深井超深井钻井技术3

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1、深井超深井钻井完井技术,西南石油大学油气井工程研究所,2,提 纲,一、深井超深井钻井技术发展现状 二、深井超深井井身结构 三、深井超深井提速钻井技术 四、深井超深井井斜控制技术 五、深井超深井压力控制技术 六、深井超深井钻井复杂事故预防技术 七、深井超深井固井技术,3,1、国内外井斜控制技术发展现状,四、深井超深井井斜控制技术,4,下部钻柱弯曲引起井斜：,四、深井超深井井斜控制技术,5,下部钻柱弯曲引起井斜：,四、深井超深井井斜控制技术,6,国外在直井防斜打快方面出现了垂直钻井系统,当系统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,改变活塞液缸内的压力,推

2、动其上的可伸缩翼,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。但其租赁使用费用非常昂贵，每天1.2万美金。,四、深井超深井井斜控制技术,7,导向钻具组合：导向钻具本身是一套 稳斜钻具，在发生井斜时只能按定向 方式进行纠斜。,偏轴钻具组合：只有在转盘转速较高 的情况下，才能在在井底形成稳定的 公转，产生好的使用效果。但钻 具损坏严重。,近年来发展的防斜打快技术：,四、深井超深井井斜控制技术,8,防斜单弯螺杆钻具组合防斜打快的机理,类似一种偏心钻具，利用单弯螺杆在转动中产生的离心惯性力以增加钻头处的侧向力，达到降斜的目的。

3、单弯螺杆钻具转动时钻头转角正负交替变化，减小钻头倾角对井斜的影响 。 单弯螺杆钻具增加了单位进尺钻头横向切削次数,螺杆钻具井斜控制技术,四、深井超深井井斜控制技术,9,单弯与直螺杆钻具组合力学性能比较,单弯螺杆在转动一周时钻头侧向力的变化大致是按照简谐形状变化。直螺杆钻具组合的钻头侧向力几乎保持恒定不变的值。,四、深井超深井井斜控制技术,10,防斜单弯与导向钻具组合比较,两种钻具组合的区别在于，用于导向钻井的单弯螺杆多了一个近钻头稳定器。计算结果表明：防斜螺杆侧向力均为负。导向钻具侧向力正负交替。,防斜单弯螺杆钻具组合,导向钻具组合,四、深井超深井井斜控制技术,11,高钻压条件钟摆钻具井斜控制

4、特性,高钻压下单稳定器钟摆钻具组合力学性能分析,钻具组合,四、深井超深井井斜控制技术,12,井斜角1o钻头侧向力随钻压变化,单稳定器小钟摆钻具组合计算分析,钻头侧向力随钻压的增加有增大的趋势,但钻压对钻头侧向力的影响较小。,四、深井超深井井斜控制技术,13,单稳定器小钟摆钻具组合计算分析,井斜角1o钻头转角随钻压变化,井斜角为1o时，钻头转角为负,第一跨钻铤向上井壁弯曲，此时沿 井斜反方向钻进，这一点对于防斜有重要的意义。,四、深井超深井井斜控制技术,14,单稳定器小钟摆钻具组合计算分析,井斜角2o钻头侧向力随钻压变化,钻头侧向力随钻压的增加有减小的趋势,但钻压对钻头侧向力的影响较小。,四、深

5、井超深井井斜控制技术,15,井斜角2o钻头转角随钻压变化,单稳定器小钟摆钻具组合计算分析,井斜角增加到2o时，钻头转角变为正值，沿井斜方向钻进，由钻头 转角而造成井斜的矛盾开始出现。但由于其数值极小，对井斜的影 响并不突出，且钻头转角随钻压增大而减小，所以钻头转角对井斜 的影响并不突出。,四、深井超深井井斜控制技术,16,单稳定器大钟摆钻具组合计算分析,井斜角1o钻头侧向力随钻压变化,1o井斜角下，钻压增加到160kN时，钻头侧向力反向，侧向力由 纠斜力变成增斜力。且接触点的接触力逐渐增大。,四、深井超深井井斜控制技术,17,单稳定器大钟摆钻具组合计算分析,井斜角1o钻头转角随钻压变化,钻头转

6、角随钻压增加而增加，但变化不大，且其数值在0.25o左右， 处于一个较高的水平，由钻头转角造成井斜的因素比较突出。,四、深井超深井井斜控制技术,18,单稳定器大钟摆钻具组合计算分析,井斜角2o钻头侧向力随钻压变化,2o井斜角下，钻压在200kN时，钻头侧向力为0。继续增加钻压， 钻头侧向力会变成造斜力。,四、深井超深井井斜控制技术,19,单稳定器大钟摆钻具组合计算分析,井斜角2o钻头转角随钻压变化,钻头转角随钻压增大而增大，但变化不大，且其数值在0.25o左右， 处于一个较高的水平，由钻头转角造成井斜的因素比较突出。,四、深井超深井井斜控制技术,20,双稳定器钟摆钻具组合,高钻压下双稳定器钟摆

7、钻具组合力学性能分析,钻具组合,双稳定器钟摆钻具组合,双稳定器钟摆钻具组合,四、深井超深井井斜控制技术,21,三套双稳定器钟摆钻具组合钻头侧向力都为负，即均为降斜力并且 数值均不大,随钻压的增加而减小，且第一稳定器与第二稳定器之间 钻铤刚度越小，钻头侧向力越大。,四、深井超深井井斜控制技术,22,三套双稳定器钟摆钻具组合钻头转角都为正，随钻压的增加而增大， 且第一稳定器与第二稳定器之间钻铤刚度越小，得到的钻头转角越 大，而钻头转角导致井斜的作用就越强。,四、深井超深井井斜控制技术,23,三套双稳定器钟摆钻具组合钻头侧向力的减小速度都比较快，其中钻 具组合I下降最快，140KN钻压时的钻头侧向力

8、已经比120KN时下降了 4.33%；钻具组合III下降最慢，但也已经达到了3.4%。,四、深井超深井井斜控制技术,24,三套双稳定器钟摆钻具组合钻头转角的增长速度都很快，其中钻具组 合III的钻头转角上升最快，140KN钻压时的钻头转角已经比120kN时增 加了28.5%；钻具组合I的钻头转角上升最慢，但也已经达到了13.7%。,四、深井超深井井斜控制技术,25,三套双稳钟摆钻具组合与单稳定器小钟摆钻具组合相比，它们的钻头 侧向力相差不大，但钻头转角增加了10倍多，其中双稳定器钟摆钻具 组合III在140kN、2o井斜下的钻头转角是单稳定器小钟摆钻具的20倍。 这充分说明了在小井斜、高钻压下

9、，双稳定器钟摆钻具组合的使用效 果还不如单稳定器小钟摆钻具组合好得多。,从三套双稳定器钟摆钻具组合自身比较来看，柔性越大的双稳定器钟摆 钻具组合在小井斜、高钻压下使用效果差。,单从钻头侧向力来看,双稳定器钟摆钻具组合可以认为是降斜钻具组合， 但考虑到钻头转角，综合起来分析，在较小的钻头侧向力与较大的钻头 转角共同作用下，钻头转角对井斜的影响要比钻头侧向力更为明显，这 充分说明了双稳定器钟摆钻具组合不适合在小井斜下采用高钻压钻进。,四、深井超深井井斜控制技术,26,非旋转可变形钻柱稳定器,刚性稳定器在工作时要随钻柱旋转，由于稳定器本身的结构原因，刚性稳定器在随钻柱旋转过程中会产生较大的扭矩、易发

10、生阻卡情况。基于以上因素，提出研制一种新型的非旋转可变形钻柱稳定器。非旋转可变形钻柱稳定器是安装在钻柱上的一种用于控制井斜的稳定器。,四、深井超深井井斜控制技术,27,受力分析,稳定器扭转受力分析： 1.稳定器根部产生最大等效应力； 2.最大应力值在合理范围内； 3.在根部倒圆角，可减小应力集中。,等效应力云图,四、深井超深井井斜控制技术,28,等效应力云图,井眼缩径，上提稳定器遇卡时受力分析： 1.最大等效应力仍在根部； 2.其次，在遇卡部位； 3.最大应力值在合理范围内。,四、深井超深井井斜控制技术,29,等效应力云图（三）,稳定器产生扶正力时，单片的受力分析： 1.最大等效应力在单片中部

11、； 2.最大应力值在合理范围内。,四、深井超深井井斜控制技术,30,在溢流关井情况下快速预测地层压力的数学方法，数学模型如下：,溢流时间，h；,当量流速系数；,当量时间系数；,五、深井超深井压力控制技术,1、溢流关井立管压力快速预测方法,31,关井立管压力与拟时间的半对数曲线,从图中可以得出关井立管压力截距为14 (MPa)，即PiPh=14 (MPa)，静水压力Ph0.009811.5400058.86(MPa)。地层孔隙压力Pi58.861462.86(MPa)。,该方法解决了压力恢复规律不一带来的误差和快速预测地层孔隙压力,五、深井超深井压力控制技术,32,建立钻井液密度与温度、压力的关

12、系，确定了合理的钻井液密度，保证了井底合理的过平衡压差，降低高含H2S环境气侵的风险。,基于井筒温度的静态当量密度计算,原始条件,最终条件,五、深井超深井压力控制技术,2、高温高压井筒钻井液密度,33,试验井钻井液密度修正与未修正对比,根据钻井液密度与温度和压力的关系，对试验井（A、B、C）的钻井液密度进行了校正,五、深井超深井压力控制技术,34,边界条件示意图,环空模型,1）裸眼环形空间,2）套管环形空间,五、深井超深井压力控制技术,3、考虑温度效应的井筒循环当量密度,35,钻柱内、环空及地层原始温度分布对比,不同井深处的泥浆温度随循环时间的变化对比图,基于井筒温度的循环当量密度数值模拟,从

13、计算结果表明，地层温度对钻柱内和环空中的钻井液温度的影响相当大，并且不同深度受地层温度的影响程度也不相同。,五、深井超深井压力控制技术,36,ECD计算结果：,由于ECD受到循环温度场的影响，因此，所有影响循环温度场的因素都会影响到ECD的分布。但从总体上来看，井底钻井液的密度和地表钻井液密度有很大差别，排量影响相对较大。温度增加，钻井液的密度下降；压力增加，钻井液的密度增加。,五、深井超深井压力控制技术,37,抽吸压力计算,起钻时，井底将产生活塞效应，上提速度越大，产生的抽吸压力越大，保证起钻时井底压差大于或等于3MPa，必须控制起钻速度。,五、深井超深井压力控制技术,4、起钻速度控制,38

14、,高含H2S地质环境安全钻井作业技术措施,闸板防喷器、节流管汇、压井管汇送井前必须进行全面检查，在井控车间试压至额定工作压力，试压合格后才能送往井场。 安装防喷器前，要认真检查闸板芯子尺寸是否与使用的钻杆相符，要求液控系统功能齐全，液控管线不得有刺漏现象。 井口装置安装好后，在钻水泥塞之前按要求用试压堵塞器对套管头、防喷器、节流管汇、压井管汇进行试压，达到试压要求后方可开钻。 双向放喷管线4条，选用专用的放喷管线，接出井场以外100m远。,五、深井超深井压力控制技术,5、高含H2S地质环境安全钻井措施,39,安装好司钻控制台和液面报警装置，方钻杆上下旋塞、回压凡尔(井口和井底)等内防喷工具各3

15、套，额定工作压力不低于105MPa，在高压和高压差情况下能顺利工作。投入式止回阀、旁通阀配备回压凡尔安装工具1套。 远程控制台选用FKQ8006，摆放在钻台侧前方，距井口不小于25m，距放喷管线或压井管线应有一定距离。 备用1根本体外表光滑的钻杆，接上单流阀，作为防喷钻杆短节放在大门坡道上，准备关防喷器时用。 套管头上法兰安装扶正圈，以利于钻头等工具的顺利下入。 从钻开产层前到完钻，每天都进行低泵冲试验，记录冲速、排量、泵压实测数据。,五、深井超深井压力控制技术,40,高含H2S地质环境安全钻井作业技术装备配套要求：,（1）选用的防喷器壳体等重要承压件应符合美国ANSI标准（制造材料25CrN

16、iMo），防喷器侧门螺栓材料应是用42CrMo。 （2）在含硫气藏中钻井应使用能进行气侵及井喷自动报警的监控技术。 （3）为了尽量减少硫化氢应力腐蚀开裂，推荐使用微牙痕大钳，施工后大钳对管体的创伤小，可以起到一定的防硫作用。,五、深井超深井压力控制技术,41,（4）在温度低于100时，使用抗硫钻杆(如铝合金钻杆、钛合金钻杆 、格兰特XD 105 / CYX 105钻杆) 。（5）用铝合金钻杆代替G105钻杆。深井超深井时要求较大的钻杆拉应力，低等级的钢钻杆又不能满足。用铝合金钻杆既可以防硫又可以满足应力要求。（6）钻杆内表面加防腐（防硫化氢）涂层，要经常检查钻杆的内涂层，保持涂层完好。（7）厚壁钻杆可以降低内应力，并可以延长使用寿命。所以在环境恶劣的情况下作业时，最好使用厚壁钻杆。（8）使用电子仪器对钻杆进行定期检查，以便及时发现麻点状腐蚀、疲劳裂缝、涂层的损坏。,五、深井超深井压力控制技术,42,目前，在漏、喷、塌、卡、斜这些井下复杂与事故中，一般情况下各单项问题都已基本形成有效的解决技术(包括相关理论和方法)，除有待进一步完善提高外，已对钻井构不成普遍威胁。 但是： 井漏问题(主要是指泥浆有进无出的恶性漏失及长井段低承压地层的多点漏失)至今无一有效可靠的解决技术。主要靠工程经验和多次反复作业来解决问题。 而复杂地层的井壁稳定问题目前也仍无有效解决的的把握。,