石油鑽井工程

利用石油鑽井設備從地面開始沿設計軌道鑽穿多套地層到達預定目的層（油氣層或可能油氣層），形成油氣采出或注入所需流體（水、氣、汽）的穩定通道（即油氣井），並在鑽進過程中和完鑽後，完成取心、錄井、測井和測試工作，取得勘探、開發和鑽井所需各種信息的系統工程。

基本介紹

• 中文名：石油鑽井工程
• 外文名：petroleum drilling engineering
• 學科：石油鑽井工程
• 拼音：shiyou zuanjing gongcheng

基本概念

利用石油鑽井設備從地面開始沿設計軌道鑽穿多套地層到達預定目的層（油氣層或可能油氣層），形成油氣采出或注入所需流體（水、氣、汽）的穩定通道（即油氣井），並在鑽進過程中和完鑽後，完成取心、錄井、測井和測試工作，取得勘探、開發和鑽井所需各種信息的系統工程。為了安全快速地完成一口井的鑽井任務，施工前必須精心做好鑽井設計。鑽井設計通常包括鑽井地質設計和鑽井工程設計兩個部分，鑽井工程設計包括工藝技術設計、工期設計和鑽井費用預算等。

鑽井方法

根據破岩方式的不同，常用的鑽井方法有衝擊鑽井法、旋轉鑽井法和旋沖鑽井法3種。

衝擊鑽井法

又稱頓鑽鑽井法，利用頓鑽鑽機（見石油鑽機）使鑽桿和鑽繩產生上下往復動作，從而帶動頓鑽鑽具在井內作上下往復動作，使頓鑽鑽頭對井底進行衝擊，破碎岩石，破碎後的岩石用撈筒撈到地面，然後再繼續衝擊鑽進，如此往復，逐漸形成井眼。頓鑽鑽井法鑽井具有鑽井成本低、設備簡單等優點，但由於工藝相對落後、鑽速慢、不能用於鑽較深的井和高壓油氣井等，現場已很少採用。

旋轉鑽井法

通過地面動力設備（轉盤、頂部驅動鑽井裝置或動力水龍頭）或井下動力鑽具使連線在鑽柱底部的鑽頭連續旋轉，同時利用接在鑽頭上部的一段鑽柱（鑽鋌）的重力向鑽頭連續不斷施加鑽壓，將岩石切削或碾壓成碎屑，岩石碎屑由鑽井流體不斷地將其帶到地面，並從鑽井流體中分離出來。這種鑽井方法較之衝擊鑽井法可大幅度提高鑽井效率及適應各種複雜的井下地層情況，已替代衝擊鑽井法成為世界各地普遍使用的鑽井方法。

在旋轉鑽井工藝技術研究過程中，形成了以下7項套用基礎理論組成的學科：鑽井岩石破碎力學、鑽井岩石工程力學、鑽井管柱力學、鑽井流體化學、鑽井流體力學、井下控制工程學和鑽井技術經濟學。這些工藝技術的發展大大提高了鑽井效率。

旋沖鑽井法

在旋轉鑽井的基礎上，再加上一個衝擊器，使鑽頭在衝擊動載和旋轉的聯合作用下破碎岩石的一種鑽井方法。從實際使用結果看，這種鑽井方法適用於鑽硬岩石及深部地層，在淺部及泥頁岩中較旋轉鑽井方法效果不明顯，是對旋轉鑽井方法的一種補充。

鑽井設備

主要包括石油鑽機、鑽井工具、鑽井儀器和輔助設備等。旋轉鑽井法採用的鑽機主要由井架及提升裝置、動力機及傳動裝置、鑽井泵及鑽井液循環系統等組成，用於實現鑽柱（管柱）的提升和旋轉以及鑽井液的循環等功能。鑽井工具和鑽井儀器用於鑽井過程中對地層壓力的控制和對鑽井工藝參數的監測與控制等。

鑽井程式

一口井從開鑽到完成，要經過很多道工序，可分為鑽前、鑽進和完井三個不同階段。

鑽前 開鑽前的準備工作主要包括（見鑽前工程）：

（1）定井位。地質師根據地質上或生產上的需要確定井底位置。當井身軸線按鉛垂線設計時，井口中心與井底中心位置在同一鉛垂線上，這就是直井。如果井身軸線定向偏離鉛垂線，井口位置不與井底在同一鉛垂線上，這就是定向井。

（2）修路。為了將各種設備與物資運入井場，需要修路。因有時滿載車總重可達30～40t或更多，公路應能通行重載車。對於海上鑽井，人員、設備與物資由專門的補給船或直升機運送。

（3）修井場。在井口周圍平整並適當壓實鋪墊出一塊場地以供施工之用。井場面積因鑽機而異，大型鑽機約需120m×90m，中型鑽機約為100m×60m，形狀大致呈長方形，可因地制宜。

（4）打基礎。為了保證設備在鑽井過程中不會下陷，要打基礎（或稱基墩）。基礎可用方木、水泥預製塊或在現場用混凝土澆灌。

（5）安（裝）設備。立井架，安裝鑽機、鑽井泵及鑽井液循環系統等（見鑽機拆遷安裝）。

鑽進

從第一次開鑽起到鑽完全部井深這一階段的工作。以一定壓力作用在鑽頭上，使鑽頭的刃部吃入岩石，並用接在鑽頭上部的鑽柱帶動鑽頭旋轉以破碎井底岩石，所產生的岩屑通過鑽井流體循環到地面上來，井就會逐漸加深。鑽頭加到地層上的壓力叫鑽壓，是靠鑽柱在鑽井流體中的自重的一部分產生的。鑽柱從地面一直延伸到井底，井有多深，鑽柱就有多長。隨著井的加深，鑽柱也逐漸增長，其重量也逐漸加大。過大的鑽壓將會引起鑽頭、鑽柱、設備過早的損壞，所以必須將大於所要求鑽壓的那部分鑽柱重量吊懸起來，不使其作用到鑽頭上。下部形成鑽壓的那部分鑽柱處於壓應力狀態，上部被吊懸部分處於拉應力狀態。

鑽進時要循環鑽井流體，鑽井流體可以是以水、油為基礎的懸浮液體，也可以是空氣或天然氣等氣體。鑽井流體經中空的鑽柱內孔注入，從鑽頭水眼中流出，清洗鑽頭，沖向井底，將鑽屑沖離井底，攜帶著岩屑進入井眼與鑽柱之間的環形空間向上返到地面（見圖2）。返出地面的鑽井流體在分離出鑽屑後被再次注入井內，循環使用。（見鑽井液循環系統）

鑽進包括如下作業：

（1）接單根。在鑽進過程中，由於井在不斷加深，鑽柱也要及時接長，每次接入一根鑽桿叫做接單根。通常每根單根長近10m，打一口井要接很多次單根。用頂部驅動鑽井裝置時接立根（一般由三個單根組成）。

（2）起下鑽。在井底破碎岩石的鑽頭會逐漸磨損，當鑽頭磨損到一定程度後，破岩速度就會很慢，需要更換新鑽頭。為此，需將鑽柱從井中取出（起鑽），更換新鑽頭後再將新鑽頭及鑽柱下入井內（下鑽）。這一過程稱為起下鑽。一口井一般要用多隻鑽頭才能鑽成，可能需多次起下鑽。有時為了處理井下複雜情況和事故，進行測井、取心等作業，也需要起下鑽作業。

（3）固井。一口井在鑽鑿過程所形成的井（筒）壁應當是穩定的，才能保證繼續向下鑽進。實際上，井眼所要穿過的地層性質各異：有的地層岩石堅硬，井眼形成以後可以維持較長時間而不致坍塌；有的地層則很鬆軟、破碎，岩石極易坍塌落入井內；有的地層內含高壓油、氣、水等流體；有的地層強度不高，易被壓裂，造成鑽井液漏失；有的地層含有鹽、石膏、芒硝等成分，對鑽井液產生不良影響等。儘管地層複雜多變，還是得設法將這些地層鑽穿。當這些地層被鑽穿以後，上述的各種複雜情況有的可能消失，對以後的鑽井不再危害，有的則繼續給鑽井工作造成麻煩，也許會形成隱患。為了保護已鑽成的井眼和使以後的鑽井工作順利進行，或為生產造成通路，防止各層間竄通，需要在適當的時候對井眼進行加固，稱為固井。固井的方法是將套管下入井中，並在井眼與套管之間的環形空間內灌注水泥漿（在套管的下段部分或全部環空）從而將套管和地層固結在一起，隔開某些地層。然後用較小的鑽頭繼續鑽出新的井段。一口井從開始到完成，常需下入多層套管並注水泥，即需進行數次固井作業。

（4）處理事故。如物件落入井內，需進行打撈；鑽桿斷在井內也要打撈；鑽柱被卡在井內時則要設法解除卡鑽。井噴失控著火是鑽井的災難性事故，處理這種事故難度最大。

（5）其他作業。在鑽井過程中要進行岩屑錄井、氣測等錄井工作，必要時還要鑽取岩心、進行電法測井等。探井在鑽遇好的油氣顯示時要進行地層測試等。

完井 從鑽完全部井深起到交井或棄井這一階段的工作。完井階段的工藝包括測井、確定完井方式、下生產套管固井、下油管、射孔、裝油管頭和採油樹，然後進行替噴、誘導油氣進入井筒，進而便可進行採油生產。鑽井意義上的完井是從鑽完全部井深起到下生產套管（如需要）固井並測完聲幅驗收合格為止。

石油鑽井發展簡史

中國是世界上最早進行石油鑽井的國家。早在西漢宣帝時（公元前60—70年），在現在的四川省和陝西省掘鑿鹽井發現天然氣，並用於煮鹽。到宋仁宗慶曆年間（1041—1048），在四川省自貢地區用人力頓鑽設備鑽出了“卓筒井”（小口徑井），英國科技史專家李約瑟博士（1900—1995）認為頓鑽鑽井是中國的重大發明。世界旋轉鑽井始於1900年，中國到1936年開始引進旋轉鑽機在新疆獨山子地區鑽了一批淺油井。1949年後，中國石油鑽井的發展經歷了四個時期：1949—1959年為初創時期，在這個時期主要是引進和學習蘇聯、羅馬尼亞等國家的鑽井裝備和技術，旋轉鑽井技術得到初步發展；1960—1978年是發展時期，通過自主攻關，形成了淺井和中深井的鑽井配套技術；1979—1998年是提高時期，廣泛吸收了國外先進鑽井技術，同時通過攻關，形成了深井鑽井和多種功能定向井鑽井的配套技術，並發展了保護油氣層技術；1998年以後是走向全面市場化的時期，在這時期主要發展了小井眼鑽井、大位移井鑽井、水平井鑽井、分支井鑽井、欠平衡鑽井、連續管鑽井和套管鑽井等鑽井新工藝技術。

21世紀石油鑽井技術發展的主導方向是實現鑽井的信息化、自動化和智慧型化。中國石油鑽井要進一步提高技術發展速度，縮短與世界先進水平的差距，並努力實現鑽井工程的安全、優質、高效、環保和低成本。