钻进工艺技术

第七章钻进工艺技术速度快慢、质量和成本的高低的影响因素：钻进是通过选择和使用合适的工具，根据所钻地层的特点，选择合理的工艺技术，使钻头在地层中沿预定的轨道前进的过程，是一口井建井过程的最主要的环节。：破碎岩石（1）地层的物理机械性能（2）钻进设备、工具的性能（3）钻进工艺技术1第一节影响钻进的主要因素已经客观存在、无法改变的因素，如所要钻进地层的岩石物理机械性质、地质构造、地下压力分布及地层中的流体性质等。不可变因素可变因素可以人为选择和改变的因素，如钻井方法、钻头、钻具和钻压、转速、水力参数、洗井液性能及洗井技术等。利用其有利方面，并调节可变因素适应之优选、设计2一、钻压机械钻速钻头的磨损速度和工作寿命钻压的大小图7－1钻压与钻速的关系曲线钻压(W)与钻速(Vm)：W。称为门限钻压。它是ab线在钻压铀上的截距，相当于牙齿开始压入岩石时的钻压，其数值主要与岩石性质有关。3钻压对钻头牙齿磨损速度的影响关系式为：h为牙齿的磨损量；Dl和D2为钻压影响系数,与钻头尺寸有关；钻压与轴承磨损速度的关系式为：B为轴承的磨损量；y是钻压指数,对于普通水基洗井液y=1.5；钻头牙齿的磨损量对钻速的影响关系式：C2为牙齿磨损系数,与牙齿结构及地层岩性有关。4二、转速转速与钻速的关系曲线1－软地层，井底清洁；2－软地层，井底不净；3－硬地层，净化不充分。钻速与转速的关系：λ为转速指数，一般小于1，其值与岩性有关。在钻压一定时，如果增加转速，牙齿和轴承的磨损速度也将加快，它反过来又会影响到机械钻速和钻头寿命等。5三、水力因素洗井液(射流)的作用：清洁、净化井底，避免重复切削；保持和扩大预破碎带裂缝；直接水力破岩。最主要的作用6保持井底清洁要经过三个过程：首先是使破碎的岩屑离开岩石母体；然后是岩屑在井底被移动；最后由上返的洗井液将其从环空举升到地面。对钻速的影响最大压持效应：由于井内洗井液柱所形成的静液压力大于地层压力，使得岩屑被压持在井底不易脱离的现象。三、水力因素7钻头水功率克服压持效应依靠射流的冲击压力和漫流的横向推力。射流喷速和流量(洗井液的水力能量)三、水力因素

钻速与水力参数的关系曲线8四、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标对钻速都有明显的影响。(1)洗井液密度对钻速的影响洗井液密度↗，压持效应↗，钻头的破碎效率↘，钻速↘。9四、洗井液性能(2)洗井液粘度对钻速的影响洗井液粘度↘，循环系统的压耗↘，钻头喷嘴的压降↘，射流对井底的冲击作用↗，改善清岩效果，钻进速度↗。10四、洗井液性能(3)洗井液固相含量及其分散性对钻速的影响固相含量增加会降低钻进速度和钻头、泥浆泵寿命；小于lμm的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大。为了提高钻速，应尽可能采用低固相不分散体系洗井液。11第二节钻进参数选择钻进是钻压、钻速、水力参数、洗井液性能等共同作用的过程。要达到高效率、低成本钻井的目的，必须合理确定出钻进施工中的各参数值及其相互的配合关系，采用先进技术，提高钻进效益。12一、平衡压力钻井技术基本原理

在井内洗井液压力与地层压力相平衡的条件下进行钻进，以便有效地保护油、气层不受洗井液的侵污，保证油气井的生产能力，同时保证较高的钻进速度，缩短建井周期，降低钻井成本。13一、平衡压力钻井技术科学依据式中，pp、Gp——分别为地层压力和压力梯度，MPa和kPa/m；H——地层埋藏的深度，m;ρm——洗井液密度，g/m3;根据地层的压力来确定所用洗井液的密度。14二、高压喷射钻井技术喷射钻井的理论依据强大的水力能量不仅可以使井底保持清洁，而且还可以与钻头牙齿的机械破岩作用相结合，促进岩石的破碎，也可以直接进行水力破岩，提高钻进速度。15二、高压喷射钻井技术喷射钻井的实质在一定的机泵条件和井身结构、钻具结构等条件下，按照不同的钻井理论和工作方式，按井段优选排量和喷嘴直径，使钻井的水力作用在井底产生最好的效果。16二、高压喷射钻井技术喷射钻井的实现

使用新型喷射式钻头，改善井底流场，提高水力清岩效率，并使水力作用与机械破岩相结合，以提高钻进速度与进尺。17二、高压喷射钻井技术喷射钻井的基本标准泵压>10MPa射流速度>80m/s钻头水功率>泵功率的1/2环空洗井液返升速度<1m/s18二、高压喷射钻井技术循环系统压降和水力功率的损耗：水流动压耗与排量的二次方成正比，损耗水功率与排量的三次方成正比，并均与洗井液性能有关。喷射钻井强调使用小排量、小喷嘴和优质洗井液，以提高钻头的压力降和水功率，从而提高作用在井底的水功率。19二、高压喷射钻井技术高压水射流钻井的工作方式：最大水功率理论及其工作方式最大冲击力理论及其工作方式最大喷射速度理论优选排量和喷嘴直径，保证钻头获得的压力降和水功率达到泵许用压力及输出功率的2/3。优选排量和喷嘴直径，保证钻头喷嘴的压力降和水功率达到泵许用压力及输出功率的1/2以上。20三、优选参数钻井技术1．钻速模式杨格(YoungF．S)修正公式使用最广泛2．钻头牙齿磨损速度模式213．钻头轴承磨损速度模式三、优选参数钻井技术4．钻进成本模式22第三节井斜及控制井斜：井眼轴线和铅垂线之间的偏离。23第三节井斜及控制井斜角α：井眼轴线的切线与铅垂线之间的夹角。井身轴线的垂直投影和水平投影图方位角θ：井眼轴线在水平面上投影的切线与正北方向的夹角(顺时针方向)。井底水平位移S：指井眼轨道上某点至井口的距离在水平面上的投影。井斜变化率：指单位井眼长度井斜角变化值。指单位井眼长度方位角变化值。指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿度。方位变化率：井眼曲率：24第三节井斜及控制井斜的危害:井深会被歪曲，地质资料不真实，甚至会漏掉油、气层；由于实际钻开点和设计点偏离较远，可能会打乱油、气田的开发方案，降低原油采收率。起下钻困难，钻柱工作条件恶化，还会造成粘附卡钻、键槽卡钻等复杂情况。固井时，下套管遇阻，套管不能居中，固井质量难以保证。会对以后的采油、修井等作业带来困难。25井斜的标准:表7－1胜利油田生产井的井斜标准我国已规定了井斜变化率要小于3°／100米的标准。第三节井斜及控制26井斜的原因:1．地质条件对井斜的影响沉积岩大都是非均质的，具有典型的各向异性。平行于层理方向的岩石强度大，破碎比较困难。由于岩性的变化、软硬交错而引起井斜。2．下部钻柱弯曲对井斜的影响3．钻井设备安装不合适，钻具本体弯曲，丝扣歪曲等也会引起井斜第三节井斜及控制27井斜的控制:井斜出现后采取相应的纠斜钻具和措施进行纠斜。通过使用防斜钻具和措施防止井斜的出现；1．防斜钻具及原理防斜原理：使钻头上面的一段钻铤具有尽可能大的刚度和大的直径，与井眼保持较小的间隙，以便在钻进过程中受钻压作用时不易弯曲，并保持钻柱始终居于井眼中心，使钻头轴线与井眼轴线基本一致，迫使钻头沿着原来的井眼方向钻进。防斜钻具：一般是采用刚性强的大尺寸钻具，常用的有扶正器组合刚性满眼钻具、塔式防斜钻具、方钻铤防斜钻具等。第三节井斜及控制28第三节井斜及控制2．纠斜钻具及原理(1)钟摆钻具纠斜利用斜井内切点以下钻铤重量所产生的横向力将钻头推向井眼下侧，以达到减小井斜的目的。钟摆力29第三节井斜及控制(2)偏重钻铤纠斜偏重钻铤即是沿普通钻铤的一根母线钻一排均匀分布的孔，从而使钻铤一边重，一边轻。钻具在旋转时，产生一个朝向重边的离心力，且转速越高，离心力越大。这样就对斜井眼的下侧井壁产生一个较大的冲击力，而使井斜减小。(3)涡轮钻具纠斜涡轮钻具与造斜工具相结合，向原井斜的反方向造斜，以达纠斜之目的。30第四节洗井与洗井液洗井:清洗井底、运移岩屑出井的工艺过程。洗井的循环流程：洗井循环流程洗井的主要任务：循环过程中能够将岩屑冲离井底，从环空中携带岩屑上返到地面。循环中断时将岩屑悬浮在洗井液中不让其下沉。保证井眼清洁;31洗井液功能及类型:洗井液：在钻井过程中，能够完成洗井循环而达到清洗井眼目的的流体。包括泥浆、清水、空气和天然气。第四节洗井与洗井液类型:水基体系、油基体系和空气一天然气体系用的最多用的最少固相颗粒悬浮在水或油中所形成的一种分散体系32第四节洗井与洗井液(1)清洗井底携带岩屑(2)悬浮岩屑(3)阻止地层中油、气、水流入井内(4)保护井壁，防止井壁坍塌(5)冷却、润滑钻头和钻柱(6)向井底传递水功率(7)了解地层(8)减轻钻柱或套管柱的悬重洗井液功能33第四节洗井与洗井液1、密度2、粘度3、切力4、失水量和泥饼厚度5、含砂量6、pH值(酸碱度)洗井液性能34第四节洗井与洗井液主要损害机理：（1）外来流体与储层岩石矿物不配伍造成的损害；（2）外来流体与储层流体不配伍造成的损害；（3）毛细现象造成的损害；（4）固相颗粒堵塞引起的损害。洗井液对地层的损害35一、取芯钻井取芯工具组成取出岩芯取芯过程三个环节：钻出岩芯保护岩芯取芯工具：取芯钻头、岩芯筒及悬挂装置、岩芯爪等第五节特殊钻井工艺技术36取芯工艺：做好准备工作开泵循环缓慢下放到井底取芯钻进割芯操作起钻到地面取出岩芯测量、记录距井底10m到达预定进尺慢转一段时间第五节特殊钻井工艺技术37第五节特殊钻井工艺技术二、定向钻井定义：使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法。38第五节特殊钻井工艺技术1．定向井井身剖面(1)井身剖面设计原则必须保证实现定向钻井的目的；尽可能利用地层自然造斜规律；有利于安全、快速钻进；有利于以后的采油和修井作业。39第五节特殊钻井工艺技术(2)井身剖面类型定向井剖面的基本类型类型I造斜深度较浅，在达到所要求的井斜角后，保持这个角度钻达目的层。适用于不需要下中间套管和具有单一油层的中深井中，或水平位移较大的深井中。40第五节特殊钻井工艺技术类型Ⅱ在接近下表层套管的井深开始造斜，造斜完后下表层套管，然后稳斜钻进到预定的水平位移后，降斜钻进，最后使井眼垂直进入目的层。适用于多油气层，有盐水层等复杂情况的，需要下中间套管的深井。定向井剖面的基本类型41第五节特殊钻井工艺技术图7－7定向井剖面的基本类型类型Ⅲ具有较长的垂直井段，便于在上部实行快速钻进。适用于地层倾角较大，要求闭合距不太大的多油气层深井。所有的井身剖面都是垂直段、增斜段、稳斜段、降斜段的组合。42第五节特殊钻井工艺技术2．定向井造斜方法及原理(1)转盘钻造斜①槽式斜向器图7－8槽式斜向器②水力喷射造斜钻头图7－9喷射造斜钻头③扶正器造斜钻具43第五节特殊钻井工艺技术2．定向井造斜方法及原理(2)井下动力钻具造斜常用的井下动力钻具主要是涡轮钻具和螺杆钻具。常用的造斜工具有弯钻杆和弯钻铤。44第五节特殊钻井工艺技术2．定向井造斜方法及原理(2)井下动力钻具造斜45第五节特殊钻井工艺技术3．定向井的方位控制通常用来纠正井眼方位的方法是：调整造斜工具在井底的作用方位。及时测量，及时纠正46第五节特殊钻井工艺技术三、水平钻井水平钻井：指在地下某一深度的地层中沿水平方向钻出一段水平井眼的工艺过程。47第五节特殊钻井工艺技术三、水平钻井1．水平井剖面类型表7—1水平井分类及特点48第五节特殊钻井工艺技术2．水平井钻井系统水平钻井系统：能够完成水平井钻井工艺过程的配套设备和工具。(1)超短曲率半径水平钻井系统靠作用在射流喷嘴内腔的静液压力自动送钻。特点：用高压水射流破岩钻进而不用钻头机械钻进；钻柱不旋转；49第五节特殊钻井工艺技术功能：可以钻出直径50～100mm，长30～60m的水平井眼，其由垂直到水平的转弯半径为0.3m左右。只需要功率较小的车装钻机作为起升设备。设备：超短曲率半径水平井的应用：对于开发薄油层、稠油层、低渗油层、垂直裂缝油层具有良好的效果。主要用来恢复老井的产能，当然也可用于新井的增产。50第五节特殊钻井工艺技术(2)短曲率半径水平钻井系统设备：地面设备与常规的钻井设备相同。按动力来源的不同可分为两种：地面动力钻井系统和井下动力钻井系统。现常用的是井下动力钻井系统。功能：可以钻出300～500m长水平井眼。51第五节特殊钻井工艺技术(3)中曲率半径钻井系统a－造斜马达b－稳斜马达图7－11中曲率半径井眼的造斜和稳斜钻具组合52第五节特殊钻井工艺技术水平段用导向马达或带双斜式万向节的马达进行钻进。大直径中曲率半径井眼(140～318mm)：造斜段一般用有弯接头、弯外壳稳定器的马达进行钻进；水平段一般用导向马达或旋转钻具组合钻进。小直径中曲率半径井眼(89～140mm)：造斜段一般用光滑钻具组合进行钻进，这种钻具组合使用带