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水平井钻头钻压加载器毕业论文

毕业设计（论文）

题目水平井钻头钻压加载器设计

摘要

对水平井钻压钻井的关键技术、理论基础与多学科的交叉特点进行了阐述，指明了旋转钻井的发展趋势与在动力，并对21世纪油气钻井技术进行了展望。

分析表明，高压高温钻井、深井超深井钻井、特殊工艺钻井与三维可控与可视化钻井技术将是21世纪最重要的和最具发展前景的钻井技术系列。

所有的现代油气井钻井技术均包含钻压钻井技术，明确这一概念，对组织实施和研究发展这一技术至关重要。

指出钻压钻井技术的应用围应包括过平衡钻井、近平衡钻井、欠平衡钻井、精细控压钻井与自动（闭环）钻压钻井。

其中精细控压钻井技术是指在钻井过程中，能够精确控制井筒环空压力剖面、有效实现安全钻井的钻井技术。

现在钻井技术发展趋势是：

向信息化、智能化方向发展；向多学科紧密结合、提高油井产量和油田采取率方向发展；向有效开采特殊油气藏方向发展。

不断要采取引进—消化—创新的技术路线来跟踪前沿，不能引进的国自主研发；在水平井钻进技术、多分支钻井技术和欠平衡压力钻井技术三大新钻井技术方面，我国目前还有许多基础工作要做，建议有计划有目的有组织的进行攻关。

对控压钻井技术下步发展方向提出了建议，并指出未来控压钻井技术发展的目标是在钻井过程中，能够自动随钻监测环空压力训面，反馈至地面后能自动调整流量和回压等控制参数，实现环空压力的闭环监测与控制。

关键字：

钻井技术；趋势；水平井

目　录

1．7控压钻井技术的分级6

第1章概述

面向21世纪，全球油气资源的可持续利用问题将更加突出，使得钻井科技工作者在技术、成本与环保等方面面临许多新的挑战和技术难题，需要认真规划、研究并解决。

旋转钻井在20世纪初就已经问世，迄今，它仍作为油气工业一种最主要的钻井方法而被广泛采用。

纵观旋转钻井的发展历程，在技术和装备上的明显进步，还是最近20多年的事情。

20世纪,70年代末期出现了PDC钻头，这是钻井领域一个明显的进步标志；进入80年代，相继出现了随钻测量WMD仪器、可控井下马达以与水平井钻井技术等；90年代，随钻测井LWD和随钻地震SWD等先进的测量技术不断投入商用，大位移井和复杂结构井钻井技术，以与连续柔管技术等得到迅速发展和应用。

展望未来，由于石油工业上游成本差的驱动（亦即效益目标的驱动）以与人类对“健康、安全、环境”更高目标的追求，进入21世纪后，旋转钻井在技术上的积极发展势头仍将有增无减。

1.1控压钻井技术的定义

控压钻井技术可定义为：

在油气井钻井过程中，能有效控制井筒液柱压力面，达到安全、高效钻井的钻井技术，简称CPDT（controlledpressuredrillingtechnology）。

应用控压钻井技术时必须考虑包括常规钻井所涉与的井控技术、钻井液技术和完井技术等，这涉与到常规钻井装备与工具、计算分析与软件，以与为实施控压钻井配备的特殊配套装备、工具和软件等。

过平衡钻井、近平衡钻井、欠平衡钻井、精细控压钻井和自动（闭环）控压钻井中均包含控压钻井技术。

1.2过平衡钻井技术的定义

过平衡钻井技术可定义为：

在油气井钻井过程中，井筒液柱压力大于地层孔隙压力，能有效实施安全钻井的钻井技术，简称0BDT（overbalanceddrillingtechnology）。

过平衡钻井钻井液密度的确定一般以裸眼井段最高的地层孔隙压力梯度为基准，再增加一个附加值。

按井控规定，附加值按以下原则确定：

油水井为O．05～O．10kg／L，或井底正压差1．5～3．5MPa；

气井为0．07～O．15kg／L，或井底正压差3．0～5．OMPa。

钻井过程中，井筒液柱压力、环空循环压耗（钻井液循环时的环空流动阻力）、井口回压、循环过程中产生的压力波动（如激动压力、抽吸压力、侵入井地层流体引起的压力波动）的总和为井底压力，

即：

PL=PM+PA+PT+PAF

式中，PL为井底压力，MPa；PM为环空液柱压力，MPa；PA为环空循环压耗，MPa；PT为井口压力（套压），MPa；PAFf为环空循环压力波动，MPa。

如果井底压力大于地层孔隙压力，其压差为正，为过平衡钻井状态。

如果井底压力小于地层孔隙压力，其压差为负，为欠平衡钻井状态。

负压差在欠平衡钻井中又称欠压值或井底负压值。

1.3近平衡钻井技术的定义

近平衡钻井技术是指，在油气井钻井过程中，井筒液柱压力接近地层孔隙压力（有时甚至低于地层孑L隙压力），正常钻进情况下，井底压差围从O（包含O）至过平衡规定正压差的下限，并能有效实施安全钻井的钻井技术，简称NBDT（nearbalanceddrilIingtechnology）。

按此定义，钻井液当量密度的附加值为：

油水井为O～0．05kg／L，井底压差0～1．5MPa；气井为o～0．07kg／L，井底压差O～3．OMPa.

近平衡钻井时，考虑至起钻时的抽吸压力，井筒液柱压力可能会低于地层孔隙压力。

但是，在近平衡钻井概念上，井底压差应始终为正压差。

1.4欠平衡钻井技术的定义

欠平衡钻井技术可定义为：

井筒环空中循环介质的井底压力低于地层孔隙压力，允许地层流体有控制地进入井筒，并将其循环到地面进行有效处理的钻井技术，简称UBDT（underbalanceddrilling

technology）。

按钻井工艺与循环介质的不同，可将欠平衡钻井分为气相欠平衡钻井、气液两相欠平衡钻井、液相欠平衡钻井、全过程欠平衡钻井4大类。

国部分技术人员延用了国外习惯，把欠平衡钻井划分并理解为只是包含液相欠平衡钻井而不包含气相欠平衡钻井，同时常常把气液两相欠平衡钻井随意划分，比如把泡沫钻井划分到气相欠平衡钻

井中，这是不科学不合理的。

全过程欠平衡钻井技术是指，从欠平衡钻井井段开始至钻井完井结束前，施工过程中钻进、起下钻、取心、中途测井和完井（如欠平衡下筛管、下油管等）均在井底欠平衡状态下完成。

欠平衡钻井的完井方式目前主要有裸眼完井、筛管完井和固井射孔完井。

前两种方式目前从技术上均可以实现，并已有现场成功的案例。

但是，要实现同井射孔欠平衡完井，就要使用低密度水泥浆。

即水泥浆液柱压力小于地层孔隙压力（严格讲水泥浆井底压力小于地层孔隙压力）时才能称为欠平衡固井。

由于水泥浆有候凝、失重过程，同时地层流体始终处于激活状态，如不能有效压稳（即固井前依靠加重钻井液压稳），储层中的油、气、水会侵入水泥浆中，加剧水泥浆失重，影响水泥石的胶结，致使候凝至胶结过程中产生各种微间隙，造成固井质量不合格。

危害后期储层改造作业，在保证固井质量的“稳、居中、替净、密封”八字方针中，“压稳”是关键，而压稳又势必造成过平衡状态。

因此，目前固井射孔欠平衡完井从技术上不能完全实现。

目前解决此问题的方法主要有3种：

一是采用裸眼完井或筛管完井（采用非透式筛管）；二是采用特殊封隔器；三是研究“类似冻胶技术”，使冻胶隔层起到封隔防窜的目的（但储层的固井质量仍会存在问题）。

1.5精细控压钻井技术的定义

为了回避MPD直译造成的概念混淆，笔者依据MPD含义提出了精细控压钻井概念，并将其定义为：

在钻井过程中，能够精确控制井筒环空压力剖面，有效实现安全钻井的技术，简称为DCPDT（deIicatecontroUedpressuredrillingtechnology）。

精细控压钻井可以用于过平衡钻井、近平衡钻井，也可以用于欠平衡钻井。

它的核心技术除旋转防喷器、井口连续循环装置、地面压力控制装置和多相密闭分离装置等专用硬件设备与工具以外，还包

括随钻井底环空压力测量（APWD）、地面流体流量和回压等关键控制参数的精确测量与控制、环空多相流流动规律的研究与建模等。

进行精细控压钻井井底压差控制围可大可小，但控制精度必须很高，能精确、有效控制起下钻、开泵等环节的压力，使井底压力始终接近地层压力。

精细控压钻井主要用来解决当量循环密度（ECD）引发的钻井问题，特别是窄安全密度窗口，即喷漏同层的问题。

但在窄安全密度窗口下，如不进行随钻井底环空压力测量，在多相流情况下，以目前

多相流流动规律研究现状，难以实现真正的精细压力控制。

1.6自动（闭环）控压钻井技术的定义

笔者提出自动（闭环）控压钻井技术概念，并将其定义为：

在钻井过程中，自动随钻监测环空压力剖面、反馈至地面自动调整流量和回压等控制系数，实现环空压力的闭环监测与控制的控压钻井技术，简称为ACCPDT（autoclose—loopcontrolledpressuredrillingtechnology）。

自动（闭环）控压钻井是精细控压钻井技术发展的最终目标，要实现这一目标，除专用设备和工具要过关外，最关键的是研制APWD、研究多相流流动规律。

APWD能随钻监测井筒环空压力剖面（多点测压），从而实现井筒环空压力剖面的随钻控制。

随着随钻检测技术、环空水力学技术、钻井仪器仪表、高压力级别旋转防喷器设备研制等方面的发展和进步，一定能实现自动（闭环）控压钻井技术。

1.7控压钻井技术的分级

从用途出发把控压钻井技术分成5级：

1级：

钻井作业安全，无喷、漏、塌等异常情况，一般指常规的过平衡钻井。

2级：

钻井作业安全，无喷、漏、塌等异常情况，为提高钻井速度而采用的近平衡钻井。

3级：

最大关井压力低于旋转防喷器额定工作压力下进行的欠平衡钻井作业或精细控压钻井作业，设备失效后只能产生有限的直接后果，发生异常情况可以启动应急预案，采用常规的压井方法能有效制止。

4级：

最大关井压力低于旋转防喷器额定工作压力下进行的欠平衡钻井作业或精细控压钻井作业，但是设备失效后可能会产生直接的严重后果，启动预先设计的应急预案无把握，有风险的钻井作业。

5级：

井下情况不清楚，即使采用应急预案，也可能发生较大风险的欠平衡钻井作业或精细控压钻井作业。

一般不建议实施5级控压钻井，实施4级控压钻井前应进行充分的风险评估。

第2章控压钻井技术现状分析

过平衡、近平衡常规控压钻井技术已经成熟配套。

欠平衡钻井技术在国外经过几十年的发展已基本成熟配套，国近几年发展迅速，也已步入世界先进水平行列。

精细控压钻井技术，国与国外相比还有一定差距。

自动（闭环）控压钻井技术国外均有待于在多相流理论、配套装备、工具、仪表仪器和软件开发等方面研究和发展。

就目前的技术现状而言，精细控压钻井技术、欠平衡钻井技术与下述技术的结合，必然会达到更好

的钻井施工效果。

为促进钻井技术的发展，有必要结合试验研究，寻求钻井技术突破。

2.1随钻井底环空压力测量（APWD）

为适应欠平衡钻井监测的需要，哈里伯顿公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（annularpressuremeasurementwhiledrilling，简称APWD），在随钻过程中可以实时测量井底环空压力数据，通过MWD或EM—MwD实时将数据传送至地面，指导欠平衡钻井作业。

斯伦贝、威德福等公司也研制出了APWD类似工具。

2.2无风险钻井系统（NDS）

NDS（nodrillingsurprise）由斯伦贝公司研发，它是一个综合的服务包，通过风险管理，对油气井进行设计和实时处理，从而使井身结构最优。

NDS可以与早发现井下复杂情况与事故发生的预兆，与时采取措施，预防井下复杂情况与事故的发生。

NDS可以实现井眼稳定性控制、地层孔隙压力预测、漏失控制和井眼摩阻控制等。

2.3井下随钻诊断系统（DWD）

美国开发的井下随钻诊断系统（diagnosticswhiledrilling，简称DWD），能随钻测量井下温度、压力、钻头钻压、钻头扭矩、井斜角、方位角和地层参数等；其随钻测量工具、高速数据传输系统、钻井分析软件等将井下地层、钻井状况与地面数据实时联系起来，优化指导钻井作业，以达到提高钻速，获取最佳钻井效果的目的。

2.4随钻地层测试技术随钻地层测

试技术（formationtestingwhiledrilling，简称FT—

WD）是在钻井过程中对储层实施实时测量的一种新技术。

其最大好处是节省钻机时间，特别适合海上钻井平台，能降低钻井成本。

斯伦贝公司将MDT技术与LWD有机结合，研制出了Stethoscope随钻地层压力测试仪，于2005年1月开始商业化服务，截至2006年9月25日，共使用130井次，取得良好效果。

2.5电磁波传输式随钻测量技术（EM—MWD）

近年来为适应气体钻井、泡沫钻井和控压钻井等新技术快速发展的需要，电磁波传输随钻测量技术（electromagneticMWDtools，简称EM—MWD）研究与应用已有很大进展[1¨71。

壳牌公司已在北部

成功将电磁波EM—MWD用于测量井深4420m处的各种参数，创下新的记录。

2．6地层压力、破裂压力和坍塌压力预测与随钻

监测技术实现地层压力、破裂压力和坍塌压力随钻监测既可以直接指导钻井现场施工作业，又可以准确验证理论模型的可靠性与准确性，对实现精细控压钻井技术、欠平衡钻井技术的推广和未来的自动控压钻井技术的发展具有重要意义。

第3章面向21世纪的重要钻井技术

面向21世纪，老油田提高采收率与低压低渗和稠油储层的高效开发，特别需要研究和开发先进适用的特殊工艺钻井技术；高压高温油气藏，特别是高压高温天然气藏的钻探与开发，急需突破高压高温

钻井的技术障碍；深部油气资源的钻探与开发，需要进一步研究和发展深井、超深井钻井技术，特别是在深探井的钻井效率上应加大科研与开发力度。

3.1高压高温钻井技术

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,或须用超过70MPa井口装置时称高压，两者同时具备的井称作高压高温（HPHT）井。

井底温度超过220℃，井底压力超过105MPa，称作超高压高温井。

天然气层的温度较油层的高，地温梯度一般在（3-5℃）／（100m），5000m的井地温就可能达到150-250℃。

故天然气井，特别是深层天然气井大都是高压高温井。

高压高温井，特别是高压高温深探井，是钻井工程中难度最大、风险最高、工程费用也最高的一种苛刻井。

例如，中央地堑的一口5000m探井，钻井费用近2000万美元，开发井也不低于1200万美元；南海崖城21-1构造的3口探井，前两口井未钻达设计目的层，经济损失较大。

高压高温钻井技术是勘探开发

高压高温钻井技术是勘探开发高压高温油气藏的关键技术，也是代表21世纪钻井技术发展水平的重要标志。

3.2深井、超深井钻井技术

深井是指完钻井深为4500-6000m的井；超深井是指完钻井深为6000m以上的井。

深井、超深井钻井技术是勘探和开发深部油气等资源必不可少的关键技术。

进入21世纪，我国西部与东部深层钻探工作将进一步加强，需要完成的深井、超深井数将进一步增加。

我国深井、超深井比较集中的地区有塔里木盆地、准噶尔盆地、盆地与柴达木盆地等。

实践证明，由于深井、超深井地质情况复杂（诸如山前构造、高陡构造、难钻地层、多压力系统与不稳定岩层等，有些地层也存在高压高温效应），我国在这些地区（或其他类似地区）的深井、超深井钻井技术尚未过关，表现为井下复杂与事故频繁，建井周期长，工程费用高，从而极阻碍了勘探开发的步伐，增加了勘探开发的直接成本。

我国在深井、超深井（主要是深探井）钻井方面的装备和技术水平现状与美国相比还存在较大的差距，平均建井周期与钻头使用量约为美国的两倍

3.3特殊工艺钻井技术

特殊工艺钻井主要包括定向井、水平井、丛式井、大位移井、复杂结构井与欠平衡钻井等，在世界围这些特殊工艺钻井技术的研究与应用已经比较成熟，并且仍在深入研究与试验，以刷新技术指标。

目前，我国已基本掌握了定向井、水平井与丛式井钻井技术，但是对复杂结构井、大位移井与欠平衡钻井的研究仍比较薄弱。

大位移井是指水平位移与垂深之比等于或大于2的定向井。

钻大位移井的主要目的，就是通过大位移延伸实现对油气资源的高效勘探与开发。

因此，大位移井钻井的关键技术指标是水平位移的长度。

在海洋、滩海与特殊区域的油气勘探与开发工程中，应用大位移井钻井技术，可获得明显的经济和社会效益。

复杂结构井，主要是指多分枝井，可从一个主井筒侧钻出若干个分枝井筒，并且各分枝井都能重入和投产。

如果各分枝井都是水平井，则称为多分枝水平井。

多分枝井既可钻新井，也可用于老井侧钻，但只适用于油气开发目的。

由于多分枝水平井克服了常规水平井“一井一层”的不足，可实现“一井多层”，并共用一个主井筒与地面采油设施，钻井费用少，故单井产量高，提高采收率效果好。

多分枝井与我国陆相沉积油层薄与油层多的特点相适应，对老油田稳产与低压低渗和稠油油藏的高效开发具有重要意义

所谓欠平衡钻井就是人为地使井流体的有效流动压力低于地层孔隙压力的钻井方式。

在钻进过程中允许地层流体进入井，循环出井，并在地面得到控制。

欠平衡钻井有利于发现低压储层，避免对

储层的损害，并且能够提高机械钻速，降低钻井费用，还可减少储层增产作业等。

美国的调查结果表明，石油公司对欠平衡钻井能够有效地减轻或避免储层伤害最感兴趣，而技术服务公司则更关注欠平衡钻井的高效率。

欠平衡钻井是一种高风险的钻井作业，容易引发井壁失稳和井喷事故，必须具有相应的套管程序和增加一整套地面控制装置，故所需费用一般较近平衡钻井要高。

在“九五”期间，我国己经钻探了一批欠平衡井，但所用的主要装备是进口的，并且对欠平衡钻井的机理认识还不够深入。

3.4三维可控与可视化钻井技术

实钻井眼轨迹通常是在复杂的三维地层空间中变化，看不见、摸不着，尤其是在丛式定向井、水平井、大位移井与复杂结构井等特殊工艺钻井中，如何有效地测量和控制实钻井眼的轨迹变化与稳定，甚

至达到“看着打、随意打”的理想目标，是油气钻井向自动化和智能化方向发展的重要研究课题之一。

经过不断地研究，在20世纪90年代国外就已经掌握了井下动力导向钻井系统与可变径稳定器等技术。

同时，国外又进一步研制成功了旋转导向钻井系统。

为了使油藏沿井眼更好地裸露，须用复杂的“地质靶子”（如地层中不同岩层或流体的界面）代替简单的“几何靶子”，而这些“地质靶子”的精确位置往往是难以预测的。

于是，国外发明了随钻地质导向技术，如随钻测井技术和随钻地震技术等，以便帮助识别“地质靶子”的位置，从而可将实钻井眼轨迹保持在适当轨道，更快更好地到达地质勘探和油藏开发的目标。

利用计算机可视化技术，可以更好地理解大量井下测量数据（包括井眼轨迹参数、地层特性参数与近钻头力学参数等）与丛式井设计数据等，实现三维钻井的几何形态、地质状况与力学行为的“可视化”，为三维钻井的优化控制提供信息可视化帮助。

第4章压钻井技术发展方向与建议

控压钻井技术的发展方向重点在以下4个方面：

1、设备研制，特别是研制高压力级别的旋转防喷器、井口连续循环装置、地面压力控制装置和多相密闭分离装置等。

2、研制自动测量仪器仪表，重点包括APWD、地面自动流量计、地面自动测压计、随钻测斜仪和气体钻井条件下地层出水／出气定量判断仪器等。

3、研究多相流流动规律，进而进行理论建模与实用软件开发。

4、研发控制机构与支持系统，为实现自动（闭环）控压钻井做技术储备。

发展控压钻井技术，首先要提高对该技术重要作用和意义的认识；其次走科研一中试一现场试验一理论升级一再试验的路，加强前期研究，重视技术储备；三是要培养一批高精尖的技术人才队伍，为该技术研究和推广创造必备条件；四是要注重多学科合作，配套发展；五是要明确和深刻理解控压钻井技术的概念，统一认识，才能从人员队伍、装备、技术和管理等各方面进行专业化配套和发展。

第5章结论

我国水平井钻井技术近年来发展较快，水平井数量增多。

水平井轨道控制技术比较成熟，但水平井井控技术、水平井井壁稳定技术、水平井完井技术、水平井携带岩屑技术、水平井压裂技术等还有许多工作要做。

另外我国目前所钻水平井基本为单一水平井和双台阶水平井，而分支水平井和多分支水平井尚未广泛应用，影响了水平井的经济效益。

因此明确控压钻井技术的相关概念，对该技术的发展、组织和实施至关重要。

精细控压钻井技术、自动（闭环）控压钻井技术是控压钻井技术的重要发展方向，经过攻关和努力，一定能够实这一日标现，也必将促进钻井技术的进步，提高钻井施工作业的安全与质量、效率与效益

所以发展钻井科技，降低钻井成本，培养高素质钻井科技与管理人才，不断提高钻井整体水平，对于油气资源的高效勘探与开发具有十分重要的战略意义。

致

值此论文完成之际，首先要感我的导师华刚老师，他知识渊博、治学严谨、平易近人，在繁忙的工作之余，抽出宝贵的时间指导我做课题，也给了我很多帮助和鼓励。

在此，谨向华刚老师致以诚挚的意!

感我的室友、同组人员与好友们，感他们这几年来在学习和生活上对我的支持，几年的大学生活给我留下了一段美好的回忆。

最后，我想要感的是这个美丽的校园：

师者激情演讲、人文气息的熏、同学们风华正茂，条条绿荫、处处泛香。

我明白，正是在他那温润宽厚的胸怀上，我成长起来的，我心我思永系长大。

更要感的是我的父母，是他们在背后长期以来一直对我的关爱和支持，没有他们可能也没有今天我如今的成绩。

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