深井钻井技术课件1.ppt

1、2023-1-18深井钻井技术(1)深井钻井技术深井钻井技术(1)深井钻井技术(1)主要内容主要内容 深层钻井的主要技术难点深层钻井的主要技术难点 井身结构设计井身结构设计 深井超深井套管、钻头系列深井超深井套管、钻头系列 不同尺寸套管下深能力不同尺寸套管下深能力 推荐的深井超深井套管钻头系列推荐的深井超深井套管钻头系列 套管、钻头数据库套管、钻头数据库 井身结构设计方法井身结构设计方法 套管柱强度设计套管柱强度设计 高效破岩工具高效破岩工具 深井小井眼钻井技术深井小井眼钻井技术 深井复杂事故监测技术深井复杂事故监测技术深井钻井技术(1)一、深层钻井的主要技术难点一、深层钻井的主要技术难点 复

2、杂地质条件下深探井和超深探井的难点主要有复杂地质条件下深探井和超深探井的难点主要有以下三个方面：以下三个方面：1、探井具有地质不确定性，新区第一口探井的地质不确、探井具有地质不确定性，新区第一口探井的地质不确定程度更大。定程度更大。2、现有钻井技术不完全适应复杂地质条件深探井钻井的、现有钻井技术不完全适应复杂地质条件深探井钻井的要求。要求。3、深井钻井主要装备技术性能差，比较陈旧。、深井钻井主要装备技术性能差，比较陈旧。深井钻井技术(1)克服技术难点需要解决的问题克服技术难点需要解决的问题（1）提高地层压力和地应力预测监测的精度问题）提高地层压力和地应力预测监测的精度问题（2）确定复杂地质条件

3、下深探井合理井身结构问题。）确定复杂地质条件下深探井合理井身结构问题。（3）一旦同一裸眼井段内打开两套或更多套地层压力系）一旦同一裸眼井段内打开两套或更多套地层压力系统后的有效处理问题。统后的有效处理问题。（4）高陡构造高效防斜问题。）高陡构造高效防斜问题。（5）提高上部大尺寸井眼和深部井段钻井速度问题。）提高上部大尺寸井眼和深部井段钻井速度问题。（6）提高长井段小间隙高密度条件下的固井质量问题。）提高长井段小间隙高密度条件下的固井质量问题。（7）减少技术套管磨损和破裂后的处理问题。）减少技术套管磨损和破裂后的处理问题。（8）严重井漏、井塌、缩径的有效处理问题。）严重井漏、井塌、缩径的有效处理

4、问题。（9）含硫气井的安全钻进问题。）含硫气井的安全钻进问题。（10）高密度（大于）高密度（大于2.0g/cm3）,抗高温抗高温(大于大于150C),抗污抗污染钻井液问题。染钻井液问题。深井钻井技术(1)表表1 我国复杂地质条件新区第一口深探井钻井情况我国复杂地质条件新区第一口深探井钻井情况深井钻井技术(1)表表2 美国复杂地质条件初探井钻井情况美国复杂地质条件初探井钻井情况深井钻井技术(1)二、井身结构设计二、井身结构设计目前国内深井井身结构设计的问题目前国内深井井身结构设计的问题 套管与钻头系列单一套管与钻头系列单一 设计目标及方法有待改进设计目标及方法有待改进 套管柱强度设计需考虑温度和

5、三维受力问题套管柱强度设计需考虑温度和三维受力问题深井钻井技术(1)1 1、国内常用深井超深井套管、钻头系列、国内常用深井超深井套管、钻头系列 目前，我国深井、超深井钻井中普遍采用的套管目前，我国深井、超深井钻井中普遍采用的套管结构程序为：结构程序为：20”13 3/8”9 5/8”7”5”20”13 3/8”9 5/8”7”5”，少数陆地超深井和海洋钻井已采用少数陆地超深井和海洋钻井已采用 30”20”13 30”20”13 3/8”9 5/8”7”5”3/8”9 5/8”7”5”的套管程序。的套管程序。（一）深井超深井套管、钻头系列（一）深井超深井套管、钻头系列深井钻井技术(1)海洋复杂深

6、井套管、钻头系列海洋复杂深井套管、钻头系列 （36”36”）30”-30”-（26”26”）20”20”-（17 1/2”17 1/2”）13 3/8”-13 3/8”-（14”14”）11 3/4”11 3/4”-（12 1/4”12 1/4”）9 5/8”-9 5/8”-（8 1/2”8 1/2”）7”7”-（6”6”）4 1/2”4 1/2”在在1414 井眼用井眼用8 3/48 3/412 1/412 1/4 1414偏心偏心钻头钻进，钻头钻进，11 3/411 3/4 尾管采用无接箍套管，在尾管采用无接箍套管，在12 12 1/41/4井眼段，用井眼段，用7 7/87 7/8 10

7、5/810 5/812 1/412 1/4 偏偏心钻头钻进。心钻头钻进。9 5/89 5/8套管柱的上部用普通接箍的套管，套管柱的上部用普通接箍的套管，进入进入11 3/411 3/4尾管及以下井眼的套管为无接箍套管。尾管及以下井眼的套管为无接箍套管。深井钻井技术(1)2 2、国外深井超深井套管、钻头系列、国外深井超深井套管、钻头系列20-13 3/8-10 3/4-7 5/8-5 （美国西德克萨斯、俄克拉何马等地区）6900米 36-26-20-16-10 3/4-7 3/4-5 （美国加利福尼亚最深井943-29R井）7445米30-20-16-11 7/8-9 7/8-7 3/4-5 1

8、/2 （美国怀俄明）7582米36-30-24-18 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 （德国KTB超深井）12000米30-24-20-16-13 3/8-11 3/4-9 5/8-7 5/8 （拉丁美洲和墨西哥湾地区）5638米深井钻井技术(1)（二）不同尺寸套管的下深能力二）不同尺寸套管的下深能力1 1、影响套管下深能力的因素、影响套管下深能力的因素 套管下深能力：套管下深能力：指各种尺寸套管在不同约束条件下可下入的最大深度。约束条件：约束条件：钻机起重能力套管接头的连接强度套管的抗

9、外挤强度深井钻井技术(1)2、套管柱的轴向载荷计算、套管柱的轴向载荷计算1 1、套管柱自重产生的轴向力计算、套管柱自重产生的轴向力计算2 2、井壁摩阻力的计算、井壁摩阻力的计算3 3、泥浆摩阻力的计算模型、泥浆摩阻力的计算模型4 4、注水泥引起的套管柱附加拉力、注水泥引起的套管柱附加拉力5 5、套管弯曲引起的附加拉力、套管弯曲引起的附加拉力深井钻井技术(1)3 3、套管柱抗外挤计算、套管柱抗外挤计算 按套管内全部掏空时的泥浆柱压力计算；4 4、钻机安全钩载的计算、钻机安全钩载的计算 API建议钻机的最大钩载应比最重套管柱大20%。深井钻井技术(1)5 5、套管柱可下入深度的计算、套管柱可下入深

10、度的计算计算方法计算方法钻机最大钩载条件下的可下入深度计算：套管接头抗滑扣力条件下的可下入深度计算：套管抗挤强度条件下的可下入深度计算：深井钻井技术(1)6 6、套管柱可下入深度的计算结果、套管柱可下入深度的计算结果深井钻井技术(1)深井钻井技术(1)深井钻井技术(1)深井钻井技术(1)（三）推荐的深井、超深井套管钻头（三）推荐的深井、超深井套管钻头 系列系列1 1、增加套管柱层次的途径、增加套管柱层次的途径 经过文献调研和分析研究，认为有四种途径增加套管柱层次：1 1、增大上部井眼和套管的尺寸、增大上部井眼和套管的尺寸2 2、钻小井眼可增多套管柱层数、钻小井眼可增多套管柱层数3 3、采用无接

11、箍套管，缩小相邻套管柱及套管与井眼之间、采用无接箍套管，缩小相邻套管柱及套管与井眼之间 的间隙的间隙4 4、优化套管、优化套管/井眼尺寸组合，设计新的套管钻头系列井眼尺寸组合，设计新的套管钻头系列深井钻井技术(1)2 2、套管与井眼间隙的研究、套管与井眼间隙的研究 间隙大小对钻井的影响间隙大小对钻井的影响 间隙过大：将明显增加钻井成本；影响水泥浆顶替效率，增加固井成本。间隙过小：固井质量难以保证；不利于下套管作业；下套管的压力激动易压裂地层。（1）、固井对套管与井眼间隙的要求）、固井对套管与井眼间隙的要求（2）、波动压力对套管与井眼间隙的要求）、波动压力对套管与井眼间隙的要求（3）、其它因素对

12、套管与井眼间隙的影响）、其它因素对套管与井眼间隙的影响（4 4）、国内外实践过的套管与井眼尺寸配合）、国内外实践过的套管与井眼尺寸配合深井钻井技术(1)3 3、改进的套管钻头系列方案、改进的套管钻头系列方案（1 1）、在）、在20”13-3/8”20”13-3/8”之间增加一层之间增加一层1616英寸套管（常英寸套管（常规接箍）规接箍）深井钻井技术(1)3 3、改进的套管钻头系列方案、改进的套管钻头系列方案（2 2）、在）、在13-3/8”9-5/8”13-3/8”9-5/8”之间增加一层之间增加一层11-3/411-3/4英寸英寸尾管（平接箍）尾管（平接箍）深井钻井技术(1)4 4、新增套管

13、钻头系列方案、新增套管钻头系列方案（1 1）20”20”14”14”10-3/4”10-3/4”7-5/8”7-5/8”5-1/2”5-1/2”主要特点是可以用9-1/2”钻头钻进下入7-5/8”套管。深井钻井技术(1)4 4、新增套管钻头系列方案、新增套管钻头系列方案（2 2）20”20”16”16”11-7/8”11-7/8”9-7/8”9-7/8”7-5/8”7-5/8”5-1/2”5-1/2”深井钻井技术(1)4 4、新增套管钻头系列方案、新增套管钻头系列方案（3 3）24”24”18-5/8”18-5/8”14”14”10-3/4”10-3/4”7-5/8”7-5/8”5-1/2”5

14、-1/2”全井可以不使用偏心钻头。深井钻井技术(1)（四）（四）套管钻头数据库套管钻头数据库 数据库中已录入套管数据2948条，；钻头数据2079条，基本覆盖了国内钻井需要的所有套管及钻头数据。在数据库中创建了三个主要数据表。钻头数据表钻头数据表 内容包括：厂家、类型、型号、IADC编码、尺寸、比钻压上限、比钻压下限、转速上限、转速下限、适钻地层、特殊性能、备注等。套管数据表套管数据表 内容包括：厂家、外径、内径、壁厚、线重、钢级、长度、管体屈服强度、抗挤强度、管体抗内压强度等。套管接箍数据表套管接箍数据表 内容包括：接箍类型、接箍外径、抗内压强度、通径、最大上扣扭矩、最小上扣扭矩、最佳上扣扭

15、矩、连接强度等。深井钻井技术(1)重点考虑三个方面的内容：重点考虑三个方面的内容：1、井身结构设计所需要的基本钻井地质环境资料、井身结构设计所需要的基本钻井地质环境资料2、井身结构设计基本参数的确定、井身结构设计基本参数的确定3、设计方法、设计方法深井钻井技术(1)1、井身结构设计所需要的基本钻井、井身结构设计所需要的基本钻井 地质环境资料地质环境资料 地质分层及地层岩性剖面 地区钻井事故统计剖面 卡钻、坍塌、井漏、异常压力等 地层孔隙压力剖面 地层坍塌压力剖面 地层破裂压力剖面深井钻井技术(1)（1）抽吸压力系数和激动压力系数；（2）破裂压力安全系数；（3）井涌允量；（4）压差卡钻允值。深井

16、钻井技术(1)准葛尔盆地井身结构设计基础参数准葛尔盆地井身结构设计基础参数 抽吸压力系数和激动压力系数（g/cm3）0.040.06 井涌允量（g/cm3）0.050.08 破裂压力增值（g/cm3）0.030.06 压差卡钻允值 正常（Mpa）1820 异常（MPa）2325塔西南井身结构设计基础参数塔西南井身结构设计基础参数 抽吸压力系数和激动压力系数（g/cm3）0.050.07 井涌允量（g/cm3）0.0420.07 破裂压力增值（g/cm3）0.030.06 压差卡钻允值 正常（Mpa）1820 异常（MPa）2325深井钻井技术(1)3 3、井身结构设计方法、井身结构设计方法（1

17、 1）井身结构设计的约束条件）井身结构设计的约束条件 max=max(pmax+Sb),cmax+防喷、防塌(max-pi)Hi0.098P 防卡max+Sg+Sffi 防漏max+Sf+SkHmax/Hifi 关井时防漏深井钻井技术(1)（2）井身结构设计方法）井身结构设计方法1)对传统设计方法的分析对传统设计方法的分析 传统的设计方法是自下而上逐层确定每层套管的传统的设计方法是自下而上逐层确定每层套管的下入深度。下入深度。每层套管下入的深度最浅，可使套管费用最少。每层套管下入的深度最浅，可使套管费用最少。上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特性

18、了解的准确程度和充分程度。性了解的准确程度和充分程度。应用于已探明地区的开发井的井身结构设计比较应用于已探明地区的开发井的井身结构设计比较合理。合理。对于深探井，由于对下部地层了解不充分，难以对于深探井，由于对下部地层了解不充分，难以应用这种传统方法自下而上合理地确定每层套管应用这种传统方法自下而上合理地确定每层套管的下深。的下深。深井钻井技术(1)2)改进的设计方法改进的设计方法 对深层钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻对深层钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻地区深层的地层资料掌握不清，地区深层的地层资料掌握不清，中心目标是怎样切中心目标是怎样切实保证钻达目的层，提高深探井的钻井成功

19、率。实保证钻达目的层，提高深探井的钻井成功率。要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。并继续钻进。目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限，目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限，只能有两到三层技术套管。只能有两到三层技术套管。希望上部大尺寸套管尽量下深，以便在下部地层的希望上部大尺寸套管尽量下深，以便在下部地层的钻进时有一定的套管层次储备和不至于小井眼完井。钻进时有一定的套管层次储备和不至于小井眼完井。深井钻井技术(1)2)改进的设计方

20、法改进的设计方法 自上而下的设计方法：自上而下的设计方法：根据在裸眼井段安全钻进必须满足的压力平衡约束条件，在已确定了表层套管下深的基础上，从表层套管鞋处开始向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层位。套管下深根据上部已钻地层的资料确定，不受下部地层的影响，有利于井身结构的动态设计。每层套管下入的深度最深。有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。与传统设计方法相结合，可以给出套管的合理下深区间。深井钻井技术(1)3)设计举例设计举例井深：5430米，；表层套管下深505米。自下而上设计：技套下深1529米自上而下设计：技套下深4285米深井钻井技术(1)深井钻井技术(1)深井钻井技术

21、(1)（六）套管柱强度设计（六）套管柱强度设计设计方法主要新增了三个内容：设计方法主要新增了三个内容：1、以满足外载约束条件的套管柱总成本以满足外载约束条件的套管柱总成本 （最低）或总重量（最轻）作为优化设计目（最低）或总重量（最轻）作为优化设计目标函数。标函数。2 2、采用三轴应力设计。采用三轴应力设计。3 3、考虑温度对套管柱载荷和强度的影响。考虑温度对套管柱载荷和强度的影响。深井钻井技术(1)三、高效破岩工具三、高效破岩工具 高压水射流辅助破岩钻头高压水射流辅助破岩钻头 加长喷嘴钻头、空化射流喷嘴钻头 PDC钻头钻头 FMG系列PDC钻头（刀翼式、具有自锐能力）钻头尺寸：118mm-44

22、4mm FMD系列PDC钻头（定向、侧钻、造斜、扭方位）FMB系列PDC钻头（侧翼扩眼、超出通径1英寸）深井钻井技术(1)四、深井小井眼钻井技术四、深井小井眼钻井技术 小井眼窄间隙环空压力计算小井眼窄间隙环空压力计算 配合井下压力实测数据建立精确计算环空压配合井下压力实测数据建立精确计算环空压耗和波动压力的计算模型。耗和波动压力的计算模型。目前模型、算法及程序以基本完成。有待于目前模型、算法及程序以基本完成。有待于实测压力数据的进一步检验和修正。实测压力数据的进一步检验和修正。小井眼钻井用小井眼钻井用PDC钻头钻头深井钻井技术(1)五、深井复杂事故监测技术五、深井复杂事故监测技术 录井资料实时分析与应用技术录井资料实时分析与应用技术 起下钻过程中的动态波动压力监测技术起下钻过程中的动态波动压力监测技术 钻进过程中的钻具刺漏监测技术钻进过程中的钻具刺漏监测技术 钻进过程中的牙轮钻头工况预测技术钻进过程中的牙轮钻头工况预测技术 随钻地层分层技术随钻地层分层技术 井漏监测及漏层位置判断技术井漏监测及漏层位置判断技术2023-1-18深井钻井技术(1)