第1讲 油气井工程理论与方法

钻井基础上发展起来的，旋转钻井是在20世纪初问世的，
其发展过程大体分为三个阶段：
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（1）初期阶段（萌芽阶段）
1900——1920年 20年
旋转钻井 发展阶段
（2）发展阶段（经验钻井阶段）1920——1950年 30年 （3）科学钻井阶段
前期阶段 后期阶段 年
1950——现代
（1950——1980） （1980——现代）
1535
1354 1536 1928 1202 1558 1058 1702 5859 1442
1080
1819 1638 2108 951 1295 1240 1782 2987 1568
1038
1605 1412 1411 650 1541 1450 1366 3547 1313
949
1415 1617 1795 602 1478 1287 1278 3705 1424
23
③ 70年代 代表性技术： 定向井、丛式井技术 计算机技术的引入和无线随钻测量技术的开 发，是钻井技术发展的里程碑： 。 计算机作为一种高效计算工具，推动了钻井 数学建模与定量分析，加速了科学钻井的发展； 计算机作为接收、处理、存储信息的工具，又成 为钻井控制系统的广义控制器。 遥测遥传技术引入钻井开发了无线随钻测 量系统MWD，1979年首先开发出无线随钻测斜 仪，以后向工程和地质两大类参数的多参数方向 发展。
欧洲
350 前苏联 前苏联
亚太
非洲 亚太
64
17%
141
257 26
350
中东 欧洲
北京219
75 107
934 前苏联
北美 北美
中、南美
1
588
4%
103
52
105
6%
中、南美
非洲
219 107
7% 103
331 非洲 非洲 64
北美 中、南美
亚太 亚太
331 257 141 64
10% 13%
中东
24
人造聚晶金刚石复合片钻头 (PDC钻头， Ballaset钻头)的开发成功是新材料引入钻井的 结果，这种无轴承刮削式新型钻头较之牙轮钻 头延长了使用寿命和提高了机械钻速。
计算机技术，无线随钻测量系统和聚晶金 刚石复合片钻头三项新技术的出现，除了进一 步提高了定向井丛式井和深井的钻井效率外， 更重要的是为80年代开发水平井钻井技术创造 了条件。
50年
30年 20
18
科学化钻井前期阶段（30年）
喷射钻井技术 优选参数钻井技术 平衡压力钻井技术 保护油气层技术
丛式钻井技术 高效钻头技术 井控技术 洗井液技术
属于单
项技术
深井钻井技术
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科学化钻井后期阶段（20余年）
地质参数
（1） 传输、处理、分析
井下信息实时检测
钻井参数 井眼参数
使用MWD、LWD、SWD、DDS、 GST、FEWD等随钻测量技术
11%
52
105
65%
588 350
26
75
107
前苏联
亚太 257
141
31%
26 75
北美 219
中、南美 中南美
欧洲
前
107
103
52
105
剩余可采储量 待发现资源量
中东
中东
欧洲
前苏联
非洲
亚太
7% 占世界百分比
石油待发现资源主要分布在中东、前苏联、北美地区
8
2000年USGS关于世界常规可采石油资源评价结果(亿吨)
深井、超深井钻井技术（Deep Well Drilling）
超高压射流钻井技术（Super-high Pressure Jet Drilling） 多分支井（分支井、多底井、侧钻井及径向水平井）钻井 技术（Multibranch Well Drilling） 连续管钻井技术（Coiled Tubing Drilling） 套管钻井技术 （Casing Drilling） 闭环钻井技术（ Closed Loop Steering Drilling）
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⑥ 21世纪 技术的发展都有继承性，从过去50年钻井技 术的发展，可以看到：以最优化理论和控制论作 指导，把计算机、三遥(遥测、遥传、遥控)高技 术和钻井各工序的实际相结合，开发出多种钻井 自动及智能控制系统，实现钻井优质高效，这就 是21世纪钻井技术发展的主导趋势。 第一阶段 自动化钻井(开环遥控) 信息技术（MWD) +控制技术（遥控工具） →自动化钻井技术 第二阶段 智能化钻井（闭环自控） 信息技术 +自动控制技术+人工智能→智能 化钻井技术
钻井成本
综合成本
2000 大庆 947 2001 849 2002 825 2003 866
元/米 开发井成本
2003 2804 2000 833 2001 739 2002 738 2003 789
探井成本
2000 2666 2001 2439 2002 2560
华北
辽河 新疆 大港 吉林 长庆 玉门 青海 四川 吐哈
6
（二）现代油气井工程的重要性 21 世 纪 人 类 面 临 的 四 大 问 题 ： 人 口 （ 控 制）、资源（开发）、环境（保护）、灾害 （预防）-----。 后三大问题都与本领域有关，最直接的是 资源问题。 资源的开发利用是关系国计民生的最迫切 的问题，尤其是我国以石油与天然气为代表的 能源贫乏，已与当前飞速发展的经济不相适应----，我们必须向深部地层、海洋、沙漠进军， 必须充分开发国际市场----7
4
绪论部分：介绍现代油气井工程的定义、内容及特点； 现代油气井工程的发展过程、现状及今后的发展趋势， 面临的主要任务。
技术部分：介绍各种现代钻井技术概念、发展状况、 理论及工艺技术特点，技术关键、配套设备等。
5
第一讲、绪论
（一）油气井工程的内涵 传统的钻井工程是指通过一定的方式破碎岩石， 从地面向地下形成物质（油气）流通通道的工艺过程。 油气井工程是包括钻井、完井、测试及测井等各 项技术工艺过程、内容的统称（国家重点学科定义）。 两者的差别：油气井工程在传统的钻井工程基础 上增加了完井、测井及测试等内容，但钻井工程仍是 其最主体。 实质上，可以将油气井工程的范围定义在井筒的 建立及运行、维持上。
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世界油气勘探开发趋势
资料来源：SPE/Holditch 4/27/2001
10
2000-2020中国石油缺口
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2000 2005 2010 2015 2020 需求 产量 3 2.5 2 1.65 1.73 1.8 2 1.8 4.1 3.6
分支水平井、多分支井；
（3）在钻井任务上，由过去为油气从地下采出到地面建造一个油 流通道发展到成为提高油田可采储量和采收率的一种重要手
段；
为难开采油气藏（低渗、裂缝、薄油层、高含水、不均质、 段块……等）提供有效开发手段。这是一个巨大变化，是一
个质的变化。
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石油工业是国际上比较年轻的一门工业，石油勘 探和开发的历史只有100多年历史，石油钻井技术的发 展历史也只有100年左右历史。现代钻井技术是在旋转
2489
2717 3006 3495 2556 2147
1508
2462 2607 4048 1931 2311
1573
2397 2414 1826 1098 2000 1750
1099
2396 2486 2290 1146 1887
1321
1221 1345 1562 985 1413 1058
969
26
⑤ 90年代：钻井技术的重大进展——欠平衡、多分 支井、大位移井为代表。 在水平井钻井技术基础上发展了大位移井和多 分枝水平井钻井技术，以及小井眼和欠平衡钻井技 术。 为提高大位移井的井眼轨道控制效率，开发成 功遥控可变径稳定器(“十五”期间的重点攻关项目之 一)。这个机电液一体化的井下工具开发成功，标志 着遥控技术引入了钻井工程，意味着将有不同功能 的多种井下遥控工具将开发出来。 无线随钻测量技术向近钻头测量发展，开发成 功测传马达(Instrumented Motor)，为地质导向钻井提 供了更好的手段。
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④ 80年代 代表性技术：水平钻井、小井眼钻井技术 导向螺杆钻具(弯外壳马达)替代了直螺杆钻具 和弯接头，直螺杆钻具的使用量大幅度下降。 导向螺杆钻具和无线随钻测量系统两项技术的 应用，成功地实现了水平井钻井的几何导向。 在无线随钻测斜系统的基础上，1989年开发成 功第一代随钻地层评价仪(LWD)，可以测自然伽马 和普通电阻率两个地质参数，使水平井钻井技术由 几何导向发展到地质导向，进一步保证了水平井 “少井高产”优点的发挥。
（2） 开发了井下导向和井下闭环钻井系统
水平钻井技术及大位移井钻井技术 多分支井钻井技术 欠平衡钻井技术 小井眼钻井技术 连续油管钻井技术
（3） 发展了新的钻井技术
复 杂 结 构 井
20
具体按技术进步划分的发展时期
21
① 50~(60年代中期)——常规转盘钻井技术的 主导期 “三合一”钻头的出现 “三合一”：滑动、密封、镶齿， 大幅度提高了机械钻速 并促进了喷射钻井和优化钻井技术的出现。 这些技术的开发和应用，标志着传统的转 盘钻井技术已发展到其顶峰。
现代油气井工程
理论与方法
主讲人：王瑞和
1
本课程的教学目的：
引导研究生了解、掌握现代油气井（主要是 钻井、完井及测试等工艺）技术的最新发展、技 术原理和方法； 了解今后本学科有关研究领域的发展方向， 明确所需的相关知识，为论文研究工作打好基础； 引导研究生树立系统工程思想，启发学生的 创造性思维。
2
13
Βιβλιοθήκη Baidu
钻完井费用 占59.9%
钻完井费用 占48.8%
± × ¿¿¿¿
¿¿¿¿ · ×
着勘探开发的整体效益。
钻完井费用 占51.5%
50%以上，钻井速度的高低、钻井质量的优劣在很大程度上影响 为勘探开发过程中的重要环节，其费用占勘探开发投资的
± ·× × ¿¿¿¿¿¿¿
14
来自中国石油天然气集团公司2002年钻完井占勘探开发投资的 具体比例如下：
22
② 60年代(中后期) 标志性钻井技术：喷射钻井、最优化钻井。 相继开发出螺杆钻具和照相式单、多点测斜 仪，替代了原有的涡轮钻具和氟氢酸测斜仪；再 加上井眼轨道设计方法和下部钻具组合受力与比 变形分析方法的发展，为70年代定向井丛式井钻 井技术的广泛应用打下了良好的基础。 从此，井下动力钻具钻井的比重迅速上升， 转盘钻井的比重逐步下降。
11
未来20年我国石油供需平衡途径
5
4
产量、进口量（亿吨）
进口
3
哈管道油 俄管道油
平 衡 途 径
2
国外份额油 国内自给部分
1
0 1990
1993
1996
1999
2002
2005
2008
2011
2014
2017
2020
12
钻探是人类开发自然资源的最重要的手 段。 就石油、天然气资源开发而言，油气 井工程贯穿于整个勘探、开发的全过程， 是技术密集、资金密集、劳动力密集的行 业领域。 在石油工业的总投资中，大约40%以上 的费用投入到钻井、完井工程中（探井占 总勘探费用的50—80%，开发井占开发费 用的30（海上）--80%（陆地））
1794 3585 3056
2123 4068 2588
1686 6936 1389
15
（三）、现代油气井工程的发展历史
1、钻井技术发展回顾
近20年来，石油钻井技术发生了巨大的变化，具体表现在：
（1）在钻井手段上，由机械动力钻井进入到信息化和智能化钻井； （2）在钻井类别上，由单一钻直井和定向井发展到能钻水平井、
1729 1507 1741 814 1163 1240 1592 3214 1409
953
1444 1358 1319 597 1495 1149 1308 3516 1113
916
1213 1529 1621 557 1427 1287 1167 3470 1206
1962 5166 2442
3983 2840 2518
教学方式：
课堂讲课 +调研、写报告+研讨
考核形式： 闭卷考试+研讨报告 研讨题目：现代油气井工程技术发展（之一） 参考书目：钻井工艺技术基础，石油大学出版社 钻井工程理论与技术，石油大学出版社 有关现代石油工程技术、钻井技术的 教材、杂志和专著-------。
3
课程主要内容
绪论 （Introduction） 大位移钻井技术（Extended—reach Well Drilling） 欠平衡钻井技术（Under Balance Drilling） 小井眼钻井技术（Slimhole Drilling）
934
934
588
全球石油资源总量丰富，但分布非常不均
588
全球石油剩余资源分布 934 350
257 141
中东
中、南美
单位：亿吨
331 257
52 105
350 219
2%
588 26
75
4%
107
26 75
8% 103 107
非洲
18%
52 103
219 105
欧洲 欧洲
中东
934
4%
前苏联