现代钻井与油气井工程技术现状及发展趋势(中国地大)_图文


现代钻井与油气井工程
技术现状及发展趋势

中国石油大学(北京)
高德利
2006年10月19日,中国地大(武汉)





1. 旋转钻井及其特点 2. 油气井及其复杂性 3. 技术发展现状 4. 技术发展趋势 5. 结束语

1. 旋转钻井及其特点

钻井,是围绕 井的建设而实 施的资金和技 术密集型工程 。在若干具有 战略或社会重 要性的应用领 域,钻井是关 键技术。

钻井的主要用途
政府,工业界,大学 NADET (美国计划) 1. 2. 3. 4. 地下资源勘探开发 环境监测与治理 掘进与浅层开发 地球科学研究 钻井与掘进 1. 2. 3. 4. 煤炭生产 一次和二次矿采掘 就地开采系统 油页岩经济生产 矿业生产 1. 2. 3. 4. 现代化运输系统 供电和通讯 供水和污水排放 废物安全存放等

城市基础设施与建筑

中国钻井简史
? 中国钻井史年代划分
– 中国古代钻井:公元前?1840年; – 中国近代钻井:1841年?1948年; – 中国现代钻井:1949年?2000年; – 中国21世纪钻井:2001年开始。 – 中国古代钻井:创造了辉煌历史(绳索顿钻) – 中国近代钻井:由领先沦为落后(旋转钻) – 中国现代钻井:奋起直追,逐步缩小差距 – 中国21世纪钻井:期望第二次走向辉煌

? 中国钻井史的特点:

钻井方式及其选择
转盘(或顶驱)驱动旋转钻井方式:
由钻头、钻铤及稳定器等组成的BHA 带井下旋转导向工具的BHA

井下动力钻具旋转钻井方式:螺杆钻具、涡轮钻具、 电动钻具。 井下动力与钻柱复合驱动旋转钻井方式(双驱) 特殊工艺旋转钻井方式:欠平衡钻井、套管钻井、 连续管钻井、膨胀管钻井等。 冲旋钻井方式(空气锤钻井等)

典型的旋转钻井系统

井下动力钻具组合

轨迹控制理论

冲击旋转钻井
冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井钻 头上部接一个冲击器。冲击器(有液动 冲击器,气动锤等)是一种井底动力机 械,依靠高压钻井流体,推动其活塞冲 锤上下运动,撞击铁砧,并通过滑接套 传递给钻头,钻头在冲击动载和静压回 转的联合作用下破碎岩石。 冲击力不同于静压力,它是一种加载 速度极大的动载荷,作用时间极短,岩 石中的接触应力瞬时可达最大值并引起 应力集中,岩石不易产生塑性变形,表 现为脆性增加,岩石易形成大体积破碎, 提高钻井速度。

空气锤钻井及其防斜特性

空气锤结构简图
从破岩机理来看,空气锤钻井主要依靠空气锤活塞对钻头的高 频冲击作用破岩,而不需要采用大钻压迫使钻头吃入地层破岩。 因此,在实际钻井作业中,空气锤钻井技术是采用低转速 (20?30rpm)、小钻压(5?10kN)及高频震击破岩方式的钻 进技术,既能有效满足井斜控制要求,又能大幅度提高机械钻 速,是一种比较理想的防斜打快钻井技术。

钻井的学科特点
1. 实钻地层:储层及非储层。 2. 钻井管柱:钻柱、套管柱等 3. 钻井流体:化学和力学问题。 4. 机械装备、仪器仪表等。

钻井的学科特点
? 关键技术:
–轨迹控制技术(定向控制中靶点) –井眼稳定技术(井眼稳定保安全) –高效破岩技术(快速钻进降成本) –储层保护技术(储层保护效益见) –(固井、完井)

? 理论基础:力学、化学、工程地质等 ? 技术实现:必须借助于“材料、机械、信息、测 量与控制”等多学科领域的技术支撑。

“钻进间断”影响旋转钻井效率
造成“钻进间断”主要因素如下: 多层次井身结构; 接单根、换钻头; 井下钻具失效; 更换底部钻具组合、纠偏作业; 井眼失稳:漏,喷,塌,卡,阻; 非随钻测量,人工开环控制等。

2.油气井及其复杂性
油气井,是人类勘探与开发地下油气资源必不可少 的信息和物质通道。在世界范围内,探井费用占油 气勘探总成本的55%~80%,开发井费用占开发总成 本的比例也越来越高。 油气井工程,是围绕油气井的设计、建设、测量、 使用与维护而实施的资金和技术密集型工程,包括 钻井、完井、测井、测试及修井等主要作业。 它不仅是贯穿于油气勘探与开发全过程的关键环节, 而且还对地热、煤层气等地下资源的勘探开发以及 地球科学钻探等工程具有重要的实际意义。

2.1 复杂结构井及其应用
(加拿大用来开发稠油,15th WPC,1997)

? 加拿大采用多分支井

高效开发稠油油藏

丰富多彩的分支井技术

采用多分支井开采煤层气(美国CDX公司)

多分支水平井投影图

中国第一口煤层水平多分支井

DNP02井实钻井身剖面结构图 中国第一口煤层水平多分支井,位于山西沁水盆地,煤层中 水平井眼总长度 7687m,共13个分支,由奥瑞安国际能源公 司于2004年11月完成。煤层气稳定产量达到2万m3/日 。

中国第二口煤层水平多分支井
12 1/4”钻头×86m 9 5/8”套管×85m 8 1/2” 钻头 ×950m 7”套管×948m

6”钻头×2000m(裸眼)

8 1/2” 钻头×988m 7”套管×986m

8 1/2” 钻头 ×950m 7”套管×948m

设计轨迹 实钻轨迹

武M1-1井设计井身结构
Leg9 Leg7 Leg5 Leg3 Leg1 main Leg2 Leg4 Leg6 Leg8 Leg10 洞穴

武M1-1井设计与实钻井身结构对比

中国第二口煤层水平多分支井, 位于山西宁武盆地,总进尺 7993 m, 共 10 个分支,由中石 油于2005年10月建成。

武M1-1井身结构水平投影图

大位移井的定义
井 底 垂 深

HD/TVD>2 MD/TVD>2

TVD TVD

井底水平位移HD

大位移井主要用途
可高效开发海洋边际油田;可实现“海 油陆采”;可开发湖泊上的油气田。 用大位移井技术维护国家海洋权益。 滩 海

水平井及其定义

阶 梯 式 水 平 井
阶梯式水平井,即在一口井中设计 两个水平目标段,且两个水平段呈 阶梯状分布于不同储层。胜利油田 先后钻成临2-平1、草古100-平5以 及新疆 LN10-H1 和 TZ16-12 等 阶梯 式水平井(深井)。

7m 300m

MD5206m

2.2 复杂地质条件下深井超深井等
?自然造斜严重 ?井眼失稳严重 ?深部地层难钻 深井:4500m?6000m 超深井:>6000m

塔里木山前构造复杂深井工程

塔里木深井防斜打快技术现场试验
?2005年11月15日起 钻甩PowerV系统,下 入16″钻头和大钟摆钻 具组合穿吉迪克组底 部砾岩,到11月8日钻 至2497米,钻穿吉迪 克组底部砾岩。 ? 防斜打快技术的试 验井段为苏维依组E23s和库姆格列木群E12km上部泥岩段,井 深从2497米到3020米 (设计)二开完井。
图4-1 KL2-6井深结构示意图

KL2-6井防斜打快技术现场试验效果
累计进尺334米,累计钻 时172小时,平均机械钻 速接近2米/小时。

高危气井
针对气藏:
? 富含H2S(如罗家寨气田、普光气田等) ? 高温高压和富含CO2的气藏(如南 海莺琼盆地等) ? 深层超压气藏(如塔里木克拉2气田) ? 高压凝析气藏(如塔里木牙哈气田)
2.16

泥 线 90m 30" 20"

16"

13-3/8"

2.18

在建井及生产作业中: ? 难度最大 ?风险最高 ?花费昂贵 ?寿命较短

10-3/4"

2.3 9-5/8"

某高温高压气井井身结构

2006年4月30日0:00时开钻,70135ZY钻井队
3)二开: 井眼直径(mm):314.1 所钻深度(m):4152 套管外径(mm):273.1 套管下深(m):4150 水泥返高(m):地面 4)三开: 井眼直径(mm):241.3 所钻深度(m):6222.99 套管外径(mm):177.8 套管下深(m):6220 水泥返高(m):地面 1)导管:

典 型 的 高 危 气 井

井眼直径(mm):660.4 所钻深度(m):20 套管外径(mm):508 套管下深(m):20 水泥返高(m):地面 2)一开: 井眼直径(mm):444.5 所钻深度(m):502 套管外径(mm):339.7 套管下深(m):500 水泥返高(m):地面

(预算1.2亿RMB,油层套管底部500m为 不锈钢管,每米超过4万元RMB)

普光气田P4-2开发井的井身结构

高温高压气井钻井风险很大
异常高温超压天然气可谓“气老虎”,对开发工程造成极大威胁。 这类气藏开发难、风险高、周期长、费用高。 南海崖城21-1构造:1990-1991年相继报废崖城21-1-1井和崖城 21-1-2井(设计深度4580m),造成1.6亿元的直接损失;两年 后又钻崖城21-1-3井,钻至井深4680m完钻(钻井液密度 2.33g/cm3,井底温度206℃),但钻井时间长达268天,钻井费 用1.3亿元(不包括完井测试费)。 柯深1井:实钻井深6481米,钻井周期1002天,花费超亿元, 但在测试时又因HTHP效应使管柱失效而报废(1996上半年)。 塔里木迪那2井:2001年4月30日钻至4800米遭遇高压(压力系 数2.13)而失控,发生严重的井喷着火事故,造成1人死,3人伤,钻 井设备化为灰烬,损失惨重,处理事故2个月.

深水钻井技术发展较快

世界近海钻井开始于1938年,40年后钻井水深达到600m,又经 过15年达到600m,此后4年增加到900m,2年后达到1200m,其 后几个月就发展到2100m。目前,钻井水深已超过3000m,并基 本上形成了一套完整的深水钻井技术与准备。

深水钻井及其技术难点
伸缩接头

① 超过500m水深的海洋钻井, 称为深水钻井。 ② 海洋石油天然气的勘探与开 发钻井工程,对深水钻井隔 水管等提出更高的要求。 ③ 深水钻井安全密度窗口较狭 窄,对井身结构设计及井眼 稳定技术提出挑战。 ④ 深水低温效应等。

球形接头

隔水管

球形接头 防喷器

深 水 钻 井 隔 水 管 漂 浮 技 术

深水表层设计与作业问题
海上浅水区的表层套管作 业通常采用钻孔、下套管 后固井的作业方式。 在深水区,由于海底浅部 地层比较松软,常规的钻 孔/下套管/固井方式不再 适用。 国外深水表层钻井作业, 通常采用“Jetting in”的 方式,即:在导管柱( 36″或30″)内下入带马 达的钻具组合,利用管柱 (导管和钻铤)的重量,边 开泵冲洗边下入导管。

荔湾3-1-1井,井位水深1480米

Sb

Sa

荔湾3-1-1井地理位置

直升机单程时间: 2 小时 工作船单程时间:24小时

深水双梯度钻井及井身结构

双梯度钻井概念

不同钻井工艺条件 下的深水井身结构

深水变梯度钻井技术与井身结构

盐膏层钻井卡钻及挤毁套管
? 盐膏层缩径卡钻及挤毁套管 的力学机理研究 ? 钻遇岩膏层的油田:中原、 江汉、塔里木、胜利等国内 油田,哈萨克斯坦、乌兹别 克斯坦等国家的一些油田。
盐膏层 套管 水泥环 套损区

井 眼 缩 径 卡 钻 挤 坏 套 管

油田套损井日益增加
? 全国油田的套管损坏井累计超过3万口, 每年损失数十亿元RMB,同时严重影响了 油田的正常生产。
套管损坏机理

套管强度降低

强度不能 克服外力

外力变化

管材腐蚀

套管磨损

温度

外力分布

外力大小

3. 技术发展现状
油气井:
定向井 水平井 多分支井 大位移井 深水井 小井眼、微小井眼 深井超深井 高温高压井 高危气井 单一井眼

钻井:
转盘与顶驱 井下动力钻井 连续管钻井 套管钻井 欠平衡钻井 旋转导向钻井 膨胀管钻井 旋冲钻井 “无排放”钻井 小井眼钻井

完井:智能井、井下分隔。

油气井工作寿命经济学
井的废弃
储层改造及井的维护

花费 花费

油气生产、集输等 井的建设及测量

收益
花费

井的优化设计

花费

例如:油气井设计与使用寿命预测
地质条件,井眼工程目标约束等

参数设计与控制

钻井安全性

固井质量

完井安全性

注采安全性

系统的安全可靠性

油气井安全使用寿命预测

新型高抗挤套管与复合管柱技术
(2005年度国家科技进步二等奖)
5. 5 "L C 10m ±0 .5m

色环 3圈

5 .5 " B C 5 .5 "

A
盐岩层

A
6"BC
色环2圈

6" 5 . 5" 油层

B

6" B C

B
±0 .5m

A
5. 5 " BC
色 环1圈

6" 5 .5 "

B

5 . 5" L C

套 管 柱 四次 转 换 连 接 示 意 图

1.套管柱载荷预测:为新型套 管研制提供科学依据。 2.复合管柱优化设计: 使套管 设计达到“既安全又经济” 3.研制非API标准高抗挤套管新 产品:应用于复杂地层井段 4.独创设计与制造新型转换接 箍:安全可靠地连接套管 5.对新型管材综合 性能 进行评 价:为油田应用提供依据

1 0m

垂深:2160.00 ~ 2360.00 m 盐膏层使用TP130TT套管 垂深:2950.33 ~ 3169.64 m

钻井与油气井工程发展现状

约束条件:实钻地层、 钻井深度、水平位移

By 斯伦贝谢 Anadrill 公司

3.1 深井和超深井及其技术现状
深井:4500?6000m;超深井:>6000m。 西部自然条件: – 山前构造、高陡构造 – 油气埋藏深、高温高压等 – 地面环境恶劣 油气藏特殊: – 深层HTHP油气藏(塔西南、克拉2)、深层高压凝 析气藏(牙哈等)、碳酸盐岩裂缝性气藏(四川)等 技术挑战: – 地下环境的复杂性及其不确定性问题 – 钻井过程控制:安全、质量、速度及成本等

复杂深井油气钻探难度很大
山前构造-地下环境的复杂性及其不确定性:地 应力、地层压力、各向异性、可钻性、理化特性、 不稳定性等地层特性十分复杂和异常。 给油气钻探造成极大困难:钻井事故多、速度慢、 质量差、效益低(成本高),严重制约了油气勘 探开发的步伐。 例如:6000米左右的深探井,建井周期超过2年, 每米成本超过1万元,甚至无法钻达目标。 山前构造深层油气钻探,也是一个世界性难题。

例如:塔里木深井、超深探井
考核指标 井深(m) 7000-8000 钻井周期 (年/口) 1.5-2 井号 塔参1 柯深101 6000-7000 1-1.5 秋参1 大北1 迪那11 5000-6000 4000-5000 8个月-1年 却勒1 克拉203 克拉204 完成情况 完钻井深 (m) 7200 6850 6402.4 6018 6050 5700 4050 4050 钻井周期 (天) 647.48 438.56 542.67 555.56 327.21 207.45 149.54 143.81 备注 达到 达到 达到 达到 达到 达到

亚洲最深探井-塔深1井
塔深1井:设计井深8000m,完钻井深8408m。 钻井队:中国石化集团华北石油局西部工程公司 90152HB钻井队。 钻机:E-3000型9000m钻机 开钻时间:2005年4月18日 完钻时间:2006年7月12日凌晨2:30时 取心收获率:70% 三大难题:钻遇中上奥陶系碳酸盐岩缝洞发育区放空漏 失;目的层高温高压对钻井液和水泥浆提出的高要求; 国内首次将φ273.1mm无接箍套管下深达5481m。

3.2 大位移钻井技术及其应用
20世纪90年代历年大位移井的世界纪录
完成 时间 1999年 1998年 1997年 1995年 1994年 1993年 1991年 1990年 水平位移 (m) 10728 10114 8063 8035 7853 7290 6086 5006 测量深度 垂深 水垂 (m) (m) 比 11287 10656 9238 8715 9327 8716 7250 6200 1637 1650 2986 1607 2760 2788 2696 2698 6.55 6.13 2.7 5 2.85 2.6 2.26 1.86 作业者 BP BP 中海油联合 Phillips BP Statoil Statoil Statoil Statoil 井 号 M-16Z M-11Y XJ24-3-A14 M5 30/6C-26A 33/9C-2 33/9C3 33/9C10 地区 Wytch Farm Wytch Farm 中国南海 西江油田 Wytch Farm 挪威北海 挪威北海 挪威北海 挪威北海

南海西江 大位移井
西江油田位置图

西江24-3平台

欲开发的西江 24-1油田位于 香港东南方向 约130公里处, 是一个距西江 24-3平台8.2公 里处的卫星式 边际油田。

13 0

西江24-3、西江24-1 H4D深度构造图

第1

口E

RW :

1985年,西江24-1-1X井 钻 遇10个油层,发现西江24-1 油田,探明储量460万方.
水平 位移 806 3 /垂 深

1984年,发现了 西江24-3油田

298 6

/斜

深9 238

采用任何常规方法对西江24-1油田进行开发都没有经 济价值,致使该油田被搁置了10多年。 随着我国石油供需矛盾不断加剧,如何尽快高效开发 西江24-1油田,就变成了一个重大的技术难题 。 本项目研究和应用大位移井技术解决了这个难题。

南海西江大位移井
水深100米

大位移井

2850米
西江24-3油田

8063米
西江24-1油田

南海西江大位移井设计与实钻数据一览表

流花11-1油田大位移井开发
Shekou

CHINA
Z ha nj ian g

HO NG KONG
L u fen g 13 -1 ( J HN ) P S CA 17/22

Hui zh ou 26- 1 & 21 - 1 (A CT) X iji ang 24-3 & 30- 2 ( P hil lips)

L uf e n g 22- 1 (Statoil)

W e izhou 1 0-3 (CONHW )

H uiz h ou 32-2 & 32- 3 ( AC T) L iuh u a 11 -1 ( Am oco )

Ar co

Ga

20 00

sl

in e

Beibu Gulf

So uth China Sea
C hina

HAINAN ISLAND
yM na m

Taiwan

L ao s S ou th Thail and
Cambo dia

Sanya
18 00
Ya che ng 13 -1 (A rc o)

* 250 km SE of Hong Kong * W ater Depth - 329 m

ra

Ch ina S ea

油田于1987年发现,是中国南海东部海域地质储量最大的深水稠油油田,位 于香港东南130海里,所在海域水深约300多米。1996年3月29日油田建成投 产。油田是CNOOC和BP-AMOCO联合开发。 2003年7月,由CNOOC接管油田全部权益,成为中海油深圳公司第一个自 营油田。该油田共有25口生产,目前产量约21000桶。
108 00 11 0 0 0 112 00 0 114 00 75 k m
L F/A950414 TC

Vie tn

am

G ulf of T haila n d

P hil ip pine s

流花11-1油田设施示意图

FPS至FPSO距离= 1.5 miles

① 浮式生产钻井平台 ② 电潜泵水下系统 ③ 浮式生产加工处理 与储存系统 ④ 外输原油系统

流花大位移井实钻数据
项目分类 不同井眼的 深度(m) 30" 17-1/2" 12-1/4" 8-1/2" 井深(m) 井底垂深(m) 水平位移(m) 水垂比 造斜井段长度(m) 最大井斜 (? ) 17.5"井眼造斜率(? /30m) 开钻日期 投产日期 弃井周期(天) 钻井周期(天) 完井周期(天) 建井周期 (天) 完井方式 A2ERW1 399 1103 4587 5492 5492 1210 4802 3.97 660 84 3.8 2002-11-6 2003-1-20 9.40 51.30 14.80 75.50 8-1/2"裸眼 D5ERW2 398 1073 3581 4359 4359 1219 3667 3.01 658 80 3.6 2003-4-17 2003-6-30 7.00 60.80 5.90 73.70 8-1/2"裸眼 A4ERW3 398 1036 4560 5393 5393 1213 4714 3.89 625 83 4.0 2004-3-12 2004-5-1 7.34 33.77 8.93 50.04 8-1/2"裸眼 B3ERW4 399 1036 5452 6300 6300 1229 5634 4.58 559 82.5 4.4 2004-5-5 2004-7-4 7.38 40.58 12.03 59.99 8-1/2"裸眼 C1ERW5 397 1047 5041 5900 5900 1237 5185 4.19 640 83 3.9 2005-3-3 2005-5-13 23.31 38.34 9.78 71.43 8-1/2"裸眼

流花11-1油田生产曲线
流花11-1油田生产曲线
90000 80000 70000
油田产量(stb/d)

100 90 80 油田日产油量 油田含水率 累积产油量
含水率(%),累积产油量l(mmstb)

60000 50000 40000 30000 20000 10000

A4ST1 B3ST1 A4ST2 B4ST1 C7ST1 C2ST1

70 60 50 40 30 20

B3ERW4 B6ST1 C2ST2

A6ST1

A2ERW1 0 Mar-96 Mar-97 Feb-98 Feb-99 Feb-00 Feb-01 Feb-02 Jan-03
时间

A2ST1

D5ST1

D5ERW2

B5ST1

10

A4ERW3 C1ERW5
Jan-04 Jan-05 Jan-06

0 Jan-07

3.3 特殊工艺钻井技术
欠平衡钻井技术:所谓欠平衡钻井,就是人 为地使井内流体的流动压力低于地层孔隙压 力的钻井方式。在钻进过程中允许地层流体 进入井内,循环出井,并在地面得到控制。 套管钻井技术 连续管技术与油气井工程 膨胀管技术与油井气工程

3.3.1 欠平衡钻井的概念及优点
?P = a ? tan{π [( S R / S R 0 ) /( S R max / S R 0 )] ? c} + b
压力差对岩石 欠平衡钻井有利于发现低压 强度的影响 储层,避免对储层的损害, 并且能够提高机械钻速,降 低钻井费用,还可减少储层 增产作业等。

井底压差

0

1

岩石强度

ARS

3.3.2 套管钻井技术
CASING DRILLING?
A NEW DRILLING PROCESS
? REDUCING COSTS ? ENHANCING PRODUCTION
The Drilling Innovation Company?

7" 8 7/8"

Sealing Formation

Damaging Formation

4" 8 1/2"

Casing

Reservoir

Drillpipe
Sept 2004

钻井发展史
CABLE TOOL 1850 – 1930 Batch Process CONVENTIONAL DRILLING 1901 –Today 1909- Hughes Invented Rotary Rock Bit CASING DRILLING 1998 – Future Tesco Patent 1995

Rock Destroying Hole Cleaning Tripping Case Hole

slow slow FAST AFTER DRILLING

FAST FAST slow (1000’/Hr) AFTER DRILLING

FAST FAST FAST (1000’/Min) WHILE DRILLING

DOWNHOLE TOOLS (井下工具)
Wireline Retrievable BHA
Running & Retrieving Tool Drill Lock Assembly (DLA) Torque Tool Axial Locks Locks Locator Mud Motor, Directional Tools or Logging Assembly Underreamer
as required

Bit

Casing Drilling Assembly
Connection Ring Wear Band Casing Casing Profile Nipple Centralizers as req’d Casing Underreamer Bit Shoe

Drilling Engineering
? Complete review of well program
– – – – – – – – – Casing Design Casing Connections Bits, Mud, Cementing Programs Directional Program Hydraulics Well Control Torque and Drag Analysis Fatigue Buckling and Wear

套管钻井中套管柱的力学行为特征
水力载荷 作业参数 机械载荷 管材特性 扭矩/摩阻 接头结构 管柱屈曲 油井设计 应变应力 井眼几何参数 弹性载荷极限 疲劳? 磨损? 振动?

3.3.3 连续管技术与油气井工程

连续管钻井的主要设备
Injector head Control cabin BOPs

Power pack

Reel

连续管注入头

连续管注入头

Inside tension Outside tension Load cells

Stuffing box

Coiled Tubing Evolution
Wall SizesSize Issues Wall SizesSize Issues CT CT
?? 0.095” Flow Friction Annular Annular 0.095” ?? Mobilization &Flow Friction Mobilization & 0.102” ?? 0.102” Conditions Force Handling Conditions Force Handling 0.109” 0.109” ?? 0.125” Life Fatigue ?? Equipment: Life Fatigue Equipment: 0.125” Cost -- ?? 0.134” chains Injector chains Cost Injector 0.134” 0.156” -- goose-neck rollers 0.156” goose-neck rollers 0.175” 0.175” -- stripper rubbers stripper rubbers 0.188” 0.188” and bushings and bushings 0.203” 0.203” -- BOP components BOP components 0.225”
0.225” 0.250” 0.250” 0.080” 0.080” CT Size Issues Rates ?? 0.087” /Issues Pump Circulation CT Size /Circulation Rates Pump 0.087”

12.7 mm 19.1 mm 25.4 mm 31.8 mm 38.1 mm 44.5 mm 50.8 mm

1/2″ 3/4″ 1″ 1 1/4″ 1 1/2″ 1 3/4″ 2″

60.3 mm

2 3/8″

73.0 mm

2 7/8″

88.9 mm

3 1/2″

连续管钻井的底部钻具组合

定向时的最大扭矩: 3-1/8″ 定向器:720 Nm 3-3/4″ 定向器:1320 Nm 定向时的最大造斜率: 3-1/2″ 井眼:18.5?/100ft 4-3/4″ 井眼:35?/100ft

最大流量: 3-1/8″定向器:450l/min 3-3/4″定向器:650l/min 最高温度:150℃ 最大含砂量 1%

最大静液压力:10800 psi 压差:4300 psi

3.3.4 膨胀管技术与油气井工程
工程应用:
Casing/Tubing Clad 套管/ 油管包层 -

钻井 完井 修井

- 单一井眼 -

单一井眼

Expandable Liner & hanger 可膨胀尾管和悬挂器

Expandable Slotted 可膨胀割缝筛管 Sand screen Tubing/Casing 油管/套管补贴 Patch

裸眼包层堵漏及 防止泥页岩失稳

Open-hole Clad 裸眼包层堵水
- water shut -off

塞堵遗弃井段 Abandonment plug

可 膨 胀 的 割 缝 管 实 体 管 及 波 纹 管

膨胀管钻井工艺

Drill Hole

Run Expandable Liner

Condition mud, cement liner

Expand Liner

Expand Hanger Jt

Mill Out Shoe

Surface BOP on Floating Drilling Rig: Expandables Enables targets to be reached with Slim design
$350-450k/day rigs $100-150k/day rigs

Conventional Subsea drilling

Surface BOP drilling

Sea Level 13-5/8” Surface Stack

21” riser string 18-3/4” Subsea BOP Seabed

casing/riser Subsea shut-off device. Drill Through Xmas tree for development wells

Optional SS Wellhead

Wells Conference 2000

81

膨胀尾管悬挂器系统

相对于传统的尾管悬挂器和上封隔器,膨胀尾管悬挂器技术提供 了一种简单的、低成本的技术方案。

套管补贴技术

利用这一技术可 在射孔、破裂套 管、腐蚀孔和管 子泄漏处实现修 补或永久密封, 通过补贴使受损 套管恢复正常 。
套管 膨胀机构 上密封

套损部位

下密封

管鞋

3.4 旋转导向钻井技术
(AKO导向马达)
可变径稳定器

滑动导向控制

旋转导向控制

Θ

旋转导向钻井系统
钻头 旋转导向工具 稳定器 伽 玛 电阻率 工程参数 柔性短节 MWD

旋转导向钻井系统

偏置力

技术方案: ?推靠式(push the bit) ?指向式(point the bit)

a.

推靠式
偏置力

b.

指向式

推靠式

指向式

推靠式和指向式旋转导向工具钻井轨迹的质量对比

旋转导向机构 ( Geo-Pilot系统)

旋转导向机构
( Auto Track RCLS系统) 系统

Integrated BHA Concept
Steering Unit Near Bit Inclination AutoTrak X-treme Motor Annular Pressure Gamma Ray Resistivity Directional Vibration Two-way Telemetry Unit

Rotational Densitiy

Caliper Corrected Neutron (Porosity)

Acoustic Properties eXplorer

TesTrak Formation Pressure Tester

CSDP

旋转导向工具
( Power Drive SRD)

Power-V垂直钻井系统

4. 技术发展趋势
50’s 60’s 70’s 80’s 90’s 2000+

挑战: ? ? ? ? ? 深水 高温高压 环境安全 E&D效益 降低成本

水平井20430口 最大水平段达6118米 多底井总水平段长度达到11342米 大位移井最大位移10728米

先进技术: ?水平井 ?大位移井 ?多分支井 ?欠平衡钻井 ?地质导向钻井 ?顶部驱动装置 ?膨胀管技术

不断挑战钻井极限
地球的主要分层

“上天、入 地、下海、 登极”,是 人类征服大 自然的四大 壮举。
挑战“入地、下海”的钻 井极限,向着垂直更深 及水平位移更大的地下 目标进军。

向地球更深处钻探
大陆科学钻探 大洋科学钻探 超深部油气资源的钻探与开采(据“无机生油 理论”,其源岩深埋在地下100?300km) 地热资源的开发利用 地下其它资源的钻探与开采

井身结构的重大革新
Conventional Well Plan
36" 26" 20"

16"

13-3/8"

11-3/4" 9-5/8"

7" 5-1/2” TD =???

Solid Espandable Tubular Technology, JPT, June 2002

挑战大位移井延伸极限
LH4-1 LH11-1 LH11-1E LH11-2
LH 4-1 距LH11-1油田平台西北10km;LH11-1E 距LH11-1油田 平台东南15km;LH11-2 距LH11-1油田平台西南6km。

钻井的信息化与智能化发展
卫星通讯 钻机 计算机 地面发射器/接收器 双向通讯 公司办公室

智能钻井系统: ? 执行机构 ? 测量系统 ? 控制系统 ? 双向通讯

井下发射器/接收器 微处理器 传感器组(随钻测量) 可调接头 井下马达 钻头

井下测量与可视化计算
井下随钻测量系统 (DMWD)

几何参数测量 (井斜,方位,装置角)

地质参数测量 (伽马,电阻率,密度等)

力学参数测量 (钻压,扭矩,振动等)

几何导向钻进

地质导向钻进

参数优选控制

随钻测量技术
? 最先进的井下测量技术首推随钻测井; ? 当前,所有电缆井下测量能够实现的测量 功能,随钻测量都能够实现,测量内容包 括井下温度、压力、声电核等物理量; ? 随钻测量的最关键技术是遥测技术。

随钻地震(SWD)原理

Utilizing the bit as the source is generally ineffective in soft sediments, horizontal wells and while drilling with PDC bits.

井眼轨迹不确定 性及其可视化
现代测量工具主要 以固态传感器测量 地球自然场(重力 场、磁力场和旋转 场),与其相关的 独立误差源有: ?原始传感器误差 ?测量深度误差 ?磁偏角误差 ?磁干扰误差 ?磁化纠正误差 ?钻具组合下垂 ?不同轴误差

Sor = ( xo ? xr ) 2 + ( yo ? yr ) 2 + ( zo ? zr ) 2

地理北

地磁北

地磁北

? Declination is the angle from True North to Magnetic North. ? West Declination Magnetic North lies to the West of true North ? East Declination Magnetic North lies to the East of True North.

Earth’s Magnetic Field
? The MWD tool’s relationship with the earth’s
magnetic fields is dependent on its orientation and inclination.
East HH Magnetic North DIP HV inc Projection of Z axis in the N-E plane y -g GTF - highside x G gravity

HT

scribeline

z

Downward Continuation
A real example – effect of downward continuation 4 km ~ max drilling depth

declination inclination total intensity surface -0.497 -0.035 -56.2 depth 4 km -0.751 -0.026 -68.6 difference 0.254 -0.009 12.4
(declination and inclination in degrees, total intensity in nT)

智能钻杆
(IntelliPipe system)

美国的长期研发计划
? 美国研究与开发计划—The National dvanced Drilling & Excavation Technologies(NADET): (1)预期在岩石破碎、井眼净化及井眼稳定等方面 有所革新;(2)在钻头、岩石和井眼的测量与评价, 以及定向控制等方面有所革命。 ? NADET的核心——井下智能钻井系统:执行机构(好 象人的手)、测量系统(好象人的眼睛)及控制系统 (好象人的脑); ? 井下智能钻井系统的最终发展目标:是“井下钻掘机 器人”。在这方面,美国、英国、德国等欧美发达国 家都在积极开展工作。

5. 结束语
复杂结构井、深井超深井、高危气井及特殊工艺钻井 等技术系列,在20世纪90年代已得到迅速发展与应用。 进入21世纪后,这些技术系列仍是油气资源勘探与开 发所需要的关键技术系列,并将得到进一步发展与提 高。与国外先进水平相比,我国在这些技术方面整体 上仍存在较大的差距。 油气井管材技术,是油气井工程中的核心技术之一, 直接影响工程的安全、质量、速度和效益。我国在智 能管、新型钻杆、膨胀管、连续管等方面的技术发展 现状,与国际先进水平存在较大差距。

结束语 (续)
钻井逐渐与录井、测井及地震等信息技术融 为一体,以有效地解决钻井过程中的不确定 性问题,从而可提高油气钻探与开发的效果 和效益,如LWD和SWD等技术即为典型例证。 随着材料、信息、测量与控制等相关学科领 域的发展,钻井与油气井工程技术不断朝着 信息化、智能化及自动化的方向发展,如旋 转导向钻井系统、智能完井等。

结束语(续)
应积极发展膨胀管技术,以便彻底革新井 身结构,推动油气井工程的技术革命。这 不仅能够大幅度提高石油工程效率和效益, 而且能够为不断创造人类“入地、下海” 的新纪录提供高技术支持。 继续研究与开发非API钻井管材,最大限 度地满足现实油气井工程的迫切需求。

结束语(续)
国外先进的自动垂钻系统,虽然可以在昂贵的复杂深 井和超深井垂直钻井工程中发挥有效作用,但目前的 技术水平仍在使用条件上具有一定的局限性,在实际 工作中应注意对其进行科学评估与合理选用。 针对我国复杂深井和超深井钻井工程中面临的严重井 斜和低效率等技术难题,应积极组织优势力量,从客 观(地层各向异性)和主观(垂钻系统)两个方面进 行技术攻关研究,以期尽快获得具有自主知识产权的 先进控制工具、科学计算软件及智能钻井系统等。 复杂深井的井眼稳定性及使用寿命也是关键问题。

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