钻井工程新进展

1、钻井工程新进展第一讲高效破岩前沿技术及发展趋势一、破岩技术的基础理论方面主要体现：岩石可钻性的实时性和连续性测量与计算缺乏 深入研究；岩石研磨性的统一测量标准缺乏深入研究。二、国内外高效破岩前沿技术1、长寿命、高效钻头：目标是尽量延长破岩工具的寿命，提高破岩效率，减少起下钻时间。 如新结构钻头、牙轮&PDC复合钻头等。研究表明：不仅能减少起下钻时间，降低成本，而且大幅度提高破岩效率。a.内镶多级齿PDC双级钻头牙轮&PDC复合钻头：复合钻头结构设计特点：两牙轮、两刮刀钻头用于直径较小的钻头，三牙轮、三刮刀钻头用于直径较大的钻头。复合钻头的优点1）复合钻头切削机理呈现多样性，增加了钻头与地层的适

2、应性，减少了起下钻次数。在塑性 地层，复合钻头的机械钻速是牙轮钻头的二至四倍。2）另外，钻头的PDC刮刀结构显著地提高了牙轮的滚动效果。相比传统的PDC钻头，复合 型钻头扭转振幅降低50%；3）其次，在单位时间内旋转钻头的剪切滑动降为最低，提高牙轮的纯滚动。这使复合钻头有 广泛的操作窗口，大大提高了钻头的定向钻进。PDC的烧结工艺：PDC与WC基柱之间的连结部分是PDC钻头的薄弱部分新工艺使连结强度增加，大大增加了钻头的使用寿命。e采用热-机械整合方法设计PDC切削齿应用热-机械整合法，对PDC焊层与碳化物间界面几何形状进行优选，大大降低了 PDC切 削齿的热残余应力，提高了 PDC切削齿耐高

3、温性，耐冲击性和耐磨损性。PDC钻头新型切削齿设计-岩石接触模型：新的切削齿-岩石接触模型，考虑了三个面：切 削表面、斜面和圆柱面。可以精确计算每个切削齿上的应力。 整体应力和能量平衡法设计钻头冠部h.新型PDC水力结构设计2、高效破岩方法：在现有钻井破岩体系的基础上，通过局部改造来提高钻井破岩效率。高效破岩技术：1）粒子冲击钻井：与传统钻井技术相比，粒子冲击钻井技术主要有三项主要技术：注入系 统、回收系统、PID钻头。随压力的增加，破岩体积大幅度增加，加钢粒的破岩体积是不加粒子的4倍多粒子从喷嘴高 速喷出后冲击破碎岩石，产生环形岩脊。2）旋冲钻井：旋冲钻井就是在常规旋转钻井的基础上加装一冲击

4、器组成旋冲钻具，在旋转 破岩的同时再对钻头施加一个高频冲击力，从而实现边旋转边冲击的联合破岩钻井技术。 结构：钻头+冲击器+钻铤+钻杆+方钻杆旋冲破岩技术研究方向分类：SHPB实验空气锤破岩泥浆驱动液动锤破岩3）超高压喷射辅助钻井：国外高压喷射钻井研究经历了 3个阶段：地面全排量增压 地面 局部排量增压井下局部排量增压4）共振钻井3、无机械寿命约束的破岩方式a.激光破岩技术：激光破岩的主要原理是借助于激光的热力作用使岩石破碎 优点：设备 轻、钻速快、不需要套管固井等 缺点：理论研究不彻底、经济成本较高、工艺待完善。三、高效破岩的发展趋势高效破岩技术发展的要求：钻井更简便钻速更快钻井更安全钻井更

5、低廉高效破岩技术：a.微波辅助破岩技术：微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波。微波能够在岩石中形成纵深方向的热辐射；导致岩石颗粒内部颗粒间产生裂缝，降低岩石的强度；辅助机械破岩工 具破碎岩石，提高钻井效率。两种输入能量组合的工艺有可能突破单用一种输入能量时工 艺上的破岩极限。优点：与常规钻进相比，提高破岩速度2-4倍。建少工具磨损50%粒子冲击钻井PID：粒子冲击钻井PID的钻井速度是常规钻井的24倍。优点：钻头磨 损小，缩短了钻井周期；对防止井斜能产生显著的效果；能有效地减小对设备冲蚀磨损的风 险；局部瞬时脉冲应力峰值足以破碎和侵彻极坚硬的岩石。缺：地面设备的工作可靠性较低 和使

6、用寿命较短。激光破岩：共振钻井（RED）：共振钻井是一项通过调节破岩工具冲击频率，配合以冲击振幅及转速， 使其达到与正在钻进的地层裂缝传播的“自然频率”产生共振来实现高速破岩的钻井提速技 术。等离子体破岩技术（RED）：等离子体破岩技术是利用冲击波和巨大的脉冲压力破碎坚硬 的岩石材料。四、当前破岩技术的发展宏观上分为三大类：一是在常规破岩体系的基础上进行局部改造或改善，进而大幅度提高常规破岩方式的机械钻 速，如钻头结构优化及新材料钻头、超高压喷射辅助破岩等。二是在常规破岩体系的基础上进行主要部件的改造，进而大幅度提高常规破岩方式机械钻速 的新型钻井方式，如粒子冲击钻井、共振钻井三是彻底打破常规

7、破岩体系，重新研发出一套新的高效破岩体系，如激光破岩技术、等离子 体破岩技术等。第二讲粒子冲击钻井研究进展一、粒子冲击钻井技术主要有三项主要技术：注入系统、回收系统、PID钻头注入系统：粒子注入系统包括注入塔和机架。粒子注入系统进行研究的核心是将粒子如何连 续均匀的混入到高压钻井液中。为保证粒子均匀注入，粒子与钻井液二次混合后和螺杆挤压 机均匀挤入高压管线。回收系统：粒子冲击钻井回收系统主要部件有：旋转储罐，环形分离器和磁铁分离器。PID钻头：PID钻头主要有粒子喷嘴和切削齿组成，钻头底面的中部呈锥形地布置有切削齿， 能以低钻压和低扭矩方式破碎井底的环形岩脊，钻头外缘布置有保径齿,以便切削井眼

8、周边形 成规整的井眼形状。粒子较佳的入射角度范围应在0 -20。之间。第三讲套管钻井技术研究与应用一、套管钻井就是用标准油田套管替代钻杆和钻铤而进行的钻井。下套管与钻井同时进行， 用套管给钻头传递机械和水力能量，在一个钻井过程中同时完成钻井与固井作业的一种钻井 技术。二、优点：（1）减少起下钻的时间；（2）减少意外事件的发生。（如地层膨胀、井壁坍塌、 冲刷井壁、井筒内形成键槽或台阶等）（3 ）节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输、检验、维 护和更换的费用；（4）因为井筒内始终有套管，也不再有起下钻杆时向井筒内的抽汲作用， 使井控状况得到改善；（5）起下钻时能保持泥浆连续循环，可防止钻屑聚集，也减少

9、了井 涌的发生；（6）消除了因起下钻杆带来的抽汲作用和压力激动；（7）改善水力参数、环 空上返速度和清洗井筒的状况；（8）可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用；（9）钻机更加轻便，易于搬迁和操作。人工劳动量及费用都将减少；（10）钻井成本将大 大下降。三、 解决的问题：（1水化膨胀地层问题 ；（2）坍塌层问题；（3 ）冲蚀问题；（4）抽吸问题；（5）套管磨损或键槽问题；（6）下测井工具和下套管问题。四、套管钻井钻机包括：分体式天车分体式游车钢缆防喷器（集成于顶驱之中）套管操纵设备等。五、套管钻井方式：表层套管钻井方式的研究、油层套管钻井方式的研究第四讲超深高压酸性气田固井配套技术一、超

10、深高压酸性气田固井难题分析普光气田是国内最大的海相整装高含硫天然气田；面积：45. 58km2 ；探明储量2516X 108m3 已经高质量地完成了主体开发钻井完井工作，开钻39 口，完井39 口，普光气田已经正式实 现供气。固井面临诸多技术难题，可概括为：“深”、“高”、“窜”、“漏”、“毒”、“窄”“深”：井深带来封固长、高温等固井技术难题普光气田：一般在完钻平均井深在5900m左右，井底静止温度在140-150C元坝地区：完钻平均井深一般超过7000m左右，元坝3井完钻井深7450m，井底静止温度在 150-170C“高”地层压力高、钻井液密度高（最高达到2.45g/cm3）、粘度高（大

11、于100s）口高密度钻井液造成顶替难、泵压高、水泥浆顶替效率低口高密度水泥浆设计困难，流变性和沉降稳定性控制难固井温度高口常规非渗透防气窜剂、缓凝剂等抗温能力一般只有120C左右，难以满足高温防气 窜固井技术需求“窜”：由于气体可压缩，易膨胀，计算表明，其气窜因子（GFR）达到710，防止固井后 环空气窜难度大。“漏”：常规漂珠低密度水泥浆面临高压破碎密度升高，抗压强度低且发展慢“窄一是环空间隙窄：技术难题：下套管难度大，泵压高易漏失；采用无接箍套管，套管居中难；提高水泥浆顶替效率困难 二是安全密度窗口窄：技术难题：要压稳高压气层，就有压漏低压层的危险，压稳防窜和防 漏矛盾突出“毒，：酸性气体

12、侵入水泥浆内，对水泥浆性能产生影响，对凝固后的水泥石造成腐蚀，影 响其长期封隔效果。二、超深高压酸性气田固井配套技术封：研制开发了防窜防腐水泥浆体系；FSAM非渗透F防气窜；DC20抗高温胶乳防气窜；防腐水泥浆体系堵：建立针对不同漏失井防漏固井技术；采用纤维水泥；采用堵漏型前置液压：提出了分段压稳设计模型；平衡压力固井设计方法；双凝或多凝水泥浆体系快：提出“以快治气”思路；主力气层采用高早强水泥浆，有效防止早期气窜；缩短过渡时 间新：引进了旋转尾管固井技术；自研发抗CO2、H2S腐蚀的新型固井工具等，形成了超深 高酸性气井综合配套固井技术防窜防腐水泥浆体系研究（1）研制了防止CO2、H2S腐蚀

13、水泥石外加剂建立了腐蚀评价实验室；开发了防腐外加剂和水泥浆体系（2）研制了 DC200新型抗高温胶乳防气窜水泥浆胶乳是一种聚合物悬浮体系；胶乳中聚合物胶粒的粒径在0.050.5以m范围-具有成膜和颗粒双重防气窜性能；提出新的“护胶”思路，解决了胶乳水泥浆敏感性 强的关键技术难题（3）研制开发了 FSAM高密度防气窜水泥浆体系建立针对不同漏失井防漏固井技术不同漏失井防漏固井工艺：产层、含气技套一一低密度水泥浆；纤维堵漏水泥浆；MS-R堵漏前置液漏层已知，具备条件一一分级固井漏失严重，堵漏无效一一正注反挤1）开发了新型耐压低密度水泥浆体系DFS高强低密度水泥浆体系：耐压，取代高抗挤漂珠，节约成本；

14、高早强可满足超过60 r温差要求2）开发了新型堵漏性前置液堵漏隔离液体系：易混拌，堵漏材料浓度高；可显著提高架桥作用；可提高胶结质量 提高冲刷泥饼效果；川东北、塔河油田等应用40多口井，效果显著；可用矿渣加重， 提高胶结质量建立新型分段压稳设计模型原则：环空液柱压力大于气层压力分段设计水泥浆，分段计算水泥浆失重值发挥领浆压稳作用，使尾浆与领浆的静胶凝强度呈阶梯状发展采用前置液来优化环空液柱压力开发了 4种规格抗高温、耐腐蚀固井工具和附件适合高温高压高含硫环境；适合非常规井身结构；提高固井工具的可靠性（1）研制开发了新型抗高温耐腐蚀尾管悬挂器（2）研制开发了新型耐腐蚀小外径双级注水泥器（3）引进

15、了旋转尾管固井技术取得了五个重要进展优选出了适合超深高压酸性气田固井防窜防腐水泥浆体系建立了高压气井分段压稳以及窄密度安全窗口固井设计方法建立了适合不同低压易漏失地层防漏固井技术方法研发出了适合川东北地区高压气井的新型防腐蚀固井工具初步形成了提高超深高压酸性气田固井质量的固井配套技术第五讲元坝地区钻井提速技术研究一、元坝地区钻井概述元坝地区是中石化天然气增储上产的重点区域。长兴组台缘礁滩相带发育7个勘探目 标，圈闭资源量5093亿方，远景资源量为17700亿方。目前勘探已获重大突破即将进入开 发阶段元坝地区完钻井均为超深井最深井7450m （元坝3井）；最浅井6565m （元坝27井）；平均井

16、深7047.13m1、正钻井的井深元坝地区正钻井设计井深进一步加深，均为超深井：最深井深8158m （垂深7280m，元坝 121H井）；最浅井深6690m （元坝271井）；平均井深为7287.98m2、完钻井的钻井周期最长钻井周期707d；最短钻井周期284d；平均钻井周期486d3、完钻井的机械钻速机械钻速最高：蓬莱镇组8.04m/h ；机械钻速最低：须家河组0.52m/h二、元坝地区钻井提速难点分析（一）自陆相至海相钻穿多套地层，存在多个储层，分布多套压力系统，地层压力差别大， 岩性变化大1）地层层序复杂2）压力体系多，必封点多，井身结构复杂3）气体钻井技术受陆相 地层稳定性的制约（二

17、）陆相地层沙溪庙自流井须家河地层砂泥岩研磨性强，分布有砾石层，硬度高，地层压 力高，可钻性差1）沙溪庙自流井须家河地层的岩性特点2）沙溪庙自流井须家河地层硬度高，研磨性 强，分布有砾石层，可钻性差，钻头选型困难3）自流井组须家河组地层压力高， 钻井液密度大，机械钻速低（三）深部地层孔隙压力变化大，循环压耗大，钻井参数优化困难三、元坝地区钻井提速技术1）建立了地层压力剖面，形成了井身结构优化设计技术2）气体/泡沫钻井技术3）建立了岩性组分、可钻性剖面，钻头类型优选体系逐步完善4）孕镶金刚石钻头+高速涡轮复合钻井技术涡轮寿命300-800小时；钻头寿命大于200小时；减少起下钻次数（常规钻井3-5

18、趟 钻，只需1趟钻完成）；整体钻井效率大幅度提高5）PDC钻头+螺杆复合钻井技术：平均机械钻速比常规钻井提高近1倍。6）控压/欠平衡低密度钻井技术（1）钻井液密度对钻井速度影响规律分析口压差越大，岩石强度越大，越难破碎口压差增大产生压持效应，钻速降低口减小压差是提高钻速的一种有效途径机械钻速随着钻井液密度的降低而增加低渗透性岩层压差对钻速的影响比在高渗透性岩层内的影响更大钻井液密度对钻井速度影响规律分析：机械钻速随着井底欠压差的增加而增加四、结论与建议结论：1、气体钻井技术是提高上部陆相地层钻井速度的主要手段和钻井方式；2、控压/欠平衡低密度钻井技术是提高下部陆相地层钻井速度的主要钻井方式，钻

19、井 液密度的降低幅度是下一步优化研究的主要任务；3、孕镶金刚石钻头+高速涡轮和PDC+螺杆复合钻井技术是陆相下部井段综合提高钻 井速度和强化钻井参数的主要方式；4、深部井段应大力推广PDC+螺杆复合钻井技术。建议：1、进一步在下部陆相地层采用控压/欠平衡低密度钻井技术，摸索钻井液密度的降低 范围，以期形成一套完善的低密度钻井工艺技术方法；2、建议7 尾管不会接，提高深部钻具组合、钻井参数、水力参数的优化空间，进一 步强化深部井段的钻井参数。第六讲吉林油田高含CO气井防腐固井技术一、CO2腐蚀机理和评价方法研究油气层中CO2处于液相超临界状态，密度可达500-800kg/m3，CO2可通过水泥石

20、中的连 通孔隙，在与水共存的强烈的酸性环境下，对水泥石和套管产生极强的腐蚀作用。通过研究分析，CO2对水泥石的腐蚀程度取决于CO2分压和相对湿度，腐蚀机理主要有淋 滤、溶蚀、碳化收缩和高矿化度地层水协同作用，具体表现为：（1）CO2与水泥石表面的 碱性物质反应，降低其pH值，使水泥石表面疏松，为酸性气体进入水泥石中提供通道。（2） CO2与水泥石中熟料矿物的水化产物反应，生成非胶凝性产物，降低水泥石的抗压强度和 致密性，增加水泥石的渗透率。2、CO2的危害性CO2在适宜的湿度及压力环境条件下会对油井水泥产生腐蚀作用降低水泥石的碱性，使水泥环强度下降而渗透率增大严重时导致CO2对套管产生点蚀、穿孔甚至生产油管的腐蚀断裂渗透率变大，抗压强度完全丧失，诱发流体窜流、塑性地层的井壁垮塌等事故3、防CO2防腐的途径1）掺入特种功能材料，使水泥石始终保持适当的碱性环境，消耗水化产物中易被CO2腐蚀 的物质，2）增加水泥石的致密性，改善水泥石的韧性，提高水泥环与地层的胶结性能3）研究应用非硅酸盐（如磷酸盐水泥）或其它非水泥固井材料5、CO2腐蚀的评价方法缓蚀系数：腐蚀一定龄期后水泥石抗压强度与腐蚀前抗压强度之比。适用于评价水泥石腐蚀 程度较高时。碳化深度：主要有酸碱指示剂呈色法、热分析法和显微分析法等。以酚酞和茜素黄R试剂作为指示剂。渗透率孔结构：单位时间内液体通过材料