深井和超深井钻井技术全套

深井和超深井钻井技术全套深井、超深井钻井技术问题主要包括：复杂深井井身结构及套管柱优化设计，深井高效破岩及钻井参数优选技术，深井用系列高效钻头，深井钻井装备以及其他配套技术在深井中的应用等问题。

一、复杂深井井身结构及套管柱优化设计1.井身结构设计传统的井身结构设计方法对生产井和探井没有区分，都是自下而上进行设计，这种设计可以使所设计的套管层次最少，每层套管下入的深度最浅，节省成本。

对于深井钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻地区的情况掌握不清，要切实保证钻达目的层、提高深井钻井的成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。

但目前的套管、钻头系列有限，只能有2~3层技术套管，只能封隔钻井过程中的2~3个复杂层位。

因而，希望每一层套管都能尽量发挥其作用，希望上部裸眼尽量长些，上部大尺寸套管尽量下得深一些，以便在下部地层钻进时有一定的套管层次储备和避免小井眼完井。

自上而下的设计方法能很好地体现上述想法，可以使设计的套管层次最少，每层套管下入的深度最深，从而有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。

自上而下的设计方法的基本过程是：根据裸眼井段必须满足的约束条件，首先从地表开始向下确定表层套管的下入深度，然后向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层位裸眼井段必须满足的约束条件均为式中i一—计算点序号，在设计程序中每米取一个计算点；Pmmax ------ 裸眼井段的最大钻井液密度，g/crrP; Ppmax——裸眼井段钻遇的最大地层孔隙压力系数，g/cm3；Sb——抽吸压力系数，g/cm3；Pcmax一—裸眼井段的最大井壁稳定压力系数，g/cm3；Ppi——计算点处的地层孔隙压力系数，g∕cm3;Hi——计算点处的深度，m;△P——压差卡钻允值，MPa;Sg——激动压力系数，g/cm3；Sf——地层破裂压力安全增值系数，g/cm3；Pfi——计算点处的地层破裂压力系数，g∕cm3;Hmax ----- 裸眼井段的最大井深，m;Sk一一井涌允量系数，g/cm3。

在以上的裸眼段约束条件中，比传统的设计方法增加了坍塌压力的约束条件，从而使井身结构设计更加趋于合理。

2、复杂深井超深井套管和钻头系列国外深井超深井的套管和钻头系列的特点是井眼直径大，多数采用一层或两层较大尺寸的导管来封隔疏松表层，常用的导管尺寸有20in(Iin=25.4mm)、24in、26in s30in x36i∩s42in等，最大到48in o许多深井、超深井都采用了较大尺寸的表层套管，最终井眼尺寸都为8½in,下入7in套管或尾管完井，或下入最小直径为5in的油层套管。

其优点如下。

①全井都能用5in或更大尺寸钻杆钻进，可使用性能合适的配套钻井设备及工具，使水力、钻头类型等钻井参数得以优化，钻具扭断和钻杆扭断机械事故大大减少。

②有利于取心作业、打捞作业和生产测试等。

③井深结构留有一定的余地，在遇到较大的钻井问题时可以多下一层套管柱。

国内深井钻井中通常采用的套管程序为：2OinT13½i∩→9½in→7in→5in,少数陆地深井和海洋钻井已采用30in→20in→13½in→9½in→7in→5in的套管程序。

对于地质条件相对复杂的深井、超深井来说，其井身结构一般采用3~4层技术套管。

现有的套管程序适用于地质条件不太复杂的地区，但在复杂地质条件下的深井、超深井中，这种单一的套管程序对钻井液的依赖性太强，井身结构方案调整余地小，很难满足复杂地层深井钻井的要求。

其主要存在以下几个方面的问题。

①套管层数少，不能满足封隔多层复杂地层的要求。

②现有深井的套管设计程序中套管柱之间的间隙大，钻井成本高，机械钻速低。

目的层套管与井眼的间隙小，易发生套管阻卡，难以保证固井质量。

③下部井眼尺寸小，不能满足采气和井下作业的要求，不利于快速、优质、安全钻井，也不利于进一步加深钻进。

3.套管柱优化设计套管柱优化设计是在满足安全的条件下确定费用最低的套管柱组合方案。

优化设计模型的具体实现有多种方法，其中利用数据库的结构化查询语言实现优化模型的求解是最直接高效的方法。

由于深井和超深井的井底温度和压力很高，套管柱所处的工作环境的特点不同于浅井，此时高温高压对套管柱内部气柱压力分布影响显著，需要用更准确的方法计算。

温度对油、套管柱的强度、螺纹密封性及腐蚀性有较大的影响，在套管柱设计中应给予考虑。

二、深井高效破岩及钻井参数优选技术如何提高深井超深井钻井速度是钻井工程领域迫切需要解决的重大技术难题之一。

它涉及钻井工程的各个环节，是一个十分复杂的系统工程问题。

上部井段虽然地层较软，但常见砾石层，同时由于机械破岩能量不足，大直径井段钻井速度普遍较低；中部井段一般层岩性变化较大、复杂情况较多，而且311.2mm(12½in讲眼在2500m以下井段的机械钻速也不高；深部井段，由于高围压下岩石强度大幅度增加，岩石可钻性变差，岩石破碎难度增加，加之水力能量不足，速度更慢。

由此可见，深井和超深井从整体上看机械钻速较低，而且由于钻井周期长还容易导致各种井下复杂情况和钻井事故的发生，这样又会给快速钻井技术的实施带来不利影响。

1,深井大直径井段高效破岩及洗井技术通常把井眼直径在311.2mm 以上的井段称为大直径井段。

按我国目前主要采用的套管程序，大直径井段主要指井深超过1500m的444.5mm(17½in)井段及井深超过2500m的3112mm井段。

大直径井段钻井速度慢主要表现为：随着井眼增大和井深增加，机械钻速明显下降，单只钻头进尺减少。

在一些地区的相同井段，用215.9mm(8½in)钻头钻进，平均机械钻速为6~8m∕h;用311.2mm钻头钻进，平均机械钻速为3~4m∕h;而用444.5mm钻头钻进，平均机械钻速为1~2m∕h0当大直径钻头钻遇致密泥页岩地层时，平均机械钻速甚至可能低于0.5m∕h.(1)大直径井段的钻井技术问题大直径井段的钻井技术问题主要是洗井、破岩、钻头和装备问题。

①大直径井眼的洗井问题。

与常规215.9mm井眼相比，由于井眼尺寸增大，444.5mm井眼在水力参数、井底清洗和岩屑携带能力等方面发生了明显的变化，它们在很大程度上影响了大直径井段的钻井速度。

大直径井眼钻进需要的排量大及钻头可利用的水力能量随着井深增加而急剧下降。

80%以上的水功率损耗在循环系统上，井底和钻头清洗状况不良，影响钻井速度在软地层中使用444.5mm钻头普遍存在泥包现象。

因此，大直径井段较深时在水功率利用方面就存在着严重的问题。

随着井眼尺寸增大，环空返速大幅度减小，岩屑举升效率急剧下降，较大粒径砾石难以被清洗携带出来，增加重复破碎。

大直径井眼中岩屑携带能力降低也是导致大直径牙轮钻头在砾石层中机械钻速很低的一个重要原因。

②大直径井眼中破岩问题。

对旋转钻井来说，破岩机械能量可以采用比钻压（即钻压/钻头直径）与转速的乘积来衡量。

由于目前使用钻具的限制，大直径钻头上施加的钻压普遍不足，在上部软地层所需机械破岩能量小，水力因素影响较大，机械破岩能量对钻速的影响不显著。

但随着井深的增加，地层逐渐变硬，大尺寸钻头机械破岩能量不足的影响就越来越显著。

遇到难钻地层，机械能量不足会明显影响钻头的机械钻速。

③大尺寸牙轮钻头方面的问题。

目前，国产大尺寸牙轮钻头系列不全，可选型号少；大尺寸牙轮钻头齿面结构存在问题，一是随牙齿直径增大，同一齿圈上相邻牙齿之间的齿顶间距加大，影响破岩效率。

二是随牙齿直径增大，齿顶圆柱面半径相应增大，这会明显降低齿顶与井底的接触应力，影响破岩效率。

④钻井装备方面的问题。

在大直径井段钻井过程中，钻井装备的实际能力也制约了钻井速度的提高。

由于大直径井段要求钻井液排量较大，对钻井泵配备和工况提出更高的要求；444.5mm井眼每米进尺的岩屑量是215.9mm井眼的4.23倍，因此对钻井液固控设备的处理能力提出了更高的要求；国内普遍缺少139.7mm以上的大钻杆和254mm以上的大钻铤系列，极大地制约了钻头的水力能量和机械能量的发挥，限制了大直径井段钻井速度的提高。

(2)大直径井段高效破岩及洗井技术当前，深井大直径井段钻井技术的根本问题就是钻具、钻头与钻井工艺要求不相适应。

因此，解决问题的关键就是要进行钻井装备与钻井工艺的配套，使之与深井大直径钻井的工艺要求相适应。

①采用大尺寸钻杆，改127mm内加厚钻杆为139.7mm内平钻杆或168.3mm钻杆，降低沿程压耗,解放水力能量，强化水力参数，提高井底水功率和喷射速度。

②强化水力参数，合理使用喷嘴组合，改善井底清洗状况，消除井底清洗死角，充分发挥水力清岩和辅助破岩作用。

③应针对地层岩性特点，改进钻头齿面结构和水力结构，提高钻头质量；研制新型钻头，完善大尺寸钻头系列，加强钻头合理选型。

④使用大尺寸钻铤，强化钻井参数，提高井底破岩机械能量。

⑤采用中转速大扭矩的井下动力钻具，通过提高转速来提高机械钻速。

⑥提高钻井装备的配套能力。

对于较长的大直径井段，应尽可能配备3台钻井泵保证双泵打钻，减少修泵停钻时间，提高钻井时效。

另外，对于深井上部的大直径井段，井身质量是至关重要的问题，必须采取适当的钻具组合和防斜措施，加强井斜监测，保证井身质量的要求。

2、深部井段高效破岩技术(1)深部井段的钻井技术问题①深部井段高围压作用。

深部井段由于高围压作用，岩石机械性质明显变化，致密泥页岩、泥质砂岩和砂质泥岩等地层岩石的强度、硬度增加，而且岩石从常压下的脆性向塑脆性或塑性转化，牙轮钻头牙齿的破岩效果变差；在高密度钻井液条件下井底的岩屑压持效应十分明显，机械钻速很慢。

②深部井段井底水力能量严重不足。

在深部井段，由于钻柱长、钻井液密度高、黏度大，沿程压耗非常大，水功率利用率很低，井底清洗不良，不能发挥水力辅助破岩作用。

③深部井段钻头选型和使用受限。

在深部井段，由于牙轮钻头轴承密封系统的橡胶元件在井底高温高压作用下容易出现永久变形、老化、应力松弛等问题而失效，工作寿命较短。

目前，除了因地层原因不得不选用牙轮钻头外，一般情况下不选用。

而且由于深井起下钻时间长，工作寿命短，就会导致行程钻速低，因此一般选用无运动件、耐磨且寿命长的金刚石类钻头。

如果深部地层适合PDC钻头钻进，PDC钻头是最佳选择。

但往往深部地层硬度较高，PDC钻头不一定适用，这样，就只能以TSP钻头或孕镶金刚石钻头作为主要选择对象。

而这类钻头吃入深度有限，在转盘方式下机械钻速不高。

(2)深部井段高效破岩技术①采用井下动力钻具钻井方式。

采用井下动力钻具钻井方式，配合自锐式金刚石钻头，高转速钻进，提高机械钻速。

在欧洲地区，采用涡轮钻具配合自锐式金刚石钻头钻进，单只钻头进尺一般在200~500m,机械钻速在 2.5~5.0m∕h,已成功地应用到深井段的致密泥页岩和泥质砂岩地层中。