深井钻井技术(1)

（拉丁美洲和墨西哥湾地区）5638米
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（二）不同尺寸套管的下深能力
1、影响套管下深能力的因素
• 套管下深能力：指各种尺寸套管在不同约束条件下可 下入的最大深度。
• 约束条件： –钻机起重能力 –套管接头的连接强度 –套管的抗外挤强度
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2、套管柱的轴向载荷计算
1、套管柱自重产生的轴向力计算
（8）严重井漏、井塌、缩径的有效处理问题。
（9）含硫气井的安全钻进问题。
（10）高密度（大于2.0g/cm^3）,抗高温(大于150C),抗污
染钻井液问题。
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表1 我国复杂地质条件新区第一口深探井钻井情况
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表2 美国复杂地质条件初探井钻井情况
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二、井身结构设计
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2020/11/26
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主要内容
• 深层钻井的主要技术难点
• 井身结构设计
– 深井超深井套管、钻头系列
– 不同尺寸套管下深能力
– 推荐的深井超深井套管钻头系列
– 套管、钻头数据库
– 井身结构设计方法
– 套管柱强度设计
• 高效破岩工具
• 深井小井眼钻井技术
• 深井复杂事故监测技术
应用这种传统方法自下而上合理地确定每层套管 的下深。
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2)改进的设计方法
• 对深层钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻 地区深层的地层资料掌握不清，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。
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3、井身结构设计方法
（1）井身结构设计的约束条件
ρmax=max{(ρpmax+Sb),ρcmax+△ρ} (ρmax-ρpi)×Hi×0.098≤△P ρmax+Sg+Sf≤ρfi ρmax+Sf+Sk×Hmax/Hi≤ρfi
防喷、防塌 防卡 防漏 关井时防漏
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（1）提高地层压力和地应力预测监测的精度问题
（2）确定复杂地质条件下深探井合理井身结构问题。
（3）一旦同一裸眼井段内打开两套或更多套地层压力系 统后的有效处理问题。
（4）高陡构造高效防斜问题。
（5）提高上部大尺寸井眼和深部井段钻井速度问题。
（6）提高长井段小间隙高密度条件下的固井质量问题。
（7）减少技术套管磨损和破裂后的处理问题。
正常（Mpa） 18～20 异常（MPa） 23～25
塔西南井身结构设计基础参数
• 抽吸压力系数和激动压力系数（ g/cm3 ） 0.05～0.07
• 井涌允量（ g/cm3 ） 0.042～0.07
• 破裂压力增值（ g/cm3 ） 0.03～0.06
• 压差卡钻允值
正常（Mpa） 18～20
异常（MPa） 23～25
目前国内深井井身结构设计的问题
• 套管与钻头系列单一 • 设计目标及方法有待改进 • 套管柱强度设计需考虑温度和三维受力问题
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（一）深井超深井套管、钻头系列
1、国内常用深井超深井套管、钻头系列
目前，我国深井、超深井钻井中普遍采用的套管 结构程序为：20”—13 3/8”—9 5/8” —7”—5” ， 少数陆地超深井和海洋钻井已采用 30”—20”—13 3/8”—9 5/8” —7” —5”的套管程序。
2、井壁摩阻力的计算
3、泥浆摩阻力的计算模型
4、注水泥引起的套管柱附加拉力
5、套管弯曲引起的附加拉力
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3、套管柱抗外挤计算
按套管内全部掏空时的泥浆柱压力计算；
4、钻机安全钩载的计算
API建议钻机的最大钩载应比最重套管柱大20%。
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5、套管柱可下入深度的计算
•计算方法
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（五）深井井身结构设计方法
重点考虑三个方面的内容：
1、井身结构设计所需要的基本钻井地质环境资料 2、井身结构设计基本参数的确定 3、设计方法
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1、井身结构设计所需要的基本钻井 地质环境资料
• 地质分层及地层岩性剖面 • 地区钻井事故统计剖面
卡钻、坍塌、井漏、异常压力等 • 地层孔隙压力剖面 • 地层坍塌压力剖面 • 地层破裂压力剖面
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（六）套管柱强度设计
设计方法主要新增了三个内容：
1、以满足外载约束条件的套管柱总成本 （最低）或总重量（最轻）作为优化设计目 标函数。 2、采用三轴应力设计。 3、考虑温度对套管柱载荷和强度的影响。
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三、高效破岩工具
• 高压水射流辅助破岩钻头 加长喷嘴钻头、空化射流喷嘴钻头
经过文献调研和分析研究，认为有四种途径增加套管柱层 次：
1、增大上部井眼和套管的尺寸 2、钻小井眼可增多套管柱层数 3、采用无接箍套管，缩小相邻套管柱及套管与井眼之间
的间隙 4、优化套管/井眼尺寸组合，设计新的套管钻头系列
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2、套管与井眼间隙的研究
• 间隙大小对钻井的影响
– 间隙过大：将明显增加钻井成本；影响水泥浆顶替 效率，增加固井成本。
内容包括：厂家、类型、型号、 IADC编码、尺寸、比钻压 上限、比钻压下限、转速上限、转速下限、适钻地层、特殊性 能、备注等。 •套管数据表
内容包括：厂家、外径、内径、壁厚、线重、钢级、长度、 管体屈服强度、抗挤强度、管体抗内压强度等。 •套管接箍数据表
内容包括：接箍类型、接箍外径、抗内压强度、通径、最大 上扣扭矩、最小上扣扭矩、最佳上扣扭矩、连接强度等。
（2）井身结构设计方法
1)对传统设计方法的分析
• 传统的设计方法是自下而上逐层确定每层套管的 下入深度。
• 每层套管下入的深度最浅，可使套管费用最少。 • 上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特
性了解的准确程度和充分程度。 • 应用于已探明地区的开发井的井身结构设计比较
合理。 • 对于深探井，由于对下部地层了解不充分，难以
• 套管下深根据上部已钻地层的资料确定，不受下 部地层的影响，有利于井身结构的动态设计。
• 每层套管下入的深度最深。有利于保证实现钻探 目的，顺利钻达目的层位。
• 与传统设计方法相结合，可以给出套管的合理下 深区间。
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3)设计举例
井深：5430米，；表层套管下深505米。 自下而上设计：技套下深1529米 自上而下设计：技套下深4285米
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海洋复杂深井套管、钻头系列
（36 ” ）30 ”-（26 ” ）20 ” -（17 1/2 ” ）13 3/8 ”-（14 ” ）11 3/4 ” -（12 1/4 ”）9 5/8 ”-（8 1/2 ” ）7 ” -（6 ” ）4 1/2 ”
在14＂ 井眼用8 3/4＂×12 1/4＂ ×14＂偏心 钻 头 钻 进 ， 11 3/4 ＂ 尾 管 采 用 无 接 箍 套 管 ， 在 12 1/4＂井眼段，用7 7/8＂ ×10 5/8＂×12 1/4＂ 偏 心钻头钻进。9 5/8＂套管柱的上部用普通接箍的套管， 进入11 3/4＂尾管及以下井眼的套管为无接箍套管。
• PDC钻头
– FMG系列PDC钻头（刀翼式、具有自锐能力） 钻头尺寸：118mm----444mm
– FMD系列PDC钻头（定向、侧钻、造斜、扭方位） – FMB系列PDC钻头（侧翼扩眼、超出通径1英寸）
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四、深井小井眼钻井技术
• 小井眼窄间隙环空压力计算
– 配合井下压力实测数据建立精确计算环空压 耗和波动压力的计算模型。
– 间隙过小：固井质量难以保证；不利于下套管作业； 下套管的压力激动易压裂地层。
（1）、固井对套管与井眼间隙的要求 （2）、波动压力对套管与井眼间隙的要求 （3）、其它因素对套管与井眼间隙的影响 （4）、国内外实践过的套管与井眼尺寸配合
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3、改进的套管钻头系列方案
（1）、在20”—13-3/8”之间增加一层16英寸套管（常 规接箍）
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2、井身结构设计基本参数确定方法
（1）抽吸压力系数和激动压力系数； （2）破裂压力安全系数； （3）井涌允量； （4）压差卡钻允值。
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准葛尔盆地井身结构设计基础参数 • 抽吸压力系数和激动压力系数（ g/cm3 ） 0.04～0.06 • 井涌允量（ g/cm3 ） 0.05～0.08 • 破裂压力增值（ g/cm3 ） 0.03～0.06 • 压差卡钻允值
• 目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限， 只能有两到三层技术套管。
• 希望上部大尺寸套管尽量下深，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井。
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2)改进的设计方法
• 自上而下的设计方法：根据在裸眼井段安全钻进 必须满足的压力平衡约束条件，在已确定了表层 套管下深的基础上，从表层套管鞋处开始向下逐 层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层 位。
– 钻机最大钩载条件下的可下入深度计算： – 套管接头抗滑扣力条件下的可下入深度计算： – 套管抗挤强度条件下的可下入深度计算：
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6、套管柱可下入深度的计算结果
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（三）推荐的深井、超深井套管钻头 系列
1、增加套管柱层次的途径
• 井漏监测及漏层位置判断技术
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3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/26
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– 目前模型、算法及程序以基本完成。有待于 实测压力数据的进一步检验和修正。
• 小井眼钻井用PDC钻头
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五、深井复杂事故监测技术
• 录井资料实时分析与应用技术
– 起下钻过程中的动态波动压力监测技术 – 钻进过程中的钻具刺漏监测技术 – 钻进过程中的牙轮钻头工况预测技术 – 随钻地层分层技术
（美国怀俄明） 7582米
•36〃-30〃-24〃- 18 5/8〃-13 3/8〃-9 5/8〃-7〃-4 1/2〃
（沙特阿拉伯Khuff井）
•32〃- 24 1/2〃- 16〃- 13 3/8〃- 9 5/8〃- 7 5/8〃
（德国KTB超深井）12000米
•30〃- 24〃- 20〃- 16〃- 13 3/8〃- 11 3/4〃- 9 5/8〃- 7 5/8〃
4、新增套管钻头系列方案
（2）20”×16”×11-7/8”×9-7/8”×7-5/8”×5-1/2”
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4、新增套管钻头系列方案
（3）24”×18-5/8”×14”×10-3/4”×7-5/8”×5-1/2” 全井可以不使用偏心钻头。
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（四）套管钻头数据库
数据库中已录入套管数据2948条，；钻头数据2079条，基本 覆盖了国内钻井需要的所有套管及钻头数据。 在数据库中创建了三个主要数据表。 •钻头数据表
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一、深层钻井的主要技术难点
复杂地质条件下深探井和超深探井的难点主要有 以下三个方面：
1、探井具有地质不确定性，新区第一口探井的地质不确 定程度更大。
2、现有钻井技术不完全适应复杂地质条件深探井钻井的 要求。
3、深井钻井主要装备技术性能差，比较陈旧。
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克服技术难点需要解决的问题
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2、国外深井超深井套管、钻头系列
•20〃-13 3/8〃- 10 3/4〃- 7 5/8〃- 5〃
（美国西德克萨斯、俄克拉何马等地区）6900米
• 36〃- 26〃- 20〃- 16〃- 10 3/4〃- 7 3/4〃-5〃
（美国加利福尼亚最深井943-29R井）7445米
•30〃- 20〃- 16〃- 11 7/8〃- 9 7/8〃- 7 3/4〃-5 1/2〃
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3、改进的套管钻头系列方案
（2）、在13-3/8”—9-5/8”之间增加一层11-3/4英寸 尾管（平接箍）
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4、新增套管钻头系列方案
（1）20”×14”×10-3/4”×7-5/8”×5-1/2” 主要特点是可以用9-1/2”钻头钻进下入7-5/8”套管。
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