石油工程概論 第七章 鉆進(jìn)工藝技術(shù)課件

第七章鉆進(jìn)工藝技術(shù)鉆進(jìn)的是破碎巖石，鉆進(jìn)的速度快慢、質(zhì)量和成本的高低，受到地層的物理機(jī)械性能的制約，同時也受到鉆進(jìn)設(shè)備、工具的性能及鉆進(jìn)工藝技術(shù)措施的影響。鉆進(jìn)是通過選擇和使用合適的工具，根據(jù)所鉆地層的特點(diǎn)，選擇合理的工藝技術(shù)，使鉆頭在地層中沿預(yù)定的軌道前進(jìn)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(jìn)的主要因素影響鉆進(jìn)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(jìn)地層的巖石物理機(jī)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。利用其有利方面，并調(diào)節(jié)可變因素適應(yīng)之鉆進(jìn)基本要素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)，與牙齒結(jié)構(gòu)及地層巖性有關(guān)。三、水力因素在鉆進(jìn)過程中，從鉆頭上的噴嘴中噴射出的洗井液(射流)，對鉆進(jìn)過程發(fā)揮著三種作用：清潔、凈化井底，避免重復(fù)切削；保持和擴(kuò)大預(yù)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(yīng)：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。克服壓持效應(yīng)依靠射流的沖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，L／S。鉆頭水功率大，就會使井底的清潔程度高，從而減小重復(fù)破碎所消耗的機(jī)械能，并能在一定程度上增加水力破碎和使破碎帶裂縫擴(kuò)大的效果，使機(jī)械鉆速提高。圖7－3鉆速與水力參數(shù)的關(guān)系曲線四、洗井液性能洗井液密度、粘度、固相含量及其分散性等性能指標(biāo)對鉆速都有明顯的影響。(1)洗井液密度對鉆速的影響洗井液密度↗，壓持效應(yīng)↗，鉆頭的破碎效率↘，鉆速↘。(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↘，鉆頭噴嘴的壓降↘，射流對井底的沖擊作用↗，改善清巖效果，鉆進(jìn)速度↗。(3)洗井液固相含量及其分散性對鉆速的影響固相含量增加會降低鉆進(jìn)速度和鉆頭、泥漿泵壽命；小于lμm的膠體顆粒越多，對鉆速的影響越大。為了提高鉆速，應(yīng)盡可能采用低固相不分散體系洗井液。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(jī)械破碎相結(jié)合，提高鉆進(jìn)速度與進(jìn)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(YoungF．S)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(shí)驗(yàn)確定；Cp───壓差影響系數(shù)，當(dāng)壓力平衡時，Cp＝1；Ch───水力參數(shù)影響系數(shù)，井底達(dá)到充分凈化時，Ch＝1．使用最廣泛2．鉆頭牙齒磨損速度模式Af───地層研磨性系數(shù)，其含義是當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速和牙齒的磨損狀況一定時，牙輪鉆頭牙齒的磨損速度與地層的研磨性成正比，具體數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)確定；Q1和Q2───由鉆頭類型決定的轉(zhuǎn)速影響系數(shù)；D1和D2───由其直徑?jīng)Q定的鉆壓影響系數(shù)；C1───牙齒磨損減慢系數(shù)，均可從相應(yīng)表中查得。3．鉆頭軸承磨損速度模式b為軸承工作系數(shù)，它取決于軸承結(jié)構(gòu)、鉆頭類型、尺寸以及洗井液性能等因素，由實(shí)際鉆井資料中求出。B為鉆頭的軸承磨損量，單位時間內(nèi)的磨損量即為磨損速度，新鉆頭B＝0，軸承損壞則B＝1。4．鉆進(jìn)成本模式Ct───每米鉆進(jìn)成本，元／米；Cb───鉆頭成本，元／只；Cr───鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元／時；Tt、Ts、Td───分別為起下鉆時間，接單根時間和純鉆進(jìn)時間，時；H───鉆頭總進(jìn)尺，米。二、井斜的危害井深會被歪曲，地質(zhì)資料不真實(shí)，甚至?xí)┑粲汀鈱?；由于?shí)際鉆開點(diǎn)和設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離較遠(yuǎn)，可能會打亂油、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(fù)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(biāo)準(zhǔn)表7－1勝利油田生產(chǎn)井的井斜標(biāo)準(zhǔn)勝利油田探井的井斜標(biāo)準(zhǔn)：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3°／100米的標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)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．鉆井設(shè)備安裝不合適，鉆具本體彎曲，絲扣歪曲等也會引起井斜五、井斜的控制井斜出現(xiàn)后采取相應(yīng)的糾斜鉆具和措施進(jìn)行糾斜。通過使用防斜鉆具和措施防止井斜的出現(xiàn)；1．防斜鉆具及原理防斜原理：使鉆頭上面的一段鉆鋌具有盡可能大的剛度和大的直徑，與井眼保持較小的間隙，以便在鉆進(jìn)過程中受鉆壓作用時不易彎曲，并保持鉆柱始終居于井眼中心，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(jìn)。防斜鉆具：一般是采用剛性強(qiáng)的大尺寸鉆具，常用的有扶正器組合剛性滿眼鉆具、塔式防斜鉆具、方鉆鋌防斜鉆具等。2．糾斜鉆具及原理(1)鐘擺鉆具糾斜利用斜井內(nèi)切點(diǎn)以下鉆鋌重量所產(chǎn)生的橫向力將鉆頭推向井眼下側(cè)，以達(dá)到減小井斜的目的。鐘擺力(2)偏重鉆鋌糾斜偏重鉆鋌即是沿普通鉆鋌的一根母線鉆一排均勻分布的孔，從而使鉆鋌一邊重，一邊輕。鉆具在旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個朝向重邊的離心力，且轉(zhuǎn)速越高，離心力越大。這樣就對斜井眼的下側(cè)井壁產(chǎn)生一個較大的沖擊力，而使井斜減小。(3)渦輪鉆具糾斜渦輪鉆具與造斜工具相結(jié)合，向原井斜的反方向造斜，以達(dá)糾斜之目的。第四節(jié)洗井與洗井液一、洗井清洗井底、運(yùn)移巖屑出井的工藝過程。洗井的循環(huán)流程：洗井循環(huán)流程洗井的主要任務(wù)：保證井眼清潔循環(huán)過程中能夠?qū)r屑沖離井底，從環(huán)空中攜帶巖屑上返到地面。循環(huán)中斷時將巖屑懸浮在洗井液中不讓其下沉。三、洗井液性能及維護(hù)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)特殊鉆井工藝技術(shù)一、取心鉆井1．取心工具圖7－6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(hù)巖心取芯工具：取心鉆頭、巖心筒及懸掛裝置、巖心爪等(3)取心工藝做好準(zhǔn)備工作開泵循環(huán)緩慢下放到井底取心鉆進(jìn)割心操作起鉆到地面取出巖心測量、記錄距井底10m到達(dá)預(yù)定進(jìn)尺慢轉(zhuǎn)一段時間二、定向鉆井定義：使井身沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的方向和軌跡鉆達(dá)目的層的鉆井工藝方法。(2)井身剖面類型圖7－7定向井剖面的基本類型類型I造斜深度較淺，在達(dá)到所要求的井斜角后，保持這個角度鉆達(dá)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Ⅱ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(jìn)到預(yù)定的水平位移后，降斜鉆進(jìn)，最后使井眼垂直進(jìn)入目的層。適用于多油氣層，有鹽水層等復(fù)雜情況的，需要下中間套管的深井。類型Ⅲ具有較長的垂直井段，便于在上部實(shí)行快速鉆進(jìn)。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)井下動力鉆具造斜常用的井下動力鉆具主要是渦輪鉆具和螺桿鉆具。常用的造斜工具有彎鉆桿和彎鉆鋌。3．定向井的方位控制通常用來糾正井眼方位的方法是調(diào)整造斜工具在井底的作用方位。及時測量，及時糾正三、水平鉆井指在地下某一深度的地層中沿水平方向鉆出一段水平井眼的工藝過程。水平鉆井：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(shè)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(diǎn)：用高壓水射流破巖鉆進(jìn)而不用鉆頭機(jī)械鉆進(jìn)；鉆柱不旋轉(zhuǎn)；只需要功率較小的車裝鉆機(jī)作為起升設(shè)備。功能：可以鉆出直徑50～100mm，長30～60m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(yīng)用：設(shè)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(fù)老井的產(chǎn)能，當(dāng)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(shè)備：地面設(shè)備與常規(guī)的鉆井設(shè)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300～500m長水平井眼。(3)中曲率半徑鉆井系統(tǒng)a－造斜馬達(dá)b－穩(wěn)斜馬達(dá)1－彎接頭；2－低轉(zhuǎn)速，大扭矩馬達(dá)；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(dá)；10－雙斜式萬向節(jié)外殼圖7－11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(dǎo)向馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)鉆具組合鉆進(jìn)。水平段用導(dǎo)向馬達(dá)或帶雙斜式萬向節(jié)的馬達(dá)進(jìn)行鉆進(jìn)。大直徑中曲率半徑井眼(140～318mm)：造斜段一般用有彎接頭、彎外殼穩(wěn)定器的馬達(dá)進(jìn)行鉆進(jìn)；通常要使用隨鉆測量儀、低速馬達(dá)、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(89～140mm)：造斜段一般用光滑鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)，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(dá)，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1°～3°/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(shè)備：現(xiàn)在多用導(dǎo)向馬達(dá)進(jìn)行造斜，因?yàn)檫@種馬達(dá)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(jìn)行鉆進(jìn)；造斜方法：特點(diǎn)：3．水平井鉆進(jìn)過程中的主要問題⑦井下測量困難。①由于鉆具自重造成貼向井眼下側(cè)井壁，摩擦阻力增大；②鉆壓施加困難；③嚴(yán)格控制井眼孰跡較難；④巖屑不易帶出，易造成井下事故；⑤井壁不穩(wěn)定；⑥固井難度大；④選擇合適的完井方法和固井技術(shù)等。可以采取的措施：①可采用大功率的驅(qū)動系統(tǒng)(如頂部驅(qū)動系統(tǒng))和優(yōu)選鉆具組合；②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；③采用先進(jìn)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(diǎn)：（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?dāng)?shù)。水平位移

水平位移/垂深≥2垂深造斜點(diǎn)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(jì)效益。目前有代表性的分支井技術(shù)及工具服務(wù)公司是美國的BAKERHUGHES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