石油工程导论

石油工程导论第1页/共42页23.1.1定向钻井的用途地面环境条件的限制3.1定向钻井第2页/共42页33.1.1定向钻井的用途地下地质条件的限制3.1定向钻井第3页/共42页43.1.1定向钻井的用途钻井工艺的需要3.1定向钻井第4页/共42页53.1.2定向井井身剖面井身剖面设计原则应能实现钻定向井的目的；尽可能利用地层自然造斜规律；应有利于安全、优质、快速钻井；满足采油工艺的要求。3.1定向钻井第5页/共42页63.1.2定向井井身剖面井身剖面类型三段式、多靶三段式、五段式和双增式。3.1定向钻井第6页/共42页73.1.3定向井造斜方法井下动力钻具造斜弯接头、弯外壳、偏心垫块3.1定向钻井第7页/共42页83.2.1水平井的概念

水平井是指井眼轨迹达到水平（900左右）以后，再继续延伸一定长度的井。

靶前位移水平段水平井的靶：垂深水平位移3.2水平井钻井第8页/共42页93.2.2水平井的分类常规水平井可分为：

长半径水平井中半径水平井短半径水平井3.2水平井钻井第9页/共42页103.2.3水平井适应的油气藏*

天然垂直裂缝性油气藏

天然垂直裂缝性油气藏为水平井提供了理想的应用条件，一井穿多个产层裂缝，产量比直井可大幅度提高。*多层系油气藏

一井穿多层，一口水平井相当于若干口直井的作用，大幅度提高生产效益。*低渗油气藏

水平井可改善油气流动状态，减小渗流阻力，提高低渗油气藏的产能。同时水平井远比压裂增产的效果要好。*薄油气层

水平井可大大增加泄油面积，和同一地层的直井相比，开采指数可提高4~10倍。*不规则油气藏

（如互不连通的砂体）用水平井可以连通互不关联的、或具有一定高低差的油气藏。*重油或稠油油藏

水平井可发挥重力泄油的优势，提高产量。*水锥和气锥的油藏

发生水锥或气锥的油藏可在油层的中上部造斜，然后在产层钻一定长度的水平井。3.2水平井钻井第10页/共42页11水平井开发多层系油气藏3.2水平井钻井第11页/共42页12侧钻水平井可有效的解决生产井的水锥问题3.2水平井钻井第12页/共42页13用水平井连通有高低差的两孤立油藏3.2水平井钻井第13页/共42页143.2.4水平井的关键技术合适的油气藏选择井眼轨迹控制井壁稳定井眼清洗油气层保护固井完井3.2水平井钻井第14页/共42页153.3.1大位移井的基本概念

国际上普遍采用的定义：井的水平位移与垂深之比等于2或大于2的井，称为大位移井。

大位移井的英文名称

ExtendedReachWell

水平位移

水平位移/垂深≥2垂深造斜点3.3大位移井钻井第15页/共42页163.3.2大位移井的特点及用途

（1）大位移井的主要特点

一是水平位移大，能较大范围地控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少陆地及海上钻井的平台数量；

二是钻穿油层的井段长，可以使油藏的泄油面积增大，可以大幅度提高单井产量。

（2）大位移井的用途A、用大位移井开发海上油气田从钻井平台上钻大位移井，可减少布井数量，减少井投资。

3.3大位移井钻井第16页/共42页17B、用大位移井开发近海油气田以前开发近海油气田要求建人工岛或固定式钻井平台，现在凡距海岸10公里左右油气田均可从陆地钻大位移井进行开发。滩涂油气田海油陆探海油陆采不需要复杂的海底井不需要海底集输管线3.3大位移井钻井第17页/共42页18钻井船和陆上钻机都不能到达的潮汐和滩涂地带3.3大位移井钻井第18页/共42页19C、开发不同类型的油气田*几个互不连通的小断块油气田；*几个油气田不在同一深度，方位也不一样，可采用多目标三维大位移井开发。D、保护环境

可在环境保护要求低的地区用大位移井开发环境保护要求高的地区的油气田。

3.3大位移井钻井第19页/共42页203.3.3大位移井的发展状况

大位移井始于本世纪20年代，由于当时的技术限制大位移井钻井技术发展缓慢。进入80年代后半期，随着相应的科学技术和其它钻井技术的发展，如水平井、超深井钻井技术等，大位移井钻井技术才迅速发展起来。C-30M-11国外情况（98年的记录）

1）垂深与水平位移之比最大的是C-30定向井，水平位移为1485米，总垂深为294米，垂深与水平位移之比达1：5.05。

2）水平位移最大的井M-11井，水平位移10114米。3.3大位移井钻井第20页/共42页21

1999年英国北海的M-16SPZ井，其水平位移达到10728米,平垂比大6.7.

全井井深世界第二(世界最深油气井)，11278米；旋转导向钻井系统，8-1/2”钻头打到底。钻井及固井，共123天。澳大利亚正在计划钻水平位移15000米的大位移井；英国正在计划钻水平位移16000米的大位移井。3.3大位移井钻井第21页/共42页22国内情况西江24-3海上平台西江24-1边际油田一次性投资2300万美元，节约了1400万美元。

97年在我国的南海东部，菲利浦斯公司完成的西江24-3-A14井完钻井深达9238米，垂深2985米，水平位移8062.7米，垂深与位移比1:2.7。由我国自己的全套技术进行大位移井钻井较晚，到98年底超过2000米水平位移的井有6口。现在已经打出了水平位移超过3000米的大位移井，但平垂比还小于2。3.3大位移井钻井第22页/共42页233.3.4大位移井的

关键技术管柱的摩阻和扭矩钻柱设计轨道设计井壁稳定井眼清洗固井完井轨迹控制地面设备能力3.3大位移井钻井第23页/共42页24顶部驱动钻井装置是当今石油钻井的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果（交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统）之一。顶部驱动钻井系统是20世纪末期，美国、法国、挪威等国家研制应用的一种新型的钻井系统。现在已成为石油钻井行业的标准产品。它适用性极广，从2000米到9000米的井深都可以使用顶部驱动钻井系统；从世界钻井机械的发展趋势上看，它符合21世纪钻井自动化的历史潮流。现在，我国赴国外打井的队伍，如果没有安装该系统将不允许在投标竞争中中标，由此可见，顶部驱动钻井系统已经到了非用不可的地步。3.4顶部驱动第24页/共42页253.4.1顶驱的概念

所谓的顶驱，就是可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。3.4顶部驱动第25页/共42页26

主要有三个部分组成：导向滑车总成、水龙头-钻井马达总成和钻杆上卸扣装置总成。该系统是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。经实践证明：这种系统可节省钻井时间20%到30%，并可预防卡钻事故，用于钻高难度的定向井时经济效果尤为显著。3.4.2顶驱的组成3.4顶部驱动第26页/共42页273.4.3顶驱的结构顶部驱动钻井装置主要有以下部件和附件组成:1、水龙头－－钻井马达总成（关键部件）；

2、马达支架/导向滑车总成（关键部件）；

3、钻杆上卸扣总成（体现最大优点的部件）；

4、平衡系统；

5、冷却系统；

6、顶部驱动钻井装置控制系统；

7、可选用的附属设备。3.4顶部驱动第27页/共42页28（一）、顶部驱动钻井装置的主体部件，主要包括：

1、钻井马达；

2、齿轮箱；

3、整体水龙头；

4、平衡器。3.4顶部驱动第28页/共42页29（二）导向滑车总成整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车一起运动。当钻井马达处于排放立根的位置上时，导向滑车则可作为马达的支撑梁。导轨有单轨和双轨两种。3.4顶部驱动第29页/共42页30（三）、钻杆上卸扣装置主要组成部件：1、扭矩扳手2、内防喷器和启动器3、吊环连接器和限扭器4、吊环倾斜装置5、旋转头3.4顶部驱动第30页/共42页31

综合录井技术是一项集应用电子、传感器、气相及液相色谱分析、计算机数字采集处理、地质、钻井工程专家系统评价软件技术于一体，并进行连续随钻录井和钻井过程监控的综合应用技术。该技术在国外一般称为泥浆录井(Mudlogging)。

主要功能：随钻发现并评价油气层、实时钻井过程监控、地层压力监测预报、特殊工艺施工井的数据录取及评价。

突出特点：采集数据多、精度高、数据连续、资料实时性强、评价速度快、应用灵活及受地层干扰小等。3.5综合录井第31页/共42页32当钻至沙四段地层2714至2717米时，发现油气显示，全烃1.49↑60.92%

、组分以及其他钻井液参数等都有较大变化，槽面棕褐色油花占20%，气泡占10%。而邻井莱29井及辛19井该段均没有油气显示。经分析，由于该段的气测参数及钻井液参数出现的异常值均符合油层特征，解释为泥岩裂缝含油。出口密度随钻检测和

发现油气藏体积全烃立压永116井实时录井图3.5综合录井第32页/共42页33

钻井事故是影响人身和设备安全以及钻井速度和井质量的重要因素，综合录井仪通过实时监测各项钻井参数，及时捕捉参数异常信息，及时发现和预报钻井工程事故，从而避免事故的发生和进一步扩大，最大限度减少事故损失。

实时监测发现和预报工程复杂情况钻头事故：钻头寿命终结、水眼掉、水眼堵、钻头泥包。钻具事故：钻具刺、钻具断、钻具阻卡。地层事故：井漏、垮塌、溢流、溜钻、放空。其它事故：泵刺及机械故障导致事故。

钻井工程复杂3.5综合录井第33页/共42页34钻台防爆显示器

基地办公室

仪器信息中心

钻井监督

地质监督

远程传输全方位实时监测系统3.5综合录井第34页/共42页35录井新技术定量荧光录井技术高频核磁共振XRF(X射线荧光)岩屑录井技术XRD(X射线衍射)岩屑录井技术钻柱振动检测技术非常规油气藏录井技术地质导向3.5综合录井第35页/共42页363.6.1导向钻井

导向钻井实际就是井眼轨迹控制问题，无论是常规直井或特殊工艺井，都需要井眼轨迹控制。直井需要防斜打直，定向井需要按设计井眼轨道控制钻头钻进的轨迹。传统的导向钻井（即井眼轨迹控制）是由井下导向工具配以适当的钻井参数来实现的，自动导向钻井是由井下计算机根据随钻采集的参数自动控制导向工具来实现的。3.6导向钻井第36页/共42页37

自动导向钻井技术是钻井工程领域的高新技术，代表着世界先进的钻井技术发展方向。目前，在世界范围内水平井、大位移井、分支井等高难度的复杂井正蓬勃发展，常规钻井技术难以适应需要，必须依靠先进的导向技术才能保证井眼轨迹的准确无误。3.6导向钻井第37页/共42页383.6.2导向钻井的方式

导向钻井按照导向的依据可分为几何导向钻井和地质导向钻井。1、几何导向钻井根据井下测量工具（MWD）测量的井眼几何参数（井斜角、方位角和工具面角）来控制井眼轨迹的导向钻井方式称为几何导向钻井。如果井下参数测量和导向工具的控制由井下计算机完成，则为自动几何导向钻井。2、地质导向钻井地质导向是在拥有几何导向的能力的同时，又能根据随钻测井（LWD）得出的地质参数（地层岩性、地层层面、油层特点等），实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置钻进。这样可在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制。地质导向本身就是自动导向钻井，井眼轨迹控制的依据是地质地层参数，这样一来实钻井眼的轨迹很有可能脱离钻井设计的井眼轨道。3.6导向钻井第38页/共42页393.6.3导向工具导向钻井的实现主要靠导向工具，导向工具按其工作方式分为

滑动式导向工具旋转式导向工具1、滑动导向工具滑动式导向工具的特征是导向钻井作业时钻柱不旋转，钻柱随钻头向前推进，沿井壁滑动。滑动导向钻井有诸多缺点，例如钻柱摩阻大，对井眼清洗不利和机械钻速慢，钻头选择受限等。尽管如此，由于导向