油气井工程思维导图
油气井施工流程
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思维导图大纲
油气井工程思维导图模板大纲
钻井方法与工艺
钻井发展史
挖掘井阶段：远古到西周末年
顿钻大口井阶段：春秋战国到唐朝
顿钻小口井阶段：卓筒井阶段
机械顿钻阶段：19世纪中叶到20世纪初
旋转钻井阶段：20世纪初﹣至今
钻井方法
顿钻钻井
工艺过程
钢丝绳提升钻头 后下放， 冲击井底并击碎岩石，然后 向井内注水 ，其中岩屑、泥土混合成泥水浆 ，积累到一定量 后提出钻头 ，捞出井内的泥水浆 ，暴露新井底 ，继续钻进 并设计井深
优缺点
优点
设备简单
起下钻方便
缺点
靠冲击作用破岩，钻头功率小，破岩效率低
钻井速度慢
破岩和清岩相间进行
旋转钻井
工艺过程
旋转钻井是靠动力带动钻头旋转，在旋转的过程中对井底岩石进行破碎，同时循环钻井液清洁井底 的钻井方法
优缺点
优点
靠旋转吃入岩石的钻头破岩，效率高，速度快
破岩和清岩同时进行
缺点
设备复杂，运转费用高
起下钻繁琐
钻井类型
按钻井目的划分
探井
定义
为探明地质情况、获取地下油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井
分类
地层探井
在地质情况了解不多的地区，以了解地层的年代、岩性、厚度、生储盖层组合并为地球物理解释提供各种参数为目的
预探井
在地震详查和地质综合研究所确定的有利构造上，以发现油气藏为目的
详探井
在已发现油气的构造上，以探明含油气的面积和储层，了解油气层结构变化和产能为目的
资料井
为编制油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题研究取得第一手资料数据
开发井
定义
以开发为目的，为了给地下油气开采提供通道，或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井
分类
油气井：采油井、采气井...
注入井：注水井、注气井
检查井：观察井、测试井
按井斜角不同分类
直井
设计的井眼轴线为一铅垂线的井
定向井
设计的目标点与井口不在一铅垂线上的井
水平井
井斜角接近90°并延伸一定长度的定向井
按井深不同分类
浅井
H<2500m
中深井
2500m<H<4500m
深井
4500m<H<6000m
超深井
H>6000m
钻井设备与工具
钻机
定义
石油钻井的地面配套设备称之为钻机，它是由多种机械设备组成的一套大功率重型联合工作机组
分类
按钻井深度
轻便钻机（浅井钻机）
大型钻机（深井钻机）
按动力设备
柴油机驱动钻机
直流电驱动钻机
交流电驱动钻机
按使用环境
陆地钻机
海洋钻机
组成与功能
六大系统
起升系统
组成
井架、绞车、天车、游车和钢丝绳功能
功能
下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其他井下设备
循环系统
组成
泥浆泵、泥浆池、钻井液净化装置
功能
通过泥浆循环清洗井底岩 屑；同时冷却钻头、润滑钻具
旋转系统
组成
水龙头、转盘
功能
泥浆循环条件下通过钻柱给钻头提供破岩扭矩
驱动及传动系统
组成
动力机（柴油机、发电机、电动机）、传动轴、减速箱功能
功能
产生动力；将动力传递分配给泥浆泵、绞车和转盘
控制系统
组成
控制面板、传输管线及阀门、执行机构和压气机
功能
确保对整个钻机和各个工作机构及其部件的准确、 迅速控制，使整机协调一致
井控系统
组成
防喷器、节流管汇、压井管汇、远控台
功能
控制井内压力，防止地层流体无控制地流入井中
钻头
分类
按结构特点和破岩原理
刮刀钻头
组成
钻头体、刀翼和水眼
分类
刀翼树
两翼（鱼尾式）刮刀钻头
三翼刮刀钻头（最常用）
四翼刮刀钻头
刀翼底刃的形状
平底式刮刀钻头
阶梯式刮刀钻头
破岩形式
切削型钻头
塑性岩石：刃前岩石发生塑性流动，形成切削破碎
塑脆性岩石：碰撞一挤压、小剪切一大剪切
使用特点
适用于松软地层，机械钻速较高
易井斜
刮刀钻头寿命取决于刀翼
牙轮钻头
组成
钻头体、牙轮、巴掌、水眼和轴承
分类
牙轮数目
单牙轮钻头
双牙轮钻头
三牙轮钻头（最常用）
牙齿安装方式
镶齿牙轮钻头（硬地层）
铣齿牙轮钻头（软地层）
破岩形式
冲击-压碎、滑动-剪切
使用特点
适用于从软到坚硬的各种地层
牙轮钻头的寿命取决于牙齿和轴承的磨损情况
金刚石钻头
结构
无活动部件的整体式钻头
由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成
分类
金刚石来源
天然金刚石钻头
人造金刚石钻头
钻头结构形状
金刚石钻头
PDC钻头﹣聚晶金刚石复合片钻头
金刚石镶装特点
表镶金刚石钻头
孕镶金刚石钻头
破岩形式
研磨、铣削岩石
使用特点
金刚石钻头主要适用于坚硬地层，PDC钻头适用于软到中硬地层
弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损，抗冲击能力较差
损坏主要为金刚石切削齿的热损坏、胎体被冲蚀、切削齿受冲击而产生的碎裂
与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进
按钻头功用
全面钻进钻头
取心钻头
特种钻头
钻柱
定义
钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称
组成
方钻杆
主要作用
传递扭矩
承受钻柱全部重量
主要特点
中空、断面外形为四边形和六边形
上端反扣（左旋扣）、下端正扣（右旋扣）
长13~16m，比单根钻杆长2m以上
壁厚比钻杆大3倍
钻杆
作用
传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱
结构
管体＋接头
主要特点
两端有接头形成的台肩，便于接单根、起下钻
壁薄，9~11mm
钻铤
主要特点
壁厚且粗大
单位长度重量大，为同尺寸钻杆的4~6倍
主要作用
给钻头施加压力
减轻钻头的振动、摆动、和跳动等
控制井斜
各种接头、稳定器等井下工具
功用
传递扭矩、施加钻压、输送钻井液、计量井深、起下钻头
井口工具
钻进工艺技术
影响钻进速度的主要因素
不可变因素
指已经客观存在、无法改变的因素
如所要钻进地层岩石的物理力学性质、地质构造、地下压力分布及地层中的流体性质等
可变因素
指可以人为的选择和改变的因素
钻压
与钻速关系
钻压（W）与钻速（Vm）的定量关系
M称为门限钻压，它是AB线在钻压轴上的截距，是牙齿开始吃入地层时的钻压，其值大小取决于岩石性质
转速
与钻速关系
钻速正比于转速的的λ次方
λ称为转速指数。一般小于1, 其值与岩性有关
软地层λ≈1
随着岩石硬度增大λ值减小
牙齿磨损
与钻速关系
Vm 正比于 1/(1+C2h)
C2﹣称为牙齿磨损系数，与钻头齿形结构和 岩层性质有关，由现场数据统计得到
h一为牙齿磨损量，以牙齿的相对磨损高度表 示，新钻头时h=0；牙齿全部磨损时h=1
水力因素
与钻速关系
用钻头水功率表示井底的水力能量
Nb=PbQ/1.02
Nb-钻头水功率，kw
Pb-钻头喷嘴压降，MPa
Q-排量，L/S
钻井液性能
钻井液定义
钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体
钻井液功能
清洗井底携带岩屑； 悬浮岩屑； 阻止地层油、气、水流入井内； 稳定井壁，防止井壁坍塌； 冷却、润滑钻头和钻柱； 向井底传递水功率； 了解地层； 减轻钻柱和套管柱的悬重
钻井液性能参数
密度、粘度、切力、失水量和泥饼厚度、含砂量、pH值等
钻井液的组成
液相
液相是钻井液的连续相，水或油
活性固相
人为加入的膨润土和地层进入的造浆粘土
惰性固相
惰性固相是钻屑和加重材料
各种钻井液添加剂
钻井液的类型
水基钻井液、油基钻井液、空气-天然气钻井液
钻井液对钻速影响
钻井液密度对钻速的影响
钻井液密度越大，井内液柱压力越大，当井内液柱压力大于地层孔隙压力时，产生正压差
压持效应：在正压差作用下，井底岩屑难以离 开井底，造成重复破碎的现象
钻井液粘度对钻速的影响
钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降
钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响
钻井液中小于1μm的固体颗粒越多， 对钻速的影响越大
为了提高钻速，应尽可能采用低固相 不分散体系钻井液
钻进参数选择
钻压和转速的确定
杨格钻速计算模型
修正的杨格钻速计算模型
水力参数（水功率、射流冲击力、射流速度）优选
水力参数优化设计
目的
寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速
三种观点
水功率决定水力作用效果
最大水功率工作方式
射流冲击力决定水力作用效果
最大射流冲击力工作方式
射流速度决定水力作用效果
最大射流速度工作方式
水力参数优选步骤
根据地层特点和钻井资料，确定钻井液排量
根据机泵设备、地面管汇及钻具状况，确定允许的最高泵压
根据排量，泵压，井深三个参数，结合钻柱组合计算钻头喷嘴直径
根据排量，泵压，喷嘴直径三个参数，计算钻头水力参数，包括喷嘴压降、水功率和喷射速度
选择泵的缸径并确定泵的冲数
钻井液密度选择
钻井过程中的一对矛盾
为了防止井涌和井喷，要使钻井液液柱压力大于地层压力
为了提高钻速，减小钻井液对油气层的污染，又要减小压差
平衡压力钻井
技术关键
准确掌握地下压力分布情况和各层压力大小
设计合理的钻井液密度和井身结构
配套有完整的井口压力控制系统 （防喷系统）
优点
提高钻速
保护油气层
能实现安全钻进
欠平衡压力钻井
技术
在钻井时井底压力小于地层压力，地层的流体有 控制地进入井筒并且循环到地面上的钻井技术
优点
有利于识别、发现油气藏
减少地层伤害
减少压持效应
井斜及其控制
井斜基本概念
井斜角
井眼轴线的切线与铅垂线之间的夹角
井斜方位角
井眼轴线在水平面上投影的切线与正北方向的夹角
水平位移
井眼轨道上某点至井口的距离在水平面上的投影
井斜的危害
油气田勘探开发过程中
井斜过大，垂深会被歪曲，使地质资料不真实
井斜过大，由于实际钻开点与设计点偏离较远，可能会打乱油气田开 发方案，降低原油采收率
在钻井采油过程中
形成的"狗腿"使起下钻困难，钻柱工作条件恶化
易发生泥饼粘附卡钻和键槽卡钻等复杂情况
下套管遇阻，套管不能居中，固井质量难以保证
给采油修井作业带来困难
井斜的原因
地质因素
地层可钻性的各向异性，沿可钻性高的方向前进
地层倾斜：地层倾斜且软硬交错，钻头会偏向垂直地层层面方向钻进
钻具因素
钻具的倾斜和弯曲引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削
钻具的倾斜和弯曲使钻头受到侧向力的作用，迫使钻头进行侧向切削
井斜的控制
通过使用防斜钻具和措施防止井斜的出现
井斜出现后采取相应的纠斜钻具和措施进行纠斜
造斜
目的
油气开发的需要
造斜方法
转盘钻造斜
槽式斜向器
水力喷射造斜钻头
扶正器造斜钻具
井下动力钻具造斜
井下动力钻具
涡轮钻具
螺杆钻具
造斜工具
弯钻杆
弯钻铤
随钻测斜-智能钻井技术
完井工程
定义
完井工程是衔接钻井工程和采油采气工程而又相对独立的工程，是从钻开生产层到固井、完井方式选择与实施、下生产管柱、排液、试油、直至投产的一项系统工程
井身结构
套管的层次
导管
保护井口附近的地表土层，防止被经常流出的钻井液体冲垮，导引钻头入井
表层套管
巩固上部比较疏松易塌的不稳定岩层；安装防喷器等井口设备，控制钻开高压层时可能发生的井喷现象
技术套管
封隔难以控制的复杂地层，以便能顺利地钻达预定的生产目的层
生产套管
封隔油、气、水层，保证油井的正常生产
每层套管的尺寸和深度
相应井段的井径
水泥返高
固井
在已钻成的井眼内下入套管，然后在套管与井眼间的环形空间内注入水泥浆，将套管和地层固结成一体的工艺过程
完井方式
定义
完井方式是指一口井完成后生产层与井眼的连通方式及井身结构形式
井型
直井、定向井（斜井）、水平井、分枝井
完井方式选择的原则
油气层与井底之间应具有最大的渗流面积，使气流的渗流阻力和气层所受的损害最小
能有效地分隔油、气、水层，防止油气井出水和各产层之间的相互干扰（防止层间干扰）
能有效地控制油气层出砂，防止井壁坍塌，确保油气井长期稳定生产（稳定性）
应具备进行人工举升、压裂酸化等措施以及便于修井的条件（满足工艺要求）
完井方法
裸眼完井
气井完井多采用先期裸眼完井
衬管完井
衬管完井与裸眼完井不同的是在裸眼井段下入了一段衬管，衬管用割缝套管或钻有圆孔的套管制成的。它有裸眼完井的优点，又防止了地层坍塌和出砂，但裸眼完井的其它局限性依然存在
套管射孔完井
钻开油气层后，下生产套管至油气层底部注水泥固井，然后下入射孔器在油气层部位射孔，射孔弹穿透套管和水泥环进入油气层，建立起油气流入油气井的通道
套管射孔＋筛管完井-防控砂
在垂直井或水平井射孔完成后，下入机械防砂筛管；筛管起到阻挡地层出砂作用
套管射孔＋筛管＋砾石充填完井-防控砂
在垂直井或水平井射孔完成后，下入机械防砂筛管，再进行砾石充填，起到阻挡地层出砂作用
套管射孔＋压裂充填完井-防控砂
在垂直井或水平井射孔完成后，水力压裂产生短而宽、高导流能力的人工裂缝，用砾石充填裂缝
技术关键：端部脱砂压裂
试油
根据地质录井资料和测井资料解释结果、钻井过程中油气显示等资料，利用一套专用的设备和方法，对可能出油的层位的油气水产量、温度、压力及油气水性质进行直接测量，以鉴别和认识油气水层的工作
主要任务
了解储层及流体性质，为附近同一地层的其它探井提供重要的地质资料
查明油、气田的含油面积及油水或气水边界以及驱动类型，为初步计算油气工业储量提供必要的资料
了解储层产油气能力和验证测井资料解释的可靠程度
整理和分析试油资料结果，确定油井合理工作制度，为制定油田开发方案时确定单井生产能力提供依据
诱导油流方法
替喷法
抽汲法
气举法
试油工艺（分层试油）
注水泥塞试油
用封隔器分层试油
中途测试工具试油（钻井过程中进行）
试油资料
产量
压力
温度
油气水性质资料
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