1、套管钻井；水基钻井液；无渗透钻井液第2章 钻井技术的现状 22.1钻井技术存在的难题 22.1.1复杂地层钻前压力、岩性预测不准 22.1.2山前高陡构造和逆掩覆体防斜问题 22.1.3钻头选型和钻井效率问题 22.1.4井漏问题 22.1.5井壁稳定和井深结构问题 32.1.6固井问题 32.1.7深井钻进中套管严重磨损问题 32.2重点研究方向 32.2.1提高钻前压力预测精度 32.2.2高陡构造防斜打快 32.2.3防漏堵漏技术 32.2.4特殊工艺井技术 42.2.5小井眼钻井配套技术 4第3章 钻井新技术的应用 53.1套管钻井新技术 53.1.1套管钻井的特点 53.1.2套管钻
2、井的优点 53.1.3套管钻井的范围 63.1.4套管钻井的准备条件 63.1.5套管钻井的参数设置 63.2水基钻井液新技术 73.2.1无渗透钻井新技术 73.2.2水基成膜钻井液技术 73.2.3纳米处理剂基础上的钻井技术 83.3应用钻井新技术控制污染 93.3.1小井眼钻井工艺 93.3.2多功能钻井液技术 93.3.3分支井钻井技术 93.3.4应用新型钻井液体及添加剂 9结论 11参考文献 12致谢 13附录 13 第1章 前言1.1研究背景石油工程技术不仅关系到钻井施工的速度与成本，也关系到勘探开发的水平与效益。钻井技术如何适应油田勘探开发新形势，为老油田稳产作贡献？应在关键技
3、术和优势技术上寻求突破，在提高老油田采收率上作好文章，要不断拓宽石油钻井工程技术的支撑领域。1.2研究的意义目前钻井工程技术的攻关领域有了很大的拓宽，已经从单纯为钻井施工提供技术支撑，延伸到为勘探开发提供强力支持上来。传统的攻关领域，主要是为钻井施工提供实用新型的工艺技术和装备，目的是提高钻井速度、降低钻井成本。钻井公司作为施工方，是油公司的乙方，为油公司提供优质服务，并获得最大的经济效益是钻井公司的追求。对于目前占绝大多数的常规探井、开发井来说，不是能不能打成的问题，而是如何打快、打好，创造更大效益的问题。因此，一些实用、先进的钻井工艺技术和装备就成为提高钻井速度、降低钻井成本的重要手段，而
4、这正是钻井工程技术传统的攻关方向。在这方面，一些先进的钻井工艺技术研究已经取得了突破并正在推广应用，如优快钻井技术的实施，将钻井完井周期缩短了40以上；新型PDC钻头的推广应用，将过去几只钻头打一口井变成一只钻头打几口井。这些技术，对提高钻井质量、加快钻井速度、降低钻井成本起到了很大的推动作用。然而，这些技术和装备还远远不能满足现场需求，还有许多新的课题需要继续攻关。第2章 钻井技术的现状2.1钻井技术存在的难题就钻井工程而言，地层的勘探面临着地质结构复杂、压力层系多、井下高温等难题；在西部和南方海相地区，面临着超深井钻探、地质构造斜度大、地层压力复杂多变等难题；在海外，面临着地质资料不全、超
5、长段盐层下的勘探难题，这些都是目前钻井工程技术面临的紧迫的攻关任务。在开发方面，东部老区由于进入开发中后期，边际油藏、薄油层及特殊岩性油藏和低渗透油藏开发成为主攻方向，钻井工程技术举足轻重。西部新区降低吨油成本、提高开发效益的要求，对钻井工程技术和保护油气层提出了许多新的课题。可以说，钻井工程技术已经成为勘探开发的先头“攻城”部队。2.1.1复杂地层钻前压力、岩性预测不准钻前地层压力预测精度不高,造成井身结构和钻井液密度确定不合理,导致井漏、井喷等复杂情况发生。如塔里木库车山前迪那11井,由于没有预测出压力系数为2.48的高压盐水层;迪那2井,由于没有预测出压力系数为2.15的高压油气层,均导
6、致井喷。对于预探井,要求地震重视层速度的采集质量,提供全井段相对准确的三压力预测,防止同一裸眼段存在多压力系统而增加钻井复杂情况。除地层压力以外,岩性预测也存在精度不高的问题,如川东罗家3井,钻井遭遇严重漏失,在采用清水强钻过程中又遭遇盐岩层,导致井眼垮塌、多次落鱼,最终报废。2.1.2山前高陡构造和逆掩推覆体防斜问题高陡构造防斜技术没有完全突破。常规钟摆钻具防斜由于加不上钻压,影响了机械钻速;偏轴结构应用在大尺寸井眼的井斜方面取得了一定的效果,但需进一步加强研究。随着勘探开发的不断推进,逆掩推覆体的防斜问题成了困扰钻井的瓶颈。2.1.3钻头选型和钻井效率问题山前复杂井地质条件的不确定性及钻前
7、预测准确性不高仍然是影响钻头选型及使用效果的最大技术难点。对于硬度高、研磨性强的地层与软塑性地层交替频繁的井段,以及硬）极硬,具有一定塑性,中低研磨的泥岩地层还没有好的解决办法。地层夹层多、研磨性强、可钻性纵横向差异大,给钻头选型和合理使用带来了极大困难。2.1.4井漏问题近年来,随着天然气勘探的进一步深入,井漏问题变得日益突出。由于纵向大裂缝和溶洞发育的恶性井漏,导致罗家3井、东安1井相继报废,造成了重大经济损失,也影响了勘探开发进程。2.1.5井壁稳定和井身结构问题泥岩地层易缩径、垮塌,导致井下复杂情况较多;高地应力、多压力系统、地层认识不清等引起井壁失稳,使井身结构设计难度较大;川东、塔
8、里木、青海地区高压盐水层、盐膏层、复合盐层交错,易缩径卡钻或井壁严重垮塌;此外地层的破碎和断层也使地层垮塌比较严。2.1.6固井问题长裸眼段多压力系统以及小井眼、小间隙井的固井质量仍存在很多问题,同时传统的CBL固井质量评价也已经不适应对固井质量的正确评价。2.1.7深井钻进中套管严重磨损问题深井、超深井244.48m套管磨损问题严重影响了钻井质量,如塔里木迪那11井244.48mm套管在22592990m处破裂后,为满足下部钻井安全的需要,不得不进行177.8mm套管回接。却勒1井244.48m套管磨损严重,最终仍然采取回接177.8mm套管的措施,177.8mm套管回接给下步钻井带来了很多
9、困难。2.2重点研究方向面对这些新要求，石油工程技术必须在科技创新重点、科研攻关方向上进行新的调整，在关键技术和优势技术上寻求突破。在为提高钻井速度、降低钻井成本提供技术支撑的传统技术攻关领域，要瞄准世界前沿的钻井新技术，全面分析影响钻井速度和效率的各项因素，重点在钻井工艺、井下测量仪器、井下实用工具、新型钻井液、先进的钻井完井技术等方面开展有针对性的立项攻关，力争迅速形成成果并尽快转化。2.2.1提高钻前压力预测精度加强对地震、测井资料的处理与利用,提高压力、岩性预测精度;研究或引进随钻地震技术、地质导向技术等,解决钻井过程中的预测问题;加强对录井资料的综合利用,做好对预测压力和岩性的及时校
10、正;加强随钻压力监测,提高措施的针对性。2.2.2高陡构造防斜打快完善偏轴防斜结构,加强偏轴结构在215.9mm井眼中的防斜技术研究,进一步推广该技术在高陡构造地层中的应用;研制或引进高效防斜技术。2.2.3防漏堵漏技术加强钻前预测,包括对上部非目的层大断裂带、溶洞、异常压力等进行预测;完善漏失层欠平衡等强行钻进技术;加强化学堵漏等综合堵漏技术研究;研制或引进膨胀管堵漏技术、波纹管堵漏技术。2.2.4特殊工艺井技术（1）分枝井技术。玉门、塔里木、四川等地面条件复杂地区及低渗透难动用储量开发对分枝井技术的需求。低渗透油田开发最重要的一点是/密井网0,而多分枝井正好可以满足这方面的需要,同时又降低
11、了成本,提高了产量。（2）大位移井技术 大港、冀东、辽河滩海油田以及玉门、吉林、塔里木等复杂地表条件勘探开发对大位移井技术的需求,以及水平位移超过4000m的大位移井配套技术储备。（3）欠平衡钻井配套技术需求 气基流体欠平衡水平井轨迹测量技术;起下钻、接单根不压井技术;欠平衡钻井、完井技术。2.2.5小井眼钻井配套技术截至1999年底,股份公司现已探明低渗透石油地质储量约40108t,约占全部探明地质储量25%。低渗透油气藏的油井产量都很低,从作业上能否做到低成本,是决定能否经济开发这类油气藏的关键。因此需要研究小井眼钻机等钻井配套工艺,降低小井眼钻井成本。开展120.65mm井眼、88.9m
12、m套管等井眼尺寸的系列钻井完井技术研究,将小井眼技术应用到调整井、探井和老井再钻中,形成小井眼钻井技术系列,降低低渗油田的生产成本。第3章 钻井新技术的应用3.1套管钻井新技术 套管钻井是指用套管代替钻杆对钻头施加扭矩和钻压，实现钻头旋转与钻进。整个钻井过程不再使用钻杆、钻铤等，钻头是利用钢丝绳投捞，在套管内实现钻头升降，即实现不提钻更换钻头钻具。减少了起下钻和井喷、卡钻等意外事故，提高了钻井安全性，降低了钻井成本。3.1.1套管钻井的特点套管钻井与常规钻杆钻井相比有明显的优势，它是钻井工程的一次技术性革命，它能为油田经营者带来巨大的经济效益。套管钻井有如下特点：（1）套管钻井使用标准的油井套
13、管，并使钻井和下套管作业同时进行；（2）井底钻具组合装在套管柱的下端，可用钢丝绳通过套管内部迅速取出。在取出过程中可保持泥浆连续循环；（3）整个钻进过程中，一直保持套管直通到井底，改善井控状况；（4）套管只是单方向钻入地层，不再起出。除非打完井后确认是干井，可能要起出最后一段套管柱；（5）套管钻井可沿用许多已有的钻井技术，如定向钻井、注水泥、测井、取芯和试井等作业；（6）应用这些技术和原来相比主要区别是不再依靠钻杆，而是靠钢丝绳进行更换钻头作业；（7）套管钻井使用标准的油田套管进行，唯一不同的是，套管接箍或螺纹需要改进，以便提供钻井所需要的扭矩；Tesco公司打第一口试验井时选用的螺纹是（Hy
14、drill 511 Premium Thread），接箍则选用改进型加强接箍（Modified Buttress Coupling）。3.1.2套管钻井的优点（1）减少起下钻的时间。用钢丝绳起下更换钻头要比传统的用钻杆起下钻大约快5-10倍；（2）节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用；（3）因为井筒内始终有套管，也不再有起下钻杆时对井筒内的抽汲作用，使井控状况得到改善；（4）消除了因起下钻杆带来的抽汲作用和压力脉动；（5）用钢丝绳起下钻头时能保持泥浆连续循环，可防止钻屑聚集，也减少了井涌的发生；（6）改善了环空上返速度和清洗井筒的状况。向套管内泵入泥浆时因其内径比钻杆大，减
15、少了水力损失，从而可以减少钻机泥浆泵的配备功率。泥浆从套管和井壁之间的环形空间返回时，由于环空面积减小，提高了上返速度，改善了钻屑的携出状况；（7） 可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用。（8）钻机更加轻便，易于搬迁和操作。人工劳动量及费用都将减少；（9）根据Tesco公司的测算，打一口10000英尺的井，可节省钻井时间约30%。3.1.3套管钻井的范围套管钻井适用于油层埋藏深度比较稳定的油区，由于套管钻井完井后直接固井完井，然后射孔采油，没有测井工艺对储层深度的测量、储层发育情况的评价，故此要求油层发育情况及埋藏深度必须稳定，这样套管钻井的深度设计才有了保证。3.1.4套管钻井的准备
16、条件就位钻机基座必须水平，为设备平稳运转及钻井过程中的防斜打直创造良好的条件。套管钻井中所选择套管必须是梯形扣套管，因其丝扣最小抗拉强度是同规格型号圆形扣套管的2倍左右，能有效增大套管钻井过程中的安全系数；其次梯形扣套管，便于操作过程中上卸扣钻头优选条件必须满足施工中扭矩尽可能小，水马力适中的原则。根据扭矩的情况，可以考虑选择牙轮钻头和PDC钻头。因牙轮钻头数滚动钻进，能有效减少转盘及套管扭矩，但其要求钻压较大，不利于套管柱的防斜。PDC钻头需钻压小，一般（20-60KN），钻进速度较快，套管柱所受弯曲应力小，扭矩小，符合选择要求。在选择钻头的同时，还要求选好水眼。水眼过小，总泵压高，对套管内
17、壁冲蚀严重，长时间高压容易损坏套管；水眼过大，钻头处冲击力低，将影响钻井速度。3.1.5套管钻井的参数设置钻压控制在10-30KN。一是有利于防止套管弯曲引起井斜；二是有利于减少套管扭矩，防止钻进过程中出现套管事故。转速控制压60-120r/min。其优点是：减少套管柱扭矩；低转速钻进，有利于减轻套管柱外壁与井壁之间的磨损。总泵压控制在6-7MPa以内。一是减少钻井液对套管柱内壁冲蚀；二是减少对回压凡尔的冲蚀磨损。3.1.6套管钻井的技术要求套管钻井与常规钻杆钻井有相同之处，亦有不同之处。下面介绍套管钻井特有的技术要求。钻具的主要构成（如图2）有套管、扶正器、轴向承载壳体、承扭壳体、套管鞋、密
18、封器、轴向锁定器、止位环、扭矩锁定器、扩眼器、钻头等，这些工具与常规钻杆钻井工具不同或者技术参数要求不同，它们构成了套管钻井独特的技术特征。3.2水基钻井液新技术水基钻井液的成膜理论与控制技术是近年来国内外研究较多和发展较快的一类新型钻井液技术和理论。该理论与技术的提出基于解决两方面问题：一是非酸化屏蔽暂堵保护储层；二是成膜护壁维持井壁稳定。众所周知，国内外保护储层技术最普遍使用的是屏蔽暂堵技术，该技术在国内的应用己见到很好的效果。非酸化隔离膜保护储层技术的核心内容是尽量减少钻井液中的有害固相含量，通过改变钻井液处理剂的抑制性使钻井液本身固相颗粒的粒度大小与储层的孔隙大小相匹配，有效封堵孔隙，
19、与此同时，利用成膜技术中特定的聚合物在井壁岩石表面形成一层防止钻井液和钻井液中有害固相进入储层的屏障，即隔离膜。无需进行酸化作业，求得最大自然产能，与屏蔽暂堵技术相比可节省大量的屏蔽暂堵材料费用和酸化作业费用3.2.1无渗透钻井新技术无渗透钻井液技术（简称NIF钻井液），是由美国环保钻井技术公司（EDTI）生产的一种钻井液。该钻井液主要由DWC2000（增粘剂）、FLC2000（动态降漏失剂，注意：不是API降滤失剂）、KFA2000（润滑剂）组成，是一种据称可以在超低固相含量下，使所钻地层损害接近于零的钻井液。这种钻井液依靠表面化学原理在地层表面产生可以密封地层的非渗透膜，实现同一种组分的钻
20、井液封闭不同孔隙尺寸分布的地层的目的，从而实现钻井液对地层的无渗透。NIF钻井液可以无损害地钻开油层，还可以钻进油层与页岩的互层、在同一裸眼井段中不同压力的油层、由于力学原因而严重失稳的地层。室内试验表明，NIF钻井液可使岩石的渗透率恢复率达到90 %以上。3.2.2水基成膜钻井液技术这种技术在理论上认为,在水基钻井液中,通过加入一到几种成膜剂,可以使钻井液体系在泥页岩等类地层井壁表面形成较高质量的膜。这样可阻止钻井液滤液进入地层,从而在保扩油气层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。国外MI钻井液公司对页岩的膜效率进行过比较系统的研究,并取得了一些成果,比如他们研究认为,在水基钻井液中可以
21、形成三种类型的膜：（1）水基钻井液成膜（型膜）。这类膜形成于页岩表面,钻井液滤液、页岩粘土、孔隙流体的化学性、孔隙尺寸、滤液粘度、渗透率、粘土组分和页岩的胶结作用都会影响膜的形成。在水基钻井液中能够成膜的物质有糖类化合物及其衍生物（如甲基葡糖贰MEG）、丙烯酸类聚合物、硅氧烷、木质素磺酸盐、乙二醉及其衍生物和各种表面活性剂（如山梨糖醇配的脂肪酸盐）；（2）封堵材料成膜（型膜）。如硅酸盐、铝酸盐、铝盐、氢氧化钙和酚醛树脂等封堵材料。在实验中发现在硅酸盐钻井液中加入糖类聚合物可保持实际渗透压接近理论渗透压。硅酸盐钻井液的成膜效率可达到70%以上；（3）合成基和逆乳化钻井液成膜（型膜）。钻井液中的流
22、体和页岩作用导致了毛细管力和较高的膜效率。此膜是由连续相的可移动薄膜、表面活性剂薄膜和钻井液的水相的薄膜组成的胀、机械整形,井漏现象完全消失。下入可膨胀波纹管后至该井完钻,完钻泥浆密度1.55g/cm3（临界漏点1.45g/cm3）,整个过程井下均未发生漏失。完钻后井径测试曲线表明,波纹管内最小直径220mm,完全满足钻头通过,充分证明了可膨胀波纹管堵漏技术试验成功。3.2.3纳米处理剂基础上的钻井液技术通常将纳米尺寸范围定义为1100nm,处于团簇（尺寸小于1nm的原子聚集体）和亚微米级体系之间,其中纳米微粒是该体系的典型代表。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大,表面原子数、表面能和表面张力随粒
23、径的下降急剧增大,表现出四大效应:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点,从而使纳米粒子出现了许多不同于常规粒子的新奇特性,展示了广阔的应用前景。为了在正电性钻井液技术基础上,进一步改善钻井液的综合性能,探索纳米技术在钻井液完井液领域中的应用。由中国石化石油勘探开发研究院、胜利石油管理局和山东大学共同承担了中国石化科技开发部纳米技术在钻井液完井液中的应用研究项目,通过此项攻关研究,欲达到以下目标：（1）研究成功正电纳米钻井液处理剂；（2）研究成功一种新型纳米润滑剂；（3）形成一种新型防塌保护油层钻井液体系和新型纳米润滑工艺技术。在以往国内外同行对钻井液技术的研究中,均着眼于
24、如何改变钻井液体系中组份的物理化学性质来达到目的,有目的地从纳米技术的角度来对钻井液技术进行研究,国内外这方面的工作做的还很少。目前,该项研究的室内工作已全部结束,取得一些阶段性成果,所研制的中试产品性能达到了合同的要求。在研究出的新材料基础上形成的钻井液体系,经在胜利油田三口井中进行试验,取得了明显的效果。可以预见,以上项目的研究完成,将提高钻井液的水平。3.3应用钻井新技术控制污染3.3.1小井眼钻井工艺小眼井集中地体现在大幅度降低钻井费用（降低30%75%） 和最大限度地减轻对环境的污染及不良影响方面。在减少环境污染的情况下基本不影响产能，因而切实可行、值得推广。3.3.2多功能钻井液技
25、术多功能钻井液是在原有钻井液基础上转化而来的，即添加不多的水淬高炉矿渣或其他可水化材料，基本上不影响钻井液的滤失性、润滑性、流变性、携岩能力及密度等性能。它在非碱性环境中呈化学惰性，可长期保持流动性；而固井时其泥饼和环空中残留钻井液全部固化，防止了油、气、水窜复杂情况，尤其适用于水平井固井施工。它不仅能大幅降低固井成本，还为减少废弃钻井液的污染提供了全新思路。3.3.3分支井钻井技术分支井也称多底井，即在一口主井眼内钻出两口或多口分支井眼。分支井在环境保护方面的优点一是能够减少钻井液的用量，从而减少废弃钻井液的产生量；二是能够更好地利用平台和地面设施， 减少井场占地面积；三是由于在一口主井眼内
26、钻出两口或多口分支井眼，可减少钻井岩屑的产生量，减少对环境的污染；四是减少了钻井作业的时间，可节约燃料油，减少废气排放量。3.3.4应用新型钻井液体及添加剂钻井废弃物对环境的危害性差别很大，这主要取决于所用的钻井液及其添加剂的类型，因此，积极开发并尽量选用低污染或无污染钻井液及添加剂，是从根本上治理钻井液污染的首要措施。20世纪90年代以来，为了减轻钻井废弃物对环境的污染，国外和国内一些公司特别注重各种新型低污染钻井液的开发，包括研制各种新型低毒无害的化学添加剂，以替代传统的化学添加剂，如甲酸盐基钻井液完井液体系、甘油聚合物钻井液、酯基钻井液体系和仿油性水基钻井液。另外，还利用气体或泡沫作为钻
27、井流体来实施钻井，这些钻井液已在国内油田应用，既保护了油气层，又减少了对环境的污染。第6章 结 论 现阶段钻井技术的发展经过了起步时期，正处于高速发展的阶段。而中国石化新的发展战略也为钻井工程技术的发展提供了广阔的舞台。目前胜利钻井院正在负责起草中国石化“十一五”钻井科技发展规划，旋转导向钻井技术、垂直钻井技术、空气钻井技术、套管钻井技术、膨胀管的制造与应用技术、随钻测井技术等一些世界领先的新技术、新装备将是攻关重点。要提升石油钻井技术，必须在引进、消化、吸收的基础上，强化自主创新，形成具有自主知识产权的核心技术，这既是参与市场竞争、壮大发展实力的需要，也是促进石油工程技术迈入全新发展阶段的需
28、要。从管理上,一方面要加强钻井科技投入,与服务公司联合共同解决制约勘探开发的钻井技术难题,加强地质研究和钻井设计,降低钻井风险;另一方面要加强现场监督,提高生产时效,缩短钻井时间,推进钻井技术进步,通过高效钻井,不断降低勘探开发的成本参考文献1赵庆波.等.煤层气地质与勘探技术M.石油工业出版社，1999；（911）.2徐同台.等.国外钻井液和完井液技术的新进展J.钻井液与完井液,2004；（2）.3孙金声.等.水基钻井液成膜技术研究J.钻井液与完井液,2004；20（6）:610.4孙金声.等.水基钻井液成膜技术研究J.钻井液与完井液,2004；5张彦平.等.波纹管堵漏技术在吐哈油田L7-71井的应用J.石油钻采工艺,2005；27（1）.6张克勤.等.国外水基钻井液半透膜的研究概述J.钻井液与完井液,2004；15致谢论文完成之际，我衷心的感谢中国石油大学（华东）培训学院给了我这次学习的机会，通过二年的学习，自己的理论知识得到了很大的提高，学到了很多专业性很强的东西，为以后的工作打下扎实的基础。同时，感谢教导我的老师在我学习中给予的关心、帮助。各位导师宽广的知识面及专业的学术知识都是激励我上进的目标。最后，感谢老师在百忙之中审阅我的论文，由于我的水平有限，论文之中出现的不足以及错误之处，敬请各位老师指正。谢谢！
