常用五种完井方法

① 石油钻井方法有哪些

目前,世界上广泛采用钻井方法来取得地下的石油和天然气。随着石油工业的不断发展，钻井深度不断增加，油气井的建设速度也随之加快，促使钻井方法、技术和工艺得到很大改进。从已钻成的千百万口油气井的资科中可以看到变化过程：顿钻逐渐被旋转钻代替，井身结构从复杂到简单，井眼直径日趋缩小等等。

一、钻井工艺发展概况和趋势石油钻井是油田勘探和开发的重要手段。一个国家石油工业的发展速度，常与它的钻井工作量及科学技术水平紧密相关。近20年来，世界石油产量和储量剧增，钻井工作量相应地大幅度增加，钻井科学技术水平也得到了飞速发展。在此期间钻井技术发展的特点是从经验钻井进展到科学化钻井。钻井深度、斜度、区域和地区也有长足的发展。从钻浅井、中深井发展到钻深井和超深井；从钻直井和一般斜井发展到钻大斜度井和丛式井；从陆上钻井发展到近海和深海钻井；从地面条件好的地区钻井发展到条件恶劣的地区(如沙漠、沼泽和寒冷地区)钻井。在钻井技术发展的同时，设备、工具和测量仪表也得到了相应的发展。

美国钻井工作者曾将旋转钻井技术的发展进程分为四个时期：

(1)概念时期(1900—1920年)。这个时期开始把钻井和洗井两个过程结合在一起，开始使用牙轮钻头并用水泥封固套管。

(2)发展时期(1920—1948年)。这个时期牙轮钻头有所改进，提高了进尺和使用寿命。固井工艺和钻井液有了进一步的发展，同时出现了大功率的钻机。

(3)科学化钻井时期(1948—1968年)。这个时期大力开展钻井科学研究工作，钻井技术飞速发展。该时期的主要技术成就有：发展和推广了喷射钻井技术；发展了镶齿、滑动、密封轴承钻头；应用低固相、无固相不分散体系钻井液；发展了地层压力检测技术、井控技术和固控技术，提出了平衡钻井的理论及方法。

(4)自动化钻井时期(1968年至今)。这个时期发展了自动化钻机和井口自动化工具。钻井参数自动测量和计算机在钻井工程中得到广泛应用，最优化钻井和全盘计划钻井也初具规模。

目前,钻井人员一般把钻井技术发展的前两个时期称为经验钻井阶段，把后两个时期称为科学化钻井阶段。时期的划分直观地描述了钻井技术发展的过程，揭示了其发展规律。

任何一门科学和技术都有其自身的发展规律和要达到的主要目标。钻井工作是为油田勘探和开发服务的重要手段。钻井技术的发展首先要保证钻井质量，即所钻油气井要满足油气田勘探和开发的要求,要在此基础上来提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本。

近20年来的实践证明，现代钻井工艺技术将围绕以下三个方面发展：

(1)提高钻井速度，降低生产成本；(2)保护生产层，减少油气层的污染和损害；(3)改善固井、完井技术，适应采油要求，延长油气井寿命。

新中国成立以来，我国钻井技术发展较快。特别是1978年推广喷射钻井、低固相优质钻井液、四合一牙轮钻头等新技术后，我国的钻井技术水平又有显着提高，进入了科学化的钻井阶段,但与国外先进水平相比，还存在一定的差距。为了使我国的钻井水平能满足勘探开发的需要，努力赶上世界先进水平，必须要向钻井技术进步要速度、要质量、要经济效益,为加速勘探开发步伐、不断增加油气产量作出贡献。

二、冲击钻井方法冲击钻井是一种古老的钻井方法，也是旋转钻井方法出现以前唯一的钻油气井的方法。它是将破碎岩石的工具(钢质尖头钻头)提至一定高度，借钻头本身的重力冲向井底，击碎岩石。然后捞取被击碎的岩屑，以便继续钻进。因此，冲击钻井方法又被称为顿钻。

由于冲击钻井时，破碎岩屑与清除岩屑必须间断地进行，因此钻井速度很慢，不能满足石油生产发展的需要。冲击钻井现在已基本上被旋转钻井所代替，仅在一些埋藏浅、压力低的油田还能见到。

三、旋转钻井方法提高钻速的根本途径是改变钻井方法，这正是旋转钻井法产生的原因。旋转钻井法的实质是：钻头在压力作用下吃入岩石，同时在转动力矩的作用下连续不断地破碎岩石；被破碎的岩屑由地面输入的钻井液(泥浆、水、空气等)及时带走，钻井液可以连续不断地清除岩屑。这样，一只钻头可以在井底连续钻进十几米、几十米甚至数百米后才起至地面进行更换。由于使用了钻井液，可长时间稳定井眼、控制复杂地层。旋转钻井的钻井速度高，能适应多种复杂情况，目前世界上大多使用这种方法钻油气井。旋转钻井通常也称为转盘钻。

利用钻杆和钻铤(厚壁钢管)的重力对钻头加压，钻压要使钻头能够吃入岩石。破碎岩石所需的能量是从地面通过沉重的钢性钻柱传给钻头的。起、下钻的过程比较繁琐，必须将钻柱拆卸成许多立柱，才能起出钻头；而下钻时又必须逐根接上。为了连续洗井，钻井液从转动的空心钻柱里流向井底，再带着岩屑从钻柱外部与井壁形成的环形空间返回地面。钻头钻进、清洗井底以及起、下钻所需的动力全部由安装在地面上的相应设备提供，这些机器设备总称为钻机。

现代旋转钻井的工艺过程表现为四个环节，即钻进、获取地质资料、完井和安装。

钻进环节由一系列按严格的顺序重复的工序组成：把钻柱下入井里；旋转和送进钻头使其在井底破碎岩石，同时循环钻井液；随着井筒的加深而接长钻柱；起、下钻柱以更换被磨损的钻头；洗井，净化或配制钻井液，处理复杂情况和事故等辅助作业。

为了获得全面准确的地质资料，钻井过程中不仅需要进行岩屑、钻时、钻井液录井工作，而且还要进行钻取岩心、测井等工作。通过各种地球物理测井方法，可以获得井径、井斜、方位、岩性等基本数据，掌握和了解井眼质量以及地层和油气层的某些特性。

在钻穿油气层以后，需要下入油层套管，并注入水泥以隔离油气层与其他地层，使油气顺利地流到地面上来。根据油气井生产的要求做好井底完成工作是很重要的一道工序。

从确定井位开始，就需要平整井场、挖基础坑、泥浆池、圆井等土方工程；为运输机器设备而修筑公路；铺设油、水、气管线，架设电线，以输送油、水、气和电力;打好地基以安装设备、井架等。基础工作完成后，要进行大量的井架、设备等搬运和安装工作，还需做好开钻前的一切准备工作，如检查机器设备、试车、固定导管、钻鼠洞、调配钻井液、接好钻具等。

旋转钻井过程中，驱动钻柱旋转、克服钻柱与井壁的摩擦消耗了部分能量。为了减少这些无益的能量损失，1940年前后出现了井下动力钻井方法。井下动力钻井所用设备与旋转钻井基本相同，只是钻头不再由转盘带动旋转，而是由井下动力钻具直接驱动。典型的井下动力钻具是涡轮钻具，因此井下动力钻井又常称为涡轮钻井。目前，井下动力钻井在定向钻井技术中得到了广泛的应用。

近年来，一些工业发达国家还竞相开展了热力钻井、高压冲蚀钻井、等离子射流钻井和激光钻井等新型钻井方法的研究。随着科学技术的进步，新的钻井方法还将不断涌现，钻井工程也必将进入一个全新的科学化时期。

四、井身结构井身结构是油气井全部基本数据的总称。它包括以下数据：从开钻到完钻所用的钻头、钻柱尺寸和钻柱长度;套管的层次、直径;各层套管的下入深度、钢级和壁厚;各层套管注水泥的数据。由此可见，井身结构是全部钻井过程计划和施工的重要依据。图5-1为井身结构的示意图。

图5-1井身结构

首先下入长度约4～6m的短套管，也称导管，用于加固地表以免被钻井液冲毁，保护井口完整。同时将循环的钻井液导入泥浆净化系统内。

第二次下入的套管叫表层套管，用于封隔地表不稳定的疏松地层或水层、安装井口防喷器。一般深度为40～60m，有时可达500～600m。

当裸眼(未被套管隔离的井眼)长度超过2000～3000m或者地层剖面中存在高、低压油层、气层、水层和极不稳定的地层时，钻进过程中为避免发生工程事故需要下入中间套管，又叫技术套管。目的是封隔复杂地层，防止喷、漏、卡、塌等恶性事故发生，保证安全钻井。技术套管的层次和下入的深度根据地质和钻井条件确定。

最后下入的套管叫油层套管，用于采油、采气或者向生产层注水、注气，封隔油层、气层和水层，保证油气井正常生产。油层套管的下入深度取决于井底的完成方法。油层套管一般从井口下到生产层底部或者只从生产层顶部下到底部。实际工作中对部分下入的油层套管，根据作用取不同的名称，如尾管、筛管、滤管以及衬管等。

井身结构是由钻井方法、钻井目的、地质条件与钻井技术水平决定的。周密考虑各种影响因素，制定合理的井身结构，是保证高速度钻井与油气井投产后正常产出的关键。

综上所述，现代石油钻井工程是一项复杂的系统工程。由多工序、多工种联合作业，需要各种先进的科学技术和生产组织管理水平。

② 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

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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?

③ 完井方式

常规完井方式主要有射孔完井、裸眼完井和割缝衬管完井三种。其中，射孔完井是目前石油行业国内外使用最为广泛的一种完井方式。CO₂灌注井和监测井多采用射孔完井（孙光明，2002）。

（一）射孔完井

射孔完井分为两种，套管射孔完井和尾管射孔完井。

（1）套管射孔完井

套管射孔完井是钻穿目的层至设计井深后，下入套管注水泥固井，最后射孔，射孔弹射穿套管、水泥环并穿透地层一定深度，建立起CO₂或地层流体流通通道。

套管射孔完井可以选择性地射开不同压力、不同物性的储层或监测层，以避免层间干扰，具备实施分层灌注或分层监测，选择性压裂等分层作业的条件。

（2）尾管射孔完井

尾管射孔完井是在钻头钻至目的层顶部界限后，下技术套管注水泥固井，而后用小一级的钻头钻穿目的层至设计井深，用钻具将尾管送下并悬挂在技术套管上，尾管和技术套管的重叠段一般不小于50m，再对尾管注水泥固井，最后射孔。

由于尾管射孔完井先于钻开目的层前，上部地层已经被技术套管封固，因此，可以采用与储层或监测层相互配伍的钻井液以平衡压力，有利于保护储层或监测层。

尾管射孔可以减少套管重量和油井水泥的用量，从而降低完井成本。

需要注意的是，采用射孔完井方式时，CO₂储层除了受钻井过程中的钻井液和水泥浆损害以外，还要受到射孔作业本身对CO₂储层的损害。

（二）裸眼完井方式

裸眼完井是在钻头钻至目的层顶部界限后，下技术套管注水泥固井，水泥浆上返至预定的设计高度后，再从技术套管中下入直径较小的钻头，钻穿水泥塞，钻开目的层至设计井深。

裸眼完井的最主要特点是目的层弯曲裸露，因而CO₂储层具有最大的渗流面积，这种井叫做水动力学完善井，其CO₂灌注能力较强。但这种完井方式不能避免层间干扰、也不能有效地实施分层灌注和分层措施等作业。裸眼完井主要是在岩性坚硬、井壁稳定的块状碳酸盐岩或硬质砂岩地层，以及层间差异不大的层状储藏中使用。

采用裸眼完井方式时，CO₂储层主要受钻井过程中的钻井液损害，故应采用保护储层的钻井及钻井液技术。

（三）割缝衬管完井

割缝衬管完井方式是钻头钻至目的层后，先下人技术套管注水泥固井，再从技术套管中下人直径小一级的钻头钻穿储层或监测层至设计井深。最后在目的层部位下入预先割缝的衬管，依靠衬管顶部的衬管悬挂器，将衬管悬挂在技术套管上，并密封衬管和套管之间的环状空间。

割缝衬管完井主要用于胶结疏松的砂岩地层。这种完井方式CO₂储层不会遭受固井水泥浆的损害，可以采用与储层相互配伍的钻井液或其他保护CO₂储层的钻井液钻开储层，当割缝衬管发生磨损或失效时，也可以起出修理或更换。