深井超深井课件

1、 第四讲深井超深井钻井技术 Deep Well Drilling 主要内容深井超深井的基本概念和特点深井超深井发展概况发展深井超深井钻井技术的意义深井超深井钻井设备提高深井超深井机械钻速的措施深井超深井钻井液技术深井超深井钻井设备发展预测一、深井超深井的基本概念和特点1、基本概念深井 井深在45006000米的直井。超深井 井深在60009000米的直井。特超深井 井深超过9000米的直井。2、特点* 裸眼井段长，要钻穿多套地层 压力系统；* 井壁稳定性条件复杂；* 井温梯度和压力梯度高；* 深部地层岩石可钻性差；* 钻机负荷大。深井超深井钻井是一项复杂的系统工程，经济和技术上有很大的风险性。

2、二、深井超深井钻井技术发展概况 深井超深井钻井技术是为勘探和开发深部地层的油气资源而发展起来的，开始于30年代末期，80年代以来有大的发展，完井井深已超过10000米。在世界上深井超深井钻井技术领先的国家有美国、俄罗斯、德国、法国和意大利等。1、国外发展概况 美国于1938年钻成世界上第一口4573米的深井，1949年钻成6255米的超深井。 1984年前苏联创造了12400米的世界超深井的记录。德国于1994年钻成一口9107米的超深井。迄今为止，世界上已钻成8000米以上的超深井11口，其中美国6口，前苏联2口，挪威1口，奥地利1口，原民主德国1口。 2、 国内发展概况 我国深井超深井钻井

3、技术起步较晚，始于60年代末。 1966年7月28日大庆油田完成一口4719米的深井， 揭开了我国深井钻井技术发展的序幕。我国深井超深井钻井技术的发展大体分三个阶段：第一阶段 1966年1975年。 继大庆油田完成我国第一口 深井之后又陆陆续续在大港、 胜利和江汉油田打成了4口超过5000米的深井，初步积累了钻深井的经验。第二阶段 1976年1985年。 1976年4月30 日我国在四川地区完成了第一口6011米的超深井。从1976年到1985年，完成了100多口深井，10口超深井。其中四川的关基井7175米，一直是我国最深的井；新疆的固2井7002米。直到2007年完成了塔深1井8408米，

4、目前为亚洲最深。第三阶段 1986年至今。 80年代末期以来，我国的深井超深井进入大规模的应用阶段，1986至1997年我国共完成深井超深井688口，其中超深井34口。三、发展深井超深井钻井技术的意义 深井超深井钻井技术是为勘探和开发地层深处的油气资源而发展起来的。从我国的的情况来看，陆上石油资源储量为694亿吨，目前探明172.8亿吨，探明率为25%；陆上天然气资源量 为30万亿立方米，目前探明1.2万亿立方米，探明率仅为4%。 西部地区（包括塔里木、准葛尔、土哈和才达木四个盆地）的石油资源量占全国总资源量的38%，探明率仅为9%，是我国石油产量的主要接替地区。西部地区的石油资源量的 73%

5、埋藏在深部地层，所以要靠深井和超深井进行勘探开发。 东部地区是我国石油的主力产区，浅层和中深层的勘探程度较高，深层较低，如渤海盆地石油资源的探明率为38%，且探明的主要在浅层和中深层，深部地层尚有53亿吨的石油储量可供勘探。 中部地区（包括陕甘宁、四川两大盆地）是天然气的集中区，但探明率极低，有52%的天然气资源量在深部地层，所以中部地区深井超深井的钻井工作量将大幅度增加。 深井超深井钻井技术在我国有广阔的前景。四、深井超深井钻井设备 先进的钻井设备是钻成深井超深井的关键之一。（一）国外 1、 概况 国外的深井超深井钻机分为6000米、7000米、8000米、9000米、10000米和1500

6、0米的，钻机装备先进精良。美国是目前拥有深井钻机最多的国家，估计世界上目前钻9000米以上的钻机有90多台，而美国就占80多台，且其中钻10668米以上的8台，有1台可钻深22860米。 2、 国外超深井钻机的特点 * 采用可控硅直流电机驱动，可使钻机在较大范围内调速，省去了庞大昂贵的变速装置及传动装置，传动控制方便，提高传动总效率（机械传动效率约为75%，电驱动传动效率为86%）；动力机组与钻井设备可相互远离，布置安装方便，占地面积小，可避免噪音。 * 配备大功率的三缸柱塞式泥浆泵，压力高，排量大。 * 配备大通径的转盘，8000米以上的钻机转盘通径为49.5英寸。国外超深井钻机基本技术参数

7、国 别 美国 美国 美国 美国 钻机型号 2050-E 3000E 4000E E3000额定功率（HP） 4000 3000 4000 3000 钻深范围（M） 6100-15250 5486-9150 15250 9150 最高泵压（kg/cm2） 421 351 351 352最大排量 （L/min） 3459 4447 31263、其它钻井设备钻杆 用耐高温（1500C以上），耐腐蚀 （H2S环境），高强度合金钢制成。井控装置 美国研制了176MPa的防H2S 的常规防喷器和旋转防喷器。井口装置 美国研制了用耐高温（2160C 以上），耐高压（工作压力达211MPa），耐腐蚀（H2S环

8、境）的采油树。钻头 钻头在深井超深井钻井中占有极重要的地位，钻头的好坏对提高钻井速度，缩短钻井周期有直接影响。美国和一些先进的国家不断研制新型高效钻头，用于深井超深井钻井。常用的钻头种类（1）常规PDC钻头 适用于软-中硬的均质的地层。（2）TSP（热稳聚晶金刚石）钻头 可钻中等研磨性砂岩、硬砂 岩夹层、碳酸盐岩等硬地层，且抗冲击能力强和耐高温。（3）PDC+金刚石孕镶块混合钻头 适用于含坚硬夹层的地层或 磨性强的地层。（4）PDC+TSP混合齿钻头 可钻中硬、硬和含硬夹层的地层， 如粉砂岩、石灰岩和白云岩等。（5）大切削齿PDC钻头 总切削面积比普通PDC齿大35%左右， 切下来的岩屑量多3

9、倍左右。（6）金刚石强化镶齿牙轮钻头 适用于硬地层和研磨性地层。（二）国内 概况 在我国深井钻井的第一阶段（1966-1975）是用经改造和加固的3200米钻机和塔式井架，钻杆是从原苏联进口的，钻头在上部地层用刮刀，下部地层用滚动轴承三牙轮钻头。 从1976年开始，我国从罗马尼亚多次批量进口6000米深井钻机，总数超过100台，成为陆地钻深井的主力钻机。 从1985年起我国陆续引进了美国的5000-9000米的电驱动钻机22台。90年代中期我国自己研制成功了6000米深井电驱动钻机，且达90年代的国际水平。 （目前我国共有各类钻机1000多台，其中电驱动钻机近100台，可钻深井的电驱动钻机24

10、台，国产的仅有一台。）（三）国外先进的钻井设备简介 目前国外先进的钻井设备主要有：自动化钻机、自动垂直钻井系统。1、自动化钻机 世界上第一台自动化钻机（RA-D）由英国于1991年研制成功，能自动操作所有管具，最大限度地减少人工操作，提高了安全性和可靠性。KTB钻机 KTB是德国超深井钻井计划的简称，于1989年开始，有12家公司，300多名科学家参加，共进行100个项目的研究。KTB钻机是由德国三家公司共同研制的用于项目计划的钻机，是目前世界上最先进的钻机。左图为KTB钻机 井架 高 83.17米;最大负荷 800吨;最大钻深 12000米;设备自重 1300吨;泥浆泵 三缸单作用泵最高泵压

11、 513kg/cm2最大排量 5066L/min半自动钻杆操作系统 系统由钻杆机械手、绞车、铁钻工、双吊卡、钻杆自动排放架、钻杆输送装置、液压大钳、控制板组成。起下钻、接单根时，操作人员在值班房里通过控制面板给钻杆操作系统发出各种指令，由机械手、铁钻工等自动完成各项操作动作，完全替代了钻工在钻台上操作，节省了人力，减轻了操作人员的劳动强度，并大大提高作业质量，缩短作业时间（起下钻时间可减少30%）。2、VDS自动垂直钻井系统（Vertical Drilling System） 自动垂直钻井系统是德国专为KTB计划而设计的，1988年到1992年，先后开发了5种型号的VDS系统。在钻进过程中可自

12、动使井眼保持垂直。 在KTB项目中，VDS系统共下井80多次，每次工作42小时，最大使用井深达到7200米，大部分的井井斜都小于10，最大的2.50,对井斜的控制取得了显著的效果。3、SDD自动直井钻井系统（Straight-hple Drilling Device）SDD自动直井钻井系统是意大利的AGIP公司和美国的Baker Hughes公司合作，在VDS的基础上研制的新一代自动直井钻井装置，更能满足钻井作业的要求，它一投入现场使用便获得较大成功。五、提高深井超深井机械钻速的措施1、运用井下动力钻具 井下动力钻具+PDC钻头已成为提高机械钻速的一项重要措施。动力钻具钻井的优点（1）有利于提

13、高机械钻速和减少钻头事故； 由于钻头没有活动部件，所以可有效地防止钻头事故；在软-中硬地层中，比转盘钻井钻速可提高50-70%，甚至可提高1-2倍。（2）有利于减少钻具事故； 使用动力钻具钻柱不旋转，减少了钻具和套管的磨损，延长钻杆寿命2-10倍。（3）可有效地控制井斜；（4）有利于实现中筒取芯。2、使用顶部驱动系统 顶部驱动系统用接立根代替了接单根，使接钻柱的时间减少2/3；可进行倒划眼；起下钻时可不间断旋转钻杆和循环泥浆。3、使用欠平衡压力钻井4、使用井下液体增压器井下液体增压器井下液体增压器是1993年美国的FlowDrill公司和美国天然气研究联合研制的。它实质上是一种往复增压器型超高

14、压泵。增压器安装在钻头的上方，其尺寸与普通钻铤的尺寸相近。 使用时钻井液以常规的流量和比常规泵压高10-14MPa的压力泵入钻柱，流向增压器。增压器把大约7%-15%的流体增压到207Mpa以上，然后把这部分流体通过钻头内的单独流道输出到钻头的一个加长喷嘴，射向井底，从而辅助钻井。 实践证明，该系统可提高钻速1.5-2倍.井底增压器的工作原理（略）5、 用水射流钻井装置 如右图所示，水射流钻井装置是完全靠水射流从击破碎岩石。它可用于多种类型的井眼（如直井、斜井和水平井），还可用于取芯，对固结和非固结地层都可大大提高钻速。水射流钻井容易控制井眼方向，减少井眼漂移。6、水力参数设计深井钻井速度明显

15、提高 完成了如塔里木东秋8、迪那201、柯深101，却勒1，却勒4，却勒6，准噶尔南缘西5井、霍10井、霍001、霍002井，玉门窿9井等一批高难度的复杂深井。创造了一批新的深井纪录井号井深（m）钻井周期（天）解放137458016.35轮南26-5501021.85牙哈23-1-5505341.6哈得8560047.63东河4-4-6618082.17牙哈地区平均井深5238m，平均钻井周期61.3天哈得地区直井平均井深5212m，平均钻井周期59.5天哈得地区水平井平均井深5746m，平均钻井周期80.7天轮古地区平均井深5667m，平均钻井周期71.9天六、深井超深井钻井液 对深井超深井

16、，钻井液的性能钻井的成败尤为重要。 由于普通泥浆高温高压下会发生降解而失效，因此，钻深井超深井必须使用专门的泥浆。1、深井超深井钻井液应满足的要求： 具有高温稳定性、良好的 滑性和剪切稀释性；固相含量低；高压失水量低；抗各种可溶性盐类和酸类气体的污染；有利于处理、配制、维护和减轻地层污染。 2、深井超深井钻井液要解决的技术难题 （1）井愈深，井下温度压力愈高，钻井中泥浆在井下停留和循环的时间愈长，使深井超深井泥浆的性能变化和稳定性成为一个突出的问题。 （2）深井超深井裸眼井段长，地层压力系统复杂，泥浆密度的合理确定和控制更为困难；使用重泥浆时，压差大，出现井漏、井喷、井塌、压差卡钻以及由此而带

17、来的井下复杂问题的可能性增大。 （3）深井钻遇地层多而杂，地层中的油、气、水、盐、粘土等的污染可能性增大，且会因高温作用对泥浆体系的影响而加剧，从而增加了泥浆体系抗污的技术难度。 （4）泥浆对深部油层的损害，因高温而加剧。 （5）井深起下钻作业时间长，各种与泥浆性能有关的井下事故更容易诱发和恶化。 （6）泥浆对钻具的腐蚀因高温而加剧。3、 深井超深井钻井液类型 深井超深井使用的钻井液分为水基和油基两类。具统计，8000米以内的井多为水基泥浆；而超过8000米的井大多用油基泥浆。 * 油基泥浆优点 油基泥浆的性能受高温影响较小，受压力的影响较大，高温性能容易控制，抑制页岩水化的能力很强，因此，油

18、基泥浆是解决深井泥页岩、盐、膏泥岩层井壁不稳定的有效办法。 油基泥浆抗地层中的盐、钙和粘土污染的能力强，泥浆的润滑性及滤失性好，能有效地降低钻具的扭矩和摩阻，防止钻具腐蚀，预防深井重泥浆压差卡钻。 油基泥浆在国外的深井中广为应用，特别是在深而复杂井 中应用更多。 *油基泥浆的缺点 与水基泥浆相比，初始成本高，条件苛刻；对环境污染严重，消除费用高；易发生地层漏失；气溶性好，易发生井涌；机械钻速较慢，因而油基泥浆的应用受到限制。水基泥浆 水基泥浆的高温稳定性差，但与油基泥浆相比，水基泥浆成本低廉，易维护，对环境的污染比较容易消除。 所以随着深井钻井液技术的发展，出现了由油基泥浆向水基泥浆发展的趋势

19、。80年代中期以来，国外相继发展了一批抗高温、抗盐、抗钙性能好的水基泥浆处理剂和抗高温的水基泥浆体系。典型水基泥浆体系简介 # 阴离子型聚合物水基泥浆 在其所使用的聚合物的主链CC的侧基上含有磺酸根（SO3H），以提高其抗高温的能力 。 # 合成基油包水泥浆 这是一种以人工合成的有机物为连续相、盐水为分散相，再加上乳化剂、降滤失剂和流型改进剂等组成的泥浆。与油基泥浆相比，其主导思想是将柴油或矿物油换成可生物降解又无毒性的改性植物油类。典型的有酯基泥浆和醚基泥浆等。 # 乙二醇类水基泥浆 # 甲基葡萄糖甙水基泥浆 # 甲酸盐类水基泥浆七、深井超深井钻井设备发展预测国外深井超深井钻井设备发展前景为

20、安全、快速、高效地钻成深井超深井，国外主要研制大型化、自动化钻井设备。1、地面设备的功率将大大提高 号称世界上第一台输出功率为500马力的绞车由大陆爱姆斯科公司研制，由四台高扭矩直流电机驱动。泥浆泵的输入功率可达2500马力。2、将研制自动化钻机 由于勘探和开发的环境条件和地质构造越来越恶劣，自动化钻机将具有很高的适应性、经济性、可靠性和先进性。目前美国和英国等已研制成功了6100米的深井钻机，据预测，到2010年，自动化钻机的用量将大量增加。 自动化钻机将引入智能技术，使之成为智能化钻机。智能钻机成本高，但钻井效率高、经济效益高，是今后发展的方向。 智能钻机主要用于危险性大或边远地区，在钻机

21、上无人操作，通过卫星遥控钻井。到2010年，这种遥控智能钻机将会由一定发展，并取得很好的经济效益和社会效益。 3、 连续管钻机 连续管钻机采用一条很长的柔性金属软管，起下钻时连续地将软管缠绕在一个直径很大的滚筒上，中间不用拆卸钻杆，可节省起下钻时间60%-70%。连续管钻机重量轻，占地面积小。连续管钻机钻深可达15240米。目前世界上有500多台连续管钻机，预计2010年可达800多台。 4、 沙漠钻机（Desert Master or Sandmaster） 经卫星探测，沙漠下蕴藏着丰富的油气，今后石油工业的主攻方向将是沙漠。我国已把油气勘探的重点移向塔克拉玛干大沙漠（即塔里木盆地）。 美国

22、、加拿大在研制沙漠钻机。 目前研制的沙漠钻机的分类 按钻机移动方式分有：单拖车结构；撬装结构；集装化结构。 在沙漠钻井要考虑防沙问题，上述几种钻机都采用了两道防沙结构，即大型防沙棚作为第一道屏障，对钻机起防沙遮阴作用；第二道防沙结构是钻机的所有设备的防沙过滤装置。近几年又研制了新型一次防沙全封闭式空调钻机，这种全封闭式结构风沙无法直接侵入，并且内部的大型空调系统可使钻机周围保持适宜的温度，与外界环境完全隔开。目前世界上仅有两台这种全封闭式钻机，它将是沙漠钻机的发展方向，到2010年，这种沙漠钻机的使用数量将增加到10台以上。 （一）国内常用深井超深井套管、钻头系列 目前，我国深井、超深井钻井中

23、普遍采用的套管结构程序为：20”13 3/8”9 5/8” 7”5” ，少数陆地超深井和海洋钻井已采用 30”20”13 3/8”9 5/8” 7” 5”的套管程序。一、国内深井、超深井套管钻头系列 及分析 国内现有的套管钻头系列在地质条件不太复杂的地区是很适用的，这已为钻井实践所证明。但在复杂地质条件下，这种单一的套管、钻头系列便显示出局限性。从调研情况看，目前采用的套管、钻头系列主要存在以下几方面的问题：1、套管层数少，不能满足封隔多套复杂地层的要求。目前采用的套管程序中有两层技术套管，在钻达设计目的层前只能封隔两套不同压力系统的地层，遇到更多的不同压力系统的地层只能把目的层套管提前下入，

24、结果是提前下入一层套管井眼就缩小一级，最后无法钻达设计目的层。对于复杂地质条件下的深井和超深探井，需要更多层技术套管的井身结构。（二）对国内现用套管钻头系列的分析评价 7“套管接箍的外径为194.5mm，5”套管接箍外径为141.3mm。在8 1/2“ (212.7mm)井眼内下7”套管，其间隙为9.1mm。在5 7/8“(149.2mm)井眼内下5”套管，接箍处间隙只有4.0mm。由于套管与井眼的间隙小，再加上井下复杂（如泥浆固相含量高、高压层、缩径等），常常发生下套管遇阻或下不到预定深度。即使固了井，由于水泥环很薄， 也很难保证层间不窜通，固井质量较差。 如英科1井，四开后用8 3/8“钻

25、头钻达井深6406米，计划下7”尾管封隔已发现的气层后加深钻探。7“尾管下至6131米被卡死，需要试油的层位全部裸露在下边，造成严重的井下情况。类似的情况还有塔里木的克参1井、英买力8井、大宛1井等，在盐岩层井段下7尾管都发生过阻卡，固井质量也不好。2、目的层套管（7和5）与井眼的间隙小，易发生套管阻卡，固井质量也难以保证。 采油和井下作业等希望用7”或5 1/2”套管完井。探井要求井身结构要留有余地，以满足地质加深、取芯作业等方面需要。钻井方面也不愿在下部地层钻危险性大的小井眼，希望使用8 1/2 “ 9 1/2”钻头钻井，这样可以使用5“钻杆，然而，目前在复杂地层深井超深井钻井中，多数采用

26、5 7/8” 6”钻头下5尾管完井。这种小井眼，不利于开采和井下作业，也不利于进一步加深钻进，更不利于钻井作业。3、下部井眼尺寸小（6”），不能满足采油方面和地质加深的要求，也不利于快速、优质、安全钻井。 为适应复杂的深井钻井的要求，海上钻井采用了一种强化型套管、钻头系列，并得到了成功的应用。 海洋复杂深井强化型套管、钻头系列: （36 ）30 -（26 ）20 -（17 1/2 ）13 3/8 -（14 ）11 3/4 -（12 1/4 ）9 5/8 -（8 1/2 ）7 -（6 ）4 1/2 在14 井眼用8 3/412 1/4 14偏心钻头钻进，11 3/4 尾管采用无接箍套管，在12

27、1/4井眼段，用7 7/8 10 5/812 1/4 偏心钻头钻进。9 5/8套管柱的上部用普通接箍的套管，进入11 3/4尾管及以下井眼的套管为无接箍套管。（三）海洋复杂深井钻井采用的强化型套管、钻头系列二、国外深井超深井套管、钻头系列 分析评价（一）国外深井超深井套管、钻头系列 对美国、法国、罗马尼亚、奥地利、沙特阿拉伯及阿联酋等国家的深井超深井钻井资料调研及分析发现，国外在深井超深井钻井中采用的套管、钻头系列的种类很多，随地区、井深、钻井目的及钻井工艺技术水平的不同而不同。套管层次有三层、四层、五层、六层、七层等。套管尺寸最大达到36“(914.4mm)，最小为3 1/2”(88.9mm

28、)。井眼尺寸最大到42“(1066.8mm)，最小到4 3/4(120.7mm)。套管与井眼之间的间隙为9.5mm76.2mm。1. （26）20-（ 17 1/2）13 3/8-（ 12 1/4） 10 3/4- （ 9 1/2）7 5/8-（ 6 1/2） 5 这种套管程序在美国西德克萨斯、俄克拉何马州、密西西北亚巴马等地区获得了成功的应用。2. 36- 26- 20- 16- 10 3/4- 7 3/4-5 这是美国加利福尼亚最深井943-29R井（7445米）采用的套管程序。这种设计的主要目的是使全井都能用5钻杆及较大尺寸钻头钻进，以避免因水敏性页岩在水基泥浆中浸泡时间过长引起的井壁坍

29、塌而造成钻具扭断和钻杆扭断等井下事故。3. 30- 20- 16- 11 7/8- 9 7/8- 7 3/4-5 1/2 这种套管程序在美国怀俄明州Madden地区的Bighorn 15井（7582米）实践过。4. 36-30-24- 18 5/8-13 3/8-9 5/8-7-4 1/2 阿拉伯美国石油公司在沙特阿拉伯钻Khuff地层时成功地采用了这种套管程序。5. 32- 24 1/2- 16- 13 3/8- 9 5/8- 7 5/8德国KTB超深井采用的套管程序。6. 30- 24- 20- 16- 13 3/8- 11 3/4- 9 5/8- 7 5/8这是拉丁美洲和墨西哥海湾地区复

30、杂深井超深井钻井中采用的套管程序。采用了新型的无接箍套管，既增加了套管层次来封隔多套复杂地层，又可以使用较小尺寸的导管和表层套管，1、开眼直径大，导管和表层套管尺寸大国外的大多数深井及超深井都采用一层或两层较大尺寸的导管来封隔疏松表层，常用的导管尺寸有20、24、26、30、36、42等，最大到48。上部采用大尺寸套管结构的优点：（1）、可以选择多层技术套管封隔多套不同压力系统的复杂地层，确保安全钻井。（2）、给下部井段套管及钻头尺寸的选择留有充分的余地，在遇到井下复杂情况时有调整的余地，（3）、下部井眼可采用较大尺寸钻头钻进，有利于优化钻井、取芯作业、打捞落鱼及下套管固井施工等。（4）可采用