石油工程概論 第七章 鉆進工藝技術(shù)課件

1、第七章 鉆進工藝技術(shù)鉆進的任務是破碎巖石，鉆進的速度快慢、質(zhì)量和成本的高低，受到地層的物理機械性能的制約，同時也受到鉆進設備、工具的性能及鉆進工藝技術(shù)措施的影響。鉆進是通過選擇和使用合適的工具，根據(jù)所鉆地層的特點，選擇合理的工藝技術(shù)，使鉆頭在地層中沿預定的軌道前進的過程，是一口井建井過程的最主要的環(huán)節(jié)。第一節(jié) 影響鉆進的主要因素影響鉆進的因素按其本身可否改變可分為兩大類：指已經(jīng)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(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下壓力分布及地層中的流體性質(zhì)等。不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(zhuǎn)速、水力參數(shù)、洗井液性能及洗井技術(shù)等。利用其有

2、利方面，并調(diào)節(jié)可變因素適應之鉆進基本要素是直接作用于鉆頭上的壓力，是使鉆頭破碎巖石的最基本參數(shù)，也是最活躍的因素。一、鉆壓鉆進速度鉆頭的磨損速度和工作壽命確定鉆壓的大小圖71 鉆壓與鉆速的關(guān)系曲線鉆壓(W)與鉆速(Vm)(直線ab段)的關(guān)系：W。稱為門限鉆壓。它是ab線在鉆壓鈾上的截距，相當于牙齒開始壓入巖石時的鉆壓，其數(shù)值主要與巖石性質(zhì)有關(guān)。鉆壓對鉆頭牙齒磨損速度的影響關(guān)系式為：鉆壓與軸承磨損速度的關(guān)系式為：鉆頭牙齒的磨損量對鉆速的影響關(guān)系式：h為牙齒的磨損量；Dl和D2為鉆壓影響系數(shù)，與鉆頭的尺寸有關(guān)；B為軸承的磨損量；y是鉆壓指數(shù)，對于普通的水基洗井液y=1.5；C2為牙齒磨損系數(shù)，與牙

3、齒結(jié)構(gòu)及地層巖性有關(guān)。二、轉(zhuǎn)速圖72 轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系曲線1軟地層，井底清潔；2軟地層，井底不凈；3硬地層，凈化不充分。如果每旋轉(zhuǎn)一周都有相同的破碎深度，那么鉆速將會隨轉(zhuǎn)速的增加而直線地增大。但實際上并非如此。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：為轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1，其值與巖性有關(guān)。n為轉(zhuǎn)速；在鉆壓一定時，如果增加轉(zhuǎn)速，牙齒和軸承的磨損速度也將加快，它反過來又會影響到機械鉆速和鉆頭壽命等。三、水力因素在鉆進過程中，從鉆頭上的噴嘴中噴射出的洗井液(射流)，對鉆進過程發(fā)揮著三種作用：清潔、凈化井底，避免重復切削；保持和擴大預破碎帶裂縫；直接水力破巖。最主要的作用保持井底清潔要經(jīng)過三個過程：首先是使破碎的巖屑離開巖

4、石母體；然后是巖屑在井底被移動；最后由上返的洗井液將其從環(huán)空舉升到地面。對鉆速的影響最大常用鉆頭水功率表示：壓持效應：由于井內(nèi)洗井液柱所形成的靜液壓力大于地層壓力，使得巖屑被壓持在井底不易脫離的現(xiàn)象?？朔撼中揽可淞鞯臎_擊壓力和漫流的橫向推力。射流噴速和流量(洗井液的水力能量)Nb鉆頭水功率，kW；Pb鉆頭噴嘴壓降，MPa；Q排量，LS。第二節(jié) 鉆進參數(shù)選擇鉆進是鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)、洗井液性能等共同作用的過程。要達到高效率、低成本鉆井的目的，必須合理確定出鉆進施工中的各參數(shù)值及其相互的配合關(guān)系，采用先進技術(shù)，提高鉆進效益。 一、平衡壓力鉆井技術(shù)基本內(nèi)容：在井內(nèi)洗井液壓力與地層壓力相平衡的

5、條件下進行鉆進，以便有效地保護油、氣層不受洗井液的侵污，保證油氣井的生產(chǎn)能力，同時保證較高的鉆進速度，縮短建井周期，降低鉆井成本?？茖W依據(jù)：根據(jù)地層的壓力來確定所用洗井液的密度。二、高壓噴射鉆井技術(shù)基本原理：使用新型噴射式鉆頭，改善井底流場，提高水力清巖效率，并使水力作用與機械破碎相結(jié)合，提高鉆進速度與進尺。三種不同的噴射鉆井工作方式：(1)最大水功率理論及其工作方式 (2)最大沖擊力理論及其工作方式(3)最大噴射速度理論用得最多有時使用三、優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)1鉆速模式楊格(Young FS)修正公式K巖石可鉆性系數(shù)，與巖石硬度、鉆頭類型及洗井液性能有關(guān)，可由實驗確定；Cp壓差影響系數(shù)，當壓力平

6、衡時，Cp1；Ch水力參數(shù)影響系數(shù)，井底達到充分凈化時，Ch1使用最廣泛第三節(jié) 井斜及控制一、井斜的基本概念井斜：井眼軸線和鉛垂線之間的偏離。井斜角：井眼軸線的切線與鉛垂線之間的夾角。圖74 井身軸線的垂直投影和水平投影圖方位角：井眼軸線在水平面上投影的切線與正北方向的夾角(順時針方向)。井底水平位移S：指井眼軌道上某點至井口的距離在水平面上的投影。井斜變化率：指單位井眼長度井斜角變化值。指單位井眼長度方位角變化值。指單位井眼長度內(nèi)井眼全角的變化值，通常也叫狗腿度。方位變化率：井眼曲率：二、井斜的危害井深會被歪曲，地質(zhì)資料不真實，甚至會漏掉油、氣層；由于實際鉆開點和設計點偏離較遠，可能會打亂油

7、、氣田的開發(fā)方案，降低原油采收率。起下鉆困難，鉆柱工作條件惡化，還會造成粘附卡鉆、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(zhì)量難以保證。會對以后的采油、修井等作業(yè)帶來困難。三、井斜的標準表71 勝利油田生產(chǎn)井的井斜標準勝利油田探井的井斜標準：2000m井深最大井斜角不得超過5；2500m井深最大井斜角不超過6；3200m井深最大井斜角不超過8。我國已規(guī)定了井斜變化率要小于3100米的標準。四、井斜的原因1地質(zhì)條件對井斜的影響 沉積巖大都是非均質(zhì)的，具有典型的各向異性。 平行于層理方向的巖石強度大，破碎比較困難。 由于巖性的變化、軟硬交錯而引起井斜。2下部鉆柱彎曲對井斜的影響3

8、 鉆井設備安裝不合適，鉆具本體彎曲，絲扣歪曲等也會引起井斜二、洗井液功能及類型洗井液：在鉆井過程中，能夠完成洗井循環(huán)而達到清洗井眼目的的流體。包括泥漿、清水、空氣和天然氣。最常用固相顆粒懸浮在水或油中所形成的一種分散體系1洗井液功能(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(nèi)(4)保護井壁，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)減輕鉆柱或套管拄的懸重三、洗井液性能及維護1、密度2、粘度3、切力4、失水量和泥餅厚度5、含砂量6、pH值(酸堿度)2洗井液類型水基體系、油基體系和空氣一天然氣體系用的最多用的最少第五節(jié) 特殊鉆井工藝技

9、術(shù)一、取心鉆井1取心工具圖76 取芯工具組成示意圖1取芯鉆頭；2巖心爪；3內(nèi)巖心筒；4外巖心筒；5扶正器；6回壓凡爾；7懸掛軸承；8懸掛裝置 取出巖心取芯過程三個環(huán)節(jié)： 鉆出巖心 保護巖心取芯工具：取心鉆頭、巖心筒及懸掛裝置、巖心爪等2取心工藝(1)取心工具的選擇主要依據(jù)地層巖性和井下條件，合理選擇鉆頭、巖心爪的類型及工具長度。(2)取芯鉆進參數(shù)配合鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量等參數(shù)均要比全面鉆進鉆頭用的要小些。但要適當，否則，太小則鉆速慢、進尺低，取心時間長、效益低，且對保護巖心亦不利。(3)取心工藝做好準備工作開泵循環(huán)緩慢下放到井底取心鉆進割心操作起鉆到地面取出巖心測量、記錄距井底10m到達預定進尺慢

10、轉(zhuǎn)一段時間二、定向鉆井定義：使井身沿著預先設計的方向和軌跡鉆達目的層的鉆井工藝方法。1定向井井身剖面(1)井身剖面設計原則必須保證實現(xiàn)定向鉆井的目的；盡可能利用地層自然造斜規(guī)律；有利于安全、快速鉆進；有利于以后的采油和修井作業(yè)。(2)井身剖面類型圖77 定向井剖面的基本類型類型I造斜深度較淺，在達到所要求的井斜角后，保持這個角度鉆達目的層。適用于不需要下中間套管和具有單一油層的中深井中，或水平位移較大的深井中。類型在接近下表層套管的井深開始造斜，造斜完后下表層套管，然后穩(wěn)斜鉆進到預定的水平位移后，降斜鉆進，最后使井眼垂直進入目的層。適用于多油氣層，有鹽水層等復雜情況的，需要下中間套管的深井。類

11、型具有較長的垂直井段，便于在上部實行快速鉆進。適用于地層傾角較大，要求閉合距不太大的多油氣層深井。所有的井身剖面都是垂直段、增斜段、穩(wěn)斜段、降斜段的組合2定向井造斜方法及原理(1)轉(zhuǎn)盤鉆造斜 槽式斜向器圖78 槽式斜向器1銷釘孔；2導斜面；3輪廓線；4楔形尖水力噴射造斜鉆頭圖79 噴射造斜鉆頭a噴射造斜(轉(zhuǎn)盤不轉(zhuǎn)，定向噴射)；b鉆進(轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn))扶正器造斜鉆具在靠近鉆頭之上的適當位置安裝一個或兩個(三個)扶正器組成增斜、穩(wěn)斜和減斜鉆具。扶正器造斜鉆具不能改變方位1.常規(guī)水平井分類： 長半徑水平井 中半徑水平井 短半徑水平井水平井開發(fā)多層系油氣藏側(cè)鉆水平井可有效的解決生產(chǎn)井的水錐問題用水平井連通有

12、高低差的兩孤立油藏井 號：草南SWSD-平1水 平 段 長：642.72米垂深/位移比：1：1.014 油管蒸氣注入管MD1,500m812.52m823.78m單井蒸汽驅(qū)重力泄油水平井（勝利油田）蒸汽驅(qū)重力泄油水平井雙井連通式水平井2水平井鉆井系統(tǒng)能夠完成水平井鉆井工藝過程的配套設備和工具。水平鉆井系統(tǒng)：(1)超短曲率半徑水平鉆井系統(tǒng)靠作用在射流噴嘴內(nèi)腔的靜液壓力自動送鉆。 特點：用高壓水射流破巖鉆進而不用鉆頭機械鉆進；鉆柱不旋轉(zhuǎn)；只需要功率較小的車裝鉆機作為起升設備。功能：可以鉆出直徑50100mm，長3060m的水平井眼，其由垂直到水平的轉(zhuǎn)彎半徑為0.3m左右。超短曲率半徑水平井的應用：

13、設備：對于開發(fā)薄油層、稠油層、低滲油層、垂直裂縫油層具有良好的效果。主要用來恢復老井的產(chǎn)能，當然也可用于新井的增產(chǎn)。(2)短曲率半徑水平鉆井系統(tǒng)設備：地面設備與常規(guī)的鉆井設備相同。按動力來源的不同可分為兩種：地面動力鉆井系統(tǒng)和井下動力鉆井系統(tǒng)?，F(xiàn)常用的是井下動力鉆井系統(tǒng)。功能：可以鉆出300500m長水平井眼。(3)中曲率半徑鉆井系統(tǒng)a造斜馬達 b穩(wěn)斜馬達1彎接頭；2低轉(zhuǎn)速，大扭矩馬達；3鉆柱穩(wěn)定器；4旁通閥；5造斜接頭；6帶穩(wěn)定器的上軸承外殼；7鉆柱穩(wěn)定器；8帶穩(wěn)定器的軸承外殼；9低轉(zhuǎn)速，大扭矩馬達；10雙斜式萬向節(jié)外殼圖711 中曲率半徑井眼的造斜和穩(wěn)斜鉆具組合水平段一般用導向馬達或旋轉(zhuǎn)鉆

14、具組合鉆進。水平段用導向馬達或帶雙斜式萬向節(jié)的馬達進行鉆進。大直徑中曲率半徑井眼(140318mm)：造斜段一般用有彎接頭、彎外殼穩(wěn)定器的馬達進行鉆進；通常要使用隨鉆測量儀、低速馬達、牙輪鉆頭、加重鉆桿或抗壓縮鉆桿等。小直徑中曲率半徑井眼(89140mm)：造斜段一般用光滑鉆具組合進行鉆進，這種鉆具組合使用帶墊塊或穩(wěn)定器的高轉(zhuǎn)速雙彎馬達，以便將鉆頭推向一側(cè)造斜。長曲率半徑井眼的彎曲率較小，井眼的造斜率一般為13/10m。(4) 長曲率半徑鉆井系統(tǒng)與鉆中曲率半徑井眼使用的工具相似。設備：現(xiàn)在多用導向馬達進行造斜，因為這種馬達的鉆井速度較高，定向控制也更為精確。最初經(jīng)常用轉(zhuǎn)盤鉆具組合進行鉆進；造斜

15、方法：特點：3水平井鉆進過程中的主要問題井下測量困難。由于鉆具自重造成貼向井眼下側(cè)井壁，摩擦阻力增大；鉆壓施加困難；嚴格控制井眼孰跡較難；巖屑不易帶出，易造成井下事故；井壁不穩(wěn)定；固井難度大；選擇合適的完井方法和固井技術(shù)等?？梢圆扇〉拇胧嚎刹捎么蠊β实尿?qū)動系統(tǒng)(如頂部驅(qū)動系統(tǒng))和優(yōu)選鉆具組合；使用優(yōu)質(zhì)洗井液，保持井眼具有良好的清潔、潤滑、穩(wěn)定性能；采用先進的隨鉆檢測技術(shù)和連續(xù)井眼軌跡控制技術(shù)；四、大位移井鉆井技術(shù)大位移井是指水平位移與垂直深度之比大于等于2的井。特點：（2）有利于在陸上開發(fā)海上油氣田。（1）控制的含油面積較大，減少開發(fā)井數(shù)。水平位移 水平位移/垂深2垂深造斜點大位移井分支井（多底井） 分支井或多底井50年代初就已出現(xiàn)，90年代以來在美國等西方國家得以大力發(fā)展，其原因是分支井給油氣藏的開發(fā)帶來顯著的經(jīng)濟效益。目前有代表性的分支井技術(shù)及工具服務公司是美國的BAKER HUGHES公司。1、分支井（多底井）基本概念的（1）分支井從一個主井眼中側(cè)鉆出兩個或兩個以上的分支井眼的井。分支井可以從直井、定向井或水平井中開始分支。 （2）多底井一個主井眼中鉆出兩個以上同尺寸的井眼。3、分支井的基本