1、鉆井與完井工程,主講：付 建 紅 電話E _mail：fujianhong 石油工程學院鉆井研究所,鉆井與完井工程課時安排,概述(2學時) 井身結構設計（6學時） 鉆井液（8學時） 鉆井工藝（12學時） 壓力控制(6學時),定向鉆井與防斜（10學時） 固井（ 8學時） 完井（4學時） 儲層保護（4學時）,課內教學課時（60學時） 實踐教學環(huán)節(jié) （4學時） 考試統(tǒng)一安排，不占學時,第一章:緒論,第一章:緒論,第一節(jié)：鉆井與完井的定義 第二節(jié)：一口井的鉆井過程 第三節(jié)：鉆井與完井工程技術發(fā)展,鉆井定義、目的,定義 利用機械設備，將地層鉆成具有一定深度的園柱形孔眼的工程。

2、鉆井目的 確切地了解地下地質情況，正確判斷儲油構造，為油田開發(fā)方案提供第一手資料。鉆井過程中，可以通過巖屑錄井、取心、電測得到地層分層、巖性、巖石的物理化學性質、含油氣情況。 開采油氣，提高油氣采收率 形成油氣到地面通道。 油田開采后期鉆注水或注氣井。,油氣井類型,地質基準井（參考井） 為了了解地層的沉積年代、巖性、厚度、生儲蓋層組合，并為地球物理勘探提供各種參數所鉆的井 預探井 主要上為探明油田面積，油水邊界線，為油田計算可靠工業(yè)儲量提供資料。 詳探井 在已證實有工業(yè)開采價值的油田上，為確定油層參數，查明油田地質特性，為油田開發(fā)做好準備的井，這種井在油層部位要求全取心。,油氣井類型,生產（或

3、開發(fā)）井 在已探明儲量，有開采工業(yè)價值的油田構造上鉆產油產氣井 注水（氣）井 為了提高采收率，達到穩(wěn)產所鉆的井。注水注氣的主要目的是為了給地層提供生產油氣所必須的能量。,國外鉆井水平,世界上最深的直井 12260米，原蘇聯(lián)在科拉半島的井，德國正在施工一口設計14000的井。 世界最深的水平井 Cliffs油氣公司1991.11在 Bagou Jack油田鉆成一口水平井，造斜點井深：4446、垂深4672，測深5212創(chuàng)世界水平井最深紀錄。,國外鉆井水平,世界水平段最長紀錄 aersk油氣公司1991.11在北海、丹麥海域Tvra West Bravo油田鉆成一口水平井、測深4768、垂深226

4、6、水平段長2501創(chuàng)當時世界水平段最長紀錄。 水平位移最大的大位移井 Statoil公司在施達福油田鉆成一口水平井、測深7028，垂深2681、水平位移6086創(chuàng)世界紀錄 英國Witch Farm油田，水平位移已經超過10,000m。,鉆井工程技術的發(fā)展,概念時期（1900-1920） 鉆井和鉆井液配套 牙輪鉆頭使用 下套管用水泥封固 發(fā)展時期（1920-1948） 以上概念進一步發(fā)展，開始使用大功率鉆機。 科學化鉆井時期（1948-1968） 噴射鉆井技術（水射流理論） 鑲齒、滑動密封軸承鉆頭的使用 低固相、無固相不分散鉆井液體系和固控技術 地層壓力檢測技術、井控技術、平衡壓力鉆井技術,鉆

5、井工程技術的發(fā)展,自動化鉆井時期（1968目前） 自動化鉆機 井口自動化工具 鉆井參數自動測量 計算機在鉆井工程中應用 最優(yōu)化鉆井技術（系統(tǒng)工程分析理論） 井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng) 隨鉆地震,一口井鉆井過程,鉆前工程 定井位、平井場及修公路 鉆井工程 鉆機搬安、一開、固表層套管、二開、固技術套管、, 鉆至完鉆井深、完井電測、固油層套管 完井工程,鉆井設計,地質設計： 構造、井口坐標、目的層、巖性描 述、地質錄井要求 工程設計： 鉆井設備、井身結構、鉆頭設計、鉆柱設計、鉆井液設計、水力參數設計、套管強度設計、井口裝置、鉆井施工措施,oil zone,井身結構(Casing Program),一開：第一次

6、開鉆 二開：固表層套管后在開鉆 三開： 。,與鉆進有關的幾個基本概念,鉆機 鉆頭 鉆具 鉆柱 鉆井液 鉆壓 轉速 排量 接單根,與鉆進有關的幾個基本概念,起下鉆,旋轉鉆井鉆機,動力系統(tǒng) 旋轉系統(tǒng) 提升系統(tǒng) 循環(huán)系統(tǒng) 井控系統(tǒng),旋轉鉆井系統(tǒng),動力系統(tǒng)(Power system),柴油機 (diesel engine) 發(fā)電機 (generator) 傳動機構 (compound) 機械傳動 (Mechanical Power Transmission) 柴油機-電傳動 (diesel electric Power Transmission),旋轉系統(tǒng)(Rotating system),轉盤 (R

7、otary Table) 轉盤方補心 （Master Bushing) 方補心 (kelly Bushing) 方鉆桿 (kelly) 鉆柱 (drill string) 鉆頭 (bit),轉盤(Rotary Table),轉盤(Rotary Table),鉆 鋌Drill Collar,穩(wěn)定器Stabilizer,接 頭(Tool joint),鉆 頭Rock Bit,接 頭sub,鉆 桿drill pipe,鉆 桿Drill Pipe,方鉆 桿Kelley,鉆柱組成 Composition of drill string,鉆頭(Rock Bit),起升系統(tǒng)(Hoisting system)

8、,井架（derrick) 絞車（draw works) 鋼絲繩 (wire rope、fast line、dead line) 天車（Crown) 游動滑車 (traveling Block) 大鉤 （Hook),循環(huán)系統(tǒng)（Circulating System),泥漿泵（pump) 立管(standpipe) 水龍頭(swivel) 方鉆桿(kelly) 鉆柱(drill stem) 鉆頭(bit) 環(huán)空(annulus),出口管線(discharge line) 震動篩shale shaker 除氣器(degasser) 除砂器desander 除泥器(desilter) 泥漿罐 (mud

9、tank),泥漿泵,鉆井泵（Pump),鉆井泵（Pump),井控系統(tǒng)（The well Control),球型防噴器（Annular BOP） 旋轉防噴器（Rotating BOP) 閘板防噴器（Ram BOP） 方鉆桿旋塞（Kelly cock） 壓井管匯（choke manifold）,球型防噴器（Annular BOP）,閘板防噴器（ Ram BOP ）,旋轉防噴器（ RBOP ）,地面節(jié)流管匯 choke manifold,oil zone,井身結構(Casing Program),固井,在鉆井到設計套管下入深度后，下入套管 在套管和裸眼之間注入滿足一定性能要求的水泥漿 候凝，使得套管

10、和裸眼之間的水泥石具有一定的強度 固井的關鍵技術 下套管工藝 水泥漿的配方設計 注水泥工藝（漿柱結構、注水泥排量、注水泥過程中的壓力控制） 固井質量檢測,完井方法(Completiom),1、射孔完井,2、裸眼完井,裸眼礫石充填完井,套管礫石充填完井,grabed packed,割縫襯管完井(slotted Liner),鉆井新技術,深井超深井技術（Deep well Drilling) 水平井鉆井技術（Horizontal well Drilling) 大位移井 ERD Drilling Tech. (Extended Reach Displacement) 欠平衡鉆井技術(Underbal

11、anced Drilling) 連續(xù)油管的應用(Coiled tubing Tech.) 保護油氣層的鉆井完井技術 小井眼鉆井技術（Slim Hole Drilling）,鉆井新技術,深井超深井技術（Deep well Drilling) 高溫高壓的鉆井液技術 高溫高壓的固井技術 深井鉆柱、套管柱強度設計 深井提高鉆速技術 深井井斜控制技術,鉆井新技術,水平井鉆井技術（Horizontal well) 定義 長半徑（2-6/30m、半徑：300m-900m） 中半徑（8-20/30m、半徑：86m-215m） 短半徑 (5-10/m、半徑：10m-20m) 關鍵技術 井眼軌跡測量和控制技術 地

12、質導向鉆井技術 井下閉環(huán)鉆井技術 應用 是提高開發(fā)效益的有效手段。其優(yōu)點包括提高單井產量，減小水錐和氣錐，已經在全國各大油田進行了推廣應用。,鉆井新技術,大位移井鉆井技術（測深/垂深2的井） 應用范圍： 海上鉆井平臺 海邊開采近海油藏 環(huán)境保護要求特別嚴格的地區(qū) 設備： 頂驅 大尺寸鉆桿 改進鉆機，增大鉆機負荷 可變徑穩(wěn)定器 先進的隨鉆測量系統(tǒng),大位移井 ERD Drilling Tech. (Extended Reach Displacement) 理論問題 井身軌跡優(yōu)化 井壁穩(wěn)定理論 摩阻分析 扭矩測量及分析 環(huán)空流體學及環(huán)空攜巖 鉆柱強度分析,鉆井新技術,鉆井新技術,欠平衡鉆井技術(Un

13、derbalanced Drilling) 定義：指鉆井過程井內壓力小于地層壓力一定值的鉆井過程 設備：旋轉防噴器、井內流體的地面多級分離器、惰性氣體發(fā)生器 基本理論：多相流理論 優(yōu)點： 適合于在異常低壓地區(qū)鉆井 及時發(fā)現(xiàn)和保護油氣層 提高機械鉆速，降低鉆井成本,鉆井新技術,連續(xù)油管的應用(Coiled tubing Tech.) 應用： 鉆井 完井 修井 理論： 流體力學分析 疲勞壽命估計,Coiled Tubing(reeled tubing),Coiled Tubing(reeled tubing),Coiled Tubing(reeled tubing),Applications Th

14、rough-tubing re-entry Conventional re-entry Underbalanced drilling Slimhole exploration Operation Unit is automated and controlled using a PC-based system with a graphical operator interface inside the control cabin. Operated by a multi-task crew On-line directional drilling process,鉆井新技術,保護油氣層的鉆井完井

15、技術 巖性測定及分析技術 儲層敏感性評價技術 有氣層損害機理研究 油氣層損害評價技術 保護有氣層的鉆井液完井液技術 保護油氣層的固井技術 負壓射孔技術 保護油氣層的壓裂酸化技術,第二章：井身結構設計,第二章：井身結構設計,第一節(jié)：地層壓力理論及預測方法 Dc指數 聲波時差 地震層速度法 第二節(jié)：地層破裂壓力預測 理論計算 地破試驗 第三節(jié)：地層坍塌壓力預測 第四節(jié)：井身結構設計 第五節(jié)：生產套管尺寸設計（自學）,井身結構,定義 套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。 主要內容 確定套管的層數 確定各層套管的下深 確定套管尺寸與井眼尺寸的配合 影響因素 地層壓力（地層壓

16、力、破裂壓力、地層坍塌壓力） 工程參數 地層必封點,地層壓力理論及預測方法,靜液柱壓力（Hydrostatic pressure） Ph 定義 靜液壓力是由液柱重力引起的壓力。 計算 ：液體密度,（g/cm3） H:液柱垂直高度，m,Ph,地層壓力理論及預測方法,壓力梯度(Pressure gradient) 單位高度（或深度）增加的壓力值 在油田，為方便起見，有時壓力梯度單位直接用密度單位?；蛑苯佑脡毫ο禂档母拍?。 有效密度（當量密度） 鉆井液在流動過程或被激勵中有效地作用在井內的壓力為有效液柱壓力 通過有效壓力換算得到的液體密度稱為等效密度。,地層壓力理論及預測方法,上覆巖層壓力 PO 定

17、義： 某處地層的上覆巖層壓力是指覆蓋在該地層以上的地層基質（巖石）和孔隙中流體（油氣水）的總重力造成的壓力。 計算,P0：上覆巖層壓力；MPa；：無量綱的小數 rm:巖石骨架密度，g/cm3； :地層空隙中流體密度，g/cm3； H：井深，m.,Po,地層壓力理論及預測方法,地層壓力( Formation Pressure) PP 地層壓力是指巖石孔隙中流體（油氣水）的壓力，也叫地層孔隙壓力。 骨架應力(matrix pressure) 由巖石顆粒之間來支撐的那部分上覆巖層壓力。,Po,Pp,地層壓力理論及預測方法,地層破裂壓力(fracture pressure) 在井中，當井內液體壓力達到

18、某一值時會使地層破裂，這個壓力稱為地層破裂壓力。 地層坍塌壓力(Caving pressure) 當井內液柱壓力低于某一值時，地層出現(xiàn)坍塌或縮徑，我們稱這個壓力為地層坍塌壓力。 現(xiàn)象：當井內液柱壓力低于地層坍塌壓力時，對于脆性地層出現(xiàn)坍塌，對于塑性地層出現(xiàn)縮徑。,2008-9-18,井底環(huán)空壓力 1、不循環(huán)時： 2、鉆進時： 3、起下鉆時： Pg為起下鉆波動壓力,地層壓力理論及預測方法,地層壓力理論及預測方法,異常地層壓力 正常地層壓力一般為鹽水液柱壓力PW。不在正常地層壓力范圍內的壓力稱為異常地層壓力。 異常低壓 PPPw,H,P,Pw,Po,上覆巖層壓力,孔隙壓力,高骨架應力,正常地層壓力

19、,異常低壓,異常高壓,孔隙壓力,地層壓力理論及預測方法,異常低壓產生原因 生產層長期開采衰竭 地下水位很低 異常高壓產生原因 特點 異常高壓地層與正常地層之間有一個封閉層 原因 沉積物的快速沉積，壓實不均勻 滲透作用 構造作用 水增熱作用 油田注水,2008-9-18,壓實效應,P,D,P,PO,海面/地面,異常高壓形成的原因,地層保持正常的壓實平衡，取決于： （1）沉積速率 （2）孔隙空間減少速率 （3）地層滲透率 （4）排出孔隙流體的能力,異常高壓形成的原因,水熱作用：巖層孔隙中的流體受熱膨脹，一旦出現(xiàn)隔絕的環(huán)境，地層孔隙中流體的壓力就會急劇增加。 滲透作用：水或者溶液被適當的薄膜（泥巖層

20、）隔開時，水從淡溶液到濃溶液的自然流動，導致高濃度溶液一側水增多，如果排水作用受到阻礙，形成高壓。,低濃度,高濃度,2008-9-18,流體運移,異常高壓形成的原因,2008-9-18,地層壓力理論及預測方法,地層壓力預測（監(jiān)測）方法 Dc指數法 原理：機械鉆速隨壓差的減少而增加。正常情況下，鉆速隨井深的增加而減小，Dc增加，在異常高壓地層，鉆速增加而dc減小。 適用范圍：巖性為泥巖、頁巖；鉆進過程中的地層壓力監(jiān)測和完鉆后區(qū)塊地層壓力統(tǒng)計分析。,d,H,地層壓力理論及預測方法,Dc指數法預測的原理 D指數 鉆速方程： D指數 V:鉆速,m/h;N:轉速：r/min P:鉆壓,kN;Db:鉆頭尺

21、寸,mm,地層壓力理論及預測方法,dc指數法預測的原理 dc指數 對鉆井液密度變化進行修正 dc指數 mN:正常地層壓力梯度，g/cm3; m:實際鉆井液密度， g/cm3;,地層壓力理論及預測方法,d指數 dc指數,地層壓力理論及預測方法,dc指數監(jiān)測地層壓力的方法 按一定深度取點，一般1.53m取一點，如果鉆速高可以510m一個點，重點井段1m一點，同時記錄每個記錄點的鉆頭尺寸、鉆速、鉆壓、轉速、地層水和鉆井液密度。 計算dc指數 通過統(tǒng)計分析的方法建立正常壓力趨勢線 計算地層壓力 提示 如有必要，必須對鉆頭尺寸進行校正； 一個構造上的正常壓力可以通過多個井得到，以提高預測的準確程度； D

22、c指數預測地層壓力所得到的結果可能與其它方法所得到的結果不盡一致。,地層壓力理論及預測方法,地層壓力計算 反算法 P所求井深地層壓力當量密度，g/cm3； n所求井深正常地層壓力當量密度，g/cm3 dCN所求井深處正常趨勢線上的dc指數值； dcR所求井深實際dc指數。,dc,H,dcn,dcR,地層壓力理論及預測方法,地層壓力計算 等效深度法：若地層具有相同的dc指數，則認為其骨架應力相等,即： PP所求深度的地層壓力，MPa H所求地層壓力點的深度，m； G0上覆地層壓力梯度，MPa/m Gn等效深度處的正常地層壓力梯度，MPa/m HE等效深度，m。,dc,H,HE,H,2008-9-

23、18,dc,H,地層壓力理論及預測方法,等效深度計算 地層壓力計算步驟 鉆井參數錄入 鉆速、鉆壓、轉速、地層水密度、鉆井液密度 計算dc指數 回歸正常趨勢線 計算地層壓力,HE,H,地層壓力理論及預測方法,地層壓力預測（監(jiān)測）方法 聲波時差法 原理：聲波在地層中的傳播速度與巖石的密度、結構、孔隙度及埋藏深度有關。當巖性一定時，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小，對于沉積壓實作用形成的泥巖、頁巖，在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石孔隙度減少，聲波速度增加，聲波時差減??；在異常壓力井段，巖石空隙度增加，聲波速度減少，聲波時差增大。因此，可以通過聲波時差偏離正常趨勢線的大小預測地層壓力。 適用范

24、圍：巖性為泥巖、頁巖；完鉆后進行地層壓力評價。,2008-9-18,H,地層壓力理論及預測方法,聲波時差（用頁巖的聲波時差） 要求：足夠數量的測井數據,H：井深，m t:井深H處的泥巖聲波時差，s/ft t0:表層泥巖聲波時差, s/ft C：正常趨勢線斜率 A:正常趨勢線截距,地層壓力理論及預測方法,聲波時差法預測地層壓力 預測步驟 在標準聲波時差測井資料上選擇泥質含量大于80%的泥頁巖層段，以5m為間隔點讀出井深相應的聲波時差值，并在半對數坐標上描點； 建立正常壓實趨勢線及正常壓實趨勢線方程； 將測井曲線上的聲波時差值代入趨勢線方程，求出等效深度HE； 用等效深度法計算地層壓力PP。 對于

25、碳酸巖類地層的孔隙壓力預測，除了隨鉆測量外，目前還未研究出成熟的技術。,地層壓力理論及預測方法,地層壓力預測（監(jiān)測）方法 地震層速度法 原理：在不同巖性、不同壓實程度情況下，地震波速存在差異。在正常壓實地層，隨著深度增加，地震波速增加；在異常壓力地層，隨著深度的增加，地震波速減小。 適用范圍：鉆前對區(qū)域地層壓力進行評價。,地層破裂壓力確定方法,理論計算 井眼井壁的應力： 最大最小水平主應力,地層破裂壓力確定方法,理論計算 井壁上的周向應力（切向應力）： 井壁破裂的原因 井壁上的有效切向應力超過巖石的抗拉強度（破壞準則） 井壁上的有效應力,有效應力系數，Biot系數,地層破裂壓力確定方法,地層破

26、裂壓力計算 地層的破裂是由井壁上的應力狀態(tài)決定的。地層破裂是由于井壁上的有效切向應力達到或超過巖石的拉伸強度（抗張強度） St：地層的拉伸強度，MPa； ：泊松比 Po:上覆巖層壓力MPa; ：有效應力系數 A、B：構造應力系數 Pp：地層孔隙壓力，MPa,2008-9-18,測試方法,P,Pf=Pstand_pipe+Pm,地層破裂壓力確定方法,2008-9-18,液壓試驗（泄漏試驗）,P,泵入量：V,立 管 壓 力 P,A,地層破裂壓力確定方法,地層破裂壓力確定方法,地層破裂壓力的現(xiàn)場測試 循環(huán)調節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內，關閉防噴器。 用較小排量（0.661.32l

27、/s）向井內泵入泥漿，并記錄各個時間的注入量及立管壓力。 作立管壓力與泵入量（累計）的關系曲線圖，如右圖所示。 從圖上確定各個壓力值，漏失壓力P1，即開始偏離直線點的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力Pf；最大值過后壓力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱為傳播壓力。,地層破裂壓力確定方法,地層破裂壓力的現(xiàn)場測試 求破裂壓力當量泥漿密度max m試驗用泥漿密度，g/cm3； P1漏失壓力，MPa； H裸眼段中點井深，m。 地層破裂壓力梯度(MP/m),地層坍塌壓力確定方法,造成井壁坍塌的原因主要是由于井內液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞所造成的

28、，此時，對于脆性地層會產生坍塌掉塊，井徑擴大，對塑性地層，則向井眼內產生塑性變形，造成縮徑。,巖石的強度條件（強度準則） 根據庫侖-莫爾的研究，巖石破壞時剪切面上的剪應力必須克服巖石的固有剪切強度值（稱為粘聚力），加上作用于剪切面上的內摩擦阻力。,C:巖石的粘聚力(內聚力) ：巖石的內摩擦角；N:巖石剪切面上的法向正應力.,地層坍塌壓力確定方法,巖石破壞準則 MohrCoulomb準則,巖石的剪切破壞, 有效應力系數（Biot系數）， 內摩擦角 1 和1分別為井壁上的最大和最小主應力,地層坍塌壓力確定方法,地層坍塌壓力計算 H：井深，m； ：鉆井液密度，g/cm3； C：巖石的粘聚力，MPa；

29、 :地層非線性彈性修正系數（0.90.95）； H 、h：地層最大和最小水平地應力，MPa,地層壓力理論及預測方法,泥頁巖強度和力學參數的確定 巖石強度參數的確定 內聚力 內摩擦角 抗拉伸強度 靜態(tài)彈性參數的確定 泊松比 彈性模量 地層有效應力系數的確定 利用聲波時差測井參數,井身結構設計,定義 套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。 目的 保證安全、優(yōu)質、快速和經濟地鉆達目的層 內容 下入套管層數 各層套管的下入深度 選擇合適的套管尺寸與鉆頭尺寸組合,2008-9-18,井身結構設計,井身結構設計的主要原則 能有效保護油氣層 能避免產生井漏、井噴、井塌、卡鉆等井下復

30、雜情況,為全井安全、優(yōu)質、快速和經濟地鉆進創(chuàng)造條件； 當實際地層壓力超過預測值使井出現(xiàn)液流時，在一定范圍內，具有壓井處理溢流的能力。,2008-9-18,井身結構設計,套管類型 導管 鉆表層井眼時，將鉆井液從地表引導到鉆臺平面上來。 表層套管 防止淺層水受污染，封閉淺層流砂、礫石層及淺層氣，支撐井口設備裝置，懸掛依次下入的各層套管的載荷。 技術套管（中間套管） 封隔坍塌地層及高壓水層 封隔不同的壓力體系 繼續(xù)鉆井的需要,井身結構設計,套管類型 油層套管（生產套管） 為油氣生產提供流通通道 保護產層、分層測試、分層采油、分層改造 尾管 技術尾管 生產尾管 尾管回接,2008-9-18,井深,當量

31、泥漿密度,Gp,Gf,井身結構設計,考慮的因素 巖性剖面及故障提示 地層壓力、地層破裂壓力 工程參數 正常作業(yè)：抽吸壓力系數Sw、激動壓力系數Sg、地層壓裂安全增值Sf 出現(xiàn)液流：抽吸壓力系數Sw、地層壓裂安全增值Sf、考慮液流情況下地層壓力增加值 SK 最大允許壓差 PN(Pa),井身結構設計,井身結構設計關鍵參數 最大鉆井液密度：某一層套管的鉆進井段中所用的最大鉆井液密度，和該井段中的最大地層壓力有關： max:某層套管的鉆進井段中所使用的最大鉆井液密度，g/cm3； pmax該井段的最大地層壓力梯度， g/cm3； Sw:考慮到上提鉆柱時抽吸作用使井底壓力降低，為了平衡地層壓力所加的附加

32、鉆井液密度， g/cm3。Sw=0.024-0.048 g/cm3 .,井身結構設計,井身結構設計關鍵參數 最大井內壓力梯度 正常作業(yè)（起下鉆、鉆進）：正常鉆井條件下，井內最大壓力梯度是發(fā)生在下放鉆柱時，由于產生壓力激動使得井內壓力增高，設由于壓力激動使井內的壓力增加值為Sg，則最大井內壓力梯度為： Sg:激動壓力梯度當量密度； g/cm3； Sg=0.024-0.048 g/cm3,井身結構設計,井身結構設計關鍵參數 最大井內壓力梯度（續(xù)） 發(fā)生液流時：為了制止液流，如壓井時井內壓力增高值為Sk,則最大井內壓力梯度為： Sk=0.060 g/cm3 上式只適用于發(fā)生液流時最大地層壓力所在的井

33、深Hpmax的井底處，而對于井深為Hn的任意井深處的井內壓力梯度為：,2008-9-18,關井井底最大壓力,Psd,PmE=Psd+Pm,井身結構設計,Hpmax,H,對于任意井深H處：,井身結構設計,井身結構設計關鍵參數 套管下深的臨界條件 為了確保上一層套管鞋處的裸露地層不被壓裂，應該保證，某一井段的最大井內液柱壓力梯度滿足： f:上一層套管下入深度處裸露地層的破裂壓力梯度； g/cm3 Sf：為避免將上一層套管下入深度處裸露地層壓裂的安全值， Sf =0.024-0.048 g/cm3,當量泥漿密度,Gp,Gf,井身結構設計,最大允許壓差 為了在下套管過程中，不致于發(fā)生壓差粘卡套管的事故

34、，應該限制井內鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值，即規(guī)定最大允許壓差。 最大允許壓差的取值 在正常壓力地層： PN=11-17MPa 在異常壓力井段： Pa=14-22MPa,PP,Pm,井身結構設計,設計步驟和方法 （1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定 正常鉆進時： fnr:在設計套管層所在的裸眼井段內，在最大井內液柱壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;（裸眼井段井內最大液柱壓力梯度） max: 裸露井段預計的最大地層壓力梯度， g/cm3;,井身結構設計,設計步驟和方法 （1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定（續(xù)1

35、） 發(fā)生液流時時： fnk:在設計套管層所在的裸眼井段發(fā)生液流時，在最大井內壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;（井深為Hni處井內液柱壓力梯度） Hni:設計層套管的初始下入深度，m; Hpmax: 最大地層壓力所對應的井深;m。,井身結構設計,設計步驟和方法 （1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定（續(xù)2） 比較正常鉆井情況下和發(fā)生液流情況下的最小地層破裂壓力， 一般地fnk fnr,因此通常按fnk計算，只有在肯定不會發(fā)生液流的情況下，才按fnr計算。 對于技術套管，首先計算出fnk，然后通過作圖或數字計算的方法找到地層破裂壓力為fn

36、k的井深，該井深即為技術套管下入的初選點。 對于技術套管，需要校核是否會卡套管，對于表層套管，則一般不必進行壓差粘卡套管的校核,當量泥漿密度,Gp,Gf,正常工況（起鉆、下鉆）,發(fā)生液流時,當量泥漿密度,Gp,Gf,井身結構設計,設計步驟和方法 （2）校核套管下入初選點Hni是否會發(fā)生壓差粘卡套管 所用最大鉆井液密度與最小地層壓力之間實際的最大靜止壓差： P：套管所受到的最大靜止壓差，MPa； min：該井段內最下地層壓力,g/cm3; Hmm：該井段最小地層壓力所對應的最大井深,m。,Gp,Gf,Hmm,井身結構設計,設計步驟和方法 （2）校核套管下入初選點Hni是否會發(fā)生壓差粘卡套管（續(xù)1

37、） 比較P與P N(P a) PPN（或Pa），則假定深度Hni為中間套管下入深度。 若PPN（或Pa），則中間套管下至Hni過程中有被卡危險。在這種情況下,必須采取下尾管的方法解決。 確定技術套管的下入深度：先計算不卡套管的最大地層壓力梯度，g/cm3; 與pper對應的井深即為經過校核的技術套管下深Hn,井身結構設計,設計步驟和方法 （3）在技術套套下入深度淺于初選點的情況下，確定尾管的下入深度Hn+1 確定尾管下入深度的初選點Hn+1,I 由技術套管鞋處的地層破裂壓力梯度fn可求得允許的最大地層壓力梯度pper: 通過數字計算或作圖法找到與pper相等的地層壓力梯度所對應的井深，該井深即

38、為尾管下入深度的初選點。 校核尾管的下入深度初選點是否會發(fā)生卡套管,采用迭代法，試取一個Hn+1值求pper，如果pper大于該深度的實際地層壓力梯度，且二者接近，則Hn+1就是尾管下入深度。,Gp,Gf,Hn,Hn+1,1)中間套管下深Hn的確定,與pper相對應的井深即為中間套管下深Hn。,2)尾管下深Hn+1的確定,fn: 技術套管下深Hn處的地層破裂壓力梯度,2008-9-18,步驟 1、定中間套管最大下入深度假定點。 根據可能鉆遇的最大地層壓力求設計破裂壓力梯度,井身結構設計,當量泥漿密度,Gp,Gf,2008-9-18,步驟 2、驗證中間套管是否有卡套管的危險。 如有，則應減小下深

39、,3、加下一層尾管,井身結構設計,當量泥漿密度,Gp,Gf,2008-9-18,步驟 4、 確定表層套管下入 深度。,井身結構設計,當量泥漿密度,Gp,Gf,井身結構設計,油層套管從井底到井口（對于射孔完井）,當量泥漿密度,Gp,Gf,生產套管尺寸應滿足采油方面要求。根據生產層的產能、油管大小、增產措施及井下作業(yè)等要求來確定。 對于探井，要考慮原設計井深是否要加深，地質上的變化會使原來的預告難于準確，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中間套管，以及對巖心尺寸要求等。 要考慮到工藝水平，如井眼情況、曲率大小、井斜角以及地質復雜情況帶來的問題。并應考慮管材、鉆頭庫存規(guī)格等的限制。,1設計中考慮的因

40、素,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,確定井身結構尺寸一般由內向外依次進行，首先確定生產套管尺寸，再確定下入生產套管的井眼尺寸，然后確定中層套管尺寸等，依此類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導管尺寸。 生產套管根據采油方面要求來定?？碧骄畡t按照勘探方要求來定。 套管與井眼之間有一定間隙，間隙過大則不經濟，過小會導致下套管困難及注水泥后水泥過早脫水形成水泥橋。間隙值一般最小在9.512.7mm(3/81/2in)范圍，最好為19mm（3/4in）。,2套管和井眼尺寸的選擇和確定方法,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,3套管及井眼尺寸標準組合,四、套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,81/2,井身結構設計實

41、例計算分析,例1 某井設計井深4873m，其地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖2-11示。該井無地質復雜層。設計系數取以下值： Sw=0.036g/cm3 Sg=0.036g/cm3 Sf=0.024g/cm3 Sk=0.060g/cm3 Pn=16.56MPa Pa=21.36MPa,破裂壓力梯度,1450m,3826m,4146m,地層壓力梯度,HN,（1）求中間套管初始下入深度 鉆遇最大地層壓力梯度 =2.113g/cm3 考慮抽汲壓力Sw =0.036g/cm3 考慮鉆柱下放、壓力激動Sg =0.036g/cm3 考慮安全因素Sf =0.024g/cm3 如按正常工況，則： fn

42、r =2.209g/cm3 從壓力剖面圖橫坐標上2.209處引垂直線，該垂線與地層破裂壓力梯度曲線相交，交點H3的相應井深4146m為中間套管下入深度初始選定點，該深度地層壓力梯度為1.74g/cm3。,破裂壓力梯度,1450m,3826m,4146m,地層壓力梯度,HN,fD,井身結構設計實例計算分析,（2）驗證中間套管下入4146m深度是否有卡套管的危險 其中m=PH2+Sw(PH2即4146m井深地層壓力梯度)，PH2=1.74（g/cm3） 1.74+0.036=1.776g/cm3。 HN=3384m（壓力剖面圖最小地層壓力對應的最大井深），代入上式 =23.08MPa 因為23.0

43、816.56 所以中間套管下入井深4146m有卡套管的危險，中間套管下入井深應當 減小。,井身結構設計實例計算分析,求在允許壓力差16.56MPa的條件下，中間套管下入深度H2 HN=3384m m-Sw=中間套管下入深度處的地層壓力梯度 1.579-0.036=1.543g/cm3 在壓力剖面圖上找到1.543g/cm3 ，引垂線與地層壓力梯度線相交，交點即為新計算的中間套管下入深度3826m 。,井身結構設計實例計算分析,（3）計算中間尾管最大下入深度H3 4146m-3826m=320m 校核尾管下入4146m井深壓差卡鉆可能性。鉆井尾管下入4146m時采用的鉆井液密度=4146m處地層

44、壓力梯度+Sw=1.74+0.036=1.776g/cm3 P=0.00981(1.775-1.543)3826 =8.745MPa 因為8.74521.36，下入中間尾管時不會卡尾管。 校核鉆井至4146m時，如果產生溢流，給定0.060g/cm3溢流條件，壓井時中間套管3826m處是否會被壓裂，產生地下井噴危險。 中間尾管井深4146m處地層壓力梯度=1.74g/cm3 =1.865g/cm3 井深3826m處地層破裂壓力梯度=2.172g/cm3。 因為1.865fD1450，且相近，所以表層套管下入深度H1=1450m，滿足設計要求。,井身結構設計實例計算分析,（5）油層套管下入487

45、8m深度是否有卡套管的危險 P=0.00981（2.113+0.035-1.74）4146=16.635MPa 因為16.63521.36，油層套管下入4878m不會卡套管。 這樣，該井設計的套管程序如表,井身結構設計實例計算分析,第二章作業(yè),井身結構設計的任務、依據。 有關的基本概念（地層壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力） 簡述dc指數法、聲波時差法預測地層壓力的原理和使用的條件。 （書面作業(yè)） 什么是破裂壓力？巖石破裂的力學機理是什么？ 液壓試驗確定地層破裂壓力的原理、步驟。 坍塌壓力是什么？摩爾-庫侖準則的含義和適用范圍。 井身結構設計的步驟和基礎數據是什么？ （書面作業(yè)） 熟悉掌握井身

46、結構設計的計算方法,第三章 鉆井液技術,本章內容包括:,概論 粘土礦物和粘土膠體化學基礎 鉆井液的工藝性能 鉆井液的流變性 鉆井液的濾失和造壁性 鉆井液的其它性能 鉆井液處理劑及原材料 鉆井液體系 復雜情況處理,概論鉆井液定義,狹義鉆井液: 粘土以小顆粒狀態(tài)(2)分散在水中所形成的溶膠-懸浮體.(mud) 廣義鉆井液: 一切有助于從井眼中產生和清除鉆屑的流體.(drilling fluid) API定義: 用于鉆井的具有各種各樣功用以滿足鉆井工作需要的循環(huán)流體,概論鉆井液的功用,清除井底鉆屑并將其攜帶至地面 穩(wěn)定井壁及控制地層壓力 冷卻和潤滑鉆頭、鉆具 提供低滲透、韌性好的泥餅保護井壁 停止循

47、環(huán)時懸浮環(huán)空中的鉆屑及加重材料 給鉆頭傳遞水力能量,The Primary Functions of Drilling Fluid,Clean the rock fragments from beneath the bit and carry them to the surface Exert sufficient hydrostatic pressure against subsurface formations to prevent formation fluids from flowing into the well. Keep the newly drilled wellbore op

48、en untill steel casing can be cemented in the hole. Cool and lubricate the rotating drillstring and bit.,概論鉆井液不應具有,既不能傷害鉆井人員，又不能損害或污染環(huán)境 對所設計的地層評估有不利的性能 對產層產生傷害 對鉆井設備和管材造成較大腐蝕 Detrimental to the operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation damage. Cause any

49、 corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars.,概論鉆井液的分類,液 體,氣體,氣液混合物,水基 鉆井液,泡沫 （以氣為主）,充氣泥漿 （以液為主）,空氣,天然氣,油基 鉆井液,合成基 鉆井液,概論鉆井液的分類,Liquid,Gas,Gas-liquid mixture,Water base muds,Foam (mostly gas),Areated muds (mostly liquid),air,Nature gas,Oil base muds,Synthetic base muds,概論優(yōu)質鉆井液的標準,有利于

50、安全、快速、優(yōu)質、低耗鉆井； 有利于取全、取準各項工程、地質資料； 有利于發(fā)現(xiàn)、保護油氣層。 Safe,Fast,Best,low-cost drilling. Get all kinds of engineering and geological information. Find and protect payzones.,概論鉆井液的分類,分散鉆井液(dispersed Drilling Fluids) 定義：用淡水、膨潤土和各種對粘土與鉆屑起分散作用的處理劑配制而成的水基鉆井液 特點 可容納較多的固相，適合于配制較高密度的鉆井液 容易在井壁上形成較致密的泥餅，失水較低 某些分散鉆井液具

51、有較強的抗溫能力，適合于深井和超深井使用。,概論鉆井液的分類,鈣處理鉆井液(Calcium treated drilling fluids) 定義：體系中同時含有一定濃度的Ca2+ 和分散劑。 特點 抗鹽、鈣污染的能力強 抑制粘土的水化分散作用，控制頁巖坍塌和井徑擴大，減少對油氣層的損害 鹽水鉆井液(saltwater drilling fluid) 定義：用鹽水或海水配制而成。含鹽量從1（Cl-為6000mg/l)直至飽和(Cl-為189,000mg/l)之前。 特點 對粘土水化有較強的抑制作用,概論鉆井液的分類,飽和鹽水鉆井液(Saturated saltwater muds) 定義：鉆井

52、液中 NaCl的含量達到飽和的鉆井液體系。 特點：用于鉆進大段鹽層和和復雜的鹽膏層,概論鉆井液的分類,聚合物鉆井液(Polymer drilling fluid) 定義:以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作為主處理劑的水基鉆井液體系。 特點 各種固相顆粒可以保持在較粗的范圍內 鉆屑不易分散成細微顆粒 優(yōu)點 鉆井液密度和固相含量低，鉆速高，地層損害小 剪切稀釋特性強 聚合物處理劑有較強的包被和抑制分散的作用，有利于抑制地層造漿和保持井壁穩(wěn)定。,概論鉆井液的分類,鉀基聚合物鉆井液(potassium-base polymer DF) 定義：以各種聚合物的鉀（或銨、鈣）鹽和KCl為主處理劑的防塌

53、鉆井液體系 特點 在各種無機鹽中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚合物處理劑的存在使該鉆井液體系具有聚合物鉆井液的各種優(yōu)良特性。 在鉆遇泥頁巖地層時，具有理想的防塌效果。,概論鉆井液的分類,油基鉆井液(oil based muds) 定義：以油作為連續(xù)相的鉆井液為油基鉆井液。油水比在（5080）: (5020)油包水乳化鉆井液最為常用。 特點 抗高溫 有很強的抑制性 有很強的抗鹽、鈣的污染能力 潤滑性好 能有效地減輕對油氣層的傷害 成本較高、配制工藝復雜、污染環(huán)境,概論鉆井液的分類,合成基鉆井液(synthetic base muds) 定義：以合成的有機化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并

54、含有乳化劑、降濾失劑、流型改進劑的一類新型鉆井液。 特點：使用無毒并且能夠生物降解的非水溶性的有機物取代了油基鉆井液中柴油，該鉆井液不僅保持了油基鉆井液的優(yōu)良特性，而且大大減輕了鉆井液排放時對環(huán)境造成的不良影響，尤其適合于海上鉆井。 氣體型鉆井流體 空氣或天然氣鉆井流體 霧狀鉆井流體 泡沫鉆井流體 充氣鉆井液 保護儲層的鉆井液,概論鉆井液的組成,水基泥漿：固相顆粒懸浮在水中或鹽水中，油可以乳化到水中，此時，水是連續(xù)相。(膨潤土+水+化學處理劑+加重材料鉆屑) 油基泥漿：固相顆粒懸浮在油中，水或鹽水乳化在油中，即油是連續(xù)相。 (柴油+瀝青/有機土+處理劑) 氣體：用高速氣體或天然氣清除鉆屑,概論

55、鉆井液的組成,概論鉆井液技術發(fā)展概況,發(fā)展 水基鉆井液 清水 分散鉆井液 抑制性鉆井液 不分散聚合物鉆井液 油基鉆井液 原油 柴油為連續(xù)相鉆井液 油包水乳化鉆井液 預測 鉆井液強化井壁技術 復雜地質條件下深井、超深井、大位移井鉆井液技術 新型鉆井液體系及其處理劑的研制與應用 廢棄鉆井液的處理技術 保護油氣層的鉆井液技術,概論國內鉆井液技術發(fā)展特點,同樣經歷了這些階段,但滯后一定時間; 水基體系的研究應用比油基體系多; 深井水基鉆井液、防塌鉆井液、聚合物鉆井液理論較成熟； 成功研制了一些鉆井液處理劑，如FA367, XY27, SMP, 80A51等； 成功應用了一些鉆井液體系，如三磺體系，兩性離子聚合物體系、聚磺體系等； 研制了大量鉆井液性能評價儀器； 計算機應用相對滯后。,概論 鉆井液工作的基本任務,根據所鉆