《钻井与完井工程》复习资料.docx

第一章 钻井概述1、钻井的定义：利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的园柱形孔眼的工程。2、各类井型：(1)地质基准井<参考井>:为了了解地层的沉积年代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理勘探提供各种参数所钻的井。(2)预探井:主要上为探明油田面积，油水边界线，为油田计算可靠工业储量提供资料所钻的井。(3)详探井:在已证实有工业开采价值的油田上，为确定油层参数，查明油田地质特性，为油田开发做好准备的井，这种井在油层部位要求全取心。(4)生产<或开发>井:在已探明储量，有开采工业价值的油田构造上钻产油产气井(5)注水<气>井:为了提高采收率，达到稳产所钻的井。注水注气的主要目的是为了给地层提供生产油气所必须的能量。第二章 井身结构设计1、井身结构定义：套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸(钻头尺寸)与套管尺寸的配合。2、三压力：(1)地层压力( Formation Pressure) PP:是指作用在岩石孔隙流体(油气水)上的压力，也叫地层孔隙压力。(2)地层破裂压力(Fracture Pressure)Pf:在井中，当地层压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层破裂压力。(3)地层坍塌压力(Caving Pressure)Pc:当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌，我们称这个压力为地层坍塌压力。3、静液柱压力(Hydrostatic pressure)Ph：由液柱重力引起的压力。4、上覆岩层压力 P0(Overburden Pressure)：某处地层的上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质(岩石)和孔隙中流体(油气水)的总重力造成的压力。5、压力梯度：单位高度(或深度)增加的压力值。6、有效密度(当量密度)：钻井液在流动过程中有效地作用在井内的压力为有效液柱压力，通过有效压力换算得到的液体密度称为当量密度(ECD)。7、DC指数法预测地层压力的原理：机械钻速随压差的减少而增加。正常情况下，钻速随井深的增加而减小，Dc增加，在异常地层压力地层，钻速增加而dc减小。适用范围：岩性为泥岩、页岩；钻进过程中的地层压力监测和完钻后区块地层压力统计分析。8、地层井内压力系统的平衡：；(PmE钻井液有效液柱压力)9、井身结构设计的主要原则：(1)能有效保护油气层；(2)能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件；(3)当实际地层压力超过预测值使井出现液流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。10、井身结构设计的基础参数：(1)地质方面的数据：岩性剖面及故障提示；地层压力梯度剖面；地层破裂压力梯度剖面。(2)工程数据：抽汲压力系数Sw；激动压力系数Sg；地层压力安全增值Sf；溢流条件Sk；压差匀值。11、套管类型：导管、表层套管、技术套管(中间套管)、油层套管(生产套管)、尾管。第三章 钻井液1、钻井液的定义：具有满足钻井与完井工程所需要的多种功能的循环流体。2、钻井液的功能：(1)钻井方面：清洗井底，携带岩屑；冷却、润滑钻头和钻柱；形成泥饼，保护井壁；控制和平衡地层压力；悬浮岩屑和加重材料；提供所钻地层的地质资料；传递水功率；防止钻具腐蚀。(2)在保护储集层方面：控制固相粒子类型、含量及级配，防止固相粒子对油气层通道的阻塞损害；保持液相与地层的相容性。3、钻井液的基本成分由分散相+分散介质+化学处理剂组成。各相具体成分可以是：分散介质：水(淡水、盐水、饱和盐水等)，油(轻质油等)，气体(空气、氮气、天然气等)；分散相：膨润土(钠、钙膨润土，有机土，抗盐土等)，加重材料(重晶石、铁矿粉等)，水，气，油。处理剂：各种维护分散体系稳定和调整分散体系性能的化学添加剂。4、钻井液主要类别：(1)水基钻井液：不分散钻井液、分散钻井液、钙处理钻井液、聚合物钻井液、低固相钻井液、盐水钻井液；(2)油基钻井液；(3)合成基钻井液；(4)空气、雾、泡沫和充气钻井流体。5、粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。研究意义:(1)粘土是配浆的基础材料；(2)泥浆是粘土-水的溶胶-悬浮体；(3)地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘土矿物有关。6、常见的粘土矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石和绿泥石。7、粘土矿物的水化：粘土表面吸附水分子，使粘土表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离扩大，产生膨胀以至分散的作用。它是影响水基泥浆性能和井壁稳定的重要因素。8、钻井液的基本工艺性能：流变性和失水造壁性。钻井液的全套性能：流变性、失水造壁性、密度、含砂量、pH值、固相含量和油水含量、膨润土含量、滤液化学性质。9、钻井液流变性(rheological properties)：在外力作用下，钻井液流动和变形的特性。如钻井液的塑性粘度、动切力、表观粘度、有效粘度、静切力和触变性等性能都属流变性参数。10、剪切速率(shear rate)：在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量；剪切应力(shear stress)：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩擦力。11、粘度(viscosity)：钻井液流动时，固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、以及液体分子之间的内摩擦的总反映。影响泥浆粘度的基本因素：粘土含量(含量大，粘度大)；土粒的分散度(增加塑性粘度)；土粒的聚结稳定状况或絮凝强度(结构粘度)；高分子处理剂的性质、分子量和浓度。12、钻井液的静切应力和动切应力：静切应力：是钻井液静止后形成的凝胶结构强度强弱的反映，从流体力学观点看，它是钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。动切应力：使钻井液开始做层流流动所必需的最小剪切应力。13、触变性：搅拌后泥浆变稀(切力降低)，静置后泥浆变稠(切力升高)的特性。剪切稀释性：表观粘度随剪切速率增大而降低的现象。14、钻井液流变性与钻井的关系：(1)影响钻井速度；(2)影响环空携岩能力；(3)影响井壁稳定；(4)影响岩屑与加重物的悬浮；(5)影响井内压力激动；(6)影响钻井泵压和排量；(7)影响固井质量。15、钻井液的液相和固相全部进入地层的现象称为漏失，滤失则是指钻井液中只有液相进入地层的现象。钻井液中的自由水在压差作用下向多孔性地层滤失渗透的过程叫做失水。失水类型：瞬时失水、动失水、静失水。在失水的同时，钻井液中的固体物质和固体物质上吸附的少量水滞留在井壁上形成的胶结物叫泥饼。16、失水造壁性与钻井的关系，在钻井过程中如何调节失水造壁性，具体措施有哪些？Ø 泥浆失水过大会引起：水敏性泥岩、页岩的垮塌、缩径；损害油气层。Ø 泥饼厚会引起：上提力增加，甚至发生泥饼卡钻；钻头泥包，使起下钻压力激动增大；妨碍套管下入，固井时不利于水泥与井壁的胶结。Ø 对失水和泥饼的要求：在成本可行的条件下，尽量降低失水并控制自由水的性质；泥饼薄、致密、韧性好。Ø 控制泥浆的失水和造壁性，关键要控制泥饼的渗透性，而泥饼的渗透性决定于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸、形状与水化程度。具体措施Ø 使用膨润土，以便形成致密泥饼Ø 加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂，提高粘土颗粒的分散度。Ø 加入CMC或其它聚合物，以保护粘土颗粒，CMC 起堵孔作用。Ø 加入极细的胶体粒子。17、常见的井下复杂情况：漏、塌、喷、卡。第四章 钻进工艺1、影响钻进过程的因素：(1) 地层岩性: Ø 地层岩性是影响因素中不可改变的客观因素，因此对它的研究工作主要是认识它，以便在钻进过程中去适宜它。Ø 对地层岩性认识的准确和可靠与否，决定了钻进工艺技术的合理性。要达到这个目的，必须从二方面入手：一是充分了解和掌握岩石的基本物理机械性质、基本破碎规律；二是准确预报、预测钻遇地层的岩石类型。(2) 钻井液性能:钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量。大量实验证明，钻井液的各性能对钻速都有一定影响，其中对钻速影响较大的钻井液性能主要是：密度，固相含量，粘度，失水，含油量。(3)钻头类型(4)水力参数(5)机械参数(3)、(4)、(5)详见教材P130-131。2、岩石的力学特性包括岩石的变形和强度特性。衡量岩石力学性质的参数包括：弹性、塑性、韧性、强度。岩石的弹性常数：杨氏弹性模量、剪切弹性模量、体积弹性模量和泊松比。岩石的泊松比是指横向应变与纵向应变之比。岩石的强度：岩石受外力作用而达到破坏时的应力。强度包括：单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度。岩石的硬度：岩石抵抗其他物体压入其内的能力，也叫抗压入强度。岩石的研磨性：岩石磨损破岩工具表面的能力，它是由钻头工作刃与岩石相互磨擦过程中产生微切削、刻划、擦痕等造成的。岩石的可钻性：岩石破碎性难易性。3、钻头(Bit)：是破碎岩石形成井眼的主要工具，它直接影响着钻井速度、钻井质量和钻井成本。钻头类型：刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头及特殊用途钻头。牙轮钻头破岩的基本作用：牙轮钻头在井底工作的复合运动；钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用；牙齿对地层的剪切作用。4、水力参数包括：射流水力参数：喷射速度、冲击力、水功率；钻头水力参数：钻头压降、钻头水功率。5、钻井液的循环路径：6、机械参数是指钻头的工作参数，包括：钻压和转速。7、钻柱：是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱的功用：Ø 施加钻压；Ø 建立井内钻井液循环通道,并传递水力能量；Ø 将地面的能量传递给钻头(传递扭矩)；Ø 使井不断地加深；Ø 传递井下信息；Ø 中途测试、安放尾管、下电测工具；Ø 处理井下复杂和事故。基本钻柱组合：钻铤配合接头钻杆配合接头方钻杆。钻柱在钻井过程中的运动形态：Ø 自转：钻柱绕自身轴线的旋转。Ø 公转：围绕井眼轴线的旋转。Ø 涡动：钻柱绕自身轴线自转时，由于钻柱与井壁接触产生磨擦力，使钻柱以一定速度按逆时针方向绕井眼轴线旋转形成涡动。Ø 轴向振动Ø 扭转振动 Ø 横向振动钻柱受力分析：Ø 轴向力：钻柱自重、泥浆浮力、钻具与井壁间的摩擦力、起下钻动载。Ø 扭矩：驱动扭矩、摩擦扭矩。Ø 径向挤压力：起下钻卡瓦的作用、DST测试过程中管外液体压力。Ø 弯曲力矩：由横向钻具变形引起的力矩。Ø 动载：由钻柱旋转引起的力。8、影响机械钻速的因素有哪些？并说明各因素是如何影响机械钻速的？第五章 钻井过程压力控制1、气侵：指井内的天然气以渗漏（透）的形式钻井液中。井涌：指井口泥浆有外溢的现象。井喷：指地层流体无控制入井。井控技术：主要是及时发现溢流并在保证井底压力略高于地层压力的条件下，有效地排除溢流的技术。压井：当出现溢流或井喷时，向井内泵入高密度钻井液以恢复和重建井内压力平衡的作业。2、与压力有关的钻井方式Ø 平衡钻井：在钻井时，井内有效液柱压力刚好能够平衡地层压力的钻井技术；Ø 近平衡钻井技术：在钻井时，井内有效液柱压力略高于地层压力，起钻时井内有效液柱压力等于地层压力的钻井技术；Ø 欠平衡钻井：在钻井时，井内有效液柱压力小于地层压力的钻井技术；Ø 过平衡钻井技术：在钻井时，井内有效液柱压力大于地层压力的钻井技术。3、波动压力Ø 激动压力：下放管柱过程中所产生的附加压力。激动压力会使井内压力增加。Ø 抽吸压力：上提管柱过程中所产生的附加压力。抽吸压力会使井内压力减少。为什么要研究波动压力？Ø 由于起钻速度过高导致井喷；Ø 下钻速度过快压漏地层，导致井塌、卡钻等井下复杂事故；Ø 激动压力是导致产层损害的因素之一；Ø 抽汲减少井眼中压力引起井喷；Ø 抽汲导致地层流体进入井眼污染泥浆；Ø 下钻、下套管引起过高的激动压力而发生井漏；Ø 抽汲和压力激动交替变化，使井壁不稳定。4、钻井过程中引发溢流或井喷的原因(钻井过程中导致井喷的原因有哪些？为了避免重大井喷事故的发生，应该采取哪些工艺措施？)：Ø 地层压力掌握得不确切：这是在新探区经常会遇到的情况。（参照邻井资料定地层压力，加强随钻地层压力监测。）Ø 钻井液液柱高度H降低：起钻过程中未灌及时灌钻井液；井漏没有及时发现。（加强监测，及时处理井漏）Ø 钻井液密度降低：这常常是钻开油气层后，油气水不断侵入钻井液所造成的。Ø 抽吸压力导致井底压力降低(减少抽吸作用的方法:平衡地层压力的合适泥浆密度，并附加安全系数;尽可能小的泥浆粘度和切力;井内有许多钻具时，降低起钻速度;钻杆与井眼间应有适当有间隙)。溢流的早期发现：Ø 泥浆池液面升高Ø 钻速突快Ø 井口返出钻井液流体速度增大Ø 立管压力下降Ø 地面油、气、水显示Ø 钻井液性能变化5、气侵Ø 钻井过程中，地层中的天然气进入井筒的现象称为气侵。气侵无论是在侵入方式方面，还是在井内的运动状态方面，都不同于油水侵，并且气侵的危害是最大的。气侵的途径与方式Ø 钻进气层时，随着气层岩石的钻碎，岩石孔隙所含的气体侵入钻井液；Ø 气层中气体通过泥饼向井内扩散；Ø 当Pm<Pp时，气体由气层以气态或溶解状态大量地流入和渗入钻井液。6、钻井过程中导致井喷的原因有哪些？为了避免重大井喷事故的发生，应该采取哪些工艺措施？第六章 定向钻井1、定向井：按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的井。定向井的应用范围：Ø 地面限制：油田所处地面不利于或不充许设置井场钻井或搬家安装受到极大障碍。Ø 地下地质条件要求:由于地质构造特点，定向井能更有利于发现油藏、增加开发速度。Ø 钻井技术的需要：如需要定向井来处理井下复杂情况或易斜地层的钻井。Ø 其他方面的需要：如过江管道的铺设、海上生产集输需要等。2、定向井的基本要素：Ø 井深：井眼轴线上任一点到井口的井眼长度，也称为该点的测量井深或斜深。Ø 井斜角：测点处井眼方向线（切线，指向前方）与重力线间的夹角。Ø 方位角：测点处正北方向至井眼方向线在水平面投影线间夹角。Ø 井斜变化率：单位长度井段内井斜角的改变值，常用单位为：°/30米。Ø 方位变化率：单位长度井段内方位角的改变值，常用单位为：°/30米。Ø 垂深：井眼轴线上任一点到井口所在水平面的距离。Ø 水平位移：井眼轴线上任一点到井口所在铅垂线的距离。3、井眼曲率（全角变化率、狗腿度）：单位井段长度内井眼切线倾角的改变。对于方位不变时，也即井斜变化率。4、井身剖面：所钻井眼达到目标点的井眼路径或轨迹。井身剖面是由各种不同类型的单一形状空间直线或曲线组成的。5、工具造斜率：造斜工具在单位长度井眼能增加的井斜值。6、常规二维井身剖面：直、增、稳三段制剖面及直、增、稳、降、稳五段制剖面。7、定向井井眼轨迹设计内容和步骤：Ø 掌握原始资料：包括地质要求，地面限制、地质剖面、地层造斜规律、工具能力，钻井技术、故障提示、井口及井底坐标；Ø 确定剖面类型；Ø 确定造斜点、造斜率；Ø 计算最大井斜角；Ø 计算剖面上各井段井斜角、方位角、垂深、水平位移、段长；Ø 校核曲率。8、井眼轨迹测量计算：为了能知道实钻井眼是否和设计的井眼相一致，判断是否能钻达钻井目标，必须测定地下井眼的位置。井眼轨迹测量的目的：Ø 随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标；Ø 当需要造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向；Ø 确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险；Ø 确定钻遇的各地层的真垂深，以绘制出准确的地质剖面图；Ø 为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置；Ø 沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量。Ø 为完井工程提供井眼轨迹数据。9、井斜的原因：Ø 地层及其各向异性：岩石的各向异性和软硬交错在井眼的自然弯曲中起主要作用并具有一定的规律性。Ø 钻柱弯曲时引起的钻头侧向力。Ø 钻头结构引起的各向异性。10、井斜控制：利用造斜工具；方位控制：造斜工具的安放方向。装置角：井斜铅垂面顺时针旋至造斜工具面所转过的角度。第七章 固井1、固井：向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业。包括下套管、注水泥、候凝及检测评价等工艺。2、固井目的：Ø 封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行Ø 封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜Ø 进行增产措施Ø 安装井口3、套管静载：Ø 轴向力：自重、浮力；Ø 径向外挤压力：管外液体对套管产生的压力；主要来自于水泥浆液柱压力；地层中流体压力及易流动岩层的侧压力等；Ø 径向内压力：管内液体对套管产生的压力；主要来自于钻井液、地层流体（油、气、水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时所施加的压力。Ø 弯曲附加拉力Ø 温差应力。4、目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成。水泥环：在井下环形空间中的水泥石。5、为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。性能包括：Ø 水泥浆密度Ø 水泥浆稠化时间Ø 水泥浆流变性Ø 水泥浆失水量Ø 水泥浆稳定性Ø 水泥石抗压强度Ø 水泥石渗透率6、为提高顶替效率，所采取的主要措施有：Ø 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度；Ø 注水泥时活动套管；Ø 采用紊流或塞流流态注水泥；Ø 采用前置液；Ø 注水泥前调整钻井液性能；Ø 增加紊流接触时间等。第八章 完井1、完井：油气井的完成方式，即根据油气层的地质特性和开发开采的技术要求，在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道或连通方式。2、常规的完井方法：裸眼完井、射孔完井、割缝衬管完井、砾石充填完井。第九章 储层保护1、渗透率：在一定压差作用下，孔隙岩石允许流体通过的能力大小度量。储层损害：在钻井、完井、井下作业及油气田开采全过程中，造成油气层渗透率下降的现象。2、储层敏感性评价：（1）速敏性：是指在钻井、测试、试油、采油、增产作业、注水等作业或生产过程中，当流体在储层中流动时，引起储层中微粒运移并堵塞喉道造成储层渗透率下降的现象。速敏评价实验的目的找出由于流速作用导致微粒运移从而发生损害的临界流速，以及找出由速度敏感引起的储层损害程度；为以下的水敏、盐敏、碱敏、酸敏四种实验及其它的各种损害评价实验确定合理的实验流速提供依据。一般来说，由速敏实验求出临界流速后，可将其它各类评价实验的实验流速定为0.8倍临界流速，因此速敏评价实验必须要先于其它实验；为确定合理的注采速度提供科学依据。（2）水敏性：储层中的粘土矿物在原始的地层条件下处在一定矿化度的环境中，当淡水进入地层时，某些粘土矿物就会发生膨胀、分散、运移，从而减小或堵塞地层孔隙和喉道，造成渗透率的降低的现象。水敏实验目的：了解粘土矿物遇淡水后的膨胀、分散、运移过程，找出发生水敏的条件及水敏引起的储层损害程度，为各类工作液的设计提供依据。（3）盐敏性：在钻井、完井及其它作业中，各种工作液具有不同的矿化度，有的低于地层水矿化度，有的高于地层水矿化度。当高于地层水矿化度的工作液滤液进入储层后，将可能引起粘土的收缩、失稳、脱落，当低于地层水矿化度的工作液滤液进入储层后，则可能引起粘土的膨胀和分散。这些都将导致储层孔隙空间和喉道的缩小及堵塞，引起渗透率的下降从而损害储层。盐敏评价实验的目的：找出盐敏发生的条件，以及由盐敏引起的储层损害程度，为各类工作液的设计提供依据（4）碱敏性：当高pH值流体进入储层后，造成储层中粘土矿物和硅质胶结的结构破坏（主要是粘土矿物解理和胶结物溶解后释放微粒），且大量的氢氧根与某些二价阳离子结合会生成不溶物，造成储层的堵塞损害现象。碱敏实验目的：找出碱敏发生的条件，主要是临界pH值，以及由碱敏引起的储层损害程度，为各类工作液的设计提供依据。（5）酸敏性：酸化酸液进入储层后，一方面可改善储层的渗透率，另一方面又与储层中的矿物及地层流体反应产生沉淀并堵塞储层的孔喉。指储层与酸作用后引起渗透率降低的现象。酸敏实验目的：是研究各种酸液的酸敏程度，其本质是研究酸液与储层的配伍性，为储层基质酸化和酸化解堵设计提供依据。3、钻井过程中储层损害的原因：Ø 钻井液中固相颗粒堵塞储层Ø 钻井液滤液与储层岩石不配伍引起的损害Ø 钻井液滤液与储层流体不配伍引起的损害Ø 油相渗透率变化引起的损害Ø 负压差急剧变化造成的储层损害钻井过程中影响储层损害程度的工程因素：压差、浸泡时间、环空返速、钻井液性能。8