现代钻井与油气井工程1

第第11章：绪论章：绪论现代钻井与油气井工程－现代钻井与油气井工程－基本概念、基本概念、发展现状及趋势发展现状及趋势高德利高德利20082008--1111--1313，北京昌平，北京昌平目录1.1.引言引言2.2.油气钻井与完井油气钻井与完井3.3.油气井设计理论油气井设计理论4.4.特殊工艺钻井特殊工艺钻井5.5.技术发展趋势技术发展趋势6.6.结束语结束语1.引言：油气井工程zz油气井工程，是勘探开发地下油气资源不可或油气井工程，是勘探开发地下油气资源不可或缺的缺的重大工程，重大工程，直接影响勘探开发的安全、进直接影响勘探开发的安全、进程和效益。程和效益。zz随着油气勘探开发程度的提高，油气井工程所随着油气勘探开发程度的提高，油气井工程所受到的主客观约束条件越来越复杂。受到的主客观约束条件越来越复杂。zz在世界范围内，油气探井费用占油气勘探总投在世界范围内，油气探井费用占油气勘探总投资的资的55%55%∼∼80%80%，油气开发井费用也越来越高，油气开发井费用也越来越高（占油气田开发建产总投资的（占油气田开发建产总投资的50%50%以上以上))。。油气井系统油气井系统地层地层流体流体管柱管柱力学和化学力学和化学信息与控制信息与控制油气井工程学科油气井工程学科长达数千米甚至上万米长达数千米甚至上万米引言：油气井工程学科引言：油气井工程学科引言：油气井工程学科引言：油气井工程学科油气井工程学科，是“石油与天然气工程”一级学科所属的一个二级学科,具有博士学位和硕士学位授予权。油气井，是人类探查地下油气资源并将它们采出地面的必要通道。油气井工程，是围绕油气井的建设、使用与维护而实施的资金和技术密集型工程，主要包括钻井、完井、测井、测试及修井等，涉及数学、物理学、地质学、化学、力学、机械、测量与控制等多种学科，是油气勘探开发必不可少的基本环节。博士及硕士学位培养目标•博士学位。学位获得者应在钻井、测井、完井及测试等方面具有坚实宽广的理论基础和系统深入的专业知识，较深入地了解油气井工程学科发展的现状和未来趋势，能够对油气井工程问题进行深入的数理分析、科学实验及多学科交叉研究，并善于运用计算机、实验条件及现场信息资料等综合手段，分析和解决实际工程问题或进行系统工程优化设计；应掌握两门外语，其中一门具有熟练读、写、听、说的能力；应具有创造性和独立开展科研工作的能力，并在某一研究方向上达到本学科的前沿水平；还应具有严谨求实的科学态度和作风。博士及硕士学位培养目标（续）•硕士学位。学位获得者应在钻井、测井、完井及测试等方面具有坚实的理论基础，掌握较多的专业知识，了解本学科发展动态，能够运用数理方法、化学方法、计算机技术及现场资料等，分析和解决油气井工程设计和作业问题；应掌握一门外语，能够熟练阅读和撰写论文，并具有一定的听、说能力；应具备一定的独立开展科研工作的能力，在某一研究方向上有较深入的研究，并有所创新；还应具备良好的科学作风。博士及硕士研究生课程设置博士及硕士研究生课程设置（（11）硕士研究生的主要课程）硕士研究生的主要课程：：–工程数学类:数值分析,数理统计,数学物理方法等;–力学类：弹塑性力学，高等流体力学，连续介质力学等；–化学类：表面及胶体化学，高分子化学等；–计算机类：软件工程，人工智能技术等；–专业类：现代油气井工程理论和方法，岩石力学，油气井管柱力学，油气井流体力学，油气井工程测量，等等。（（22）博士研究生的主要课程）博士研究生的主要课程：：油气井工程科技进展，计算流体力学，计算固体力学，油田化学理论与工程，系统工程与智能工程，等等。油气井工程学科的主要业务范围油气井工程学科的主要业务范围••主要业务范围主要业务范围：：–钻井工程–完井工程–修井工程–测试工程–测井工程••主要研究方向主要研究方向：–油气井力学与控制工程;–油气井流体力学与工程;–油气井岩石力学与工程;–油气井化学与工程。2.2.油气钻井与完井油气钻井与完井油气井：①定向井②复杂结构井：水平井、多分支井、大位移井等③小井眼、微小井眼④深井超深井⑤深水油气井⑥高温高压井⑦高危气井⑧单一井眼钻井：①转盘与顶驱②井下动力钻井③连续管钻井④套管钻井⑤膨胀管钻井⑥控压钻井⑦旋转导向钻井⑧小井眼钻井⑨“无排放”钻井完井：智能井、井下分隔。探井探井生产井生产井垂直井垂直井定向井定向井海上井海上井陆上井陆上井井的类型井的类型油气水井油气水井高温高压井高温高压井含盐膏层井含盐膏层井酸性气井酸性气井井的分类方法井的分类方法垂深垂深(m)(m)水平位移水平位移((米米))复杂结构井复杂结构井垂深水平位移水垂比=••G.G.RenardRenardetal.etal.ComplexWellArchitectureComplexWellArchitecture::IORIORandHeavyOilsandHeavyOils.Topic8,presentedatthe15th.Topic8,presentedatthe15thWorldPetroleumCongressheldinBeijing,1997WorldPetroleumCongressheldinBeijing,1997••所谓所谓““复杂结构井复杂结构井””，是以水平井为基本特征，，是以水平井为基本特征，包括一般水平井、多分支井、大位移井及多功包括一般水平井、多分支井、大位移井及多功能组合井等系列油气田开发井型，在国外已获能组合井等系列油气田开发井型，在国外已获得推广应用。得推广应用。••加拿大用复杂结构井高效开发稠油取得成功。加拿大用复杂结构井高效开发稠油取得成功。复杂结构井的定义复杂结构井的定义复杂结构井与油气田高效开发复杂结构井与油气田高效开发①①复杂结构井可大幅度增加泄油面积复杂结构井可大幅度增加泄油面积(MRC)(MRC)②②复杂结构井释放储层地应力，可大幅度提高渗透率复杂结构井释放储层地应力，可大幅度提高渗透率③③复杂结构井有利于热驱重力泄油复杂结构井有利于热驱重力泄油(SAGD)(SAGD)④④挪威挪威TrollTroll油田油田利用多分支井高效开发薄油层，利用多分支井高效开发薄油层，55个分支在油个分支在油层中的总长度达层中的总长度达13542m13542m，为挪威国家石油公司创造了，为挪威国家石油公司创造了6060亿美亿美元的价值元的价值(SPE(SPE论文论文87168)87168)主水平井眼主水平井眼66～～88分支水分支水平井眼平井眼44口抽排直井口抽排直井11口主井眼口主井眼常规直井常规直井44××44开发井网开发井网控制控制12001200英亩英亩（（4.8km4.8km22））CDX公司定向羽状水平井剖面及布井方式复杂结构井型概念设计复杂结构井型概念设计CTApplicationsCTApplicationsJPT,June2008,78JPT,June2008,78SecondUBDsidetrackwellSecondUBDsidetrackwell深井、超深井深井、超深井塔里木山前构造塔里木山前构造••自然造斜严重自然造斜严重••井眼失稳严重井眼失稳严重••深部地层难钻深部地层难钻••深井：深井：MDMD≥≥4500m4500m••超深井：超深井：MDMD≥≥6000m6000m¾¾塔深塔深11井：设计井深井：设计井深8000m8000m，，完钻井深完钻井深8408m8408m。。¾¾钻井队：中国石化集团华北石油局西部工程公司钻井队：中国石化集团华北石油局西部工程公司90152HB90152HB钻井队。钻井队。¾¾钻机：钻机：EE--30003000型型9000m9000m钻机钻机¾¾开钻时间：开钻时间：20052005年年44月月1818日日¾¾完钻时间：完钻时间：20062006年年77月月1212日凌晨日凌晨2:302:30时时¾¾取心收获率：取心收获率：70%70%¾¾三大难题：钻遇中上奥陶系碳酸盐岩缝洞发育区放空漏三大难题：钻遇中上奥陶系碳酸盐岩缝洞发育区放空漏失；目的层高温高压对钻井液和水泥浆提出的高要求；失；目的层高温高压对钻井液和水泥浆提出的高要求；国内首次将国内首次将φφ273.1mm273.1mm无接箍套管下深达无接箍套管下深达5481m5481m。。亚洲最深探井－塔深亚洲最深探井－塔深11井井¾¾莫深莫深11井：设计井深井：设计井深7380m7380m，，完钻井深完钻井深7500m7500m。。¾¾风险探井的井位：准葛尔盆地腹部莫索湾地区风险探井的井位：准葛尔盆地腹部莫索湾地区¾¾钻井队：钻井队：CNPCCNPC克拉玛依钻井公司克拉玛依钻井公司9000190001钻井队。钻井队。¾¾钻机：钻机：EE--30003000型型9000m9000m钻机钻机¾¾开钻时间：开钻时间：20062006年年88月月1313日日¾¾完钻时间：完钻时间：20082008年年77月月2323日日¾¾温度压力：温度压力：44634463--6500m6500m三开阶段，最高温度达三开阶段，最高温度达165165°°CC，，地层压力系数达到地层压力系数达到2.12.1。。¾¾技术关键：高泵压大排量，强化钻井参数，采用高密度技术关键：高泵压大排量，强化钻井参数，采用高密度抗高温抗高温KDFKDF水基钻井液体系及水基钻井液体系及PDCPDC钻头等，是保障莫深钻头等，是保障莫深11井快速钻进的重要技术措施井快速钻进的重要技术措施。。中石油探井－莫深中石油探井－莫深11井井石油钻采工艺，石油钻采工艺，2008,30(4):112008,30(4):11深层海相油气井深层海相油气井我国海相层系碳酸盐岩油气藏占绝大多数，具有地质时代老、埋藏我国海相层系碳酸盐岩油气藏占绝大多数，具有地质时代老、埋藏深（深（5000m5000m）、）、构造与成藏期次多、裂缝溶洞发育、地层温压异构造与成藏期次多、裂缝溶洞发育、地层温压异常且多富含酸性气体等基本地质特征，给钻井工程造成很大困难。常且多富含酸性气体等基本地质特征，给钻井工程造成很大困难。塔里木盆地塔里木盆地鄂尔多斯盆地鄂尔多斯盆地四川盆地四川盆地钻遇裂缝、溶洞钻遇裂缝、溶洞导致恶性井漏导致恶性井漏海洋深水油气井海洋深水油气井世界近海钻井开始于1938年，40年后钻井水深达到300m，又经过15年达到600m，此后4年增加到900m，2年后达到1200m，其后几个月就发展到2100m。目前，钻井水深已超过3000m，并基本上形成了一套完整的深水钻井技术与准备。„„水深－水深－DeepwaterDeepwater„„不稳定海床－不稳定海床－UnstableSeaUnstableSeabedbed„„地层强度低－地层强度低－LowFractureLowFractureGradientGradient„„气体水合物气体水合物－－GasHydratesGasHydrates„„浅层流浅层流((水、气水、气))－－ShallowFlowShallowFlow„„深水低温－深水低温－LowTemperatureLowTemperature深水特点深水特点与挑战与挑战陆地钻井工程特点陆地钻井工程特点1.1.实钻地层：储层实钻地层：储层及非储层。及非储层。2.2.钻井管柱：钻柱、钻井管柱：钻柱、套管柱等套管柱等3.3.钻井流体：钻井钻井流体：钻井流体化学与力学流体化学与力学问题。问题。4.4.地面机械装备、地面机械装备、仪器仪表等。仪器仪表等。¾¾转盘（或顶驱）驱动旋转钻井方式：转盘（或顶驱）驱动旋转钻井方式：99由钻头、钻铤及稳定器等组成的由钻头、钻铤及稳定器等组成的BHABHA99带井下旋转导向工具的带井下旋转导向工具的BHABHA¾¾井下动力钻具旋转钻井方式：螺杆钻具、涡轮钻具、井下动力钻具旋转钻井方式：螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具。电动钻具。¾¾井下动力与钻柱复合驱动旋转钻井方式井下动力与钻柱复合驱动旋转钻井方式((双驱双驱))¾¾特殊工艺旋转钻井方式：欠平衡钻井、套管钻井、连特殊工艺旋转钻井方式：欠平衡钻井、套管钻井、连续管钻井、膨胀管钻