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钻井工艺

石油和天然气的勘探和开发中钻成井眼所采取的技术方法。主要包括井身设计、钻头和泥浆的选用、钻具组合、钻井参数配合、井斜控制、泥浆处理、取岩心以及事故预防和处理等。

石油钻井工艺的特点是:井眼深、压力大、温度高、影响因素多等。以往主要靠经验钻井,50年代开始研 究影响钻井速度和成本的诸因素及其相互关系。钻井新技术、新理论不断出现。井眼方向必须控制在允许范围内。根据油气勘探,开发的地质地理条件和工程需要,分直井和定向井两类,后者又可分为一般定向井、水平井、丛式井等。
  直井 井眼沿铅直方向钻进并在规定的井斜角和方位角范围内钻达目的层位,对井眼曲率和井底相对于井口的水平位移也有一定的要求(图1)。生产井井底水平位移过大,会打乱油田开发的布井方案;探井井底水平位移过大,有可能钻不到预期的目的层。井的全角变化率过大会增加钻井和采油作业的困难,易导致井下事故。

影响井斜角和方位角的因素有:地质条件,钻具组合,钻井技术措施,操作技术以及设备安装质量等。为防止井斜角和井眼曲率过大,必须选用合理的下部钻具组合。常用的有刚性满眼钻具组合(图2)和钟摆钻具组合(图3)两种。前者可采用较大的钻压钻进,有利于提高钻速,井眼曲率较小,但不能纠斜,后者需控制一定的钻压,响钻速,但可用来纠斜。钻井工艺钻井工艺钻井工艺定向井 沿预先设计的井眼方向(井斜角和方位角)钻达目的层位的井。

主要用于:①受地面地形限制,如油田埋藏在城镇、高山、湖泊或良田之下;②海上丛式钻井;③因地质构造特殊(如断层、裂缝层,或地层倾角太大等)的需要,钻定向井有利于油、气藏的勘探开发;④处理井下事故,如侧钻,为制止井喷着火而钻的救险井等。
  定向井的剖面设计,一般由直井段、造斜段、稳斜段和降斜段组成。造斜和扭方位井段常用井下动力钻具(涡轮钻具或螺杆钻具) 加弯接头组成的造斜钻具(图4)。当井眼斜度最后达到或接近水平时,称为水平井。定向钻进时,必须经常监测井眼的斜度和方位,随时绘出井眼轨迹图,以便及时调整。常用的测斜仪有单点、多点磁力照相测斜仪和陀螺测斜仪。

近年来,还使用随钻测斜仪,不需起钻就可随时了解井眼的斜度和方位,按信号传输方式分有线及无线两种,前者用电缆传输信号,后者用泥浆脉冲、电磁、声波等。钻井工艺丛式井 又称密集井、成组井(图5), 在一个位置和限定的井场上向不同方位钻数口至数十口定向井,使每口井沿各自的设计井身轴线分别钻达目的层位,通常用于海上平台或城市、良田、沼泽等地区,可节省大量投资,占地少,并便于集中管理。钻井工艺喷射钻井 将泥浆泵输送的高压泥浆通过钻头喷嘴形成高速冲击射流(通常在m/s以上),直接作用于井底,充分利用水力能量(一般使泵水功率的50%以上作用于井底),使岩屑及时冲离井底或直接破碎地层,可大幅度提高钻井速度。合理的工作方式是采用较高的泵压、较低的排量和较小的钻头喷嘴直径。
  优选参数钻井 在分析已钻井资料的基础上,以电子计算机为手段,用最优化的方法,将影响钻井速度的各种可控因素(例如钻头类型、钻压、转速、泥浆性能、水力因素等),根据最低成本原则建立数学模型,编成计算程序。进行优选配合,使钻井工作实现优质、快速、低成本。
  地层孔隙压力预测和平衡压力钻井 用地震、测井和钻进时的资料(机械钻速、页岩密度、泥浆比重、温度等)进行综合分析,预测地层孔隙压力和判断可能出现的异常压力地层,及时采取措施以防止突然发生井喷、井漏和井塌等井下复杂情况。根据已知的地层孔隙压力和地层破裂压力,确定合理的泥浆比重和套管程序。在井内泥浆液柱压力和地层孔隙压力近似平衡的条件下进行钻井,称平衡压力钻井。可显著提高钻速,也有利于发现油、气藏。
  井控技术 当钻达异常高压地层而发生泥浆气侵或井涌时,用计算方法和恰当的技术措施,调整泥浆比重和流动特性,配合使用液动高压防喷设备进行控制和排除井内溢流,以防止井喷。
  取岩心技术 按设计要求从井下钻取所需层位的岩石样品(岩心),为勘探和开发油、气藏取得第一性资料。常用的取心工具主要由取心钻头、岩心筒、岩心抓和接头等部件组成,取心钻进时,钻头连续呈环形切削井底的岩石,使钻成的柱状岩心不断进入岩心筒。为适应特殊需要,还有密闭取心、保持压力取心和用于极疏松和破碎地层的取心工具(橡皮套取心工具)等。

刘希圣等编:《钻井工艺原理》(上、下册),石油工业出版社,北京,1981。
  J.A.”jim”Short,PENNWELLPubl.CO., Tulsa,1982.


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