1、第十二章 小井眼钻井工艺第一节 小井眼定义和用途 .2一小井眼定义 .2二小井眼的用途和前景 .2三小井眼的局限性和难度 .2第二节 小井眼钻井设备 .2一套管程序 .3二固井 .3三钻井液 .4第三节 钻 头 .4一钻头的种类 .4二钻头类型的选择 .4第四节 小井眼钻具 .5一钻具的种类 .5二小井眼钻具组合 .5三小井眼对钻具的要求 .6第五节 小井眼连续取心技术 .6一小井眼连续取心的特点 .6二小井眼连续取心用的工具 .7第六节 小井眼井控 .7一小井眼井控与常规井的差别 .7二小井眼的溢流检测 .8三小井眼压井方法 .8四小井眼井控设备分类 .9第七节 连续油管技术 .9一连续油管
2、的材质及其物理机械性质 .9三连续油管的地面设备 .10四连续油管的使用寿命 .12五连续油管在小井眼钻井中的应用范围 .12六连续油管钻井的优点和局限性 .13参 考 文 献 .14第一节 小井眼定义和用途一小井眼定义到目前为止，还没有一个统一的小井眼定义。美国阿莫科（Amoco）公司认为，不少于 90以上的井段是用直径小于 177.8 毫米（7 英寸）的钻头钻成的井眼，或 70以上的井段直径小于 152.4 毫米（6 英寸）的井称小井眼。我们认为只要能满足以下条件之一的就可称为小井眼：1一口井中 90井段是用直径小于 177.8 毫米（7 英寸）的钻头钻成的井眼。2水平井水平段的井径小于
3、200 毫米（7 7 8 英寸）的井眼。3在老井眼开窗侧钻、加深，井径小于 177.8 毫米（7 英寸）的井眼。4井的最后一段井眼直径通常是从 95.2104.8 毫米（3 3 4。4 1 8 英寸），从中可获得大量评价井的资料，可在该井眼内进行完井作业的井。二小井眼的用途和前景经过石油工业几十年的共同努力，小井眼技术日臻完善，可在很多领域发挥效益。1钻早期勘探井和评价井：在浅海区域采用简易平台钻小井眼探井或评价井，进行早期地质勘探和评价，可以减少资金的投入。2钻开发井：对井深较浅、单井产量低的边际油田，采用小井眼可以节约开发投资，提高经济效益。3提高老油田的产量：利用小井眼钻井技术，重返老井
4、进行加深、侧钻、钻大斜度或水平井，进行二次开采，使老井产量提高。4借助国际经验、技术优势，建立我国海洋石油钻井作业的小井眼体系，使小井眼技术在我国海洋石油钻井作业中逐步成熟和发展。三小井眼的局限性和难度尽管小井眼具有广泛的用途，但还存在一定的局限性，主要有以下几方面：1某些技术还不过关，小井眼钻井中使用的硬件和软件还未能完全满足需求。2钻探深度受到限制，加深钻探时的技术难度更大。3井控困难。4井下事故和复杂情况不易处理。第二节 小井眼钻井设备目前，我国海上现有钻井设备都能满足钻小井眼的要求。当前国际上适用于小井眼的钻机有石油钻机、矿业连续取心钻机、混合钻机和连续油管作业钻机等。这些钻机的共同特
5、点是小而轻、结构简单紧凑、噪音小、操作人员少，多数采用顶部驱动或动力水龙头而不用转盘，还配有先进的数据采集系统、监控装置，提高了小井眼钻井速度和成功率。一套管程序小井眼套管程序的确定，与常规井基本相同，只是套管直径相对减小。它主要根据地质目的、油层深度、地层特性、异常孔隙压力和可能发生的复杂情况，决定所采用套管的层数、直径大小和所下深度。此外，还根据不同海域的风浪大小和冰情，选用不同的隔水导管。常用的各层套管尺寸如下：1隔水导管：762 毫米（30 英寸）、609.6 毫米（24 英寸）、508 毫米（20 英寸）等。2技术套管：339.72 毫米（13 3 8 英寸）、244.47 毫米（
6、95 8 英寸）、177.8 毫米（7 英寸）、168.27 毫米（6 5 8 英寸）等。3生产套管：139.70 毫米（5 1 2 英寸）、127 毫米（5 英寸）、114.3 毫米（4 1 2 英寸）、76.20 毫米（3 英寸）等。二固井小井眼因井身结构简单，环空间隙小、套管尺寸小、强度低，固井设计和施工时应考虑以下问题。1和常规井一样，小井眼固井可根据有无浅气层、井的深度和水泥上返高度等情况，可采用单级或双级注水泥。2为有效地支撑管柱，防止套管柱通热膨胀弯曲，通常管外水泥应尽可能返高，管内要留较长水泥塞。为使套管柱居中，并防止管柱弯曲，可在套管柱上多加扶正器等。3在设计水泥浆时着重考虑
7、其流变性，应选择流动性好，触变性能强和低失水的水泥浆。固井施工时要严格控制泵压和排量，以免因环空流动阻力过大而压漏地层，顶替泥浆时多采用塞流或平板流。三钻井液小井眼所用钻具直径小，井眼环空小，要求有良好的钻井液性能：1钻井液密度应略大于预计的地层孔隙压力当量密度，并能补偿抽汲效应产生的负压，既不致井喷也不会压漏地层，做到平衡压力钻井。2有良好的抑制性，防止泥页岩膨胀、垮塌，稳固井壁，保持井眼规则。3低粘度、低失水，防止循环时高速上返产生过大压力降，避免在井壁上形成过厚泥饼。4钻井液应有良好的流变性和润滑性，能提高低剪切速度下的粘度，防止开泵压力太大而压漏地层，并具有使钻具旋转时扭矩小和良好的携
8、带钻屑能力。第三节 钻 头一钻头的种类小井眼钻井的钻头有研磨切削型和牙轮钻头。牙轮钻头多用于含砾岩地层或某些坚硬地层。本节主要介绍以下几种研磨切削型钻头。1全面钻进金刚石钻头（1）侧钻胎体钻头：它是专为造斜侧钻设计的，这种钻头具有平坦的底面和短的保径，配合井下马达和弯接头使用时，其结构形式有助于钻头朝侧向钻进，而其中心凹槽可控制井眼始终朝着一个方向延伸；（2）天然或热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）：这种钻头可用于钻直井、斜井或水平井，大量的金刚石用于钻头保径，有良好的侧向切削性能，能适应高转速钻井，在斜井段中使用寿命长。（3）复合片聚晶金刚石钻头（PDC）是小井眼钻井常用的钻头。（4）刮刀钻头。
9、它具有四个翼片，底部镶嵌硬质合金（碳化钨），并加敷金刚砂，这种钻头的扭矩比较大。（5）硬质合金磨铣钻头：它主要用于钻水泥塞或金属碎块，在配合井下马达使用时，研磨破碎的效果更好。2取心钻头在小井眼连续取心作业中，多采用天然金刚石取心钻头和 TSP、PDC 取心钻头。天然金刚石取心钻头又分为孕镶和表镶两种。二钻头类型的选择l小井眼钻井使用金刚石或 PDC 钻头，无论从钻头寿命、进尺和成本上看都要比使用牙轮钻头有利，井眼越小越合算。由于小井眼用的牙轮钻头轴承和牙齿强度低、寿命短，因此，国际上极少用牙轮钻头钻小井眼。2小井眼环空间隙小、流动阻力大，环空水功率消耗大，因而不能借助钻头水功率来提高小井眼的
10、钻速。3金刚石及 PDC 取心钻头在小井眼取心时有良好的效果。4四翼刮刀在使用顶驱装置下钻小井眼，具有较高的机械钻速，单只钻头进尺较高。第四节 小井眼钻具一钻具的种类1小井眼钻具：钻杆、加重钻杆、钻铤、油管（常在小井眼浅井中代替钻杆）、连续油管（缠绕管）、连续取心岩心筒和绳索式回收工具。2小井眼钻杆主要有以下三大类：（）标准的小尺寸钻杆：常规石油钻机、修井机和专门的小井眼钻机一般用标准的小尺寸钻杆如 89 和 73 毫米（3 1 2 和 27 8 英寸）钻杆进行小井眼的全面钻进和常规取心，有时也用 60.3 毫米（2 3 8 英寸）油管与标准小尺寸钻杆组成的混合管柱钻小井眼。（2）矿业取心钻杆
11、：采用矿业取心钻杆进行小井眼的全面钻进和连续取心，也能用标准的小尺寸钻杆或二者混合管柱进行小井眼的全面钻进。（3）连续油管（缠绕管）：连续油管作业装置采用连续油管为钻柱进行小井眼的全面钻进和常规取心。3小井眼井下工具：随钻震击器、减震器、液压加压器、井下马达、稳定器、随钻测斜仪（MWD 或 LWD）和专用打捞工具。二小井眼钻具组合1直井钻具组合：（l）小井眼直井钻具组合和常规井的组合相同，但一般不使用方钻杆，因为小方钻杆机械强度低，带不动整串钻柱旋转，容易变形，故多使用顶部驱动装置直接带动钻具旋转。（2）采用钟摆钻具和满眼钻具，保持井眼垂直。2斜井钻具组合：重返老井钻小井眼延伸井用于油田二次开
12、发时使用不同类型井下马达钻具组合和不同钻井方式可钻成不同曲率半径的斜井和水平井。（l）长曲率半径水平井：可用顶部驱动旋转钻井或井下动力钻具完成。多用普通井下马达加普通弯接头，单弯造斜接头或双弯万向短节造斜、增斜，用钻杆或加重钻杆组合成下部钻具结构。（2）中曲率半径水平井：多使用固定角度造斜马达或可调角度的造斜马达加双弯万向短节造斜、增斜；钻具结构由井下马达和长度短、柔性大的钢钻杆或铝合金钻杆组成。（3）短曲率半径水平井：依照驱动方式不同，短曲率半径水平井有两种钻法和相应的钻具结构：当使用顶部驱动旋转钻井时，下部钻具结构由一串可自动转动的万向节短钻杆组成的弯曲引导器（Curved Drill G
13、uide）组成，配合一套坐在裸眼封隔器上的斜向器（Guide Whipstock）造斜、增斜。若用井下动力马达钻井，多使用铰接式井下马达钻具组合。先用它在井下造出台阶，然后起出来，换另一套可测量井斜、方位的钻具组合继续进行钻井。小井眼井下马达数据见表 121。三小井眼对钻具的要求1对钻具的要求：（l）小井眼使用的钻具，要有常规井钻具同样的钢级和机械强度。（2）钻具内径要能通过测量仪器和绳索取心工具。（3）螺纹密封性好、强度大。2对钻具组合的要求：（1）在钻小井眼水平井时，应尽量少用或不用钻铤，最好是用加重钻杆代替钻铤，而且应将其放在直井段，使井眼容易转向并给钻头加压。（2）钻铤最小容许外径等于
14、两倍套管接箍直径减去钻头直径。（3）不同曲率半径小井眼采用不同的下部钻具组合。第五节 小井眼连续取心技术一小井眼连续取心的特点连续取心不同于常规取心，连续取心实质上是绳索式取心，岩心充满内筒后，不必起出整个钻柱，只需用钢丝绳下入一个打捞筒，就能将装有岩心的内筒从井底的岩心筒中取出来，然后再将另一个内筒投入钻柱内后继续取心，这样可以大幅度减少起下钻次数，提高取心效率。连续取心技术作为一种非常有效的勘探方法，于 70 年代初引入，并使之适用于油田小井眼取心作业。二小井眼连续取心用的工具1矿业取心钻杆：小井眼连续取心作业用矿业取心钻杆，它不同于石油钻井钻杆，其主要特点是：（1）它是一种薄壁无缝钢管，
15、机械强度比同直径的常规钻井钻杆小。（2）具有外平、内加厚接头。外平接头可减少钻杆摩阻和环空压力降，内加厚可以使接头保持较高的强度，承受足够的扭矩，避免接头发生泄漏。（3）外径小，介于 44.5150 毫米（ l3 45” 7 16 英寸）之间。（4）长度短，仅为 16（3.319.7 英尺）。（5）重量轻，CHD134、CHD101 和 CHD76 型矿业取心钻杆的重量分别为 20.8、13.l和 8.5 公斤米。在连续取心作业中，仍采用钻杆加压。（6）与井壁之间的环空间隙很小，这种钻杆在裸眼井中可作为回收式技术套管，甚至作为永久性套管固井，然后用直径更小的矿业取心钻杆继续取心作业。矿业取心钻
16、杆在小井眼连续取心作业中，一般多使用 CHD134、CHD101 和 CHD76 三种型号。矿业取心钻杆、取心钻头、岩心筒和岩心组合尺寸见表 122。2岩心筒：连续取心岩心筒与常规岩心筒一样，也由内筒和外筒组成。但与常规岩心筒不同的是，其内筒可以用钢丝绳打捞筒取出来，再将另一个内筒投入钻柱内后继续取心钻进。为防止起出内筒时发生抽汲作用，通常的作法是一边起内筒，一边向钻柱内泵送钻井液。连续取心岩心筒及其内筒和单筒岩心的长度一般为 3、6、9、12、13.5 和 15 米，最长可达 27 米。第六节 小井眼井控一小井眼井控与常规井的差别小井眼井与常规井在以下方面存在差异，影响对溢流检测和压井方法。
17、1环空体积小：小井眼尤其是连续取心的小井眼，其环空间隙很小，环空体积也很小。同样的溢流量，在小井眼中的上返速度和上返高度是常规井的数倍，相应地使小井眼井底压力明显降低。2系统压力损失大：系统压力损失指的是地面设备、钻柱及钻头和环空内的压力损失之和，小井眼中压力损失的分布情况与常规井中的分布情况相反。在小井眼中，环空压力损失大，地面设备、钻柱和钻头内的压力损失小。而在常规井中，钻柱及钻头内的压力损失大，而环空压力损失小。二小井眼的溢流检测小井眼因其环空体积小，少量地层流体侵入井筒内，就能占据环空的较大体积，而且上返高度高、上返速度快，利用常规井检测溢流的方法，很难保证安全进行井控。以下介绍几种溢
18、流检测法：1电磁流量计检测法：在泥浆泵吸入管和井口钻井液返出管线上安装电磁流量计来定量记录钻井液的泵入量和返出量，并将记录结果与泥浆池总体积显示在同一图上。通过实时观察泵入量曲线和近出量曲线的变化情况，就能及时发现溢流或钻井液漏失。电磁流量计比泥浆池容量累计仪更加精确和灵敏，能够检测到不足 159 升（ l 桶）的溢流，并能对井下溢流立即作出反应。2流量波和压力波检测法：钻井液流量波的测量法是检测泥浆泵压力波的重复传播时间。由于这些波在气体中的传播速度比在钻井液中慢，传播时间急剧增加就说明发生了溢流。3对比检测系统：对比检测系统与实时钻井数据采集系统相连接，通过分析实时钻井数据就可检测早期溢流
19、。此外还可用井筒动态模型预测钻井液返出量和立管压力，将二者的实测值和预测值以曲线的形式显示出来进行实时对比。根据实测值与预测值之间的偏差及时判断是否发生了溢流、钻井液漏失或钻杆刺漏等异常情况。三小井眼压井方法由于小井眼环空体积小，一旦检测到溢流，就必须立即采用以下几种压井方法：1动态压井法：动态压井是利用循环钻井液时产生较大的环空压力损失来控制地层压力，它是一种非常有效的小井眼压井方法。由于小井眼环空压力损失占泵压的绝大部分，井内任一深度处的压力等于钻井液的静液柱压力加上此处至地面的环空压力损失，如旋转钻柱，可使井底当量循环密度增加。因此，改变泵排量和钻柱转速或钻井液性能，通常就能控制住小井眼
20、溢流。所以动态压井法优于等候加重法或司钻法，因为它不需要用加重钻井液的方法来增大井下压力，可以更快地实施压井，而且可以最大限度地减小套管鞋压力。一般只需把循环排量增加到预定值即可实施动态压井。如果溢流发生在钻进过程中，循环排量应增至最大，最大循环排量取决于地面设备压力极限、泵功率、裸眼地层破裂压力或预计的地层压力。如果溢流发生在钻柱旋转或泵冲速减慢时，将钻柱转速或泵冲速恢复到溢流前的值并加上一个安全系数，就可以控制住溢流。如果溢流发生在起钻过程中，循环排量则取决于井内钻柱的长度。若井内钻柱太短，就应关井并采取一些适当的措施。一般认为，动态压井法适用于井深超过 762 米的小井眼。2井控专家系统
21、：井控专家系统的计算机软件，与实时数据采集及处理系统（即数据控制系统）相连接，就能够实时连续监测和分析来自数据控制系统处理的有关数据，如钻井液流入流量、返出流量、泵压、泵冲数、转盘转速及扭矩、泥浆池容量、钻压和转速等。检测早期溢流，并将检测结果及时通知司钻，以便尽早采取适当的井控措施。如果司钻未能在预定的时间内作出反应，井控专家系统就会自动执行井控措施，从而大大提高井控能力。3改进后的常规压井方法：BP 公司对小井眼压井期间的井内压力进行了系统分析后，认为在某些情况下仍然可以采用常规压井方法，如司钻法或等候加重法。如不能采用常规压井方法，则可以使用改进后的常规压井方法，见表 123。四小井眼井
22、控设备分类小井眼井控设备分常规钻具和连续油管使用的井控设备。1小井眼常规钻具使用的井控设备与常规钻井使用的相同。2连续油管井控设备：连续油管井控设备是防喷器组安装在连续油管注入头下面的支架内，小井眼采用防喷器组顶端的封井头（Strirpper head）能满足使用连续油管时的井控要求，实现欠平衡钻井，同时配备能满足使用常规钻具时井控的要求。第七节 连续油管技术连续油管又叫挠性油管或缠挠管（Coi ledTubing），是一种可缠绕在滚筒上的连续钢管或强度更高的钛铝合金管，它是当前国际广泛使用的小井眼钻井和修井钻具。一连续油管的材质及其物理机械性质1制造连续油管的材质主要有下面几种：（1）低合金
23、高含钶铌（ColumbiumNiobium）锻钢。（2）高强度低合金钢（HSLA）。（3）高强度低合金（HSLA）4 号改型碳钢，代号 A606。（4）高强度调质合金钢。（5）高强度含钛（Titanium）合金钢。2材质的物理机械性质见表 124。二连续油管的尺寸连续油管按其用途有多种尺寸，直径可从 1989 毫米（ 0.753.5 英寸）。三连续油管的地面设备一套完整的连续油管的地面设备由连续作业装置、井控系统、钻井液循环系统、监控系统、吊装设备和拖运设备组成：1连续油管作业装置：（l）注入头（Injector Head）：注入头顶部配备有半径为 1.51.8 米（56 英尺）的凹形导轨，俗称鹅颈管（Gooseneck），其下部是一套类似坦克履带的驱动装置。整个注入头安装在一个支架上，通过液压控制驱动装置的履带式链条牢牢抱紧油管，随着履带链条的顺、反时针运动，推动连续油管沿导轨鹅颈管送入井内或从井内起出。这时整个连续油管重量靠注入头支撑着，一套双作用测压仪（double action load cell）安装在注入头底部，
