深井超深井钻采工艺

深井超深井钻采工艺 摘要 深井、超深井的施工采用了许多现代高科技手段，包括VDS垂直钻井系统、顶部驱动钻机、铝合金钻杆、不起钻金刚石绳索取心、抗温能力超过250?的深井钻井液等，并且在资料与信息的处理上大量应用了及时跟踪和电子模拟技术，使得各种数据的分析更加直观化，例如现代深井钻井施工已经彻底实现了利用计算机终端进行井下复杂情况的监控，钻井工程师可以根据电脑屏幕所提供的信息快速地决策井下复杂情况的处理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，减少了决策所需时间，降低了问题的复杂程度，提高了处理效率。然而，随着井深的不断增加，各种问题出现的几率也成倍增大，如超高密度钻井液的使用技术、井身结构的合理确定、在施工条件下先进技术与工具的有效使用、长寿命钻头的制造、井身质量、钻进方式的选择、深部地层稳定方案的实施等都会影响钻进深度的进一步加大。本文根据国内外已完成深井、超深井的资料，对深井钻井、超深井钻井作业所遇到的技术问题进行了剖析，初步将超深井钻井技术问题的解决归纳为井深结构方案、硬地层钻进技术、深井防斜打快技术、深井钻井液研究、深井完井方案，并就解决的技术 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 提出了建议。 关键词:深井、超深井、钻井液、完井 按照国际通用概念，井深超过4500m的井称为深井，井深超过6000m的井为超深井，超过9000m的井为特深井。目前世界上深井钻探工作量最大的是美国，迄今为止累计工作量占全球的85%。1984年，原苏联在科拉半岛的波罗地盾结晶岩中钻成世界上第一口12260m特深井SG-3井(1991年第二次侧钻至终深12869m)。专家们在认真考察当今技术水平的基础上，认为利用目前最先进的技术已具备钻达15000m深度的能力川，美国已在着手制定这方面的深井钻井 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 。从实用角度看，钻探超深井的目的为:?开采地球深部的地热资源;?普查或钻探陆地及大陆架深部的石油天然气资源;?对深度大于3000m的金属矿的形成、存在状态以及远景含量进行评价。随着技术的发展，使得当今施工超深探井的目的已不再局限于创造直接的经济价值，更多的原因是利用超深井来揭示埋藏地下深处、地质年龄高于5亿年的岩石(奥陶纪以老)组成及存在状态，并从中获取物理、化学、生物、遗传学以及地质科学等方面的相关信息。在超深井的实施过程中，人类的技术能力一次次受到极端条件的考验，在应付每一次极端考验的过程中， 人类对自然规律的认识水平均会再上一个新台阶。 一 深井、超深井施工的技术现状 1.1 国外深井钻井简况 在目前常规的技术条件下，施工一口井深为5-6km的井钻井技术已经成熟。有关的统计表明，目前世界上可以施工4500m以上的深井有80多个国家，其中以美国的施工技术最先进，全世界钻成的6口特深井，美国占3口，原苏联2口，德国1口。从钻井水平和工作量看，美国和前苏联仍居前列，近年来世界上的深井作业量多集中于欧洲的北海。该地区所钻的井平均井深超过5000m，井底压力高达99.8-105.5MPa，井底温度高达200?，属高温高压海上探井。位于德国普法尔茨的温迪施琴巴赫小镇上的KTB科探井在施工时应用了VDS垂直钻井 系统、顶部驱动钻机、铝合金钻杆、不起钻金刚石绳索取心、环空最小间隙(10.9mm)套管方案、大眼钻井(完井井径215.9mm) 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、无固相Dehydrik抗25?, 高温钻井液、耐200?高温的低转速大扭矩螺杆马达和带变速装置的涡轮钻具等高新技术成果。日本在地热井技术方面亦处于世界先进行列，早在1992年以前，用旋转钻机钻成5000m以上的深井23口，其中最深的井为5315m，井底最高温度达193?。1955年7月，日本重金属与化学有限公司(JMC)在东京以北葛根田地热区WD-1A井井深3729m处曾钻遇500?超高温地层。该井在井深3642m处钻遇HS气体随钻井液返至地表，为安全考虑停钻观察了159h。在井深2600m2 处(,215.9mm井段)地温超过350?，在这种条件下采用井下马达(BHM)、随钻测量仪(MWD)成功纠斜，用特制的顶驱系统(TDS)下钻;在严格的环空和钻杆内温度监测条件下，不喷高温蒸汽时可以钻进5000m高温地层;遇500?高地温时，井深3500m处钻井液的循环温度可控制在170?以下;用钻井液冷却钻具和顶驱系统。最近几年，由于高新技术在深井钻井作业中的运用数量越来越多，使得深井钻井工程成为又一个高新技术密集区。 1.2 国内深井钻井施工概况 自1996年大庆钻成中国第一口深井—松基6井(完钻井深4719m)开始，中国深井钻井已经历了35年的历史，主要深井和全部超深井均分布于四川和新疆。 在1978-1998年的时间内，中国先后完成3口7000m超深井，如关基井，完钻井深为7175m，最长裸眼段为3716m;固2井，完钻井深为7002m，钻井周期为353d;塔参1井，完钻井深7200m(实际垂直井深7192.09m)，钻井周期为647.46d。根据有关资料的综合分析，可将1994年作为一个分界点，在此之前，国内钻井技术人员在复杂地质条件下还不能完全掌握或运用深探井科学施工规律，只能用“科学探索”办法解决复杂深探井(特别是新区第一口探井)施工的基本问题，更谈不上用“高新技术”或“先进适用技术”提高钻速、减少钻头用量、缩短周期、降低成本等解决复杂问题。继“五口科学探索井”在塔里木盆地成功实施以后，该地区复杂地表地质条件下深井超深井钻井技术有了长足进展，进而也带动了全国深井技术的发展。通过对中国10大石油部门(大庆、新疆、四川、辽河、胜利、江汉、中原、河南、江苏、新星)深井钻井资料的汇总可以看出，中国大陆深井钻井具有2大特点。 (1)随着国家经济势力的增强，深井钻井工程的实施数量逐年增长，在90年代的前5年，这种活动达到高峰。以后由于管理体制的调整以及国际市场油价的波动，在一定程度上影响了中国大陆深井钻井工程数量的增长，但这种变化是理性的，高层管理人员在这一时期更多地将注意力集中到学习、引进、消化国外的高新技术和现代化管理经验上。这也是中国深井钻井技术在目前基础上更上一层楼的必要奠基过程。 (2)深井钻井工程开始采用具有国际先进水平的工艺技术和装备。例如“七五”以来，江汉油田深井钻井技术的提高主要得益于喷射钻井、优质钻井液及PDC钻头等技术的应用。尤其是采用PDC钻头技术以后，大大减少了起下钻作业时间，直接提高了纯钻时效，同时提高了机械钻速，大幅度缩短了钻井周期，降低了钻井成本，从整体上实现了“以快制胜”的技术战略。中原油田东蹼凹陷深层气资源十分丰富，但地质条件复杂，气层深、压力高、含气层系多、井段长，地层断块碎、断层多、地层压力异常、易斜、易漏、易喷、易卡，尤其是上部地段复合盐膏层分布广、厚度大，盐溶、垮塌、塑性流动等复杂情况极易造成恶性卡钻事故。对钻井液和水泥浆的高温稳定性、流变性要求高。经过攻关研究，采用优化井身结构设计配合优良的钻井液技术和钻进施工技术，钻穿膏盐层，并在井控、完井等方面形成了较成熟的应用技术，“九五”期间采用新技术后比“九五”前机械 钻速提高2.03倍，钻井周期缩短3/4，纯钻时效提高2.09倍，事故复杂时效由原来的10.05%下降为0。中国石化系统2001年在川东北大巴山地区通南巴构造带部署了第一口重点超深探井—河坝1井，这是一口高难度天然气探井，设计井深6100m。采用配备国际先进水平的交流变频顶部驱动装置的ZJ70D型电驱动钻机施工，目前该井正在施工中。从资料提供的数据看出，国内外深井钻井技术差距主要体现在设备的配置、辅助设施(井控、数据采集分析系统、实时监测系统、固控系统等)的现代化程度、技术与科学管理决策的有机结合等方面。 1.3 深井钻井工程的主要目标 根据深井钻井和超深井钻井得到的数据和信息可以有效地提高地质、物探资料解释的可靠程度。深井钻井和超深井钻井可以保证解决的问题为:?最大限度地揭示60km以上地壳的构造剖面;?得到关于深部岩石的状态、组成以及岩石随深度变化的第一手资料;?查明地球物理界面以及异常地质体的形成和性质，获取热动力条件下岩石物理性质的数据;?对地壳深部油气资源和金属矿的基本情况作出远景评价，查明含矿物质和能量的非传统来源;?建立在深部地质环境作用下各种金属矿和油气矿的模拟图解基础;?为研究深部地壳和深部矿产利用开发全新的施工工艺和技术手段。以上几个问题的提出是基于一些必要的实际需要。例如查明地球物理界面可以更新或改变有关地壳水平层状模式的传统概念，从而建立更加科学的深部岩石存在模式并揭示其变化规律。在SG-3井的实际钻探结果中，发现在深度为11km处存在金属矿化带，表明在地壳深部确实有成矿的可能性。此外，SG-3井在揭示不同地质年代的井段均证实了深部有活跃的水文地质系统存在，这就拓宽了以往有关水圈下部边界的范围。专家们从科拉超深井所获取的实际资料首次弄清了地温梯度和地壳深部热流变化的规律性，这对于了解地壳的产生、演化以及建立基础的地热能源理论具有重要意义。中国应当稳步发展自己的超深井钻井工程技术，这不但可以带动相关尖端技术的研发，而且可以活跃边缘基础科学的研究。 1.4 深井钻井工程的主要技术难点 近年来深井钻井的实践表明，我国深井钻井技术面临的技术难点主要有以下几方面: ?深井钻井中，遇到的压力系数低于1.0和高于2.0的地层比例越来越大; 在很短的井段内存在多套压力体系，喷漏共存，用当前常规的井身结构系列很难满足多层系压力需求。 ?深井钻井要钻穿多套地层，所钻遇的地层古老、致密、研磨性强、硬度高、钻井速度慢，有些地区还含有盐膏层和砾石层等复杂地层。 ?大部分地区上部大井眼、深部小井眼工具和参数受限制，机械钻速低，钻井周期长;同时，复杂的地层和长时间的施工也容易使钻具造成严重损坏和磨损，从而引发事故。 ?传统的钻井目标是垂直钻井，要求直井防止井眼倾斜，这在许多地层倾角大的地区，特别是山前构造，极易发生井斜，难以有效控制轨迹。 ?许多陆相地层泥页岩含量高、微裂缝发育，极易水化，造成井壁失稳;许多海相地层裂缝、溶洞发育，砾岩胶结较差，漏失严重，井壁稳定性差，井漏、井涌、井塌、缩径、卡钻等井下复杂情况频发。 ?由于深井井下温度高、压力大，既要求钻井液必须具有良好的抗温、抑制防塌性能，又对钻井井下工具和测量仪器提出了更高的要求。 ?由于深井中许多地层气窜、漏失，环空间隙小，高温、高压等问题，造成固井施工难度极大。 1.4 深井钻井技术的发展趋势 随着我国油气资源战略对深部钻井的进一步需求，特别是导向钻井、气体钻井等新兴钻井技术的应用和发展，以及信息技术、测控技术、模拟技术在钻井中的应用，国内外专家相信深井钻井技术将会在以下几方面有更大的突破: ?单一尺寸套管钻井可改善传统井身结构，膨胀管的应用和套管钻井的实施将促进该技术的快速发展。 ?随着LWD、近钻头测量、随钻测井、随钻地震技术的应用和发展，井下控制器将成为钻井施工的核心。安装在钻头附近的控制器可实现实时监测与控制，自动判断控制钻头，甚至控制钻机的动作。 ?一次性自锐钻头可实现单井作业中途无需更换钻头，而且可根据所遇岩性转变破岩模式。 ?有缆钻杆的应用将不仅可实现对钻井的有效控制，而且会提高钻井速度。采用该技术，钻杆将不用传递扭矩，甚至不必控制钻压。 ?采用控压钻井技术将实现真正意义上的闭环钻井，通过安装在钻头附近的主控制器、钻杆上的分控制器以及井口控制器自动调节实现井内压力自动平衡。 ?气体钻井的比例将大大提高，针对特殊地层，能够及时变换有针对性的特殊流体。 ?固壁技术将改善井壁的稳定性，在钻井发生井漏时，随时加入有针对性的堵漏材料;也可在钻完井后，对井壁进行“固结”，形成人工管壁。 ?采用封隔器实施对地层间的封隔，甚至部分代替水泥对层间的分隔。 ?利用已有的数据库、已钻井段的数据，并结合地面采集和井下实时检测的数据，对未钻井段的钻井施工进行模拟，随时调整钻井设计。 二 井深结构设计技术 目前，我国深井、超深井钻井中普遍采用的套管程序为:φ508.0mm +φ314.3mm +φ244.5mm +φ77.8mm +φ127.0mm，这在地质条件不太复杂的地区是比较适用的，但在复杂地质条件下，则具有一定的局限性，且该套管程序中只设计有两层技术套管，在钻达设计目的层前只能封隔两套相差较大的不同压力系统的地层，遇到多套不同压力系统的地层只能把目的层套管提前下人，使目的层井眼缩小，难以钻达设计目的层位。加之钻井工程设计中的井身结构往往是一个固定的井深，即使地层发生了变化，设计调整延续时间也较长，拖延了处理调整的最佳时间，不利于问题的解决;同时即使调整井身结构，由于国内缺少完备的套管头和套管系列与井控装置配套，导致在施工过程中问题复杂化。 2.1深井井身结构的设计基础 2.1.1地层压力 地层压力是进行井身结构设计的基础，一般要求知道地层孔隙压力和地层破裂压力，对于特别复杂的地区要求知道地层坍塌压力，对于盐层还要求知道盐层的蠕变压力才能进行合理的井身结构设计。 2.1.2井身结构设计系数的确定 不同的油田有着不同的井身结构设计系数选取依据。根据垂直管流理论，深井的井身结构设计系数范围基本相同，主要问题在于压差卡钻临界值的选取;正常压力地层压差卡钻的压差临界值为11~13MPa，但是经过特殊工艺措施处理后，压差临界值可以提高到22,28MPa;异常压力地层压差卡钻的压差临界值为13~15MPa。压差临界值的合理选取与施工方的钻井液工艺技术水平有相当大的关系。 2.2深井井身结构设计应考虑的问题 2.2.1工程地质设计的不确定性 地质设计的不确定性可以分为三个方面: 1)地层压力的不确定性，不同井的设计地层压力与实钻地层压力相差较大。 2)地层产状和岩性的不确定性，如地层倾角的大小、裂缝发育的程度、泥 页岩和盐膏层井段的长度等。 3)也层分层深度和完井深度的不确定性。不同井之间的地层层序可能相差几百米。然而在现有的技术条件下，探井地质设计不可能准确提供全井的地层孔隙压力和破裂压力梯度曲线，也难以提供准确的地层层序和复杂地层井段的准确深度和厚度，致使实钻与设计出人较大，这个现象的本质是地质问题，而地质问题在钻井过程中得到了具体体现，因此在井身结构设计过程中应对地质不确定性预留一定的变化空间，这也是深探井和超深探井钻井工程设计的主要难点。 2.2.2井深结构设计带来的钻井问题 )钻具及水力参数的综合问题 1 在上部地层大尺寸井眼应用大尺寸钻杆(φ139.7mm、φ168.3mm钻杆)，可充分利用水力机械联合破岩和井底流场对井底进行清洁，同时能预防钻具事故的发生。对于钻具事故，当不考虑钻具的质量问题时，造成钻具事故的本质原因是井眼曲率问题，也就是井斜控制问题。 2)井眼尺寸大，机械能量破岩不足 深井条件下，深部井段的泥页岩或泥质粉砂岩在高围压作用下，岩石的强度和塑性大幅度增加，致使破岩效率明显降低，机械破岩能量严重不足。 3)钻头选型困难 国内大尺寸牙轮钻头主要以钢齿钻头为主，应加强大尺寸镶齿牙轮钻头的开发研制工作，以解决上部大尺寸井眼钻头选型困难间题;为提高上部地层(如巨厚砾石层、巨厚泥页岩等)的钻井速度，还应加强大尺寸PDC钻头的应用。 4)钻井方法单一 目前主要采取转盘钻进，深井机械效率较低，应设法改进钻井方法，采用较为先进的钻井技术，提高机械钻速。 5)井壁稳定问题 井壁稳定问题是深井超深井钻井过程中的一个常见问题，需要把井身结构设计和钻井液工艺技术结合起来才能有效解决。 6)卡钻问题 据国际卡钻问题研究小组的 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 分析，英国BP公司在北海地区29%的卡钻为压差卡钻，70%的卡钻为机械卡钻;而墨西哥湾60%的卡钻为压差卡钻;90% 的卡钻事故不是发生在起下钻期间。就是发生在钻柱静止的状态下。 7)深井固井成功率较低 深井超深井井身结构的局限性导致固井质量难以满足勘探的要求，加之固井完井管柱设计不完善，深井、超深井固井工具性能不能满足要求，导致一些重点探井出现较严重的固井问题。 2.3深井井身结构的设计方法 井身结构设计的基础是地层压力体系，在考虑地层不确定性的基础上设计地层压力与地层层序中的压力突变位置为必封点，即一般钻井设计中的套管层序与下深位置;而井身结构设计的目的是为了实现安全、快速钻井，最大限度地使用现有设备条件与推广钻井新工艺，并符合API和国内常规钻井套管、套管头系列。 1)倒推设计法。科学合理地确定井身结构及钻井液密度是深井超深井钻井的关键环节之一，而准确建立地层孔隙压力、地应力、破裂压力和坍塌压力的钻前预测剖面是合理确定套管层次、下深和套管柱设计以及钻井液密度的基础。因此在复杂地区单纯的以地层压力剖面为基础进行井身结构设计存在一定的不足，而考虑地层岩性(坍塌压力、压差允值等)和钻井液体系最终确定上开次套管下深位置区间和可能选取的最大钻井液密度是倒推法设计的实质。对于复杂地区的深探井设计，一般参考资料很少或者没有，仅依靠预测的地层压力剖面来设计井身结构是不完善的，比较理想的方法是采取倒推法设计必封点，确定套管鞋位置的最大承压能力和最小的完井尺寸，从下到上一级一级设计，进而确定开孔尺寸，同时考虑预留一级或两级套管层序调整尺寸，以便解决工程地质设计中的变化;当套管层序确定之后，以最大钻井液密度为计算依据，压差卡钻临界值为基础，井壁稳定为前提，确定各个套管层次的下人深度(特别是主要技术套管)。这个深度对于一口具体的探井，是一个深度区间，而不是一个具体的深度位置，即可根据录井结果调整套管的下人深度。这体现了倒推法设计井身结构设计的灵活性。 2)三套压力体系法。长期以来，进行井身结构设计时主要考虑地层孔隙压力和地层破裂压力，而很少考虑地层的坍塌压力，在巨厚泥页岩、大段盐膏层及泥页岩互层的情况下，很难满足井壁稳定的需要，因此在进行井身结构设计时必 须考虑地层坍塌压力或岩盐层上覆(蠕动)压力的影响。 2.4 结论与建议 1)井身结构设计是一个系统工程，既要满足钻井工程的需要，又要满足固井、测试等后续完井作业和油气层评价的需要。 2)合理确定井身结构及钻井液密度是深井超深井钻井设计的关健，因此进行井身结构设计时必须考虑使用的钻井液密度，即确定套管的下人深度区间，而不是简单的地层压力罗列。 )加强井身结构设计技术研究，在井身结构设计上大井眼深度尽量适中，3 太深则钻头选型困难，钻井周期长，太浅则井身结构没有回旋的余地，无法完成地质勘探任务。因此要求设计井身结构时应留有一定抵御地质工程设计不确定性的能力，以满足完井测试刘一井身结构的具体要求。 三 提高硬地层钻速 在深井超深井钻井过程中，经常会遇到硬地层，其主要地质特点为地层古老、岩石硬度大、研磨性强、可钻性差、地层倾角大、井斜难以控制、蹩跳钻严重。钻井过程中要钻遇到多种复杂地层，加之高温高压地应力使井下复杂程度加剧，新区探井还存在地层压力、地层状态、岩性和地层分层深度等不确定等因素，制约了深井钻井速度。为了解决提高钻井速度，加快油气资源勘探开发步伐，经过探索和实践逐步完善了深井优快钻井及其配套技术，钻井速度有了大幅度地提高，为快速优质发现深部地层油气藏积累了一定的经验。 3.1 难点分析 (1)地层硬度高，可钻性差。泥岩胶结致密坚硬，一般硬度级别都在5~6左右，最高硬度级别达到7级。地层中还含有大量的石英砂岩，硬度高达8级。可钻性平均级值约7级，可钻性差。地层岩石物理机械性能不一，均质性差、研磨性高，对钻头磨损严重。 (2)地层倾角大，影响机械钻速。软硬交错，可钻性差别大。在钻进过程中，井斜控制困难，为确保井身质量，在易斜井段钻压不能放开，影响机械钻速的提高。 (3)钻进过程中蹩跳严重，加不上压，钻头工作不平稳，易造成钻头先期损坏，影响钻头机械钻速与钻头寿命。 3.2 技术对策 (1)合理的井身结构设计合理的井身结构设计，可以大大地减少井下复杂和事故，成倍地提高钻井速度。 (2)钻头优选 利用测井资料选择钻头类型可以直接计算得到地层岩石的杨氏模量和泊松比，在利用一定的转换关系，可以得到岩石的强度参数。有了地层岩石的可钻性，硬度以及强度参数后，结合钻头使用资料、井身结构数据及地质分层情况，就能利用这些资料进行钻头的优选和评价。 (3)钻井参数的优选 优选钻井参数钻井是在综合影响钻井成本各项因素的基础上选择的最优参数组合。一般情况下钻压越大，转速越高，机械钻速就越高。而且一般遵从的规律是上部地层对转速比较敏感，下部地层对钻压比较敏感。大直径井眼提高机械钻速优化钻井的前提条件为:纯钻时间所占的时效比例尽可能大，平均单只钻头的进尺尽可能多，行程机械钻速尽可能大。深部小井眼提高机械钻速，根据深部小井眼钻井的特点，目前最有效的方法之一就是采用“井下动力钻具 + 转盘”双驱动复合钻井技术和采用强化钻井参数钻进。 (4)深井钻井装备、仪器、仪表、新工具 1)钻井装备最主要的就是电动钻机和顶部驱动装置。电动钻机最大的优点是动力无级调速，即绞车、转盘、钻井泵的速度可以连续变化，有利于钻井参数的调配，司钻台上装有各种监测仪表，对钻井参数实时监测，及时判断井下情况，预防井下各种事故的发生。 2)减震器已是成熟的井下工具，使用好减震器，可减轻跳钻提高钻井速 3)液动冲击器和液力加压器的应用。现场实践证明，冲击器和加压器可以大幅提高机械钻速。 四 深井钻井中的放斜打快 井斜在深井、超深井钻井工作中是较为普遍的问题，直接影响着钻井井身质量和钻井速度。随着深层找油找气力度加大，井斜问题严重制约着勘探开发进程。近年来，国内在现场使用较多的除钟摆钻具和满眼钻具外，主要发展了偏轴钻具防斜技术、PDC钻头配合螺杆钻具防斜技术等。受投资和成本的影响，在直井防斜方面进展不大。而国外从20世纪80年代末开始研制具有主动防斜能力的VDS、SDD、VertiTrak、PowerV等闭环导向系统，有效地解决了高陡构造、断层、盐层等情况下钻进时的井眼质量问题。 4.1 近年来在现场应用较好的防斜技术 (1)钟摆钻具防斜 钟摆钻具是目前应用最广泛的一种降斜工具，可分为带稳定器(单稳定器和双稳定器)的钟摆钻具、光钻铤钻具、塔式钻具和偏重钻铤等。可成功地用于不易发生井斜的地区，能够有效地纠斜。为了充分发挥钟摆钻具的作用，应尽可能采用大尺寸钻铤加稳定器，在具体操作中应严格控制钻压。由于钟摆钻具的降斜机理是“钟摆效应”，所以它在大井斜下使用比在小井斜下使用效果要好。钟摆钻具的缺点是:工作钻压范围很小，只能轻压吊打。若增大钻压，钟摆钻具的降斜力会减小甚至变成造斜力，同时大钻压又引发地层造斜力。另外，高陡构造条件下很大的地层造斜力也足以抵消其降斜力而保持增斜。 (2)满眼钻具控制井斜 满眼钻具组合是当前常规防斜技术的典型组合，一般由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤构成。由于具有刚度大和填满井眼的的、特点，在直井中，当地层横向力不大时，能保持直眼钻进;在钻遇增斜或减斜地层时，也能有力地控制井斜变化率，使井斜不致过快地增大或减小，不会在钻机狗腿、键槽等处出现影响井身质量的隐患。在现场使用时应注意: 1)一定保证按“满眼”设计稳定器外径;稳定器一旦磨损，应及时更换; 2)在易斜地区应用时，满眼组合设计应考虑地层力效应而设计成微降斜组合。由于满眼使用大的近钻头稳定器，使扭矩阻力增大，发生压差卡钻和钻具失 效(扭断)的风险增加。 (3)PDC钻头配合螺杆钻具防斜。 根据PDC钻头适合于低钻压和高转速条件下能快速钻进的特点，在易斜区将PDC钻头与螺杆钻具配合使用，既提高了钻井速度，又保障了井身质量。这一技术在塔里木和四川地区等都得到了成功的应用。 (4)偏轴钻具组合 防斜打快技术偏轴钻具防斜属于动力学防斜，利用偏轴接头使钻具在钻压作用下作稳定的弓形回旋运动，使钻头均匀切削井壁四周，并使钻柱与井壁的切点上移，从而产生较强的纠斜力。钻压越大及转速越高，钻具越易产生和保持所需的变形，因而防斜效果也越好。既能使井打直又能打快，实现了防斜与打快的统一。偏轴防斜打快技术已在江苏、四川、华北、塔指、青海、玉门等油田得到应用。 另外，近年来国内还发展了柔性钻具防斜技术、易斜区地面移动井位防斜技术、反钟摆防斜技术等，这些技术仍在进一步完善中。 4.2 国外直井防斜打快技术新发展 在20世纪80年代末，国外开始研制垂直钻井系统(VDS)，成功地解决了德国大陆科探井(KTB)钻井过程中井斜问题。在20世纪90年代中叶又发展了新的垂直钻井装置(SDD)，在20世纪末又发展成为自动井斜控制的旋转导向闭环系统(VertiTrak)，成功地解决了高陡构造地区、断层区和盐层钻井时井眼倾斜问题，并为钻进丛式井以及采用小尺寸井身结构等提供了可靠保障。这些垂直钻井系统是机、电、液、通讯一体化的高技术产品，有显著的经济效益和技术优势，能够节省大量的钻井时间和费用。 (1) 垂直钻井系统 1988年，美国Baker Hughes Inteq公司研制了VDS (Vertical Drilling System)系统，目的是解决超深井结晶岩石中井斜难以控制和不起钻更换井底钻具组合就能改变井斜和方位的问题。到1992年已开发出第五代样机。 其控制井斜的原理是:当VDS内部的电子传感线路监测到井眼偏离垂直状态而朝某一方向造斜时，通过控制电磁阀的电流，改变液压系统内4个活塞液缸内的压力，推动其上的4个可伸缩翼，使其压靠并支撑井壁，推动钻头并使钻头 沿井斜相反的方向钻进。由于该系统实时连续监控，这样就保证了钻具始终以垂直状态钻进。 (2)直井钻井装置SDD(Straight_Hole Drilling Device)系统(SDD-6和SDD-7)是在VDS-5的基础上，由意大利石油公司阿吉普(Eni_Agip)投资、由Baker Hughes Inteq公司研制的新型垂直钻井装置。在SDD系统中，对VDS的液压和电子模块进行了大量改进，能够自动把井眼钻直，不须地面人工干预。其降斜率由钻头、上稳定器和可膨胀式稳定器的位置和偏心度来决定，因此可在下入井底钻具组合之前通过移动上稳定器的位置来调节降斜率。在意大利南部、沿地中海周围和南美许多高难度井上，SDD都发挥了不可缺少的关键作用。SDD具备在井下连续工作200h的能力，具有3个液压操作的导向块(VDS有4个)。使用该系统钻进了约40000m的井深，节约了大量的钻时和成本。 (3) VertiTrak闭环导向系统VertiTrak闭环导向系统是一种主动防斜的钻井装置。其内部的泥浆脉冲发送器发送倾角和工具状态的信息到地表，能够实现双向通讯。该系统中把导向单元、高性能马达和近钻头MWD倾角传感器(结合在一起。根据测量得到的数据，利用内部微处理器计算克服井斜所需要的力。为此，液压管线传送压力给3个膨胀式导向块，使井眼重新返回到垂直状态。每个翼的推进力达到3t，弹簧加载的导向块进行连续控制，且独立于钻井参数和地层造斜趋势。因此，该系统能减少井眼扭曲及消除狗腿和台阶，钻出更加规径的井眼，套管也易于下入，减少了套管磨损。VertiTrak系统有助于作业商在最富挑战的环境中(包括高陡构造、断层、盐层等情况下)钻进高质量的井眼，且维持最优的钻井参数。除此之外，还证明该系统在使用小尺寸井身结构、降低总井深和总费用方面获得了成功。 (4)PowerV旋转导向系统Schlumberger公司研制的PowerV系统属于全自动旋转导向垂直钻进仪器。钻进时PowerV系统自动追踪地心吸力(自动感应井斜)，自动设定并调整仪器的侧向力，使井斜快速返回垂直状态。它解决了由滑动钻进和钻压限制造成低钻速的问题，侧向力能有效地克服自然造斜力;解决了由连续滑动钻进造成狗腿度大的问题，允许施加更高的钻压，从而大幅度提高钻速;100%的旋转使井眼更平滑，进一步提高钻速，最终大幅度降低每米成本。根据在南美洲、墨西哥湾和北海的作业经验，井斜从未超过0.5?。该系统不需要 MWD仪器和地面系统，不需要现场人员进行操作，能排除滑动钻进，提高钻速。 4.3 结论与建议 目前国内在控制直井井斜方面，除采用钟摆钻具和满眼钻具外，应用较好的技术有偏轴钻具和螺杆钻具配合PDC钻头防斜技术等。总体来看，国内在高陡构造防斜研究方面进展较慢。从国外研制VDS、SDD、VertiTrak、PowerDrive的过程来看，石油公司和服务公司密切结合，使双方得到了双赢。因此，国内在研制新型防斜系统时应借鉴这种模式。由于高陡构造地区井斜问题非常普遍，国内塔里木山前、玉门窟窿山、青海柴达木盆地、四川盆地等地区都存在着大量的高陡构造地层，目前又缺乏有效的措施去解决，常规的井斜控制方法既费时又不能保证钻成完美的垂直井眼，因此应尽快开展新型防斜技术的研究。要突破这一难关，需要重新认识高陡构造的井斜问题，建立新的防斜打快理论，研制出新型工具和新的防斜打快工艺技术。 五 深井钻井液研究 5.1高温高压对深井钻井液的影响 钻井液的高温高压密度特性直接关系到井眼内静液柱压力分布和循环压耗大小的准确计算。随着国内油气田勘探开发的不断深入,深井、超深井钻井数量持续增加,深井、超深井地层复杂,井下温度和压力高,钻井液密度易发生变化,由此可能导致一些井下复杂情况发生。因此,对于深井、超深井而言,研究高温高压情 [1]况下的钻井液密度特性具有十分重要的意义。抗高温高密度钻井液是深井、超深井成功钻探的重要技术保证。由于高密度钻井液在超高温下处理剂选择困难,高密度钻井液在高温下的流变性、失水造壁性等工艺性能难以达到要求,且高密度钻井液在高温下可能存在的技术问题没有可靠的实验数据及现场应用经验。因此迫切需要研究抗高温高密度钻井液体系。国外对付类似高温高压复杂地层优先选用油基钻井液体系,即油包水乳化钻井液。油基钻井液可能减少卡钻、井壁坍塌等井下复杂情况的发生,但高温高密度油基钻井液却存在滤失控制、流变性调节、乳状液的稳定性等技术难度较大问题,且成本较高、对环境有一定污染、配制和维护工艺要求高,同时对录井和测井可能带来不利影响。 5.2 高温高压井中温度和压力对钻井液密度的影响 (1)温度梯度对当量静态钻井液密度影响很大随地温梯度增加或循环温度梯度增加,当量静态钻井液密度减小,且井口与井底当量静态钻井液密度差值增大。 (2)随地表温度或钻井液入口温度增加,当量静态钻井液密度减小;但不同初始温度条件下井口与井底当量静态钻井液密度差值基本相同。 (3)不同钻井液体系的高温高压钻井液性能不同。静止时,温度和压力对水基钻井液的当量静态钻井液密度影响大,对油基钻井液影响小;钻井液充分循环后,温度和压力对油基钻井液的当量静态钻井液密度影响大,对水基钻井液影响小。 (4)钻井液在井内静止一段时间后,随井深增加,当量静态钻井液密度减小;钻井液充分循环后随井深增加,当量静态钻井液密度增加。 5.3钻井液的常密度温度分布 由于钻井液液柱的温度和压力都是随着井眼深度的增加而增加,所以钻井液 获得两个相互对立的效果,温度增加时由于热膨胀使得钻井液密度降低,而压力增加时则因压缩性而使钻井液密度增加。对特定的温度分布,这两个对立的效果则相互抵消,这种情况被定义为常密度温度分布(CDTP)。当温度符合CDTP时,随井深的增加钻井液密度保持不变。如果井底真实钻井液温度大于CDTP,则钻井液密 度就小于地面时的密度,热膨胀占支配地位。如果井底真实钻井液温度小于CDTP,则钻井液密度就大于地面时的密度,压缩效应占支配地位。如果已知常密度温度分布(CDTP),可以将其与井下的真实温度分布比较,立即显示出是热膨胀占主导地位还是压缩性占主导地位。 5.4 钻井液体系处理剂选择 5.4.1降滤失剂 (1) RSTF。RSTF是一种抗高温和抗盐膏污染能力强的降滤失剂。该产品由两种聚合物单体在一定的温度压力下与腐植酸接枝共聚得到。腐植酸由于特有的结构组成单元而具有较高的热稳定性和活化能力,在油田及其他工业上得到广泛应用。但污腐植酸水化基团的抗温、抗盐染能力较弱,不能满足深井钻探工作的需要。而与聚合物单体接枝共聚后的产品能显著降低钻井液的高温高压失水,抗温可达220?,抗盐可达20%以上,抗石膏达饱和。RSTF可在各种类型的水基钻井液中使用。实验表明,RSTF的降滤失能力优于SPNH和SMP-1。 (2) SMP-2。SMP-2是磺化酚醛树脂,为褐色粘稠状液体产品。该产品通过对粘土粒子有效护胶来改善泥饼质量和降低钻井液的高温高压滤失量。SMP-2是一种抗高温低分子类有机处理剂,其分子结构有如下特点:?分子主要以苯环、亚甲基桥和C—S键等组成,因此其热稳定性很强;?分子量不大,据估计一般在10 000以上,因此其5%水溶液的粘度与清水差不多,且其分子不是直链型,故对泥浆中粘土无絮凝作用,在钻井液中不会严重增稠;?亲水基为磺甲基—CH2SO-3,且比例较高,因此,亲水性强,抗盐析能力强。该产品具有较强的抗温、抗盐、抗钙能力,但在高温下(180~200?)其加量应增大到5%左右。RSTF和SMP-2共同作用,通过对粘土粒子有效护胶、保证体系的聚结稳定性和胶体颗粒含量的途径形成低渗透率泥饼,从而降低钻井液的API失水和高温高压滤失量。这两种处理剂热稳定性好,高温下解吸少,基本不降解。 5.4.2降粘剂 HTX是一种能显著降低水基钻井液粘度、切力的抗温抗盐无铬木质素类降粘剂,具有一定的抑制粘土水化膨胀和分散的能力,抗盐、抗石膏能力较强,抗温可达220?。在各种水基钻井液中,推荐加量一般情况下为0. 1% ~0. 5%。HTX主要通过拆散粘土颗粒间的结构而降低体系粘切。 5.4.3封堵材料及润滑剂 (1)润滑封堵剂FD,由少量聚合物、表面活性剂及沥青经螯合反应得到。沥青颗粒级配分布宽封堵降滤失效果优良,沥青软化点在150?左右。产品外观为均质黑色粘稠油状液体,是一种在钻井液中配伍性好,抗盐膏、抗温能力强,使用方便,集润滑防卡、造壁防塌多功能于一体的高效钻井液处理剂,它能有效地降低钻井液的润滑系数、泥饼的摩擦系数和高温高压条件下的滤失量。抗温可达180?以上,同时该产品加入钻井液后粘度效应较小。 (2) NRH是粉状乳化沥青,具有封堵及降低钻井液高温高压滤失量的作用,抗温能力较强。润滑封堵剂FD、RLC-101及NRH能提供大量惰性的、高温下可变型的微粒,这些微粒一方面参与建立体系的流变性,另一方面参与泥饼的形成,使泥饼更加致密,同时使钻井液体系及泥饼具有优良的润滑性。使体系具有好的封堵性能和润滑性能。 5.4.4高温稳定剂 表面活性剂主要用于提高钻井液的热稳定性,提高体系抗温能力,但表面活性剂用量不宜过大。 5.5.5 结论 高温高压井钻井的大多数风险都与地层压力过高有关,原则上钻这种井应采用足够高的密度钻井液,以维持在孔隙压力之上一个合适的安全范围;由于地层压力系数和地层破裂压力系数相近,钻井液安全密度范围很窄,有时小于循环压耗,使钻井过程中井漏与溢流经常同时发生;另外,由于井深,起下钻作业时间长,钻井液密度的变化,导致井底压力的降低往往与起钻时所引发的抽吸压力共同作用,致使井底压力在起钻过程中进一步降低,易于诱发井涌、井喷等事故的发生。因此,建立准确的当量密度模型,确保钻井液静压和动压计算准确,达到控制钻井液性能和钻井参数,确保高温高压下钻井的施工安全。 六 深井的完井技术 6.1 深井完井技术主要存在的问题 深井钻井完井问题历来是石油工作者密切关注的问题。随着钻井深度的增长，钻井完井问题也越来越多，如高温、高压，材料变脆，化学材料降解、分解、发泡、絮凝(豆腐脑化)，水泥浆流变性能变差，游离水大量增加，非金属与金属材料腐蚀情况加剧，随时间延长测井结果变坏以及一些难以解释的现象。 国内在深井固井方面虽然取得了一些进步，但是整体的固井质量却不容乐观，离目前勘探开发的需求还有较大距离。近年来，钻井数量逐年增加，井打得越来越深，高压油气井、高含HS井及高含CO:井、深井超深井以及复杂结构22 深井等也越来越多，固井难度越来越大，问题及难点也越来越多，具体表现在以下几个方面。 6.1.1 国内超高温固井水泥外加剂仍依赖进口 近年来，国内虽然在超高温外加剂研究方面取得一些进步，但是与国外相比还存在较大差距，缺少耐温超过180?且性能稳定的外加剂产品，并且外加剂对加量敏感，线性范围小，施工时配方调配困难，固井质量难以保证。随着深层勘探开发的加快，国内深井超深井钻井数量逐年增加，高温外加剂产品的开发已迫在眉睫。 6.1.2 高密度超高密度、超低密度水泥浆固井质量有待进一步提高 国内在高密度超高密度、超低密度水泥浆固井方面虽然保证了固井的成功，但是固井质量普遍较差，还需要在高性能加重剂及高性能减轻剂、外加剂、水泥浆体系优化、提高顶替效率、固井工艺、水泥浆现场配制方面做深入的研究工作。 6.1.3 深层气井环空气窜问题很严重 气窜是一个世界性难题，国内近几年尽管做了许多工作，但是目前深层气井固质量普遍较差，固井后环空带压或井口窜气问题突出，长封固段固井水泥浆超缓凝问题突出，给以后的生产带来了巨大的安全隐患。在2004-2007年，大庆油田探井相继出现徐深8井、徐深10井、徐深901井、徐深606井、达深斜5井5口井固井环空带压。 6.1.4 窄安全密度窗口固井问题更加突出 针对塔里木油田的克拉气田、迪那气田，新疆、四川等油田的窄安全密度窗口深井固井问题，尽管采取了地层承压堵漏、防漏水泥浆、近平衡压力固井、配套隔离液、低排量替浆、减少下套管及固井中的压力激动等措施，但是仍然没有达到理想的固井效果，一方面该种类型井固井质量差，另一方面固井中的防漏防窜问题仍没有得到根本解决。 6.1.5 小间隙固井技术需要加强综合研究 塔里木、四川等油田的深井超深井小间隙固井，固井前井眼质量差，井下状况恶劣，有的无法加放套管扶正器，固井时施工排最特别低，顶替效果极差，封固质量无法保证。为克服小间隙井的固井质量问题，部分井虽然应用了随钻扩眼技术，但目前随钻扩眼钻速低，技术还不成熟，难以满足生产要求，解决小井眼小间隙固井问题不只是固井一家所能解决的，需要从钻井系统工程方面着手解决。 6.1.6 深井盐膏层及高压盐水层固井还有很多需要解决的问题 塔里木盆地山前构造带普遍发育一套第三系复合盐层，已发现和探明的油气田中大多数都是盐下构造。一些井在钻进时多次发生漏失，同时显示气层也非常活跃。盐层固井技术一直足固井界公认的难题，经过多年攻关，仍没有得到根本的解决。还需要从抗盐水泥浆体系、抗盐隔离液、配套施工工艺等方面深入研究。 6.1.7 一次性长封固段固井、低压易漏长封段固井问题有待进一步研究 目前如塔里木、新疆、吐哈、吉林、大庆等油田都面临深井一次性长封同段固井、低压易漏长封固段问题，由于封固井段长，水泥面上下温差大，地层承压能力低，固井易发生漏失，应用双级注水泥同井技术又存在一定的危险性和局限性，现有的低密度水泥浆体系难以解决长封井段固井的问题，一次性长封井固井、低压易漏长封固段固井技术还有待进一步研究。 6.1.8 固井后存在环空带压或气窜问题 由于钻井作业或后期增产作业的影响，固井后环空带压或井口窜气问题也越来越突出。分析其主要原因是没有对水泥环在该井生产寿命期问在建井、完井、增产和生产作业承受的外载进行分析、设计与评价，没有对水泥石的性能如杨氏模量、泊松比、抗拉强度、剪切强度、胶结强度等进行综合分析，没有采取与地 层相匹配的水泥石力学性能。国内也没有对环空带压的原因、影响因素、补救措施等方面进行深入研究，在防止环空带压的封隔器及防止固井后气窜的水泥浆方面还没有开展工作。 6.2 提高深井完井的措施 6.2.1改善水泥浆性能 地层压力高、井温高是深井钻井的特点，一般情况下，深井水泥浆性能设计应遵循以下原则: (1)确定合理的顶替时间。既要水泥浆缓凝以保证足够的顶替时间，也要保证在温度较低的地层段在合理的时间内使水泥浆达到要求的抗压强度。 (2)应以井底循环温度试验水泥浆的稠化时间和滤失量。 (3)以井底循环温度试验水泥浆样品，试验其抗拉强度，但对于尾管固井，应根据尾管顶部的静止温度和压力试验水泥石的抗压强度，从而确定最小候凝时间。 (4)控制水泥降滤失，防止出现空桥塞和损害地层。美国CHEVRON公司规定:技术套管和生产套管固井，水泥浆滤失应控制在100ml之内;尾管固井时滤失控制在50ml以下。可以采用提高水泥浆顶替效率，增强水泥环与套管间的联结力、防止水泥浆失重等技术措施，提高固井质量。 6.2.2建立合理水泥浆体系 (1)采用超高密度水泥浆体系，深井注水泥常遇到高压层，为了保持井眼压力平衡，井内液柱压力必须始终与地层压力保持平衡或略高于地层压力。高密度水泥浆的实现一般是通过减少水灰比、提高固体材料的堆积密度、提高配浆水的密度、外掺加重材料来完成。在水泥浆密度要求很高时，可能同时采用这4种方法或其中的几种。 (2)采用防气窜水泥浆体系。高温高压气井固井的主要风险之一是环空气窜的发生。严重的环空气窜可能导致很高的井口压力和气体流动，不仅使后续钻井工程和开采工程无法进行，还可能造成全井报废的恶果。为解决深井气井气窜问题，需要采用防气窜水泥浆技术。目前国内外用到的防气窜剂，有以下几种:触变类外加剂( 半水石膏、交联或复合聚合物材料等);延迟胶凝材料;铝粉混合物;基质流动阻力剂或阻塞剂(胶乳、硅灰等)。由于深井气井固井施工安全 系数要求大、水泥浆密度控制要求严格等特点，一般使用胶乳水泥浆。 (3)建立柔性水泥浆体系。固井主要目的之一是提供长期的层间封隔。层间封隔必须在油井寿命期内和油井报废后都有效。在高温油井、高温气采井或地热井( 温度高于30摄氏度)中，水泥浆在井下凝固后，由于井下温度、压力的变化将导致过大的应力，破坏水泥环的整体性，从而导致层间封隔失效，甚至挤毁套管。在没有化学损害的情况下，引起层间封隔失效的原因可能是水泥本身的力学失效、水泥与套管不胶结或者水泥与地层不胶结等，这些都可能会导致裂缝形成和体积过量收缩形成微环空，为流体连通提供通道。 4)采用特种水泥体系。对于井底静止温度为95-430摄氏度的高温地下油( 气井，尤其是含有高浓度CO，的地热井，使用传统的水泥浆往往会导致早期固2 井失败。因为静止温度高，同时有含CO，的盐水存在。在碳酸化作用下，传统2 的水泥会迅速恶化，尤其是碳酸钠导致的碳酸化作用，可能使水泥分解成可溶性的盐。因此在高温高压和高二氧化碳浓度的地热井中，传统水泥固化体往往不到5年就会破坏并导致井筒崩溃。 6.2.3采用完井世界新技术 采用智能井完井技术。智能井(SmartWell)是为了适应现代油藏经营新概念和信息技术在油气藏开采中的应用而发展起来的新技术。该技术特别适用于大位移、大斜度、水平井、多分支井、边远地区无人操作的油井及多层注采井以及电潜泵井。在过去的5年中，智能完井系统的安装以每年27,的速度增长。椐美国SFG公司预测，到2010年智能井市场将增加到6亿美元，到下一个10 年将超过10亿美元。 采用自动膨胀封隔器完井新技术。Easywell公司研制出一种遇油气水自动膨胀的智能封隔器，适用于任何体系的钻井液环境，实现更加可靠、经济有效的层段隔离技术。该封堵器安装简单，无须任何工具和专门技能。自2001年首次使用以来，已经在1000多口井中应用，故障率为零。 七 结论 超深井钻探的实施从某种意义上说反映了一个国家最前沿的科技发展水平，也体现了一个国家的综合国力。通过这种项目的实施，可以很好地把尖端技术与基础工业结合起来，从而加快全社会科技水平的进步。就中国的基础工业水平和经济发展情况而言，完全有能力开展超深井的科学研究项目，但由于在尖端技术的应用以及基础材料的加工制造方面与美国等发达国家存在较大的差距，因此无法照搬国外已完成的超深井的施工经验，对此笔者认为从中国的实际情况出发，在以下几个方面加大科研与力度会收到事半功倍的效果。 1.加强信息分析与处理技术方面的研究与应用工作，重点发展人工可视化技术，提高超深井钻井的信息处理效率，降低信息处理成本。 2.大力开发可用于恶劣环境的新型材料，包括工具材料和钻井液材料，其基本要求是新型材料必须具有非常好的耐温耐压(高强度、高硬度)能力。 3.将超深井钻井工程作为一个巨大的复杂系统，组织科研力量由复杂结构带地层的特征和性质研究人手，探索在复杂条件下的钻井施工方案，在此基础上结合我国的应用科技水平制定超深井钻井项目的施工工艺。 参考文献 [1]陈天成.西部探区钻井技术难点分析与对策探讨[M].北京:中国石化出版社，2008:85. 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