石油工程導論2-2

1、第二講：鉆井工藝流程第二講：鉆井工藝流程 一口井鉆井的基本工藝過程一口井鉆井的基本工藝過程 影響鉆進速度的主要因素影響鉆進速度的主要因素 鉆進參數選擇鉆進參數選擇 井斜及其控制井斜及其控制 洗井液洗井液 固井固井 完井完井 鉆前準備鉆前準備 鉆進鉆進 測井作業(yè)測井作業(yè) 固井與完井固井與完井2.1 一口井鉆井基本工藝過程定義：在已打好的井眼中下入套管，并在井壁和套管間注入水泥漿，將套管和地層固結成一體的工藝過程。固井工作包括下套管和注水泥兩個環(huán)節(jié)。2.1.4 2.1.4 固井與完井固井與完井(1)(1)固井固井 鉆壓對鉆速的影響鉆壓對鉆速的影響 牙齒磨損對鉆速的影響牙齒磨損對鉆速的影響 轉速對鉆

2、速的影響轉速對鉆速的影響 水力因素對鉆速的影響水力因素對鉆速的影響 洗井液性能對鉆速的影響洗井液性能對鉆速的影響2.2 影響鉆進速度的主要因素影響鉆進速度的主要因素指已經客觀存在、無法改變的因素，如所要鉆進地層的巖石物理機械性質、地質構造、地下壓力分布及地層中的流體性質等。不可變因素不可變因素可變因素可變因素指可以人為的選擇和改變的因素，如鉆頭和鉆具、鉆壓、轉速、水力參數、洗井液性能及洗井技術等。利用其有利方面，并調節(jié)可變因素適應之尋找可變因素對鉆進速度的影響關系并進行優(yōu)選和設計。W0WaWb機械鉆速（m/s)井底凈化充分井底凈化不夠充分鉆壓（kN）O鉆壓W 對鉆速Vm的影響關系基本可用下式表

3、示：式中： Wo稱為門限鉆壓。2.2.1 鉆壓對鉆速的影響)(0WWvm 指牙齒開始壓入巖石時的鉆壓，其數值主要與巖石性質有關。具有較強的地區(qū)性。2.2.2 牙齒磨損對鉆速的影響 牙齒磨損量對鉆速Vm的影響關系基本可用下式表示：式中：h為牙齒磨損量，表示磨損掉的高度與原始高度的比值，新鉆頭h=0,完全磨損時h=1。C2為牙齒磨損系數，它與牙齒結構和巖石特性有關。hCvm211 n軟地層，井底清潔軟地層，井底不凈硬地層，凈化不充分轉速n對鉆速Vm的影響關系基本可用下式表示：式中：稱為轉速指數。一般小于1，其值與巖性有關。2.2.3 轉速對鉆速的影響nVm1. 水力因素影響鉆速的機理清潔、凈化井底

4、，避免重復切削；保持和擴大預破碎帶裂縫；直接水力破巖。2.2.4 水力因素對鉆速的影響最主要的作用壓持效應壓持效應：由于井內洗井液柱所形成的靜液壓力大于地層壓力，形成的壓差使得巖屑被壓持在井底不易脫離的現象。2. 水力因素對鉆速的影響主要體現為水力凈化能力 水力凈化能力通常用水力凈化系數CH表示,其含義為實際鉆速與凈化完善時的鉆速之比.即：smsmHPPvvC1. 洗井液密度對鉆速的影響 洗井液密度井底壓差 壓持效應 鉆速2.2.5 洗井液性能對鉆速的影響 洗井液密度對鉆速的影響常用壓差影響系數Cp來表示，其含義為實際鉆速與零壓差條件下的鉆速之比.即：pmmpevvC0-與巖層性質有關的系數。

5、2. 洗井液粘度對鉆速的影響 洗井液粘度 循環(huán)系統(tǒng)的壓耗 射流對井底的水功率 鉆速。3. 洗井液固相含量及其分散性對鉆速的影響 固相含量，%（體積）圖4-8 固相含量和分散性對鉆速的影響 為了提高鉆速，應盡可能采用低固相不分散體系洗井液。 平衡壓力鉆井技術平衡壓力鉆井技術 高壓噴射鉆井技術高壓噴射鉆井技術2.3 常用鉆井技術常用鉆井技術1.鉆井過程中的一對矛盾一方面：為了井下安全，防止井涌和井噴，要使洗井液液柱壓力大于地層壓力；另一方面：為了提高鉆速，減小洗井液對油氣層的污染，又要減小壓差。2.平衡壓力鉆井的技術關鍵準確掌握地下壓力分布情況和各層壓力大小；設計合理的鉆井液密度和井身結構；配套有

6、完整的井口壓力控制系統(tǒng)（防噴系統(tǒng)）。2.3.1 平衡壓力鉆井技術3.平衡壓力鉆井的優(yōu)點提高鉆速；保護油氣層；能實現安全鉆進。2.3.2 高壓噴射鉆井技術1.高壓噴射鉆井的理論依據強大的水力能量不僅可以使井底保持清潔，還可以與鉆頭一起形成水力-機械聯(lián)合破巖。環(huán)空鉆頭鉆鋌鉆桿管匯泵NNNNNN2.循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗環(huán)空鉆頭鉆鋌鉆桿管匯泵PPPPPP3.噴射鉆井工作方式三種觀點 水功率決定水力作用效果 射流沖擊力決定水力作用效果 射流速度決定水力作用效果)(.81QKPQNLsB最大水功率工作方式最大射流沖擊力工作方式最大射流速度工作方式81.QKPQKFLsFB81.QKPKVLsVB水功率:射流沖

7、擊力:射流速度: 井斜的基本概念井斜的基本概念 井斜的危害井斜的危害 井斜的標準井斜的標準 井斜的原因井斜的原因 井斜的控制井斜的控制2.4 井斜及其控制(1)(1)井斜角井斜角：井眼軸線的切線與鉛垂線之間的夾角。(2) )井斜方位角井斜方位角:井眼軸線在水平面上投影的切線與正北方向的夾角。簡稱方位角。(3)(3)水平位移水平位移S S：井眼軌道上某點至井口的距離在水平面上的投影。簡稱平移。2.4.1 井斜的基本概念(4)(4)井斜變化率井斜變化率K K: :單位井眼長度井斜角變化值。(5)(5)井斜方位變化率井斜方位變化率K K: :單位井眼長度井斜方位角變化值。簡稱方位變化率。(6)(6)

8、井眼曲率井眼曲率K K：單位井眼長度內井眼全角變化值。通常也叫“狗腿度”2.4.1 井斜的基本概念LKLK222sinKKK1.油氣田勘探開發(fā)過程中：井斜過大，垂深會被歪曲，使地質資料不真實；井斜過大，由于實際鉆開點與設計點偏離較遠，可能會打亂油氣田開發(fā)方案，降低原油采收率。2.4.2 井斜的危害2. 在鉆井采油過程中： 形成的“狗腿”使起下鉆困難，鉆柱工作條件惡化； 易發(fā)生泥餅粘附卡鉆和鍵槽卡鉆等復雜情況； 固井時，下套管遇阻，套管不能居中，固井質量難以保證； 給采油修井作業(yè)帶來困難。2.4.2 井斜的危害1. 地質因素：地層可鉆性的各向異性；地層可鉆性的非均質性。2.4.3 井斜的原因2.

9、 鉆具原因（主要指鉆具的傾斜和彎曲） ：鉆具的傾斜和彎曲引起鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削。鉆具的傾斜和彎曲使鉆頭受到側向力的作用，迫使鉆頭進行側向切削。2.4.3 井斜的原因v通過使用防斜鉆具和措施防止井斜的出現；v井斜出現后采取相應的糾斜鉆具和措施進行糾斜。1.防斜鉆具及原理防斜鉆具扶正器組合剛性滿眼鉆具（最常用的防斜鉆具）塔式防斜鉆具防斜原理使鉆頭上面的一段鉆鋌具有盡可能大的剛度和直徑，一方面保證其受壓后不彎曲，另一方面使其居中，這樣使鉆頭軸線與井眼軸線基本一致，迫使鉆頭沿著原來的井眼方向鉆進。2.4.4 井斜的控制1.防斜鉆具及原理扶正器組合剛性滿眼鉆具防斜原理結構組成（大尺寸鉆鋌+扶

10、正器）防斜原理2.4.4 井斜的控制鉆鋌直徑大，剛性大，不易彎曲扶正器使鉆鋌居中鉆頭軸線與井眼軸線一致鉆頭沿原井眼方向鉆進2. 糾斜鉆具及原理糾斜鉆具鐘擺鉆具（常用的糾斜鉆具）偏重鉆鋌井下動力鉆具（在其它方法難以糾正時使用）糾斜原理依靠不同的原理（鐘擺原理或彈性恢復力原理），使鉆頭上作用有指向下井壁的側向力，造成鉆頭對下井壁的快速切削，使井斜逐漸下降。2.4.4 井斜的控制2. 糾斜鉆具及原理鐘擺鉆具糾斜原理2.4.4 井斜的控制井斜安裝扶正器形成支點支點以下鉆具橫向分力形成鐘擺力鉆頭切削下井壁能力增強井斜減小影響鐘擺力和糾斜效果的因素：井斜；支點以下鉆鋌的重量。2. 糾斜鉆具及原理井下動力鉆

11、具糾斜原理2.4.4 井斜的控制將帶有彎角或偏心墊塊的動力鉆具下入井底將其彎向對準下井壁由于受井壁的限制，下井壁受到鉆頭的側向力鉆頭切削下井壁能力增強井斜減小 洗井液的功能洗井液的功能 洗井液的類型洗井液的類型 洗井液的性能及維護洗井液的性能及維護2.5 洗井液1. 清洗井底，攜帶巖屑；2. 懸浮巖屑；3. 阻止地層中油、氣、水流入井內；4. 穩(wěn)定井壁，防止井壁坍塌；5. 冷卻、潤滑鉆頭和鉆柱；6. 向井底傳遞水功率；7. 了解地層；8. 減輕鉆柱和套管柱的懸重。2.5.1 洗井液的功能1.水基洗井液（最常用）以水為分散介質，粘土為分散相，加其它化學處理劑控制和維護其性能的洗井液。包括：淡水洗

12、井液、鹽水洗井液、鈣處理洗井液、低固相聚合物洗井液和混油洗井液。2.油基洗井液（次常用）以油為分散介質，有機土般土等其它物質為分散相的洗井液。包括：油包水乳化洗井液和油基洗井液3.空氣-天然氣洗井液（使用受嚴格限制）包括：空氣或天然氣、霧化洗井液、泡沫洗井液等。2.5.2 洗井液的類型1. 密度定義：單位體積洗井液的質量，單位g/cm3。對鉆井的影響 密度太小，容易發(fā)生地層流體進入井內，甚至導致井噴； 密度太大，有可能損害甚至壓死油氣層、壓漏地層、降低機械鉆速。測量：密度計維護： 密度過小，加入加重劑； 密度過大，加水稀釋。2.5.3 洗井液的性能及維護2.粘度定義：速度梯度為1時，單位面積上

13、的流體內摩擦力。對鉆井的影響粘度太小，攜帶巖屑能力差，井底沉砂多，會導致井下發(fā)生復雜情況；粘度太大，會降低鉆速，容易形成鉆頭泥包，并會使洗井液含砂量增大。測量：漏斗粘度計測量視粘度，旋轉粘度計測量塑性粘度。維護：粘度過大，加降粘劑；粘度過小，加增粘劑。2.5.3 洗井液的性能及維護3. 切力靜止的洗井液中，固相顆粒之間能形成網架結構，切力是反映洗井液網架結構強弱的一個指標。對鉆井的影響靜切力越大，洗井液懸浮巖屑的能力越強，同時會帶來流動阻力大、開泵困難等問題。現場要求靜切力不能太大。測量：切力計（靜切力、動切力）2.5.3 洗井液的性能及維護4.失水量和泥餅厚度定義：對于滲透性地層，洗井液中的

14、自由水在井內壓差的作用下滲入地層，同時在井壁形成一層泥餅的過程稱為失水。失水量：洗井液中滲入地層的自由水的量，單位ml。泥餅厚度：形成的泥餅以毫米計的厚度，單位mm。對鉆井的影響失水量對井壁穩(wěn)定和油層保護有很大影響，一般應控制在盡可能小的范圍內。測量：失水儀。維護：通過降失水劑來維持洗井液具有較小的失水量。2.5.3 洗井液的性能及維護5. 含砂量定義：洗井液中最大尺寸大于75m固相顆粒的體積與洗井液的體積之比。對鉆井的影響 含砂量太多對鉆進的機械鉆速和泥漿泵的使用壽命有明顯不良影響。測量：篩析法和沉砂法。維護： 通過固控設備來使含砂量越小越好。2.5.3 洗井液的性能及維護6. pH值定義：

15、洗井液的酸堿度。通常呈堿性。對鉆井的影響 對循環(huán)管線和設備壽命有影響，還會不同程度地影響著洗井液其它性能。測量：比色法。維護： 通過添加酸性或堿性處理劑來調節(jié)。2.5.3 洗井液的性能及維護1 1、安裝井口裝置：控制鉆進過程中遇到的高壓油氣、安裝井口裝置：控制鉆進過程中遇到的高壓油氣水層；水層；2、鞏固疏松井段，隔離復雜地層；、鞏固疏松井段，隔離復雜地層；3、封隔地下油氣水層，防止上下串通；、封隔地下油氣水層，防止上下串通；4、封隔暫不開采的油氣層；、封隔暫不開采的油氣層；5、鉆井或作業(yè)中出現井噴時，不會因壓井而壓裂地、鉆井或作業(yè)中出現井噴時，不會因壓井而壓裂地層；層；6、為油氣生產建立長期穩(wěn)

16、定的通道；、為油氣生產建立長期穩(wěn)定的通道；7、油氣井搶險作業(yè)。、油氣井搶險作業(yè)。2.6.1 固井的目的2.6 2.6 固井固井（1）表層套管）表層套管主要用途： 封隔地表淺水層及淺部疏松和復雜地層；安裝井口、懸掛和支撐后續(xù)各層套管。下深位置： 根據鉆井的目的層深度和地表狀況而定，一般為上百米甚至上千米（2）生產套管（油層套管）生產套管（油層套管） 主要用途：用以保護生產層，提供油氣生產通道。主要用途：用以保護生產層，提供油氣生產通道。 下深位置：由目的層位置及完井方式而定。下深位置：由目的層位置及完井方式而定。2.6.2各層套管的作用各層套管的作用（3）中間套管（技術套管）中間套管（技術套管）

17、 在表層套管和生產套管之間由于技術要求下入的套管，可以是一層、兩層或更多層。主要用來封隔不同地層壓力層系或易漏、易塌、易卡等井下復雜地層。（4）尾管（襯管）尾管（襯管） 是在已下入一層技術套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。 減輕下套管時鉆機的負荷和固井后套管頭負荷；節(jié)省套管和水泥。2.6.2各層套管的作用各層套管的作用將設計好的套管及附件組成的套管柱下入到已鉆出的井眼內的工藝叫下套管。分為四個方面： 套管規(guī)范選擇 套管柱設計 套管柱下部結構設計 下套管作業(yè)2.6.3 下套管下套管 套管是用無縫鋼管制成，長約套管是用無縫鋼管制成，長約10米米/根，兩頭有螺紋。根，兩頭

18、有螺紋。套管規(guī)范：套管規(guī)范：直徑、直徑、壁厚、壁厚、鋼級、鋼級、螺紋螺紋1.1.套管規(guī)范套管規(guī)范套管實物套管實物2、套管柱設計、套管柱設計 套管柱設計主要指強度設計，強度設計以受力環(huán)境和受套管柱設計主要指強度設計，強度設計以受力環(huán)境和受力狀態(tài)為基礎。力狀態(tài)為基礎。強度設強度設計計抗拉強度抗拉強度:（絲扣是薄弱處）（絲扣是薄弱處）抗擠強度抗擠強度: 承受外擠的能力承受外擠的能力抗內壓強度：套管切向應力達到屈服極抗內壓強度：套管切向應力達到屈服極限時的內應力限時的內應力外載外載軸向拉力軸向拉力外擠力外擠力內壓力內壓力3、套管柱下部結構、套管柱下部結構套管附件套管附件引鞋引鞋套管鞋套管鞋旋流短節(jié)旋流

19、短節(jié)回壓凡爾回壓凡爾承托環(huán)承托環(huán)扶正器扶正器要把設計好的同壁厚、不同鋼級的套管柱順利、安全下入要把設計好的同壁厚、不同鋼級的套管柱順利、安全下入預定深度，以及為了提高固井質量，必須在套管柱下部安裝一預定深度，以及為了提高固井質量，必須在套管柱下部安裝一些附加裝置，這些裝置統(tǒng)稱下部結構，也稱為套管附件。些附加裝置，這些裝置統(tǒng)稱下部結構，也稱為套管附件。引鞋套管鞋旋流短節(jié)回壓凡爾承托環(huán)扶正器 在地面用專門設備將水泥漿（水泥和水的混合物）注入井壁與套管柱形在地面用專門設備將水泥漿（水泥和水的混合物）注入井壁與套管柱形成的環(huán)空中，使套管柱與地層巖石固結的作業(yè)過程。成的環(huán)空中，使套管柱與地層巖石固結的作

20、業(yè)過程。 注水泥特點：注水泥特點：注水泥作業(yè)是一次性工程，時間短（注水泥作業(yè)是一次性工程，時間短（1 12h2h）、費用高（約占）、費用高（約占全井費用全井費用10%10%）、工序多，質量不好一般難以補救，所以在現場，把注水泥）、工序多，質量不好一般難以補救，所以在現場，把注水泥作業(yè)稱為一錘子買賣?？梢哉f注水泥在整個油氣井建井過程中的地位是舉足作業(yè)稱為一錘子買賣。可以說注水泥在整個油氣井建井過程中的地位是舉足經重的。注水泥作業(yè)一般由專業(yè)服務公司來完成。經重的。注水泥作業(yè)一般由專業(yè)服務公司來完成。 注水泥技術注水泥技術所涉及內容所涉及內容1.1.選擇水泥選擇水泥2.2.設計水泥漿性能設計水泥漿性

21、能3.3.注水泥工藝設計注水泥工藝設計2.6.4 注水泥技術注水泥技術1.油井水泥 油井水泥是波特蘭水泥（也即硅酸鹽水泥）的一種，它是將石灰與粘土礦物或其油井水泥是波特蘭水泥（也即硅酸鹽水泥）的一種，它是將石灰與粘土礦物或其它含氧化硅、氧化鋁及氧化鐵的物質均勻混合，在一定溫度下鍛燒，然后磨粉制得的它含氧化硅、氧化鋁及氧化鐵的物質均勻混合，在一定溫度下鍛燒，然后磨粉制得的產品。產品。主要成分：主要成分：硅酸三鈣硅酸三鈣3CaOSiO2(比例：比例：40%65%)；硅酸二鈣硅酸二鈣2CaOSiO2(24%30%)；鋁酸三鈣鋁酸三鈣3CaOAl2O3(3%15%)； 鐵鋁酸四鈣鐵鋁酸四鈣4CaO2A

22、l2O3Fe2O3(8%12%)。油井水泥需要具有：耐高溫、高壓能力；較高的早期強度；較短的候凝時間；較強的耐腐蝕能力。2.6.4 注水泥技術注水泥技術2.水泥漿性能密度密度：水灰比：(water cement ratio)水與干水泥的重量比，一般在44%50%，水泥漿密度1.80 1.90 gcm3之間。稠化時間稠化時間：水泥漿從配置開始到其稠度達到規(guī)定值所用的時間，API標準：從開始混拌到水泥漿調度達到 100 BC（水泥稠度單位）所用的時間。凝結時間凝結時間：水泥漿從配置開始到變?yōu)楣虘B(tài)所用的時間。失水失水：水泥漿中的自由水通過井壁滲入地層的現象。 水泥石強度：水泥石強度：能支撐和加強套管

23、；能承受鉆柱的沖擊載荷；能承受酸化、壓裂等增產措施作業(yè)的壓力。 水泥石的抗蝕性：水泥石的抗蝕性：C3A3%，C4AF+2C3A 24%；加入礦渣、石英砂等提高抗硫能力。2.6.4 注水泥技術注水泥技術3. 注水泥設備和工具注水泥設備包括：水泥車、水泥罐車、供液車和壓塞車。水泥罐車水泥車供液、壓塞綜合車2.6.4 注水泥技術注水泥技術3.注水泥設備和工具注水泥工具包括：水泥頭、頂膠塞和底膠塞。頂膠塞2.6.4 注水泥技術注水泥技術裝水泥頭、循環(huán)洗井放下底膠塞、打隔離液注水泥漿壓頂膠塞井筒中替換成洗井液碰壓2.6.4 注水泥技術注水泥技術 注水泥工藝方法一般分為常規(guī)注水泥和非常規(guī)注水泥，常規(guī)注水泥

24、包注水泥工藝方法一般分為常規(guī)注水泥和非常規(guī)注水泥，常規(guī)注水泥包括一次注水泥、分級注水泥、尾管注水泥；非常規(guī)注水泥如外管注水泥、括一次注水泥、分級注水泥、尾管注水泥；非常規(guī)注水泥如外管注水泥、反循環(huán)注水泥等。反循環(huán)注水泥等。 例：常規(guī)注水泥作業(yè)過程例：常規(guī)注水泥作業(yè)過程4.注水泥工藝 a a、循環(huán)鉆井液、循環(huán)鉆井液 b b、注隔離液和水泥漿、注隔離液和水泥漿 c c、壓塞、壓塞 d d、替漿、替漿 e e、碰壓、碰壓2.6.4 注水泥技術注水泥技術2.7 完井工藝完井工藝完井工程（Well Completion）是使井眼與油氣儲集層（產層、生產層）連通的工序，是銜接鉆井工程和采油工程一項重要而相

25、對獨立的工程，包括從鉆開油氣層開始，到下生產套管、注水泥固井、射孔、下生產管柱、排液，直至投產的系統(tǒng)工程。主要包括：鉆開油氣層鉆開油氣層確定完井方法確定完井方法安裝井底及井口裝置安裝井底及井口裝置試油試油2.7.1 鉆開油氣層1、洗井液對油氣層的損害、洗井液對油氣層的損害水侵：水侵：鉆井液中的自由水侵入儲層的現象。泥侵：泥侵：鉆井液中固相物質侵入儲層的現象。（1）水侵對油氣層的損害）水侵對油氣層的損害使儲層中的粘土成分膨脹，使油流通道縮小；破壞孔隙內油流的連續(xù)性，使單相流動變?yōu)槎嘞嗔鲃樱黾佑土髯枇?；產生水鎖效應，增加油流阻力；在地層孔隙中生成沉淀物。（2 2）泥侵對油氣層的損害）泥侵對油氣層

26、的損害鉆井液直接進入較大的儲層孔隙，形成堵塞；形成內泥餅，造成永久性損害；2.7.1 鉆開油氣層2. 保護油氣層的措施保護油氣層的措施（1）針對油氣層的特點采用合理的完井方法；）針對油氣層的特點采用合理的完井方法；（2）合理選擇洗井液密度，控制井內壓差；）合理選擇洗井液密度，控制井內壓差；（3）使用低固相、無固相優(yōu)質洗井液鉆開生產層，控制洗井液的失水量，提高洗井液的造壁能力；）使用低固相、無固相優(yōu)質洗井液鉆開生產層，控制洗井液的失水量，提高洗井液的造壁能力；（4） 在完井液中加入橋堵劑（石灰粉、硬瀝青粉等），以減少固體顆粒侵入；在完井液中加入橋堵劑（石灰粉、硬瀝青粉等），以減少固體顆粒侵入；（5）使用表面活性劑處理洗井液，降低洗井液與原油間的表面張力。）使用表面活性劑處理洗井液，降低洗井液與原油間的表面張力。（6） 提高洗井液的礦化度以減輕水侵的危害，防止油氣層中的泥巖吸水膨脹。提高洗井液的礦化度以減輕水侵的危害，防止油氣層中的泥巖吸水膨脹。1）完井井底結構）完井井底結構井底結構大體可分