石油工程成人教育毕业设计（论文）-小井眼钻井技术

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 年级专业层次： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 导师单位： 中国石油大学(华东)石油工程学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 年 月 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 1设计(论文)题目： 2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日 3设计(论文)课题要求： 4实验（上机、调研）部分要求内容： 5文献查阅要求： 6发出日期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： 注：1、任务书应附于完成的设计（论文）中，并与设计（论文）一并提交答辩委员会

2、；2、除任务书外，学生应从指导教师处领取整个设计（论文）期间的工作进度日程安排表（包括各阶段的工作量及完成日期）；任务书须由指导教师填写。审批意见： 系主任签名： 年 月 日摘 要小井眼钻井在石油工业中应用始于50年代，80到90年代小井眼钻井技术取得了突破性进展，成为继水平井之后油气勘探开发中又一门热门技术。数年来国内外对小井眼钻井技术进行了大量的研究，也取得了很多成果，展现了良好的应用与发展前景。在国内，中原油田在小井眼侧钻技术方面形成了一套新的研究方法和技术，在此研究基础上开发了配套的高效钻井工具，得到初步应用，取得了良好的效果。本文通过对国内外小井眼钻井技术的基本理论及在国内的一些实际

3、应用的叙述使大家对小井眼钻井有个更清晰的认识。关键词：小井眼；钻井工艺；侧钻工艺目 录 TOC o 1-3 u 前 言 PAGEREF _Toc218869157 h 1第1章 小井眼的基本概念 PAGEREF _Toc218869158 h 2小井眼钻井技术发展概况 PAGEREF _Toc218869159 h 2小井眼技术发展的原因 PAGEREF _Toc218869160 h 41.2.1 经济因素 PAGEREF _Toc218869161 h 41.2.2 技术进步 PAGEREF _Toc218869162 h 4勘探开发的需要 PAGEREF _Toc218869163 h

4、4环境保护的压力小 PAGEREF _Toc218869164 h 5第2章 小井眼钻井系统、装备及工具 PAGEREF _Toc218869165 h 8小井眼钻井系统 PAGEREF _Toc218869166 h 8转盘钻进系统 PAGEREF _Toc218869167 h 8连续取芯钻进系统 PAGEREF _Toc218869168 h 8井下动力钻具钻进系统 PAGEREF _Toc218869169 h 8小井眼水平钻井系统 PAGEREF _Toc218869170 h 82.2 国外小井眼钻井设备的发展现状 PAGEREF _Toc218869171 h 92.3 国内小井

5、眼钻井设备现状 PAGEREF _Toc218869172 h 122.4 对我国研制小井眼钻井设备的几点建议 PAGEREF _Toc218869173 h 122.4.1 钻机 PAGEREF _Toc218869174 h 132.4.2 钻井井下工具 PAGEREF _Toc218869175 h 13第3章 小井眼技术的难点及对策 PAGEREF _Toc218869176 h 15小井眼井控与常规井控的差别 PAGEREF _Toc218869177 h 15环空间隙（小井眼环空体积小） PAGEREF _Toc218869178 h 153.1.2 系统的压力损失大 PAGERE

6、F _Toc218869179 h 16小井眼井涌检测技术 PAGEREF _Toc218869180 h 173.2.1 Amoco公司井涌检测法（出入口流量法） PAGEREF _Toc218869181 h 173.2.2 Anadrill公司的井涌检测方法 PAGEREF _Toc218869182 h 173.2.3 BP公司研制了一种小井眼井涌早期检测系统 PAGEREF _Toc218869183 h 17小井眼压井方法动态压井法 PAGEREF _Toc218869184 h 18动态压井法（动平衡压井） PAGEREF _Toc218869185 h 183.3.2 动态压井

7、的实施 PAGEREF _Toc218869186 h 193.3.3 动态压井的优越性 PAGEREF _Toc218869187 h 193.3.4 应注意的问题 PAGEREF _Toc218869188 h 19第4章 小井眼钻井的应用 PAGEREF _Toc218869189 h 21中原油田侧钻技术现状 PAGEREF _Toc218869190 h 21侧钻井技术的应用风险评价 PAGEREF _Toc218869191 h 22实现小井眼高效侧钻的关键技术 PAGEREF _Toc218869192 h 234.2 滴102井小井眼加深井基本情况 PAGEREF _Toc21

8、8869193 h 25结 论 PAGEREF _Toc218869194 h 29致 谢 PAGEREF _Toc218869195 h 30参考文献 PAGEREF _Toc218869196 h 31前 言小井眼钻井技术应用领域比较广阔，随着钻井技术设备及工具的出现，当前，小井眼技术不仅可用于浅井，直井，也可用于中深井和深井，定向井和水平井，多分支井；不仅可用于探井也可用于开发井；不仅用于打新井，也用于老井加深和开窗侧钻。因此，小井眼技术用于低渗透油气田的开发，老油田中后期挖潜开发和边远新区的勘探，都具有突出的优越性。在过去的几十年里，国外对小井眼钻井技术进行了大量的研究，取得了很多成果

9、，形成了相对完善的理念。这些成果非常值得我们去借鉴。下面将从国外的一些技术入手向大家介绍小井眼钻井的发展。第1章 小井眼的基本概念对于小井眼的提法有各种各样，不尽相同，国内外到目前为止没有统一的定义。(1) 美国Amoco公司：90%以上的井眼用小于6的钻头钻成。(2) 法国Elf公司：完钻井眼小于常规完钻井眼（81/2） 的井统称为小井眼。(3) 凡是大于2 3/8油管不能作内管柱的井称小井眼；(4) 全井90的井眼直径是用小于7钻头钻的井称为小井眼；(5) 还有的认为环空间隙小于1的井眼为小井眼。目前，比较普遍的定义是：90的井眼直径小于7 或 70的井眼直径小于6的井称为小井眼井。1.1

10、小井眼钻井技术发展概况小井眼钻井是于始于上世纪40年代，50年代美国的Carter公司在犹他州，阿肯色州，路易丝安那州等地钻了108口小井眼井，得出的结论是钻小井眼井在经济上是合算的。据统计，50年代后期至60年代初，世界上有131家石油公司共钻了3216口平均井深为1376m。的小井眼井 （最大井深达3658m），明显降低了钻井成本。在这期间，小井眼钻井兴旺，开发了小井眼钻井的配套工具，如小尺寸卡瓦、吊卡、扶正器、防喷器、井口等 。进入60年代中后期，世界范围内小井眼活动减少，主要原因是借助常规钻机或改进的常规钻机打小井眼井节省费用不大。70年代初，开始借用采矿业的小井眼连续取心钻机钻井，并

11、专门研制专用的小井眼钻机，例如瑞典的Cordell 公司研制的MD系列钻机。80年代中期以前，小井眼没有引起石油界足够的重视，原因之一是当时的油价较高。原因之二是小井眼钻井技术还不完善。80 年代中期以来，由于油气价格的下跌，世界范围内石油工业不景气，钻井综合成本压力大，小井眼又引起广泛重视。当时英国的 BP公司1986年在Plunger油田，用MD3型小井眼钻机钻6口1000M的井，并取得了很好的效果。这几口井的井身结构为61/4（ mm钻头）51/2 mm套管)40m43/4（120.65 mm钻头）37/8 mm 套管）500m33/8（85.725 mm钻头）27/8 mm套管）100

12、0m90年代小井眼钻井成为世界范围内的热门技术之一，并且小井眼钻井技术和装备趋于成熟，特别是连续软管钻井技术的发展，使小井眼可完成常规井眼完成的任务，例如小井眼定向井、水平井、大位移井、欠平衡压力钻井、地质导向钻井等。电子学的进步为小井眼技术的发展奠定了基础。采用小型传感器就不必利用常规直径的油井来获得地下信息。从而可大大降低成本。就目前的勘探技术、油藏描述技术及输送EOR化学药剂的技术来说，采用直径为3.2-6.03cm的小井眼与2.22cm的小型测井工具组合将是一个很好的选择方案。美国能源部(DOE)正在开发通过小井眼技术减少获得地下信息成本的技术。该项目的主要任务包括：(1)利用当前可用

13、的连续管技术对浅井进行小井眼钻井；(2)对深井小井眼钻井的可行性进行评估；(3)将井底钻井设备小型化，并对其进行测试；(4)将测井工具小型化；(5)在地震检测仪器设备中结合新兴的小型传感器技术；(6)通过小井眼来输送EOR化学药荆。小井眼钻井系统由1个机械旋转的刮刀钻头、1个水力驱动的容积式马达以及连续管钻柱等组成。通过对井径为4.45 cm垂直井的小井眼钻井系统的工业可行性实验研究表明该系统适用于连续管钻井，在Cathie大理岩与Berea砂岩中的钻进速度可达30.5m/h。在常规油田测井工具中标准尺寸最小的直径为4.29cm，这对小井眼来说尺寸仍太大，无法使用。因而，按常规设计了2.22c

14、m的伽马测井工具，结合密度与井径测井曲线，可提供足够多的测井资料。目前还没有适于小井眼尺寸的井径测量工具，但将其微型化也不是很难。此外，还需要小型轻便的测井电缆以及相关的数据采集系统，而采用连续管传送测井工具将成为可能。迄今为止，小井眼钻井活动遍及世界许多国家，如美国、法国、德国、英国、加拿大和委内瑞拉等。9O年代，世界钻小井眼井的数量呈不断增长趋势。美国仍是目前世界上钻小井眼井最多的国家而且在老井加深、侧钻领域应用小井眼技术最多，特别是侧钻短半径水平井。由于小井眼钻井的自身优势，在世界范围内正蓬勃发展，小井眼正在部分的取代常规井眼，给石油工业带来显著的技术经济效益。小井眼技术发展的原因 经济

15、因素发展和应用小井眼技术的主要目的是降低钻井成本。据几家石油公司小规模实验统计，与常规井相比小井眼可节省钻井费用25-50%。在个别边远地区甚至使钻井费用降低75%。特别是80年代中期油价下跌，迫使各石油公司用更廉价的勘探方法，小井眼便是其主要途径。具体原因(1) 小井眼钻井的初期投资较小，包括使用较小的钻机、较小的井场、较细的管材、较少的泥浆、水泥等；(2) 小油藏使用小井眼钻井技术可以较经济地采油；(3) 对于有疑问的产层（主要勘探）可以经济测试；(4) 小井眼的修井成本较低；(5) 小井眼的整体开发成本较低。以上这些因素对于油公司和钻井承包商都具有很大的吸引力。 技术进步进入80年代，小

16、井眼钻井装备（小井眼钻机、连续软管钻机）、工具（小尺寸防喷器、井口、钻头、井下动力钻具等）和整套小井眼钻井技术（小井眼水力学、井控技术、固井完井等）均取得重大发展，使安全经济地进行小井眼钻井成为可能。勘探开发的需要在边远地区，地面条件恶劣，运输困难的地区，勘探工作风险大，地震工作在短时间内不能获得精确的地下资料，在这些地区打一些小井眼连续取芯的探井，可及早搞清地下情况，及早作出决策，减小勘探的风险。环境保护的压力小小井眼钻机占地面积小，小井眼比常规井眼井径缩小一半，钻井液用量及岩屑量减少75%，施工机具用量大幅度下降，对环保有利。国内外对环境保护问题越来越重视，钻井作业带来的大量钻井液、废油、

17、水泥浆、钻屑，各种废料的处理和排放、空气污染和噪声污染等问题一直使钻井承包商感到头疼。小井眼钻井使这些问题得到 了较好的解决。BP勘探作业公司对环境保护和费用方面作了小井眼与常规井的比较，如图1-1所示。从图中可以看出，在井深相同时，小井眼较常规井眼井径缩小50%，钻井液用量和排放钻屑量减少75%，这些对环境保护很有利。此外，小井眼费用也较常规井减少40% 。小井眼井与常规井比较 图1-1小井眼与常规井比较图 1-2 不同尺寸井眼的费用和时间对比从图1-2分项费用分析中可以看出，小井眼钻井费用降低主要在以下三个方面： (1) 钻前费用，即井场及钻机搬迁费用，约占节约总费用的30%左右。随着井深

18、加大，其比例下降，这说明小井眼要用轻便钻机。(2) 钻井液、套管、水泥及注水泥费用，约占节约总费用的30%以上。随着井深加大，其比重上升。(3) 评价费用，包括录井、测井、中途测试、岩心分析等费用，约占节约总费用的11-12%。基本上不随井深变化而变化。以上三项节约的费用占总节约费用的70-80%。第2章 小井眼钻井系统、装备及工具2.1小井眼钻井系统专用小井眼钻井系统是实现小井眼钻井的关键。典型小井眼钻井系统有3种基本型式，转盘钻进、连续取芯钻进和井下马达系统。共同特点是：采用小钻机、小直径钻具和高转速钻进，比常规钻井系统可节约钻井成本40-70%。转盘钻进系统采用小直径钻杆小井眼内进行取芯

19、钻进、扩眼完井，还可以用于老井加深的小井眼完井。连续取芯钻进系统Amoco 公司最早研制并使用了这种钻井系统，采用矿业取芯小钻机，液压顶驱，外平接头薄壁钻杆，电缆可回收岩芯筒和取芯钻头。顶驱钻速可高达2250r/min，一般使用400-800r/min，采用电缆可回收岩芯取芯钻头，得到连续岩芯。在开发井的小井眼取芯钻井中，取芯率高达98.3%。井下动力钻具钻进系统 国外已研制了多种小型井下动力钻具（又称井下马达）用于钻小井眼井。螺- - mm。钻井速度为500-1000r/min，钻井速度比转盘钻快3-5倍。小井眼水平钻井系统 常用的小井眼钻井系统采用小井眼高速螺杆钻具（300-800r/mi

20、n），配以特别的侧向齿热稳定金刚石TSD钻头或PDC钻头，在螺杆钻具上配有两个弯短节和一个造斜滑块。实验证实小直径螺杆钻具直径为-，配以TSD 和PDC钻头，在转速为600-1000r/min范围内钻不同地层，此转速低的牙轮钻头以150r/min钻进速度快3-5倍。2.2 国外小井眼钻井设备的发展现状(1) 由常规石油钻机改造的小井眼钻机美国Pacer钻井公司、Coffer公司在常规石油钻机上装配了1套钢丝绳连续取芯装置，将其改造成能钻6000m的小井眼钻机。并制造了能满足钻压和转速要求的92.7mm特殊钻柱。法国FortsonFormer公司分别改造成功了1台WN Apache型拖车式、全自

21、动液压驱动小井眼钻机和1台可控硅电驱动半自动钻机。其共同特点是自动化程度高、作业更安全、效率高，只需3人操作，所用钻杆较常规钻杆长，钻机配备有液压大钳，自动卡瓦，管子自动排放系统，并配有220 kW(300hp)液动顶驱装置，钻机体积小，钻井深度2500m。意大利改装成的G150钻机，全部采用液压驱动，整部钻机安装在1台半联挂式牵引车上，移动非常方便。其顶部驱动装置安放在井架上，并由2根钢缆悬吊，缆绳滑轮在液压缸顶部，并固定在半挂车的支架上，可使大钩具有液压缸伸缩速度的2倍。液压缸支撑柱轻便又可改变高度。改造的另一部分是竖直钻杆排放导轨系统，共有12个排放钻杆笼，每个可装18根88.9mm立根

22、，利用一悬臂吊可把钻杆抓举到井眼中。钻机最大起吊行程可达16m，钻机平台高度为6.1m，顶驱由4个液压马达组成，并可提供可达36kNm 的扭矩，发电系统和冷却风扇都安装在隔音房内，钻机平台上安置了自动化液压卡瓦和动力大钳，专门设计的小井眼钻井液处理系统也集中在钻机上，泥浆槽容量为80 L/cm便于快速监测。该钻机的质量为20t，可钻2000m以下的井。据英国壳牌公司统计，至少有5个国家将常规钻机改造成小井眼钻机，并钻了几百口井，在一定程度上，取得了较好的经济效益。但改造的小井眼钻机，系统工作不可靠，尤其是升降系统，在下套管时常会出现故障；改造型钻机平台不标准，配套设备及工具(如卡瓦、大钳、升降

23、系统等)在钻机平台上布置不易协调，势必会影响钻井作业时间；对钻机实现完全自动化改造，需投资费用较高。所以，国外钻井经验表明，使用改造的小井眼钻机还不能取得非常令人满意的效果。(2) 专门设计的几种典型小井眼钻机瑞典Micro drill公司是最先设计小井眼钻机的公司，已设计了800m、1500m、1700m 三种规格的小井眼钻机，其中MD-1500型钻机井架高11m，最大钻深1500m，液压顶部驱动装置安装在井架上，钻台配有自动液压卡瓦，采用3m 长外平内加厚钻杆，接单根时用人工放在钻柱顶部，用旋转头旋合螺纹，所用钻具外径为25127mm，钻机井场面积为42m25m。Long year公司生产

24、的PM603小井眼取心钻机，采用双筒连续取芯筒，岩芯通过取芯钻头进入27m长内筒，筒满后，可在钻具内将钢丝绳打捞筒下入井内，与取芯筒内筒连接提至地面，然后再将另一内筒下入井内。采用液压顶驱，可钻3000m(完井井径77mm)，据称是目前世界上最好的取芯钻机。美国Standard公司设计了一台专门用于印尼爪哇的Irion沼泽地小井眼钻机，该钻机装在9个8m长、2m宽、1m深的滑撬上。在35000km2沼泽地内移运非常方便。另外，Concho和Westbourne公司还专门制造了可用Skokie S-58T直升飞机搬运(每次搬运1.8t)的钻机，直接用飞机吊装。搬运这种钻机只需100架次，而搬运常

25、规钻机需500多架次。Amoco公司和Nabobs工业公司联合研制的Nabors170型小井眼钻机，井架高26m，可钻3600m井，该钻机配有2台239kW(325hp)柴油机，比常规钻机装机功率减少4/5，通过液压系统分别驱动257kW(350hp)液压绞车和2台122kW (165hp)三缸钻井泵，其顶部驱动既可提供低转数(150r/min)、高扭矩(13.83kNm)，又可提供连续取芯时的高转数(1000r/min)、低扭矩(1.66kNm)，起下钻时，可进行划眼或倒划眼。该钻机配有Amoco公司的数据控制系统和井控专家系统，可实时收集、处理、储存、显示各钻井参数，专家系统能自动判断井涌

26、并通知司钻，若司钻没有做出反应，系统10s内自动采取措施。该钻机采用模块化设计，每块不超过2.7t，由直升飞机吊运。随着国外小井眼钻机技术的发展，许多公司都已形成各自的小井眼钻机系列。例如，意大利的Silvia Ballerinas公司的ST 系列包括ST-2、ST-4、ST-6、ST-10，钻井深度从980-3500 m；Advance公司的G 系列车装钻机包括G-14、G-22、G-35、G-55、G-75，钻井深度从800-1800m；美国的CBC公司的CS系列包括CS-1000、CS-2000、CS-4000，钻井深度从1000-4000m，其中CS-4000钻机可进行连续取芯钻井。另

27、外，小井眼钻机的机械化、自动化、智能化水平非常高；井队作业人员非常少，一般只需2-3人操作，有的只需1人操作，且作业过程准确、安全、可靠、省时(如接单根在1 min内完成)。(3) 小井眼钻具的发展现状 钻头 常规小尺寸牙轮钻头不能适应小井眼高转数，因为转速高，轴承磨损快，钻头进尺小，效率非常低。因此，国外在70年代已研制开发了抗偏转的PDC钻头，热稳定聚晶金刚石钻头(即TSP钻头)和天然金刚石钻头，这几种钻头都能适应高转速、全面钻进、连续取芯和与泥浆马达配合使用，且寿命都比常规牙轮钻头高4倍以上。新型的PDC聚晶金刚石钻头和TSD金钢石钻头，外形为穹形刀头，对深层、中硬地层二叠纪的钻井及扩眼

28、效果非常好，在降低扭矩、钻头冷却方面都比普通的PDC和TSD钻头效果好。最近美国见克休斯公司已研制成功一种适合于小眼井高速旋转的三牙轮钻头，其滑动轴承采用专门设计的ATJ-33 O型环密封，有非常高的可靠性。 钻柱 国外小井眼钻井一般用88.9mm钻杆。而对于用120.7mm或更小尺寸钻头钻井时，则用 73.25mm或60.325mm钻杆。对于较小尺寸的钻杆，由于其抗拉、抗扭强度的限制，使得小井眼钻进过程中钻头加压和扭矩能力降低。因此，国外研制成功了高强度钻杆和优质接头以及适应小井眼钻柱组合的直径为88.9mm，95.2mm，120.7mm 等几种规格的或成系列的钻头加压器、振击器、钻杆工具接

29、头、可变径扶正器等井下钻井工具。 井下取芯工具 Amoco公司已研究出一种地层高速钻井系统，即在小井眼钻井中采用连续取芯技术，同时也研制开发了一种钢丝绳连续取芯筒，即将岩芯筒做成双筒式，钻进过程中岩芯进入内筒，然后用钢丝绳通过钻柱将内筒打捞提出，再下入1个新的内筒与取芯外筒连接好，继续取芯。例如CBC公司的CBC系列钢丝绳取芯系统。 打捞工具小井眼打捞工具乃是非常重要的工具，国外已专门设计制造了几种直径在103.2mm以下的打捞筒，可以打捞小井眼钻井事故中的各种落鱼，其提升能力都在20t左右，足以打捞起井下钻柱总成。 测井设备正是由于小井眼测井设备的发展，才使得小井眼钻井在国内外再次兴起。目前

30、国外生产完井测量仪器外径可小到 76.2mm，空间控制仪器外径可小到35mm，MWD外径可小到88.9mm。斯伦贝谢最近已研制成功了外径51mm和 44mm 的定向井MWD工具。 完井工具适应于小井眼完井的各种规格的尾管悬挂器、封隔器、射孔枪、砂控工具，在国外都有系列产品。保证了小井眼完井方案的可靠实施。 国内小井眼钻井设备现状 国内各油田及钻井公司钻小井眼设备多数为小型常规钻机、地质勘探钻机、修井机，有些油田甚至还用到中型钻机，形成“大马拉小车”的现象。近几年来国内钻小井眼井所用钻机大概有以下几种主要类型：吉林油田使用F100型钻机及ZJ15D 型钻机钻1 500m深的井；四川油田在川西地区

31、用XY5G型矿业钻机和TSJ6/660型水井钻机分别钻1000m以下和1500m小井眼井；胜利油田钻1500m以下浅层气井也曾使用了大庆130钻机和ZJ45型钻机；大庆油田近几年来小眼井钻得较多，占国内80% 以上，主要使用进口的1500m 车装钻机钻小井眼井；而长庆油田钻小井眼井主要用XJ-450、350、250及T50B几种车装修井机。从各油田钻小眼井的情况看，由于钻机选择不合理，或钻机不配套(如修井机没有泥浆循环系统)，钻井、测井工具不配套，以及小井眼井控设备不配套等原因，在钻井过程中，遇到的各种事故不能及时处理，设备待机时间太长，使得钻井设备费用抵消了小井眼工艺过程中其他项目节省的费用

32、，实际上有些小井眼费用已超过了常规钻井费用。2.4 对我国研制小井眼钻井设备的几点建议随着我国小井眼钻井工作的开展，国内已研制成功了液压顶部驱动钻井系统、金刚石小井眼钻头、小井眼测斜仪器、小井眼井下钻具、液控盘式刹车，而液压绞车、液压泥浆泵也正在研制中，这些都为小井眼钻机的研制奠定了基础，加之科学技术，制造水平的进步与引进，我国已具备了制造或改造小井眼钻机的技术实力与制造能力。 钻机(1) 合理选择研制小井眼钻机的类型 目前适合于小井眼钻井的钻机有由常规钻机改造的小井眼钻机、专门设计的小井眼旋转钻机，连续取芯钻机和连续软管钻井装置4种类型。常规钻机改造是在小井眼井下仪器及泥浆系统开发初期阶段常

33、采用的手段，原因是常规钻机生产能力过剩，不能以真实商业价格销售，市场价格都比较低，使得它在使用中掩盖了其实际作业成本。另外，对常规钻机改造在一定程度上阻碍了小型、新型钻机及相关设备的发展，连续取芯钻机和连续软管钻井装置对设计制造技术、材料的要求更高，在我国现阶段还不宜开发，但应注意跟踪或引进有关技术，以便下一阶段开发。而小型全自动(或半自动)液压顶驱钻机在现阶段开发已具备了非常成熟的条件。(2) 合理设计小井眼钻机标准系列 参考国外小井眼钻机系统标准以及我国油田适于小井眼开发的实际地质情况，认为小井眼钻机系列应在8003500m之间，且每级钻机钻深能力差为500m较宜。其中1000m和1500

34、m钻机在国内需求量将是较多的，因为国内石油储量有1/3分布在埋深浅、低压、低渗透的储层中，这些储量非常适宜于用小井眼开采。(3) 注重小井眼钻机配套技术及设备的研究与开发 由于小眼井环空间隙小，井涌监测与控制就变得非常突出，所以早期井涌监测系统、防喷器组及除气装置应与钻机配套开发。另外，小井眼钻井循环泥浆量较小，当量循环密度大，选择或设计合理的泥浆固控设备也是钻机开发应考虑的重要内容。 钻井井下工具为了配合小井眼钻机的开发，最大限度地发挥小井眼钻机的潜能，开发与之相适应的井下钻井工具是非常重要的。过去各油田在小井眼钻井实践中都不同程度地开发了一些小井眼井下工具，但这些工具仅适应于某个油田，甚至

35、某一口井的情况，普遍适应性差。所以在我国开发小井眼工具还有待于系统地组织进行，特别是应以钻机开发为龙头。目前应着重开发以下产品。(1) 具有合理结构的小尺寸PDC、TSP、金刚石钻头，甚至高速牙轮钻头。(2) 小井眼井下打捞工具。(3) 完井工具(主要有小尺寸封隔器、尾管悬持器、防砂工具等)。(4) 小尺寸测斜仪器及MWD。(5) 钻具尽量采用API标准钻具，同时需设计专用的小尺寸，钻头推进器(加压器)、钻柱振击器，小尺寸可变径扶正器等。第3章 小井眼技术的难点及对策小井眼技术的难点主要表现在井控方面。3.1小井眼井控与常规井控的差别 环空间隙（小井眼环空体积小） 图3-1 常规井与小井眼试井

36、比较图3-1中与常规井眼相比，小井眼环空间隙小，体积小。同样的流体侵入量，小井眼比常规井眼：流体在环空占的体积大，上返速度快，对溢流很敏感。 例：31L的溢流在常规井眼环空中占12 m长，使井底压力降低0.105MPa；在小井眼环空中占114 m长，使井底压力降低0.84MPa。流体在小井眼环空上返的速度是在常规井眼环空上返速度的数倍。从井控的观点来看，流体在井筒侵入高度越高，井控的难度就越大。小井眼井控要解决的问题：(1) 井眼系统的压力分布规律及计算公式；(2) 最佳的溢流监测方法；(3) 最有效的压井方法。 系统的压力损失大系统的压力损失包括：地面管汇、钻柱内、钻头水眼和环空压力损失。掌

37、握系统压力损失是小井眼井控的关键，有关测试数据表明，小井眼中的压力损失分布与常规井是相反的。在常规井中，大约90%的泵压损失在钻柱内及钻头处，环空压力损失仅为泵压的10%。而在小井眼井中，泵压的90%损失在环空，其它损失占泵压的10% 。传统的环空压力损失计算方法对小井眼是不适用的，而且钻柱在井内的偏心度对小井眼环空压力损失也有很大影响，把用常规环空压力损失计算公式所算结果与美国Amoco公司SHADS井所测数据进行比较，在2430m小井眼中，钻井液密度3，塑性粘度1110-3Pas，屈服值，流量，用正常计算公式算得环空压力损失5308kPa，而实际测得的环空压力损失是3344kPa。由此可见

38、，传统的计算方法不适用于小井眼，但除环空以外的其它部分的压力损失，仍然可以用传统的方法计算，而小井眼的环空压力损失可由SHADS井所得公式确定见式(3-1）。SHADS公式 (3-1)式中： din 钻柱直径，mm； do 井径，mm； f 摩阻系数； k 钻井液稠度系数； n 钻井液流性指数； Re雷诺数； p 环空压力损失，K Pa； q 排量，L/s； 钻井液密度，g/cm3。 小井眼中钻柱的旋转对环空压降的影响也很大，随着钻柱的高速旋转，环空压降会显著增加。例：Amoco公司做过实验：井深2438m，泥浆密度为3，泵排量L/s，钻柱不旋转时，环空压降为，当量循环密度为3，钻柱以600r

39、/min旋转时，环空压降为，当量循环密度为3 。3.2小井眼井涌检测技术常规钻井主要通过监测泥浆池液面的增量来控制检测井涌。这种检测方法的灵敏度主要取决于液面高度仪和操作人员的警惕性。这种方法一般要等到泥浆池的增量达到2m3 以上才能检测到井涌，显然小井眼钻井不能单纯依靠池增量来检测井涌，必须应用新的方法来提高检测精度和灵敏度。国外发展了一些小井眼井涌检测方法。 Amoco公司井涌检测法（出入口流量法）在泥浆吸入管和返出管线上安装电磁流量计，实时记录入、出口流量，并打印出，从曲线的变化及发生现井涌或井涌，也可通过计算机实时判断并报警，这种方法的灵敏度高。 Ana drill公司的井涌检测方法该

40、公司研究了两种井涌检测法(1) 泥浆流量的波测量方法。(2) 泥浆泵压力波的往复传播时间。由于波在气体中的传播速度比在泥浆中慢，传播时间急剧增加就说明发生了气涌。3.2.3 BP公司研制了一种小井眼井涌早期检测系统该系统实时采集泥浆流出量和立管压力，并用井筒动态模型预测泥浆流出量和立管压力，将实测值与预测值进行对比，根据两者之间的偏差及时判断是否发生了井涌、井漏或钻具刺漏异常情况。据BP公司称，系统模型考虑了钻柱旋转的影响，能够检测到1桶（159L）的溢流量。该系统在小井眼钻井作业中获得了成功的应用，如图3-2所示：图3-2 井涌早期检测系统示意图3.3小井眼压井方法动态压井法由于小井眼环空体

41、积小，井涌来的快的特点，一般不能采用常规压井方法。小井眼环空压耗很大（占泵压的90%），动态压井是一种有效的小井眼压井法。动态压井法（动平衡压井）动态压井是利用循环泥浆时产生的压力损耗来控制地层压力。L/s的排量循环泥浆时，当量循环密度(ECD)为/cm3; 当排量增加到L/s时，井底的当量循环密度增至/cm3 。通过改变排量、钻柱旋转速度和泥浆性能，就可控制小井眼井涌，而不需要加重泥浆。 动态压井的实施(1) 钻井过程实测环空压耗的大小。改变泵排量，在各种排量下实测环空压耗，并记录下来，以备动态压井时使用。(2) 若检测到井涌，立即增大排量，从而增大泥浆柱对地层的压力。最大排量取决于地面管汇

42、的额定压力、地面泵的能力和裸眼井段的地层破裂压力。(3) 将钻柱稍稍提起，关闭环行防喷器，使泥浆通过节流管线流出。在钻进过程中发生井涌，也可不停钻，通过增大排量和钻柱的旋转速度来控制井涌。 动态压井的优越性动态压井法优于常规压井的等待加重法和司钻法(1) 不用加重泥浆。(2) 可以尽快地实施。(3) 可最大限度地减小套管鞋处的压力。对裸眼井段而言，动态压井比常规压井对井壁产生的压力小。动平衡压井时，泥浆系统的欠平衡压力是均匀的作用在整个井壁上的，井壁上任意深度处所受的压力等于该深度以上泥浆静液柱的压力与环空压降之和。常规压井是利用节流产生的套压来增大井底压力的，任意深度处所受的压力等于该深度以

43、上泥浆柱的动压力与井口套压之和。 应注意的问题(1) 采用动态压井法还是常规压井法，取决于地层压力预测值和可获得的环空压耗。环空压耗的大小取决于设备能力（额定排量、功率）、井径、井深、泥浆性能、钻柱直径。环空压耗对井眼冲蚀非常敏感。(2) 动态压井有利有弊，用环空压耗控制井底压力容易压漏地层，从而进一步加重井控问题，所以选择和实施动态压井要审慎行事。实践证明，某些小井眼也可用常规法压井，这要根据具体情况而定。决策程序如下：计算压井排量下的环空压降 计算常规压井时的井底压力 采用常规压井常规压井会引起井漏吗?(不会)环空压降大于1.4MPa?(不会)降低压井排量能使环空压降减少到或以下吗?(能)

44、采用小井眼压井，见图3-3。 图3-3 压井程序第4章 小井眼钻井的应用小井眼的应用范围很广，既可用于边远地区和地面条件恶劣的地区（如层林、沼泽、滩海等）的勘探与开发，也可用于老油田的再勘探和再开发。在环保要求严格的地区也可用小井眼钻井，以减轻对环境的影响。就井的类型而言，小井眼适用于：(1) 探井、开发井；(2) 直井、定向井、水平井； (3) 浅井、深井、超深井； (4) 低产井、中产井。 三个重要应用领域 ：小井眼水平井、老井侧钻、老井加深4.1中原油田侧钻技术现状中原油田是中国石化集团公司第二大油气田，是我国东部地区重要的石油天然气生产基地。主要勘探开发区域东濮凹陷，面积5300平方公

45、里，石油资源量12.37亿吨，天然气资源量3675亿立方米；东濮外围有陕北富县、宁夏永利、新疆伊犁、塔里木盆地、内蒙古白音查干及查干、松辽盆地以及也门69/71区块、阿曼36/38区块等14个探区，外围探区面积达111152.34平方公里。目前，油田开发形势喜人，呈现出了油稳气升的良好局面。2005年1月，中国石油化工集团公司将四川盆地最大的天然气田普光气田正式移交中原油田开发管理，已探明天然气储量达到1143.63亿立方米，可采储量878.32亿立方米，到2006年上半年，一期开发建设力争建成年产20亿立方米能力。普光气田的开发，将大大改善中原油田的资源状况和经营状况，为油田持续有效发展奠定

46、坚实的资源基础。由于中原油田地质条件比较复杂，给钻进带了来了诸多麻烦。因此中原人开始进行各种尝试开发新的技术。经过数十年的努力，中原油田已经有了一套自己的相对完整的技术体系，这些技术以至于现在在国内都排在先进行列。在小井眼技术方面中原的开窗侧钻技术已经取得了很好的效果。中原油田侧钻技术现状根据油田需要井下特种作业处于 2000 年成立了侧钻工程部，开展了小井眼侧钻工具及工艺配套技术研究，在研究工作中采取厂校相结合的优势，与西南石油学院合作将研究成果及时应用于生产第一线。通过几年的研究工作，目前已初步形成“小眼井侧钻工具及工艺配套技术体系，主要内容包括： (1)侧钻井单井评价技术；(2)侧钻井井

47、壁稳定分析计算与控制技术；(3)小眼井侧钻井成套工具配套技术； (4)小眼井钻井液技术； (5)小井眼轨迹优化设计与控制技术；(6)小眼井侧钻井扩眼井与快速钻井技术；(7)小眼井侧钻井完井技术。几年来，侧钻工程部共完成小井眼套管开窗侧钻井共 50 余口，取得了一定成效。但也出现了一些问题，具体表现在以下几个方面： 大多数侧钻井井眼轨迹需要逆着地层自然造斜方向设计，即与原井眼轨迹反向，定向精度要求高，均属于中、大位移侧钻定向井，部分井还具有双靶心要求，因此其轨迹设计与控制的难度大。 侧钻井段地层经过多年的注水开发，地层岩石吸水膨胀，岩石层面间摩擦力降低，导致地层易于流动和井眼应力场分布复杂。老井

48、周围预破碎裂纹发育，三个应力值（空隙压力、坍塌压力、破裂压力）完全改变，不能定量掌握，泥浆安全压力范围的掌握困难，所形成的新井眼缩径量加大，井壁稳定难度加大。 老井眼经过多年的注水开发，层间岩石的硬度级差变大，造斜工具的造斜能力与井壁岩石对造斜工具的支撑能力难以定量掌握，从而导致井眼轨迹控制的难度增大和周期增长。 目前的套管开窗工具施工周期长，其结构难以实现准确定位和实现快速分叉。4侧钻井技术的应用风险评价套管井侧钻是利用了套损点（井段）以上的套管井眼和原地面采油工艺流程而重新钻距离套损井段有投资少，见效快、井眼寿命与新井寿命相当等特点。因此，它能解决油田老区块上具有开发价值的事故井、变形井和

49、加深井，而靠常规修井技术不能恢复其产能的问题。单井评价的因素包括三个方面： （1）开发价值评价主要根据侧钻井所属区块单井开发的静动态信息资料，建立其剩余油藏分布的大型数据模拟计算分析模型，弄清楚原始储量分布及其在目前开采状况下剩余油藏的分布及生产分析。 （2）侧钻井井眼寿命预测评价主要根据单井井眼应力场分布，套管承受挤毁能力计算分析，确定井眼的寿命是否与剩余油开采周期相匹配。（3）侧钻井风险和难度评价主要根据断块油气藏的特性，尽可能使侧钻井井眼轨迹避开经过客观存在而不可抗拒的漏失断层和易缩径，卡钻的盐膏层，判定中靶的难易程度。其最终目的是将投资和施工风险降低到最低限度。4实现小井眼高效侧钻的关

50、键技术小井眼侧钻技术，主要包括了：窗口形成技术、井壁稳定技术、轨迹优化设计控制技术和扩眼快速钻井技术。窗口形成技术的核心是：可靠的高效率的开窗工具。井壁稳定控制技术的核心是：井眼应力场的定量计算和钻井液体系。轨迹优化设计与控制技术的核心是：设计手段的先进性和钻具结构。扩眼与快速钻井技术和核心是：扩眼钻头的性能和钻压准确施加。通过研究和现场试验认为，要实现小井眼高效侧钻，其主要关键技术有以下几点： (1) 侧钻井井壁稳定的分析计算与控制技术：小井眼侧钻井大都是在老区块上施工，地层注水开发，造成地层岩石易于流动，缩径速度及蠕变加剧，所以侧钻出来的新井眼井壁不易稳定，也是目前侧钻井事故率极高和周期增

51、长的直接原因。同时，井径缩小、井斜增大，套管居中困难，环空间隙小，是造成固井质量差的根本原因。解决的方法主要有两种： 扩径、预留缩径空间 控制缩径前者主要是着眼点是开发和使用扩眼工具，后者是根据侧钻井地质条件和现有的测井资料、水力压裂资料，建立井眼应力场分析计算力学模型，并作井眼应力场分析规律的数值模拟计算，弄清侧钻井段地层三向应力的大小。从而确定泥浆体系及性能参数和快速钻井的技术措施。(2) 小井眼侧钻井轨迹优化设计与控制技术目前，国内针对自己领域的需要，已开发出定向井及水平井轨迹设计系统。国内采用的柱面法，不能保证曲线井段的井眼曲率为常数，未考虑起始点的井斜角和方位角影响，使井眼轨迹控制难

52、度加大，其中靶率低。我们采用空间约束条件下的多目标（两个靶点以上）轨迹设计方法，基于 PDC 钻头、单牙轮钻头与水力加压时相结合的钻具结构，进行小井眼约束条件下的钻柱静力学和运动学分析计算，确定最优轨迹控制的钻具结构及钻进参数。(3) 小井眼侧钻井成套工具配套技术 新型套管开窗工具的开发与应用技术。我处针对各油田套管开窗侧钻井的实际情况，研制出了新型高效双弧面悬挂坐封式套管开窗工具，可实现一次起下钻完成定向密封井实现开窗，且开窗钻头尽可能不损伤造斜器，分叉角可造到2.5度至4度，开窗周期较目前降低20-30的目标，可以根本解决目前开窗工具坐封周期长、效率低、定向精度低和分叉难度大等技术难题。

53、新型水力加压器的开发与应用目前，针对油田侧钻井定向精度高、井斜角大等特点，研制出新型水力加压器，利用能够泥浆作为原动力，通过泥浆排量的调节，可提供稳定的钻压。可提高机械钻速10-20%，能大幅度延长钻柱的使用寿命，减少钻柱的断脱事故和卡钻事故，有效的解决目前水力加压器的砂堵现象和短寿命的缺陷，可适用与修井机开展小井眼侧钻作业，消耗较小的泵压，能提供3-6t 的稳定钻压值，从而实现高效侧钻的目的。 新型可扩眼钻头及长寿命单牙轮钻头开发与应用技术目前，在小井眼侧钻井中主要应用单牙轮钻头，其机械钻速平均可达 2m/h 以上，主要破坏形式是牙齿的先期过度磨损。为了适应各种油田地层的需要，提高钻井速度和

54、解决小井眼侧钻卡钻事故频繁和小井眼固井难的难题，我处研究出异型金刚石切削刃钻头，使钻头寿命提够4倍以上；同时开发出新型可扩眼钻头，将直径 118mm 钻头机械式扩眼到直径 130mm 至 150mm 。通过开发以上工具，就可以利用常规钻井和常规固井技术确保井身安全和实现优质固井。中原油田井下特种作业处在小井眼高效侧钻技术方面作了一些基础性研究工作，取得了一些研究成果，开发了一些简便、经济、实用的新型钻井工作。这些研究成果对提高中原油田小井眼侧钻技术水平，提高钻井速度，特别是对低产油气田的开发和老井的挖潜具有重要的技术意义和经济价值。随着勘探理论和认识的提高，新疆油田公司根据新的勘探思路，在以前

55、完钻井的基础上，利用原有井眼进行加深，达到了勘探目的，加快了勘探速度，节约了勘探资金。本井介绍了滴102 小井眼加深井的施工工艺，针对存在的主要技术难题进行了研究和应用，解决了施工难题，提高了钻井速度，降低了钻井成本，具有较强的推广价值。4.2 滴102井小井眼加深井基本情况滴102 位于准噶尔盆地陆梁隆起滴南凸起滴西1号背斜，井型直井，是2005 年施工的一口滴西10 井区评价井，位于滴西10 井北东2km，完钻井深3310m，完钻层位为石炭系，岩性为凝灰岩、安山岩，139.7mm套管下深3307.36m，阻流板位置3290.26m，水泥返深1865m。射孔试油井段29983210m，共试油

56、三层，每试完一层下一个电桥封闭，井下有三个电桥，分别在井深2950m、3050m、3150m，每只电桥上部打2m 水泥塞。地层压力情况：压力系数0.95-1.05，井底温度，3310m，91。井身结构为：444.5mm 钻头295m + 钻头2080m + 钻头3310m；339.7mm 表层套管294.14m 返地面+ 技术套管2062.86m 返1500m + 139.7mm 油层套管33107.36m 返1865m。(1) 地质设计地质设计要求，在原井深的基础上加深钻进50m左右，钻井至井深3360m，井底无油气显示完钻。(2)技术难点分析加深井小井眼钻井技术，按施工分为两个阶段:原井眼

57、的修复阶段、加深钻井阶段，技术难点分析如下。 磨浮箍、浮鞋及钻进时，小钻具强度低，尤其是抗扭强度低，容易发生钻具事故。 该井井较深，地层为石炭系，地层硬，可钻性差，117.5mm 钻头只有YC517 和YC537 两种型号，选择余地小。环空间隙小，钻具水眼小，泥浆循环流动阻力大，施工泵压高，水利参数选择受到限制。 使用转盘磨浮箍、浮鞋及钻进时容易对套管造成损害，可能会造成套管磨穿事故。小井眼中处理井下事故、复杂情况的工具、手段较少，发生事故不易处理，风险大。(3) 施工情况原井眼的修复作业分为两步:第一步，套铣、打捞电桥；第二步，磨浮箍、浮鞋。 套捞电桥钻具组合:115mm 铣鞋+ 115mm

58、 随钻打捞杯+73mm 钻杆+76mm 方钻杆， 套铣参数为: 钻压30kN，转速65r/min，排量6L/s，泵压8-10MPa 。套捞电桥的铣鞋有内置卡瓦，套铣电桥后，电桥中心杆进入铣鞋的卡瓦内，上提钻具时卡瓦卡住电桥中心杆，即可捞获，套铣、打捞可一次完成，但由于所用钻机转盘是机械传动，扭矩控制困难，电桥中心杆进入卡瓦后，扭矩增大使卡瓦胀开，电桥脱落，每个电桥都是一次套铣，一次打捞，两趟钻捞获一只电桥，三个电桥共提下钻6 次捞完后，下114mm 强磁打捞器打捞出一些电桥的碎铁片，电桥的打捞工作完成。磨浮箍、浮鞋钻具组合:120mm 磨鞋+ 89mm 钻铤14 根+73mm 钻杆+76mm

59、方钻杆，施工参数为: 钻压30-50kN，转速60r/min，排量6-10L/s，泵压12-15MPa 。由于该井所用的下部结构为强制式浮箍，铁质部分较多，使用了5 只磨鞋磨完下部结构，前两只磨鞋外径120mm，后面三只外径118mm，使用强磁打捞器捞完残余碎块，进入新地层7.87m，井下正常后，下钻头开始钻进。钻进钻具组合: 117.5mm 钻头+ 89mm 钻铤24 根 +73mm 钻杆+76mm 方钻杆， 泥浆密度1.14g/cm3，粘度50-55s， 施工参数为: 钻压60-80kN，转速65r/min，排量10L/s，泵压15-17MPa。 钻头使用情况小井眼所钻地层为石炭系，岩性为

60、菲细岩、凝灰岩，岩性致密， 研磨性强， 使用的牙轮钻头为江汉产的117.5mm单牙轮钻头，使用寿命较短，为提高机械钻速，使用了一只DBS 公司的一只FM2663PDC 钻头，机械钻速没有牙轮高，但使用时间较长，不存在掉牙轮的风险，有一定的优势。小井眼共使用4 只牙轮钻头，一只PDC 钻头，钻进进尺146.13m，平均机械钻速为/h。 施工进度该井于2006 年9月13日搬家安装，9月22日开始打捞电桥，9月28日磨油套下部结构，打捞碎块，10月11 日开始加深钻进，10月20日钻至3464m，井底无油气显示，按地质要求完钻，10月27 日完井电测后，在2900m下入电桥注灰，替成清水完井。设计