钻井技术是什么?
为满足不同条件的钻井需要,优质、安全、快速钻进,钻井工作者几十年来研究了各种钻井技术,现已发展成为以喷射钻井及优化参数钻井为核心的钻井综合配套技术。下面重点介绍喷射钻井技术、优选参数钻井技术、直井防斜技术、定向井技术、钻井取心技术等。
一.喷射钻井技术喷射钻井技术在我国是从1978年开始试验并在生产上逐渐推广的。喷射钻井的实质就是钻井水力参数的优化。喷射钻井的一个显著特点是从钻头喷射出来的钻井液射流具有很高的喷射速度,井底得到较大的冲击力和水功率,从而及时清除井底岩屑,破碎井底岩石,提高钻井速度。
一.射流对井底的水力作用1.射流特性图4-
7.�射流结构射流是指通过管嘴或孔口,过水断面周界不与固体壁接触的液流,见图4-
7.�射流出喷嘴后,由于摩擦作用,射流流体与周围流体产生动量交换,带动周围流体一起运动,使射流的周界直径不断扩大。
射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角α。α越小,则射流的密集性越高,能量就越集中。在射流中心,各点的流速等于出口流速vjo部分称等速核。
在射流的任一横截面上,从等速核向外速度很快降低,到射流边界上速度为零。超过等速核以后,射流轴线上的速度迅速降低。当射流撞击井底后,形成井底冲击压力波和井底漫流。
L为射流轴线上某点距出口的距离,vjm为距出口L处的最大射液速度。2.射流对井底的清洗作用射流撞击井底后形成的井底冲击压力波和井底漫流是射流对井底清洗的两种主要形式。
1.射流的冲击压力作用。
射流撞击井底后形成的冲击压力波并不是作用在整个井底,而是作用在如<ahref=”4797B51267B0427EB929F1C52E1E6774″>图4-8</a>所示的小圆面积上,井底岩屑所受冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩,从而离开井底,如<ahref=”DA46E734B8C842C68F156F57585D79AE”>图4-9</a>所示,这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。
2.漫流的横推作用。射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流层,具有附面射流的性质。
这层具有很高速度的井底漫流,对井底岩屑产生一个横向推力,使其离开原来的位置。因此,井底漫流对井底清洗有非常重要的作用。图4-
8.�射流作用图4-
9.�岩屑翻转3.射流对井底的破岩作用当射流的水功率足够大时,射流不但有清洗井底的作用,而且还有直接或辅助破碎岩石的作用。
二.射流水力参数和钻头水力参数射流水力参数包括射流的喷射速度、射流冲击力和射流水功率。
钻头喷嘴出口处的射流速度称为射流喷射速度,习惯上称为喷速。射流冲击力是指射流在其作用的面积上的总作用力的大小。单位时间内射流所具有的做功能量就是射流水功率。钻头水力参数包括钻头压力降和钻头水功率。
钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。钻头水功率是指钻井液流过钻头时所消耗的水力功率。
二.最优化钻井技术优选参数钻井技术钻进过程中的机械破岩参数主要包括钻压和转速。
为寻求一定的钻压、转速参数配合,使钻进过程达到最佳的技术经济效果,首先需要确定一个衡量钻进技术经济效果的标准,并将各参数对钻进过程影响的基本规律与这一标准结合起来,建立钻进目标函数。然后,运用最优化数学理论,在各种约束条件下,寻求目标函数的极值点。满足极值点条件的参数组合,即为钻进过程的最优机械破岩参数。
利用这个最优参数实施的钻井方法称为最优化钻井。因此,最优化钻井的实质就是对影响钻进速度的主要因素以及钻进过程中的基本规律进行分析,并建立相应的数学模型。
一.影响钻速的主要因素除了前面已经介绍的岩石特性和钻头类型对钻速有重要影响外,钻进过程中的钻压、转速、水力因素、钻井液性能以及钻头的牙齿磨损等也是影响钻速的主要因素。1.钻压对钻速的影响在钻进过程中,钻头牙齿在钻压的作用下吃入地层、破碎岩石。
钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小。因此,钻压是影响钻速的最直接和最显著的因素之一。钻进实践表明,在其他钻进条件保持不变的情况下,钻压与钻速的典型关系近似于线性关系。
2.转速对钻速的影响转速对钻速的影响是人们早就认识到,并已研究解决了的问题。在钻压和其他钻井参数保持不变的条件下,随着转速的提高,钻速是以指数关系变化的,但指数一般都小于
1.�3.牙齿磨损对钻速的影响钻进过程中钻头在破碎地层岩石的同时,其牙齿也受到地层的磨损。随着钻头牙齿的磨损,钻头工作效率将明显下降,钻进速度也随之降低。
4.水力因素对钻速的影响表征钻头及射流水力特性的参数统称为水力因素,其总体指标通常用井底单位面积上的平均水功率称为比水功率来表示。水力因素对钻速的影响表现为两个方面:一是水功率大,钻头喷嘴所产生的钻井液射流对井底岩屑的冲洗作用大。但当实际水功率大于净化所需的水功率时,井底达到完全净化后,水功率的提高不会进一步提高钻速。
二是水力能量的破岩作用。当水功率超过井底净化所。
钻井工艺技术
一.工程井钻井工艺在工程井钻井施工作业中分三开作业,以DS01-1井为例。一开直井段施工,二开造斜段施工,三开钻井时两井对接连通,连通后主井眼水平段钻进,三开分支井眼钻进。
二.大位移分支水平井钻井和悬空侧钻技术
1.大位移分支水平井钻井斜深与垂深之比大于1.8的水平井为大位移水平井。其难度在于钻进过程摩阻大,滑动钻进加压困难。采用钻具倒装,多旋转少滑动,保证井眼平滑等措施来减少摩阻。同时,随着井深增加摩阻增大,下入减阻器Agitator帮助克服摩阻。
2.悬空侧钻技术在煤层段侧钻,不可能像油气井那样填水泥候凝侧钻。
侧钻时没有井壁支撑,增加了侧钻难度。采用选好侧钻点和控制钻时等措施来保证侧钻成功率。PHH-001井在后期施工中采用了两次侧钻进行两个分支井的施工。
在侧钻时,主要做好了侧钻点、侧钻钻头、井下造斜工具、钻具组合、钻进方式的选择等工作,侧钻效率较高,一般2小时能形成完整的新井眼。
三.综合录井
1.地质录井地质录井主要是:岩屑录井和钻时录井,并取全、取准各项原始数据,以获取地质资料建立钻井地层柱状。岩屑、钻时录井:一开井段不做要求,进入基岩风化带超过20.00m,一开井深50.20 m;二开、三开按设计要求进行录井工作。
2.气测录井本井录井使用的气测录井仪是上海神开科技工程有限公司生产的SK-2Q02C快速色谱录井仪,主要适用于煤层气、天然气的勘探、开发的仪器设备,它的核心部分为高灵敏快速色谱。SK-3Q03氢焰色谱仪。SK-3Q03氢焰色谱仪是钻井勘探领域的浅层、薄层、地面导向的实时测量必备系统,是地面导向、薄层勘探、水平井勘探等钻井勘探获取钻井现场与科研第一手信息的重要仪器,一般的综合录井仪分析周期是2min,SK-3Q03氢焰色谱仪的分析周期是30s,使用它可发现0.5m以下的薄煤层,是煤层气勘探开发的新一代综合录井仪。
气测录井是根据钻井过程中钻遇煤气层,气体浸入泥浆钻井液中返出地面,经电动脱气器分离后进入色谱仪,从而分析出气体成分,是发现煤气层的重要手段,也关系到钻井施工等相关作业。对气测异常井段及时做出了预报和初步解释,保障了水平井的顺利施工。
3.伽马录井本井三开水平段钻进过程中,在MWD随钻测斜仪中增加伽马探管,利用自然伽马曲线在不同地层中的反映,特别是在煤层顶、底板为泥岩时,自然伽马曲线具有明显的幅值反映。能够分析判断钻头是否在煤层中,当钻头穿透煤层到达其顶、底板时,能够及时调整MWD随钻测斜仪钻进参数,使钻头重新回到煤层中。
利用伽马录井配合钻时、气测、岩屑录井,能够很好地分析解释钻头在煤层中水平钻进,起到地质导向的作用。
四.测井测井内容及要求如下表。
钻井技术的发展过程是怎样的?
为了开发石油和天然气,我国古代劳动人民在生产实践中逐步发明创造了一整套钻井技术。远在战国时期,我们的祖先就已开凿较深的井,自汉代以来,劳动人民进而推广和改进了钻井机械。
我国在公元前211年钻了第一个天然气气井,据有关资料记载深度为150米。在今日重庆的西部,人们通过用竹竿不断地撞击来找到天然气。天然气用做燃料来干燥岩盐。宋代的深井钻掘机械已形成一项相当复杂的机械组合。普遍废弃了大口浅井,凿成了筒井。
至明代,钻井机械设备和技术有了更进一步的发展。据明代学者曹学佺的《蜀中广记》记载,东汉时期,“蜀始开筒井,用环刃凿如碗大,深者数十丈”。我国古代的天然气开采技术是比较先进的,比如小口深井钻凿法,套管固管法,笕管引气法,试气量法和裂缝性气田的钻凿等技术,均为世界首创。
我国钻井技术的起源和发展与制盐业有着密切的联系。第一座盐井出现在古巴蜀地区,即现在的四川地区。当时四川的运输业极不发达,海盐很难运到地处内地、道路艰险的四川。
但古代巴蜀人发现自己的脚底下就蕴藏着丰富的岩盐和含盐分很高的卤水,他们即因地制宜,开采地下盐以食用。四川人称食盐为“盐巴”。在四川,产盐的地区主要集中在自贡地区,井架林立的自贡因此有“盐都”之称。
采盐的需要促进了深井钻探技术的发明和发展。钻井深度越来越深,钻透盐层再往下便是天然气层,卤水制盐需要熬制,使用当地天然气作燃料既方便又经济。由此可见,天然气就是在深井制盐业的促进下开发的,两者的发明基本上是同时出现。由于天然气层较深,要开凿气井必须有优良的钻井设备。
我国当时已有先进的铁制业,为钻井提供了铸铁造的钻头。动力则用人力。人先跳到杠杆的一端把钻头抬高,再跳下来使钻头砸下去。钻井用的竹缆是由竹条制成的。
竹缆具有很强的抗拉强度,与一些钢缆的抗拉强度相当。而且竹缆有极好的挠性,容易绕在钻头提升鼓上,而且遇水后强度增加,恰好用来冲击岩石。在不断的劳动实践中,古巴蜀人民发明了一系列专用的钻井工具,总结出一整套钻井技术,开凿出一大批很深的天然气井。这些深井钻探技术迅速传播开来,被世界各国仿效采用。
盐的生产在我国历史悠久。据研究考证,夏代时已产盐,主要为海水煮盐,主产于福建沿岸等地。殷商时期,规模扩大,不仅有海水制盐,而且有湖水制盐,不仅有制盐工人,而且有管盐的“盐人”。
战国时,有池水制盐,也有井卤煮盐。表明我国是世界最早的产盐国。据《华阳国文·蜀志》记载,四川省临邛即现在的邛崃县制井盐,“井有二水,取井火煮之,一封水得五织盐”。
“二水”即卤水,“井火”就是天然气。这里是世界最早制井盐的地方。
钻井技术分哪些?
为了有效地开发油气田,政府常常用法律形式来规定井间距。在一个指定的区域内,只能开钻并完成一口天然气井,这一面积的标准为640acre
2.600000m2 。
在美国和加拿大,一口井中或者一个天然气田的开采量,在某个特定的时间内都要受到限制。定向钻井按照传统的观点,绝大多数钻井都钻成一个垂直的井孔,按照垂直来要求的话仅仅有微小的偏差。但是最近,旋转钻井可以打出一口定向偏斜的井来,以达到用直井无法钻到的特殊目的层 图3.
3.。比如,可以通过打一口定向井而达到人口稠密区的地下目的层,而井位则可以设在该区之外。定向钻井可以灵活地达到一个复杂的产气地带,在井口中绕开落鱼钻进,或者从陆地钻达海域的储层,而在陆地上钻井要便宜得多。
此外,许多钻井平台为了节省时间和投资,都采用了从一个浮动平台钻出多口定向井的技术。图3.
3.�定向钻井的原因引自Norman Hyne所著《石油勘探与开发》,PennWell,199
5.在定向钻井中,井孔开始由垂直方向偏转的拐点叫做初始造斜点。该点之下钻进呈曲线进行了,这叫做井身折弯或者“造斜”。
对于定向钻井一个非常有用的最新进展是涡轮钻井,在这项技术中,钻头被以循环带动为动力的井下涡轮发动机带动旋转。由于这种旋转运动仅仅由钻头来完成,所以就不需要钻杆的旋转了。水平钻井定向钻井的概念已被延伸应用到水平钻井了,而且,这一技术对天然气与石油的开发越发重要。
与常规的钻井不同,为了开采天然气,水平钻井可以沿着储集层的走向钻入,打开更多的储层。与定向钻井相似,一口水平井也有一个开始发生角度变化的初始造斜点,但这一角度连续增加直到井孔侧向钻入地层。钻水平井的原因在于:
1.增加薄层的采收率;
2.使一套低渗透率的储集层天然气产量增加;
3.打通分隔的产气带;
4.通过连通垂直断裂而提高天然气的采收率;
5.防止开采来自储集层上覆或下伏的额外的天然气或水;
6.提高钻井人员加注压裂液的能力。
海上钻井海上钻井作业与陆上钻井作业相似,但要昂贵得多。在海上,平均的天然气井的深度大约为10400ft
3.200m。陆地与海上钻井的主要区别在于钻井设备所安装的钻井平台。一座海上勘探船必须能够在水中移动至不同的钻井位置。
海上钻井平台包括钻井船 它主要用于浅海区域,防水型的、 自升式平台有可以升降的支架腿,能够在深达350ft
1.00m的较深水域钻探、半潜式钻井平台一个完整的钻井平台,它在海水中呈半潜状态并用锚将钻井平台的四周固定三种。半潜式钻井平台在强大的风浪中非常稳定,并可以在水深达2000ft
6.00m的水域进行钻井作业。钻井船漂浮在海上,通过船身的一个孔进行钻井作业。这些钻井平台都可以在水中的任何深度操作。
图3.
4.�张力支柱式钻井平台引自Norman Hyne所著《石油勘探与开发》, Penn Well,199
5.一旦在海域发现了一个商业性天然气田,就可以用一台固定式或张力支柱式钻井平台进行开发作业。固定式、钢制的外壳是最常见的。它们的腿插入一些事先打入海底的钢筒中。相反,一台张力支柱式钻井平台浮在海上气田上,用一种直径较小的、空心的钢管,依靠本身的巨大重量矗立在海底图3.
4.。
钻井领域技术有哪些?
一.海洋钻井设备
1.石油钻机石油钻机是一组十分复杂的大型成套设备,制造难度大、成套范围广,用于海洋钻井的石油钻机还要能够承受海水腐蚀、海浪冲刷等恶劣的自然条件。目前,美国是制造成套石油钻机最具实力的国家。
随着交流变频调速技术的迅猛发展,交流变频电驱动钻机AC-GTO-AC石油钻机凭借其自身的优越性,正在取代现有的可控硅直流电驱动钻机,成为海洋石油钻机发展的换代产品。交流变频电驱动钻机在工作性能方面,实现了无级变速,恒功率宽调速,简化了钻机机械结构,提高了钻机提升能力和处理事故的能力;在操作性方面,交流电动机体积小,单机容量大,容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制,易于操作管理;在安全性方面,交流变频技术本身对电动机具有安全保护功能,易于安装、拆卸,搬迁方便灵活,安全性高。目前,世界主要钻机制造商均发展了交流变频电驱动大功率石油钻机,将其配备在钻深能力为10668米
3.5000英尺及以上的深水工作水深大于2438米,即8000英尺的半潜式钻井平台或钻井浮船上。另外,新型液压石油钻机也在不断地推广和使用。新型液压钻机是由挪威海事液压公司于1996年开发的一种新型钻机。
该钻机作为提升机械,取消了传统的绞车、井架和游车等常规设备,用升降液缸代替了绞车,同时也替代了浮式钻井的庞大的钻柱运动补偿器,从而大大降低了钻机的质量和制造成本据报道可降低成本30%。除此以外,该钻机还可以与计算机组合实现钻井和钻具升降操作的机械化和自动化,操作人员数量明显减少。目前激光石油钻机还处于研发阶段。
激光钻井技术具有降低成本、提高钻速、改善井控,减少钻机工作时间、钻头磨损和起下钻时间,精确控制钻眼,以及在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮,最大限度地减少或取消同心套管等其他钻机无法比拟的优点。据悉,美国芝加哥天然气研究所GRI与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯及美国空军和陆军合作,联合开展了有关激光钻机的研究,并计划在21世纪使用上激光钻井。随着石油钻机的不断发展,作为石油钻机的关键设备的钻井绞车、转盘、顶驱和钻井泵也得到了快速的发展。
2.井绞车为适应海洋石油钻探和开采向深水推进的需要,钻井绞车的提升能力和钻探能力也在不断提高。
3.转盘和顶驱钻井装置旋转系统中的两个互补设备的转盘和顶驱,也在实践中逐渐完善,功能不断增强。
4.钻井泵对于海洋钻井,特别是深海钻井来说,钻井泵是钻井液设备中的关键设备。
21世纪初National-Oilwell公司成功开发出了新一代钻井泵——HEX钻井泵,它代表了未来钻井泵的发展趋势,该钻井泵配有两台交流变频驱动电动机,采用六个缸套,与传统钻井泵相比具有输出流量稳定、超高压、超高流量、尺寸小等优点。此外,高强度钢和耐磨陶瓷在钻井泵的泵体、液缸、活塞等零件上的使用,可显著降低泵的体积、质量,同时延长泵的使用寿命,成为未来钻井泵的又一发展方向。
5.PDC钻头的新技术对于PDC钻头来说,现在需要具备的条件是能钻达更深、更硬,地下环境更异常的区域,这必然对现代钻井工艺又提出了更高的要求。这些钻头包括自磨式PDC钻头,具有超强的抗磨性,能很好地延缓钻头的磨损,同时轻型的钻头可钻达更深、更硬的地层。
另外还有耐高温的PDC钻头。
6.井控设备钻井井下控制装置需要满足海洋钻井的需要,如需要可以关闭正在钻探的井却不需要取出钻杆;需要满足不断增加的工作压力,降低质量,减小尺寸;还需要适应新的欠平衡钻井的井控设备。
二.钻井技术
1.油气井力学与过程控制方面
1.向信息化、智能化方向发展。井下智能钻井系统的最终发展目标,是“地下钻掘机器人”。
这种地下钻掘机器人不同于一般的机器人,它必须能够在地下极其复杂的地质环境及非常恶劣的工况下进行有效的工作。它必须能够精确探测前方和周围的地质环境及本身的状态,进而做出正确的分析和决策,并且能够自动适应所处的工作环境,沿着“预定的路线”或要求冲向“地下目标”,胜利完成人类赋予它实地探察地下资源并加以开采的神圣任务。这种地下钻掘机器人,是自动化钻井的核心,将是多种高新技术和新产品的进一步研究和开发及其微型化集成的结果,代表着未来钻井与掘进技术的发展趋势,可望在21世纪前半叶实现并达到比较理想的成熟度。
2.向多学科紧密结合、提高勘探发现率和提高油井产量与采收率方向发展。
以近年来发展迅速、技术先进的水平井为例,水平井设计程序和框图是1992年11月由美国石油工程协会和地质家协会、地球物理家协会和测井分析家协会共同开会约定的,该设计内容是由地质、钻井、采油油藏、成本核算四部分人员共同合作完成的。应用水平井技术勘探和开发整装油气田,是20世纪90年代水平井应用发展的主要趋势之一,它不仅可显著提高油田产量,更可以有效地提高油田采收率。
3.向有效勘探和开采特殊油气藏方向发展。
特殊油气藏包括低渗油气藏、断块油气藏、稠油油藏、高含水油气藏、薄油层等。以低渗油气藏为例:我国已探明储量中,低渗油气藏占总探明储量25%,近3~4年新增探明储量中,约60%为低渗油气藏,其低孔、低渗的两低特性使其勘探发现难度极大,而且储层伤害问题贯穿于钻井、完井和测试全过程。因此,研究发展低压低渗探井钻井过程中储层伤害机理及评价方法、钻井液化学与储层保护技术、最大限度发现和保护储层的全过程欠平衡钻井优化设计和适应性等,是有效勘探和开采特殊油气藏的钻井工程核心问题。
2.复杂油气多相流与高压水射流方面
1.复杂油气水多相流本质认识更深入,模型研究更科学、更接近实际。近年来国内外在多相流基础理论方面的研究内容主要涉及多相流流型、流型图、压力降、截面含气率、截面含液率、特种管件内的多相流、液汽、喷汽及数值计算等,理论研究发展迅速。为了掌握油气两相流在水平井中的流动特性,包括沿井长的压力降、持液率及流体从储油层中流出的状况,研究人员进行了一系列试验和理论研究工作,并提出了计算模型。如研究倾斜管中油水两相流不稳定性,提出了一种瞬态两流体模型来模拟管内弹状流的流动工况;通过对孔隙率波、流动湍流度、平均含气率的测量和信号分析,得到流型转化机理的特点和规律。
由于多相流体在环空中的不同井段流型不一样,因而其静液压力、摩阻压降、加速压力计算非常烦锁,对这些不同流型段、不同的井段,需要用不同的计算模型。美国莫尔公司开发了一套多相流水力学软件来进行这种复杂的多相流计算,使模型研究更科学、更接近实际。
2.复杂井筒多相流理论研究的指导作用越来越大。
复杂井筒多相流理论研究将指导水平井段设计和产能预测,能够实时地监控欠平衡钻井井下的复杂流动情况,并能够编制出智能化的软件系统,帮助钻井人员监测和控制流动参数,科学进行生产系统优化设计。相信随着科学技术的不断发展和对多相流动本质了解的不断深入,在不远的未来,必然能够利用多相流动知识促进石油工程相关理论和技术的发展。
3.高压超高压射流破岩钻井和增产应用越来越广泛。随着高压水射流理论、技术和设备的发展与进步,新型射流种类将不断出现,高压超高压射流紊流动力学和流动规律的研究和认识将不断深入,应用范围和领域将不断扩大。
在石油工程中,高压超高压射流技术将不仅应用于辅助破岩钻井,进一步提高钻井速度,而且将应用于油气井增产改造,如水力深穿透射孔、定向喷射辅助压裂、径向水平微小井眼开采等。同时,高压水射流技术在煤炭、化工、冶金、建筑、机械、军工等十多个工业领域的水力采煤采矿、切割钻孔破碎、清洗除垢除锈等场合也有越来越广泛的应用。
钻井技术是哪个国家发明的?
钻井技术在中国可上溯到公元前4世纪。李约瑟博士曾公正地评价道:“今天勘探油田所用的钻探井或凿洞坑术,肯定是中国人发明的。
”事实确是如此。在西方连杆式钻井技术和现代化的旋转钻头技术中都能找到中国古代技术的痕迹。西方的深井钻探技术实质是从中国传入的,而现代石油工业也是建立在比西方要早1900多年的中国技术基础之上。
水平井钻井技术是什么?
水平井钻井技术是利用特殊的井下动力工具与随钻测量仪器,钻成井斜角大于86°,并保持这一角度钻进一定长度井段的定向钻井技术。在油气田开发中,水平井可以增加裸露出油面积,数倍地提高油气产量。
水平井钻井技术包括随钻测量技术、井眼轨迹控制技术、井壁稳定技术、钻井完井液技术等。从垂直井段转变为水平井段的曲率半径越小,施工难度越大。水平井按曲率半径分,可分为长半径水平井、中半径水平井、短半径水平井、超短半径水平井。按照井的类型分,可分为常规水平井、套管侧钻水平井、分支水平井。按照水平井的用途分,可分为生产水平井、注入水平井、横向勘探水平井。
水平井钻井技术起源于20世纪的30年代,发展于80年代。全球每年钻各种水平井在20000口以上。在国内,以胜利油田、辽河油田、新疆油田、长庆油田、塔里木油田等为代表的一些油田,也广泛应用水平井钻技术,开发各种油气藏,每年钻各类水平井2000余口,并都见到较好的效果。