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钻井工程新工艺、新技术 与设备检修手册 主编 陈东星 （第一卷） 安徽文化音像出版社 钻井工程新工艺、新技术 与设备检修手册 主编 陈东星 （第二卷） 安徽文化音像出版社 钻井工程新工艺、新技术 与设备检修手册 主编 陈东星 （第三卷） 安徽文化音像出版社 钻井工程新工艺、新技术 与设备检修手册 主编 陈东星 （第四卷） 安徽文化音像出版社 第一章钻井工程概论 第一节人类寻找油气的历史 石油和天然气在国民经济中占有极其重要的地位， 现在已经能够从中提炼出 三千多种产品， 应用到各个领域。石油和天然气是非常宝贵的燃料、 润滑油料及 化工原料。石油是工业的血液， 从石油中提炼的汽油、 煤油、 柴油等是优质动力燃 料； 特别是天然气具有发热量大、 燃烧完全、 运输方便、 对空气污染少等优点， 在世 界能源消费结构中占有重要地位。据专家预测， “ 世纪上半叶， 天然气将成为第 一能源。更为重要的是石油和天然气作为化工原料的总趋势已经形成， 乙烯、 丙 烯等化学工业应用的主要基础原料多来自石油和天然气。 人类发现和利用石油与天然气的历史很长， 但真正有意识地寻找和开发油 气， 则只有几百年的历史。到 “ 世纪中叶， 近代石油工业诞生， 标志着人类大规 模勘探和开发石油与天然气的开始。人类从最初利用油气苗进行找油， 到现在利 用地质、 地球物理、 地球化学等方法寻找油气， 指导这一勘探活动的理论 石油 地质学也获得了突飞猛进的发展。回顾寻找油气的历史， 对认识现代油气勘探工 程有重要意义。 一、 我国油气勘探简史 我国是世界上最早发现、 开采和利用石油及天然气的国家之一。早在两千年 前我国古代劳动人民就发现了能够燃烧的石油。班固的 汉书 地理志 写到“高 奴， 有洧水， 可蘸” ， 就是描述陕北一带水面上有像油一样的东西可以燃烧。 科学术语 “石油” 是北宋著名科学家沈括在 梦溪笔谈 中首次提出的“石油 ⋯⋯生于水际沙石， 与泉水相杂惘惘而出” 。他在描述了陕北富县、 延安一带石油 的性质和产状后， 进一步推论了石油的利用远景“此物后必大行于世， ⋯⋯盖石 油至多， 生于地中无穹， 不若松木有时而竭” 。 我国古代劳动人民最早利用天然气进行煮盐。据记载， 公元前 “ “ 年， ； 1 ““ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ 第一章钻井工程概论 “ 岩石骨架密度， ,“ 年提出了修正的 “ 指数法， 即 “8指数法。“8指数 按下式计算， “8 “ 3 / （“ “.） 式中“8 修正的 “ 指数； 3 正常地层压力当量密度 （即地层水的密度） ， 8/ 第一章钻井工程概论 的试验数据， 分别代入钻速方程， 并消去方程中的不变量。则可获得两个钻压下 的转速指数 和 “。 （） （2） 岩石研磨性系数 的确定 由牙齿磨损速度方程式 （ / 88） 积分得 （* “/ * ） （ “ 3 ““ ） （’ 3 “ ’“） （* “/ * ） （ “ 3 ““ ） （’ 3 “ ’“）（ / 05-’2* ’5’5*’’’ ’5’5*2’ ’-5’5255’ 表 ’ 2 6*34’*55 钻井泵性能表 缸套直径， 77 额定泵次， 次879额定排量， ; 额定泵压， 5’25*’2-* ’5’25*-25 ’-5’25252’* 泵的额定功率、 额定泵压和额定排量的关系为 “ 式中 额定功率， A； 额定泵压， 5） ； 5） 。 值得说明的是， 井眼声波成像仪器改进了声换能器设计和放置位置， 并且使 用较低的频率， 使垂直分辨率范围在 3“ 到 C3“2 之间， 声波图像质量更好。 井眼电成像装置增加了传感器的数目， 从而使有效的井眼覆盖率增加一倍以上， 能够提供井壁地层或套管的部分或全部图像， 从而能够评价天然裂缝和诱发裂 缝， 评价薄油气层， 确定井眼附近的地质构造， 识别沉积特征， 解释沉积环境， 并且 J3 钻井工程新工艺、 新技术与设备检修实用手册 还能够改善岩心定向及岩心与测井资料对比， 识别井眼崩塌， 评价套管损坏情况， 等等。 另外， 由于成像测井系统的数据传输率普遍提高， 对于测井仪器数据的采集 和传输极为迅速， 因此， 可同时将更多的下井仪器进行组合， 包括数控测井中的常 规测井系列组合， 使得一次测井中得到更多的地质和岩石物理数据， 方便评价储 层及更好地了解油气储层动态和静态特性。 “ 常规测井仪器的改善与新方法的发展 近些年来， 在原有常规仪器的基础上， 出现了大量的所谓新仪器， 这其中包括 原有仪器的改进和新仪器的出现。 上面已经提及， 成像电测井仪， 如新的感应和侧向测井仪器采用了阵列线圈 和阵列电极来提高数据采集量， 改善仪器的垂直和径向分辨率。同时目前使用较 多还有电磁波传播测井和高分辨率地层倾角测井等。在常规感应测井的基础上， 公司研制出的高分辨率感应测井 仪 （8， 而探测 深度达到 “， 较常规双感应测井增加了 A。123* 45 . 之后， 拆开试验仪器， 把模拟的试验 “井筒” 切成 / 小节， 然后每小节都编上号， 靠近水泥头的一节作为 号， 依此下推。然后对每节 的端面照相， 分析确定每节的顶替效率。 分析中， 把环形面积中不含钻井液部分的面积百分数定义为顶替效率。对比 早先的直井实验， 斜井试验的顶替效果分析是把环形面积分为上下两半部分分别 进行的， 以便发现井眼倾斜所导致的任何差异。每个试验平均的上半部分和下半 部分的顶替效率是分别计算 / 节的平均顶替效率来求得的。 在某些试验中还要对被切成 / 节的各节做水压胶结试验。先在模拟井筒的 钻井工程新工艺、 新技术与设备检修实用手册 外侧钻一个孔通到这节的环形空间， 接上试压的泵和压力表以及管线等。测定并 记录被泵入到环空中的水刚刚流到这节的末端所需要的压力。通过水压胶结试 验可以证实水泥与地层和套管胶结的好坏和窜槽的严重程度。 （二） 试验结果 表 “ “ 中简要地列出了试验装置在垂直状态 （倾角为 时的状态） 的 次、 倾角为 的 ， 在静止条件下钻井液可以悬浮重晶石。大多数试 验中， 在温度为 6.7 时， 试验所用的钻井液的静切力都等于或大于 9“11;。 试验中出现的重晶石沉淀可能是在一次或二次所采取的 * 的钻井液循环周期中 沉降的。 表 / / 中的第 1 项试验结果更进一步地证明了这种现象。在这个试验 中有意不让钻井液静止 *， 而使钻井液在试验仪器中流动， 然而在已固井的环形 空间下半部仍有钻井液窜槽存在。在这个试验中， 重晶石肯定是在钻井液循环 8 钻井工程新工艺、 新技术与设备检修实用手册 “ 的期间沉淀的。这一点， 对定向钻井显然是重要的， 目前还没有一篇关于倾斜 井在高温循环钻井液中能够防止重晶石沉淀的钻井液文章。 （） 钻井液流变性能的影响。 在一定的流速下， 钻井液防止固相沉淀的能力同它的低剪切速率的粘度有 关。这个性能由钻井液的屈服值和静切力来表达。从表 之中可以看出， 在倾角为 。 水泥浆在这个速度下呈层流状态， 这与大多数现场固井作业类似。 在一口典型的倾斜井中， 钻井期间循环钻井液、 电测和下套管时停止循环钻 井液， 完成这种作业程序以后， 在固井前， 再循环钻井液， 设计这些试验步骤是为 了模拟实际作业时的流动和静止过程。 顶替试验在温度 ’* 的条件下， 开始以 ,6 的排量循环钻井液 ， 并 记录通过渗透性地层的滤失量。然后， 把水的温度加热到 “*， 在此条件下， 钻 井液静止 “9。为了维持滤失量， 使 “井筒” 与 “地层” 之间保持 ; 的压差以便 在渗透性 “地层” 上形成泥饼， 记录这个期间的滤失量。 在钻井液胶凝期之后， 在温度 ’* 的条件下， 再次以 ,6 的排量循环 所示的方法测量并计 算套管的居中率和顶替效率求出环空面积的上半部和下半部分的顶替效率 9 第二章水平井钻井新技术 图 “ “ 套管居中率和顶替效率定义及图示 套管居中率 “ “ ； 顶替效率 已固面积 环孔面积 （二） 提高顶替效率 4139.）4， 不低于 413 对于 8倾角到水平状态的井， 为了达到钻井液悬浮岩屑的能力， 建议修改上 述性能。钻井液的屈服值至少应该达到表 “ “ 中所列的值。 表 “ “ ）（’41335,） 818 33 81 钻井工程新工艺、 新技术与设备检修实用手册 倾斜角 （）屈服值 （“）（ . -） 。 从试验结果得出以下两个结论 一是在一定的倾角下， 钻井液屈服值有一个 临界值， 小于这个值， 环空底部就出现连续的钻井液窜槽； 二是随着井倾角的减 小， 防止钻井液窜槽形成所要求的屈服值也减小。 对大斜度井和水平井， 在固井前， 循环的时间至少是 / 倍于井筒的钻井液 体积循环所需时间， 或者循环到进出口钻井液性能达到平衡为止。如果可能， 循 环时钻井液流态应达到紊流状态， 以帮助消除岩屑或钻井液固相沉淀槽。另外， 注水泥前或注水泥期间必须避免井内钻井液处于静止状态， 务必使其保持最充分 的循环。 “管柱的运动如转动或往复 （上、 下） 运动， 产生一种促使钻井液流动的驱动 力， 同时， 管柱的运动有助于打碎钻井液聚结的团块和聚积在团块中的疏松岩屑。 如果在套管本体上附加有钢丝井壁清洁器， 那么将进一步提高管柱运动的效果。 表 9 9 -在倾斜条件下钻井液屈服值的变化 试验 序号 倾斜角 （） 水泥， 11 在 , 下 体积 （； ““29’/*/; 转动， 或按固井 作业中典型的衬管活动速度 （即以 “ 次/分） 的频率上下活动套管， 活动距离 2; 的例子进行对比可以看出， 无论是转动或上下活动套管都能大大地改善钻井液的 37“ 钻井工程新工艺、 新技术与设备检修实用手册 顶替效率。虽然试验的条件， 如倾角、 屈服值有轻微的差异， 但试验结果清楚地说 明套管运动确实能提高钻井液的顶替效率。 在表 “ “ 中， 对套管带有井壁清洁器和不带清洁器的试验进行了对比， 发现在渗透的情况下， 管柱本体上带有井壁清洁器能更有效地提高钻井液顶替效 率。 表 “ “ 在 ； “’’2-.* 水基钻井液。 在水平井固井中套管的扶正问题比垂直井更为关键。因为液柱压力对井 眼水平段的顶替过程不再产生作用， 要使在环形空间狭窄部分中的胶凝钻井产生 流动则更加困难。 因此建议套管的居中率至少 5。如居中率在 5则更好。当沉淀槽出现 时， 扶正器能对顶替过程产生作用。 研究人员在大斜度井的条件下对扶正器在固井的顶替效率进行了研究。表 “ “ 是其试验结果。 表 “ “ 在 ） 屈服值 （“33） 隔离液 类型 体积 （““） 钻井液“ 在 049 下 塑性粘度 （;） 屈服值 （“33） 平均 上半部 下半部 -3.1.30/120 03..水3..0211.- 232水3/1210-1 13/.水32200/01 330/-63/30-1.. 31.63.0/-- 3.153.002.0 .3-.3/3/0.1/ 3./210112. 1. 钻井工程新工艺、 新技术与设备检修实用手册 顶替效率为 ““.8--1;./ 1;.水.11;18 8;..;水.8;8/ /;.1.18;1/. ;.11.8;1/ 顶替效率为 ““） 对钻井液的顶替效率起决定作用的是环空流速。不论什么流态， 环空流 速越高， 顶替效果越好。最为理想的是用能获得环空紊流的泵流速注入隔离液和 水泥浆。然而， 由于受水泥浆性能的限制， 要使水泥浆的流动达到紊流状态不现 实， 重要的是要以高泵速泵入。但无论如何， 在水平段的循环压力不能超过地层 的破裂压力， 以防止水泥浆侵入产层。为此， 在固井前必须使用电脑模拟， 计算固 井时井下循环压力； 还要用电脑提供固井所需要的其他资料。 （） 井眼和套管尺寸对顶替效率产生极大的影响。对垂直井来说最佳的环空 间隙是 和 A9A/B67 等人根据井下温度， 从以下三个方面进行大量的试验以求获 得解决。 在硫酸盐的离子中， 加入一定量的分散剂， 产生过饱和状态以促使迅速的 水化和铝酸盐结晶， 这样硫酸盐和铝酸盐的化合作用在水泥颗粒之间形成一种实 在的支撑结构。8/ , 80添加剂也许能形成这种支撑结构以防沉淀。 “增加间隙水的粘滞性。例如， 使用乳胶能增加水在流动中的压力损失。 增加一些具有惰性的微小固相颗粒。由于它非常细小 （只有水泥颗粒的 4 C 4） ， 这些大量的 （占水泥质量 ’1 C ’1） 微小颗粒占据水泥颗粒之间 22 油 水 2 2 98 8 78; 2 899277 油 水 2 2 98 8 787 ; 789;79 油 水 2 2 98 8 782 87;7 油 水 2 2 98 8 7877 778927 油 水 2 2 8 98 782 98929 油 水 2 2 8 98 78 8299 油 水 2 7