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256第七章采油工艺基础钻井是石油开发最主要的手段之一。通过钻井才能证实勘探地区是否含油以及含油多少；通过钻井才能将地下的油气开采出来。钻井技术水平不仅直接影响到勘探的效果和油气的产量，而且关系到油田开发总成本的高低(钻井成本一般占勘探阶段成本的30%～80%，占油气田开发阶段投资的50%～80%)。因此，提高钻井技术水平和钻井效率，降低钻井成本，对油气田开发具有重要意义。一个国家拥有的钻井设备数量、年钻井进尺、钻井口数往往是衡量这个国家石油开发水平的重要标志。海上钻井方法及工艺技术和陆地钻井基本相同，所不同的是在海洋环境中，需隔着巨大水体作业而有其特殊性。第一节钻井与完井一、石油钻井方法（一）石油钻井的分类石油钻井按钻井的目的分为勘探井和生产井；按井身轴向角度分为垂直井和定向井，定向井包括斜直井和水平井；按钻井的环境条件分为陆地钻井和海洋钻井，海洋钻井又按钻井装置分固定钻井和浮式钻井等。1．勘探井和生产井（1）勘探井勘探井是以获取地质资料为目的而钻的井，包括地质井、评价井、探边井等。勘探井一般都打垂直井。钻井过程中，由于地层情况不明，又要取岩心，测井取地质资料，与生产井相比，往往钻井时间长、费用高。海上一般用活动式钻井装置打勘探井。（2）生产井生产井又叫开发井。它是在油田开发阶段为油气生产而钻的井．包括油(气)井、注水井、观察井等。钻生产井过程中，由于一般不取岩心，且地层情况清楚，所以钻井速度快、费用低。2．定向井石油钻井中除垂直井外、按设计方位打的井都称为定向井，包括水平井和斜直井。随着定向钻井技术的发展和完善，80年代以来朝着大斜度井、大水平位移和钻水平井方向发展。1999年春，法国道达尔公司（TOTAL）在阿根廷，创海上钻井水平位移达10585米的世界记录。（1）水平井水平井是90°的定向井。由于水平井能增加开发油层的裸露面积，提高油层的产油量和油田的采收率，所以水平井技术从80年代开始发展起来。我国自渤海BZ28—1油田成功地钻出一口水平井后，现已广泛应用到海上油田开发中。（2）斜直井斜直井也是定向井的一种，钻这种井采用专用的斜井钻机，通过井架机构来调节钻井角257度和方位，从井口至井底保持同一斜角。用这种钻机与常规直井钻机打定向井相比，其优点是容易定向、操作方便、钻进速度快，它代表了新一代钻井没备的发展趋向。我国胜利油田在埕岛油田开发中，首次引进斜井钻机打生产井。海上油田在开发时只建立为数不多的几个平台。因此，往往要在一座平台上钻一定向井簇，称为从式井。井口间距离(井距)一般为2～3m，井簇中包括一垂直井，多口定向井，控制地下一定出油面积。丛式井可以减少海上平台的建设费用，又便于油井的生产管理，所以广泛用于海上油田开发。美国加里福尼亚圣巴巴拉海峡的Gilda平台，在一座平台上钻井共钻了96口井。我国钻丛式井技术已达国际先进水平，在海上油田开发中，均采用丛式钻井技术。如渤海埕北油田，在6㎞2油田面积上用两座平台钻47口生产井。目前在陆上油田开发中，为了少占耕地，便于油井集中管理，也推广丛式钻井技术。图7-1为定向井示意图。（二）石油钻井方法及钻井工艺过程目前石油钻井普遍采用的是旋转钻井法。其主要工艺过程是：钻进、洗井、保护和加固井壁、完井和试油。1．钻进钻进是给钻头足够的压力，使钻头牙齿破碎井底岩石。钻头接在钻杆的下端，用动力带动钻杆连同钻头旋转，达到切削、研磨破碎岩石，加深井眼的目的。施加于钻头上的压力(钻压)是靠钻柱的重量产生的。钻进的快慢用钻速表示：钻速是单价时间里的钻进深度，一般称之为机械钻速，单位为m/h。钻进快慢的另一种表示法称钻时，即单位进尺所需的时间，单位为min/m。在钻井过程中，随着井眼的加深，钻杆要不断接长，钻头磨损后要更换，钻取的岩心要提取，因此还要进行接单根和起下钻作业。（1）接单根钻井时随井眼的加深，钻杆杆要接长。钻杆柱是由每根长9m或12m的单根钻杆接起来的，每往下钻一根钻杆进尺后，就要接入另一根钻杆，这个接长钻杆的操作过程叫接单根。（2）起下钻作业钻进过程中，钻头磨损后要及时更换。更换钻头时，需要将井内的钻柱全部提出井口，这种从井内提出钻柱的作业叫起钻；钻头更换后，要用钻柱将钻头送到井底，下放钻柱的作业叫下钻。起钻与下钻总称为起下钻作业。在取心、测井作业或处理井下事故时也需要进行起下钻作业。图7-1定向井示意图2582．洗井清除岩屑钻进时钻头破碎井底岩石产生岩屑，如不及时清除，就会使岩屑重复破碎，导致降低钻井效率。为此必须及时清除岩屑，此作业称为洗井。洗井采用泥浆，泥浆一般是用水、粘土和一定化学药品配成的具有一定物理化学性能的溶胶悬浮液。钻进和洗井是同时进行的。钻进时，用泥浆泵将泥浆泵入中空的钻柱内，经钻头流入井底，冲洗井底，而后携带岩屑从钻柱与井眼之间的环形空间返回平台，在平台通过泥浆净化系统把岩屑从泥浆中分离出来，再把净化的泥浆泵入井内洗井。这样的循环使用，达到随钻清洗井底清除岩屑的目的。3．保护和加固井壁在井眼形成的过程中，需要钻穿各种岩层，这样也就破坏了各岩层的平衡状态。如钻遇不坚固的沙砾岩层或破碎裂隙岩层时，井壁可能掉块坍塌；在钻遇高压水层时，水就会大量涌入井内。冲淡泥浆影响钻井，严重时会发生井喷事故；在钻穿不同压力的油气层时，还会发生油、气、水泥在一起、影响测取地质资料的淮确性。为此，必须保护和加固井壁。主要的方法有两种。（1）调整洗井泥浆的液柱压力，使之略大于钻穿该岩层需要的压力。这样可平衡地层的压力，防止井喷、井壁坍塌，隔离不同压力的油、气、水层。同时利用泥浆胶体化学性质，在并壁上形成一致密的泥皮(泥饼)保护井壁。泥浆的液柱压力P是通过调整泥浆的密度ρ来达到的，即P＝ρH，H为井的深度。（2）在钻进过程中，如遇特别复杂岩层，或在打勘探井时因对地层状况不清楚，用调节泥浆密度和性能的方法难以保证钻井顺利进行时，需要在井内下钢质套管，在套管与井壁之间用水泥封固，这一工作称为固井。这种方法可靠性高，但要耗费大量的套管。在钻井过程中，上述两种方法可合用。在一般地质条件下，尽可能采用合理的钻井参数、调整泥浆的性能来保证钻进，尽量少下或不下技术套管，以提高钻进速度和降低钻井成本。4．完井及试油（1）完井完井是使井眼与油、气储集层（产层、生产层）连通的工序。油气井完井的工艺包括：钻开生产层、确定完井的井底结构、安装井底（下套管固井或下入筛管）、使井眼与产层连通并安装井口装置等工序。完井关系到井的稳产与高产。（2）试油试油是将油、气从油气生产后里诱导出来，并且测出油井产量及井口压力等生产参数。油井完成以后，石油和天然气还不能自动喷出井口。因为这时井眼及靠油层壁还充满着泥浆，井内泥浆柱的压力大于开采油层的压力。当打开油层后，由于部分棵露的油层浸泡在泥浆中，堵塞了油层的孔隙，油层的油流不到井中。为此在试油时要用清水或油代替泥浆，以降低井内液柱压力。只有当液柱压力低于油层压力时，才能使油流向井中或喷出井口。如果降低液柱压力后，油仍流不出来，就要采取抽吸或酸化洗井，压裂油层增大出油孔隙，将油从生油层诱导出来。至此钻井工作完成，可正式投产。259图7-2套管层次示意图二、井身结构及海上油井成井过程（一）井身结构在海上建井，一口油井至少要下入三层套管(包括隔水导管、表层套管和油层套管)，尤其是打勘探井，由于地层情况不清楚，或者是打生产井遇到地层复杂、井深和油层压力大时，需要下入三层以上的套管，井身结构如图7-2所示。下套管固井的费用很高，因此在钻井前要根据钻井的目的和地层情况，设计合理的井身结构，如确定下入套管的层次、每层套管的直径、下入深度、固井套管外水泥返回高度以及与之对应的井径和钻头直径等，参看图2—18。根据套管的功用，可将其分为隔水套(导)管、表层套管、技术套管和油层套管。一般一口油井除技术套管外，其余3种套管是必须下的。在打生产井时，由于地层情况清楚，可采用优质泥浆，选择合理的钻井技术参数配合，以简化井身结构，不下或少下技术套管；而对于深井、地层复杂的井和勘探井，则往往需要下入数层技术套管。图7-3海上油井井身结构示例图井身结构套管名称井径及钻头直径下套管的目的套管直径mm（in）×下入深度mmm（in）260隔水导管762（30）×海底以下40表层套管399.7（133/8）×200技术套管244.5（95/8）×1500油层套管177.8（7）×3000914（36）444.5（171/2）317.5（121/2）215.9（81/2）隔离海水；钻具导向；形成泥浆回路。加固上部松软地层；安装井口装置。加固井壁；隔离油、气、水复杂地层；保证定向井方向。*技术套管根据岩层情况可下数层，但应尽虽少下或不下。封隔不同压力的油、气、水层；保证采油生产。*油井必须下入油层套管。（二）海上油井成井过程海上油井的成井过程如下：1．下隔水导管，做好钻前准备在钻井平台就位、钻井机械设备调试完毕后，开始下隔水导管。隔水导管的功用是隔离海水、控制钻具方向和提供泥浆循环返闪平台的通路。隔水导管采用直径500mm以上的大直径钢管，一般是螺纹焊接管。下隔水导管的方法有两种。（1）桩入法在固定式平台打井时，导管架安装固定好以后，按丛式井设计井位，由打桩机逐一将隔水导管打入井位，击入深度不小于40m，隔水管的高度位于平台井口工作台下0.5m左右。隔水导管每根长度为10～20m。（2）钻进法在浮动式或活动式钻井平台打井，先钻出直径914mm的井眼，钻深在50m左右，然后下762mm的套管固井，最后将井口基盘套人隔水导管，放入海底固定。如图7-4所示。2612．第一次开钻，下表层套管用小于隔水导管内径的钻头，在隔水导管内钻进。如图2—18所示，用直径445mm钻头在直径762mm的隔水导管内往下钻进，钻过未成岩的第四纪地层，根据土层厚度或钻定向并造斜的需要，往往钻入深度在100～1500m，然后下入表层套管，固井。习惯上将在隔水导管中钻进称为第一次开钻，而把下隔水导管的工作称为钻前准备工作。下表层套管的目的：一是封隔地表第四纪未成岩的疏松土层；二是为了安装井口装置，实行井控，防止井喷；三是为了以后顺利钻进和便于定向井造斜。因此每口井必须下表层套管，而且要求固井时水泥返至地面。3．第二次开钻，下技术套管在完成下表层套管和固井工作后，安装防喷器。在表层套管内下入小一级的钻头，继续钻进，称为第二次开钻。如图中，在339.7mm的表层套管内下318mm的钻头继续钻进，当钻遇用泥浆难以控制且影响继续钻进的地层时，需要下入技术套管(中间套管)，其目的是隔离复杂地层，加固井壁，保证定问井方向，以确保顺利钻达目的层。技术套管的下入深度，视需要加固和封隔的地层深度而定，要求它必须穿过复杂地层，而且坐落在比较坚硬稳定的井段上。固井时要求水泥返至被封地层以上100m，对于高压气井，水泥要求返至地面。在一口井中，根据地质情况和钻井工艺需要，可下入一层或数层技术套管。但为了加快钻井速度，降低钻井成本，在保证安全钻进的前提下，通过调整泥浆、优化钻井参数配合等措施简化井身结构，争取少下或不下技术会管。另外，在地质条件不复杂、不太深的垂直生产井中，—般般也可不下技术套管。4．第三次开钻，下油层套管图7-4自升式平台和钻井船勘探作业用的隔水导管系统262在下完技术套管固井后，仍装好防喷器。用再小一号的钻头在技术套管内继续钻进，称为第三次开钻。第三次升钻钻至设计井深后下入油层套管(生产套管)。如图2—18中，在直径244.5mm技术套管内，用直径215.9mm的钻头，钻至设计深度3000m，下直径177.8mm的油层套管。固井水泥返回高度以保证能封隔不同压力的油气层为原则，一般取开采层以上200m。下油层套管的目的是加固井壁，封隔不同压力的油、气、水层，给油气生产提供稳定的通道，确保采油生产的安全。因此，每口油井必须下入油层套管。5．下油管、安装采油树、试油，钻井完成油层套管固井后，在油层套管内下入油管。油管常用直径为50mm或64mm。油管是油气从井底流至井口的通道。下完油管在井口装上采油树。采油树是控制油流生产的阀组。经试油确定油井的