1. 水平井分段压裂改造技术
王培义李宗田苏建政孙良田
（中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）
摘要 水平井技术于1928 年提出，20 世纪40 年代付诸实施，20世纪80年代相继在美国、加拿大、法国等国家得到广泛工业化应用，并由此形成了一个研究和应用水平井技术的新高潮。本文阐述了国内外水平井分段压裂工艺技术及其应用效果，传统的填砂打液体胶塞及封隔器分隔压裂技术劳动强度大，作业周期长，水力喷射压裂是水平井分段压裂发展的方向。
关键词 水平井 分段压裂 应用效果
Staged Hydraulic Fracturing Proceeding of Horizontal Well
WANG Pei-yi，LI Zong-tian，SU Jian-zheng，Sun Liang-tian
（Exploration and Proction Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083）
Abstract The horizontal well technology was proposed in 1928，brought into operation in 1940s，and successively widely instrialized used in U.S.A，Canada，France in 1980s.So a new meridian was developed that time.This paper gives an overall description the staged hydraulic fracturing proceeding of horizontal well in domestic and abroad，and introces its field application.Traditional liquid cement isolation and packer isolation in hydraulic fracturing proceeding makes labour intensity raised and leads working cycle longer.Hydrojet fracturing proceeding is a trend in staged hydraulic fracturing proceeding.
Key words horizontal well staged hydraulic fracturing field application
水平井通过扩大油层泄油面积提高油井产量，提高油田经济效益，目前已经成为油气田开发的一种有效手段，特别对于低渗油气藏效果更加显着。为了充分发挥水平井优势，提高低渗透油田开发效益，水力压裂改造成为储层增产的重要措施。
国内外于20世纪80年代开始研究水平井的压裂增产改造技术，在水力裂缝的起裂、延伸、压后产量预测和分段压裂施工工艺技术等方面取得了一定进展，但总体来讲不配套、不完善，特别是水平井分段压裂改造工艺技术与实际生产需求还存在较大的差距，有待进一步开展攻关研究。本文主要介绍目前国内外常用的几种水平井分段压裂工艺技术［1～3］。
1 水平井分段压裂改造技术
1.1 液体胶塞隔离分段压裂技术（化学隔离技术）
国内外在20世纪90年代初采用该技术，主要用于套管井。其基本做法是：①射开第一段，油管压裂；②用液体胶塞和砂子隔离已压裂井段；③射开第二段，通过油管压裂该段，再用液体胶塞和砂子隔离；④采用这种办法，依次压开所需改造的井段；⑤施工结束后冲砂冲胶塞合层排液求产。该方法的优点是施工安全系数高。缺点是：①所使用的液体胶塞浓度高，对所隔离的层段伤害大；②由于压后排液之前要冲开胶塞和砂子，冲砂过程中对上下储层均会造成伤害；③施工工序繁杂，作业周期长；④综合成本高。因此，该技术方法20世纪90年代初发展起来后没有得到进一步发展与推广应用。
1.2 水平井双卡上提压裂多段技术
此项技术可以一次性射开所有待改造层段，压裂时利用导压喷砂封隔器的节流压差压裂管柱，采用上提的方式，一趟管柱完成各层的压裂（图1）。优点：①分层改造目的性强；②井筒隔离效果好。缺点：容易砂卡封隔器，造成井下事故。需进一步攻关研究。
图1 双封分层压裂管柱示意图
1.3 封隔器+机械桥塞分段压裂技术
该技术为：射开第一段，油管压裂，机械桥塞座封封堵；再射开第二段，油管压裂，机械桥塞座封封堵，按照该方法依次压开所需改造的井段，打捞桥塞，合层排液求产（图2）。优点：①具备双封分压的特点；②砂卡时处理事故比双封管柱容易。缺点：①作业周期长；②砂卡风险大［4，5］。
图2 水平井机械隔离分段压裂管柱示意图
1.4 环空封隔器分段压裂技术
环空封隔器分段压裂，首先把封隔器下到设计位置，从油管内加一定压力坐封环空压裂封隔器，从油套环空完成压裂施工，解封时从油管加压至一定压力剪断解封销钉，同时打开洗井通道阀，洗井正常后起出压裂管柱，重复作业过程，实现分射分压（图3）。
图3 环空分层压裂管柱示意图
1.5 限流分层压裂技术
限流法分层压裂是一种完井压裂技术，它主要用于未射孔的新井。限流压裂技术机理是在压裂过程中，当压裂液高速通过射孔孔眼进入储层时会产生孔眼摩阻且随泵注排量的增加而增大，带动井底压力的上升，井底压力一旦超过多个压裂层段的破裂压力，即在每一个层段上压开裂缝。如果层多、层薄，物性差异大，那么就会导致各裂缝启裂和延伸不均衡，影响增产效果（图4）。
图4 限流分层压裂管柱示意图
1.6 水力喷射加砂分段压裂技术
水力喷射分段压裂技术就是将水力喷射技术和压裂技术相结合，其技术原理是根据伯努利方程，将压力能转换为动能，在地层中射流成缝，通过环空注入液体使井底压力刚好控制在裂缝延伸压力以下，环空泵注的液体在压差作用下进入射流区，与喷嘴喷射出的液体一起被吸入地层，驱使裂缝向前延伸，因井底压力刚好控制在裂缝延伸压力以下，压裂下一层段时，已压开层段不再延伸，因此，不用封隔器与桥塞等隔离工具，实现自动封隔。通过拖动管柱，将喷嘴放到下一个需要改造的层段，可依次压开所需改造井段（图5）。
水力喷射压裂技术可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂，也可以在套管井上进行，施工安全性高，可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝，水力喷射工具可以与常规油管相连接入井，也可以与大直径连续油管（ϕ60.3mm）相结合，使施工更快捷，国内外已有数百口井用此技术进行过酸压或加砂压裂处理［6～8］。
图5 喷射压裂技术示意图
2 现场应用效果
吉林油田，由于井比较浅，大部分水平井采用环空分段压裂技术，用该工艺压裂投产的水平井，压后初期产量为10.8～14.2m3/d，稳定产量是周围直井产量的3～5倍。
长庆油田自1993年在安塞油田第一口水平井——塞平1井成功实施分段压裂以来，已利用填砂打胶塞分段压裂技术改造了7口井17层段。长庆油田在2005年引进哈里伯顿公司水力喷射分段压裂技术基础上，2006年在4口井实施了水力喷射分段压裂，其中庄平7井投产后日产油7t，取得了较好的改造效果。
大庆油田在葡萄花油田实施8 口水平井限流压裂，投产2 口井，平均日产量达到43.7t，未压裂水平井日产为9.7t，压裂增产3.4倍。2007年封隔器分段压裂占水平井压裂总井数的75.6%，增产效果是直井压裂的4.5倍，是水平井限流压裂的1.4～2.5倍。将分段压裂与限流压裂相结合，开展水平井分段限流工艺研究，试验8口井，降低了施工成本与风险，并取得了较好的增产效果。
胜利油田套管限流分层压裂实施了高89-平1井、史127-平1井、商75-平1井3口井的分段压裂，其中史127-平1井水平段长351.3m，实施限流改造井段3488.5～3646.5m，长度为 158.0m，压后初期日产液 20.3m3，日产油 11.5m3，稳定日产油6.45m3，含水量为7%。
3 结论
（1）水平井的增产措施是低渗透水平井长期高效开发的重要手段，应加大水平井的分段压裂措施的现场实施研究力度。
（2）水平井开发经过十余年的科技攻关，取得了很多成果，但在水平井分层压裂工艺配套等许多方面有待于进一步提高。
参考文献
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2. 石油钻井技术
《中国国土资源报》2007年1月29日3版刊登了“新型地质导向钻井系统研制成功”的消息。这套系统由3个子系统组成：新型正脉冲无线随钻测斜系统、测传马达及无线接收系统、地面信息处理与决策系统。它具有测量、传输和导向三大功能。在研制过程中连续进行了4次地质导向钻井实验和钻水平井的工业化应用，取得成功。这一成果的取得标志着我国在定向钻井技术上取得重大突破。
2.3.1.1 地质导向钻井技术
地质导向钻井技术是20世纪90年代发展起来的前沿钻井技术，其核心是用随钻定向测量数据和随钻地层评价测井数据以人机对话方式来控制井眼轨迹。与普通的定向钻井技术不同之处是，它以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹，而不是按预先设计的井眼轨迹进行钻井。地质导向钻井技术能使井眼轨迹避开地层界面和地层流体界面始终位于产层内，从而可以精确地控制井下钻具命中最佳地质目标。实现地质导向钻井的几项关键技术是随钻测量、随钻测井技术，旋转导向闭环控制系统等。
随钻测量（MWD）的两项基本任务是测量井斜和钻井方位，其井下部分主要由探管、脉冲器、动力短节（或电池筒）和井底钻压短节组成，探管内包含各种传感器，如井斜、方位、温度、震动传感器等。探管内的微处理器对各种传感器传来的信号进行放大并处理，将其转换成十进制，再转换成二进制数码，并按事先设定好的编码顺序把所有数据排列好。脉冲器用来传输脉冲信号，并接受地面指令。它是实现地面与井下双向通讯并将井下资料实时传输到地面的唯一通道。井下动力部分有锂电池或涡轮发电机两种，其作用是为井下各种传感器和电子元件供电。井底钻压短节用于测定井底钻压和井底扭矩。
随钻测井系统（LWD）是当代石油钻井最新技术之一。Schlumberger公司生产的双补偿电阻率仪CDR和双补偿中子密度仪CDN两种测井系统代表了当今随钻测井系统的最高水平。CDR和CDN可以单独使用也可以两项一起与MWD联合使用。LWD的CDR系统用电磁波传送信息，整套系统安装在一特制的无磁钻铤或短节内。该系统主要包括电池筒、伽马传感器、电导率测量总成和探管。它主要测量并实时传输地层的伽马曲线和深、浅电阻率曲线。对这些曲线进行分析，可以马上判断出地层的岩性并在一定程度上判断地层流体的类型。LWD的CDN系统用来测量地层密度曲线和中子孔隙度曲线。利用这两种曲线可以进一步鉴定地层岩性，判断地层的孔隙度、地层流体的性质和地层的渗透率。
旋转导向钻井系统（Steerable Rotary Drilling System）或旋转闭环系统（Rotary Closed Loop System，RCLS）。常规定向钻井技术使用导向弯外壳马达控制钻井方向施工定向井。钻进时，导向马达以“滑行”和“旋转”两种模式运转。滑行模式用来改变井的方位和井斜，旋转模式用来沿固定方向钻进。其缺点是用滑行模式钻进时，机械钻速只有旋转模式钻进时的50%，不仅钻进效率低，而且钻头选择受到限制，井眼净化效果及井眼质量也差。旋转导向闭环钻井系统完全避免了上述缺点。旋转导向钻井系统的研制成功使定向井钻井轨迹的控制从借助起下钻时人工更换钻具弯接头和工具面向角来改变方位角和顶角的阶段，进入到利用电、液或泥浆脉冲信号从地面随时改变方位角和顶角的阶段。从而使定向井钻井进入了真正的导向钻井方式。在定向井钻井技术发展过程中，如果说井下钻井马达的问世和应用使定向钻井成为现实的话，那么可转向井下钻井马达的问世和应用则大大提高了井眼的控制能力和自动化水平并减少了提下钻次数。旋转导向钻井系统钻井轨迹控制机理和闭环系统如图2.5所示。
目前从事旋转导向钻井系统研制的公司有：Amoco、Camco、Baker Hughes Inteq、Cambridge Drilling Automation以及DDD Stabilizers等。这些公司的旋转导向闭环钻井系统按定向方法又可分为自动动力定向和人工定向。自动动力定向一般由确定钻具前进方向的测量仪表、动力源和调节钻具方向的执行机构组成。人工定向系统定向类似于导向马达定向方法，需要在每次连接钻杆时进行定向。两种定向系统的定向控制原理都是通过给钻头施加直接或间接侧向力使钻头倾斜来实现的（图2.6）。按具体的导向方式又可划分为推靠式和指向式两种。地质导向钻井技术使水平钻井、大位移钻井、分支井钻井得到广泛应用。大位移井钻井技术和多分支井钻井技术代表了水平钻井技术的最新成果水平。
图2.5 旋转导向闭环系统
（1）水平井钻井技术
目前，国外水平钻井技术已发展成为一项常规技术。美国的水平井技术成功率已达90%～95%。用于水平井钻进的井下动力钻具近年来取得了长足进步，大功率串联马达及加长马达、转弯灵活的铰接式马达以及用于地质导向钻井的仪表化马达相继研制成功并投入使用。为满足所有导向钻具和中曲率半径造斜钻具的要求，使用调角度的马达弯外壳取代了原来的固定弯外壳；为获得更好的定向测量，用非磁性马达取代了磁性马达。研制了耐磨损、抗冲击的新型水平井钻头。
图2.6 旋转导向钻井系统定向轨迹控制原理
（2）大位移井钻井技术
大位移井通常是指水平位移与井的垂深之比（HD/TVD）≥2的井。大位移井顶角≥86°时称为大位移水平井。HD/TVD≥3的井称为高水垂比大位移井。大位移井钻井技术是定向井、水平井、深井、超深井钻井技术的综合集成应用。现代高新钻井技术，随钻测井技术（LWD）、旋转导向钻井系统（SRD）、随钻环空压力测量（PWD）等在大位移井钻井过程中的集成应用，代表了当今世界钻井技术的一个高峰。目前世界上钻成水平位移最大的大位移井，水平位移达到10728m，斜深达11287m，该记录是BP阿莫科公司于1999年在英国Wytch Farm油田M-16井中创造的（图2.7所示）。三维多目标大位移井也有成功的例子。如挪威Gullfalks油田B29大位移井，就是将原计划用2口井开发该油田西部和北部油藏的方案改为一口井开采方案后钻成的。为了钻成这口井，制定了一套能够钻达所有目标并最大限度地减少摩阻和扭矩的钻井设计方案。根据该方案，把2630m长的水平井段钻到7500m深度，穿过6个目标区，总的方位角变化量达160°。
图2.7 M-16井井身轨迹
我国从1996年12月开始，先后在南海东部海域油田进行了大位移井开发试验，截至2005年底，已成功钻成21口大位移井，其中高水垂比大位移井5口。为开发西江24-1含油构造实施的8口大位移井，其井深均超过8600m，水平位移都超过了7300m，水垂比均大于2.6，其中西江24-3-A4井水平位移达到了8063m，创造了当时（1997年）的大位移井世界纪录。大位移井钻井涉及的关键技术有很多，国内外目前研究的热点问题包括：钻井设备的适应性和综合运用能力、大斜度（大于80°）长裸眼钻进过程中井眼稳定和水平段延伸极限的理论分析与计算、大位移井钻井钻具摩擦阻力/扭矩的计算和减阻、成井过程中套管下入难度大及套管磨损严重等。此外大位移井钻井过程中的测量和定向控制、最优的井身剖面（结构）设计、钻柱设计、钻井液性能选择及井眼净化、泥浆固控、定向钻井优化、测量、钻柱振动等问题也处在不断探索研究之中。
（3）分支井钻井技术
多分支井钻井技术产生于20世纪70年代，并于90年代随着中、小曲率半径水平定向井钻进技术的发展逐渐成熟起来。多分支井钻井是水平井技术的集成发展。多分支井是指在一个主井眼（直井、定向井、水平井）中钻出若干进入油（气）藏的分支井眼。其主要优点是能够进一步扩大井眼同油气层的接触面积、减小各向异性的影响、降低水锥水串、降低钻井成本，而且可以分层开采。目前，全世界已钻成上千口分支井，最多的有10个分支。多分支井可以从一个井眼中获得最大的总水平位移，在相同或不同方向上钻穿不同深度的多层油气层。多分支井井眼较短，大部分是尾管和裸眼完井，而且一般为砂岩油藏。
多分支井最早是从简单的套管段铣开窗侧钻、裸眼完井开始的。因其存在无法重入各个分支井和无法解决井壁坍塌等问题，后经不断研究探索，1993年以来预开窗侧钻分支井、固井回接至主井筒套管技术得到推广应用。该技术具有主井筒与分支井筒间的机械连接性、水力完整性和选择重入性，能够满足钻井、固井、测井、试油、注水、油层改造、修井和分层开采的要求。目前，国外常用的多分支系统主要有：非重入多分支系统（NAMLS），双管柱多分支系统（DSMLS），分支重入系统（LRS），分支回接系统（LTBS）。目前国外主要采用4种方式钻多分支井：①开窗侧钻；②预设窗口；③裸眼侧钻；④井下分支系统（Down Hole Splitter System）。
2.3.1.2 连续管钻井（CTD）技术
连续管钻井技术又叫柔性钻杆钻井技术。开始于20世纪60年代，最早研制和试用这一技术钻井的有法国、美国和匈牙利。早期法国连续管钻进技术最先进，1966年投入工业性试验，70年代就研制出各种连续管钻机，重点用于海洋钻进。当时法国制造的连续管单根长度达到550m。美国、匈牙利制造的连续管和法国的类型基本相同，单根长度只有20～30m。
早期研制的连续管有两种形式。一种是供孔底电钻使用，由4层组成，最内层为橡胶或橡胶金属软管的心管，孔底电机动力线就埋设在心管内；心管外是用2层钢丝和橡胶贴合而成的防爆层；再外层是钢丝骨架层，用于承受拉力和扭矩；最外层是防护胶层，其作用是防水并保护钢丝。另一种是供孔底涡轮钻具使用的，因不需要埋设动力电缆，其结构要比第一种简单得多。第四届国际石油会议之后，美国等西方国家把注意力集中在发展小井眼井上，限制了无杆电钻的发展。连续管钻井技术的研究也放慢了脚步。我国于20世纪70年代曾开展无杆电钻和连续管钻井技术的研究。勘探所与青岛橡胶六厂合作研制的多种规格的柔性钻杆，经过单项性能试验后，于1975年初步用于涡轮钻。1978年12月成功用于海上柔性钻杆孔底电钻，并建造了我国第一台柔杆钻机钻探船。1979～1984年勘探所联合清华大学电力工程系、青岛橡胶六厂研究所和北京地质局修配厂共同研制了DRD-65型柔管钻机和柔性钻杆。DRD-65型柔管钻机主要有柔性钻杆、Φ146mm潜孔电钻、钻塔、柔杆绞车及波浪补偿器、泥浆泵、电控系统和液控系统等部分组成。研制的柔性钻杆主要由橡胶、橡胶布层、钢丝绳及动力线组成。拉力由柔杆中的钢丝骨架层承担，钢丝绳为0.7mm×7股，直径2.1mm，每根拉力不小于4350N，总数为134根，计算拉力为500kN，试验拉力为360kN。钻进过程中，柔性钻杆起的作用为：起下钻具、承受反扭矩、引导冲洗液进入孔底、通过设于柔性钻杆壁内的电缆向孔底电钻输送电力驱动潜孔电钻运转、向地表传送井底钻井参数等。
柔性钻杆性能参数为：内径32mm；抗扭矩不小于1030N·m；外径85～90mm；单位质量13kg/m；抗内压（工作压力）40kg/cm2，曲率半径不大于0.75m，抗外压不小于10kg/cm2；弯曲度：两弯曲形成的夹角不大于120°；额定拉力1000kN；柔杆内埋设动力导线3组，每组15mm2，信号线二根；柔杆单根长度为40、80m两种规格。
Φ146mm型柔杆钻机由Φ127mm电动机、减速器、液压平衡器和减震器组成。动力是潜孔电钻，它直接带动钻头潜入孔底钻井。Φ146mm孔底电钻是外通水式，通水间隙宽5mm，通水横断面积为2055mm2。
与常规钻井技术相比，连续管钻井应用于石油钻探具有以下优点：欠平衡钻井时比常规钻井更安全；因省去了提下钻作业程序，可大大节省钻井辅助时间，缩短作业周期；连续管钻井技术为孔底动力电钻的发展及孔底钻进参数的测量提供了方便条件；在制作连续管时，电缆及测井信号线就事先埋设在连续管壁内，因此也可以说连续管本身就是以钢丝为骨架的电缆，通过它可以很方便地向孔底动力电钻输送电力，也可以很方便地实现地面与孔底的信息传递；因不需拧卸钻杆，因此在钻进及提下钻过程中可以始终保持冲洗液循环，对保持井壁稳定、减少孔内事故意义重大；海上钻探时，可以补偿海浪对钻井船的漂移影响；避免了回转钻杆柱的功率损失，可以提高能量利用率，深孔钻进时效果更明显。正是由于连续管钻井技术有上述优点，加之油田勘探需要以及相关基础工业技术的发展为连续管技术提供了进一步发展的条件，在经过了一段时间的沉寂之后，20世纪80年代末90年代初，连续管钻井技术又呈现出飞速发展之势。其油田勘探工作量年增长量达到20%。连续管钻井技术研究应用进展情况简述如下。
1）数据和动力传输热塑复合连续管研制成功。这种连续管是由壳牌国际勘探公司与航空开发公司于1999年在热塑复合连续管基础上开始研制的。它由热塑衬管和缠绕在外面的碳或玻璃热塑复合层组成。中层含有3根铜质导线、导线被玻璃复合层隔开。碳复合层的作用是提供强度、刚度和电屏蔽。玻璃复合层的作用是保证强度和电隔离。最外层是保护层。这种连续管可载荷1.5kV电压，输出功率20kW，传输距离可达7km，耐温150℃。每根连续管之间用一种特制接头进行连接。接头由一个钢制的内金属部件和管子端部的金属环组成。这种连续管主要用于潜孔电钻钻井。新研制的数据和动力传输连续管改变了过去用潜孔电钻钻井时，电缆在连续管内孔输送电力影响冲洗液循环的缺点。
2）井下钻具和钻具组合取得新进展。XL技术公司研制成功一种连续管钻井的电动井下钻具组合。该钻具组合主要由电动马达、压力传感器、温度传感器和震动传感器组成。适用于3.75in井眼的电动井下马达已交付使用。下一步设想是把这种新型电动马达用于一种新的闭环钻井系统。这种电动井下钻具组合具有许多优点：不用钻井液作为动力介质，对钻井液性能没有特殊要求，因而是欠平衡钻井和海上钻井的理想工具；可在高温下作业，振动小，马达寿命长；闭环钻井时借助连续管内设电缆可把测量数据实时传送到井口操纵台，便于对井底电动马达进行灵活控制，因而可使钻井效率达到最佳；Sperry sun钻井服务公司研制了一种连续管钻井用的新的导向钻具组合。这种钻具组合由专门设计的下部阳螺纹泥浆马达和长保径的PDC钻头组成。长保径钻头起一个近钻头稳定器的作用，可以大幅度降低振动，提高井眼质量和机械钻速。泥浆马达有一个特制的轴承组和轴，与长保径钻头匹配时能降低马达的弯曲角而不影响定向性能。在大尺寸井眼（＞6in）中进行的现场试验证明，导向钻具组合具有机械钻速高、井眼质量好、井下振动小、钻头寿命长、设备可靠性较高等优点。另外还研制成功了一种连续软管欠平衡钻井用的绳索式井底钻具组合。该钻具组合外径为in上部与外径2in或in的连续管配用，下部接钻铤和in钻头。该钻具组合由电缆式遥控器、稳定的MWD仪器、有效的电子定向器及其他参数测量和传输器件组成。电缆通过连续管内孔下入孔底，能实时监测并处理工具面向角、钻井顶角、方位角、自然伽马、温度、径向振动频率、套管接箍定位、程序状态指令、管内与环空压差等参数。钻具的电子方位器能在钻井时在导向泥浆马达连续旋转的情况下测量并提供井斜和方位两种参数。
其他方面的新进展包括：连续管钻井技术成功用于超高压层侧钻；增加连续管钻井位移的新工具研制成功；连续管钻井与欠平衡钻井技术结合打水平井取得好效果；适于连续管钻井的混合钻机研制成功；连续管钻井理论取得新突破。
2.3.1.3 石油勘探小井眼钻井技术
石油部门通常把70%的井段直径小于177.8mm的井称为小井眼井。由于小井眼比传统的石油钻井所需钻井设备小且少、钻探耗材少、井场占地面积小，从而可以节约大量勘探开发成本，实践证明可节约成本30%左右，一些边远地区探井可节约50%～75%。因此小井眼井应用领域和应用面越来越大。目前小井眼井主要用于：①以获取地质资料为主要目的的环境比较恶劣的新探区或边际探区探井；②600～1000m浅油气藏开发；③低压、低渗、低产油气藏开发；④老油气田挖潜改造等。
2.3.1.4 套管钻井技术
套管钻井就是以套管柱取代钻杆柱实施钻井作业的钻井技术。不言而喻套管钻井的实质是不提钻换钻头及钻具的钻进技术。套管钻井思想的由来是受早期（18世纪中期钢丝绳冲击钻进方法用于石油勘探，19世纪末期转盘回转钻井方法开始出现并用于石油钻井）钢丝绳冲击钻进（顿钻时代）提下钻速度快，转盘回转钻进井眼清洁且钻进速度快的启发而产生的。1950年在这一思想的启发下，人们开始在陆上钻石油井时，用套管带钻头钻穿油层到设计孔深，然后将管子固定在井中成井，钻头也不回收。后来，Sperry-sun钻井服务公司和Tesco公司根据这一钻井原理各自开发出套管钻井技术并制定了各自的套管钻井技术发展战略。2000年，Tesco公司将4.5～13.375in的套管钻井技术推向市场，为世界各地的油田勘探服务。真正意义的套管钻井技术从投放市场至今还不到10年时间。
套管钻井技术的特点和优势可归纳如下。
1）钻进过程中不用起下钻，只利用绞车系统起下钻头和孔内钻具组合，因而可节省钻井时间和钻井费用。钻进完成后即等于下套管作业完成，可节省完井时间和完井费用。
2）可减少常规钻井工艺存在的诸如井壁坍塌、井壁冲刷、井壁键槽和台阶等事故隐患。
3）钻进全过程及起下井底钻具时都能保持泥浆连续循环，有利于防止钻屑聚集，减少井涌发生。套管与井壁之间环状间隙小，可改善水力参数，提高泥浆上返速度，改善井眼清洗效果。
套管钻井分为3种类型：普通套管钻井技术、阶段套管或尾管钻井技术和全程套管钻井技术。普通套管钻井是指在对钻机和钻具做少许改造的基础上，用套管作为钻柱接上方钻杆和钻头进行钻井。这种方式主要用于钻小井眼井。尾管钻井技术是指在钻井过程中，当钻入破碎带或涌水层段而无法正常钻进时，在钻柱下端连接一段套管和一种特制工具，打完这一段起出钻头把套管留在井内并固井的钻井技术。其目的是为了封隔破碎带和水层，保证孔内安全并维持正常钻进。通常所说的套管钻井技术是指全程套管钻井技术。全程套管钻井技术使用特制的套管钻机、钻具和钻头，利用套管作为水利通道，采用绳索式钻井马达作业的一种钻井工艺。目前，研究和开发这种钻井技术的主要是加拿大的Tesco公司，并在海上进行过钻井，达到了降低成本的目的。但是这种钻井技术目前仍处于研究完善阶段，还存在许多问题有待研究解决。这些问题主要包括：①不能进行常规的电缆测井；②钻头泥包问题严重，至今没有可靠的解决办法；③加压钻进时，底部套管会产生横向振动，致使套管和套管接头损坏，目前还没有找到解决消除或减轻套管横向振动的可靠方法；④由于套管钻进不使用钻铤，加压困难，所以机械钻速低于常规钻杆钻井；部分抵消了套管钻进提下钻节省的时间；⑤套管钻井主要用于钻进破碎带和涌水地层，其应用范围还不大。
我国中石油系统的研究机构也在探索研究套管钻井技术，但至今还没有见到公开报道的成果。目前，套管钻井技术的研究内容，除了研制专用套管钻机和钻具外，重点针对上述问题开展。一是进行钻头的研究以解决钻头泥包问题；二是研究防止套管横向振动的措施；三是研究提高套管钻井机械钻速的有效办法；四是研究套管钻井固井办法。
套管钻井应用实例：2001年，美国谢夫隆生产公司利用加拿大Tesco公司的套管钻井技术在墨西哥湾打了2口定向井（A-12和A-13井）。两井成井深度分别为3222×30.48cm和3728×30.48cm。为了进行对比分析，又用常规方法打了一口A-14井，结果显示，同样深度A-14井用时75.5h，A-13井用时59.5h。表层井段钻速比较，A-12 井的平均机械钻速为141ft/h，A-13井为187ft/h，A-14井为159ft/h。这说明套管钻井的机械钻速与常规方法机械钻速基本相同。但钻遇硬地层后套管钻井，钻压增加到6.75t，致使扩眼器切削齿损坏，钻速降低很多。BP公司用套管钻井技术在怀俄明州钻了5口井。井深为8200～9500ft，且都是从井口钻到油层井段。钻进过程中遇到了钻头泥包和套管振动问题。
此外，膨胀套管技术也是近年来发展起来的一种新技术，主要用于钻井过程中隔离漏失、涌水、遇水膨胀缩经、破碎掉块易坍塌等地层以及石油开采时油管的修复。勘探所与中国地质大学合作已立项开展这方面的研究工作。
2.3.1.5 石油钻机的新发展
国外20世纪60年代末研制成功了AC-SCR-DC电驱动钻机，并首先应用于海洋钻井。由于电驱动钻机在传动、控制、安装、运移等方面明显优于机械传动钻机，因而获得很快的发展，目前已经普遍应用于各型钻机。90年代以来，由于电子器件的迅速发展，直流电驱动钻机可控硅整流系统由模拟控制发展为全数字控制，进一步提高了工作可靠性。同时随着交流变频技术的发展，交流变频首先于90年代初成功应用于顶部驱动装置，90年代中期开始应用于深井石油钻机。目前，交流变频电驱动已被公认为电驱动钻机的发展方向。
国内开展电驱动钻机的研究起步较晚。兰州石油化工机器厂于20世纪80年代先后研制并生产了ZJ60D型和ZJ45D型直流电驱动钻机，1995年成功研制了ZJ60DS型沙漠钻机，经应用均获得较好的评价。90年代末期以来，我国石油系统加大钻机的更新改造力度，电驱动钻机取得了较快发展，宝鸡石油机械厂和兰州石油化工机器厂等先后研制成功ZJ20D、ZJ50D、ZJ70D型直流电驱动钻机和ZJ20DB、ZJ40DB型交流变频电驱动钻机，四川油田也研制出了ZJ40DB交流变频电驱动钻机，明显提高了我国钻机的设计和制造水平。进入21世纪，辽河油田勘探装备工程公司自主研制成功了钻深能力为7000m的ZJ70D型直流电驱动钻机。该钻机具有自动送钻系统，代表了目前我国直流电驱动石油钻机的最高水平，整体配置是目前国内同类型钻机中最好的。2007年5月已出口阿塞拜疆，另两部4000m钻机则出口运往巴基斯坦和美国。由宝鸡石油机械有限责任公司于2003年研制成功并投放市场的ZJ70/4500DB型7000m交流变频电驱动钻机，是集机、电、数字为一体的现代化钻机，采用了交流变频单齿轮绞车和主轴自动送钻技术和“一对一”控制的AC-DC-AC全数字变频技术。该型钻机代表了我国石油钻机的最新水平。凭借其优良的性能价格比，2003年投放市场至今，订货已达83台套。其中美国、阿曼、委内瑞拉等国石油勘探公司订货达42台套。在国内则占领了近2～3年来同级别电驱动钻机50%的市场份额。ZJ70/4500DB型钻机主要性能参数：名义钻井深度7000m，最大钩载4500kN，绞车额定功率1470kW，绞车和转盘挡数I+IR交流变频驱动、无级调速，泥浆泵型号及台数F-1600三台，井架型式及有效高度K型45.5m，底座型式及台面高度：双升式/旋升式10.5m，动力传动方式AC-DC-AC全数字变频。
3. 固井技术
(一)固井材料
固井材料主要为油井水泥,其质量标准与物理性能见表4-6,主要作用如下:
图4-4 T38,T38-1报废石油井改造地热井井身结构示意图
表4-6 国产油井水泥质量标准及水泥物理性能
注:120℃水泥已混入石英砂,当用于3500～5000m深度时,应加入缓凝剂及降失水剂来调节使用性能。 (钻井手册 甲方上册)
1)流动性较好,油井水泥在配制、注入和被顶替至规定的环空位置的整个过程中流动性能始终保持;
2)稳定性好,能满足在井下一定温度和压力条件下,性能稳定性好;
3)被顶替至规定位置后,能在要求的时间内凝固,且固化后保持原始体积最小;
4)密度允许通过外加剂调节,并保持其强度、流动性和稠化时间等;
5)对地层含有盐溶液和硫酸盐水溶液,水泥石具有一定的抗腐蚀性;
6)凝固的水泥石具有较快强度发展,成致密固体,同时还具有一定的塑性,适应射孔需要,不产生过多水泥石裂缝等。
(二)固井方式
将水泥浆通过套管内注入并从环空上返形成水泥石来封闭环空空间的作业称为固井,也称为注水泥。表层套管一般为400m,采用内管全程跟踪固井方式,候凝时间大于48h,管内水泥塞高度大于10m。
技术套管一般下深在800～1500m甚至更多,考虑作业不产生过高泵压以及不超过地层破裂压力,故采用二级固井作业方法(俗称穿鞋戴帽法)。该二级固井分两种情况,其一为三开或四开井身结构,技术套管为白管固井,如图4-5a所示,下套管前在适当位置设置一回压凡尔,用倒扣接头将套管送到设计位置后,第一级固井水泥浆自钻杆-回压凡尔-上返300m,之后可立即倒开钻杆开始二级固井。第二级固井为挤水泥作业,先封闭井口,水泥浆自技术套管与表层套管之间的环空挤出。固井结束后,要进行试压,试压压力不低于3MPa,稳定时间不少于10min,如达不到上述要求,要重新进行挤水泥作业;其二为二开井身结构,技术套管下部为滤水管的固井,如图4-5b所示,下套管前在滤水管上部10m左右固定一水泥堵头(水泥堵头作用下管过程中钻井液自环空挤出,同时保证固井时水泥浆不会从滤水管挤出,防止过多地伤害滤水管),在其上1～2m处打旋流孔,用倒扣接头将套管送到设计位置后,第一级固井水泥浆自钻杆-旋流孔-上返300m,套管内水泥塞高度不少于10m以封闭旋流孔,候凝时间不少于48h后倒开钻杆。第二级固井为挤水泥作业,同上。
尾管一般小于1000m,固井方法同表层套管,采用一级跟踪固井作业。
图4-5 技术套管二级固井作业流程示意图
4. 石油修井工程是什么
在石油勘探 与开发的各项施工过程当中，修井作业是一个很重要的环节，油气井在抽油，自喷或注水注气注水泥过程中当中，会随时发生故障，造成油井减产，甚至停产。出现故障后，只有通过井下作业来排除，更换井下设备，调油井下参数，恢复油井正常生产。。 平时说的井下作业就是指修井工程的具体内容之一。。修井工程主要包括井下作业和油气井大修。。井下作业就是维持，改善油，气，水井的正常生产状况，采取的各种井下措施的一种统称。。油气井大修就是利用一定的设备，采取一定的技术措施处理油水井事故，恢复油水井正常生产。。 总之修井工程说白了就是油，气，水井有毛病了修，没毛病了维持。。。。 还有你咋不悬赏 分呢。。。
5. 油气井完成的步骤有哪些
完井(即油气井完成)是钻井工程的最后一个重要环节,主要包括钻开生产层、确定井底完成方法、安装井底和井口装置以及试油投产。完井质量直接影响油井投产后的生产能力和油井寿命，因此必须千方百计地把完井工作做好，为油气井的顺利投产、长期稳产创造条件。
一、打开生产层完井就是沟通油气层和井筒，为确保油气从地层流入井底提供油流通道。任何限制油气从井眼周围流向井筒的现象称为对地层损害的“污染”。实践证明：钻开生产层的过程或多或少都会对油气层产生损害。因此，保护油气层是完井所面临的首要问题。过去，世界范围内油价较低、油源充裕，在很大程度上忽视了对油气层的保护。自20世纪70年代中期，西方一些国家出现能源危机以来，防止伤害油气层，最大限度地提高油气井产能才上升到重要地位，成为目前钻井技术中最主要的热门课题之一。
1.油气层伤害的原因油气层伤害机理的研究工作开展以来，有各式各样的说法。最近比较精辟的理论认为：地层损害通常与钻井液固体微粒运移和堵塞有关，还与化学反应和热动力因素有关。在复杂条件下，要充分掌握油层损害机理是比较困难的。因此，目前的研究结果大多只能定性地指导生产实践，离定量评价还有一定的差距。
钻生产井常用的钻井液为水基泥浆。由于钻进过程中钻井液柱压力一般大于地层压力，在压差作用下，钻井液中的水、粘土等会侵入油气层，对油气层造成各种不同性质的伤害。
1)使产层中的粘土膨胀研究得知，油砂颗粒周围一般都有极薄的粘土膜。砂粒之间的微孔道非常多，油气层内部还有许多很薄的粘土夹层。在钻井液自由水的侵入作用下，砂粒周围的粘土质成分将发生体积膨胀，使油气流动通道缩小，降低产出油气的能力。
2)破坏油气流的连续性油气层含油气饱和度较高时，油气在孔隙内部呈连续流动状态。少量的共生水贴在孔隙壁面，把极微小的松散微粒固定下来，在相当大的油气流动速度下也不会被冲走。当钻井液滤液侵入较多时，会破坏油气流的连续性，原油或天然气的单相流动变成油、水两相或气、水两相流动，增加了油气流动阻力。一旦水成为连续的流动相，只要流速稍大，就会把原来稳定在颗粒表面的松散微粒冲走，并在狭窄部位发生堆积，堵塞流动通道，严重降低渗透率。
3)产生水锁效应，增加油气流动阻力渗入油气层中的钻井液滤液是不连续的，而是呈一段小水栓一段油气的分离状态。在有些地方还会形成油、水乳化液。由于弯曲表面收缩压的关系，会大大增加油气流入井的阻力。
4)在地层孔隙内生成沉淀物
in。
由于油管柱与套管间的环空由油管挂密封，由地层流入井内的油气只能进入筛管并沿着油管上升到地面。采油树与地面采油管线相连,有控制地将油气从井内输出。
3.诱导油气流下完油管、安装好井口装置后，下一步的工作一般是诱导油气流。对于因井内液柱压力过高而不能自喷的油气井，应设法降低井内液柱高度或流体密度，从而降低液柱压力，诱导油气流进入井内。常用的方法有替喷法、提捞诱喷法、抽汲诱喷法和气举法等。
1)替喷法用原油或清水等低密度液体将井内的钻井液循环替出，降低液柱压力以诱使油气流入井内的办法称为替喷法。替喷时清水从油管注入井内，逐步替出井内钻井液。对于高压井或深井，为了不致造成井内压力变化过猛，可以先用轻钻井液替出重钻井液，再用清水替出轻质钻井液的办法进行替喷，确保井身安全。
2)提捞法提捞诱喷法是用特制的提捞筒，将井筒中的液体逐筒地捞出来，以降低液柱高度、诱导油气流进入井内。这种方法一般是在替喷后仍然无效的情况下采用。
提捞诱喷法的一种变化称为钻具排液法。可以把装有回压阀的下部钻具视为一个长的提捞筒，速度较快地将井内液面降低1000～1500m。
3)抽汲法抽汲法实际上是在油管柱内下入一个特制的抽子，利用抽子在油管内上下移动形成的部分真空，将井内部分清水逐步抽出去，从而降低井内液柱高度，达到诱喷的目的。
抽汲法可将井内液柱高度降到很低。抽子下行时阀打开，水从抽子中心管水眼流入油管内；上提抽子时阀关闭，油管内的水柱压力使胶皮胀开紧贴油管内壁而起密封作用。抽子之上的水柱随抽子上移而被排出井口。替喷后仍不能自喷的井，可采用抽汲法诱喷。
4)气举法气举法与替喷法的原理类似，只是替入井内的不是清水而是压缩空气。气体是从环空注入而不是经油管注入。由于气体密度小，只要油气层伤害不是很严重，一般气举后可达到诱喷的目的。在某些有条件的地区，还可以用邻井的高压天然气代替压缩机进行气举。对替喷无效的井，也可采用气举法诱喷。
4.完井测试完井测试的主要任务是测定油气的产量、地层压力、井底流动压力、井口压力以及取全取准油、气、水的资料，为油气开采提供可靠的依据。
1)油气产量的测定从油气井中产出的油、气、水进入分离器后，气体经分离伞从上部排出，油和水沉降下来。玻璃连通管中的液面高度能反映分离器内油水液面的变化。记录玻璃管中液面上升一定高度所需的时间，就能算出每口井的产液量，经采样分析可得到油水含量。
通常用节流式流量计测定天然气的产量。流量计的孔板直径要适应天然气的产量范围。
2)地层压力和井底流动压力关井待井内压力恢复到稳定后，用井下压力计测得的井底压力即为地层压力。也可用关井井口压力和液柱压力计算得出地层压力。对于渗透性差的地层，关井使井内压力恢复需要很长时间。为了节省时间，可根据一段时间内的压力恢复规律推断地层压力。
井底流动压力是指稳定生产时测得的井底压力。如果是油管生产，由套压和环空液柱压力可算得井底流动压力。
3)井口压力油气井井口压力包括油压和套压。油压反映井口处油管内压力，套压反映井口处油管与套管环形空间的压力。生产时油压和套压不同，关井压力稳定后油压和套压应相等。可以在地面上通过压力表读得这两个压力值。
4)油、气、水取样取样是为了对产层流体进行分析和评价。因此，要求取出的样品具有代表性和不失真。一般情况在井口取样。有时为了保持油气在地下的原始状态，需要下井下取样器到井底取样并封闭，然后取到地面用于测试和分析。
思考题
1.钻井的作用是什么?2.现代旋转钻井的工艺过程特点是什么?3.井身结构包括什么内容?4.钻井工艺发展经历了几个阶段?有些什么特点?5.石油钻机由哪些系统组成?各个系统的作用是什么?6.防喷器有哪些类型？各有什么用途？
7.钻柱主要由哪几种部件组成？
8.方钻杆为什么要做成正方形?9.扶正器、减振器、震击器等辅助钻井工具各有什么用途?10.普通三牙轮钻头主要由哪几部分组成?11.石油钻井使用的金刚石钻头有哪些类型?各在什么条件下使用?12．钻井液的功用是什么?13．水基钻井液由哪些部分组成？属于什么样的体系？
14．钻井液性能的基本要素有哪些？
15．钻井液密度与钻井工作的关系如何?16．怎样优选钻头？
17．井斜控制标准是什么?18．压井循环的特点是什么？
19．常规井身轨迹有哪几种类型？
20．井内套管柱主要受哪些外力作用？设计套管柱的基本原则是什么?21．套管柱由哪些基本部件组成？
22．描述注水泥的基本过程。
23.钻开油气层时常采取哪些保护措施?24．目前常用哪几种完井方法?25.诱导油气流的主要方法有哪些?26.完井井口装置有哪些部件?各起什么主要作用?
6. 石油井口套管的切割
克拉玛依钻井欠平衡井控技术服务公司自行改造的液压套管切割机首次在该井试用获得成功，标志着今后钻井队切割油井井口套管不再动用明火。
过去，钻井队在切割油井井口套管时，因为没有适合切割立式套管且安全性能好的套管切割机具，一般采用氧气动火切割。而动用明火具有一定的危险性，国内各大油田也因在井口用氧气切割套管发生过多起着火事故。为把安全风险降到最低，钻井欠平衡井控技术服务公司充分调动技术骨干的积极性，通过反复摸索，多次拆装试验，于3月上旬完成液压切割机的改造，解决了长期以来钻井队切割套管必须动用明火的难题。
液压套管切割机具有安全防爆，一次成型等特点，由于无需二次修整，从而降低了成本，且便携易带，操作简便。新型液压套管切割机的成功改造应用，为钻井安全生产提供了技术保障。
7. 油气井套管损坏后如何修复
油气井是石油企业的固定资产，油层套管是构成油气井的最基本要素。油层套管一旦损坏且不能修复，则意味着油气井的报废和固定资产的损失。油层套管常年承受着油层高压及气体、液体等介质的侵蚀，还要反复承受着各种修井作业及增产措施手段等外力的作用。其损坏原因主要有以下几种情况：
（1）套管本身质量差、强度低；（2）固井质量差，封固不牢；（3）水及化学剂、微生物腐蚀作用；（4）地质构造运动及套管周围的岩性作用；（5）高压注水对套管的损坏；（6）油、气、水井出砂的影响；（7）修井作业施工不当对套管的破坏。
套管损坏形态由于套管损坏位置和损坏程度及损坏状况的不同，有的不能再修复，有些可以修复。
对套管缩径的修复方法，修理时下入逐级扩大的滚子整形器，通过钻杆加压，逐步把内径扩大。这种方法较简单，也容易见效。
对套管破裂，有缝或洞的修理，有以下几种方法：
（1）挤水泥浆。当油层压力不大，破裂和漏失不严重时，可用挤水泥浆的办法进行修理。其工艺办法为：先用比套管内径小8～10毫米通井规通径，然后在破口适当位置下一个悬空封堵器（工具名称叫桥塞），把破口以下井筒临时封掉，再在桥塞以上注入一定量的水泥浆，使其凝固成水泥塞，水泥塞凝固后，钻开套管中的水泥塞，并试压检查水泥封固的破口质量，待确认封固质量合格后，再钻开悬空封堵器（桥塞），并冲砂到井底。用这种方法修复的套管一般可承受40～80兆帕的压力，但在该井进行高压施工时应下封隔器保护，避免该段承受高压。
（2）换套管。当破裂位置在油井上部，且可以倒扣取出破口以上套管时，可用倒扣法把事故段以上套管全部提上来，重新下入新套管，对好扣上紧。此方法的好处是保证了套管内径的一致性，作业后井下工具可顺利通过；不足之处是井下对扣的套管丝扣拧紧度不如在井口上得紧。
（3）补贴法。补则法就是坏套管的内壁上贴一层薄壁管子，以达到修复的目的。其工艺原理为：在一种特制的耐高压橡胶筒上套着波纹管（薄壁管）下到井内套管损坏位置处，憋压使橡胶筒膨胀，同时胀开波纹管，使波纹管紧贴套管损坏处的内壁，并由黏结剂把套管与波纹管黏合成一体，待黏结剂固化后，活动钻具，把耐高压橡胶筒取出。这一补贴工艺方法简单，操作安全。
对套管折断的井可分三种情况分别进行修理。第一种是折断但没有错位；第二种是折断但错位不严重；第三种是折断且严重错位，甚至无法找到下段套管。
为了取得套管折断后位移情况、错断深度，断口上下相对距离以及断口是否变形等资料，可采用打铅印、仪器测试等方法把情况弄清楚。
对折断没有错位的套管，可采用注水泥浆方法修复；对折断但错位不严重的套管，如允许换套管则用换套管法修复；如不具备换套管条件则可用下补接器的办法修复，即把折断处套管磨铣掉一段后，中间用补接工具把上下套管夹紧、拉住以保证油井能正常生产。
对折断后错位严重且找不到下段套管的井，可采用侧钻法处理。即把折断处的井眼用水泥固死，从上部套管内下小钻杆重钻一个井眼，下入比原套管小的套管固井完井。
8. 胜利油田井下是怎么改革的
胜利石油管理局可能要取消，上市公司成为中石化直接领导的公司，工程板块主要包括钻井、井下、油建、物探等，供水、供电交给地方管理，医院也要移交地方，学校已经移交地方管理，油田的三产企业可能要重组，相关联的可能要组建集团。
9. 怎样对油井进行封井
在油气分离器上安装一根长80左右并与分离器构成连通管的玻璃管液面计。分离器内一定重要的油将水压倒玻璃管内，根据玻璃管内水上升的高度与分离器内油量的关系得到分离器内油的重量，由此测得玻璃管内液面上升高度所需要的时间，即可封井。
油井：为开采石油，按油田开发规划的布井系统所钻的孔眼，石油由井底上升到井口的通道。油井是通过钻井方法钻成的孔眼。一般油井在钻达油层后，下入油层套管，并在套管与井壁间的环形空间注入油井水泥，以维护井壁和封闭油、气、水层，后按油田开发的要求用射孔枪射开油层，形成通道，下入油管，用适宜的诱流方法，将石油由油井井底上升到井口。