《钻井新技术》PPT课件.ppt

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1、绪 论,从WPC(世界石油大会）论坛看20世纪 八、九十年代钻井技术进展及21世纪钻井技术展望,世界石油大会名称和宗旨,（1）作为石油科学、技术、经济和管理论坛，世界石油大会（WPC)创立于1933年；（2）世界石油大会地宗旨是，为了人类的利益加强对世界石油资源的管理。它的目标在于并推进科技进步的应用和与石油工业有关的经济、金融、管理和社会问题的研究。（3）为实现此宗旨，世界石油大会召集国际大会，为石油工业的经理和领导者、政府能源官员、石油科学家和专家建立联系及对知识进行讨论和交流，提供一个论坛，并进行相关的活动。,1983年，11thWPC主题是：21世纪的石油天然气工业,钻井主要内容1）北

2、极钻井系统 2）深井钻井技术3）随钻测量（MWD）技术 4）钻大角度定向井5）高压酸性气藏的钻井和生产 6）井下螺杆钻具7）完井与增产 8）海上早期生产系统9）深水张力腿平台10）用于水深300m的半潜采油装置11）固定平台在300600米水深作业的可行性,1987，12thWPC主题是：前进的石油技术，获得明天能源的战略,钻井主要内容1）未来钻井的设备和技术 2）优化钻井闭环钻井3）优化钻井理论和模型研究 4）水平井钻井技术5）超深井钻井技术 6）海洋钻采设备和水下系统7）用低成本开发海上油田和边际油田8）海洋结构的完善性与可靠性9）北极地区油气勘探开发的工程技术问题10）钻柱震动和吸震器的

3、实验和理论研究,1991，13thWPC主题是：21世纪石油工业的新水平 石油工业技术经济的挑战和机遇,钻井主要内容：1）如何降低成本 2）随钻测量的研究3）海上新区油气开发的挑战 4）海上作业中安全和可靠性5）海上技术的进展和将来的发展 6）应用于油井钻井和固井的系统方法、模型和人工智能7）钻井工程中新型射流理论和应用领域8）长半径和超短半径三维拐弯水平井：基于今天的经验预测未来采油,打得快，降低成本30%，提高探井成功率1/6，增加安全性，实时动态监测分析、控制。六项关键技术 优化钻井 PDC钻头 保护油气层 水平井及非常规钻井技术 钻井自动化、地面及井下随钻监测和控制及钻井信息技术,对钻

4、井提出五个方面要求：,1994年，14thWPC主题是：在世界经济持续增长中的石油工业,钻井主要内容：1）用井下电动钻具钻水平井 2）井下摄象工具的新进展3）新型综合录井系统 4）钻小井眼是降低成本的需要5）通过伙伴关系较快进行技术转化6）应用电磁MWD系统的先进实时钻井控制7）钻头技术改进水平井钻井的效果8）地面测量钻柱振动以改善钻井性能9）将水平钻井及分支井纳入油藏经营实践10）大位移井、水平井和复杂设计井钻井的挑战、成果与经济效益11）在油气生产方面过去十年岩石力学进展：安全和经济12）北极海上油田开发技术,钻井主要内容：1）现代完井2）欠平衡钻井、不压井起下钻3）挠性管钻井 Coile

5、d Tubing Drilling4）原井再作业 Re-entry Operation5）自动化钻井及钻井信息技术6）钻井管理7）水平钻井（多分支井、成对水平井、径向水平井、大位 移井、侧钻水平井等）系列技术,1997年(北京），15thWPC主题是：技术和全球化引导石油工业进入二十一世纪,钻井主要内容：1）低成本深井钻井2）钻井模拟降低成本的关键3）用项目管理技术来实现高级别钻井的最佳钻井指标 using project management techniques to deviver best in class drilling performance4）完成世界级勘探钻井综合集成设计、计

6、划和实现 delivering world-class exploration drilling-integration design,planing,and execution,2000年(加拿大），16thWPC主题是：石油促进全球发展：人员、经营及技术 的密切结合（网络化）创造价值,石油工业的社会责任：（1）保持油气资源的供需平衡，油气市场稳定，促进全球经济发展；（2）开发新型清洁能源，使油气生产和消费与人类生存环境协调发展；（3）油气开发生产如何带动其所在地区的经济发展。勘探开发主要内容：（1）集浮式采油、储油和卸油系统与深海（2000m超深海）生产石油、液化天然气技术为一体的浮式油、

7、气体系的新进展；（2）采用先进的资料采集、监测和处理，将系统工程、控制工程和信息技术系统地应用于油气勘探开发“聪明油田”；（3）石油工业数据处理、资料管理、可视化技术。,2002年(巴西里约热内卢），17thWPC主题是：石油工业：优异并负责地服务于社会,大 陆 科 学 钻 探 工 程,被誉为“伸入地壳的望远镜”，说明钻井工程是迄今唯一能获得地下深处真实信息的地学研究方法，也是人类认识与解决地学、资源、灾害、气象、环境等重大科学问题的重要手段。前苏联在科拉半岛设计并钻成3口大陆科学钻探井。,德国的KTV工程钻成9000多米深的大陆科学深钻井。1996年2月，我国和德、美一道成为国际大陆科学钻探

8、计划（ICDP）的第一批成员国。在具有全球地学意义的大别-苏鲁超高压变质岩带东部建造我国第一口大陆科学深钻井。该项目的上马，标志着我国“入地计划”的正式实施。国家科技领导小组批准并列入国家“九五”、“十五”项目。得到国际大陆科学钻探组织赞助。,俄 超 深 井 科 拉 3 井 简 介,66年，70年，74年，76年，80年，84年，86年，90年设计 开钻 6000m 开钻 9590m 12060m 开钻 12260m 换钻机建厂房 两年地 7000m卡钻 质考察 侧钻8770m固井,是一项集科学与技术为一体的综合性工程，属国家重大科学工程和国际大陆钻探项目；属于划时代的地学高科技系统重大工程，

9、计划用5年时间完成，预算总投资1.66亿元；在中国土地上，寻探最接近地球地心的一点，即在江苏东海县毛北村钻探一个5000m的深入到地球中心的望远镜，以便提取地心材料进行地质科学研究；采用“组合工程钻探技术”和“双孔方案”，即在施工难度极大的5000m深钻之前，先钻一个2000m的先导孔，根据2000m的实际探寻结果，在先导孔的基础上，钻出5000m的深井，也就是亚洲第一深井。,中国大陆科学钻探工程简介,PowerDrive旋转导向系统,多分支井TAML等级,在英国壳牌Eric Diggins“技术进步 多分支井TAML”的论坛1997年春天在苏格兰的阿伯丁举行。,NDS（No Drilling

10、 Surprises）计划,2002年国际石油十大科技技术,管道的非介入式检测法油气系统分析及动态模拟技术资源与目标一体化评价技术三维地震可视化解释新型随钻声波和核磁共振测井仪地质导向钻井测传马达技术四维地震勘探技术套管井地层测试技术催化蒸馏加氢组合脱硫工艺欠平衡钻井技术新进展,膨胀式封隔管EST（Expandable Slotter Tube）,可膨胀至原有尺寸的200%避免井眼尺寸的任何缩减用来封隔出现问题的井段,America：Modern Drilling Engineering,电弧电离激光爆炸水力.,破岩、钻井,地下飞船技术 一种未来钻进技术的设想,一种将来可能出现的钻进技术，想潜

11、水艇在水里一样，在固体内可以任意航行的地下飞船技术，设想：时速50公里，钻入地下二、三十公里深处。产生的原因：（1）解决诸如地球构造、地球年龄、地磁成因、地震预测等地学问题需要有关地球深部的知识；（2）资源开发与地热利用需要合适的勘探工具；（3）技术发展与渗透的必然结果：机械法钻具在深于15000m的地下使用具有局限性，需要另一种钻具取而代之；,研究现状：（1）由前苏联人米海依尔.伊万诺维奇.契菲洛夫于1948年提出，并于1968年制成这种火箭，钻孔直径达560mm，时速达600m；核能钻：核反应器心子产生热能，通过热管输送热能到岩石表面溶化岩石实现钻进。（2）美国 Los.Alamos Sc

12、ientific Laboratory 研究三种电热熔融装置：挤压型、压出型、取心型。,钻井技术的发展将以信息化、智能化、综合化、现代化为特点，并以实现自动化钻井阶段为目标在世界石油资源的处女地和复杂地区的工作量将增大，在极地、远海、深层和复杂油气田将钻更多的井钻井技术将按三个层次发展，即成熟技术集成化、在研技术工业化、高新技术和创新工程加快引入和发展钻井工程的理论研究将更加系统化与成熟,面向21世纪钻井技术发展趋势,智 能 完 井,未来多分支井完井可能涉及许多程序，从多底泄油到井下隔离、流入控制、注入和油藏监控,我国钻井技术与国际先进水平的差距和分析,水平：我国在六十年代中期就打成了两口70

13、00米以上的超深井：我们在塔里木和胜利油田已用水平井开发整个油田；能够打垂直井深达5000米的超深水平井和大斜度井；能够用边喷边钻等工艺技术进行欠平衡钻井；能够在巨厚的盐层、煤层中钻井；能够在高陡构造和强地应力等井壁极不稳定地区钻井；能够在高压多油气系统和高压含硫气田安全地钻井和测试完井；97年在南海西江24-3-A14井成功地创下了当时世界大位移井的记录。我国钻井年进尺量一直保持在1500万米以上，居世界前列。我国钻井技术已走出国门。应该肯定我国钻井技术的发展是高速度水平的。可以说，过去和现在我国钻井技术是领先于石油工程整体水平的，确实起到了龙头作用。,差距：我国在智能钻井、智能完井、复杂结

14、构井、多分支井、大位移井和柔性挠管钻井完井等方面几乎还是空白或刚刚起步。钻井信息技术、随钻测量技术和深井技术（尤其是深初探）方面差距较大。水平井的应用还未达产业化的程度。钻井总体差距约为5-10年。今后：我国钻井技术基本上还是以跟踪为主，创新成果不多。今后应明确目标、集中攻关，强调研究与开发有自主知识产权的创新工程与技术。应加强钻井理论研究，如钻井预测理论等。面向21世纪钻井技术的发展关键在人才，如何培养为钻井服务的创新人才和胜任国际全球化竞争的 队伍迫在眉睫。,我国钻井技术与国际先进水平的差距和分析,21世纪上半叶我国钻井技术发展建议,近期（20002020年）1）新型油井（水平井、大位移井

15、、多底井、老井侧钻等）产业化技术2）随钻地震、随钻测井等随钻遥测新技术3）新型、环保、优质、高效钻井完井液体系与处理剂研制4）钻井信息技术、软件技术、网络技术5）新一代欠平衡钻井完井技术6）柔性管钻井、修井技术7）小眼井钻井、修井技术8）深井在速度、周期、质量、效益诸方面赶上世界先进水平的有关技术9）滩海、近海、远海钻井、完井技术10）钻井和完井用钻头、工具、装备的现代化建设,长期（20202050年前）除继续研究上述10项外建议再考虑一下5项1）全自动化闭环钻井（可先搞井下闭环钻井）2）现代完井技术（智能完井、选择性完井、遥控完井）3）远程网络化钻井工程技术与管理智能系统的研究与应用4）按国

16、际健康-安全-环保标准，研制钻井完井需用的绿色 无毒、无污染系列工作液及精细化学品5）全自动化钻井及配套装备的研制与应用,21世纪上半叶我国钻井技术发展建议,国际标准化组织（ISO）International Organization for Standardization,由国家标准化机构组成的世界范围的联合会正式成立于1947年，总部在瑞士日内瓦每一个国家只能有一个最有代表性的标准化团体作为其成员中国代表：中国国家技术监督局（CSBTS）,ISO的宗旨：在世界范围内促进国际标准的制定，开展有关标准化活动，以便利国际物资和服务的交流，并在知识、科学技术和经济领域开展合作。,ISO的制定过程（

17、时间约36个月）：预备工作项NWI新工作项目AWI工作草案WD委员会草案CD国际标准草案DIS最终国际标准草案FDIS国际标准IS修订,大位移延伸井技术(ERD）,大位移钻井和完井技术是钻井领域发展最块的一项技术。它集中了包括水平井和深井在内的所有技术难点，英文名为：Extended Reach Drilling，即采用定向井技术向某个或多个指定目标点延伸，使其达到勘探开发的目的。,国际定义：井的水平位移与垂深之比大于2，且航 行角大于60o的定向井。国内定义：垂直井深2000米以上，垂直井深与水平 位移之比为1：2以上的井为大位移井,3.1 大位移井的定义,What is Extended

18、Reach Drilling?,Types of extended reach wells:Very shallowVery longUltra long“Designer”,Traditionally:Horizontal displacement/TVD ratio 2.0,1、开发海上油气田：节省建造人工岛或固定平台等的投资。2、开发近海油田：距海岸10km左右的油田，可从陆地开发。3、用大位移井代替海底井：不用海底设备，从而节省投资。4、开发不同类型的油气田，提高经济效益：小断块或几个不相连的小断块油气田，可钻1口或2口大位移井开发；若几个油气田或油气层不在同一深度、方位，可钻多目标三

19、维大位移井开发，节省投资，便于管理。5、开发老油气田：利用原有基础设施钻大位移井，可加速油田探边和开发，缩短产油周期，扩大泄油半径，提高单井产量，增加井的寿命，提高最终采收率。6、保护环境：在环保要求比较高的地区钻大位移井，可满足环保要求。,3.2 钻大位移井的目的和意义,3.3 国内外现状,国外：始于上世纪20年代美国加州海湾地区，受当时的技术条件限制，发展较为缓慢。进入80年代后期，随着科学技术的发展，该项技术得到了迅速发展。英国在北海除在海洋上打大位移井外，在Poole湾的Wytch Farm滩海油田打了一大批大位移井。水平位移由最初的不到4000米延伸到目前超过10000米。1998年

20、2月，M-11井，测量井深10659m，水平位移10114m，位移与垂深的比值为6.13。M-16井，测量井深11278m，水平位移10728m垂深1637m。挪威北海的Stafjord油田，19891990年钻的第一口大位移井（C10井）水平位移5000米，1994年完成的C26井垂深2770米，位移7850米，斜深9300，创当时大位移井斜深最高记录。,大位移井记录,国内：理论研究始于“八五”末。在1997年11月西安大位移井钻井理论研讨会发表了大位移井钻井技术基础理论论文17篇，初步确立了一些大位移井的构思和发展设想。1997年由中国海洋石油南海东部公司、非利普斯石油中国有限公司和派克顿

21、东方公司联合完成的西江243平台XJ243A14井，创造了中国大位移钻井之最和当时世界大位移井的几项领先记录，水平位移8062.7m（世界第一）；最长裸眼段5032m（世界第一）；完钻井深9238m（世界第二）；MWD/LWD实时传输接受讯号深度9106m（世界第一）；9（5/8）英寸套管下深6752m（世界第二）；靶心距45m，多发现四套新的油层。投产9个月，日产稳定在1113m3左右。大位移井在我国渤海湾、浅滩海地区具有广阔的前景。,3.3 国内外现状,（一）概况构造位置：珠江口盆地XJ24-1构造；含油面积：4.2平方公里专题研究：生产平台、钻机负荷、动力需求、摩阻、扭矩、测量技术、井眼

22、稳定、井眼清洗、钻井程序、水力参数。风险分析：成功率：69%，失败率：31%投资预祘：（1）XJ24-1与XJ24-3联合开发：一个卫星小平台方案或采用水下井口生产系统方案费用大于7000万美元。（2）钻大位移延伸井：测深9450m水平位移8171m，钻完井周期计划为115天，7年期间可以采出石油122万吨，投资2400万美元。实施：1996年11月22日开钻，1997年6月10日交井投产，扣除钻机改造时间，实际作业时间101天，投资1810万美元。,中国第一口世界记录延伸井西江24-3-A14,（二）可行性研究和技术准备（1）油藏模拟研究 模型的建立考虑因素包括：原始地质储量、生产指数、油藏

23、特性、相对渗透率、油藏流体特性、深度和初始压力、油水界面、断层影响、水体。流动特性与生产特性研究 研究井的流动特性（用HKW等式或达西公式的变换式），并对井位、井数、完井方式和电潜泵采油等进行研究。油藏模拟 采用 B 型模拟装置进行生产预测，编制生产曲线；进行多重砂层三维三相流模拟研究。,中国第一口世界记录延伸井西江24-3-A14,敏感性分析 几种不确定因素（水平渗透率、油水界面位置、不封闭断层、停产时率变化等）对油藏特性影响的敏感性分析；优化开发方案的敏感性分析（包括井数、钻井靶区、砾石充填筛管完井、油水界面、相对渗透率、生产时效等各因素的敏感性分析）；水体支持与产量变化的敏感性分析 完井

24、方案敏感性分析 油藏风险的敏感性分析（包括垂直向和水平渗透率比例、水体大小、地质储量和扫油系数等因素的敏感性分析）,中国第一口世界记录延伸井西江24-3-A14,中国第一口世界记录延伸井西江24-3-A14,（2）项目开发计划可行性研究 项目简述、方案选择 钻机改造（能否满足要求、费用）初步钻井计划（井身结构、钻井液密度、完井方法、时间、费用）进度计划安排 生产预测（日产量、管输量）费用预测（操作费、修井费）经济评价：净现值NPV 20 702 000$利润投资比PI 2.2 年均盈利率AARR 77%盈亏平衡点 2.1年 经济年限 8年 风险分析 安全分析 环保,风 险 分 析 框 图,中国

25、第一口世界记录延伸井西江24-3-A14,（三）钻井完井技术可行性研究 岩石力学研究（井眼稳定性的准确预测）准确确定岩石物理特性 准确和完整地测量作用在岩石上的地层应力 模型应用（Halliburton石油物理计算机模型、PHILLIPS井眼稳定性模型）钻井设计（井身结构设计、定向钻井设计、分段要点提示、特殊工具和减扭矩工具）钻井液设计 测量与中靶 套管和固井 完井和人工举升 后勤支持和特殊作业应急计划 主要钻井难点,（四）钻机改造对原XJ-24-3具有6000m钻井能力的钻机进行升级改造（1）预计主要负荷和动力需求 a、起下钻负荷值预计（最大 855387 lbf）b、各阶段需要的动力预计马

26、力数（最大 7351 hp）c、扭矩要求：正常最大扭矩40000英尺磅（54.29m-KN)瞬时超高扭矩60000英尺磅（81.44m-KN)（2）升级改造项目 a、平台下部结构和基础 大钩/井架负荷，590/681t；钻台上立柱载荷，272.4t；转盘载荷，454t。b、井架：额定载荷，681t；钻杆排放量，7015m。c、动力水龙头（100转/分、扭矩可达69.22mKN)d、绞车 e、游动滑车500t650t f、泥浆泵系统 g、固控系统 h、动力系统,中国第一口世界记录延伸井西江24-3-A14,胜利油田埕北21-平1大位移井,1999年11月13日开钻，2000年3月26日完钻，4月

27、11日完井；是国内陆上油田第一口水平位移突破3000m的大位移水平井；最大井斜角93.6，水平段长100m，最大狗腿严重度41.6。,3.4 大位移井技术关键,1、井身设计 是一个不断调整的过程，要求广泛地优化所有有关的参数，尽量增大延伸距离，降低扭矩、摩阻和套管磨损，提高管材、钻具组合和测量工具的下入能力，最重要的是保证不要超过钻柱的摩阻和扭矩极限。井眼长度对扭矩的影响比稳斜角对扭矩的影响大一些。然而，井斜角较大的井确实趋向于降低总扭矩，因为钻柱中有较多部分处于受压状态，有利于降低上部造斜段处的拉力和接触力。但克服大位移井中的轴向摩阻是个极大的难题。在Wytch Farm油田获得的经验是：长

28、稳斜段的稳斜角（一般在80o83o之间）应视最终的水平位移而定。当稳斜段超过5000m时，稳斜角即使只变化1o，也会对总井深处的扭矩和摩阻产生较大的影响。,大位移井的井身剖面主要有以下3种：（1）增斜稳斜井身剖面（2）小曲率造斜剖面（3）准悬链线剖面。准悬链线井身剖面的特征是扭矩低，而且可使套管下入重量增大20%25%，钻柱与井壁的接触力近似为零，从而得到广泛的应用。现已成为大位移井的标准井身剖面。,剖 面 类 型,2、扭矩(torque)（1）来源 扭矩可通过对管柱摩擦产生的扭矩、动态扭矩、钻头产生的扭矩以及机械扭矩的分析而得。摩擦扭矩是由于钻柱和套管或裸眼井壁接触而产生的。接触载荷的大小依

29、赖于钻柱强度、狗腿严重度、钻杆、井眼尺寸、钻柱重量以及倾斜角。动态扭矩主要影响钻井的作业过程。机械扭矩主要受岩屑床、井筒内的台肩以及井壁稳定等因素影响。（2）影响因素 润滑液的使用；井眼清洁度；钻柱动力学；降扭矩工具的使用。,3.4 大位移井技术关键,（3）计算和测量 不同的地层有着不同的摩擦系数。钻头扭矩可通过模型用实验室方法计算而得，该模型需要考虑钻压（WOB）、转速、地层特性（剪切或挤压力）、PDC钻头类型、钻头磨损以及水动力参数等因素。钻进过程中应用井下钻头扭矩测量仪（DTOB-drag test on bit）进行实时测量，因为钻压会引起钻柱张力/压力的变化，从而改变扭矩的大小。在注

30、水泥浆的过程中，旋转尾管是一项促进流体驱替和增进水泥胶结的有效措施。但是，旋转尾管需要对尾管、大钩、钻柱等的扭矩进行预测。,（4）降低扭矩的措施 A.在有套管的井段，不旋转的DP保护器（DPP）可用来降低扭矩，使用DPP可在钻柱和套管接触载荷很高时钻进较长的距离。同样，裸眼井段可通过在短接轴承上安装不旋转的金属套筒来达到降扭矩的效果。B.优化井身剖面的设计和实施。C.提高泥浆的润滑性。高油水比可以改善泥浆的润滑性，此外，高浓度的纤维LCMS也可降低摩擦。D.出现扭转力时，可考虑使用旋转反馈系统来降低扭力。E.钻头的选择和BHA的设计。F.加强钻具接头应力平衡和使用高扭矩的螺纹脂增加钻柱的抗扭矩

31、能力。G.使用整体式叶片增加井眼的清洁度，从而降低由碎屑引起的机械扭矩。H.使用减少扭矩的工具，如不转动钻杆护箍、Security DBS公司开发的钻柱降扭短接。,3、摩擦阻力 钻柱上行阻力的预测与扭矩的预测极为相似。但在过大的轴向压力下，钻柱下行时可能发生弯曲。因此，预测大位移井钻进过程中的下行阻力更为复杂。在大位移井中，弯曲是不可避免的，其模拟程序必须考虑这些现象。标准的扭矩/阻力模型不适用于很长的大斜度井，因为它们假定钻柱保持在非屈曲状态下工作的。当超过临界屈曲载荷时，阻力模型必须有更高的能力，包括屈曲分析能力，并考虑三维井眼状态、曲率和井眼摩擦的影响。在工业中常使用的是预测扭矩/阻力的

32、是“软索”模型。BP公司使用了钻柱模拟器，它可以解释和预测大位移井的扭矩和阻力特性。埃克森公司编写了专门的扭矩/阻力预测程序FORCAL模型，它考虑了钻具组合、地质状况、井身剖面以及钻井液的浓度和润滑特性等因素。,3.4 大位移井技术关键,阻力的控制有下列方法：（1）优化钻井泥浆的润滑性和井身剖面；（2）使用降低摩擦的钻杆保护器；（3）优化钻杆设计，降低屈曲程度；（4）使用复合钻柱；（5）在近垂直井段使用厚壁钻杆，增加钻柱强度。（6）使用旋转顶部驱动系数。（7）通过优化浮鞋，套管浮箍以及套管旋转方案，降低套管阻力。,4、钻柱设计（1）钻柱设计应考虑的因素 A.钻柱的压缩载荷：在大位移钻井中，采

33、用常规下部钻具组合会产生较高的扭矩摩阻，所造成的危害大于其所加足够钻压带来的好处。因此，随着井斜角的增大，降低下部钻具摩阻并施加最适合的钻压而使常规重量钻杆处于压缩状态。B.钻柱的扭转载荷：在大位移钻井过程中，要求旋转系统具有较高的旋转能力。C.钻柱屈曲和弯曲产生的疲劳应力、张应力、压应力和外应力等因素。D.旋转钻柱的同时，应考虑井眼清洁、井眼稳定性、水力参数、等效循环密度等。,3.4 大位移井技术关键,（2）设计井底钻具组合主要考虑的因素 A.螺旋钻铤和稳定器可减少压差卡钻；B.选择好顶部及下部钻具组合的中和点；C.减少丝扣连接的数量；D.采用井下可调试稳定器；E.减少在斜井井段使用加重钻杆

34、的数量。,（3）钻柱的选择 大位移井一般需用顶驱系统，钻柱的强度与之匹配才能发挥顶驱作用。目前，钻大位移井主要采用S135级钻杆，其本体强度较高，但接头强度不够。可采用不同的方法设计出抗高扭矩的钻柱：A.钻具接头应力平衡法：因为上扣扭矩增加，接头公扣在上扣时要承受较大的拉力，以后能承受的拉力就小了，因此可根据上扣扭矩是否达到最小的台肩预压力，同时螺纹达到最大的连接拉力来计算。当可靠的预测拉力低于公称上扣扭矩的最大拉力时，可采取降低拉力载荷，以增大上扣扭矩和钻井扭矩，这种方法称为应力平衡法。,B.高扭矩的螺纹脂：已上扣的接头轴向应力受台肩上的摩擦系数控制。在钻杆接头材料一定时，接头台肩扭矩的摩擦

35、系数主要由使用的钻杆螺纹脂类型决定，即一种具有高摩擦力的螺纹脂在接头应力相同时可得到高的上扣扭矩。Wytch Farm油田鉴定了一种摩擦系数为1.27的螺纹脂，从而在钻杆接头应力相同时，使上扣扭矩增加27%。C.高扭矩接头：增加钻杆接头扭力的直接方法是提供扭矩大的接头台肩。双台肩的接头能增加扭矩，这对小尺寸接头有利。美国已生产出楔形螺纹钻杆接头，提供了达到高扭力钻杆的另一种方法。双台肩钻杆接头已经和正在成功地运用于大位移井。D.高强度钻杆材料的选择：钢级只有达到1138MP（165klb/in2）的钻杆才能称为高强度钻杆，比普通钻杆增加扭矩和拉力38%。由于高强度钻杆对冶炼技术要求高，其实际应

36、用受到限制。已有公司推荐复合材料钻杆。,5、套管设计（1）套管结构设计原则 表层套管下在井眼曲率较小的井段，否则套管会损坏，且在钻下面的井段时，扭矩会很大。如果表层套管下入造斜段，其连接部分需要有抗弯能力，且在下套管作业中，连接部分要有足够的抗拉强度。技术套管下入中要通过造斜段，而且还可能通过大位移井的部分切线段，要保证套管下入到位且在通过造斜段时不易损坏，可考虑两种尺寸（339.72mm和346.08mm）套管混合使用。（2）套管设计 在下套管前必须建立模型，计算井眼对套管阻力：A.允许下入的最大套管重量：取决于井眼临界摩擦角，而临界摩擦角由岩性、钻井液以及其它因素决定。,3.4 大位移井技

37、术关键,B.下套管的摩擦损失：在井斜角超过临界摩擦角的井段，必须施加力将套管推入井中。C.下套管的机械损失：由钻屑、井壁坍塌、压差卡钻以及稳定器嵌进井壁等造成。当井眼阻力超过套管重力在垂直方向上的分力时，可使用一些辅助性应急措施，如具有能循环、上下活动和旋转套管以及挤压套管等功能的顶部驱动装置。此外，上层套管深度可不断调节，以满足降低扭矩的需要。（3）套管磨损 防止大位移井套管磨损始终是一个应十分重视的问题。经验表明，带碳化钨硬表面镀层加硬接头的钻杆会磨损套管，应限制使用。,6、井眼稳定性 特点：钻井液密度安全范围较窄，页岩水化机会大，抽汲作用的影响较大以及当量循环密度较高等。关键：是准确预测

38、斜井段使井眼稳定所需要的泥浆密度。方法：根据理论模型和邻井资料来预测各井段的泥浆密度。为了使预测更符合实际，须要有该地区的地层参数、地下应力（地层三个主应力的大小和方向）和岩石强度。利用有关区域构造变形的计算机模型，可计算出水平应力的大小和方向。通过破裂压力分析、变形测定仪、井径测井，可观察井眼的破坏情况，测量井眼扩大程度和椭圆度。扩张压漏试验可用来求得最小应力值和地层抗拉强度，以及计算最大水平应力，通过密度测井数据积分求得垂直应力的大小。,3.4 大位移井技术关键,岩石强度可在室内用岩心做破坏试验求得，或者利用密度测井、声波速度测井求得。埃克森公司提出的方法是由岩石的介电常数测定表面积，利用

39、页岩强度和表面积的关系求得岩石强度。钻井液与地层之间的化学作用也会影响井眼稳定性，应该采用抑制特性良好的钻井液体系，防止地层膨胀或坍塌。避免力学失稳的预防性措施：(1)缓慢起下钻，钻头离开井底时停泵，控制钻井液密度，减少钻井液的滤失量。(2)合理的油井设计：选择完全抑制性钻井液体系，仔细选择套管坐放点，避免在薄弱地层采用大的井斜角和变化方位角，通过岩石力学分析判断应力是否超过岩石强度。,7、钻井水力参数和井眼净化分析（1）差的井眼清洁度会导致下列问题：.钻杆被卡或脱扣.井眼封隔.岩屑床崩塌.较低的钻进速度.不能维持井斜角的稳定.高扭矩,3.4 大位移井技术关键,（2）影响碎屑运移的因素主要有：

40、.井斜角：井斜角增大，井眼清洗效率逐渐降低，3565o时最为困难。.钻井液流变性：流动指数(n)、屈服强度(to)、塑性粘度()均在不同程度上影响流速分布。泵排量一定时，改变流变参数可获得不同的清洗效果。.流体密度：增加流体密度，对碎屑产生了较大的浮力，从而降低岩屑的下沉速度。.钻柱速度：钻柱转速与清洗效果成正比关系。当扭矩达到较大程度时，较高的转速（150180rpm）有助于携带岩屑。.碎屑尺寸：增加碎屑尺寸会增加碎屑的下沉速度。.钻杆偏离度：钻杆位置决定了环空横截面上流速的分布。当钻杆偏向一边时，该边的流速较小，而另一边的流速则较大。此问题，还无法很好控制，因为钻杆的偏向在不断地改变。.流

41、体速度(泵排量)：较高的速度可达到较好的清洗效果。,（3）大位移井井眼清洗模型的建立 用井眼清洁模型确定最小排量以及最优流变特性，确保钻井液处于层流或紊流状态，避免处于过渡流态（钻屑运移效率低）。.HerschelBulkley流变模型，对钻井液流变特性进行模拟。可计算三个关键参数：流性指数、稠度系数或塑性粘度以及屈服粘度。.Clark和Bickham模型，该模型是根据岩屑运移过程中的力学机理提出的，将流体密度和流变性做为影响井眼清洗的最重要的流体性质。.Rasi模型，用于预测偏心井中岩屑床的厚度。使用了无因次的摩擦系数，针对井的情况以及泵排量来计算碎屑床的厚度。.Patrick Kenny模

42、型，通过偏心钻杆下举升系数的使用来识别不同条件下不同流体的井眼清洗效果。,.Terry模型，该模型也是建立在举升系数的基础之上，可用于层流流体流变特性的预测，评价钻井过程中流体的性能。.槽隙流近似法（slot flow approximation technique），对钻井液在偏心环空中的流速进行模拟研究，计算偏心杆下方90o圆弧区域内的平均流速。利用的参数包括井下流变参数、井眼和钻杆几何尺寸、泥浆排量以及假设的钻杆偏心度。.对静态和动态条件下的颗粒沉降速度进行模拟，采用API推荐的程序计算静态条件下偏心钻杆下方的颗粒沉降速度，再考虑钻井液在偏心钻杆下方窄间隙中剪切速率的影响，对颗粒沉降速度

43、进行动态模拟。,8、完井可行性分析 在大位移井中易被忽视的是来自完井的挑战，完井的设计必须与钻井能力相一致，以确保井的成功：（1）电缆挠性管完井是否满足完井要求及以后工作的需要。（2）完井作业管柱的强度、扭矩和拉伸载荷的降低以及润滑剂是否满足以后作业的需要。,3.4 大位移井技术关键,3.5 大位移井实施,1、钻井泥浆和泥浆体系 井眼清洁是钻大位移井的关键之一。为了获得较高的环空流速，对泥浆泵提出了较高的要求，可在现有设备基础上，采取如下措施：（1）增加泥浆泵数（2）增加泵的额定功率（3）增加泵和地面泥浆系统的额定压力,适合钻大位移井的钻井液有：油基钻井液、合成钻井液：（1）油基钻井液 控制了

44、页岩/粘土的水化，增加斜井段的润滑性，利于井眼清洗和稳定，从而减少卡钻事故，提高钻井效率和钻速。（2）合成钻井液 该钻井液的摩擦系数据说可降至0.17以下，打开油层后钻井液形成的滤饼薄而韧，可最大程度地减少水平段的损害。SYNTEQ是无毒的生物降解烯烃异构体，具有合成钻井液优良的品质。在北海挪威C26A钻井中也应用了另一种新合成钻井液体系。这一体系以酯类为基液，具有比油基钻井液更好的润滑性能，且不需要用石灰制造稳定的乳化液。,2、旋转驱动系统 钻大位移井，必须采用顶驱装置，其中关键的因素是它们的倒划眼能力。高的转速虽有利于促进井眼净化，却增加了钻柱振动和定向钻具的震动。高的转速还易导致钻杆和套

45、管的磨损，一般以150rpm为上限。顶驱的最大输出扭矩应与钻杆的承扭能力一致。顶驱可以是电动的，也可以是水力带动的，水力系统中含有柴油或电力电源组。（1）钻杆 钻杆的抗扭能力是选择钻杆的重要标准。采用薄壁钻杆，通过降低钻杆自身重量可降低扭矩和摩阻。采用高摩擦系数的丝扣油、双台肩或楔形螺纹，可以提高工具接头的承扭能力。使用碳化铬合金对钻杆接头表面进行环形加硬层处理，可延长钻杆寿命。,3.5 大位移井实施,（2）井架/底座/绞车 关于这方面的改进应以提高钻机承载能力和缩短起下钻时间为目的，一般要求较轻的井架结构、较大的钻杆排放量以及较重的底座。另一可行的方法就是建立了一个辅助钻杆排放区，这就可使用

46、常规的井架和底座。（3）钻机动力 ERD对发动机提出了特殊的要求。发动机需要在高载荷下工作。如果增加额外的发动机，再加上泥浆泵和顶驱，原系统则需作较大的改变。串联马达比普通马达能提供更多的动力，从而使钻速增加。串联马达是用耦合装置将一台标准马达与附加动力连接而成。,3.5 大位移井实施,3、定向控制 研制一些无需滑动钻进及不用停止旋转就能进行三维定向控制的工具，是钻超大位移井的关键之一，其好处是：钻柱旋转可提高井眼清洁程度，改善钻压传递，降低等效循环密度和扭矩。目前常见的技术有：（1）产层导向技术：利用先进的电阻率正演模型技术，把所有可获得的信息综合到总体钻井计划和过程中，允许在钻井作业期间的

47、任何时候调整钻井计划。在钻井过程中，随着对实测LWD资料的不断收集，将实测的响应同模拟的响应进行对比，若吻合，则认为井眼的地质轨迹适当；否则偏离了轨迹，需进行导向纠正。,3.5 大位移井实施,（2）旋转导向钻井系统：改变井眼方位或井斜角大多是在滑动钻进的方式下完成的，易带来一些低效作业因素，而旋转导向技术正是针对这些缺陷而产生的，该系统投入了使用。为了使滑动钻进的距离短，次数少，还可采用下列方法：A.设计定向井底钻具组合时，使设计的造斜率和旋转造斜率相当，减少对滑动钻进的需要。B.井眼设计与井底钻具组合的漂移趋势相一致，特别是在长的斜井段。C.在57m的短距离内滑动，以保持小的角度变化。,4、

48、下套管工艺技术 大位移井斜度大，水平位移大，在下套管过程中摩阻较大。当套管下至临界摩擦角（临界摩擦角随着岩性、钻井液和其它因素变化，一般临界角为70o-72o之间）时，大于此角度，套管就不能靠自重下入，需要加力才能推入井眼，所需推力就是下套管的摩擦损失。同时，由于岩屑、坍塌、井壁突起、压差、扶正器嵌入地层等可引起机械损失。因此，在下套管作业前，甚至在井眼设计阶段就需要对套管进行受力分析（特别是摩阻分析）和优化设计，其意义在于改进井身剖面设计，使套管柱的下入阻力最小；预测实钻井眼中套管柱下入的可能性，便于选择套管柱的下入方式；准确计算套管柱的轴向载荷，以便进行套管柱强度设计与校核。,3.5 大位

49、移井实施,下 套 管 方 法（1）悬浮下套管：根据阻力曲线，预先确定空套管的长度并下入井内。接着把一个塞子（膨胀式封隔器或回收桥塞）装入下一根套管接头处，把套管柱分成两个密封室。隔离塞以上套管内灌满钻井液。下完套管后使用钻杆把隔离室打开。隔离塞可以收回或利用下胶塞把它泵入井底，也可以钻掉。（2）使用顶部驱动设备 顶部驱动设备具有循环钻井液、上下活动和旋转套管以及下压套管等功能。使用顶驱转动套管是一种应急措施，它提供的机械帮助能破除岩屑床和井下障碍，并能消除下钻中的摩阻。,（3）尾管水力解脱工具 该工具允许把尾管旋转下入井眼，也可以在尾管注水泥时旋转和上下活动，该工具包括两个回压解脱系统，当尾管

50、旋转到下入深度且注水泥后，通过钻杆下入一个阀球，可把尾管从送入钻柱下靠液压中解脱出来。（4）加重法下衬管技术 在尾管送入工具上部再下入钻铤、加重钻杆，直到尾管到达预定深度。此时把尾管留在井眼内，或悬挂在封隔器下，把钻铤与加重杆回收。（5）尾管旋转 为确保油层段水泥封固好，注水泥时要转动尾管，但扭矩会有很大变化，这就要求使用优质尾管接头和尾管悬挂器，增大尾管的扭矩容量。,可使正压力降低70%到80%,套 管 漂 浮 接 箍 工 作 状 态 示 意 图,空 气 环 空 系 统 由于悬浮下套管技术在套管的下入过程中无法循环泥浆，有可能使得井眼的清洁状况较差，从而增大了摩擦系数。针对这种情况，出现了空