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钻井工程的基本技术问题

2015-06-15

    尽管井有各种各样的类型,但所有的井在钻进过程中都将遇到相同的技术问题,我们称之为基本技术问题。概括起来有五个方面。

一、提高钻速问题

提高钻速的本质,是高效破岩,快速形成井眼。钻速提高,就意味着钻井周期缩短,钻井成本跟着下降。所以,如何不断地提高钻速,这是钻井技术发展的永恒主题之一。

高效破岩的首要条件是要有与地层岩石相匹配的高效钻头。其次,要给钻头供给足够的用于破岩的能量,以及合理的钻进参数。第三,要有高效的清洗井底和携带岩屑技术,及时地把钻碎的岩屑冲离井底并运送到地面上来。从钻井技术诞生以来,人们就是沿着这个思路,不断地进行研究和革新,使钻速不断提高。

二、井壁稳定问题

井壁上的岩石,在井眼钻出之前是在周围岩石的高压作用下,处在静力平衡状态。在井眼钻出之后,井壁岩石的一侧失去了原来岩石的压力支撑,另一侧贝}J仍保持着原来的压力。于是,井壁岩石处在不稳定状态。

井壁岩石不稳定的首要因素是地层岩石的特性。脆性的或胶结不好的岩石,将发生掉块坍塌,使井眼扩大,形成“大肚子”。塑性地层在地层压力作用下,将向井眼内流动,使井眼缩小,形成“细脖子”。

导致井壁不稳定的第二个因素,是钻柱和钻头在井眼内的运动。钻柱的旋转,将对井壁产生剧烈的碰撞和切向摩擦;起下钻和划眼过程中钻头和钻柱的轴向运动,将对井壁岩石产生轴向摩擦和刮擦。

第三个因素是钻井液中的水与井壁岩石相互作用,会使一些井壁岩石(例如泥页岩)水化膨胀,或者造成井眼缩小,或者因水化而强度降低,导致井壁坍塌。塑性地层产生缩径,造成井壁不稳定。此外,地层被钻开后,钻井液的滤液进入地层,引起地层孔隙压力增高,岩石强度降低,加剧了井壁不稳定性,另一方面一些地层遇钻井液发生水化膨胀

(如泥页岩)、蠕变(如盐膏层等,从而导致缩径等问题。所以,钻井液使用不当,将会大大加剧井壁的不稳定。

我们知道,岩石是具有一定强度的。所以当井眼刚钻开后,井壁岩石处在不稳定状态,但不会马上垮塌或缩径,而是处在暂时稳定的状态。岩石强度不同,维持这个暂时稳定的时间长短是不同的,甚至差别是很大的。这个暂时稳定的状态,就给钻井工作者提供了解决井壁不稳定问题的时间。钻井工作者的任务,首先就是要在钻进过程中,想方设法延长这个暂时稳定的状态,确保钻完预定的井眼长度。完成这个任务,主要靠钻井液。钻井液具有一定的密度,因而具有一定的液体压力,可以对井壁岩石提供一定的支撑力。能够维持井壁岩石不发生坍塌的钻井液压力,称为坍塌压力。显然,岩石不同,坍塌压力也是不同的。

保持井壁岩石的暂时稳定,不仅需要有合适的钻井液密度提供足够的坍塌压力,而且还要针对井壁岩石的特性,配制恰当的钻井液成分和性能,尽可能减小对井壁岩石的水化作用。

显然,钻井液是对付井壁不稳定问题的一大法宝。但是这个法宝不是万能的。地层岩石是多样的、极其复杂的,一种钻井液不可能同时应付多种不同特性的岩石。在这种情况下,就需要使用第二个法宝—下套管固井。在井眼内下入钢管,并在钢管和井壁之间的环形空间注入水泥浆,使钢管与地层形成一个整体,人为地建立一个钢管井壁。

三、井眼压力稳定问题

地层中有油、气、水等各种流体。地层流体具有的压力称为地层压力。井眼钻成以后,地层流体就会在地层压力的作用下,流到井眼内,并流到地面上来。这就是溢流,如果溢流失控就会成为井喷事故。为了防止溢流,可以提高钻井液的压力,平衡地层流体的压力。这是保持井眼压力稳定的一个方面。

另一方面,如果钻井液压力过高,可能把某些地层压裂,形成裂缝。地层刚刚被压裂时的压力称为破裂压力。地层被压裂后,井眼内的钻井液就会顺着裂缝大量流向地层内部,形成井漏。井漏的结果是,不仅损失了宝贵的钻井液,而且会堵塞油气层的孔道。

各种地层由于结构、深浅以及形成条件的差别,地层压力不同,破裂压力也不同。在钻井过程中,井眼内钻井液的压力,会有较大的变化。钻井液循环和下钻会使压力增大,起钻时的抽吸会使压力减小。所以,井眼压力的平衡稳定,就像杂技演员走钢丝一样,稍有差池,不是井喷,就是井漏。

更为严重的是,如果先出现井漏,井眼内液面就会下降,钻井液压力大大降低,就会导致某些地层压力较高的流体流出,形成溢流或井喷。有时在处理溢流或井喷时,如果钻井液压力过大,又会压漏某些地层,导致井漏。这种漏喷交替,石油工人称为“上吐下泻”。

要保持井眼压力稳定,最重要的手段是调整钻井液的密度,控制钻井液的压力。这是一项极其复杂的技术。钻井要穿过的地层是多层系的,各层的地层压力和破裂压力都可能是不同的。对于每个地层,地层流体压力、地层破裂压力,还有前面讲过的井壁坍塌压力,构成一个“压力窗口”。通常破裂压力总是大于地层压力和坍塌压力。所以窗口的上限是破裂压力,下限是地层压力或坍塌压力。钻井液的压力必须小于地层破裂压力,大于地层流体压力和井壁坍塌压力。由于地层特性的多样和埋藏深度等因素,不同地层的压力窗口的宽度有很大差别。有的地层压力窗口非常狭窄,使钻井液密度的选择范围非常小。在钻进这样的地层时稍有不慎,不是井喷就是井漏,还可能发生井塌或缩径,井塌和缩径又会导致卡钻。这种连锁反应就像多米诺骨牌一样,使井眼越来越复杂。

井漏、井喷、井塌和卡钻,人们简称为“漏、喷、塌、卡”,是钻井过程中的四大复杂情况,都与压力不稳定有关。这四种复杂情况如果不能及时解除,就会导致严重的井下事故。

解决井眼压力稳定问题的困难,还在于很多情况下是“遭遇战”。人们对地层压力、破裂压力和坍塌压力不可能事先准确知道,只有出现了复杂情况,并经过摸索处理才能逐渐掌握。

所以,每一口井从井身结构设计开始就应重视这个问题,在钻进过程中要进行地层压力预测和检测,要控制好钻井液密度,要制定减小压力波动的措施,要有一整套井控设备、物资和预案措施;还要有一套堵漏、压井技术等等。

四、轨迹控制问题

按照轨迹形状分类,井可以分为垂直井和定向井两大类,这两类井的轨迹控制要求和方法也就有较大差别。

垂直井的设计轨迹是一条铅垂直线,轨迹控制要求就是要使实钻轨迹垂直向下,尽可能不要发生偏斜,井底位置不要发生大的偏移。所以,钻井工作者把垂直井的轨迹控制,称为“防斜打直”。

定向井的设计轨迹是一条空间曲线,并规定了钻达最终目标地层时的一个目标区。轨迹控制要求就是要使实钻轨迹尽可能沿着这条空间曲线前进,最终进入规定的目标区内。

井眼轨迹控制,并不像在钻床上钻孔那样容易。井眼是用长达几百米、数千米的钻柱钻出来的。尽管钻杆是壁厚1厘米多的钢管做成的,但由于太长了,整体的刚度非常小,人们形容钻柱在井下就像“面条”一样柔软.在钻压的作用下,钻柱就会发生弯曲,并在旋转条件下发生螺旋弯曲。显然,钻头在任何时刻,其前进方向都可能是随机的,新钻出的井眼轨迹都是不可能精确预测的。轨迹控制难度,还在于影响因素的复杂性。地层的倾斜、软硬交错,钻压的跳动以及转速的变化,这些都是不可预知的。

五、油气层保护问题

钻井的目的是要发现油气层,开发油气层,所以钻到油气层的时候一定要保护好油气层,就是尽可能使油气层不要受到损害,或者说使损害降到最低程度。受到损害的油气层,产能就会降低,严量就会下降。受到严重损害的油气层,就可能在试油时完全不出油气,人们称之为“枪毙了油气层”。如果是探井,就会认为没有找到油气;如果是开发井,就会认为地层发生了变化,没有打到油层。所以,保护油气层是钻达目标层时最重要的任务。

不仅在钻井过程中要保护油气层,而且,从打开油气层开始,以后的固井、完井、试油、采油、增产措施、修井等所有井下作业,都必须注意保护油气层。

由于可能损害油气层的因素很多,要使油气层完全不受损害,几乎是不可能的。油气层被打开以后,首先要接触钻井液,之后要接触固井液(冲洗液、前置液、水泥浆)、完井液、射孔液、压裂液、修井液等等。所有这些液体中的液相、固相、气相和化学成分(酸、碱、盐等),都可能对油气层产生损害。

除了上述各种工作液的成分以外,各种工作液的温度、压力、流动速度和对油气层的“浸泡”时间,都是对油气层损害程度的重要影响因素。

保护油气层,要从内因和外因两方面入手。既要研究油气层的特性(内因),又要分析研究各种影响因素(外因)。针对具体的油气层,提出一整套防止和减小油气层损害的措施。

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