）：这个时期内开始将钻井和洗井结合在一起，并

17、使用了牙轮钻头和注水泥固套管技术。（2）发展时期（19201948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（19481968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

18、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，方补心带动钻杆旋转,旋转钻井法,动力钻具接在钻头之上，钻铤之下；动力钻具以上的钻柱不旋转,顶部驱动钻井,旋转钻井法,1.转盘旋转钻井法,(1)工艺过程,钻头,吃入地层,破碎岩石,清洗井底,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。,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；,钻头在一定的钻压作用下旋转破岩，提高了破岩效率；,在破岩的同时，井底岩屑被清除出来；,提高了钻井速度和效益。,1.转盘旋转钻井法,钻头,吃入地层,破碎岩石,清洗井底,设计井深,

19、2.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,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；,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；,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),1.工艺过程,钻头、井下加压装置、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,连续管钻井示意图,钻井液由滚筒上的导流头进入连续管连续

20、管不转，井下动力机带动钻头旋转,2.特点,(5)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(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),中国钻井史年代划分中国古代钻井：公元前1840年；中国近

21、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,70D钻机井架整体搬迁图,第三节 基本钻井工艺过程,2钻进,钻进是进行钻井生产取得进

22、尺的唯一过程。,其基本工艺过程有：,第一次开钻(一开),第二次开钻(二开),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,oil zone,井身结构(Casing Program),技术套管（中间套管）,表层套管,油层套管（生产套管）,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

23、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(Completiom),1、射孔完井,2、裸眼完井,

24、割缝衬管完井(slotted Liner),固井、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？,钻井的概念和种类。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,