钻井完井机械（共3篇）
钻井完井机械 篇1
岩石破裂和剥落是油气井钻井和完井过程中的一个很重要的问题。近年来, 随着大范围的钻井, 已经清除了数十亿立方英尺的岩石。美国近海岸大约钻井20 000口 (油井、气井、干井) , 平均深度6 000 ft (1 ft=30.48 cm) , 等效于23 000 mile (1 mile=1.609 km) , 大约是地球直径的3倍 (7 899 mile) 。
根据1995年关于建井相关费用的研究表明, 几乎一半的时间用于钻井, 1/4的时间用于起下钻具, 剩下的1/4的时间用于下套管和固井。一般来讲, 降低钻井成本的最主要方法是提高机械钻速, 减少起下钻具的时间。
钻井大部分时间用于钻穿岩层而非储层。钻花岗岩一类的坚硬岩石, 是十分困难的, 并且低钻速导致大量资源消耗, 其他的与钻井过程相关的费用包括:钻具被卡, 打捞井下落物, 侧钻施工等等。
降低与这些钻井问题有关的费用, 对于勘探和生产作业都具有十分重要的经济影响。为了在这些领域取得进步, 不得不运用那些优于基本破岩机理 (热力破岩、熔化破岩、蒸发破岩、机械应力、化学反应) 的新技术和工具, 所有这些破岩机理都可用激光实现。研究已经表明, 低功率激光也可以实现破岩。随着激光束功率密度的提高, 导致岩石发生阶段性变化和反应, 包括黏土脱水、气体和热应力释放。随着激光束功率密度的继续升高, 岩石内矿物质将熔化并最终蒸发。
1 研究历程
美国天然气技术研究院设想了一种激光钻井和完井系统。这种系统被设计为能够提供更高的机械钻速和从地面到井底连续钻井的能力, 以便于降低实际钻井时间。钻井时, 在井眼中建造坚硬的陶质层会降低下套管时间。由于该系统从地面到底部钻具组合都有永久的硬连接, 其他的线路和光纤也可以加到光束里面。该系统允许加入许多地层传感器, 包括井下电视和其他具有成像能力的传感器, 可以向地面输送实时信息, 并且数据传输速率很高。套管和传感能力的结合会消除起下钻具的时间, 并且在很大程度上会降低其他钻井进程的时间。
1997年, 天然气研究院启动了一个研究项目, 命名为:星球大战激光技术对油气井钻井和完井益处探索。该项目的目的在于研究将激光技术应用于油气井钻井和完井的可行性、成本、益处以及环境影响。不同的高能激光制定不同的研究计划, 包括美国军队的HELSTF针对石英砂采用中红外高级化学激光;对于阿尔伯克基, 美国空军采用化学氧化碘激光器;俄罗斯莫斯科P.N.Lebedev科学院采用CO2和CO激光器。
美国天然气技术研究院前期可行性研究成功之后, 气体技术学院和美国能源部与合作伙伴阿贡国立实验室、科罗拉多矿业学院、委内瑞拉石油公司、哈里伯顿服务公司进行了第二阶段的研究。研究人员开始着手测定油气钻井的高能激光所需的激光参数。研究小组使用1.6 kW Nd:YAG脉冲激光对不同岩石类型进行了一系列的试验, 来确定剥落给定体积岩石所需比能, 然后与传统旋转钻井技术得出的近似值进行对比。
对砂岩、灰岩、泥岩样品, 准备用激光束与Nd:YAG激光束相互作用来判定激光束的体积、能量、重现率、脉冲宽度、暴露时间, 以及能量是如何影响转换给岩石用于破裂、熔化、蒸发的能量数量的。激光岩石相互作用的实验目的是:判断在减小能量输入量情况下, 最大化破岩体积需要的临界参数。
激光辐射能量吸收使破碎和剥落岩石需要的热能提高。测试结果表明:通过一系列的线性轨迹和斑点试验可以观察到, 每种岩石类型都有一系列减小比能值的最佳激光参数。除此之外, 还可以观察到, 岩石中的热扩散很容易并且速率很高, 超过从激光束到岩石被吸收能量的转换速率。随着岩体吸收能量超过热扩散能量, 局部温度上升到矿物质的熔点, 比能值快速增长。最低比能值在破碎区可以得到, 恰恰出现在物质熔化开始之前。
现有的研究确定使用脉冲激光比连续波激光剥落岩石更为有效。研究也明确了二次能量吸收机理效应的减小导致了页岩的低能量需求, 在某种程度上砂岩也如此。第二机理被定义为物理过程, 能量从剥落岩石直接转换成光能, 并且包括热量引起的岩石物质的阶段性变化 (熔化、蒸发、离解) 和热膨胀形成的裂缝。灰岩的破岩机理有所不同, 并且看起来似乎第二机理对它并没有什么影响。研究也表明水饱和岩样破岩效率得到改善, 并且在砂岩样品中激光直接穿过水层, 破裂和熔化岩石。
2 比能
为了通过机械应力或者热应力破碎岩石, 施加到岩石上的能量必须具有足够的强度, 以便能够产生超过岩石强度的应力。同样, 熔化岩石时必须有足够的热量施加到岩石上, 使局部温度超过岩石熔点。一旦超过了能量或强度的门限值, 破碎剥落一定体积岩石需要的能量几乎保持不变。该能量参数是衡量破岩效率的, 称之为比能。即比能表示的是清除一定体积岩石所需的能量, 物理上表示为:
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式中 P__输入功率, W;
dV/dt__体积时间导数, cm3/s。
3 比能计算因素
影响能量转换、能量向岩石输送的因素作为副效应被人们所熟知, 这些因素包括熔化和蒸发的岩石物质、激光孔洞和产生的裂缝中已分解的气体。当高能激光施加在岩石上时, 激光能够破碎、熔化、汽化岩石, 这取决于它的理想应用。当激光长时间照射时, 石英和其他的矿物质熔化, 并且在激光井眼中形成一个玻璃隔层或玻璃膜。熔化机理和熔化量取决于石英百分比和颗粒接触距离, 颗粒之间距离近, 激光热量就会在颗粒间传输, 导致矿物质熔化。观察到的另一个机理是碳酸盐分解, 岩石中发生物理变化并出溶气体。激光放射产生的气体和隔层使转移到岩样中的能量降低。隔层和气体吸收部分激光能量, 传送到岩石的能量减少。
裂缝对比能也有影响, 因为裂缝说明了能量的非剥落岩石用途, 并且直接转换为更高比能。裂缝可分为大裂缝和微裂缝, 大裂缝在手标本中很容易观察到, 而微裂缝只能在显微镜下才能观察到。不同岩石类型的裂缝特性不同 (图1) 。
岩石裂缝特性取决于一些因素, 如矿物成分、岩石热特性、孔隙体积、样品体积、施加应力量。矿物成分影响裂缝形成。孔洞体积和压力的增大能产生裂缝。砂岩和页岩热导率高, 并含有陶质层;相反, 灰岩热导率低, 陶质层和石英量少。因此, 在砂岩和页岩中裂缝较多, 灰岩中较少。由于热导率提高, 岩石热量有效增多, 温度在岩石中的分配更好。高热导率岩石沿岩心样品逐渐冷却。砂岩形成的裂缝是规则的, 并不是随机的。
温度引起石英颗粒膨胀, 600 ℃时石英颗粒比原来膨胀1.75%。在满颗粒接触 (低孔隙体积) 情况下, 颗粒间没有膨胀的空间, 因此裂缝更有可能扩大。样品体积能够影响裂缝特性, 前期测试表明:2.54 cm直径的孔洞, 尤其是井眼周围形成的裂缝多些, 3.09 cm直径的孔洞形成裂缝少些。最后观察到向岩心施加应力能减少大裂缝, 但是会产生微裂缝。
4 激光对岩石性质的影响
研究发现, 施加在岩石上的激光产生高温可以提高孔隙度和渗透率。高温可以蒸发岩石或在影响区改换固井材料建立辅助的井眼空间连接。这个结果改善了钻井液从地层流向井眼的情况。表1将激光钻井与应用常规旋转钻井技术和爆破钻井技术进行了对比。
孔隙度和渗透率的提高与热性质有关, 如热导率。砂岩热导率高, 温度分布范围大, 因此渗透率分布范围也大。结果也显示, 陶质层的存在可以帮助提高地层中形成的微裂缝的渗透率。陶质层含水, 是由强烈温差下闪蒸和膨胀形成裂缝造成的。而且, 特定温度下一些黏土破裂。例如, 在550 ℃条件下, 蒙脱石破裂 (图2) 。
由于温度作用岩石强度降低。高温导致蒸发更强烈, 破坏颗粒间黏结, 形成微裂缝, 紧接着渗透率提高, 岩石强度降低。
5 岩石相特性
岩样中观察到的相转变, 取决于激光功率和样品矿物质熔化温度。随着石英百分比增大, 实验所用岩样熔化温度升高。此外, 由于岩石熔化温度的升高, 观察到岩石破碎变差。将该原理应用到比能上, 岩样中石英百分比越大, 副效应 (熔化、蒸发) 吸收能量越多。钻深井时, 该原理运用得更多, 然而, 浅井和一个好的排气系统可能会减少该原理的应用。其他的参数在激光岩石相互作用中也可能起到很重要的作用, 但是并不是决定性作用, 包括表面糙度的物理特性、颜色、颗粒胶结;基岩中晶洞和裂缝的不一致性、热特性、热容和扩散系数。
图3提供了一个页岩样品中的相转变的例子, 用以测量平均功率和比能。当所有其他参数保持不变时, 激光功率是0.2～1.2 kW。激光照射后, 根据是否观察到熔化物质识别出两个区域。左侧过渡区数据点作图代表的是:没有熔化迹象的样品;右侧过渡区数据点作图代表的是:有熔化物质出现的样品。未熔化区表示:低功率激光照射, 显示高比能值。低功率激光照射下, 能量消耗主要是热膨胀引起的。随着功率增加, 裂缝开始形成并且达到矿物质熔化温度。功率继续增加, 导致热扩散加快并加热样品。功率更高时, 矿物质开始熔化导致比能值升高。
6 结论
(1) 对钻井施工来讲, 探索激光钻井是很有潜力的。
(2) 激光钻井比常规钻井或其他的非常规钻井方法切割岩石速度更快, 并且能够建造自己独有的陶质套管。
(3) 在不损害地层渗透率情况下, 激光能够摧毁岩石, 并且根据激光岩石参数, 甚至能够提高渗透率和孔隙度。这对于选择使用非爆破钻孔技术或其他的完井方法是相当重要的。
(4) 对比不同的岩石剥落方法, 比能是最常用的参数。取决于矿物成分、热特性、岩石性质的副效应会影响比能值的估算。存在于岩石中的石英百分比越大, 岩石的熔点越高, 因此, 比能值越大。
(5) 高能激光与岩石相互作用试验证明, 激光能够钻穿包括花岗岩在内的所有岩石类型, 钻速比常规钻井方法更快。激光通过热膨胀也能使岩石产生裂缝。
侧钻井防砂完井工艺技术研究 篇2
关键词：侧钻井,防砂完井,压裂充填工具,砾石充填,组合式筛管
0 引言
侧钻井技术利用原井眼重钻, 减少重修道路、重建井场、重建集数管网和供电设施等费用。不但能使关停井复产, 还可以挖掘剩余油气, 是提高油田采收率的一种行之有效的方法。但同时由于侧钻井自身的特殊性:井眼小、环空间隙小、存在固井质量差、射孔枪下入困难、射孔深度不够等问题。并且固井容易造成二次污染, 特别是对于疏松的油层, 油层出砂后, 砂子在井内沉积形成砂堵, 从而降低油井产量, 甚至是油井停产, 同时也增加了清砂作业工作量。另外, 出砂还会磨损设备及卡住井下工具, 出砂严重会引起地层坍塌、堵塞井眼, 造成油井报废。因此, 砂岩油层出砂是侧钻井提高产量的主要障碍, 也是侧钻井寿命短, 制约该技术发展和推广的瓶颈。
侧钻井防砂完井对策
研制设计侧钻井压裂充填工艺管柱及配套工具, 可对侧钻井进行先期防砂。起到延长侧钻井寿命, 提高油气采收率。具体完井方法是:裸眼井防砂完井, 直接下入承压强度高的组合式筛管, 用压裂充填砾石压开地层。实现完井与后期采油的结合, 通过筛管外砾石充填, 砾石阻挡地层砂, 筛管阻挡人工砂形成多级防砂屏障。
1 侧钻井防砂完井管柱设计
;3-反循环充填工具;4-旋转扶正器;5-φ76mm组合式筛管;6-带翼片的导向头;7-1.900TBG油管;8-返洗阀;9-内充填阀;10-回水阀;11-1.315TBG回水芯管。
如图11所示侧钻井防砂完井管柱从上到下由悬挂器—油管——反反循循环环充充填填工工具具——组组合合式式筛筛管管——旋旋转转扶扶正正器器——组组合合式式筛管—旋转扶正器—组合式筛管—旋转引鞋依次连接。悬挂器放置在老井套管内, 一部分油管和反循环充填工具, 组合式筛管等通过侧钻井的开窗口进入裸眼井, 待悬挂器固定后, 下入内充填服务管柱:内充填服务管柱从上到下由1.900TBG油管—返洗阀—内充填阀—回水阀—1.315TBG回水芯管依次连接。当内充填服务管柱到达限位后, 在井口固定内充填服务管柱。内充填服务管柱固定后, 就可进行酸洗、砾石充填。砾石充填结束后, 地面倒换开关, 进行返洗, 返洗液进入反循环充填工具后, 压力作用下关闭内充填阀充填口, 返洗时保证进入井筒内的砾石不返吐。返洗完成后, 提出内充填服务管柱, 完井施工结束。下入生产管柱即可开采。
2 设计研制的反循环充填工具
反循环充填工具由两部分组成。充填工具的留井部分最大外径114mm。该充填工具不需要打压坐封, 不受井斜限制, 内充填服务管柱只需下入一次就可完成酸洗、砾石充填、返洗施工工艺, 施工工艺简单。
3 设计研制的组合式筛管
组合式筛管克服了全直缝筛管容易堵塞, 梯形缝筛管锐角部位容易在液体不断冲刷下磨损变宽, 金属网筛管容易深层堵塞和被液流刺漏等问题。
下入侧钻井的筛管直径为76mm, 基管为油管, 此筛管承压强度高, 抗挤毁压力65MPa, 不但具有满足压裂充填需要, 而且还满足大排量提液的需求。筛缝从外到内由直缝转为梯形缝。不但具有自洁作用, 还便于返洗。筛片采用优质钢材特殊工艺单片加工, 表面合金镀层, 具有抗腐蚀, 耐磨损。筛缝均匀稳定, 缝口宽度误差±0.02mm。筛管弯曲曲率在10°/30m时, 径向缝口变形小于0.001mm。筛管的质量可减少油井后期措施作业, 延长油井寿命。
4带翼片的导向头
裸眼完井管柱前端安装如图2所示的带翼片的导向头, 在下入管柱过程中可以起到旋转拨物和导向作用, 防止岩屑堆积, 防止发生死顶, 提高完井管柱一次下入成功率。
5 旋转扶正器
旋转扶正器外径为114mm, 安装在防砂管柱上, 扶正器可在筛管上灵活旋转, 下井时, 扶正器的旋转可减少摩阻。该扶正器使筛管居中, 保证筛管四周都能充填上均匀的砾石厚度层。旋转扶正器如图3所示。
6 结语
6.1 应用该套工具实施的砾石充填施工过程只需要下一趟管柱就可以完成酸洗、砾石充填、返洗施工, 施工工艺简单。
6.2 组合式筛管和砾石能够防止地层出砂, 从而防止地层出砂引起的地层坍塌。
6.3 旋转扶正器保证筛管充分居中, 筛管周围都能够充填足够厚度的砾石。
参考文献
[1]万仁溥.现代完井工程 (第二版) [M].北京:石油工业出版社, 2000.
多分支井钻井完井技术的发展研究 篇3
所谓多分支井就是指在一口主井眼的底部钻出两个或者多个进入油气藏的分支井眼 (或者二级井眼) , 甚至再从二级井眼中再钻出第三级的井眼。在这其中, 作为主井眼, 有多种类型, 其中包括直井、定向斜井以及水平井。而在二级或者三级等分支井眼主要包括定向斜井、水平井以及波浪式分支井眼。多分支井能够使多个储层泄油, 而根据目前所钻的分支井主要包括两种, 分别是:以某种类型分支井为完井目的的新钻井和从现有井中侧钻多分支井。在这种多分支井的石油开采中我们可以仅仅只通过对主井石油尽享相关的作业, 既可以将其以及其之下所有的分支井进行作业, 真正实现一井多靶和立体开采, 还能在高效开发油气藏的同时, 有效地建设油气藏。
所谓多分支井技术就是在对多分支井进行石油开采的过程中应用到的钻井技术, 多分支井技术在多分支井石油开采以及整个石油行业中都占有重要的地位和起到关键的作用。首先, 这种技术增加了有效供给范围, 因为在多分支水平井中每层都是呈现网状的状态, 这种技术有条理的将煤层分割开来, 也就大大增加了有效供给范围;第二, 提高了导流能力, 应用这一技术, 使得分支井眼和煤层割理相互交错, 有利于煤层割理与裂缝的畅通, 这样就有效的提高了导流的能力;同时应用这种技术可以减少对煤层的伤害, 应用多分支井技术, 没有再进行枯井和水力压裂改造, 这就避免了对煤层造成难以恢复的伤害;第四, 这种方式的具体实施, 减少了钻井的数量, 相应的钻前的准备工程以及完井材料的小号也就的到降低, 从而减少了综合成本, 除此之外, 根据实际其产量是直井的三到十倍, 采出程度也高出其平均两倍, 在大幅度提高经济效益的同时, 也避免了资源的浪费, 有效的提高了资源的利用率;最后, 多分支井钻井完井技术是拥有广阔的应用于发展前景的, 同常规直径相比多分支井钻井完井技术具有突出的优越性, 这种技术可以开发稠油和低渗透油藏、可以广泛的应用于开发煤层气资源, 甚至对于地下储油以及储气工程都是起到举足轻重的作用的, 所以在对于节约资源和开发新能源的现在, 多分支井钻井完井技术的发展前景是非常广泛的。
2 多分支井以及钻井完井技术的发展研究
在1997年, 由英国Shell和Eric Diggins组织在阿拉伯举办了多分支井的技术进展论坛, 并且建立了TAML分级体系, 为多分支井技术的发展提出了一个统一的方向, 自此之后, 按照这一分级体系, 根据其连通性、隔离性以及可及性的特点对多底井技术进行评价, 使得多分支井技术不断地发展和进步, 到1998年Shell公司已经陆上井成功的安装了一个六级万竞得主-分井筒连接部件, 我国南海西部公司也在九月份用修井机和原井重钻技术钻成了我国海洋第一口多底井, 这一年全球已经建有1000多口分支井。发展到现在, 应用最多的就是四级完井, 并且被越来越多的油田所应用。
下面我们就了解一下TAML分级的具体介绍与期间需要注意的问题:一级完井, 这一程序完井作业不对各产层分隔, 也不能对层间压差进行任何处理;二级完井, 这一过程主井眼下面的管道要开始注入水泥, 而其他的分支井眼只放筛管不用注入水泥, 除此之外在筛管的选择上还要遵循一定的标准。这一阶段以第一阶段不同的是提高了主井筒的畅通性以及更完善了分支井的重返潜力;下面是三级完井, 这一阶段不论是主井眼下面还是分支井眼下面都要下套管, 同二级完井一样都只是向主井眼下面的套管注水泥, 而分支井眼下面则不需要, 这一阶段完全符合TAML分级的连通性和可及性两大特点。并且这一完井的成功能够实现主井眼和分支井之间的机械连接, 并且能够避免不稳定地层连接的遇到的困难, 有效地进行高强度的连接;四级完井, 同样的对主井眼和分支井眼下面的套管进行注入水泥的作业, 从而保证接卸支撑连接, 但是确实没有液体水力的作用, 完全的隔离了水力;而五级完井完全具备三级、四级完井的连接技术特点, 而相比之下增加了能够提供压力密封的完井装置, 而且在主井眼下面的全部套管以及连接的地方有水力的隔离, 这样就可以实现主井和分支井每个部分都可以进行钻井的作业, 这也方面既是一个大优点, 同时又是一个大难点, 水力的隔离和水力的整体性最难实现;最后就是六级完井, 这一系统在主井和分支井的所有套管连接的地方都具有一个整体的压力密封, 而这种方式, 在海洋深水或者海底水下的安装中是具有很大的价值的。
3 多分支井的关键技术
在使用多分枝井的钻井完井技术对对分支井进行之前还是要做好一定的准备工作, 也就是说要对要进行作业的多分支井进行相应的地质条件、油藏条件的分析, 还要进行模拟的采油方式, 已达到能够根据TAML分级标准来确定井身剖面的类型, 然后还要设计其整体的方案以及每一个井筒的结构和相对的完井技术, 所以这就需要对地质条件的各种测量和检测以及试验, 需要对油藏条件的勘探和分析, 同时对于各种作业的工艺技术水平都是有着严格的要求的, 所以首先就要尽量的完善智能完井、选择性完井以及遥控完井等新技术。
其次, 还要对多分支井钻井完井工艺技术进行研究。井身轨迹及其的控制技术都是重要的内容, 在这里使用先进的随钻地质导向和闭环钻井技术寻优控靶是最佳的选择, 这样能够保证作业的顺利进行;除此之外使用先进的开窗技术、研制密封的、可封隔的并且耐高温的连接部件以及连接和安装技术、对于保护油气和净化井眼等作用的精细处理剂的技术等都是需要充分重视的, 只有实现各种配套技术以及专用软、硬件的研究与应用, 才能真正的应用好多分支井钻井完井技术, 才能够充分创造好的经济效益。
综上所述, 多分支井钻井完井技术在多分支井石油开采以及整个石油行业中都占有重要的地位和起到关键的作用, 它是一种能够提高产量和采收率的新兴技术, 相应的它的应用也越来越广泛。多分支井钻井完井技术的技术难度也因其的重要而一直很大, 尤其是在多分支井的完井技术方面, 但是多分支井的开发应用的效率如何直接影响着全球石油油田的生存和发展, 所以我们需要将在开发这一技术中遇到的种种困难重视起来, 不断完善多分支井钻井完井技术, 从而才能够充分创造好的经济效益。
摘要：我国是石油大国, 经过多年来来的不断发展, 在钻井技术方面有了很大的进步, 而多分枝钻井钻井、完井技术则是最新被提出来的, 它是极富挑战性的新兴技术, 是21世纪钻井领域的重大技术之一。本文具体介绍这种新兴技术的相关内容, 重点强调了其在现在石油开采中的重要作用, 并介绍了多分枝完井的具体关键技术, 以充分理解其对石油行业的重要性。