钻井工程 - 绪论

绪论篇2012年上学期钻井工程课1主要内容前言井的概念、功用与分类油气井工程学术问题钻井历史沿革油气井建井过程钻井技术现状、展望与需求与钻井相关的基本概念2一、前言（1）钻井是油气资源勘探开发工程的重要环节，具有资金和技术密集型工程特征。发展钻井科技，降低钻井成本，培养高素质钻井科技与管理人才，不断提高我国钻井整体水平，对油气资源的高效勘探与开发无疑具有十分重要的战略意义。（2）油气钻井的关键技术包括：高效破岩与洗井技术、井眼轨迹控制技术、井眼稳定技术、固井完井技术等，钻井的理论基础是力学、化学及工程地质等，而钻井关键技术的最终实现还须借助于材料、机械、测量、控制及信息传输等多学科的支撑。采油炼制储运钻井勘探地质测井油藏机械化工经济管理3二、井的概念、功用与分类4二、井的概念、功用与分类井，是人类探查和开采地下资源（如原油、天然气、原煤、地热、地下水等）所必不可少的信息和物质通道。钻井，是围绕井的设计、建设、测量、使用与维护而实施的耗资巨大的技术密集型工程。井的功用地下资源的勘探与开发环境监测与治理地球科学研究地下掘进、非开挖铺设与地基工程地下核实验5二、井的概念、功用与分类井按用途地学研究井探井:科探井参数井预探井评价井开发井:采油井注入井

按工艺直井:垂直井斜直井

斜井:常规定向井水平井大位移井复杂结构井设计师井

钻进就是在地面上用钻井泵将钻井液经钻柱泵入井底，通过钻头水眼形成高压射流，既能辅助钻头破碎岩石，又可冷却钻头并将钻屑带到地面。由此可见，这一看似简单的工艺过程，实际上蕴含着许多学术和技术问题。6三、油气井工程学术问题主要是：力学问题、化学问题、工程地质问题、关键技术问题、成本与环保问题力学问题流体力学问题岩石力学问题管柱力学问题高压水射流技术问题钻井环空流体力学问题管柱力学特性等问题四压力确定问题岩石可钻性预测问题地应力问题7

三、油气井工程学术问题化学问题化学储层地质学粘土矿物学钻井液完井液安全快速优质钻井保护储层及环保水泥浆安全优质固井工程地质问题理论计算方法物理模型施工控制工程设计依据8关键技术问题井眼轨迹优化设计与控制技术地质钻井完井测井采油经济井眼失稳与控制技术高效破岩与洗井技术复杂条件固井完井技术现代钻井综合设计技术成本与环保问题钻井成本问题钻井污染问题开发井50％左右探井55％～80％井喷失控废物处理二、井的概念、功用与分类9

综合而言，当今一个国家的钻井水平主要体现在两个方面：

★深或超深探井钻井水平

★特殊工艺井钻井水平

三、油气井工程学术问题10地区井号井深（m）钻井周期（d）俄州No.17461320威州Bighorn-57564640加州P34-29R7447370路州960-1.No.17608318堪州DavilleNo.16299636平均7276459美国5口超深探井钻井简况建井周期

三、油气井工程学术问题11地区井号井深（m）钻井周期（d）库车南喀1井5314889东秋1井5314820克参1井6150961塔西南柯深1井64811002英科1井6406999平均5933935我国塔里木油田5口深或超深探井钻井简况建井周期

三、油气井工程学术问题12

认识：我国深或超深探井钻井起步晚，数量少，进步较快，但与国外先进国家相比，无论是数量、水平或是装备、性能，都还存在较大差距。1966～2001年我国陆上共完成900余口,而美国早在1982年一年就完成了1289口。

三、油气井工程学术问题13特殊工艺井井型国内国外大位移井3口/不成熟很多/已成熟三维分支水平井不成熟已成熟复杂结构井空白已有连续管井很少/不成熟很多/已成熟“设计师”井空白已有我国特殊工艺井钻井与国外对比简况

认识：我国特殊工艺井钻井基本还处于空白阶段，尽管在大位移井、分支水平井和连续管井方面已取得了一些进步，因此可以说钻井界任重而道远。

三、油气井工程学术问题14就钻井工程而言，油气井建井过程是指从定井位、钻前准备、钻进、下套管固井到测三样（声波、放射性和磁定位）装井口的全过程。五、油气井建井过程15钻井地质设计－－井位、井别、目的、任务、布井依据、剖面设计、油气层预告、录井、故障提示钻井工程设计－－钻井程序、套管程序、井身结构、钻头类型、钻具组合、钻井参数、水力参数、质量要求、钻井液、固井技术、完井方法、安全措施、经济成本五、油气井建井过程前期工作16五、油气井建井过程1.钻前准备－－地质部门提供井位和钻井地质设计后，首先完成钻井工程设计，然后便进入钻井施工的第一道工序―钻前工程，它主要包括：（1）实地勘察井场（120×90m2，100×60m2），确定公路入口和井场布置。（2）修建通往井场的运输用公路，应便于运送钻井设备及相应器材。（3）根据钻井工程设计要求准备井场，建设钻机、井架、钻井泵、机房等的基础。（4）搬安调试钻井设备、钻井液循环管线、油气水保温管线等。（5）开钻准备，即挖圆井（或不用）、下导管并封固、钻大小鼠洞等。

2.钻进－－按照钻井工程设计安全、优质、快速地钻达设计井深，并取全取准各项资料。

3.下套管固井－－按照钻井工程设计下人各层套管并优质固井，以满足钻井工程和勘探开发的要求。

4.测三样装井口－－完井固井候凝后，若经测三样检验固井质量合格，即可装定井口交井。（1）钻进（破岩）－－钻头旋转破碎岩石的全部过程。（2）洗井－－钻进时携带岩屑和清洁井眼。（3）接单根－－随井加深而增加钻柱长度。（4）起下钻－－为了换钻头或其它目的而把钻柱从井下起出或下入井内。（5）换钻头－－将井下已磨损的钻头起出地面换新钻头。（6）录井－－测量地层和井眼的各项数据（井径、井斜、岩性和油气水），其方法有：岩屑录井、气测录井和电测录井。17油气井建井过程五、油气井建井过程18二十一世纪钻井技术展望及其研究方向(Top10Technologiesof20thcentury)深井超深井、大位移井、高温高压井、特殊工艺井简介钻井技术需求分析六、钻井技术的现状、展望与需求主要内容19►Top10Technologiesof20thcenturyRandomOrderReflectionSeismologyElectricLoggingHorizontalDrillingRollerConeBitsJetPerforatingTopDrivesCoiledTubingHydraulicFracturingOffshoreDrillingUnderbalancedDrillingChronologicalOrderUnderbalancedDrilling-CableTool（1859）-ModernUBD(1970’s)RollerConeBits-1909HorizontalDrilling-1925SteerableMotors-1984ElectricLogging-1927JetPerforating-1932HydraulicFracturing-1947OffshoreDrilling->1945ReflectionSeismology-1950’sCoiledTubing-1970TopDrives-1990’s20二十一世纪钻井技术展望待解决的技术问题：

如何使钻头沿预置轨道钻进并保持井眼稳定，以减少或避免塌漏阻卡喷等事故的发生。如何优选钻头和参数，以提高钻进速度。如何实现钻井自动化和智能化，以减少钻井间断和缩短钻井周期。如何有效地保护储层和封固地层，以提高勘探开发效果。六、钻井技术的现状、展望与需求21二十一世纪钻井技术研究方向：智能钻井（系统）技术边际定向钻井与完井技术三维可视化钻井技术套管钻井与膨胀管技术深或超深井钻井与固井技术特殊工艺井钻井与完井技术小眼井钻井与固井技术欠平衡钻井与固井技术六、钻井技术的现状、展望与需求22二十一世纪钻井技术展望及其研究方向(Top10Technologiesof20thcentury)深井超深井、大位移井、高温高压井、特殊工艺井简介钻井技术需求分析六、钻井技术的现状、展望与需求主要内容23深井、超深井深井：45006000m；超深井：6000m。我国西部自然条件：油气埋藏深（超过5000m）,地面环境恶劣地下情况复杂（山前构造带）及其不确定性给油气钻探造成极大困难：钻井事故多、速度慢、质量差、效益低，严重制约了油气勘探开发的步伐。例如：6000m左右的深探井，建井周期超过2年，每米成本超过1万元，甚至无法钻达目标。山前构造油气钻探，也是一个世界性难题。24西江24-3-A14大位移井概况大位移井25西江24-3油田西江24-1油田8063m2850m水深100m大位移井西江大位移井技术大位移井26扭矩／摩阻；钻柱设计；井壁稳定；井眼净化；泥浆和固控；套管作业；定向钻井优化；测量；钻柱振动及钻机设备

大位移钻井的关键技术:

大位移井27钻井高温高压井的概念哈里伯顿：压力≥70MPa温度≥150℃斯伦贝谢：压力≥105MPa温度≥210℃CNPC：压力≥105MPa温度≥150℃含H2S≥3%CO2≥3%CNOOC：井底地层温度大于150℃地层压力达到69MPa地层压力系数达到1.8

固井高温高压井的概念国外固井公司：压力≥105.5MPa温度≥163℃国内现场经验：钻井液密度≥1.4g/cm3或地层压力系数高于1.6～1.8高温高压井28异常高温超压天然气可谓“气老虎”，对开发工程造成极大威胁。这类气藏开发难、风险高、周期长、费用高。南海崖城21-1构造：1990-1991年相继报废崖城21-1-1井和崖城21-1-2井（设计深度4580ｍ），造成1.6亿元的直接损失；两年后又钻崖城21-1-3井，钻至井深4680ｍ完钻（钻井液密度2.33g/cm3,井底温度206℃），但钻井时间长达268天，钻井费用1.3亿元（不包括完井测试费）。塔西南坳陷柯深1井：实钻井深6481m，完井周期1002天，花费超亿元，但在测试时又因高压高温效应使管柱系统失效而报废(1996上半年)。塔里木迪那2井：2001年4月30日钻至4800m遭遇高压（压力系数2.13）而失控,发生严重的井喷着火事故,造成1人死，3人伤，钻井设备化为灰烬,损失惨重,处理事故2个月。

高温高压钻井效应29特殊工艺井定向井、丛式井水平井：超短半径及径向水平井问题复杂结构井欠平衡钻井大位移井套管钻井——降低钻井成本，对付复杂地层30用复杂结构井开发稠油油藏31DESIGNERWELL设计师井32二十一世纪钻井技术展望及其研究方向(Top10Technologiesof20thcentury)深井超深井、大位移井、高温高压井、特殊工艺井简介钻井技术需求分析六、钻井技术的现状、展望与需求主要内容33展望未来，探井要求提高钻井的质量（如井身质量及储层和环境保护等）、安全和效率，降低工程费用；开发井要求尽可能做到“少井高产”和提高采收率，以降低油田建设和生产费用，对井的使用寿命及特殊工艺井技术提出更高的要求。在国内，无论是“西部”还是“东部”，油气勘探与开发都对钻井提出新的更高的要求。同时，加入WTO后，我国钻井行业面临国际市场的机遇与挑战，急需研发自主产权的钻井高新技术，以提高自身的综合技术竞争能力。

钻井技术需求分析34我国西部需求

我国西部先后发现了塔里木、准噶尔、柴达木、吐哈、陕甘宁及四川等大中型含油气盆地，其油气资源十分丰富。加快这些地区油气资源的钻探与开发，不仅有利于缓解我国日益加剧的油气供需矛盾，而且也是国家实施西部大开发战略中的重要目标之一。然而，在这些地区，由于地面和地下条件异常复杂以及油气资源埋藏深等原因，在油气钻探中经常遇到高温高压、失稳、失效及储层损害等技术难题，采用常规的理论和方法很难凑效。35山前构造带钻遇高地应力和高陡构造等复杂地层，难以控制井斜和井壁失稳；有些区块钻遇易垮塌的煤层及破碎泥页岩层；浅部疏松地层、下部低压地层、碳酸盐岩裂缝性地层等，易发生恶性井漏；深部地层（如灰岩、白云岩等）的可钻性差，机械破岩效率低；钻遇多套高压盐水层，高密度钻井液体系性能难以维护。高温高压天然气藏，对钻井工程构成极大威胁。此外，在我国西北地区的石油资源中，低渗透资源量占37.93%，重油资源量占17.55%，这对油田开发与钻井工程提出了特殊的技术要求。我国西部需求

36综观过去几十年的发展历程，我国钻井技术的研究与发展，是以满足不同时期国内的迫切需求为主要目标的，虽然取得了很大的进步，但基本上是跟踪国外的发展，具有自主知识产权的重大发明成果比较少。这种与国际先进水平存在较大差距的引进式和自足式的技术状况，很难适应全球化的国际技术市场的激烈竞争，急需通过大力加强技术创新研究来加以革新或革命。

参与国际市场的需求37七、与钻井相关的基本概念

1、钻井的概念（Conceptofdrilling）钻井(Drilling)

使用一定的破岩工具，不断地破碎岩石，加深井眼的过程。

油气井(Oilandgaswell)

以勘探开发石油和天然气为目的，在地层中钻出的具有一定深度的圆柱形孔眼。38与井有关的常用概念

井的最上部（转盘面）称为井口井的最下部称为井底井周围的侧壁称为井壁

井眼的直径称为井径

全部井眼称为井身井身中的某段称为井段

七、与钻井相关的基本概念

39井口转盘面到地面基墩的距离称补心高。七、与钻井相关的基本概念

40井深:

井口转盘面到井底的井眼轴线长度。井深＝

钻头长度＋钻铤长度＋钻杆长度＋各种接头长度+方入

＝

钻具总长+方入方入：指方钻杆在转盘面以下的长度。方余：指方钻杆在转盘面以上的长度。方钻杆长=方入+方余七、与钻井相关的基本概念

41到底方入：指钻具下到井底时的方入。整米方入：指钻具下到整米时的方入。取心方入：指取心钻具下到井底时的方入。割心方入：指取心钻具开始割心时的方入。打捞方入：指打捞工具碰到井底落物时的方入。造孔方入：指打捞工具扣紧井底落物时的方入。交接班方入：指交接班时的方入。七、与钻井相关的基本概念

42悬重━━钻柱在钻井液中的总重量（不钻进时的大钩负荷）钻重━━钻进时的大钩负荷钻压━━钻进时钻头上作用的压力钻压＝悬重－钻重机械钻速━━单位时间的钻进速度钻时━━每米进尺所需的时间

（m／h）（min/m）七、与钻井相关的基本概念

43油（气）井的类别（Typeofoilwell） 油气井的类别依不同的方面，有不同的划分方案按钻井的目的分为探井和开发井（1）探井（Exploratorywell）

指以了解地层的年代、岩性、厚度、生储盖的组合和区域地质构造、地质剖面局部构造为目的，或在确定的有利圈闭上和已发现的油气圈闭上以发现油气藏、进一步探明含油气边界和储量以及了解油气层构造为目的所钻的各种井，包括地层探井、预探井、详探井和地质浅井。（探井就是了解地下各种情况所钻的井）七、与钻井相关的基本概念

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（2）开发井（Developmentwell）(又叫生产井)

指为开发油气田所钻的各种采油采气井、注水注气井，或在已开发油气田内为保持一定产量并研究开发过程中地下情况的变化所钻的调整井、补充井、扩边井、检查资料井等。2.按完钻后的井深分为（国际标准）：

（1）浅井(井深<2000m)（2）中深井(井深2000m～4500m)（3）深井(井深4500m～6000m)（4）超深井(井深>6000m)七、与钻井相关的基本概念

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3·按井眼轨道形状分为直井、定向井、水平井等

（1）直井（Verticalwell） 设计井眼轴线为一铅垂线，实钻井眼轴线大体沿铅垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围内的井。

（2）定向井(Directionalwell) 沿着预先设计的井眼轨道,按既定的方向偏离井口垂线一定距离,钻达目标的井。七、与钻井相关的基本概念

46定向井可分为

：普通定向井、大斜度井、丛式井、多底井、斜直井、水平井等