深井鉆井技術(shù)

1、深層鉆井技術(shù),石油大學(xué)（華東）鉆井所2000年10月,主要內(nèi)容,深層鉆井的主要技術(shù)難點井身結(jié)構(gòu)設(shè)計深井超深井套管、鉆頭系列不同尺寸套管下深能力推薦的深井超深井套管鉆頭系列套管、鉆頭數(shù)據(jù)庫井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法套管柱強度設(shè)計高效破巖工具深井小井眼鉆井技術(shù)深井復(fù)雜事故監(jiān)測技術(shù),一、深層鉆井的主要技術(shù)難點,復(fù)雜地質(zhì)條件下深探井和超深探井的難點主要有以下三個方面：1、探井具有地質(zhì)不確定性，新區(qū)第一口探井的地質(zhì)不確定程度更

2、大。2、現(xiàn)有鉆井技術(shù)不完全適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件深探井鉆井的要求。3、深井鉆井主要裝備技術(shù)性能差，比較陳舊。,克服技術(shù)難點需要解決的問題,（1）提高地層壓力和地應(yīng)力預(yù)測監(jiān)測的精度問題（2）確定復(fù)雜地質(zhì)條件下深探井合理井身結(jié)構(gòu)問題。（3）一旦同一裸眼井段內(nèi)打開兩套或更多套地層壓力系統(tǒng)后的有效處理問題。（4）高陡構(gòu)造高效防斜問題。（5）提高上部大尺寸井眼和深部井段鉆井速度問題。（6）提高長井段小間隙高密度條件下的固井質(zhì)量問題。（7

3、）減少技術(shù)套管磨損和破裂后的處理問題。（8）嚴(yán)重井漏、井塌、縮徑的有效處理問題。（9）含硫氣井的安全鉆進問題。（10）高密度（大于2.0g/cm^3）,抗高溫(大于150C),抗污染鉆井液問題。,表1 我國復(fù)雜地質(zhì)條件新區(qū)第一口深探井鉆井情況,表2 美國復(fù)雜地質(zhì)條件初探井鉆井情況,二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,目前國內(nèi)深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題套管與鉆頭系列單一設(shè)計目標(biāo)及方法有待改進套管柱強度設(shè)計需考慮溫度和三維受力問題,1、國內(nèi)常用

4、深井超深井套管、鉆頭系列　 目前，我國深井、超深井鉆井中普遍采用的套管結(jié)構(gòu)程序為：20”—13 3/8”—9 5/8” —7”—5” ，少數(shù)陸地超深井和海洋鉆井已采用 30”—20”—13 3/8”—9 5/8” —7” —5”的套管程序。,（一）深井超深井套管、鉆頭系列,海洋復(fù)雜深井套管、鉆頭系列 （36 ” ）30 ”-（26 ” ）20 ”-（17 1/2 ” ）13 3/8 ”-（14 ” ）11 3

5、/4 ”-（12 1/4 ”）9 5/8 ”-（8 1/2 ” ）7 ”-（6 ” ）4 1/2 ”　 在14＂ 井眼用8 3/4＂×12 1/4＂ ×14＂偏心鉆頭鉆進，11 3/4＂ 尾管采用無接箍套管，在12 1/4＂井眼段，用7 7/8＂ ×10 5/8＂×12 1/4＂ 偏心鉆頭鉆進。9 5/8＂套管柱的上部用普通接箍的套管，進入11 3/4＂尾管及以下井眼的套管為無接箍

6、套管。,2、國外深井超深井套管、鉆頭系列20〃-13 3/8〃- 10 3/4〃- 7 5/8〃- 5〃 （美國西德克薩斯、俄克拉何馬等地區(qū)）6900米 36〃- 26〃- 20〃- 16〃- 10 3/4〃- 7 3/4〃-5〃 （美國加利福尼亞最深井943-29R井）7445米30〃- 20〃- 16〃- 11 7/8〃- 9 7/8〃- 7 3/4〃-5 1/2〃 （美國懷俄明） 7582米36〃-30〃

7、-24〃- 18 5/8〃-13 3/8〃-9 5/8〃-7〃-4 1/2〃 （沙特阿拉伯Khuff井）32〃- 24 1/2〃- 16〃- 13 3/8〃- 9 5/8〃- 7 5/8〃 （德國KTB超深井）12000米30〃- 24〃- 20〃- 16〃- 13 3/8〃- 11 3/4〃- 9 5/8〃- 7 5/8〃 （拉丁美洲和墨西哥灣地區(qū)）5638米,（二）不同尺寸套管的下深能力,1、影響套管下深能力的因素

8、套管下深能力：指各種尺寸套管在不同約束條件下可下入的最大深度。約束條件：鉆機起重能力套管接頭的連接強度套管的抗外擠強度,2、套管柱的軸向載荷計算,1、套管柱自重產(chǎn)生的軸向力計算2、井壁摩阻力的計算3、泥漿摩阻力的計算模型4、注水泥引起的套管柱附加拉力5、套管彎曲引起的附加拉力,3、套管柱抗外擠計算 按套管內(nèi)全部掏空時的泥漿柱壓力計算；4、鉆機安全鉤載的計算

9、 API建議鉆機的最大鉤載應(yīng)比最重套管柱大20%。,5、套管柱可下入深度的計算,計算方法鉆機最大鉤載條件下的可下入深度計算：套管接頭抗滑扣力條件下的可下入深度計算：套管抗擠強度條件下的可下入深度計算：,6、套管柱可下入深度的計算結(jié)果,（三）推薦的深井、超深井套管鉆頭 系列1、增加套管柱層次的途徑 經(jīng)過文獻調(diào)研和分析研究，認(rèn)為有四種途徑增加套管柱層次：1、增大上部井眼和套管的尺寸2、

10、鉆小井眼可增多套管柱層數(shù)3、采用無接箍套管，縮小相鄰套管柱及套管與井眼之間 的間隙4、優(yōu)化套管/井眼尺寸組合，設(shè)計新的套管鉆頭系列,2、套管與井眼間隙的研究間隙大小對鉆井的影響間隙過大：將明顯增加鉆井成本；影響水泥漿頂替效率，增加固井成本。間隙過小：固井質(zhì)量難以保證；不利于下套管作業(yè)；下套管的壓力激動易壓裂地層。（1）、固井對套管與井眼間隙的要求（2）、波動壓力對套管與井眼間隙的要求（3）、其它因素對套管與井眼

11、間隙的影響（4）、國內(nèi)外實踐過的套管與井眼尺寸配合,3、改進的套管鉆頭系列方案,（1）、在20”—13-3/8”之間增加一層16英寸套管（常規(guī)接箍）,3、改進的套管鉆頭系列方案,（2）、在13-3/8”—9-5/8”之間增加一層11-3/4英寸尾管（平接箍）,4、新增套管鉆頭系列方案,（1）20”×14”×10-3/4”×7-5/8”×5-1/2”主要特點是可以用9-1/2”鉆頭鉆進下入7-5

12、/8”套管。,4、新增套管鉆頭系列方案,（2）20”×16”×11-7/8”×9-7/8”×7-5/8”×5-1/2”,4、新增套管鉆頭系列方案,（3）24”×18-5/8”×14”×10-3/4”×7-5/8”×5-1/2” 全井可以不使用偏心鉆頭。,（四）套管鉆頭數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫中已錄入套管數(shù)據(jù)294

13、8條，；鉆頭數(shù)據(jù)2079條，基本覆蓋了國內(nèi)鉆井需要的所有套管及鉆頭數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建了三個主要數(shù)據(jù)表。鉆頭數(shù)據(jù)表 內(nèi)容包括：廠家、類型、型號、 IADC編碼、尺寸、比鉆壓上限、比鉆壓下限、轉(zhuǎn)速上限、轉(zhuǎn)速下限、適鉆地層、特殊性能、備注等。套管數(shù)據(jù)表 內(nèi)容包括：廠家、外徑、內(nèi)徑、壁厚、線重、鋼級、長度、管體屈服強度、抗擠強度、管體抗內(nèi)壓強度等。套管接箍數(shù)據(jù)表 內(nèi)容包括：接箍類型、接箍外徑、抗內(nèi)壓強度、通徑、最大

14、上扣扭矩、最小上扣扭矩、最佳上扣扭矩、連接強度等。,（五）深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,重點考慮三個方面的內(nèi)容：1、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的基本鉆井地質(zhì)環(huán)境資料2、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)的確定3、設(shè)計方法,1、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的基本鉆井 地質(zhì)環(huán)境資料,地質(zhì)分層及地層巖性剖面地區(qū)鉆井事故統(tǒng)計剖面 卡鉆、坍塌、井漏、異常壓力等地層孔隙壓力剖面地層坍塌壓力剖面地層破裂壓力剖面,2、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)確定方法,（1

15、）抽吸壓力系數(shù)和激動壓力系數(shù)；（2）破裂壓力安全系數(shù)；（3）井涌允量；（4）壓差卡鉆允值。,準(zhǔn)葛爾盆地井身結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)抽吸壓力系數(shù)和激動壓力系數(shù)（ g/cm3 ） 0.04～0.06井涌允量（ g/cm3 ） 0.05～0.08破裂壓力增值（ g/cm3 ） 0.03～0.06壓差卡鉆允值 正常（Mpa） 18～20 異常（MPa） 23～25塔西南井身結(jié)

16、構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)抽吸壓力系數(shù)和激動壓力系數(shù)（ g/cm3 ） 0.05～0.07井涌允量（ g/cm3 ） 0.042～0.07破裂壓力增值（ g/cm3 ） 0.03～0.06壓差卡鉆允值 正常（Mpa） 18～20 異常（MPa） 23～25,3、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,（1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的約束條件 ρmax=max{(ρpmax+Sb),ρcmax+△ρ} 防噴、防

17、塌(ρmax-ρpi)×Hi×0.098≤△P 防卡ρmax+Sg+Sf≤ρfi 防漏ρmax+Sf+Sk×Hmax/Hi≤ρfi 關(guān)井時防漏,（2）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法1)對傳統(tǒng)設(shè)計方法的分析,傳統(tǒng)的設(shè)計方法是自下而上逐層確定每層套管的下入深度。每層套管下入的深度最淺，可使套管費用最少。上部套管下入深度的合

18、理性取決于對下部地層特性了解的準(zhǔn)確程度和充分程度。應(yīng)用于已探明地區(qū)的開發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理。對于深探井，由于對下部地層了解不充分，難以應(yīng)用這種傳統(tǒng)方法自下而上合理地確定每層套管的下深。,2)改進的設(shè)計方法,對深層鉆井，尤其是深探井鉆井來說，一般對所鉆地區(qū)深層的地層資料掌握不清，中心目標(biāo)是怎樣切實保證鉆達目的層，提高深探井的鉆井成功率。要提高成功率，就必須有足夠的套管層次儲備，以便一旦鉆遇未預(yù)料到的復(fù)雜層位時能夠及時封隔，并繼

19、續(xù)鉆進。目前國內(nèi)現(xiàn)行套管鉆頭系列所提供的套管層次有限，只能有兩到三層技術(shù)套管。希望上部大尺寸套管盡量下深，以便在下部地層的鉆進時有一定的套管層次儲備和不至于小井眼完井。,2)改進的設(shè)計方法,自上而下的設(shè)計方法：根據(jù)在裸眼井段安全鉆進必須滿足的壓力平衡約束條件，在已確定了表層套管下深的基礎(chǔ)上，從表層套管鞋處開始向下逐層設(shè)計每一層技術(shù)套管的下入深度，直至目的層位。套管下深根據(jù)上部已鉆地層的資料確定，不受下部地層的影響，有利于井身結(jié)構(gòu)的

20、動態(tài)設(shè)計。每層套管下入的深度最深。有利于保證實現(xiàn)鉆探目的，順利鉆達目的層位。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相結(jié)合，可以給出套管的合理下深區(qū)間。,3)設(shè)計舉例,井深：5430米，；表層套管下深505米。自下而上設(shè)計：技套下深1529米自上而下設(shè)計：技套下深4285米,（六）套管柱強度設(shè)計設(shè)計方法主要新增了三個內(nèi)容：1、以滿足外載約束條件的套管柱總成本 （最低）或總重量（最輕）作為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)。2、采用三軸應(yīng)力設(shè)計。3、考慮溫度

21、對套管柱載荷和強度的影響。,三、高效破巖工具,高壓水射流輔助破巖鉆頭 加長噴嘴鉆頭、空化射流噴嘴鉆頭PDC鉆頭FMG系列PDC鉆頭（刀翼式、具有自銳能力） 鉆頭尺寸：118mm----444mmFMD系列PDC鉆頭（定向、側(cè)鉆、造斜、扭方位）FMB系列PDC鉆頭（側(cè)翼擴眼、超出通徑1英寸）,四、深井小井眼鉆井技術(shù),小井眼窄間隙環(huán)空壓力計算配合井下壓力實測數(shù)據(jù)建立精確計算環(huán)空壓耗和波動壓力的計算模型。目前模型、算