鉆井工程 - 緒論

緒論篇2012年上學(xué)期鉆井工程課1主要內(nèi)容前言井的概念、功用與分類油氣井工程學(xué)術(shù)問題鉆井歷史沿革油氣井建井過程鉆井技術(shù)現(xiàn)狀、展望與需求與鉆井相關(guān)的基本概念2一、前言（1）鉆井是油氣資源勘探開發(fā)工程的重要環(huán)節(jié)，具有資金和技術(shù)密集型工程特征。發(fā)展鉆井科技，降低鉆井成本，培養(yǎng)高素質(zhì)鉆井科技與管理人才，不斷提高我國鉆井整體水平，對油氣資源的高效勘探與開發(fā)無疑具有十分重要的戰(zhàn)略意義。（2）油氣鉆井的關(guān)鍵技術(shù)包括：高效破巖與洗井技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、井眼穩(wěn)定技術(shù)、固井完井技術(shù)等，鉆井的理論基礎(chǔ)是力學(xué)、化學(xué)及工程地質(zhì)等，而鉆井關(guān)鍵技術(shù)的最終實(shí)現(xiàn)還須借助于材料、機(jī)械、測量、控制及信息傳輸?shù)榷鄬W(xué)科的支撐。采油煉制儲(chǔ)運(yùn)鉆井勘探地質(zhì)測井油藏機(jī)械化工經(jīng)濟(jì)管理3二、井的概念、功用與分類4二、井的概念、功用與分類井，是人類探查和開采地下資源（如原油、天然氣、原煤、地?zé)?、地下水等）所必不可少的信息和物質(zhì)通道。鉆井，是圍繞井的設(shè)計(jì)、建設(shè)、測量、使用與維護(hù)而實(shí)施的耗資巨大的技術(shù)密集型工程。井的功用地下資源的勘探與開發(fā)環(huán)境監(jiān)測與治理地球科學(xué)研究地下掘進(jìn)、非開挖鋪設(shè)與地基工程地下核實(shí)驗(yàn)5二、井的概念、功用與分類井按用途地學(xué)研究井探井:科探井參數(shù)井預(yù)探井評(píng)價(jià)井開發(fā)井:采油井注入井

按工藝直井:垂直井斜直井

斜井:常規(guī)定向井水平井大位移井復(fù)雜結(jié)構(gòu)井設(shè)計(jì)師井

鉆進(jìn)就是在地面上用鉆井泵將鉆井液經(jīng)鉆柱泵入井底，通過鉆頭水眼形成高壓射流，既能輔助鉆頭破碎巖石，又可冷卻鉆頭并將鉆屑帶到地面。由此可見，這一看似簡單的工藝過程，實(shí)際上蘊(yùn)含著許多學(xué)術(shù)和技術(shù)問題。6三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題主要是：力學(xué)問題、化學(xué)問題、工程地質(zhì)問題、關(guān)鍵技術(shù)問題、成本與環(huán)保問題力學(xué)問題流體力學(xué)問題巖石力學(xué)問題管柱力學(xué)問題高壓水射流技術(shù)問題鉆井環(huán)空流體力學(xué)問題管柱力學(xué)特性等問題四壓力確定問題巖石可鉆性預(yù)測問題地應(yīng)力問題7

三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題化學(xué)問題化學(xué)儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)粘土礦物學(xué)鉆井液完井液安全快速優(yōu)質(zhì)鉆井保護(hù)儲(chǔ)層及環(huán)保水泥漿安全優(yōu)質(zhì)固井工程地質(zhì)問題理論計(jì)算方法物理模型施工控制工程設(shè)計(jì)依據(jù)8關(guān)鍵技術(shù)問題井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)地質(zhì)鉆井完井測井采油經(jīng)濟(jì)井眼失穩(wěn)與控制技術(shù)高效破巖與洗井技術(shù)復(fù)雜條件固井完井技術(shù)現(xiàn)代鉆井綜合設(shè)計(jì)技術(shù)成本與環(huán)保問題鉆井成本問題鉆井污染問題開發(fā)井50％左右探井55％～80％井噴失控廢物處理二、井的概念、功用與分類9

綜合而言，當(dāng)今一個(gè)國家的鉆井水平主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

★深或超深探井鉆井水平

★特殊工藝井鉆井水平

三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題10地區(qū)井號(hào)井深（m）鉆井周期（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美國5口超深探井鉆井簡況建井周期

三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題11地區(qū)井號(hào)井深（m）鉆井周期（d）庫車南喀1井5314889東秋1井5314820克參1井6150961塔西南柯深1井64811002英科1井6406999平均5933935我國塔里木油田5口深或超深探井鉆井簡況建井周期

三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題12

認(rèn)識(shí)：我國深或超深探井鉆井起步晚，數(shù)量少，進(jìn)步較快，但與國外先進(jìn)國家相比，無論是數(shù)量、水平或是裝備、性能，都還存在較大差距。1966～2001年我國陸上共完成900余口,而美國早在1982年一年就完成了1289口。

三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題13特殊工藝井井型國內(nèi)國外大位移井3口/不成熟很多/已成熟三維分支水平井不成熟已成熟復(fù)雜結(jié)構(gòu)井空白已有連續(xù)管井很少/不成熟很多/已成熟“設(shè)計(jì)師”井空白已有我國特殊工藝井鉆井與國外對比簡況

認(rèn)識(shí)：我國特殊工藝井鉆井基本還處于空白階段，盡管在大位移井、分支水平井和連續(xù)管井方面已取得了一些進(jìn)步，因此可以說鉆井界任重而道遠(yuǎn)。

三、油氣井工程學(xué)術(shù)問題14就鉆井工程而言，油氣井建井過程是指從定井位、鉆前準(zhǔn)備、鉆進(jìn)、下套管固井到測三樣（聲波、放射性和磁定位）裝井口的全過程。五、油氣井建井過程15鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)－－井位、井別、目的、任務(wù)、布井依據(jù)、剖面設(shè)計(jì)、油氣層預(yù)告、錄井、故障提示鉆井工程設(shè)計(jì)－－鉆井程序、套管程序、井身結(jié)構(gòu)、鉆頭類型、鉆具組合、鉆井參數(shù)、水力參數(shù)、質(zhì)量要求、鉆井液、固井技術(shù)、完井方法、安全措施、經(jīng)濟(jì)成本五、油氣井建井過程前期工作16五、油氣井建井過程1.鉆前準(zhǔn)備－－地質(zhì)部門提供井位和鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)后，首先完成鉆井工程設(shè)計(jì)，然后便進(jìn)入鉆井施工的第一道工序―鉆前工程，它主要包括：（1）實(shí)地勘察井場（120×90m2，100×60m2），確定公路入口和井場布置。（2）修建通往井場的運(yùn)輸用公路，應(yīng)便于運(yùn)送鉆井設(shè)備及相應(yīng)器材。（3）根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)備井場，建設(shè)鉆機(jī)、井架、鉆井泵、機(jī)房等的基礎(chǔ)。（4）搬安調(diào)試鉆井設(shè)備、鉆井液循環(huán)管線、油氣水保溫管線等。（5）開鉆準(zhǔn)備，即挖圓井（或不用）、下導(dǎo)管并封固、鉆大小鼠洞等。

2.鉆進(jìn)－－按照鉆井工程設(shè)計(jì)安全、優(yōu)質(zhì)、快速地鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，并取全取準(zhǔn)各項(xiàng)資料。

3.下套管固井－－按照鉆井工程設(shè)計(jì)下人各層套管并優(yōu)質(zhì)固井，以滿足鉆井工程和勘探開發(fā)的要求。

4.測三樣裝井口－－完井固井候凝后，若經(jīng)測三樣檢驗(yàn)固井質(zhì)量合格，即可裝定井口交井。（1）鉆進(jìn)（破巖）－－鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石的全部過程。（2）洗井－－鉆進(jìn)時(shí)攜帶巖屑和清潔井眼。（3）接單根－－隨井加深而增加鉆柱長度。（4）起下鉆－－為了換鉆頭或其它目的而把鉆柱從井下起出或下入井內(nèi)。（5）換鉆頭－－將井下已磨損的鉆頭起出地面換新鉆頭。（6）錄井－－測量地層和井眼的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（井徑、井斜、巖性和油氣水），其方法有：巖屑錄井、氣測錄井和電測錄井。17油氣井建井過程五、油氣井建井過程18二十一世紀(jì)鉆井技術(shù)展望及其研究方向(Top10Technologiesof20thcentury)深井超深井、大位移井、高溫高壓井、特殊工藝井簡介鉆井技術(shù)需求分析六、鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀、展望與需求主要內(nèi)容19?Top10Technologiesof20thcenturyRandomOrderReflectionSeismologyElectricLoggingHorizontalDrillingRollerConeBitsJetPerforatingTopDrivesCoiledTubingHydraulicFracturingOffshoreDrillingUnderbalancedDrillingChronologicalOrderUnderbalancedDrilling-CableTool（1859）-ModernUBD(1970’s)RollerConeBits-1909HorizontalDrilling-1925SteerableMotors-1984ElectricLogging-1927JetPerforating-1932HydraulicFracturing-1947OffshoreDrilling->1945ReflectionSeismology-1950’sCoiledTubing-1970TopDrives-1990’s20二十一世紀(jì)鉆井技術(shù)展望待解決的技術(shù)問題：

如何使鉆頭沿預(yù)置軌道鉆進(jìn)并保持井眼穩(wěn)定，以減少或避免塌漏阻卡噴等事故的發(fā)生。如何優(yōu)選鉆頭和參數(shù)，以提高鉆進(jìn)速度。如何實(shí)現(xiàn)鉆井自動(dòng)化和智能化，以減少鉆井間斷和縮短鉆井周期。如何有效地保護(hù)儲(chǔ)層和封固地層，以提高勘探開發(fā)效果。六、鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀、展望與需求21二十一世紀(jì)鉆井技術(shù)研究方向：智能鉆井（系統(tǒng)）技術(shù)邊際定向鉆井與完井技術(shù)三維可視化鉆井技術(shù)套管鉆井與膨脹管技術(shù)深或超深井鉆井與固井技術(shù)特殊工藝井鉆井與完井技術(shù)小眼井鉆井與固井技術(shù)欠平衡鉆井與固井技術(shù)六、鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀、展望與需求22二十一世紀(jì)鉆井技術(shù)展望及其研究方向(Top10Technologiesof20thcentury)深井超深井、大位移井、高溫高壓井、特殊工藝井簡介鉆井技術(shù)需求分析六、鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀、展望與需求主要內(nèi)容23深井、超深井深井：45006000m；超深井：6000m。我國西部自然條件：油氣埋藏深（超過5000m）,地面環(huán)境惡劣地下情況復(fù)雜（山前構(gòu)造帶）及其不確定性給油氣鉆探造成極大困難：鉆井事故多、速度慢、質(zhì)量差、效益低，嚴(yán)重制約了油氣勘探開發(fā)的步伐。例如：6000m左右的深探井，建井周期超過2年，每米成本超過1萬元，甚至無法鉆達(dá)目標(biāo)。山前構(gòu)造油氣鉆探，也是一個(gè)世界性難題。24西江24-3-A14大位移井概況大位移井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術(shù)大位移井26扭矩／摩阻；鉆柱設(shè)計(jì)；井壁穩(wěn)定；井眼凈化；泥漿和固控；套管作業(yè)；定向鉆井優(yōu)化；測量；鉆柱振動(dòng)及鉆機(jī)設(shè)備

大位移鉆井的關(guān)鍵技術(shù):

大位移井27鉆井高溫高壓井的概念哈里伯頓：壓力≥70MPa溫度≥150℃斯倫貝謝：壓力≥105MPa溫度≥210℃CNPC：壓力≥105MPa溫度≥150℃含H2S≥3%CO2≥3%CNOOC：井底地層溫度大于150℃地層壓力達(dá)到69MPa地層壓力系數(shù)達(dá)到1.8

固井高溫高壓井的概念國外固井公司：壓力≥105.5MPa溫度≥163℃國內(nèi)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)：鉆井液密度≥1.4g/cm3或地層壓力系數(shù)高于1.6～1.8高溫高壓井28異常高溫超壓天然氣可謂“氣老虎”，對開發(fā)工程造成極大威脅。這類氣藏開發(fā)難、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長、費(fèi)用高。南海崖城21-1構(gòu)造：1990-1991年相繼報(bào)廢崖城21-1-1井和崖城21-1-2井（設(shè)計(jì)深度4580ｍ），造成1.6億元的直接損失；兩年后又鉆崖城21-1-3井，鉆至井深4680ｍ完鉆（鉆井液密度2.33g/cm3,井底溫度206℃），但鉆井時(shí)間長達(dá)268天，鉆井費(fèi)用1.3億元（不包括完井測試費(fèi)）。塔西南坳陷柯深1井：實(shí)鉆井深6481m，完井周期1002天，花費(fèi)超億元，但在測試時(shí)又因高壓高溫效應(yīng)使管柱系統(tǒng)失效而報(bào)廢(1996上半年)。塔里木迪那2井：2001年4月30日鉆至4800m遭遇高壓（壓力系數(shù)2.13）而失控,發(fā)生嚴(yán)重的井噴著火事故,造成1人死，3人傷，鉆井設(shè)備化為灰燼,損失慘重,處理事故2個(gè)月。

高溫高壓鉆井效應(yīng)29特殊工藝井定向井、叢式井水平井：超短半徑及徑向水平井問題復(fù)雜結(jié)構(gòu)井欠平衡鉆井大位移井套管鉆井——降低鉆井成本，對付復(fù)雜地層30用復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開發(fā)稠油油藏31DESIGNERWELL設(shè)計(jì)師井32二十一世紀(jì)鉆井技術(shù)展望及其研究方向(Top10Technologiesof20thcentury)深井超深井、大位移井、高溫高壓井、特殊工藝井簡介鉆井技術(shù)需求分析六、鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀、展望與需求主要內(nèi)容33展望未來，探井要求提高鉆井的質(zhì)量（如井身質(zhì)量及儲(chǔ)層和環(huán)境保護(hù)等）、安全和效率，降低工程費(fèi)用；開發(fā)井要求盡可能做到“少井高產(chǎn)”和提高采收率，以降低油田建設(shè)和生產(chǎn)費(fèi)用，對井的使用壽命及特殊工藝井技術(shù)提出更高的要求。在國內(nèi)，無論是“西部”還是“東部”，油氣勘探與開發(fā)都對鉆井提出新的更高的要求。同時(shí)，加入WTO后，我國鉆井行業(yè)面臨國際市場的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，急需研發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的鉆井高新技術(shù)，以提高自身的綜合技術(shù)競爭能力。

鉆井技術(shù)需求分析34我國西部需求

我國西部先后發(fā)現(xiàn)了塔里木、準(zhǔn)噶爾、柴達(dá)木、吐哈、陜甘寧及四川等大中型含油氣盆地，其油氣資源十分豐富。加快這些地區(qū)油氣資源的鉆探與開發(fā)，不僅有利于緩解我國日益加劇的油氣供需矛盾，而且也是國家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略中的重要目標(biāo)之一。然而，在這些地區(qū)，由于地面和地下條件異常復(fù)雜以及油氣資源埋藏深等原因，在油氣鉆探中經(jīng)常遇到高溫高壓、失穩(wěn)、失效及儲(chǔ)層損害等技術(shù)難題，采用常規(guī)的理論和方法很難湊效。35山前構(gòu)造帶鉆遇高地應(yīng)力和高陡構(gòu)造等復(fù)雜地層，難以控制井斜和井壁失穩(wěn)；有些區(qū)塊鉆遇易垮塌的煤層及破碎泥頁巖層；淺部疏松地層、下部低壓地層、碳酸鹽巖裂縫性地層等，易發(fā)生惡性井漏；深部地層（如灰?guī)r、白云巖等）的可鉆性差，機(jī)械破巖效率低；鉆遇多套高壓鹽水層，高密度鉆井液體系性能難以維護(hù)。高溫高壓天然氣藏，對鉆井工程構(gòu)成極大威脅。此外，在我國西北地區(qū)的石油資源中，低滲透資源量占37.93%，重油資源量占17.55%，這對油田開發(fā)與鉆井工程提出了特殊的技術(shù)要求。我國西部需求

36綜觀過去幾十年的發(fā)展歷程，我國鉆井技術(shù)的研究與發(fā)展，是以滿足不同時(shí)期國內(nèi)的迫切需求為主要目標(biāo)的，雖然取得了很大的進(jìn)步，但基本上是跟蹤國外的發(fā)展，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大發(fā)明成果比較少。這種與國際先進(jìn)水平存在較大差距的引進(jìn)式和自足式的技術(shù)狀況，很難適應(yīng)全球化的國際技術(shù)市場的激烈競爭，急需通過大力加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新研究來加以革新或革命。

參與國際市場的需求37七、與鉆井相關(guān)的基本概念

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

使用一定的破巖工具，不斷地破碎巖石，加深井眼的過程。

油氣井(Oilandgaswell)

以勘探開發(fā)石油和天然氣為目的，在地層中鉆出的具有一定深度的圓柱形孔眼。38與井有關(guān)的常用概念

井的最上部（轉(zhuǎn)盤面）稱為井口井的最下部稱為井底井周圍的側(cè)壁稱為井壁

井眼的直徑稱為井徑

全部井眼稱為井身井身中的某段稱為井段

七、與鉆井相關(guān)的基本概念

39井口轉(zhuǎn)盤面到地面基墩的距離稱補(bǔ)心高。七、與鉆井相關(guān)的基本概念

40井深:

井口轉(zhuǎn)盤面到井底的井眼軸線長度。井深＝

鉆頭長度＋鉆鋌長度＋鉆桿長度＋各種接頭長度+方入

＝

鉆具總長+方入方入：指方鉆桿在轉(zhuǎn)盤面以下的長度。方余：指方鉆桿在轉(zhuǎn)盤面以上的長度。方鉆桿長=方入+方余七、與鉆井相關(guān)的基本概念

41到底方入：指鉆具下到井底時(shí)的方入。整米方入：指鉆具下到整米時(shí)的方入。取心方入：指取心鉆具下到井底時(shí)的方入。割心方入：指取心鉆具開始割心時(shí)的方入。打撈方入：指打撈工具碰到井底落物時(shí)的方入。造孔方入：指打撈工具扣緊井底落物時(shí)的方入。交接班方入：指交接班時(shí)的方入。七、與鉆井相關(guān)的基本概念

42懸重━━鉆柱在鉆井液中的總重量（不鉆進(jìn)時(shí)的大鉤負(fù)荷）鉆重━━鉆進(jìn)時(shí)的大鉤負(fù)荷鉆壓━━鉆進(jìn)時(shí)鉆頭上作用的壓力鉆壓＝懸重－鉆重機(jī)械鉆速━━單位時(shí)間的鉆進(jìn)速度鉆時(shí)━━每米進(jìn)尺所需的時(shí)間

（m／h）（min/m）七、與鉆井相關(guān)的基本概念

43油（氣）井的類別（Typeofoilwell） 油氣井的類別依不同的方面，有不同的劃分方案按鉆井的目的分為探井和開發(fā)井（1）探井（Exploratorywell）

指以了解地層的年代、巖性、厚度、生儲(chǔ)蓋的組合和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)剖面局部構(gòu)造為目的，或在確定的有利圈閉上和已發(fā)現(xiàn)的油氣圈閉上以發(fā)現(xiàn)油氣藏、進(jìn)一步探明含油氣邊界和儲(chǔ)量以及了解油氣層構(gòu)造為目的所鉆的各種井，包括地層探井、預(yù)探井、詳探井和地質(zhì)淺井。（探井就是了解地下各種情況所鉆的井）七、與鉆井相關(guān)的基本概念

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（2）開發(fā)井（Developmentwell）(又叫生產(chǎn)井)

指為開發(fā)油氣田所鉆的各種采油采氣井、注水注氣井，或在已開發(fā)油氣田內(nèi)為保持一定產(chǎn)量并研究開發(fā)過程中地下情況的變化所鉆的調(diào)整井、補(bǔ)充井、擴(kuò)邊井、檢查資料井等。2.按完鉆后的井深分為（國際標(biāo)準(zhǔn)）：

（1）淺井(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、與鉆井相關(guān)的基本概念

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3·按井眼軌道形狀分為直井、定向井、水平井等

（1）直井（Verticalwell） 設(shè)計(jì)井眼軸線為一鉛垂線，實(shí)鉆井眼軸線大體沿鉛垂方向，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍內(nèi)的井。

（2）定向井(Directionalwell) 沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌道,按既定的方向偏離井口垂線一定距離,鉆達(dá)目標(biāo)的井。七、與鉆井相關(guān)的基本概念

46定向井可分為

：普通定向井、大斜度井、叢式井、多底井、斜直井、水平井等