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(diǎn)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(cè)技術(shù),一、深層鉆井的主要技術(shù)難點(diǎn),復(fù)雜地質(zhì)條件下深探井和超深探井的難點(diǎn)主要有以下三個(gè)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(diǎn)需要解決的問(wèn)題,（1）提高地層壓力和地應(yīng)力預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)的精度問(wèn)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(wèn)題。（3）一旦同一裸眼井段內(nèi)打開(kāi)兩套或更多套地層壓力系統(tǒng)后的有效處理問(wèn)題。（4）高陡構(gòu)造高效防斜問(wèn)題。（5）提高上部大尺寸井眼和深部井段鉆井速度問(wèn)題。（6）提高長(zhǎng)井段小間隙高密度條件下的固井質(zhì)量問(wèn)題。（7

3、）減少技術(shù)套管磨損和破裂后的處理問(wèn)題。（8）嚴(yán)重井漏、井塌、縮徑的有效處理問(wèn)題。（9）含硫氣井的安全鉆進(jìn)問(wèn)題。（10）高密度（大于2.0g/cm^3）,抗高溫(大于150C),抗污染鉆井液?jiǎn)栴}。,表1 我國(guó)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(guó)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(jì),目前國(guó)內(nèi)深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題套管與鉆頭系列單一設(shè)計(jì)目標(biāo)及方法有待改進(jìn)套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)需考慮溫度和三維受力問(wèn)題,1、國(guó)內(nèi)常用

4、深井超深井套管、鉆頭系列　 目前，我國(guó)深井、超深井鉆井中普遍采用的套管結(jié)構(gòu)程序?yàn)椋?0”—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(jìn)，11 3/4＂ 尾管采用無(wú)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(jìn)。9 5/8＂套管柱的上部用普通接箍的套管，進(jìn)入11 3/4＂尾管及以下井眼的套管為無(wú)接箍

6、套管。,2、國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(jī)起重能力套管接頭的連接強(qiáng)度套管的抗外擠強(qiáng)度,2、套管柱的軸向載荷計(jì)算,1、套管柱自重產(chǎn)生的軸向力計(jì)算2、井壁摩阻力的計(jì)算3、泥漿摩阻力的計(jì)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(jì)算 按套管內(nèi)全部掏空時(shí)的泥漿柱壓力計(jì)算；4、鉆機(jī)安全鉤載的計(jì)算

9、 API建議鉆機(jī)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(jì)算,計(jì)算方法鉆機(jī)最大鉤載條件下的可下入深度計(jì)算：套管接頭抗滑扣力條件下的可下入深度計(jì)算：套管抗擠強(qiáng)度條件下的可下入深度計(jì)算：,6、套管柱可下入深度的計(jì)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(guò)文獻(xiàn)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(wú)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(jì)新的套管鉆頭系列,2、套管與井眼間隙的研究間隙大小對(duì)鉆井的影響間隙過(guò)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(guò)?。汗叹|(zhì)量難以保證；不利于下套管作業(yè)；下套管的壓力激動(dòng)易壓裂地層。（1）、固井對(duì)套管與井眼間隙的要求（2）、波動(dòng)壓力對(duì)套管與井眼間隙的要求（3）、其它因素對(duì)套管與井眼

11、間隙的影響（4）、國(guó)內(nèi)外實(shí)踐過(guò)的套管與井眼尺寸配合,3、改進(jìn)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(jìn)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(diǎn)是可以用9-1/2”鉆頭鉆進(jìn)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(kù) 數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)內(nèi)鉆井需要的所有套管及鉆頭數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建了三個(gè)主要數(shù)據(jù)表。鉆頭數(shù)據(jù)表 內(nèi)容包括：廠家、類(lèi)型、型號(hào)、 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(jí)、長(zhǎng)度、管體屈服強(qiáng)度、抗擠強(qiáng)度、管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度等。套管接箍數(shù)據(jù)表 內(nèi)容包括：接箍類(lèi)型、接箍外徑、抗內(nèi)壓強(qiáng)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(qiáng)度等。,（五）深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,重點(diǎn)考慮三個(gè)方面的內(nèi)容：1、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)基本參數(shù)的確定3、設(shè)計(jì)方法,1、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)基本參數(shù)確定方法,（1

15、）抽吸壓力系數(shù)和激動(dòng)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(jì)基礎(chǔ)參數(shù)抽吸壓力系數(shù)和激動(dòng)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(jì)基礎(chǔ)參數(shù)抽吸壓力系數(shù)和激動(dòng)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(jì)方法,（1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)防漏,（2）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的分析,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(fèi)用最少。上部套管下入深度的合

18、理性取決于對(duì)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(kāi)發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。對(duì)于深探井，由于對(duì)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(jìn)的設(shè)計(jì)方法,對(duì)深層鉆井，尤其是深探井鉆井來(lái)說(shuō)，一般對(duì)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(shí)保證鉆達(dá)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(chǔ)備，以便一旦鉆遇未預(yù)料到的復(fù)雜層位時(shí)能夠及時(shí)封隔，并繼

19、續(xù)鉆進(jìn)。目前國(guó)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(jìn)時(shí)有一定的套管層次儲(chǔ)備和不至于小井眼完井。,2)改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,自上而下的設(shè)計(jì)方法：根據(jù)在裸眼井段安全鉆進(jìn)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(kāi)始向下逐層設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。每層套管下入的深度最深。有利于保證實(shí)現(xiàn)鉆探目的，順利鉆達(dá)目的層位。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，可以給出套管的合理下深區(qū)間。,3)設(shè)計(jì)舉例,井深：5430米，；表層套管下深505米。自下而上設(shè)計(jì)：技套下深1529米自上而下設(shè)計(jì)：技套下深4285米,（六）套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法主要新增了三個(gè)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(jì)目標(biāo)函數(shù)。2、采用三軸應(yīng)力設(shè)計(jì)。3、考慮溫度

21、對(duì)套管柱載荷和強(qiáng)度的影響。,三、高效破巖工具,高壓水射流輔助破巖鉆頭 加長(zhǎng)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(kuò)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(jì)算配合井下壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立精確計(jì)算環(huán)空壓耗和波動(dòng)壓力的計(jì)算模型。目前模型、算