钻井与完井工程教材第一章绪论Word文档下载推荐.doc
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由以上油田的开发工作顺序可知，油田开发可以说是用钻井的办法证实油气的分布范围，并且有井可以投入生产而形成一定生产规模。
在石油勘探、开发各个阶段的共同特点是都要钻井。
如在地质普查阶段，为了研究地层剖面，寻找储油构造，要钻地质井、基准井、制图井、构造井等。
在区域祥探阶段，为了寻找油气藏，并详细研究其储量、性质，要钻预探井、详探井、边探井等。
在油田开发阶段，为了把石油、天然气开采出来．更需要钻井，如生产井、注水井、观察井等。
石油钻井类型按性质和用途一般分为：
地质探井（基淮参数井）。
是指在很少了解的盆地和凹陷中，为了了解地层的沉积年代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理解释提供各种参数所钻的井。
预探井。
在地震详查和地质综合研究基础上所确定的有利圈闭范围内，为了发现油气藏所钻的井；
在已知油、气田范围内，以发现未知新油气藏为目的所钻的井。
详探井（评价井）。
在已发现的油气圈闭上。
以探明含油气边界和储量，了解油气层结构变化和产能为目的所钻的探井。
地质浅井。
为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构造，地层剖面和局部构造为目的。
一般使用轻便钻机所钻的井。
例如剖面探井，制图井，构造井等。
检查资料井。
在已开发油气田内，为了研究开发过程中地下情况变化所钻的井。
生产井。
开发油、气田所钻的采油、采气井。
注水井。
为合理开发油气田，保持油气田压力所钻的用于注水的井。
地质探井、预探井、详探井和地质浅井总称探井。
检查资料井、生产井、注水井总称开发井。
第二节、钻井与完井工程的主要内容
当今的钻井技术已相当成熟，钻井的旋转钻井（见图1-1）方式也已被普遍采用。
在旋转钻井方式中，钻井与完井工程的主要内容如下：
一、钻进
钻进就是用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头牙齿吃入岩石中，用钻杆带动钻头旋转破碎井底岩石，从而达到增加井深的目的。
加到钻头上的压力叫钻压。
钻压是靠钻柱的重量产生的。
钻进的快慢用钻速（一般称为机械钻速）表示，它是单位时间里的进尺数，单位为米／小时。
另一种表示法是钻时，它是单位进尺所需要的时间，单位为分钟／米。
钻进是钻井工程的主要内容，它是指用钻头破碎岩石，使井眼不断加深的过程。
由于钻进，井不断加深，钻柱也要及时加长。
钻柱主要由钻杆组成，钻进过程中，每当井加深了一根钻杆的长度后，就向钻柱中接入一根钻杆，这个过程叫接单根。
钻头在钻进过程中会逐渐磨损，磨损后就应予以更换。
为此需要将全部钻柱从井中起出来，更换新钻头。
换上新钻头后再重新将钻柱全部下入井内，这个过程叫起下钻。
但也可能因为其它原因而进行起下钻。
图1-1旋转钻井
影响钻速的因素主要有岩石可钻性、钻头的类型、钻井液性质、钻压、转速、钻井液排量、钻头水力功率的大小等。
因此，研究地层的基本物理机械性质和基本的破碎规律以及影响这些规律的因素，研究钻头破岩的机理、结构特点，制造工艺及其对地层的适应性，研究钻井液的性质与井眼安全和钻井速度的关系，研究钻井参数（钻压、转速、钻井液排量、钻头水功率）对钻井速度和井身质量影响的规律对安全、优质、快速钻井的方案的制定和组织实施都有极其重要的意义。
在研究各种因素对钻井速度、安全和井身质量影响规律的基础上，结合经济评价，建立效益目标，应用最优化理论，分析处理各种实验数据和钻井资料，制订出最佳钻井方案并用于指导钻井实践。
地层岩石的孔隙、裂缝中存有石油、天然气和水等流体。
它们具有一定的压力。
这压力因所处地层的深度、地区等条件的不同而有很大差异。
这就要求在钻井过程中采用恰当的措施以适应之。
如果处置不当，或将引起对产层的损害，或将发生溢流、井喷，给钻井施工带来困难。
因此，必需加强在钻井过程中对高压井的压力控制及发展压力预测技术。
钻进时，钻头破碎井底岩石，形成岩屑。
随着井的加深，岩屑逐渐增加，它们积存于井底，阻碍了钻头接触新的井底，使钻头形成重复切削，降低钻进效率。
为此必须在岩屑形成后，及时把岩屑从井底清洗出来，这就是所说的洗井。
洗井（见图1-2）是用钻井泵把钻井液打入中空的钻柱内。
经钻头水眼流入井底。
流入井底的钻井液把岩屑冲离井底。
然后携带岩屑从钻柱与井眼之间的环形空间中返到地面。
在地面上把岩屑从钻井液中分离出来，再把净化了的钻井液用钻井泵注入井内。
这样重复使用，往复循环，从而达到随钻洗井的目的。
图1-2洗井
钻井液还具有保护井壁、控制井内压力等功用。
钻井液的性能好坏，直接关系到一口井钻井的成败。
如何配制出符合钻井工程要求的钻井液，是保证快速、优质、安全钻井的关键。
所以钻井液又有“钻井工程的血液”之称。
钻井液属于复杂的多相多级胶体—悬浮体分散体系。
它既可以是固体分散在液体中，或者是液体分散在另一种液体中，也可以是气体分散在液体中，或者是液体分散在气体中所形成的分散体系。
钻井液的性能与各种胶体性质都有密切的关系。
如钻井液胶体的稳定性与破坏，处理剂的吸附、润湿、流变性，电解质的污染及其处理等等，都遵循着胶体化学的基本规律。
因此，凡是从事钻井工程特别是从事钻井液研究与应用的工作者，都需要掌握胶体化学的理论基础。
从满足钻井完井工程的目标出发，设计和在施工中调配和维护钻井液体系，使之达到并保持所需的性能、指标，最终实现快速、优质、安全钻井。
二、固井
一口井在形成的过程中，需穿过各种各样的地层，各地层都有它自己的特点。
如有的地层岩石很坚硬，井眼形成以后井壁很长时间不坍塌，有的地层则很松软，井壁不易维持住，岩石从井壁上塌落到井内，易形成井塌、卡钻等复杂情况；
有的地层则含有高压油、气、水等流体，钻遇该该地层时，这些流体就要外涌；
有的地层含有某些易溶盐，使洗井液性能变坏。
上述复杂情况有的可能钻过该地层后就消失了，但有的没有消失，继续给钻井工作造成麻烦。
为了保护井眼以便使钻井工作顺利进行，就必须对井眼进行加固，这就是所谓的固井。
固井的方法是将套管下入井中，并在井眼与套管之间充填水泥，以固定套管，封固某些地层（见图1-3）。
根据不同的地层情况和钻井目的，一口井可能要多次进行下套管固井。
钻完一口井总共下多少层套管、每层套管的尺寸和下入深度、每次固井水泥浆返深和水泥环厚度以及每次固井对应的井眼尺寸称为井身结构。
井身结构设计是钻井工程的基础设计，它关系到油气井能否安全、优质、快速和经济钻达目的层以及能否保护储层防止损害。
三、完井
完井是钻井工程最后一个重要环节，其主要内容包括钻开生产层，确定井底完成方法，安装井底及井口装置等。
图1-3固井
含有油气流体孔隙性砂岩或裂缝性碳酸盐岩的储集层称为油气层，一般均有一定的压力，而且有较好的渗透性。
因此钻开油气层时，总会产生钻井液对油气层的损害或是油气层中的油气侵入钻井液。
当井内钻井液柱压力大于地层压力时，钻井液中的滤液或固相颗粒就会进入油气层中，使油气层渗透率降低，造成油气层的损害。
压力越大，时间越长，对油气层的损害就会越大，就会降低油气层的产量。
反之，如果钻井液液柱压力小于地层压力时，油气水就会侵入钻井液中。
如果处理不当，就会造成井喷失控事故。
因此，钻开油气层既要防止和减少对油气层的损害，又要防止井喷失控事故的发生。
井底装置是在井底建立油气层与油气井井筒之间的连通渠道，建立的连通渠道不同，也就构成了不同的完井方法。
只有根据油气藏类型和油气层的特性并考虑开发开采的技术要求去选择最合适的完井方法，才能有效地开发油气田、延长油气井寿命、提高采收率、提高油气田开发的总体经济效益。
完井井口装置包括套管头、油管头和采油树。
井口装置的作用是悬挂井下油管柱、套管柱，密封油管、套管和两层套管之间的环形空间、控制油气井生产、回注（注蒸汽、注气、注水、酸化、压裂和注化学剂等）和安全生产。
第三节、钻井与完井工程技术的发展
早期的钻井技术是靠人们积累下来的经验指导打井．由于科学技术的发展，钻井技术也步入了科学化发展阶段。
1948年出现了喷射钻井技术。
1958年前后出现了平衡钻井与井控技术。
1962年又出现了优化钻井技术。
80年代后期水平井钻井技术、保护油气层钻井完井技术有了大的发展和提高，特别是最近又出现了地质导向钻井技术。
由于这些钻井技术的出现，钻井技术不仅只有定性概念，而且有了定量概念，这就意味钻井技术从经验钻井阶段进入到科学钻井的新的发展阶段。
以下介绍近年来逐渐发展起来的钻井技术：
一、定向钻井技术
定向钻井指靠使用定向井仪器、工具、钻具和技术，使井眼沿着预定的斜度和方位钻达目的层的钻井技术。
定向钻井比简单直井多的就是要选择井眼轨迹和井斜角。
它包括选择最适当的测量技术、确定最好的控制工具、运用适当的管理体系和收集相关的地质资料。
另外，定向井的设计程序可增加或影响下套管和注水泥过程、水力参数、扶正作用和完井技术。
图1-4
图1-5
很多情况下需采用定向井钻井技术（见图1-4）。
正对目的层的地表位置常常不能作为实际的井场位置。
通常包括房屋建筑、河流、高山、港口和道路。
在这些情况下，往往需要钻定向井达到目的层；
定向井最常见的应用是在海上平台钻井（见图1-5）。
在大多数情况下，从一个独立的平台上打很多定向井比对每一口直井都建立一个平台经济得多。
在北海，一些平台可以钻多达60口定向井。
在陆上作业中，从单一井场打丛式并不太常用。
打丛式井的最基本原理是从经济上考虑，如管线、采油设备等。
苏联西部西伯利亚所钻的井，大部分是丛式井；
钻定向井另一最常遇到的情况是侧钻。
主要目的是使井眼偏移，绕过或离开障碍物，如卡住的钻柱。
通常，侧钻不能被称为是有控制的定向钻井，因为它没有预定的靶心；
定向井最引人注意的应用是钻救援井，使其和邻近的井喷井的井底相交，以便把钻井液和水注人井喷井内。
这类钻井问题中的定向控制是十分严格的。
因为和井喷井相交需要极其精确。
因此，井喷井定位需要特殊的测井工具；
地质学家为了勘探可能确定丛式靶层，来勘探那些不能用直井钻的井。
必须钻穿一个靶层后，增加井眼方向达到下一目的层靶心（称为多目标井）。
目的层可能在二维平面内，这种情况只需改变井斜角。
另一种情况，需三维设计，这种情况必须改变井斜角和方位角，。
二、喷射钻井与优化钻井技术
喷射钻井1948年出现在美国，60年代被大量推广应用，使钻井速度有了大幅度的提高。
它曾被誉为钻井技术的重大革命。
喷射钻井与普通钻井不同，普通钻井要求重压、快转、大排量。
而喷射钻井要求高泵压，喷嘴小，喷射速度高，适当排量、使用喷射式钻头。
钻井液从钻头喷嘴喷出的速度高，水马力大，冲刷井底好．清岩快，携岩好，与机械因素起联合破岩作用，从而提高了钻井速度。
喷射钻井要求有大功率的钻井泵，以产生高压高功率射流，喷射钻井要有寿命高的喷射式钻头；
喷射钻井还要求有好的钻井液、具有抑制泥岩膨胀．有利于井壁稳定，剪切稀释性能好、粘度低、摩阻小、携岩好等特点。
随着喷射钻井技术的发展，喷射钻井理论也在发展，钻井水力学研究了射流的特性与喷嘴结构及水力参数对破岩、清岩的作用，到60年代形成了完整的环空水力学理论，在这同时也研究了固控理论。
通过以上工作基本上弄清了钻井各可变参数在不同地层中与钻速的关系，建立了能量计算数学模式，为发展最优化钻井打下了基础。
60年代后期，美国钻井技术进入自动化钻井阶段，在喷射钻井基础上发展优化钻井技术，应用计算机技术，进行钻井设计、施工，井斜控制，井眼压力控制，特别是应用在定向井、丛式井的设计中，通过使用计算机扫描技术监探井眼轨迹防止井眼相碰等都发挥了前所未有的作用。
我国使用喷射钻井技术始于60年代，研究喷嘴结构与钻井水力学，1973年通过消化应用喷射钻井理论，研制了喷射式聚晶金刚石钻头，1975年首先在胜利油田组织喷射钻井试验，1978年开始在全国推广喷射钻井、低固相钻井液和喷射钻头三大技术。
该项技术的推广使用，给国家节省了大量资金。
优选参数钻井即优化钻井技术，它是喷射钻井技术的继续和发展，喷射钻井能优选泵压、排量、喷嘴、喷速、钻压等。
优化钻井技术不但能优选以上参数，还扩大到钻头选型、钻井液选择、环空流变参数等。
因此，优化钻井技术推广后，对钻井规律有了更全面、更深刻的认识，钻井速度提高，成本下降，取得了很好的效果。
三、平衡压力钻井与井控技术
平衡压力钻井技术的发现是钻井技术的一大进步，。
它是美国1948—1968年间科学化钻井时期发展起来的。
平衡压力钻井也称近平衡压力钻井，是指钻井时井简内液柱压力与地层
压力接近平衡，这样钻井速度快，对油气层损害少。
钻进时井筒内液柱压力与油气层压力差值的大小，代表了钻井水乎的高低。
这是因为差值越小，对油气层损害越小，但差值越小，钻井易发生事故。
因此要实行平衡压力钻井，又要不发生事故，就要有高水平的钻井技术。
我国现在每年找到的储量中，大部分为低渗透油层，因此实行平衡压力钻井，减少对油气层
损害，特别是探井有利于发现油气层，不丢掉油气层，对生产井也有利于提高单井产量。
在“六·
五”期间以前，由于我国尚未开展这项技术，对地层压力掌握不够，加上缺少套管，一般裸眼井段长，为了防止井坍，钻进时使用的钻井液密度偏高，对发现油气层造成不良影响。
1980年我国开始使用平衡压力钻井技术，已取得很大成果。
推广平衡钻井与井控技术，不但大大减少了井喷失控事故，而且也有利于发现油气层，减少对油气层造成的损害。
四、水平井钻井
图1-6水平井
水平井由于能穿过更多的油层，从而提高油井单井产量和提高注入量（注水、注汽等），获得更高的采收率（见图1-6）。
水平井还适合开发一些用直井方法无法开发或开发效益很低的特殊油气藏，如裂缝性油藏、稠油油藏、低渗油藏和底水油藏等。
因此，80年代水平井技术在国际石油工程领域内得到迅速发展，不少人称水平井技术是石油工业技术的—大革命。
图1-6水平分支井
水平井具有很高的经济效益。
钻水平井产量一般为直井的4—6倍，水平井产量高，—般说，水平井水平段越长，产量越高，不仅新钻水平井产最高，就是在老油田、枯竭的或废弃的井中钻水平井也可取得明显的增产效果。
80年代后期，水平井每米成本为邻井的1．5倍。
但出于水平井产量为直井的4—6倍，虽然钻井成本高一些，总的水平井的经济效益还是非常好的。
钻水平井开发许多类型的油气藏比直井可大幅度提高产量，适合用水平井开发的油气藏类型有：
裂缝性油气藏；
低渗透油气藏；
薄的或层状油气藏；
稠油油藏。
水平井还有利于减缓水、气锥进。
水平井的钻井完井技术主要包括：
水平井的优化设计、连续的随钻测量技术、先进的导向钻井系统、满足水平井钻井需要的优质的钻井液和完井液以及水平井完井技术。
80年代前钻水平井技术还不够成熟、配套，进入80年代后，新的工具、工艺技术不断出现：
配套的钻具组合、适合水平井使用的（包括弯外壳、铰接、单弯、双弯）螺杆钻具、随钻测量仪器、高效钻头、优质泥浆、固井工具和固井技术、电测射孔技术等。
有了以上条件，水平井技术今后一定会有很大发展。
五、保护油气层的钻井完井技术
油气层保护技术最早是50年代提出的，至80年代末形成了系列配套的储层评价，工程评价试验技术，发展和应用了一些对地层损害小的钻井液，完井液，并在现场应用，90年代更加完善配套。
保护油气层技术发展快主要是认识上的提高，开始时认为钻井液密度高了损害油气层严重，也有的人认为损害油气层主要是钻井施工造成的，这些不全面认识随着科学技术的进步逐步在改变，认为对油气层造成损害主要是井内液柱压力大于地层压力造成的，这个压力差越大，对油气藏造成的损害越大，而不是钻井液密度大对油气层造成损害大。
实际上对油气层造成的损害贯穿在整个施工过程，包括油气层的钻进、测井、固井、射孔、酸化、压裂、洗井、注水、修井等作业施工过程均能对油气层造成损害。
认识上另一个提高就是应该针对不同类型油气藏岩层特点使用不同的钻井液、射孔液、酸化液。
这些工作液要和油气层岩性配伍，才能减少对油气层造成的损害。
而不是无目的地降低失水，减少固相含量等。
为保护油气层还要使用平衡压力钻井技术，使用合理钻井液密度，这是前提。
我国在保护油气层总体技术上巳达到了国际80年代末水平。
这些技术包括岩性测定与分析和储层敏感性评价技术、油气层损害机理研究、矿场油气层损害评价技术、保护油气层的钻井液完井液技术、保护油气层的固井技术、负压射孔技术和保护油气层的酸化压裂投产技术。
六、欠平衡钻井
所谓欠平衡钻井，就是有意将井中钻井液静液柱压力控制在低于产层压力下钻井。
早在本世纪50、60年代，为了防止井漏和提高钻速，人们就提出并应用欠平钻井技术钻井，但由于安全方面的考虑，未能引起人们的重视，其发展也相应滞后。
但在90年代以来，欠平衡钻井却受到了人们的高度重视，国外许多公司在大力研究和应用这项技术。
美国能源部近年来还资助了一项旨在研究和开发欠平衡钻井及完井新技术的综合研究计划。
欠平衡钻井技术受到人们高度重视的主要直接原因是：
应用这项技术钻井可以有效地减轻地层损害而提高油气产量。
其间接原因则是水平井应用的增加。
因为在钻水平井过程中，生产井段暴露在钻井液中的时间很长，只有在欠平衡压力条件下进行钻井作业，才有利于保护产层。
据报道，在加拿大，一些公司应用欠平衡钻井技术钻的水平井，其产量比用常规钻井方法钻的井高10倍。
在巴西，一些公司应用欠平衡钻井技术钻的直井的产量也比用常规方法钻的直井高3倍。
欠平衡钻井在90年代受到人们高度重视的其它原因是：
它有利于提高钻速而节省钻井时间、有利于增加钻头寿命、有利于避免压差卡钻、有利于成功地钻穿漏失地层和低压地层。
据报道，美国近年来在衰竭油气藏中使用充气钻井液进行欠平衡钻井的结果表明，仅因少损失钻井液和节省时间，就使平均每口井节约钻井费用1．25百万美元。
英国BP公司在哥伦比亚进行欠平衡钻井，仅因节省时间就使每口井节约钻井费用10～20％。
由于上述原因，迄今为止，欠平衡钻井活动已遍及世界各地的20多个国家，如美国、英国、加拿大、墨西哥、阿曼、阿根廷、巴西、哥伦比亚等。
欠平衡钻井井数也正在以前所未有的速度增加。
据统计，1994年，全世界应用欠平衡技术钻井仅2000口，而1997年便达到4000口。
据美国能源部在1996年公布的一份钻井报告预测，在今后十年间，欠平衡钻井井数将会迅速持续增加。
预计到2000年，全世界当年的欠平衡钻井井数将达7000口，2005年将达到12，000口。
美国和加拿大是目前应用欠平衡钻井技术钻井最多的国家。
统计表明，在1994年和1995年，美国的欠平衡钻井井数分别占美国当年钻井总数的7.4％和7．9％，而且有5％的气井是用该技术钻的。
预计在2000年和2005年，美国的欠平衡钻井井数将分别占美国当年钻井总数的20%和30％。
1992年，加拿大应用欠平衡钻井技术钻井仅30口，而到1995年便达到330口，为1992年的11倍。
到1997年底，全加拿大就有约1，500口水平井是用欠平衡钻井技术钻的。
由于欠平衡钻井具有极大优越性，以及水平井应用的迅速增加，为提高油气田开发的总体经济效益，欠平衡钻井已经并且必将继续成为油气开发的一种重要手段。
七、自动化钻进
自动化钻井是90年代和21世纪世界钻井的重大发展方向。
而自动化钻井的发展方向又是闭环钻井。
所谓闭环钻井，就是依靠传感器测量钻井过程中的各种参数，依靠计算机及人工智能技术获取数据，并进行解释和发出指令，最终由自动设备去执行，变成一种无人操作的闭环自动控制系统进行钻井。
它的主要优点是：
可以大大提高钻井安全和效率，节省时间，优化钻井过程，从而获得更好的经济效益。
自动化钻井包括井下自动化和地面钻机自动化两大方面。
井下自动化将依靠井下闭环自动控制系统来实现，地面钻机自动化将依靠地面闭环自动控制系统来实现。
近年来，国外一些公司一直在围绕这两大方面进行大力研究，并取得了重大突破和以下方面的实质性成果。
在井下定向控制自动化钻井系统方面，为了优化钻井和克服目前使用可转向泥浆马达钻定向井存在的问题（例如钻速低、定向费时、井眼净化效果差等），一些公司研究出了井下定向控制自动化钻井系统。
1．自动导向钻井系统（AGS）
英国CambridgeDrillingAutomation（CDA）公司在1995午研制出了它的第一代自动导向钻井系统（ACS［AutomalionGuidanceSystem］）。
这是一种由计算机控制井斜和方位的智能式自动导向的旋转钻井系统。
它可以在钻柱旋转的同时自动按设计井眼轨迹控制井斜和方位。
由于是由计算机连续进行定向控制，使用这种工具可以钻出高质量的井眼。
目前，CDA公司正在研制可做井下程序调整的第二代AGS钻井系统，以实现不起下钻就能改变并眼轨迹。
2．旋转闭环钻井系统（RCLS）
BakerHughesINTEQ公司与意大利的AGIP公司合作，从1993年中期开始，用三年时间，研制出了被称之为旋转闭环钻井系统（RCLS［RotaryClosedloopSystem］）的自动导向钻井系统。
这是一种兼收旋转钻具和可转向泥浆马达最佳优点的智能式全新钻井系统（如图1-7所示）。
由于它是一种能对井斜和方位控制作闭环决策的旋转钻井系统，故称之为旋转闭环钻井系统。
它与前面介绍的英国CDA公司研制的第一代“AGS”自动导向钻井系统相比的不同之处在于，它既能在钻柱旋转的同时自动按设计井眼轨迹控制井斜和方位，也能按地面的指令改变井眼轨迹。
RCLS系统的重要组成部分是：
地面到井下工具和井下工具到地面的通讯系统，自动导向工具，以及地层评价随钻测量（MWD）工具。
自动导向工具是RCLS系统自动控制井斜和方位的核心组件，它依靠一个脱离旋转驱动轴的非旋转套转向。
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