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教学课件石油工程学院海工教研室蒋官澄13905462736、8392116(O)、8395786(H)、E-mail:JGC5786@126.COM本课程主要内容绪论第一章海上钻井装置第二章海上钻井井口装置第三章钻井的工程地质条件：地层力学特性和压力特性第四章钻进工具：钻头、钻柱第五章钻井液与完井液：组成、类型、性能、防塌和保护油气层第六章钻进参数优选：钻压、转速、钻进方程、水力参数第七章井眼轨道设计及轨迹控制：轨道设计、防斜理论与技术、定向钻井工艺与技术第八章油气井压力控制：地层压力的平衡与控制第九章固井与完井：井身结构、套管柱、油井水泥、完井技术第十章其他钻井技术及作业：事故处理、取心、套管开窗侧钻绪论一、钻井的种类：参数井、探井、资料井、生产井、注水（气）井、调整井、观察井、检查井等。二、钻井技术的发展阶段：①人工掘井；②人力冲击钻；③机械顿钻(冲击钻)；④旋转钻。一般认为机械顿钻(1859年)是现代石油钻井的开始。以后在1901年发展了旋转钻井方法，以转盘带动钻柱、钻头破碎井底岩石并循环钻井液以清洁井底。1923年前苏联工程师研究出了涡轮钻具，并在40年代开始得到广泛应用。以后又出现了电动钻具和螺杆钻具，统称为井下动力钻具，它们在钻定向井中有其特殊的优越性。三、旋转钻井技术发展的四个时期概念时期(1901-1920)钻井和洗井相结合，牙轮钻头的使用，水泥固井等；发展时期(1920-1948)牙轮钻头、固井工艺、钻井液等技术得到进一步发展，钻井相关设备进一步改进；科学化钻井时期(1948-1969)这个阶段开展了大量的科学研究，使钻井技术得以迅速发展。突出的技术成就有：高压喷射钻井高效牙轮钻头（镶齿、滑动密封轴承钻头）优质钻井液（低固相、无固相不分散体系钻井液）优选参数钻井（优选钻压、转速和水力参数）地层压力检测技术、油气井压力控制技术钻井液固相控制技术平衡压力钻井技术。自动化钻井时期(1969~)这个时期主要体现电子仪表、自动测量和计算机在钻井工程中的应用。例如：随钻测量、综合录井、自动化钻机、地质和自动导向、垂直钻井系统、膨胀管技术、小井眼、欠平衡压力钻井、大位移水平井、（ExtendedReachWell）和分枝井、续连续管钻井、超高压喷射钻井等技术等。旋转钻井工艺技术也得到迅速发展，其特点是：从经验钻井发展到科学化钻井；从浅井、中深井发展到深井、超深井；从钻直井(垂直井)、定向井发展到大斜度定向井、丛式井、水平井；从陆地钻井发展到近海和深海钻井。四、钻井技术发展的趋势1、井眼轨迹的多样化（特殊工艺井）2、提高机械钻速（特别是深井超深井）欠平衡压力钻井、超高压钻井动力钻+旋转钻+PDC钻头（或其它特种钻头）3、自动导向钻井井眼轨迹的自动控制4、自动化钻井数据采集地面（综合录井仪、工程参数仪）地下MWD、LWD、FEWD数据传输（存储分析处理决策）反馈到井场执行机构，形成优化钻井的闭环系统。现代钻井技术是各项新技术的综合集成，是领域的拓宽，是学科的交叉与复合。五、影响钻井技术发展的因素1、油气勘探和开发的要求油气勘探和开发目标：增加储量，增加产量，提高效益，降低成本。增加储量：扩大勘探领域：海洋、沙漠、戈壁、深部地层。各种钻井新技术正是在这种形势的要求下而相继产生。典型的钻井新技术有：水平井、大位移井、欠平衡压力钻井、小井眼井、超深井、分支井、多底井、导向钻井等。2、科学技术发展的影响电子信息技术、计算机技术的迅猛发展带动了钻井技术的发展，电子计算机技术在钻井工程中的应用使钻井工程走向智能化有了可能。典型的技术有：数据的实时采集（地面的综合录井仪、井下MWD、LWD、FEWD）、数据的远程传输、导向钻井等。六、石油工业的发展前景从我国的的情况来看，陆上石油资源储量为694亿吨，目前探明172.8亿吨，探明率为25%；陆上天然气资源量为30万亿立方米，目前探明1.2万亿立方米，探明率仅为4%。西部地区（包括塔里木、准葛尔、吐哈和柴达木四个盆地）的石油资源量占全国总资源量的38%，探明率仅为9%，是我国石油产量的主要接替地区。西部地区的石油资源量的73%埋藏在深部地层，所以要靠深井和超深井进行勘探开发。东部地区是我国石油的主力产区，浅层和中深层的勘探程度较高，深层较低，如渤海盆地石油资源的探明率为38%，且探明的主要在浅层和中深层，深部地层尚有53亿吨的石油储量可供勘探。中部地区（包括陕甘宁、四川两大盆地）是天然气的集中区，但探明率极低，有52%的天然气资源量在深部地层，所以中部地区深井超深井的钻井工作量将大幅度增加。深井超深井钻井技术在我国有广阔的前景。深井、超深井钻井技术深井井深在4500—6000米的直井。超深井井深在6000—9000米的直井。特超深井井深超过9000米的直井。特点：*裸眼井段长，要钻穿多套地层压力系统；*井壁稳定性条件复杂；*井温梯度和压力梯度高；*深部地层岩石可钻性差；*钻机负荷大。深井超深井钻井是一项复杂的系统工程，经济和技术上有很大的风险性。美国于1938年钻成世界上第一口4573米的深井，1949年钻成6255米的超深井。1984年前苏联创造了12200米的世界超深井的记录。德国于1994年钻成一口9107米的超深井。迄今为止，世界上已钻成8000米以上的超深井11口，其中美国6口，前苏联2口，挪威1口，奥地利1口，原民主德国1口。1976年4月30日我国在四川地区完成了第一口6011米的超深井。从1976年到1985年，完成了170口深井和10口超深井。其中四川的关基井7175米，；新疆的固2井7002米。80年代末期以来，我国的深井超深井进入大规模的应用阶段，1986至1997年我国共完成深井超深井688口，其中超深井34口。塔里木的塔参1井目前是我国最深的井，井深达7200米。1999年英国北海的M-16SPZ井，其水平位移达到10728米,平垂比大6.7.全井井深世界第二(世界最深油气井)，11278米；关键技术1、管柱的摩阻和扭矩2、钻柱设计3、轨道设计4、井壁稳定5、井眼清洗6、固井完井7、轨迹控制水平井和大位移井套管侧钻井侧钻井是一种投资少、见效快、经济效益显著的老油田开发技术，世界各国都非常重视，许多油田都把他作为重新认识老油田、使老油田增储上产和提高最终采收率的重要手段。•利用近钻头处实时采集的地质地层参数，超前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。国外对地质导向的研究始于八十年代末，主要有美国、英国、德国、法国和挪威等国家。地质导向钻井VDS自动垂直钻井系统（VerticalDrillingSystem）自动垂直钻井系统是德国专为KTB计划而设计的，1988年到1992年，先后开发了5种型号的VDS系统。在钻进过程中可自动使井眼保持垂直。在KTB项目中，VDS系统共下井80多次，每次工作42小时，最大使用井深达到7200米，大部分的井井斜都小于10，最大的2.50,对井斜的控制取得了显著的效果。SDD自动直井钻井系统（Straight-holeDrillingDevice）SDD自动直井钻井系统是意大利的AGIP公司和美国的BakerHughes公司合作，在VDS的基础上研制的新一代自动直井钻井装置，更能满足钻井作业的要求，它一投入现场使用便获得较大成功。膨胀管技术1887年，世界上最早的海上石油勘探───→20世纪40年代末，海上石油工程发生了巨大的变化和发展50年前：全世界只有三个国家进行海上石油开发；所有平台都是固定平台；可钻井的水深只有几十米。目前：已有100多个国家和地区进行海上石油工程作业；海上石油产量约占全世界总产量的35％左右；全世界有近700台移动式钻井平台在工作；已超过2000米。1、海洋石油钻井的发展我国的四海处在全世界四大海底石油富集区之一，具有非常好的勘探和开发前景。李四光的地质力学理论，科学地指出，在我国东部和东南部以及东亚濒临太平洋海区，有两个规模巨大的构造带。老的一条呈北东走向，新的一条走向为北略偏东，称为新华夏系。整个新华夏系有三条石油远景带：最大的一条位于海上，即从日本海→黄海→东海→南海，含油远景最为乐观。第二条是从松辽平原→华北平原(包括渤海)→江汉平原→北部湾。第三条是从呼伦贝尔草原→陕甘宁盆地→四川盆地。李四光同志多次指出，海上石油的远景在东海，而且以钓鱼岛附近的海域为中心。2、我国海洋石油储量(1)必须深入地研究海水深度、海底地形、海底坡度及地质分布和承载能力等因素。(2)不仅要对海底的各种因素有所了解，更应对海洋气象、水文条件等进行周密的深入调查研究，以保证海上钻井装置能在一定的风、浪、潮、流、冰等外界自然荷载作用下安全作业。(3)必须配备升沉补偿装置、锚泊系统、定位系统等。3、海洋钻井需要多学科知识1．早期自营阶段(1960～1978)第一口海上钻进，1960年在渤海进行海上地震和莺歌海近岸钻英冲1井。2．对外开放勘探开发阶段(1979～至今)1978年3月26日，国务院做出在坚持独立自主和平等互利的原则下，直接和外国石油公司建立商务关系，加速勘探开发我国海上石油资源的战略决策。1982年1月30日，国务院发布《中华人民共和国对外合作开采海洋石油资源条例》1982年2月15日、国务院批准中国海洋石油总公司在北京成立，原中国石油天然气勘探开发公司与外国公司签订的海上石油合同、协议，归口由中国海洋石油总公司执行。(1)对外合作勘探为主时期(1979～1984)(2)合作勘探和自营并举时期(1985～至今)4、我国海洋石油的发展现已形成了五大海上石油基地和海洋石油公司：(1)以塘沽为基地的渤海石油公司；(2)以胜利油田为基地的浅海石油公司；(3)以上海为基地的东海石油公司；(4)以广州和深圳为基地的南海东部石油公司；(5)以湛江和三亚为基地的南海西部石油公司。我国海上石油工业现正处于一个新的发展时期。我国海洋石油从60年代初开始勘探。1966年建造了第一座固定式钻井平台；1972年制造第一座自升式钻井平台“渤海一号”；1974年我国第一条钻井船“勘探一号”在南黄海试验成功；1978年第一艘浅海坐底式钻井船“胜利一号”在莱州湾投入使用，第一座半潜式钻井平台“勘探三号”于1984年建成交付使用；1980年后开始了真正的海洋石油装置工业的大发展。5、我国海洋石油装备的发展历程海上钻井、海底钻井和深海科研钻井三类。重点是海上钻井。6、海洋钻井的类型1950年～1980年海上钻井装置发展情况年份增加台数使用台数坐底式自升式半潜式钻井船钻井驳船坐底式自升式半潜式钻井船钻井驳船使用总计19501111951111195211195311112195431131261955434744151956948138113219577811913114319586922521135919591532425146319604422271665196115123301568196231423331187519631414233622283196452122403228719651154423506251041950年～1980年海上钻井装置发展情况年份增加台数使用台数坐底式自升式半潜式钻井船钻井驳船坐底式自升式半潜式钻井船钻井驳船使用总计1966123710237213341421967294525801737159196810682488224417819691212298233818119701622231032539190197182112311027472071972339221082950209197319122221153945221197429111620139486126819755428122313575713041976292813221631028136819772202412241811178841019781953241831218241019794322428212119824411980232112923711679461小计53203144146292371167