石油的形成及套管井结构介绍

1、石油的形成及套管井结构介绍培训资料目录第一章 油气田的相关知识2第一节 油气田的形成要素2第二节 圈闭的概念及其组成3第三节 油气的成分4第四节 生油层的岩性4第二章 油气田的勘探4第一节 重力勘探法5第二节 磁法物探5第三节 电法勘探6第四节 反射波法地震勘探6第五节 核法勘探7第三章 钻井的介绍8第一节 钻井方式8第二节 钻井平台8第三节 钻井工艺9第四章 套管井固井质量11第一节 套管井井身结构12第二节 套管井固井的目的13第三节 套管井固井的方法14第五章 射孔工艺15第一节 射孔器结构16第二节 电缆射孔校深方法17第三节 油管输送射孔校深的条件和方法19第六章 套管井井口装置及测

2、井树介绍20第一节 井口防喷装置21第二节 井口采油树装置22第三节 注水井口装置22第四节 热采井口装置23第一章 油气田的相关知识我们已经在地球上发现3000种以上的碳氢化合物，石油是由其中350种左右的碳氢化合物形成的，比石油更轻的碳氢化合物则成为天然气。石油的原料是生物的尸体，科学研究，60%的石油是在恐龙称霸地球时期所形成的。主要由藻类等浮游植物遗骸及恐龙尸体堆积而成。生物的细胞含有脂肪和油脂，脂肪和油脂则是由碳、氢、氧等3种元素组成的。生物遗体沉降于海底或湖底并被淤泥覆盖之后，氧元素分离，碳和氢则组成碳氢化合物。第一节 油气田的形成要素油、气藏形成的基本条件，应当包括充足的油气来源

3、、有利的生储盖组合、有效的圈闭和良好的保存条件。(1)充足的油气来源充足的油气来源是形成储量丰富的油气藏的重要前提。生油凹陷面积大，持续时间长，可以形成巨厚的多旋回性的生油层系，可以生成丰富的油气。(2)有利的生储盖组合所谓有利的生储盖组合是指生油层中生成的油气能及时地运移到储集层中，即具有良好的输送通道和畅通的排除条件；同时盖层的质量和厚度又能保护运移到储层中的油气不会散失。(3)有效的圈闭有效的圈闭是指那些形成时间早于或同时于油气运移时间的、位于油源区相对较近的和水动力冲刷影响不大的圈闭。(4)良好的保存条件良好的保存条件也是油气藏存在的必要条件，良好的保存条件应当包括三个方面：1地壳运动

4、对油气藏的破坏不大2岩浆活动对油气藏的保存没有影响3水动力冲刷也没有破坏油气藏的存在。总之，生油层将生物尸体腐败生成的油气，经过油气的运动，转移到储集层，再在储集层经过横向和纵向运移，进入到圈闭中，即形成油气田。油气田形成后，还要经受地壳运动的“考验”，有的油气田的盖层或圈闭遭到破坏，油气逸散到地表。有的则保存至今，成为现在的能源生产基地。石油和天然气之所以能够聚集起来，是由于这里受局部构造单位控制，形成了各种圈闭。这类局部构造单位可以是穹隆、背斜、单斜、刺穿构造等等，在它们所控制的范围内往往伴生多种圈闭，从而形成多种油气藏。这些受同一局部构造单位控制的面积内油藏、气藏的总称，就是一个油气田。

5、如图一所示。图一：背斜油气藏示意图第二节 圈闭的概念及其组成圈闭是能阻止油、气继续运移，并使油、气聚集起来形成油、气的地质场所。它是由如下三个部分组成的： 图二：圈闭示意图(1)储集层：具有储集油气孔隙空间和使流体运移能力的岩层。(2)盖层：盖在储集层之上的、不渗透的、能够阻止油气散失的岩层。(3)遮挡物：从各个方面阻止油气继续运移的封闭条件。圈闭的基本功能就是聚集油气，它的存在是形成油气藏的必要条件，如图二所示。第三节 油气的成分石油的化学组成主要包括以下三方面：（一）石油的元素组成：石油主要由碳、氢及少量硫、氮、氧等元素组成。（二）石油的化合物组成： 1石油中的烃类化合物包括烷烃、环烷烃和

6、芳香烃。 2石油中的非烃化合物包括含硫化合物、含氮化合物及含氧化合物。天然气主要含甲烷，此外还有较多的重烃气。第四节 生油层的岩性沉积岩中细粒的岩石,如泥岩、页岩、碳酸盐岩等均可作为良好的生油层。按岩性,生油层可分为两大类：一类是泥质生油岩,另一类是碳酸盐岩生油岩。作为生油岩的颜色以褐、灰褐、深灰、黑色等暗色为好,灰、灰绿色次之。生油层中富含生物化石或有机质。第二章 油气田的勘探煤、石油、天然气作为重要的能源资料，其中，石油和天然气大多储存在几百米乃至几千米的地下，需要石油工作者艰苦的努力，不断改进、创新技术，才能更多更好勘探、开采地下原油。地质勘探就是石油勘探人员运用地质知识，携带罗盘、铁锤

7、等简单工具，在野外通过直接观察和研究出露在地面的底层、岩石，了解沉积地层和构造特征。收集所有地质资料，以便查明油气生成和聚集的有利地带和分布规律，以达到找到油气田的目的。但因大部分地表都被近代沉积所覆盖，这使地质勘探受到了很大的限制。地球物理勘探（简称物探）是根据地质学和物理学的原理，通过不同的物理仪器观察地面上各种物理现象，推断地下地质情况，达到找油的目的。物探是一种较新的技术，它包括重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探和核法勘探。第一节 重力勘探法重力勘探是以探测对象与其周围岩（矿）石之间的密度差异为基础，通过观测和研究重力场的变化规律，查明地质构造、寻找矿产（矿藏）及探测物的一种物探方

8、法。它主要用于探查含油气远景区中的地质构造、盐丘及圈定煤田盆地；研究区域地质构造和深部地质构造；与其他物探方法相配合，寻找油气资源。如图三所示。图三：重力勘探寻找的背斜储油构造第二节 磁法物探磁法物探是以探测对象与其周围岩（矿）之间的磁性差异为基础，通过观测和研究天然地磁场及人工磁场的变化规律，查明地质构造、寻找矿产（藏）及探测物的一种物探方法。它主要用于各种比例尺的地质填图；勘察油气构造及煤田盆地；预测成矿远景区；研究区域地质构造；另外还可寻找铁矿及含磁性矿物的金属矿及非金属矿，为打捞沉船、沉车定位，确定古人类遗迹等。第三节 电法勘探电法勘探是以岩、矿石电学性质的差异为基础，通过观测和研究与

9、这些差异有关的电场或电磁场在空间和时间上的分布特点和变化规律，来查明地下地质构造和寻找有用矿产的一类勘察地球物理方法。电法勘探分支众多，一般归为两大类：传导类电法传导类电法研究的是稳定电场或似稳定电场，包括电阻率法、充电法、自然电场法和激发极化法等。感应类电法感应类电法研究的是交流电磁场，统称为电磁法，其中又可分为电磁剖面法和电磁测探法。第四节 反射波法地震勘探在地球物理勘探中，反射波法地震方法是一种极重要的勘探方法。地震勘探是利用人工激发产生的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘测地下地质情况的方法。地震波在地下传播过程中，当地层岩石的弹性参数发生变化，从而引起地震波场发生变化，并发生反射、

10、折射和透射现象，通过人工接收变化后的地震波，经数据处理、解释后即可反演出地下地质结构及岩性，达到地质勘查的目的。地震勘探方法可分为反射波法、折射波法和透射波法三大类，目前地震勘探主要以反射波法为主。地震勘探的生产工作基本上可分为三个环节：第一个环节是野外采集工作。这个环节的任务是在地质工作和其他物探工作初步确定的有含油气希望的探区布置测线，人工激发地震波，并用野外地震仪把地震波传播的情况记录下来。进行野外生产工作的组织形式是地震队，主要内容是激发地震波，接收地震波。如图四、五所示。图四：陆地地震勘探示意图图五：海洋地质勘探示意图第二个环节是室内资料处理。这个环节的任务是对野外获得的原始资料进行

11、各种加工处理工作，得出的成果是“地震剖面图”和地震波速度、频率等资料。如图六所示。图六：地震勘探成果图第三个环节是地震资料的解释。这个环节的任务是运用地震波传播的理论和石油地质学的原理，综合地质、钻井的资料，对地震剖面进行深入的分析研究，说明地层的岩性和地质时代，说明地下地质构造的特点；绘制反映某些主要层位的构造图和其他的综合分析图件；查明有含油、气希望的圈闭，提出钻探井位。第五节 核法勘探核法勘探是利用岩、矿石中天然放射性核素含量及种类的差异，以及在人工放射源激发下岩、矿石产生的各种核物理现象来勘查地下地质构造或寻找有用矿产的地球物理方法，简称核物探。第三章 钻井的介绍钻井通常按用途分为地质

12、普查或勘探钻井、水文地质钻井、水井或工程地质钻井、地热钻井、石油钻井、煤田钻井、矿田钻井、建筑地面钻井等。第一节 钻井方式1、顿钻顿钻，又称冲击钻。用钢丝绳把顿钻钻头送到井底，由动力驱动游梁机构，使游梁一端上下运动，并带动钢丝绳和钻头产生上下冲击作用，使岩石破碎。顿钻钻速慢，效率低，不能适应井深日益增加和复杂地层的钻探要求，逐渐被旋转钻代替。但它有设备简单，成本低，不污染油层等优点，可用于一些浅的低压油气井、漏失井等。2、旋转钻利用钻头旋转时产生的切削或研磨作用破碎岩石。是当前最通用的钻井方法。比顿钻钻速快，并易于处理井塌、井喷等复杂情况。按动力传递方式，旋转钻又可分为转盘钻和井下动力钻两种：

13、转盘钻在钻台的井口处装置转盘，转盘中心部分有方孔，钻柱上端的方钻杆穿过该方孔，方钻杆下接钻柱和钻头，动力驱动转盘时带动钻柱和钻头一起旋转，破碎岩石。井下动力钻是利用井下动力钻具带动钻头破碎岩石，钻进时钻柱不转动，磨损小、使用寿命短，特别适于打定向井。井下动力钻有涡轮钻、螺杆钻和电动钻等。井下动力钻具钻井是利用涡轮钻具、螺杆钻具以及冲击旋转钻具靠钻井液驱动的方法钻井。特点是进尺快、钻压小、泵压高。适合钻定向井或特殊硬底层井段。钻井设备按功能分为旋转系统、提升系统、泥浆循环系统。动力与传动系统和控制系统等。第二节 钻井平台将石油钻井平台分为海上钻井平台和陆地钻井平台两类。海上钻井平台（drilli

14、ng platform）是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要分为移动式平台和固定式平台两大类。其中按结构又可分为：（1）移动式平台： 坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台（2）固定式平台：导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台固定式钻井平台大都建在浅水中，它是借助导管架固定在海底而高出海面不再移动的装置，平台上面铺设甲板用于放置钻井设备。支撑固定平台的桩腿是直接打入海底的，所以，钻井平台的稳定性好，但因平台不能移动，故钻井的成本较高。为解决平台的移动性和

15、深海钻井问题，又出现了多种移动式钻井平台，主要包括：坐底式钻井平台、自升式钻井平台、钻井浮船和半潜式钻井平台。图七：钻井平台示意图第三节 钻井工艺石油钻井工艺的特点是：井眼深、压力大、温度高、影响因素多等。以往主要靠经验钻井，50年代开始研究影响钻井速度和成本的诸因素及其相互关系。钻井新技术、新理论不断出现。井眼方向必须控制在允许范围内。根据油气勘探，开发的地质地理条件和工程需要，分直井和定向井两类，后者又可分为一般定向井、水平井、丛式井等。直井井眼沿垂直方向钻进并在规定的井斜角和方位角范围内钻达目的层位，对井眼曲率和井底相对于井口的水平位移也有一定的要求(图八所示)。生产井井底水平位移过大，

16、会打乱油田开发的布井方案；探井井底水平位移过大，有可能钻不到预期的目的层。井的全角变化率过大会增加钻井和采油作业的困难，易导致井下事故。影响井斜角和方位角的因素有：地质条件，钻具组合，钻井技术措施，操作技术以及设备安装质量等。为防止井斜角和井眼曲率过大，必须选用合理的下部钻具组合。常用的有刚性满眼钻具组合（图2）和钟摆钻具组合(图3)两种。前者可采用较大的钻压钻进,有利于提高钻速,井眼曲率较小，但不能纠斜,后者需控制一定的钻压,响钻速，但可用来纠斜。图八：井斜示意图定向井沿预先设计的井眼方向(井斜角和方位角)钻达目的层位的井。主要用于： 地面地形限制，如油田埋藏在城镇、高山、湖泊或良田之下；

17、丛式钻井；因地质构造特殊（如断层、裂缝层，或地层倾角太大等）的需要，钻定向井有利于油、气藏的勘探开发； 理井下事故，如侧钻，为制止井喷着火而钻的救险井等。 定向井的剖面设计，一般由直井段、造斜段、稳斜段和降斜段组成。造斜和扭方位井段常用井下动力钻具(涡轮钻具或螺杆钻具) 加弯接头组成的造斜钻具（图4）。当井眼斜度最后达到或接近水平时，称为水平井。定向钻进时，必须经常监测井眼的斜度和方位，随时绘出井眼轨迹图，以便及时调整。常用的测斜仪有单点、多点磁力照相测斜仪和陀螺测斜仪。近年来，还使用随钻测斜仪，不需起钻就可随时了解井眼的斜度和方位，按信号传输方式分有线及无线两种，前者用电缆传输信号，后者用泥

18、浆脉冲、电磁、声波等。丛式井又称密集井、成组井(图九), 在一个位置和限定的井场上向不同方位钻数口至数十口定向井，使每口井沿各自的设计井身轴线分别钻达目的层位，通常用于海上平台或城市、良田、沼泽等地区，可节省大量投资，占地少，并便于集中管理。图九：丛式井示意图第四章 套管井固井质量为了达到加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的封层测试及整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒于钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。因此固井包括了两部分：下入套管的工艺和注入水泥浆的工艺叫做固井工艺。固井作业是通过固井设计，应用配套的固井设备、辅助设备及工具，将油井水泥、

19、水和添加剂按一定的比例混合后，通过固井泵泵注入井，并顶替到预定深度的井壁与套管、（套管与套管）的环形空间内，使套管与井壁、（套管与套管）之间形成牢固粘结。第一节 套管井井身结构井身结构是指套管层次和每层套管的下入深度、水泥浆的返高及套管和井眼尺寸的配合。井身结构不但关系到钻井工程的整体效益，还直接影响油井的质量和寿命。各层套管的具体作用为：如图十所示：1）导管：建立表层钻进的泥浆循环。2）表层套管：用于封隔上部不稳定的松软地层和水层，安装井口装置，控制井喷和支撑技术套管与油层套管的重量。3）技术套管/尾管：用以分隔难以控制的复杂地层，保证钻井工作顺利。技术套管/尾管不是一定要下的，争取不下或少

20、下技术套管/尾管。4）油层套管/尾管：用以把生产层和其他地层封隔开，把不同压力的油、气、水层封隔起来，在井内建立一条油、气通路。保证长期生产，并能满足合理开采油、气和增产措施的要求。图十：井身结构示意图第二节 套管井固井的目的一口油井深达数千米，在钻井过程中常常遇到井漏、井塌、井喷等复杂情况，影响正常钻进，严重时甚至导致井眼报废。遇到上述情况就应下套管固井，封隔好复杂地层后，再继续钻进，直到建立稳定的油气通道为止。因此,为了优质快速钻达目的层，保证油气田的开采，就要采用固井。1）、在钻进过程中封隔易坍塌、易漏失等复杂地层，巩固所钻过的井眼保证钻井顺利进行。当从A点钻进至B点，如果在A点井深处没

21、下套管固井，那么随着井深的变化，钻达B点所用泥浆密度在A点产生的压力就会大于A点地层破裂压力，造成A点地层破裂，发生井漏。同理，当从B点钻进至C点，如果在B点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达C点所用泥浆密度在B点产生的压力就会大于B点地层破裂压力，造成B点地层破裂，发生井漏。如图十一所示：图十一：下套管固井原理示意图2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。固井工程不仅关系到钻进的速度和成本，还影响到油气田的开发。如果油、气层与水层间水泥固结不好，层间互相窜通，那么会给油气田开发带来很大困难。当油、气层压力大于水层压力时，油、气便会窜入水层内，既污染了水层又影响到油气的产量；当水层压力

22、大于油、气层压力时，水便会窜入油气层内，造成油田开发早期出水，严重时会水淹破坏整个油气田。因此，必须确保固井质量，对地层内不同类型的流体有效封隔。如图十二所示：图十二：固井工程防止串层3）、支撑套管和井口装置，建立油气通道。钻完井工艺要求固井后套管与地层间在水泥作用下应具有良好的胶结，因为固井后水泥环不仅要支撑套管的重量，而且要承受安装在套管上井口装置的重量，准备下一次开钻或完井投产。若水泥封固质量差，则会导致套管下沉或井口装置的不稳定，影响正常作业或油气通道的建立。4）保护上部砂层中的淡水资源不受下部岩层中油、气、盐水等液体的污染；5）油井投产后，为酸化压裂进行增产措施创造了先决有利条件。第

23、三节 套管井固井的方法1）表层套管的固井方式采用正注法，如图十三所示。图十三：表层套管固井示意图2）技术套管及生产套管应用反注法，从套管内注入，用活塞施压后让水泥浆从环形空间内返高，返高高度一般为表层套管深度，其余为自由套管，在测量固井质量时可作为空套管刻度用。如图十四所示：图十四：技术套管固井示意图3）海洋油田与陆地油田有区别，在钻井时先将表层套管用反注法胶注良好后，再钻井至油层，下注技术套过后，用反注法将水泥浆注入环形空间胶注。如图十五所示：图十五：海洋油田套管井固井示意图第五章 射孔工艺射孔是指在产层段下入油层套管，用水泥封固产层后再用射孔弹将套管、水泥射穿，并穿进部分产层岩石形成油气流

24、的通道，联通产层和井筒的完井方法。第一节 射孔器结构射孔器是油气井射孔完井作业必不可少的穿孔工具。射孔器指完成射孔工作的设备、装置及其组合。有聚能射孔器、水力射孔器、复合射孔器等，最常用为聚能射孔器。聚能射孔器具有施工效率高、热稳定性好、操作简便和安全可靠等优点。射孔弹是射孔器的主要部件，直接决定射孔器的穿孔效果，目前油田上普遍采用聚能射孔弹射孔。采用聚能射孔弹射孔时，聚能射孔弹产生的高压、高温、高速粒子流在穿透套管、水泥环进入地层形成孔道时，水泥环、岩石受到高温、高压射流冲击作用后变形、破碎和压实，在射孔孔道的周围就会形成一个压实损害带。岩石受到压力的冲击，会产生压缩变形。变形的结果是孔道边

25、壁上的岩石被压紧，密度增加，孔隙缩小甚至闭合。这种现象称为射孔孔道边壁的压实。研究表明破碎压实带的渗透率只有原始渗透率的10%左右，降低了油井的生产能力。如图十六所示：图十六：聚能弹示意图孔的主要工具是射孔枪，如图十七所示，它将几十发甚至几百发射孔弹串在一起，用导爆索引爆进行射孔的工具。按其枪身结构分为两类，若将射孔弹装配在密封的钢管内，则称其为有枪身式射孔器；若将单个密封的射孔弹用钢丝、金属杆或薄金属带连起来，直接下井射孔，则称为无枪身式射孔器。图十七：射孔抢实物图射孔弹常用的的激发方式有以下几种：1）电缆直流或者高频激发点火方式；2）投棒激发点火方式；3）存储式压控点火方式第二节 电缆射孔

26、校深方法1.校深原理射孔层位 (目的层)的深度可在裸眼测井中的GR 或SP 曲线读出；在测量固井质量时将套管接箍的深度和裸眼测井的深度相结合，所以得出射孔层位和套管的绝对深度。射孔时，应用CCL或者GR仪器，用测量套管接箍曲线和原始绝对深度进行校对，从而进行射孔。如图十八所示：图十八：电缆射孔校深曲线图2校深及射孔装置可分三部分：马笼头，用来连接电缆与井下仪器；定位器，用来校深定位一般都使用CCL。GR 仪也可用来校深定位，但因其探头是晶体材料，一般不用来与射孔枪连接使用，若要使用，必须为抗震伽玛仪器；射孔枪，分点火头、枪身、枪尾三部分。为便于校深定位，通常都在固井下套管时，在靠近射孔井段顶界

27、预先下一根短套管，射孔前进行校深测井，以确保射孔枪能定位在预先设计的深度上。值得注意的是射孔枪长度必须小于或者等于射孔层的厚度，而地层底界对准枪底端第一发射孔弹，地层顶界对准枪顶端第一发射孔弹。3校深过程射孔管串井口对零，入井后，首先测量标准接箍（即短套管）深度。校深时，测得曲线的深度比标准深度曲线浅时，其差值D>0；测得曲线的深度比标准深度曲线深时，其差值D<0。测完标准接箍后，与固井质量图上的曲线相比较，可标出D，在深度面板上，则可校得正确的深度=测量深度+D。通过测量井下标准接箍来定位是比较科学、可信的，但在特殊情况下也可用在电缆上做记号测量射孔深度，此方法仅作为一个辅助判断手段。如图十九所示：图十九：电缆射孔结构图第三节 油管输送射孔校深的条件和方法1、条件：1)在组合井口中，已安装井口油管四通。2)有准确的油气层射孔深度和钻井下油层套管，在射孔