深井超深井钻井技术

深井超深井钻井技术
第一节概述 (1)
第二节地层孔隙压力评估技术 (2)
第三节井身结构及套管柱优化设计 (4)
第四节防斜打快理论和技术 (9)
第五节地层抗钻特性评价与钻头选型技术 (14)
第六节井壁稳定技术 (18)
第七节钻井液技术 (23)
第八节固井技术 (27)
第九节深井测试和录井技术 (31)
第一节概述
对于油气井而言，深井是指完钻井深为4500～6000米的井；超深井是指完钻井深为6000米以上的井。

深井、超深井钻井技术，是勘探和开发深部油气等资源的必不可少的关键技术。

在我国，深井、超深井比较集中的陆上地区包括塔里木、准噶尔、四川等盆地。

实践证明，由于地质情况复杂（诸如山前构造、高陡构造、难钻地层、多压力系统及不稳定岩层等，有些地层也存在高温高压效应），我国在这些地区（或其它类似地区）的深井、超深井钻井工程遇到许多困难，表现为井下复杂与事故频繁，建井周期长，工程费用高，从而极大地阻碍了勘探开发的步伐，增加了勘探开发的直接成本。

在“八五”末期，虽然我国在3000m以内的油气井钻井方面已接近国际80年代末的技术水平，但当井深超过4000m时，我国的钻井技术与国外先进水平相比仍有较大差距。

美国5000m左右的油气井钻井周期约为90天，5500m左右约为110天，6000m左右约为140天，6500~7000m约为5~7月。

然而，我国深井平均钻井周期约为210天左右，特别是在对付复杂深井超深井工程方面的钻井能力和水平比较低，没有形成一整套与之相适应的深井超深井钻井技术。

为了尽快适应我国西部深层油气资源勘探开发工程的迫切需要，在“八五”初步研究的基础上，中国石油天然气集团公司将“复杂地层条件下深井超深井钻井技术研究”列为“九五”重大科技工程项目之一（项目编号：960024），调动全国的优势科研力量开展大规模攻关研究，试图使塔里木、准葛尔、四川等盆地的深井超深井钻井技术水平有较大提高，基本满足这些地区深部油气资源高效钻探与开采的技术需求。

通过五年多的持续攻关研究，该项目攻关集团攻克了不同地质条件下深井超深井钻井技术的许多难题，有力地推动了我国复杂地质条件下深井超深井钻井技术的发展，取得了丰硕的理论和技术研究成果（2002年通过专家验收评价），可概括如下：
1．项目共完成深井超深井91口，其中，由塔里木攻关集团完成一口国内最深的超深井（塔参1井），完钻井深7200米，完成6000米以上的超深井6口，4500-6000米的深井85口。

各攻关集团完成的深井超深井数量分别为：塔里木攻关集团26口，准葛尔攻关集团45口，四川攻关集团12口，塔西南攻关集团3
口，科探井攻关集团5口。

与“八五”期间相比平均机械钻速提高20~40%；平均钻井周期缩短26.7%~40%，井下复杂和事故时率分别降低26%和17%。

直接经济效益4.116亿元，投入与产出比高达1：5.92。

2．项目共进行了5个课题（包括31个专题）的研究工作，取得了一系列研究成果，在以下技术方面有重大突破：钻前地层压力与井壁稳定预测，井身不稳定性剖面的建立及套管柱强度设计，高效钻头、井下动力钻具提高机械钻速，高陡构造井眼轨迹预测及防斜打快理论和技术，“三高一抗”和高密度甲酸盐系列聚合物钻井液体系及配套技术，高密度（2.6g/cm3）、低密度（1.3 1.5 g/cm3）、塑性水泥及深井小间隙固井工艺技术，漏层位置测定及防漏堵漏技术，现场混配水泥浆循环喷射搅拌式水泥浆批量混合器，轻便顶驱、盘式刹车、105MPa液压防喷器等配套装备，涡轮及减速涡轮钻具、液动冲击器、防磨接头、堵漏波纹管、自动自锁套管浮箍、随位自动脱挂尾管悬挂器等配套工具，溢流早期监测、固井施工监测、60MPa漏层位置测定等仪器，并形成了配套工艺技术。

3．项目共开发新产品55项，提出新方法、新技术及新工艺共计47项，开发出专用计算软件30套，研制新材料12种及新的设备和工具9套，获国家专利18项，发表研究论文百余篇。

项目开发的工具与设备填补了国内空白。

实践证明，这些成果可以在我国各油田大规模推广应用，对我国山前构造等复杂地质条件下深井超深井优快钻井及加快深部油气资源的勘探开发步伐具有重要作用。

第二节地层孔隙压力评估技术
一、概述
异常地层孔隙压力是世界性的。

世界油气勘探实践表明，正常地层孔隙压力、异常高压、异常低压三种类型的地层孔隙压力都可以钻遇到，但异常高压的出现较异常低压更为频繁，对石油工业来说意义更大。

地层孔隙压力确定是钻井界长期关注的热点课题，已形成多种方法，但如何提高精度成为国内外关注的焦点。

多年的实践使人们认识到地层孔隙压力在油气地质勘探、油气井工程、油气开发及油藏工程等领域占有极其重要的地位。

在科学钻井方面：是合理确定套管程序的基础；也是合理选择泥浆密度，实现安全高效钻井的关键。

油气成藏研究和油藏工程方面：地层孔隙压力是油气成藏与分布的主控因素之一，是油气成藏流体动力学研究的依据。

同时异常地层压力分布和规模影响采油作业和有关的
油藏工程。

地层孔隙压力确定方法的研究已有40年的历史，相继提出了许许多多确定其值的方法。

但是问题并未完全得到解决，进入九十年代以来，在西方国家再次成为研究的热点。

一般说来，可以将地层孔隙压力确定技术的发展分为两个阶段：经验半经验阶段(1965～1987年)和逐步科学化阶段(1987年～至今)。

经验半经验阶段提出的方法国内外一般称为传统方法。

“九五”攻关之前我国地层压力预测技术仍停留在国外在60年代提出的传统方法的水平，关于方法的研究国内几乎为空白。

二、研究进展
在“九五”期间，以中国石油大学（北京）为代表，对地层压力检测预测方法进行了系统的研究，并结合新疆克拉玛依油田、塔里木油田等进行了应用，取得了良好的技术经济效果，主要研究进展如下：
1．对异常压力的概念、特点、成因、确定方法等进行了系统总结，详细分析了现有国内外现有方法的特点和缺陷。

有针对性的进行了检测和预测新方法的研究和应用。

2．针对传统声波时差法仅适于欠压实泥岩且经验性强的缺陷，提出了基于有效应力定理的“简单计算模型”，利用声速求垂直有效应力。

尽管也限于泥岩欠压实成因的异常高压检测，但较传统时差法有更高的精度，且使用简便，不同地区的实际应用表明，对于新生代沉积地层有很高的精度，采用的四参数速度模型较Exxon公司Bowers1994年发表的两参数速度模型在压力检测方面更合理。

3．针对非欠压实成因及非泥岩地层，提出了一种“综合解释模型”。

对于砂泥岩地层，同时考虑泥质含量(岩性)、孔隙度、垂直有效应力对声速的影响，由相关测井资料求取泥质含量和孔隙度，再由声速计算垂直有效应力。

解决了利用声速检测非泥岩或非欠压实地层异常高压的问题，初步应用表明具有很高的检测精度。

4．系统分析了影响层速度预测地层压力的因素、提高预测精度的关键和途径。

提出了两种预测模型：单点计算模型和综合算法模型。

单点计算模型是将上述检测地层压力的“简单计算模型”直接用于压力预测，该方法简单实用，适于资料极少的预探区。

应用表明，对泥岩为主的新生代砂泥岩地层预测效果良好。

针对层速度预测地层压力诸多不确定性，在详细分析Scott“综合算法模型”缺陷的基础上，重新设计了一种新的“综合算法”，对于砂泥岩剖面，可以同时实现对泥质含量、孔隙度、地层密度等较可靠的预测，通过对预测结果的综合分析，可以大大提高预测结果的可信度。

通过对几口井的初步预测分析表明，该方法有相当好的可靠性。

5．开发了具有国内独立知识产权的“地层孔隙压力检测预测应用软件”。

并进行了推广应用，目前已在已在克拉玛依、塔里木等油田正式推广应用，同时在柴达木、南海西部英琼盆地等地区也进行了应用。

取得很好的应用。

第三节井身结构及套管柱优化设计
通过“九五”科技攻关，主要在深井井身结构、套管柱优化设计模型及其求解方法、套管柱内外压力计算模型、套管柱强度设计准则及套管柱优化设计软件等方面取得了重要进展。

一、井身结构设计方法
在“九五”攻关以前，井身结构设计的基础数据是：两条压力剖面（地层孔隙压力和地层破裂压力，这主要反映人们对地质环境认识的深刻程度），6个基础参数（抽吸压力系数、激动压力系数、井涌允值、破裂压力允值、正常压力压差卡钻临界值和异常压力卡钻临界值，这主要体现了钻井技术水平），必封点位置（坍塌层位和漏失层位）。

在设计方法方面，主要是根据压力平衡关系设计出合理的井身结构。

这种设计方法的基本思想就是：在保证钻井施工能够顺利进行的前提下，使井身结构的套管层次最少，每层套管下入的深度最浅，从而达到成本最优的目的。

能否达到设计思想的目的，主要取决于基础数据的准确程度。

在“九五”研究过程中，通过调研现有的井身结构设计方法，发现存在有某些不足之处。

对深井生产井和探井的设计，由于钻井的条件、目的和对所钻地区的了解程度不同，不应该用同样的设计方法，而原来的设计方法对生产井和探井就没有区分。

对深井钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻地区的情况掌握不清，中心目标是怎样切实保证钻达目的层，提高深探井的钻井成功率。

要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。

但目前的套管钻头系列毕竟是有限的，只能有两到三层技术套管，也就是说只能封隔钻井过程中的两到三个复杂层位。

因而，希望每一层套管都能尽量发挥其作用。

即：希望上部裸眼尽量长些，上部大尺寸套管尽量下深一些，以便在下部地层的钻进时有一定的套管层次储备和不至于小井眼完。