鉆井工程新進展

1、鉆井工程新進展第一講高效破巖前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢一、破巖技術(shù)的基礎(chǔ)理論方面主要體現(xiàn)：巖石可鉆性的實時性和連續(xù)性測量與計算缺乏 深入研究；巖石研磨性的統(tǒng)一測量標(biāo)準(zhǔn)缺乏深入研究。二、國內(nèi)外高效破巖前沿技術(shù)1、長壽命、高效鉆頭：目標(biāo)是盡量延長破巖工具的壽命，提高破巖效率，減少起下鉆時間。 如新結(jié)構(gòu)鉆頭、牙輪&PDC復(fù)合鉆頭等。研究表明：不僅能減少起下鉆時間，降低成本，而且大幅度提高破巖效率。a.內(nèi)鑲多級齒PDC雙級鉆頭牙輪&PDC復(fù)合鉆頭：復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計特點：兩牙輪、兩刮刀鉆頭用于直徑較小的鉆頭，三牙輪、三刮刀鉆頭用于直徑較大的鉆頭。復(fù)合鉆頭的優(yōu)點1）復(fù)合鉆頭切削機理呈現(xiàn)多樣性，增加了鉆頭與地層的適

2、應(yīng)性，減少了起下鉆次數(shù)。在塑性 地層，復(fù)合鉆頭的機械鉆速是牙輪鉆頭的二至四倍。2）另外，鉆頭的PDC刮刀結(jié)構(gòu)顯著地提高了牙輪的滾動效果。相比傳統(tǒng)的PDC鉆頭，復(fù)合 型鉆頭扭轉(zhuǎn)振幅降低50%；3）其次，在單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)鉆頭的剪切滑動降為最低，提高牙輪的純滾動。這使復(fù)合鉆頭有 廣泛的操作窗口，大大提高了鉆頭的定向鉆進。PDC的燒結(jié)工藝：PDC與WC基柱之間的連結(jié)部分是PDC鉆頭的薄弱部分新工藝使連結(jié)強度增加，大大增加了鉆頭的使用壽命。e采用熱-機械整合方法設(shè)計PDC切削齒應(yīng)用熱-機械整合法，對PDC焊層與碳化物間界面幾何形狀進行優(yōu)選，大大降低了 PDC切 削齒的熱殘余應(yīng)力，提高了 PDC切削齒耐高

3、溫性，耐沖擊性和耐磨損性。PDC鉆頭新型切削齒設(shè)計-巖石接觸模型：新的切削齒-巖石接觸模型，考慮了三個面：切 削表面、斜面和圓柱面?？梢跃_計算每個切削齒上的應(yīng)力。 整體應(yīng)力和能量平衡法設(shè)計鉆頭冠部h.新型PDC水力結(jié)構(gòu)設(shè)計2、高效破巖方法：在現(xiàn)有鉆井破巖體系的基礎(chǔ)上，通過局部改造來提高鉆井破巖效率。高效破巖技術(shù)：1）粒子沖擊鉆井：與傳統(tǒng)鉆井技術(shù)相比，粒子沖擊鉆井技術(shù)主要有三項主要技術(shù)：注入系 統(tǒng)、回收系統(tǒng)、PID鉆頭。隨壓力的增加，破巖體積大幅度增加，加鋼粒的破巖體積是不加粒子的4倍多粒子從噴嘴高 速噴出后沖擊破碎巖石，產(chǎn)生環(huán)形巖脊。2）旋沖鉆井：旋沖鉆井就是在常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上加裝一沖擊

4、器組成旋沖鉆具，在旋轉(zhuǎn) 破巖的同時再對鉆頭施加一個高頻沖擊力，從而實現(xiàn)邊旋轉(zhuǎn)邊沖擊的聯(lián)合破巖鉆井技術(shù)。 結(jié)構(gòu)：鉆頭+沖擊器+鉆鋌+鉆桿+方鉆桿旋沖破巖技術(shù)研究方向分類：SHPB實驗空氣錘破巖泥漿驅(qū)動液動錘破巖3）超高壓噴射輔助鉆井：國外高壓噴射鉆井研究經(jīng)歷了 3個階段：地面全排量增壓 地面 局部排量增壓井下局部排量增壓4）共振鉆井3、無機械壽命約束的破巖方式a.激光破巖技術(shù)：激光破巖的主要原理是借助于激光的熱力作用使巖石破碎 優(yōu)點：設(shè)備 輕、鉆速快、不需要套管固井等 缺點：理論研究不徹底、經(jīng)濟成本較高、工藝待完善。三、高效破巖的發(fā)展趨勢高效破巖技術(shù)發(fā)展的要求：鉆井更簡便鉆速更快鉆井更安全鉆井更

5、低廉高效破巖技術(shù)：a.微波輔助破巖技術(shù)：微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波。微波能夠在巖石中形成縱深方向的熱輻射；導(dǎo)致巖石顆粒內(nèi)部顆粒間產(chǎn)生裂縫，降低巖石的強度；輔助機械破巖工 具破碎巖石，提高鉆井效率。兩種輸入能量組合的工藝有可能突破單用一種輸入能量時工 藝上的破巖極限。優(yōu)點：與常規(guī)鉆進相比，提高破巖速度2-4倍。建少工具磨損50%粒子沖擊鉆井PID：粒子沖擊鉆井PID的鉆井速度是常規(guī)鉆井的24倍。優(yōu)點：鉆頭磨 損小，縮短了鉆井周期；對防止井斜能產(chǎn)生顯著的效果；能有效地減小對設(shè)備沖蝕磨損的風(fēng) 險；局部瞬時脈沖應(yīng)力峰值足以破碎和侵徹極堅硬的巖石。缺：地面設(shè)備的工作可靠性較低 和使

6、用壽命較短。激光破巖：共振鉆井（RED）：共振鉆井是一項通過調(diào)節(jié)破巖工具沖擊頻率，配合以沖擊振幅及轉(zhuǎn)速， 使其達到與正在鉆進的地層裂縫傳播的“自然頻率”產(chǎn)生共振來實現(xiàn)高速破巖的鉆井提速技 術(shù)。等離子體破巖技術(shù)（RED）：等離子體破巖技術(shù)是利用沖擊波和巨大的脈沖壓力破碎堅硬 的巖石材料。四、當(dāng)前破巖技術(shù)的發(fā)展宏觀上分為三大類：一是在常規(guī)破巖體系的基礎(chǔ)上進行局部改造或改善，進而大幅度提高常規(guī)破巖方式的機械鉆 速，如鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新材料鉆頭、超高壓噴射輔助破巖等。二是在常規(guī)破巖體系的基礎(chǔ)上進行主要部件的改造，進而大幅度提高常規(guī)破巖方式機械鉆速 的新型鉆井方式，如粒子沖擊鉆井、共振鉆井三是徹底打破常規(guī)

7、破巖體系，重新研發(fā)出一套新的高效破巖體系，如激光破巖技術(shù)、等離子 體破巖技術(shù)等。第二講粒子沖擊鉆井研究進展一、粒子沖擊鉆井技術(shù)主要有三項主要技術(shù)：注入系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、PID鉆頭注入系統(tǒng)：粒子注入系統(tǒng)包括注入塔和機架。粒子注入系統(tǒng)進行研究的核心是將粒子如何連 續(xù)均勻的混入到高壓鉆井液中。為保證粒子均勻注入，粒子與鉆井液二次混合后和螺桿擠壓 機均勻擠入高壓管線?；厥障到y(tǒng)：粒子沖擊鉆井回收系統(tǒng)主要部件有：旋轉(zhuǎn)儲罐，環(huán)形分離器和磁鐵分離器。PID鉆頭：PID鉆頭主要有粒子噴嘴和切削齒組成，鉆頭底面的中部呈錐形地布置有切削齒， 能以低鉆壓和低扭矩方式破碎井底的環(huán)形巖脊，鉆頭外緣布置有保徑齒,以便切削井眼

8、周邊形 成規(guī)整的井眼形狀。粒子較佳的入射角度范圍應(yīng)在0 -20。之間。第三講套管鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用一、套管鉆井就是用標(biāo)準(zhǔn)油田套管替代鉆桿和鉆鋌而進行的鉆井。下套管與鉆井同時進行， 用套管給鉆頭傳遞機械和水力能量，在一個鉆井過程中同時完成鉆井與固井作業(yè)的一種鉆井 技術(shù)。二、優(yōu)點：（1）減少起下鉆的時間；（2）減少意外事件的發(fā)生。（如地層膨脹、井壁坍塌、 沖刷井壁、井筒內(nèi)形成鍵槽或臺階等）（3 ）節(jié)省與鉆桿和鉆鋌有關(guān)的采購、運輸、檢驗、維 護和更換的費用；（4）因為井筒內(nèi)始終有套管，也不再有起下鉆桿時向井筒內(nèi)的抽汲作用， 使井控狀況得到改善；（5）起下鉆時能保持泥漿連續(xù)循環(huán)，可防止鉆屑聚集，也減少

9、了井 涌的發(fā)生；（6）消除了因起下鉆桿帶來的抽汲作用和壓力激動；（7）改善水力參數(shù)、環(huán) 空上返速度和清洗井筒的狀況；（8）可以減小鉆機尺寸、簡化鉆機結(jié)構(gòu)、降低鉆機費用；（9）鉆機更加輕便，易于搬遷和操作。人工勞動量及費用都將減少；（10）鉆井成本將大 大下降。三、 解決的問題：（1水化膨脹地層問題 ；（2）坍塌層問題；（3 ）沖蝕問題；（4）抽吸問題；（5）套管磨損或鍵槽問題；（6）下測井工具和下套管問題。四、套管鉆井鉆機包括：分體式天車分體式游車鋼纜防噴器（集成于頂驅(qū)之中）套管操縱設(shè)備等。五、套管鉆井方式：表層套管鉆井方式的研究、油層套管鉆井方式的研究第四講超深高壓酸性氣田固井配套技術(shù)一、超

10、深高壓酸性氣田固井難題分析普光氣田是國內(nèi)最大的海相整裝高含硫天然氣田；面積：45. 58km2 ；探明儲量2516X 108m3 已經(jīng)高質(zhì)量地完成了主體開發(fā)鉆井完井工作，開鉆39 口，完井39 口，普光氣田已經(jīng)正式實 現(xiàn)供氣。固井面臨諸多技術(shù)難題，可概括為：“深”、“高”、“竄”、“漏”、“毒”、“窄”“深”：井深帶來封固長、高溫等固井技術(shù)難題普光氣田：一般在完鉆平均井深在5900m左右，井底靜止溫度在140-150C元壩地區(qū)：完鉆平均井深一般超過7000m左右，元壩3井完鉆井深7450m，井底靜止溫度在 150-170C“高”地層壓力高、鉆井液密度高（最高達到2.45g/cm3）、粘度高（大

11、于100s）口高密度鉆井液造成頂替難、泵壓高、水泥漿頂替效率低口高密度水泥漿設(shè)計困難，流變性和沉降穩(wěn)定性控制難固井溫度高口常規(guī)非滲透防氣竄劑、緩凝劑等抗溫能力一般只有120C左右，難以滿足高溫防氣 竄固井技術(shù)需求“竄”：由于氣體可壓縮，易膨脹，計算表明，其氣竄因子（GFR）達到710，防止固井后 環(huán)空氣竄難度大?！奥保撼Ｒ?guī)漂珠低密度水泥漿面臨高壓破碎密度升高，抗壓強度低且發(fā)展慢“窄一是環(huán)空間隙窄：技術(shù)難題：下套管難度大，泵壓高易漏失；采用無接箍套管，套管居中難；提高水泥漿頂替效率困難 二是安全密度窗口窄：技術(shù)難題：要壓穩(wěn)高壓氣層，就有壓漏低壓層的危險，壓穩(wěn)防竄和防 漏矛盾突出“毒，：酸性氣體

12、侵入水泥漿內(nèi)，對水泥漿性能產(chǎn)生影響，對凝固后的水泥石造成腐蝕，影 響其長期封隔效果。二、超深高壓酸性氣田固井配套技術(shù)封：研制開發(fā)了防竄防腐水泥漿體系；FSAM非滲透F防氣竄；DC20抗高溫膠乳防氣竄；防腐水泥漿體系堵：建立針對不同漏失井防漏固井技術(shù)；采用纖維水泥；采用堵漏型前置液壓：提出了分段壓穩(wěn)設(shè)計模型；平衡壓力固井設(shè)計方法；雙凝或多凝水泥漿體系快：提出“以快治氣”思路；主力氣層采用高早強水泥漿，有效防止早期氣竄；縮短過渡時 間新：引進了旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)；自研發(fā)抗CO2、H2S腐蝕的新型固井工具等，形成了超深 高酸性氣井綜合配套固井技術(shù)防竄防腐水泥漿體系研究（1）研制了防止CO2、H2S腐蝕

13、水泥石外加劑建立了腐蝕評價實驗室；開發(fā)了防腐外加劑和水泥漿體系（2）研制了 DC200新型抗高溫膠乳防氣竄水泥漿膠乳是一種聚合物懸浮體系；膠乳中聚合物膠粒的粒徑在0.050.5以m范圍-具有成膜和顆粒雙重防氣竄性能；提出新的“護膠”思路，解決了膠乳水泥漿敏感性 強的關(guān)鍵技術(shù)難題（3）研制開發(fā)了 FSAM高密度防氣竄水泥漿體系建立針對不同漏失井防漏固井技術(shù)不同漏失井防漏固井工藝：產(chǎn)層、含氣技套一一低密度水泥漿；纖維堵漏水泥漿；MS-R堵漏前置液漏層已知，具備條件一一分級固井漏失嚴(yán)重，堵漏無效一一正注反擠1）開發(fā)了新型耐壓低密度水泥漿體系DFS高強低密度水泥漿體系：耐壓，取代高抗擠漂珠，節(jié)約成本；

14、高早強可滿足超過60 r溫差要求2）開發(fā)了新型堵漏性前置液堵漏隔離液體系：易混拌，堵漏材料濃度高；可顯著提高架橋作用；可提高膠結(jié)質(zhì)量 提高沖刷泥餅效果；川東北、塔河油田等應(yīng)用40多口井，效果顯著；可用礦渣加重， 提高膠結(jié)質(zhì)量建立新型分段壓穩(wěn)設(shè)計模型原則：環(huán)空液柱壓力大于氣層壓力分段設(shè)計水泥漿，分段計算水泥漿失重值發(fā)揮領(lǐng)漿壓穩(wěn)作用，使尾漿與領(lǐng)漿的靜膠凝強度呈階梯狀發(fā)展采用前置液來優(yōu)化環(huán)空液柱壓力開發(fā)了 4種規(guī)格抗高溫、耐腐蝕固井工具和附件適合高溫高壓高含硫環(huán)境；適合非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)；提高固井工具的可靠性（1）研制開發(fā)了新型抗高溫耐腐蝕尾管懸掛器（2）研制開發(fā)了新型耐腐蝕小外徑雙級注水泥器（3）引進

15、了旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)取得了五個重要進展優(yōu)選出了適合超深高壓酸性氣田固井防竄防腐水泥漿體系建立了高壓氣井分段壓穩(wěn)以及窄密度安全窗口固井設(shè)計方法建立了適合不同低壓易漏失地層防漏固井技術(shù)方法研發(fā)出了適合川東北地區(qū)高壓氣井的新型防腐蝕固井工具初步形成了提高超深高壓酸性氣田固井質(zhì)量的固井配套技術(shù)第五講元壩地區(qū)鉆井提速技術(shù)研究一、元壩地區(qū)鉆井概述元壩地區(qū)是中石化天然氣增儲上產(chǎn)的重點區(qū)域。長興組臺緣礁灘相帶發(fā)育7個勘探目 標(biāo)，圈閉資源量5093億方，遠(yuǎn)景資源量為17700億方。目前勘探已獲重大突破即將進入開 發(fā)階段元壩地區(qū)完鉆井均為超深井最深井7450m （元壩3井）；最淺井6565m （元壩27井）；平均井

16、深7047.13m1、正鉆井的井深元壩地區(qū)正鉆井設(shè)計井深進一步加深，均為超深井：最深井深8158m （垂深7280m，元壩 121H井）；最淺井深6690m （元壩271井）；平均井深為7287.98m2、完鉆井的鉆井周期最長鉆井周期707d；最短鉆井周期284d；平均鉆井周期486d3、完鉆井的機械鉆速機械鉆速最高：蓬萊鎮(zhèn)組8.04m/h ；機械鉆速最低：須家河組0.52m/h二、元壩地區(qū)鉆井提速難點分析（一）自陸相至海相鉆穿多套地層，存在多個儲層，分布多套壓力系統(tǒng)，地層壓力差別大， 巖性變化大1）地層層序復(fù)雜2）壓力體系多，必封點多，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜3）氣體鉆井技術(shù)受陸相 地層穩(wěn)定性的制約（二

17、）陸相地層沙溪廟自流井須家河地層砂泥巖研磨性強，分布有礫石層，硬度高，地層壓 力高，可鉆性差1）沙溪廟自流井須家河地層的巖性特點2）沙溪廟自流井須家河地層硬度高，研磨性 強，分布有礫石層，可鉆性差，鉆頭選型困難3）自流井組須家河組地層壓力高， 鉆井液密度大，機械鉆速低（三）深部地層孔隙壓力變化大，循環(huán)壓耗大，鉆井參數(shù)優(yōu)化困難三、元壩地區(qū)鉆井提速技術(shù)1）建立了地層壓力剖面，形成了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)2）氣體/泡沫鉆井技術(shù)3）建立了巖性組分、可鉆性剖面，鉆頭類型優(yōu)選體系逐步完善4）孕鑲金剛石鉆頭+高速渦輪復(fù)合鉆井技術(shù)渦輪壽命300-800小時；鉆頭壽命大于200小時；減少起下鉆次數(shù)（常規(guī)鉆井3-5

18、趟 鉆，只需1趟鉆完成）；整體鉆井效率大幅度提高5）PDC鉆頭+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)：平均機械鉆速比常規(guī)鉆井提高近1倍。6）控壓/欠平衡低密度鉆井技術(shù)（1）鉆井液密度對鉆井速度影響規(guī)律分析口壓差越大，巖石強度越大，越難破碎口壓差增大產(chǎn)生壓持效應(yīng)，鉆速降低口減小壓差是提高鉆速的一種有效途徑機械鉆速隨著鉆井液密度的降低而增加低滲透性巖層壓差對鉆速的影響比在高滲透性巖層內(nèi)的影響更大鉆井液密度對鉆井速度影響規(guī)律分析：機械鉆速隨著井底欠壓差的增加而增加四、結(jié)論與建議結(jié)論：1、氣體鉆井技術(shù)是提高上部陸相地層鉆井速度的主要手段和鉆井方式；2、控壓/欠平衡低密度鉆井技術(shù)是提高下部陸相地層鉆井速度的主要鉆井方式，鉆

19、井 液密度的降低幅度是下一步優(yōu)化研究的主要任務(wù)；3、孕鑲金剛石鉆頭+高速渦輪和PDC+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)是陸相下部井段綜合提高鉆 井速度和強化鉆井參數(shù)的主要方式；4、深部井段應(yīng)大力推廣PDC+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)。建議：1、進一步在下部陸相地層采用控壓/欠平衡低密度鉆井技術(shù)，摸索鉆井液密度的降低 范圍，以期形成一套完善的低密度鉆井工藝技術(shù)方法；2、建議7 尾管不會接，提高深部鉆具組合、鉆井參數(shù)、水力參數(shù)的優(yōu)化空間，進一 步強化深部井段的鉆井參數(shù)。第六講吉林油田高含CO氣井防腐固井技術(shù)一、CO2腐蝕機理和評價方法研究油氣層中CO2處于液相超臨界狀態(tài)，密度可達500-800kg/m3，CO2可通過水泥石

20、中的連 通孔隙，在與水共存的強烈的酸性環(huán)境下，對水泥石和套管產(chǎn)生極強的腐蝕作用。通過研究分析，CO2對水泥石的腐蝕程度取決于CO2分壓和相對濕度，腐蝕機理主要有淋 濾、溶蝕、碳化收縮和高礦化度地層水協(xié)同作用，具體表現(xiàn)為：（1）CO2與水泥石表面的 堿性物質(zhì)反應(yīng)，降低其pH值，使水泥石表面疏松，為酸性氣體進入水泥石中提供通道。（2） CO2與水泥石中熟料礦物的水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成非膠凝性產(chǎn)物，降低水泥石的抗壓強度和 致密性，增加水泥石的滲透率。2、CO2的危害性CO2在適宜的濕度及壓力環(huán)境條件下會對油井水泥產(chǎn)生腐蝕作用降低水泥石的堿性，使水泥環(huán)強度下降而滲透率增大嚴(yán)重時導(dǎo)致CO2對套管產(chǎn)生點蝕、穿孔甚至生產(chǎn)油管的腐蝕斷裂滲透率變大，抗壓強度完全喪失，誘發(fā)流體竄流、塑性地層的井壁垮塌等事故3、防CO2防腐的途徑1）摻入特種功能材料，使水泥石始終保持適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境，消耗水化產(chǎn)物中易被CO2腐蝕 的物質(zhì)，2）增加水泥石的致密性，改善水泥石的韌性，提高水泥環(huán)與地層的膠結(jié)性能3）研究應(yīng)用非硅酸鹽（如磷酸鹽水泥）或其它非水泥固井材料5、CO2腐蝕的評價方法緩蝕系數(shù)：腐蝕一定齡期后水泥石抗壓強度與腐蝕前抗壓強度之比。適用于評價水泥石腐蝕 程度較高時。碳化深度：主要有酸堿指示劑呈色法、熱分析法和顯微分析法等。以酚酞和茜素黃R試劑作為指示劑。滲透率孔結(jié)構(gòu)：單位時間內(nèi)液體通過材料