高德利老师-现代油气井工程理论和方法概论2016

一、油气井工程学科概念 、油气井工程学科概念
•要发现、探明及开采地下的矿产资源，都离不开 “井”。油气井，就是勘探开发地下油气资源不可 或缺的信息和物质的通道。 •油气井工程，就是围绕油气井的建设（钻井与完 井）、测量（测、录、试，等）、使用及防护而实 施的知识 技术及资金密集型系统 程 施的知识、技术及资金密集型系统工程。 •它不仅是贯穿于油气勘探开发全过程的基本工程， 而且对地热、地下水等流体资源的开发，以及管道 穿越、地球科学钻探等工程都具有重要意义。
三、油气井工程技术关键 井眼稳定保安全， 轨迹控制中靶眼， 高效破岩助提速， 储层保护效益添； 储层保护效益添 复杂井型设计难， 固井完井遇挑战， 高端技术涉及广， 智能控制当为先。 智能控制当为先
三、油气井工程技术关键：井眼稳定保安全
2 1 3
（1>2>3）
三、油气井工程技术关键：井眼稳定保安全
钻完井化学 与安全环保
一、油气井工程学科概念 、油气井工程学科概念
•油气井工程学科工学硕士学位获得者，应在油气井 钻井、完井、测量及防护等方面具有坚实的理论基础， 掌握较多的专业知识 了解本学科发展动态 能够运 掌握较多的专业知识，了解本学科发展动态，能够运 用数理方法、化学方法、计算机技术及现场资料等， 分析和解决油气井工程设计和作业问题；应掌握一门 外语 能够熟练阅读和撰写论文 并具有 定的听 外语，能够熟练阅读和撰写论文，并具有一定的听、 说能力；应具备一定的独立开展科研工作的能力，在 某一研究方向上有较深入的研究，并有所创新；还应 具备良好的科学作风。 具备良好的科学作风
•在资源、环境及工程建设等具有战略或社会重要性 的应用领域，井是不可或缺的信息和物质通道。
政府 政府，工业界，大学 业 大学 NADET （美国计划） 1. 2. 3. 4 4. 地下资源勘探开发 环境监测与治理 掘进与浅层开发 地球科学研究 钻井与掘进 1. 2. 3. 4 4. 煤炭生产 一次和二次矿采掘 就地开采系统 油页岩经济生产 矿业生产 1. 2. 3. 4 4. 现代化运输系统 供电和通讯 供水和污水排放 废物安全存放等
•国家自然科学基金创新研究群体：复杂油气井钻井 与完井基础研究，2012年入选，2015年延续资助。 研究对象
地层
装备
流体
科学问题
复杂井工程风险 特征与极限条件
不稳定性机理与 主要影响因素
工程设计与控制 一体化理论 体化理论
分支方向
深层岩石力学 与井眼稳定
井下管柱力学 与控制工程
井下复杂流动 与控压技术
发生断钻具事故3次
~~~~~~~~~~
28"×38"井眼封固浅层疏松地层。
28"井眼进入MISHRIF地层石灰岩10米 完钻 封固DAM MAN~ LAFFAN 易漏 完钻，封固 失地层
城市基础设施与建筑
• 中国钻井史年代划分：
– 中国古代钻井：公元前1840年； – 中国近代钻井：1841年1948年； – 中国现代钻井： 中国现代钻井 1949年2000年； 年 – 中国21世纪钻井：2001年开始。
• 中国钻井史的特点：
– 中国古代钻井：创造了辉煌历史（绳索顿钻） – 中国近代钻井：由领先沦为落后（旋转钻） – 中国现代钻井：奋起直追，逐步缩小差距 – 中国21世纪钻井：期望第二次走向辉煌
一、油气井工程学科概念
目前全世界广泛采用钻井方式，是水力wk.baidu.com 助机械破岩的旋转钻井方式：
① 转盘（或顶驱）驱动旋转钻井方式：由钻头、钻铤及 稳定器等组成的BHA；带旋转导向工具的BHA； ② 井下动力钻具：螺杆钻具、涡轮钻具等； ③ 复合钻井方式(双驱)：井下动力钻具+钻柱旋转； ④ 旋转导向钻井：推靠式、指向式等； ⑤ 冲旋钻井方式：液动冲击器、空气锤等； ⑥ 带扭力冲击器的旋转钻井； 带扭力冲击器的旋转钻井 ⑦ 特殊工艺钻井：欠平衡/气体钻井、套管钻井、连续管 钻井、膨胀管钻井、反循环钻井，等。
新闻图片
BP网站
二、现代油气井基本特征
•全球盐下油气资源比较丰富。 •盐膏地层缩径卡钻及挤毁套管， 盐膏地层缩径卡钻及挤毁套管 是国内外面临的两大难题。 •揭示了盐膏地层的蠕变规律及非 均匀载荷作用机理，建立了计算 模型 提出了安全控制对策 模型，提出了安全控制对策。
盐膏层
缩 径 卡 钻
套管 水泥环 套损区
一、油气井工程学科概念 博士及硕士学位培养目标 博 及硕 学位培养目标
•油气井工程学科工学博士学位获得者，应在油气井钻井、 完井 测量及防护等方面具有坚实宽广的理论基础和系统 完井、测量及防护等方面具有坚实宽广的理论基础和系统 深入的专业知识，较深入地了解油气井工程学科发展的现 状和未来趋势，能够对油气井工程问题进行深入的数理分 析 科学实验及多学科交叉研究 并善于运用计算机 实 析、科学实验及多学科交叉研究，并善于运用计算机、实 验平台条件及现场信息资料等综合手段，分析和解决实际 工程问题或进行系统工程优化设计；应掌握两门外语，其 中 中一门具有熟练读、写、听、说的能力；应具有创造性和 具有熟练读 写 听 说的能力；应具有创 性和 独立开展科研工作的能力，在某一研究方向上达到本学科 的前沿水平 还应有严谨求实的科学态度和作风 的前沿水平；还应有严谨求实的科学态度和作风。
二、现代油气井基本特征
① 直井复杂地层：浅井 直井复杂地层：浅井（ （<3千米 千米） ）；中深井 ；中深井（ （<4.5千米 千米） ）； 盐下油气井 高温高压井（ 盐下油气井；高温高压井（ 盐下油气井；高温高压井 高温高压井（井底100 100MPa MPa、150 1 0℃）；酸性 酸性 气井；深井（ 气井；深井 （4.5千米-6千米 千米） ）；超深井 超深井（ （>6千米 千米） ） ② 斜井大位移：定向井 斜井大位移：定向井、 、水平井 水平井、 、丛式井；大位移井 丛式井；大位移井（ （水平 位移 >3千米 千米， ， 水垂比≧ 2）， 高水垂比 高水垂比（ （ >3） 大位移井 大位移井， ， 超大位移井， 超大位移井 ，等 ③ 复杂结构井：水平井 复杂结构井：水平井、 复杂结构井 水平井、双水平井 双水平井、 、多层或同层多分支井 多层或同层多分支井、 、 鱼骨形多分支井；U形井 形井、 、多功能组合井 多功能组合井， ，等 ④ 海洋深水：近海 海洋深水：近海、 、浅海； 浅海；次深水 次深水（ （0.3千米-0.5千米 千米） ）；深 水（0.5千米-1.5千米 千米） ）；超深水 ；超深水（ （ >1.5千米 千米） ）
二、现代油气井基本特征
二、现代油气井基本特征
•水平井的定义及分类 •油藏设计 •完井设计 •钻井设计 井设 •生产设计
二、现代油气井基本特征
大位移井的定义
水深
大位移井
我国的定义：水平位移 2垂深，并且水平位移 不小于3000米。 垂深 垂
已生产油田
水平位移
待开发油田
二、现代油气井基本特征
Horizontal
高危气井井身结构
针对气藏：
• 富含H2S（如罗家寨气田、普光气田等） • 高温高压和富含CO2的气藏（如南 海莺琼盆地等） • 深层超压气藏（如塔里木克拉2气田） • 高压凝析气藏（如塔里木牙哈气田）
2.16
泥 线 90m 30" 20" 20
16"
13-3/8"
在建井及生产作业中： • 难度最大 •风险最高 •花费昂贵 •寿命较短
US4085803 US4344485 US4577651
US5141054 US5148869
US5215149
US5771973
US5899274
US5626193 US7464756 US2010/0065268 US7556099
“复杂结构井”的由来？ “复杂结构井”的由来
二、现代油气井基本特征
二、现代油气井基本特征
• 20″导管13 3/8″9 5/8″ 7″(应急) • 9 5/8″ 套管在 8590着 着陆 • 8 ½″水平段，2 2000m, 一般为 90夹角 • 裸眼完井
90夹角
长北复杂水平井钻井的全新策略. 世界石油工业，2010年5月，220
二、现代油气井基本特征
挤 毁 套 管
二、现代油气井基本特征 、现代油气井基本特征
高温高压井的定义：
• 按国际通用概念,地温超过150℃称高温，地层压力当量密 度超过1.8g/cm3或需用超过70MPa井口装置时称高压，两者 同时具备的井称高温高压(HPHT)井。 • 井底温度超过220℃，井底压力超过105MPa，称超高温高 压井。气层的温度较油层要高，地温梯度一般在35℃/100m，5000米的井地温就可能达到150℃-250 250℃。 • 天然气地层的压力一般也较油层高，故天然气井，特别是 深层天然气井大都是高温高压井 高温高压井 特别是高 深层天然气井大都是高温高压井。高温高压井，特别是高 温高压深探井，是钻井工程中难度最大、风险最高，因而 工程费用也最高的 种苛刻井 工程费用也最高的一种苛刻井。
研究生课程《现代油气井工程理论和方法》
现代油气井工程理论和方法概论
高德利
2016年11月01日,北京
提 纲
一．油气井工程学科概念 油气井工程学科概念 二 现代油气井基本特征 二．现代油气井基本特征 三 油气井工程技术关键 三．油气井工程技术关键 四．特殊工艺钻完井技术 五．复杂井工程特点与挑战 复杂 程特 六．结束语
卡塔尔CQBH CQBH-1井井身结构设计，2014.07
CQBH-1 井井身结构
转平面: 0.00m 井口 平均海平面: 25m ~~~~~~~~~ 海床:55m 32" 隔水管@176m 28"×38" 井眼@178m 18‐5/8"套管分级箍@1017m 24" 套管下深@1217m 28"井眼@1220m 13‐5/8"套管分级箍@2127m 18‐5/8"套管下深@2327m 22" 井眼@2330m 22
典 型 的 高 危 气 井
井眼直径(mm):660.4 所钻深度(m):20 套管外径(mm):508 套管下深(m):20 水泥返高(m):地面 )一开： 2) 井眼直径(mm):444.5 所钻深度(m):502 套管外径(mm):339.7 套管下深(m):500 水泥返高(m):地面
普光气田P4-2 P4 2开发井的井身结构 （预算：1.2亿人民币）
2.18
10-3/4"
2.3 9-5/8"
某高温高压气井井身结构
2006年4月30日0：00时开钻，70135ZY钻井队
3)二开： 井眼直径(mm):314.1 所钻深度(m):4152 套管外径(mm):273.1 套管下深(m):4150 水泥返高(m):地面 4)三开： 井眼直径(mm):241.3 所钻深度(m):6222.99 套管外径(mm):177.8 套管 深(m):6220 套管下深 水泥返高(m):地面 1)导管： 导管
二、现代油气井基本特征
•在蠕动地层、高温高压、酸性、海洋深水等复杂条件 下 油气工程作业风险高 井筒完整性难以管控 下，油气工程作业风险高，井筒完整性难以管控。
天然气井筒不完整性问题
二、现代油气井基本特征
•2010年美国当地时间4月20日晚上22:00左右，BP公司位 于墨西哥湾的深水地平线（Deepwater Horizon）钻井平 台Missssippi Canyon 252#-01井发生井喷着火事故，造成 11人失踪， 17人受伤，大面积海域受到严重污染。
•G. Renard et al. Complex Well Architecture: IOR and Heavy Oils. Topic 8, presented t d at t th the 15th W World ld Petroleum Congress held in Beijing, j g, China, , 1997
采用多分支水平 井 发薄油 井开发薄油层
煤层气开采
煤炭地下气化
挪威Troll油田用多分支水平井高效开发薄油层，5个 分支在油层中的总长度达13542m，为挪威国家石油 公司创造了60亿美元的价值（SPE87168）
二、现代油气井基本特征
SPE/IADC 论文：118420（2009年3月）， 92685（2005年2月）