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關于石油鉆井,你想了解的都在這

==鉆井技術概述==

經過石油工作者的勘探會發現儲油區塊 , 利用專用設備和技術,在預先選定的地表位置處,向下或一側鉆出一定直徑的圓柱孔眼,并鉆達地下油氣層的工作,稱為鉆井。

在石油勘探和油田開發的各項任務中,鉆井起著十分重要的作用。諸如尋找和證實含油氣構造、獲得工業油流、探明已證實的含油氣構造的含油氣面積和儲量,取得有關油田的地質資料和開發數據,最后將原油從地下取到地面上來等等,無一不是通過鉆井來完成的。鉆井是勘探與開采石油及天然氣資源的一個重要環節,是勘探和開發石油的重要手段。 石油勘探和開發過程是由許多不同性質、不同任務的階段組成的。在不同的階段中,鉆井的目的和任務也不一樣。一些是為了探明儲油構造,另一些是為了開發油田、開采原油。為了適應不同階段、不同任務的需要,鉆井的種類可分為以下幾種。

基準井:在區域普查階段,為了了解地層的沉積特征和含油氣情況,驗證物探成果,提供地球物理參數而鉆的井。一般鉆到基巖并要求全井取心。剖面井:在覆蓋區沿區域性大剖面所鉆的井。目的是為了揭露區域地質剖面,研究地層巖性、巖相變化并尋找構造。主要用于區域普查階段。參數井:在含油盆地內,為了解區域構造,提供巖石物性參數所鉆的井。參數井主要用于綜合詳查階段。

構造井:為了編制地下某一標準層的構造圖,了解其地質構造特征,驗證物探成果所鉆的井。探井:在有利的集油氣構造或油氣田范圍內,為確定油氣藏是否存在,圈定油氣藏的邊界,并對油氣藏進行工業評價及取得油氣開發所需的地質資料而鉆的井。各勘探階段所鉆的井,又可分為預探井,初探井,詳探井等。資料井:為了編制油氣田開發方案,或在開發過程中為某些專題研究取得資料數據而鉆的井。生產井:在進行油田開發時,為開采石油和天然氣而鉆的井。生產井又可分為產油井和產氣井。

注水(氣)井:為了提高采收率及開發速度,而對油田進行注水注氣以補充和合理利用地層能量所鉆的井。專為注水注氣而鉆的井叫注水井或注氣井,有時統稱注入井。

檢查井:油田開發到某一含水階段,為了搞清各油層的壓力和油、氣、水分布狀況,剩余油飽和度的分布和變化情況,以及了解各項調整挖潛措施的效果而鉆的井。觀察井:油田開發過程中,專門用來了解油田地下動態的井。如觀察各類油層的壓力、含水變化規律和單層水淹規律等!它一般不負擔生產任務。調整井:油田開發中、后期,為進一步提高開發效果和最終采收率而調整原有開發井網所鉆的井(包括生產井、注入井、觀察井等)。這類井的生產層壓力或因采油后期呈現低壓,或因注入井保持能量而呈現高壓。在整個油田的開發中,有勘探、建設、生產幾個階段,各階段彼此互有聯系,而且都需要進行大量鉆井工作!高質量、快速和高效率地鉆井是開發油田的重要手段!

==鉆機八大系統==

鉆機是在石油鉆井過程中,帶動鉆具向地層鉆進的一系列機械設備的總稱,又叫鉆探機。大家常見在聳立在大地上巍峨的井架,只是鉆機一部分,下邊大家一起來學習鉆機八大系統!

鉆機是在石油鉆井過程中,帶動鉆具向地層鉆進的一系列機械設備的總稱,又叫鉆探機。主要作用是帶動鉆具破碎井底巖石,下入或提出在井內的鉆具等 。

鉆機八大系統

鉆機一般有八大系統(起升系統、旋轉系統、鉆井液循環系統、傳動系統、控制系統和監測顯示儀表、動力驅動系統、鉆機底座、鉆機輔助設備系統),要具備起下鉆能力、旋轉鉆進能力、循環洗井能力。其主要設備有:井架、天車、絞車、游動滑車、大鉤、轉盤、水龍頭(動力水龍頭)及鉆井泵(現場習慣上叫鉆機八大件)、動力機(柴油機、電動機、燃氣輪機)、聯動機、固控設備、井控設備等。

起升系統

為了起升和下放鉆具、下套管以及控制鉆壓、送進鉆具,鉆具配備有起升系統。起升系統包括絞車、輔助剎車、天車、游車、大鉤、鋼絲繩以及吊環、吊卡、吊鉗、卡瓦等各種工具。起升時,絞車滾筒纏繞鋼絲繩,天車和游車構成副滑輪組,大鉤上升通過吊環、吊卡等工具實現鉆具的提升。下放時,鉆具或套管柱靠自重下降,借助絞車的剎車機構和輔助剎車控制大鉤的下放速度。在正常鉆進時,通過剎車機構控制鉆具的送進速度,將鉆具重量的一部分作為鉆壓施加到鉆頭上實現破碎巖層。

旋轉系統

旋轉系統是轉盤鉆機的典型系統,其作用是驅動鉆具旋轉以破碎巖層,旋轉系統包括轉盤、水龍頭、鉆具。根據所鉆井的不同,鉆具的組成也有所差異,一般包括方鉆桿、鉆桿、鉆鋌和鉆頭,此外還有扶正器、減震器以及配合接頭等。 其中鉆頭是直接破碎巖石的工具,有刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭等類型。鉆鋌的重量和壁厚都很大,用來向鉆頭施加鉆壓,鉆桿將地面設備和井底設備聯系起來,并傳遞扭矩。方鉆桿的截面一般為正方形,轉盤通過方鉆桿帶動整個鉆柱和鉆頭旋轉,水龍頭是旋轉鉆機的典型部件,它既要承受鉆具的重量,又要實現旋轉運動,同時還提供高壓泥漿的通道。

循環系統

為了將井底鉆頭破碎的巖屑及時攜帶到地面上來以便繼續鉆進,同時為了冷卻鉆頭保護井壁,防止井塌井漏等鉆井事故的發生,旋轉鉆機配備有循環系統。循環系統包括鉆井泵,地面管匯、泥漿罐、泥漿凈化設備等,其中地面管匯包括高壓管匯、立管、水龍帶,泥漿凈化設備包括震動篩、除砂器、除泥器、離心機等。

鉆井泵將泥漿從泥漿罐中吸入,經鉆井泵加壓后的泥漿,經過高壓管匯、立管、水龍帶,進入水龍頭,通過空心的鉆具下到井底,從鉆頭的水眼噴出,經井眼和鉆具之間的環行空間攜帶巖屑返回地面,從井底返回的泥漿經各級泥漿凈化設備,除去固相含量,然后重復使用。

動力設備

起升系統、循環系統和旋轉系統是鉆機的三大工作機組,它們協調工作即可完成鉆井作業,為了向這些工作機組提供動力,鉆機需要配備動力設備。鉆機的動力設備有柴油機、交流電機、直流電機。柴油機適應于在沒有電網的偏遠地區打井,交流電機依賴于工業電網或者是需要柴油機發出交流電,直流電機需要柴油機帶動直流發電機發出直流電,目前更常用的情況是柴油機帶動交流發電機發出交流電,再經可控硅整流,將交流電變成直流電。

傳動系統

傳動系統將動力設備提供的力和運動進行變換,然后傳遞和分配給各工作機組,以滿足各工作機組對動力的不同需求。傳動系統一般包括減速機構、變速機構、正倒車機構以及多動力機之間的并車機構等。由柴油機直接驅動的鉆機多采用統一驅動的形式,傳動系統相對復雜,由交直流電動機驅動的鉆機多采用各機組單獨或分組驅動的形式,傳動系統得到了很大的簡化。

控制系統

為了保證鉆機的三大工作機組協調的工作,以滿足鉆井工藝的要求,鉆機配備有控制系統??刂品绞接袡C械控制、氣控制、電控制和液控制等。目前,鉆機上常用的控制方式是集中氣控制。司鉆通過鉆機上司鉆控制臺可以完成幾乎所有的鉆機控制:如總離合器的離合;各動力機的并車;絞車、轉盤和鉆井泵的起、停;絞車的高低速控制等。

井架和底座

井架和底座用來支撐和安裝各鉆井設備和工具、提供鉆井操作場所。井架用來安裝天車、懸掛游車、大鉤、水龍頭和鉆具,承受鉆井工作載荷,排放立根;底座用來安裝動力機組、絞車、轉盤、支撐井架,借助轉盤懸持鉆具,提供轉盤和地面之間的高度空間,以安裝必要的防噴器和便于泥漿循環。

輔助設備

為了保證鉆井的安全和正常進行,鉆機還包括其他的輔助設備,如防噴器組,為鉆井提供照明和輔助用電的發電機組,提供壓縮空氣的空氣壓縮設備以及供水、供油設備等。

==鉆頭==

鉆頭是石油鉆井中,用來破碎巖石形成井眼的工具,其工作性能的好壞將直接影響鉆井質量、鉆井效率和鉆井成本。

1、鉆頭分類

按類型可分為刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭和PDC鉆頭等四種;按功用分為全面鉆進鉆頭、取心鉆頭和特殊工藝用鉆頭(比如擴眼鉆頭、定向造斜鉆頭等)。

2、刮刀鉆頭

刮刀鉆頭是旋轉鉆井使用最早的一種鉆頭,從十九世紀開始采用旋轉鉆井方法的時候就開始使用這 種鉆頭,而且直到現在某些油田仍在使用。 這種鉆頭主要用在軟地層和粘軟地層,具有很高的機械鉆速和鉆頭進尺。 刮刀鉆頭最大的優點是結構簡單,制造方便,成本低,各油田可自行設計和制造。

1)刮刀鉆頭的結構

刮刀鉆頭由鉆頭體、刮刀片、分水帽和噴嘴四部分組成。鉆頭體是刮刀鉆頭焊接刮刀片和分水帽的 本體,采用中碳鋼材料 加工而成。下端焊接 刮刀片和分水帽,上端車有絲扣和鉆柱連接 。 刮刀片又稱刀翼,是刮刀鉆頭主要工作部 件。

2)刮刀鉆頭工作原理

刮刀鉆頭以切削方式破碎巖石。刮刀鉆頭在 軟的塑性地層工作時,其切削過程類似于刀具切削軟金屬。刀片在鉆壓的作用下吃入地層,與此同時刀刃前面的巖石在扭轉力的作用下不斷產生塑性流動, 井底巖石被層層剝起 。刮刀鉆頭鉆進脆性較大的地層時,破碎巖石的過程則分為碰撞 、壓碎及小剪切和大剪切三個階段:

碰撞:刃前巖石破碎后,巖石對刀片的扭轉 阻力減小, 刀片向前推進,碰撞刃前巖石;壓碎及小剪切:刀片在扭轉 力作用下壓碎前方的巖石,使其產生小剪切破碎;扭轉力增大:刀片繼續 擠壓前方巖石,當扭轉力增大到極限值時,巖石沿剪切面產生大剪切破碎,然后扭轉力突然減小 。碰撞、壓碎及小剪切、大剪切這三個過程反復進行,形成刮刀鉆頭破碎塑脆性巖石的全過程。

3)刮刀鉆頭的正確使用

刮刀鉆頭適用于軟地層和粘軟地層。鉆進時需要適當控制鉆壓與轉速,注意防斜、防蹩、防止刀翼斷裂。由于刮 刀鉆頭在軟地層中的機鉆速較快,巖屑量較大,宜采用 大排量鉆進,充分清洗井底和冷卻鉆頭。刮刀鉆頭鉆進時 ,刀翼外側線速度較高,磨損速度較快,鉆頭容易磨損成錐形,此時要特別注意防斜和防止井徑縮小。

3、牙輪鉆頭

從1909年第一只牙輪鉆頭問世后,牙輪鉆頭便在全世界范圍內得到了最廣泛的應用。三牙輪鉆頭是目前旋轉鉆井作業中使用地最普遍的鉆頭。 這種類型的鉆頭具有不同的牙齒設計和軸承結類型,因此能夠適應各種類型地層。在鉆井作業中,根據所鉆地層性質正確選用合適結構的牙輪鉆頭,就可獲得令滿意的鉆進速度和鉆頭進尺。

1)三牙輪鉆頭的基本結構

鉆頭本體:有三 片牙掌組裝焊接在一起,上部有連接絲扣。牙輪:由牙輪體和牙齒組成 錐形的 金屬體。牙齒分銑齒和鑲齒兩種類型軸承及其儲油密封裝置噴嘴

2)牙輪鉆頭的工作原理

牙輪鉆頭在井底工作時,鉆頭整體圍繞鉆頭軸線旋轉稱之為公轉,三個牙輪則依其自己的軸線在井底滾動稱之為自轉。鉆頭承受的鉆壓通過牙齒作用在巖石上,使巖石破碎(壓碎作用)。 牙輪在滾動過程中,以單齒、雙齒交替接觸井底,牙輪中心的位置忽高忽低,使鉆頭產生縱向振動。這種縱向振動使鉆柱不斷壓縮與伸張,下部鉆柱把這種周期性變化的彈性變形能通過牙齒轉化為對地層的沖擊作用力用以破碎巖石。這種沖擊、壓碎作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式。

牙輪鉆頭除了對井底巖石產生沖擊、壓碎作用外,還對井底巖石產生剪切作用。牙輪在井底滾動的同時還產生牙齒對井底的滑動,牙齒的滑動對井底巖石形成剪切作用, 像刮刀鉆頭那樣刮削井底。牙齒的滑動主要是由牙輪的超頂、副錐和移軸布置引起的。牙輪的超頂布置復錐牙輪引起切線方向的滑動, 牙輪的移軸布置則引起軸向方向的滑動。一般地,鉆軟到中硬地層的鉆頭兼有超頂、復錐和移軸;鉆中硬到硬地層的鉆頭在設計上有超頂和復錐;鉆極硬和研磨性較強地層的鉆頭常采用單錐牙輪,不超頂也不移軸。

3)牙輪鉆頭的分類及選用

牙輪鉆頭生產廠商眾 多,這些鉆頭廠商提供了多種類型和結構的鉆頭。為了便于牙輪鉆頭的選擇和使用, 國際鉆井承包商學會(IADC)制定了全世界統一的牙輪鉆頭分類標準及編號方法。

鉆頭三位數字代表什么?

IADC規定,每一類鉆頭用三位數字代表,個數字意義如下:

第一位數字表示牙齒 類型及適鉆地層: 1- 銑齒,軟地層; 2- 銑齒,中到中硬地層; 3- 銑齒,硬、研 磨性或半研磨性地層; 4- 備用; 5- 鑲齒,軟到中等地層; 6- 鑲齒,中硬地層; 7- 鑲齒,硬、研磨性或半研磨性地層; 8- 鑲齒,極硬、高研磨性地層。第二位數字表示所鉆地層再細分為1,2,3,4四個硬度等級。第三 位數字表示鉆頭的結構特征: 1- 無密封滾動軸承; 2- T型外排齒保徑;3- 規 徑上有鑲齒保徑;4- 密封滾動軸承; 5- 密封滾動軸承,規徑上有鑲齒保徑; 6- 密封滑動軸承; 7- 密封滑動軸承,規徑上有鑲齒保徑;8- 定向井造斜鉆頭; 9- 其它。

4、金剛石鉆頭

金剛石鉆頭是指靠鑲嵌在鉆頭胎體上的金剛石顆粒破碎巖石的鉆頭。金剛石是目前人類所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料,因此金剛石鉆頭用于硬的、高研磨性地層,可獲得比較高的鉆頭進尺。雖然金剛石比較昂貴,但金剛石鉆頭磨損,單只鉆頭進尺高,在當今的石油鉆井仍有較強的競爭力。目前,金剛石鉆頭在普通的旋轉鉆井以及渦輪鉆井和取芯作業中都得到了廣泛的使用,其中熱穩定聚晶金剛石齒(TSP),應用尤其廣泛。

1)金剛石鉆頭結構特點

金剛石鉆頭屬一體式鉆頭,整個鉆頭無活動部件,主要有鉆頭體,冠部,水力結構(包括水眼或噴嘴、水槽亦稱流道,排屑槽),保徑、切削刃(齒)五部分 ,金剛石鉆頭的冠部是鉆頭切削巖石的工作部分,其表面(工作面)鑲裝有金剛石材料切削齒,并布置有水力結構,其側面為保徑部分(鑲裝保徑齒)它和鉆頭體相連,由碳化鎢胎體或鋼質材料制成。鉆頭體是鋼質材料體,上部是絲扣和鉆柱相連接,其下部與冠部胎體連結在一起(鋼質的冠部則與鉆頭體成為一個整體)。

2)金剛石鉆頭的工作原理金剛石鉆頭鉆進時,鉆頭表面上的多粒金剛石同時作用于巖石。金剛石破碎巖石的作用在不同性質的巖石中表現出不同的特性。在塑性地層(或巖石在應力作用下呈塑性的地層),金剛石在鉆壓的作用下吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石發生破碎或塑性流動,該破巖過程類似于"犁地"過程,故稱作"犁削"。

在脆性較大的地層中鉆進時,金剛石破碎巖石的作用主要是"壓碎",在鉆壓和扭矩作用下所產生的應力可使刃下巖石沿最大剪應力面開裂,在金剛石移動的后部形成被壓裂了溝槽,這種情況下巖石破碎的體積遠大于金剛石吃入后破碎的體積,巖石破碎具有體積破碎的性質,破巖效率較高。

在堅硬地層(如燧石、硅質白云巖等)中,一般采用將細顆粒金剛石包鑲在胎體內部的孕鑲式金剛石鉆頭鉆進,其破巖過程同砂輪的磨削相似。鉆頭上每一個包孕的金剛石都是小刃齒,鉆頭可看作有無數個刃的刀具。鉆頭鉆進巖石時,鉆頭上出露的棱角鋒利的金剛石刃齒以微切削、刻劃等方式來破碎巖石。磨削破巖屬于表面破碎,破巖效率較低。

3)金剛石鉆頭的正確使用金剛石鉆頭適用鉆中到堅硬、研磨性地層和渦輪鉆井、深井超深井鉆井以及取芯作業。使用金剛石鉆頭前,井底要打撈干凈,保證沒有金屬落物。鉆頭剛下到井底時,要先用小鉆壓、低轉速跑合。然后采用相對較低的鉆壓(和牙輪鉆頭相比),較高的轉速和較大的排量鉆進。應盡量避免劃眼。如果必須進行劃眼,應采用低鉆壓和低轉速,操作要均勻,防止鉆頭規徑部分金剛石碎裂和過度磨損。

5、PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit)

PDC鉆頭是聚晶金剛石復合片鉆頭的簡稱,亦稱聚晶金剛石切削塊鉆頭或復合片齒鉆頭。從1973年美國通用電氣公司引入PDC切削塊,研制出第一個PDC鉆頭后,PDC鉆頭便以其鉆速快、壽命長、進尺高等優勢,在石油鉆井中得到了廣泛的應用。幾乎所有鉆頭制造商都采用了這一技術,開始生產自己的PDC鉆頭系列。

剛體PDC鉆頭的整個鉆頭體都采用中碳鋼材料并采用機械 制造工藝加工成形。在鉆頭工作面上鉆孔,以壓入緊配合方式將PDC切削齒固緊在鉆頭冠部。鉆頭冠部采用表面硬化工藝(噴涂碳化鎢耐磨層、滲碳等)進行處理,以增強其耐沖蝕能力。這種鉆頭的主要優點是制造工藝簡單;缺點是鉆頭體不耐沖蝕,切削齒難以固牢,目前應用較少。胎體PDC鉆頭的鉆頭體上部為鋼體,下部為碳化鎢耐磨合金 胎體,采用粉末冶金燒結工藝制造成型。用低溫焊料將PDC切削齒焊接在胎體預留窩槽上。碳化鎢胎體硬度高,耐沖蝕,因而胎體PDC鉆頭壽命長,進尺高,目前應用比較廣泛。

2)PDC鉆頭的工作原理 PDC鉆頭是以切削方式破碎巖石。能自銳的切削齒在鉆壓的作用下很容易切入地層,在扭矩的作用下向前移動剪切巖石。多個PDC切削齒同時工作,井底巖石的自由面多,巖石在剪切作用下也容易破碎,因此破巖效率高,鉆進速度快。

3)PDC鉆頭的正確使用

PDC鉆頭在大段均質的軟到中硬地層中使用效果最好。不適合鉆礫石層和軟硬交錯地層。采用低鉆壓、高轉速、大排量鉆進,鉆頭使用效果好。鉆頭下井前,井底要清潔,確保無金屬落物。鉆頭剛下井時,要采用小鉆壓和低轉速跑和,待形成井底后恢復正常鉆進。PDC鉆頭屬于整體式鉆頭,無任何活動部件,適合高轉速的渦輪鉆井。

==定向井==

定向井概念

定向井就是使井眼軌跡沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。定向井技術是當今世界石油勘探開發領域最先進的鉆井技術之一,它是由特殊井下工具、測量儀器和工藝技術有效控制井眼軌跡,使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預定目標的鉆井工藝技術。

采用定向井技術可以使地面和地下條件受到限制的油氣資源得到經濟、有效的開發,能夠大幅度提高油氣產量和降低鉆井成本,有利于保護自然環境,具有顯著的經濟效益和社會效益。

定向井類型

定向井主要包括定向井、叢式井、水平井、 大位移井、側鉆井、分支井、徑向水平井、小井眼井、柔性管鉆井及欠平衡壓力鉆井等。

定向井的優勢

1、盡可能挖掘各種油氣藏潛能,提高采收率;

2、減少布井數量,減少開發投資;

3、避免或減少開采過程中的井下復雜情況;

4、少占用土地,減小環境保護的壓力,提高勘探開發的總體經濟效益。

基本要素

描述定向井井身空間位置及形狀的方法 是對井眼進行測量,每個測點有 三個數據,即測深、井斜角、井斜方位角,我們稱這三項測量數 據為井身的基本要素。

1)測深(Measure depth):井身軸線上任一點到井口的井身長度,稱為該點的測深,也稱為該點的測量斜深。通常用字母L表示,其測量單位是米或英尺。

2)井斜角(Hole inclination or Hole angle):井測點處的井眼方向線(切線)與通過該點的重力線之間的夾角稱為該點處的井斜角。井眼方向線和重力線都是有向直線。通常用希臘字母α表示,其測量單位為度。

3)井斜方位角(Hole Direction):是以正北方位線為始邊,順時針旋轉至井斜方位線所轉過的角度。通常以表示,單位度。 它還可以用象限值表示,是指它與正方位線或與正南方位線之間的夾角,象限值在0-90°之間變化,并要注明象限。

井身參數

1)垂深:(Vertical Depth Or True Vertical Depth)即測點的垂直深度。通常用H表示,如A、B點的垂深分別表示為HA、HB。 2)水平長度:是指自井口至測點的井眼長度在水平面上的投影長度。用S表示,如A點的水平長度表示為SA。 3)水平位移:(Displacement or Closure Distance)即井眼軸線某一點在水平面上的投影至井口的距離,也稱閉合距。用A表示,如A點的水平位移表示為AA。 4)閉合方位角或總方位:(Closure Azimuth)是指以正北方位線為始邊順時針轉至閉合距方位線上所轉過的角度。用θ表示,如A點的閉合方位角表示為θA。 5)N(北)坐標和E(東)坐標:是指測點在以井口為原點的水平面坐標系里的坐標值。 6)視平移:(Vertical Section)是井身上某點在某一垂直投影面上的水平位移,它不是真實的水平位移,所以稱之為視平移。AA為閉合位移,VA為視平移。視平移與水平位移越接近,說明井眼方位控制的越好。水平位移都是正值,而視平移可能是正值,也可能是負值。負值的視平移說明閉合方位線與設計方位線的差值已大于90度,這種情況常出現于造斜前的直井段。

==鉆井液==

鉆井液的概念

鉆井液(Dlilling Fluids)是指油氣鉆井過程中以其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環流體的總稱。鉆井液又稱做鉆井泥漿(Drilling Muds),或簡稱為泥漿(Muds)。

鉆井液的分類

鉆井液由分散介質、分散相和添加劑組成。鉆井液按分散介質(連續相)可分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣體型鉆井流體等。鉆井液主要由液相、固相和化學處理劑組成。液相可以是水(淡水、鹽水)、油(原油、柴油)或乳狀液(混油乳化液和反相乳化液)。固相包括有用固相(膨潤土、加重材料)和無用固相(巖石)?;瘜W處理劑包括無機、有機及高分子化合物。

1)水基鉆井液

水基鉆井液是一種以水為分散介質,以粘土(膨潤土)、加重劑及各種化學處理劑為分散相的溶膠懸浮體混合體系。其主要組成是水、粘土、加重劑和各種化學處理劑等。

2)油連續相鉆井液

油連續相鉆井液(習慣稱為油基泥漿),是一種以油(主要是柴油或原油)為分散介質,以加重劑、各種化學處理劑及水等為分散相的溶膠懸浮混合體系。其主要組成是原油、柴油、加重劑、化學處理劑和水等。

3)氣體型鉆井流體

氣體鉆井液是以空氣或天然氣作為鉆井循環流體的鉆井液,泡沫鉆井液是以泡沫作為鉆井循環流體的鉆井液。主要組成是液體、氣體及泡沫穩定劑等。

鉆井液循環系統

鉆井液的循環是通過循環泥漿泵來維持的,泥漿泵排出的高壓鉆井液經過地面高壓管匯、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌到鉆頭,從鉆頭噴嘴噴出,以清洗井底并攜帶巖屑。然后再沿鉆柱與井壁(或套管)形成的環形空間向上流動,在到達地面后經排出管線流入泥漿池,再經各種固控設備進行處理后返回上水池,最后進入泥漿泵循環再用。鉆井液流經的各種管件、設備構成了一整套鉆井液循環系統。

鉆井液的功能

目前,鉆井液被公認為至少有以下十種作用:

1) 清潔井底、攜帶巖屑。保持井底清潔,避免鉆頭重復切削,減少磨損,提高效率。 2) 冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱。降低鉆頭溫度,減少鉆具磨損,提高鉆具的使用壽命。 3) 平衡井壁巖石側壓力,在井壁形成濾餅,封閉和穩定井壁。防止對油氣層的污染和井壁坍塌。 4) 平衡(控制)地層壓力。防止井噴,井漏,防止地層流體對鉆井液的污染。 5) 懸浮巖屑和加重劑。降低巖屑沉降速度,避免沉沙卡鉆。

6) 在地面能沉除砂子和巖屑。 7) 有效傳遞水力功率。傳遞井下動力鉆具所需動力和鉆頭水力功率。

8) 承受鉆桿和套管的部分重力。鉆井液對鉆具和套管的浮力,可減小起下鉆時起升系統的載荷。 9) 供所鉆地層的大量資料。利用鉆井液可進行電法測井,巖屑錄井等獲取井下資料。 10)水力碎巖石。鉆井液通過噴嘴所形成的高速射流能夠直接破碎或輔助破碎巖石。

鉆井液的組成

1)水基鉆井液是由膨潤土(Bentonite)、水(或鹽水)、各種處理劑、加重材料以及鉆屑所組成的多項分散體系。其中膨潤土和鉆屑的平均密度均為2.6g/cm3,通常稱它們為低密度固相;而加重材料常被稱為高密度固相。

最常用的加重材料為API重晶石,其密度為4.2g/cm3。由于在水基鉆井液中膨潤土是最常用的配漿材料,在其中主要起提粘切、降濾失和造壁等作用,因而又將它和重晶石等加重材料稱做有用固相,而將鉆屑稱做無用固相。

在鉆井液中,應通過各種固控措施盡量減少鉆屑的含量,膨潤土的用量也應以夠用為度,不宜過大,否則會造成鉆井液粘切過高,還會嚴重影響機械鉆速,并對保護油氣層產生不利影響。 2)油基鉆井液是以水滴為分散相,油為連續相,并添加適量乳化劑、潤濕劑、親油的固體處理劑(有機土、氧化瀝青等)、石灰和加重材料等所形成的乳狀液體系。

鉆井液性能

按照API推薦的鉆井液性能測試標準,需檢測的鉆井液常規性能包括:密度、漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力、API濾失量、HTHP濾失量、PH值、堿度、含砂量、固相含量、膨潤土含量和濾液中各種離子的質量濃度等。1)鉆井液密度 鉆井液的密度是指每單位體積鉆井液的重量,常用g/cm3(或kg/cm3)表示。在鉆井工程上,鉆井液密度和泥漿比重(Mud Weight)是兩個等同的術語。鉆井液密度是確保安全、快速鉆井和保護油氣層的一個十分重要的參數。通過鉆井液密度的變化,可調節鉆井液在井筒內的靜液柱壓力,以平衡地層孔隙壓力。有時亦用于平衡地層構造應力,以避免井塌的發生。如果密度過高,將引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、對油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問題;而密度過低則容易發生井涌甚至井噴,還會造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降。

2)鉆井液的流變性鉆井液的流變性(Rheological Properties of Drilling Flrids)是指鉆井液流動和變形的特性。該特性通常是由不同的流變模式及參數來表征的.此外,漏斗粘度(Funnel Viscosity)、表現粘度(Apparent Viscosity)和靜切力(Gel Strength)等也是鉆井液的重要流變參數。由于鉆井液的流變性與攜巖、井壁穩定、提高機械鉆速和環空水力參數計算等一系列鉆井工作密切相關,因此它是鉆井液最重要的性能之一。

3)鉆井液的濾失造壁性在鉆井過程中,當鉆頭鉆過滲透性地層時,由于鉆井液的液柱壓力一般總是大于地層孔隙壓力,在壓差作用下,鉆井液的液體便會滲入地層,這種特性常稱為鉆井液的濾失性(Filtration Properties Fluids)。在液體發生滲濾的同時,鉆井液中的固相顆粒會附著并沉積在井壁上形成一層泥餅(Mud Cake)。隨著泥餅的逐漸加重以及在壓差作用下被壓實,針對裸眼井壁有效地起到穩定和保護作用,這就是鉆井液的所謂造壁性。

由于泥餅的滲透率遠遠小于地層的滲透率,因而形成的泥餅還可以有效地阻止鉆井液中的固相和濾液繼續侵入地層。在鉆井液工藝中,通常用一個重要參數—濾失量(Water Loss or Foltration Rate)來表征鉆井油液的滲濾速率。

鉆井液的選用標準

鉆井液是鉆井的“血液”,在鉆井作業中起著非常重要的作用。因此對鉆井液要求很高,主要有四個方面:

1)鉆井循環的要求

鉆井循環對鉆井液的要求是泵壓低(粘度低),攜砂能力強(動切力高),啟動泵壓低(靜切力低),潤滑性能好,摩擦力低,磨損小(固體顆粒少)。

2)要保持井眼的穩定 鉆穿的地層要用鉆井液的壓力柱與地層壓力取得平衡,鉆井液密度穩定;鉆井油氣層時要靠鉆井液的壓力柱來平衡油氣的壓力要求鉆井液密度適當。要求鉆井液有克服不穩定地層的性能,例如泥巖吸水膨脹造成井眼收縮;礫巖、火山巖遇水造成跨塌,鹽巖遇水而形成溶洞等,即要求有不同性質的鉆井液。

3)要求鉆井液保護油氣層 鉆開油氣層后,鉆井液與油氣層接觸,為防止鉆井液損害油氣層,要求鉆井液的失水小、泥餅薄(鉆井液失水后,固壓差固體顆粒在井壁上形成泥餅環)、固相含量低、濾液的水化作用低(濾液進入地層后與地層中的液體發生的化學作用)等。

4)保護環境和生態 鉆井液中常含有原油、柴油和各種油類以及含有大量的化學處理劑,為防止鉆井液對環境和生態可能造成的影響,要求使用無害、無毒的鉆井液。

鉆井的血液—泥漿

==鉆井專用名詞==

1)造斜點(Kick Off Point):在定向井中,開始定向造斜的位置叫 “造斜點”。通常以開始定向造斜的井深來表示。

2)井斜變化率:單位井段內井斜角的改變速度稱為 “井斜變化率”。通常以兩測點間井斜角的變化量與兩測點間井段的長度的比值表示。常用單位是:°/10m,°/25m 和°/100 m。

3)方位變化率:單位井段內方位角的變化值,稱為方位變化率。通常以兩測點間方位角的變化量與兩測點間 井段長度的比值表示。常用單位有:°/10m,°/25m 和°/100m。

4)造斜率:造斜率表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。不等于井眼變化率。

5)增(降)斜率:指的是增(降)斜井段的井斜變化率。其井斜變化為正值時為增斜率。負值為降斜率。

6)全角變化率:(Dogleg Seventy)“全角變化 率 ”、“狗腿嚴重度 ”、“井眼曲率”,都是相同的意義。指的是在單位井段內井眼前 進的方向在三維空間內的角度變化。它即包含了井斜角的變化又包含著方位角的變化。其計量單位為:°/25m或°/30m。

7)增斜段:井斜角隨井深增加的井段,稱為增斜段。

8)穩斜段:井斜角保持不變的井段,稱為穩斜段。

9)降斜段:井斜角隨著井深的增加而逐漸減小的井段稱為降斜段。

10)目標點:(Target)設計規定的、必須鉆達的地層位置,稱為目標點。通常是以地面井口為坐標原點的空間坐標系的坐標值來表示。

11)靶區半徑:允許實鉆井眼軌跡偏離設計目標點的水平距離,稱為靶區半徑。所謂靶區,就是在目標點所在的水平面上,以目標點為圓心,以靶區半徑為半徑的一個圓面積。靶區半徑的大小,根據勘探開發的需要或鉆井的目的而定。

12)靶心距:在靶區平面上,實鉆井眼軸線與目標點之間的距離,稱為靶心距。

14)反扭角:使用井底馬達帶彎接頭進行定向造斜或扭方位時,動力鉆具啟動前的工具面與啟動后且加壓鉆進時的工具面之間的夾角,稱為反扭角。反扭角總是使工具面逆時針轉動。

15)高邊:(High Side)定向井的井底是個呈傾斜狀態的圓平 面。稱為井底圓。井底圓上的最高點稱為高邊。從井底圓心至高邊之間的連線所指的方向,稱為井底的“高邊方向”。高邊方向上的水平投影稱為高邊方位。即井底的方位。

16)工具面角:(Tool Face Angle)工具面角是表示造斜工具下到井底后,工具面所在的位置的參數。工具面角有兩種表示方法: 一種是以高邊為基準((High Side Mode),另一種是以磁北為基準(Magnetic Mode)。高邊基準工具面角,簡稱高邊工具角。是指高邊方向線為始邊,順時針轉到工具面與井底圓 平面的交線上所轉過的角度。 由于高邊方向線在水平面上的投影,即為井底方位線。所以,若以正北方位線為始邊,順 時針轉到井底方位線上所轉過的角度,即為井底方位角。 磁北基準工具面角(簡稱磁北工具面角)等于高邊工具面角加上井底方位角。

小結

定向井就是使井眼軌跡沿著預先設計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法,定向井技術可以使地面和地下條件受到限制的油氣資源得到經濟、有效的開發,大幅度提高油氣產量、降低鉆井成本,具有顯著的經濟效益和社會效益。

==鉆井事故及預防==

鉆井是一項隱蔽的地下工程,存在著大量的模糊性、隨機性和不確定問題。由于對客觀情況的認識不清或主觀意識的決策失誤,往往會產生許多復雜情況甚至造成嚴重的事故,輕者耗費大量人力、物力和時間,重者導致全井的廢棄。

常見的鉆井事故

鉆井過程中最容易發生的井下工程事故主要有:鉆頭事故(斷刮刀片、掉牙輪和掉鉆頭等)、鉆具事故鉆具刺壞、斷鉆具等)、套管事故(卡套管、斷套管等)、井下落物事故(小工具等落入井內)、卡鉆事故(鉆具在井內不能上下活動或轉動)、測井事故(測井電纜遇卡、遇阻或測井儀器落井等)、注水泥事故(固井時水泥漿在鉆具內未替出、水泥漿返高不夠,或將水泥漿全部替出環形空間等)和井噴失控事故(不能人為控制的鉆井井噴)等。

鉆井事故發生的原因

1)地質因素

鉆井的對象是地層,而地層結構有硬有軟,壓力系統有高有低,孔隙有大有小,如果對這些情況沒有足夠的了解,就難免要發生難以預料的問題。

首先我們應該了解設計井的地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力及一些特殊地層(鹽膏、軟泥巖)的蠕變應力,作為井身結構和鉆井液設計的主要依據。一般地說,在同一個裸眼井段內不能讓噴、漏層同時存在,不能讓蠕變層與漏層同時存在。如果在井身結構上無法實現上述要求,而且高壓層和蠕變層在漏層的下部,那就應對漏層進行預處理,不能盲目向深部鉆進。如果高壓層或蠕變層下部有低壓層或漏失層,那就只好把高壓層或蠕變層用套管封掉。

其次,對一些特殊地層如在一定溫度、壓力下發生蠕變的鹽巖層、膏鹽層、富含水的軟泥巖層、吸水膨脹的泥巖層、裂縫發育容易坍塌剝落的泥巖層、煤層及某些火成巖侵入層都應有較詳細的了解,因為這些地層是造成井下復雜的主要原因。同時對一些地質現象如斷層、裂縫、溶洞、特高滲透層的位置及硫化氫、二氧化碳的存在和含量也應有所了解。

以上這些資料對打成一口井來說至關重要。但地質部門所提供的比較詳細的資料是油氣層資料,而對工程上所需要的重要資料則提供不多,或不夠詳細,甚至有些數據與實際情況相距甚遠,即使是已經開發的油田,由于注水開發的結果,地下的壓力系統變化很大,也很難以鄰井的資料作為主要依據。這就使鉆井過程往往不得不打遭遇戰,因而復雜情且況屢屢發生。

2)工程因素

鉆井作業具有隱蔽性、復雜性,由于地質資料掌握不全不準,或者雖有可靠地質資料而未嚴格地按科學方法進行井身結構設計,使同一段裸眼中噴、漏層并存,治噴則漏,治漏則噴。雖然下了套管但不裝并控設備,或者雖然裝了井控設備但不講求質量,一旦鉆遇高壓層,應急使用時,到處刺漏,甚至造成井噴失控。鉆井液體系和性能與地層特性不相適應,甚至片面強調節約鉆井液處理劑,使鉆井液性能惡化,造成裸眼井段中某些地層的縮徑或坍塌。

鉆井液密度不合適,也會造成井噴、井漏或井塌。操作不適當,下鉆速度過快會產生很大的激動壓力,易將地層憋漏。起鉆速度過快會產生很大的抽吸力,易將油氣層抽噴或將結構松軟的地層抽塌,特別是在鉆頭或扶正器泥包的情況下更為嚴重。

鉆井設備發生故障,被迫停止鉆具的活動或鉆井液的循環,是發生井下事故的最普通最常見的因素。此外,管理工作薄弱,有章不循,有表(指重表、泵壓表、扭矩表)不看,遇事不思,盲目決斷,但求省力,不顧后果,起鉆猛提,下鉆猛壓,遇卡硬轉,遇漏硬憋,這是造成井下事故的常見原因。

常用處理方法

1)卡鉆事故原因及處理

卡鉆及造成原因:卡鉆就是在鉆井過程中因地質因素、鉆井液性能不好、技術措施不當等原因,使鉆具在井內長時間不能自由活動,這種現象叫卡鉆。主要有黏附卡鉆、沉砂卡鉆、砂橋卡鉆、井塌卡鉆、縮徑卡鉆、泥包卡鉆、落物卡鉆及鉆具脫落下頓卡鉆等。

處理卡鉆事故的方法:

泡油解卡使用震擊器震擊解卡倒扣套銑爆炸松扣爆炸鉆具側鉆新眼等

2)井塌事故原因及處理

井塌是鉆井過程中井壁失穩垮塌的現象。發生井塌的原因包括:

井內液柱壓力不能平衡地層壓力地層受鉆井液浸泡,發生水敏膨脹、破碎、剝離地層本身破碎、疏松,上提鉆具時造成抽汲現象使下部井筒壓力下降在起鉆過程中,未及時回灌鉆井液造成井內液柱壓力下降停鉆時間過長,鉆井液性能發生變化在裸眼井段長時間、大排量循環等井塌嚴重時會導致井眼情況復雜,引起井內事故

延伸閱讀 | 井塌處理方法

(1)下鉆過程,如發現井口不返鉆井液,或者鉆桿內反噴鉆井液,這是井塌的象征,應立即停止下鉆。開泵循環通井或劃眼,待井下情況正常后,再恢復下鉆工作。

(2)起鉆過程,如發現井口液面不降,或鉆桿內反噴鉆井液,這是井塌的象征,應立即停止起鉆。開泵循環鉆井液,待泵壓正常,井下暢通無阻,管柱內外壓力平衡后,再恢復起鉆工作。 (3)無論任何時候,如發現有井塌現象,開泵時均須用小排量頂通。然后逐漸漸增加排量,中間不可停泵。如果小排量頂不通,泵壓上升,井口不返鉆井液,證明地層漏失,不可繼續擠入鉆井液。

3)鉆頭事故及預防措施

在鉆進過程中所發生的鉆頭事故,包括牙輪鉆頭掉牙爪,牙輪、蹩斷牙爪、牙齒、牙輪;刮刀鉆頭蹩斷刀片、接頭,PDC鉆頭脫落; 或人造聚晶金剛石、天然金剛石脫落等,統稱鉆頭事故。

預防鉆頭事故

選用質量合格的鉆頭,出廠使用說明書要求正確使用鉆頭精心操作,均勻送鉆,嚴防溜鉆、頓鉆事故發生。正確操作,按設計施工,根據鉆具組合和地層井深按要求加壓。

4)井漏事故及處理

井漏是鉆井過程中,井筒內鉆井液或其他介質(固井水泥漿等)漏入地層孔隙、裂縫等空間的現象。井漏是鉆井工程中常見的井內復雜情況,多數鉆井過程都有不同程度的漏失。嚴重的井漏會導致井內壓力下降,影響正常鉆井、引起井壁失穩、誘發地層流體涌入井筒并井噴。

井漏的處理措施

(1)對井下壓力系統和地層比較復雜的井只能采取堵漏的辦法進行處理;

(2)而對于井下壓力系統單一、地層結構強度較大的井則可以采用降低鉆井液密度的辦法處理。

(3)可在鉆井液中加入堵漏材料,如鋸末,馬糞,貝殼粉、粘土等。

(4)裂縫漏失需采用稠鉆井液加堵漏物的如鋸屑,棉子殼等,在處理井漏上和工藝措施配合,下鉆速度要慢,泵壓排量要適當。

5)井噴事故及處理

井噴,是一種地層中流體噴出地面或流入井內其它地層的現象,大多發生在開采石油天然氣的現場。引起井噴的原因有多種:地層壓力掌握不準、泥漿密度偏低、井內泥漿液柱高度降低;起鉆抽吸,以及其他不當措施等。

井噴發生后對其控制的方法叫壓井,壓井主要有司鉆壓井法和工程師壓井法,司鉆壓井法是先把井里的氣或油排出來,再用重泥漿替換原來太輕的泥漿,這種方法需要時間較長,在加重設備不足的時候時常使用。工程師壓井法是在計算好需要泥漿的量以后一次性打入井筒中的方法,井噴事故處理在前邊已經有介紹此處不在贅述。


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