钻井工程基本知识

石油和天然气是宝贵的能源和化工原料，它们埋藏在地下几百米、上千米甚至超过万米的岩层中。为了寻找油气藏，开采石油天然气，需要钻井，需要一整套俗称钻机的钻井机械及设备。

研究、设计、制造钻并没备，并使其随着钻井工艺技术的发展不断地改进更新，是石油机械工作者的任务。因此，我们需要学习有关钻井工程的一些基本知识，了解钻井工艺对设备的要求，掌握钻并设备的组成、工作原理、特点和发展概况。 本章内容分为四节。

(1)石油地质常识 一般性介绍油气成因，油气藏形成的地质条件及探查方法，油、气物理性质及我国油气资源的分布概况。

(2)钻并工艺概述 介绍常规钻井，即钻直井的钻井方法、钻井工艺过程、钻井参数、井斜及其控制等方面的基本知识和定向并的概念。

(3)常规钻并技术 简要介绍几种常规钻井技术的基本概念和特点，如喷射式钻井、平衡压力钻井、常规定向钻井的造斜方法与工具等。

(4)钻井技术的新发展 介绍几种跨世纪的油气钻探新技术及时钻井设备的要求，如欠平衡钻井、深并超深并钻井技术、水平并技术与导向钻具、小并眼钻井技术及钻机和井下钻并系统，连续柔管钻并技术及设备等。

第一节 石油地质常识

1．地壳的组成

地球自生成至今已有45—60亿年，平均半径为637lkm。地球内部可分为地核、地慢和地壳三个同心排列的圈层，如图1—1所示。各团层物理状况可参见表I—1。

地壳厚度各处并不相等。最厚处达70一80 km，最薄处只有5—6km，平均为33km。 地壳由岩石组成，岩石依成因的不同可分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。

(1)火成岩 又名岩浆岩，是高热的岩浆冷凝后形成的岩石，呈块状，元层次，致密而坚硬，如花岗岩、玄武岩、正长石等。

(2)沉积岩 火成岩、变质岩和早期形成的沉积岩，经风吹、雨打、温度变化、生物作用等被剥烛、粉碎、溶解形成碎屑物质及溶解物质，再经风力、水流、洲rr、海洋搬运至低凹处沉积下来，越积越厚，经压实、固结而形成了沉积岩。沉积岩有层次、儿隙、裂缝和溶洞，并

有各种古代动植物残骸遗迹形成的化石。

(3)变质岩 沉积岩或火成岩在地完内部的物理化学国家加高温、高压、岩浆的风化等影响下，改变了原来的成分和结构，变质成为新的岩石，如石灰石变质为大理石等，称变质岩。

石油和天然气生成在沉积岩中，绝大多数储藏在它的孔隙、裂缝和镕洞里。而在火成岩和变质岩中则很少有石油和天然气存在。 2．沉积岩种类及特点

沉积岩可分为砂岩、泥岩、石灰岩三种，

(1) 砂岩 普通的砂粒被泥质或石灰质胶结成为砂岩。依颗粒直径不同可分为以下几种：

砂岩具有孔隙，可以储存油、气、水等流体。岩石孔隙体积与岩石总体积之比称孔隙度。由于岩石存狂孔隙，在压力作用下能通过油、气、水，这种性质称为岩石的渗透性。砂岩(孔隙大)和灰岩(裂缝发育)都是渗透性好的岩石。

(2)泥岩 普通的颗粒直径小于0.01mm的泥土经成岩作用而形成。呈块状的称泥岩。 泥岩呈薄片层状的称为页岩。富含石油质的页岩称油页岩，可以提炼石油。

(3)石灰岩 石灰岩俗称石灰石，主要成分为碳酸钙，呈块状，致密而坚硬。由于地壳的运动作用和地下水的侵蚀，常有裂缝和溶洞，石油和天然气即储存其中。 3地质构造

由于地壳发生升降、挤压招皱及水平移动，使原来一层层平铺着的沉积岩发生变形，形成地完的各种构造。

(1)背斜构造 是指岩层向上弯曲的褶曲，其核部地层比外田地层老，如图1—2所示。 (2)向斜构造 是指岩层向下弯曲的褶曲，其核部地层比外因地层新，如图1—3所示。 (3)单斜构造 岩层向单一方向倾斜，如图1—4所示。

(4)断层 岩层田地壳运动而断裂，在断裂两侧的岩层发生了显著的相对位移，这种断裂称为断层。

二、石油的化学组成和物理性质

石油是在地完中所形成的可燃有机矿物，具有流动性，成分极为复杂。 1.石油的元素组成

石油主要由碳、氢两种元素组成，碳约占80％一88％，氢约占10％一14％，石油中还含有少量的氧、硫、氮，约占0.3％一7％。

石油中若碳、氢元素含量高，且碳／氢值低，则油质好；若氧、硫、氯元家含量高，则油质相对较差。

2．石油的化合物组成

石油中碳、氢、氧、硫、氮等元素，一般都是以化合物形式存在。分为两大类：一类是烃，即碳氢化合物，是石油主要组成部分，约占80％以上。另一类是含有氧、硫、氮的化合物，或称为非烃化合物。氧、硫、氯三种元素在石油中含量虽然很少，但它们的化合物在石油中的含量(质量)有时可达30％．不利于石油的开采、练制和加工。 3．石油的组分组成

根据石油成分被不同溶剂选择溶解及被介质选择吸附的特点近的组，称为“组分”，每个组分内包含性质相似的一部分化合物。

(1)油质 油质为碳氢化合物组成的、谈色粘性液体，是石油的主要组成部分。油质含量高，石油质量相对较好。

油质中含有石蜡，是一种熔点为37—76℃的烷烃，呈淡黄色或黄褐色。石蜡含旦高时石油易凝固，油井易结蜡，不利于开采。

(2)胶质 胶质主要成分是碳氢化合物，但氧、硫、氮含量增多，一般为粘性或玻璃状的固体物质。石油中胶质含旦少，约为1％，是渣油的主要成分。

(3)沥青质 沥青质比胶质含碳氢化合物更少，含氧、硫、氯化合物更多，为黑色固体物质。 胶质和沥青质称为石油的重组分，是非碳氢化合物比较集中的部分。含量高时，石油质量变差。 (4)碳质 碳质以碳元家状态存在于石油内，含量很少，称残碳。 4．石油的物理性质

石油的物理性质包括颜色、密度、粘度、凝固点、溶解性、荧光性等。

(1)颜色 石油一般呈棕色、褐色或黑色，也有无色透明的凝析油。胶质、沥青质含量愈高，颜色愈深。因此，石油颜色越谈，质量越好。

(2)密度 标准条件下(20℃，0.101MPa)每立方米原油质量．单位为t／m’(吨／米3)或每立方厘米原油质量，单位为g／cm3 (克／厘米3)，原油密度一般在0.79一0.95g／cm3 标准条件下原油密度与4℃纯水密度的比值称原油相对密度，或称比重，常用符号D420：。表示，原油比水轻，其比重小于1。 (3)粘度 地下采出的石油在提炼前称原油。原油流动时分子间产生摩擦阻力，用粘度表示其大小。粘度小者，流动性好。

原油粘度用符号“µ’表示，单位为mPa·s(毫帕·秒)，1毫帕·秒=1厘泊。

在地层条件下测很的原油粘度叫地层粘度，地层粘度大于50 mPa·s、比重大于0.92的原油称为稠油，

(4)凝固点 原油失去流动性的温度或开始凝固时的温度称为凝固点，原油中含蜡少，重组分含量低者凝固点低，利于开采和集输。凝固点在40℃以上的原油称为凝油。

(5)溶解性 石油难溶于水，但易溶于有机溶剂。石油可与天然气互溶，溶有天然气的石油，粘度小，利于开采。

(6)荧光性 石油在紫外线照射下会发出一种特殊的光亮，称为石油的荧光性。借助荧光分析可鉴定岩样中是否含有石油。

(7)导电性 石油为非导电体，电阻率很高，这种特性成为电法测井划分油、气、水层的物理基础。 表1—2列出我国部分石油物性和组分含量。

表l—2 我国几个油田石油物性和组分含量

三、天然气的化学组成和物理性质

天然气也是在地壳中生成的一种可燃有机矿物，是以气态碳氢化合物为主的可燃混合气体。通常所说的天然气是指油田气和气田气。

1.天然气的化学组成

天然气主要成分为甲烷(CH4)、乙烷（C2H6)、丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)，其中甲烷含量可达80％以上。此外还含有少量的二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2 S)及氮(N2)、氧(02)、氢(H2)。

天然气中，乙烷以上的烃称为重烃，依重烃含量将天然气分为干气和湿气两种。

干气中甲烷含量达95％以上，但含有5%~10%以上乙烷、丙烷、丁烷等重烃。湿气常与油共生，是油田或气田中的气。

2．天然气的物理性质

天然气无色，有汽油味，可燃。天然气物理性质指其密度、粘度和溶解性。 (1)密度 天然气密度在o．6~1.0g/m3之间，湿气含重烃多，密度大于干气。

(2)粘度 气体粘度是气体内部摩擦阻力的表现，天然气粘度与其组成、压力和温度有关，计量单位是mPa·s(毫帕·秒)，如某天然气0℃时的粘度为0.12×10-4Pa·s，即为0.012mPa·s。

(3)溶解性 天然气溶于石油和水，且更容易溶于石油。 四、油气生成

自17世纪以来油、气的成因一直是石油地质界研究的课题。经长期探索，逐渐形成了石油是由沉积岩中分散有机物质生成的认识。到19世纪60年代形成“晚期生油理论”，认为：石油是沉积岩中不溶有机物质，称为干酪根。

古代生物遗体，在合适的地质、生物环境与条件下，发生一系列复杂的分解、聚合反应，首先转化成一种不溶有机物质，分散于沉积岩中。这类物质称为干酪根，也称为沉积有机质，是生成石油、天然气的母质，又称为石油母质。

干酪根由碳、氢、氧、硫、氮等元素组成，按氢／碳和氧／碳比不同分成三种类型：I型，腐泥型；Ⅱ型，腐泥—腐植型，又称为中间型；Ⅲ型，腐植型。

古代菌藻类和各种水生低等植物，畜含类脂物和蛋白质，在适宜的环境条件下，形成I型于酪根(腐泥型)，是生成油的主要物质。

古代陆源高等植物，畜台木质素和碳水化合物，在适宜环境条件下形成Ⅱ型干酷根(腐植型)，是生成天然气的主要母质。

生伯母质，在适宜的环境条件下(还原环境、生物化学作用、无机催化剂作用以及适宜的温度、时间)，经过进一步转化便可生成石油和天然气。

石油天然气也可通俗地认为是由古代生物遗体在适宜的自然环境和地质条件下生成的。

古代陆地上的动、植物遗体，被水流带到内陆湖泊、海湾盆地，与原来水中的生物一起混同泥沙沉积下来形成有机淤泥，已形成的淤泥又被后沉积的妮沙层覆盖，和空气隔绝处于缺氧还原环境。随着岁月流逝，有机淤泥中的有机物质经过一系列复杂的物理化学变化，就转变成石油或天然气。

五、油气藏与油气田

1.油气藏

有机淤泥中的有机物质，在成岩过程中逐渐转化成石油或天然气，此有机淤泥层称为生油层。 生油层中分散存在的石油或天然气，当遇有适宜的因闭地质构造时，便发生运移和聚集，形成油气藏。油气藏是同一圈闭内具有同一压力系统的油气聚集。凡储存的油、气量较多，在当前的技术条件和经济条件下，具有开采价值的油气藏称为工业油气藏。

聚集油、气的构造称为储油构造，由不渗透的岩层把聚集的油、气圈闭起来，依储油构造类型，其所聚集的油气藏可分为三大类。

(1)构造油气藏 由如图l—5所示的背斜储油构造，以及图1—6所示的断层遮挡储油构造等所困闭的油气聚集，称为构造油气藏。

图1—5 背斜储油构造 图1—6 断层遮挡储油构造

I—油；2一气；3一水； 1一油；2—气：3一水：4一砂岩； 4—不渗透泥岩盖层：5一不渗透泥岩底层 5一泥岩；6一不渗透断层

(2)地层油气藏 由如图I—7所示的地层超覆储油构造及图1—8所示的地层遮挡储油构造等所团闭的油气聚集，称为地层油气藏。

(3)岩性油气藏 由岩性圈闭所聚集的油气称岩性油气藏，如图1—9所示，其特点是油源是单—的，油气是原生的。

圈闭中只聚集储存石油和水的叫油藏；圈闭中只聚集储存天然气的叫气藏。圈闭中石油和天然气同时聚集储存的叫油气藏。

图1—7 地层超覆储油构造 图1—8 地层遮挡储油构造

1一油；2一气；3一水；4一泥岩； l—油；2一气；3一水；4一不渗透岩层 5—变质岩基底 2．油气田

从石油地质意义上说，油气田是指单一局部构造、同一面积内油藏、气藏、油气藏的总和。苦该局部构造范围内只有油藏称油田，只有气藏称气田。同一油气田可以是一种类型的油气藏，也可以是多种类型的油气藏。

人们通常所说的大庆油田、胜利油田、四川气田等则主要是从地理意义上或指行政管理单位而言。实际上，它们内部含有多个地质意义上的油田或气田。

图1—9 岩性圈闭储油结构 I—被圈闭的油砂岩层； 2—

六、我国的自油气盆地

在漫长的地质历史时期内，不断下沉接受沉积的地区 称为沉积盆地。

具有油气生成和聚集条件，并发现具有工业油气藏的 图1—9 岩性圈闭储油结构

沉积盆地称为油气盆地。 1—被圈闭的油砂岩层； 2—不渗透泥层

我国富含油气资源，含油气盆地约有50个。其中主要的有：松辽盆地、渤海湾盆地、塔里木盆地、准葛尔盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地和海域含油气盆地。

(1)松辽盆地 松辽盆地位于我国东北部，包括东北三省，面积26万平方公里，是我国最大的含油气盆地之一。大庆油田位于松辽盆地内，年产原油超过5000万吨。

(2)渤海湾盆地 渤海湾盆地包括北京市、天津市、河北省、山东省和河南省、辽河省一部分及渤海海域全部，面积近20万平方公里。是我国目前仅次于松辽盆地的含油气区。胜利、大港、辽河、任邱和渤海等油田位于此盆地内，年产原油总量超过5000万吨。

(3)塔里木盆地 塔里木盆地位于南部地区，面积约56万平方公里，是我国最大的

盆地。该盆地生油层多，但直到目前勘探程度还较低，根据“稳定东部，开发西部”的方针，正处于加

强勘探和综合研发开发中。

(4)准葛尔盆地 准葛尔盆地位于境内天山北部，面积约13.4万平方公里，是我国大型含油气盆地之一，独山子等油田位于该盆地内。

(5)鄂尔多斯盆地 鄂尔多斯盆地位于我国黄河河套地区，面积约33万平方公里，长庆油（气）田位于该盆地内。

(6)四川盆地 四川盆地位于四川省东部及重庆市，面积19万平方公里，四川盆地内已 发现了许多油气田，主要是气田。四川油田位于该盆地内，主要生产天然气。

(7)我国海域含油气盆地 我国海域辽阔，渤海、黄海、东海的海域总面积达360万平方公里。架宽广，水深200m以内的架达130万平方公里。经过普查和勘探，已发现6个大型含油气盆地：渤海盆地、南黄海盆地、东海盆地、珠江口盆地、北部盆地和莺歌海盆地。我国沿海油气资源很丰富，估计储量达数百亿吨，目前正在加紧进行海上油田的勘探和开发，海上石油产量目前已超过1000万吨，具有广阔的勘探开发前景。

七、油气勘探

要找到地下的油气藏．就要进行油气的勘测与探查。

油气勘探方法和技术，随着生产经验的积累和科学技术的进步，得到不断发展和完善。目前进行油气勘探的主要方法和技术有4种，即地面地质法、地球物理法、遥感技术和钻探法。

1.地面地质法

直接观察地表的地质现象，寻找是否有露在地面的“油气苗”，研究岩石、地层情况，分析地下是咨有储油构造。在边远新区进行地质调查时，这种方法仍可发挥一定作用。 2地球物理法

地球物理法自诞生之日起就始终和最新的技术成就相关联，是一种应用高新技术的勘探方法，包括地球物理勘探和地球物理测井。

(1)地球物理勘探 人们已知不同岩石具有不同的物理性能，如密度、磁性、弹性等。在地 面上利用多种专用的精密仪器进行测旦，了解地下地质构造情况，判断是否有储油构造，即地 球物理勘探法。

地球物理勘探法包括重力勘探、磁力勘探、电法勘探和地震勘探。近年来，不断吸取物理、数学、地学、电子学和计算机技术发展的最新成就，地震勘探技术得到了迅猛发展，成为地质油气勘探的一种主要方法。地震勘探既能在地表条件恶劣、地下地质条件复杂的新区寻找新的油气资源，也能在老油区寻找后备储量、提高采收串，已成为降低勘探风险，提高开发效益的现代化技术手段。

(2)地球物理测并 地球物理测井在油气勘探和开发领域都发挥着重要作用，是油气勘探、开发中采用的一种高新技术手段。通俗地说，地球物理测井，是采用专用的测井仪器，如数控测录系统等，沿井眼自上而下测录地层的各种物理性能曲线．应用解释放术对测并曲线进行综合分析解释，以正确地识别地层，了解地层含油、气、水的情况，为寻找油气藏和开发油气田提供科学依据。

3．油气遥感技术

航空、航天技术的发展，油气勘探的迫切需求，使遥感技术在油气勘探方面得到了研究、开发与良好的应用，并逐步发展成为一种经济、迅速、有效的油气勘探方法。

遥感技术能提供宏观真实和形象的信息。遥感信息以数字、图象形式记录了地面不同物体的光谱特性。油气资源逻感就是根据被记录的电磁波特性的差异，来判别含油气盆地内地质体或地质现象的屑性，地质体的结构及其组合关系。对裸露区，可获得直接地质信息；对覆盖区，可获得深部的间接地质信息。

对油气遥感信息进行处理可得到油气地质遥感图象，对油气地质遥感图象进行处理和解释，可寻找油气资源，

油气滔感技术的发展，形成了两种油气资源探测方法。 (1)间接找油法 利用滔感图象进行目视地质构造解释，推断沉积盆地的地质构造．寻找油气聚集区。 (2)直接找油法 地下如有油气，地表会出现烃类微渗漏，可直接从逻感图象上提取、识别油气信息，

预测油气藏。

4．钻探法

钻探法，就是打井找油气。在地质法、地球物理法和遥感法巳初步查明的储油构造上钻井，以确切探明地下是否有油、气及油、气、水的分布。

第二节 钻井工艺概述

石油钻井是一项系统工程，涉及到石油地质、油圆化学、岩石力学、钻井机械与工具的现代设计技术，以及电子技术、计算机技术与人工智能等在钻井测量及自动化、智能化钻井方面的应用。

本节概略介绍常规钻井(通常指钻直井)的钻井方法、钻井工艺过程、钻井参数、并斜及其控制等方面最基本的知识和定向钻井的概念。

一 钻井方法

从地面钻一孔疽直达油气层，即钻井。井的示意图如图1—10所示，图中分别标明了井口、井身、井壁、井底及井径、井段和井深。钻井的实质就是耍设法解决破碎岩石和取出岩屑、保护井壁、

继续加深钻进方面的问题。

人类通过长期的生产实践和科学研究，创造了两种有工业实用价值的钻井方法，即顿钻钻井法和旋转钻井法。 1．顿钻钻井法

顿钻钻井法又称冲击钻井法。相应的钻井设备称顿钻钻机或钢绳冲击钻机。其设备组成及工作原理如图1—ll所示。

周期地将钻头提到一定的高度向下冲击井底，破碎岩石。在不

固1—11 顿钻钻井示意图

断冲击的同时，向井内注水，将岩屑、泥土混成泥浆，等井底泥浆碎块积到一定数量时．便停止冲击，下人捞砂筒捞出岩屑，然后再开始冲击作业。如此交酋进行，加深并眼，直至钻到预定深度为止。 用这种方法钻井，破碎岩石、取出岩屑的作业都是不连续的，钻头功率小、效率低、速度慢，远不能适应现代石油钻井中优质快速打深井的要求，代之面起的便是旋转钻井法。

2．旋转钻井法

图1—11 顿钻钻井示意图

旋转钻井法包括地面驱功转盘旋转

钻井和顶部驱动钻井法及井下动力钻具旋转钻井法。

(1)转盘旋转和顶驱旋转钻井法 转盘旋转钻井法的设备组成和工作原理如图I—l 2所示。

井架、天车、游车、大钧及绞车组成起升系统，以悬持、提升下故钻柱。接在水龙

头下的方钻杆卡在转盘中，下部承接钻杆柱、钻铤、钻头，钻杆柱是中空的，可通入清水或钻井浓。工作时．动力机驱动转盘，通过方钻杆带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。控制绞车刹把，可调节由钻柱重量施加到钻头上的压力即俗称钻压的大小，使钻头以适当压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩层。与此同时，动力机驱动钻井泵，使泥浆经由地面管汇一水龙头一钻杆杜内腔一钻头一并底一环形空间一泥浆净化系统，进行钻井液循环，以连续带出被破碎的岩屑并保护并壁。

图

1—12 转盘旋转钻井示意图

钻杆代替了顿钻中的钢丝绳，钻头加压旋转代替了冲击。所以，转盘旋转钻井法破碎岩石和取出岩屑都是连续的，克服了冲击钻井的缺点，提高了钻井效率。

80年代研究开发了顶驱钻井系统，首先成功地应用于海洋钻机，目前已迅速扩展用到陆地深井、超深井钻机上，呈现良好的发展前景。顶驱钻井系统的设备组成、工作原理将在第三章第五节中介绍。

(2)井下动力钻具旋进钻升法 从顿钻到转盘钻，是钻井方法上的一次。但随着钻井深度的增加，钻杆在井中旋转不仅要消耗过多的功率，且容易引起钻杆折断事故，这就促使人们朝钻杆不转或不用钻杆的方向去寻求驱动钻头的方法。将动力装置放到井下去，从面诞生了井下动力钻具旋转钻井法。目前常用的井下动力钻具有祸轮钻具和螺杆钻具两种。

①涡轮钻具钻井 图1—13是涡轮钻具结构组成示意图。它下接钻头，上接钻杆柱。工作时，钻井泵将高压钻井液经钻杆柱内腔泵入涡轮钻具中，驱动转子并通过主轴带动钻头旋转，实现破岩钻进。

涡轮钻具钻井的地面设备与转盘钻相同。但钻杆柱是不转动的，节约了功率，磨损小，事故少，特别适用于定向井和水平井。

涡轮钻具转速偏高，不易配用牙轮钻头，若采用聚晶金刚石切削块钻头(PDc钻头)及在PDC钻头基础上发展起来的、热稳定性更好的巴拉斯钻头(BDC钻头)，可在高速旋转和高温下钻井。因此，PDC和BDC钻头的出现以及近年来钻测技术的发展，为涡轮钻具的应用开辟了广阔的前景。

②螺杆钻具钻并 螺杆钻具是一种由高压钻井液驱动的容积式并下动力钻具。钻井浓驱动(螺杆)转子在衬套中转动，带动装在它下端的钻具破岩钻进，单螺杆钻具结构如图1—14所示

图1—13 涡轮钻具结构示意图 图1—14 螺杆钻具结构示意图 l、5 钻井液；2一止推轴承；3一中间轴承； l—旁通阀；2—单螺杆马达总成 4一涡轮；6—下轴承；7一钻头，8—主轴； 3—万向轴总成；4一传动轴总成 9一外壳

螺杆钻具钻井，钻杆柱也是不转动的，特别适用于定向井、水平井和其他特种作业钻井。小尺寸螺杆钻具，用于小井眼和超深井钻井。

螺杆钻具结构简单，工作可靠；能提供大扭矩、低转速的特性。适于配用普通牙轮钻头，也可配用金刚石钻头，可提高钻头进尺和使用寿命，这些性能优于涡轮钻。因此，螺杆钻具也是一种钻定向井、水平井、深井的很有发展前途的井下动力钻具。

3．试验研究中的新钻井方法 目前钻井深度已超过万米。旋转钻钻井法导致钻井机械及设备愈来愈庞大和复杂。因此，近些年来，人们一直试图利用现代科学的最新成就，开辟破碎和清除岩石的新途径，积极探索和试验新的钻井方法。新提出的钻井方法大致可分为：熔化及气化法、热胀裂法、化学反应法和机械诱导应力法4类。

这些方法的共同特点是，据弃了用钻头加压旋转破碎岩石的原理，如试验成功，必将引起钻井方法和钻井工艺技术方面的重大变革。

二、钻井工艺过程

一口井从开钻到完钻要经过多道工序，完成破碎岩石、取出岩屑并保护并壁、固并和完并件事，从而形成油流通道。石油机械工程技术人员应了解一口井的钻井过程，了解钻机的使用操作及钻井工艺对

钻井设备提出的要求。

1.井身结构与钻具组台

(1)井身结构 井身结构指的是下人并中套管层数、尺寸的钻头直径，如图l—15所示。 一口井的井身结构是根据已摹握的地质情况和要求的钻并深度在开钻前拟定的。

①导管 防止地表十层培塌，引导钻头人并，并导引上返的钻井液流人净化系统。导管通常下人的深度为30一50 m。

②表层套管 下人表层套管的目的在于加固上部疏松岩层的并壁，封住淡水砂层、砾石层或浅气层；安装并控设备井支撑后下人的技术套管重量。一般探度为100 m，最探可达300一400 m。

③技术套管 位于表层套管以内的套管。下技术套管是为了隔绝上部的高压油、气、水层或得失层及坍塌层。深并、超深井及地质情况复杂时，需下若干层技术套管。

④油层套管 下人井内的最后一层套管，形成坚固的并筒，使生产层的油或气由并底沿这层套管流至井口。

在各层套管与并壁的环形空间，都应注人水泥加固(固并)。为节省钢材，降低钻井成本，在满足钻井工艺要求的前提下，应少下或不下技术套管；有的并在技术套冒下部下人尾管即衬管。

(2)钻具组合 钻具组合，或称钻具配合．是指根据地质条件与并身结构、钻具来源等决定钻井时采用何种规格的钻头、钻铤和钻杆、方钻杆配合连接起来组成钻柱。合理的钻具组合是确．保优质快速钻并的重要条件。

人井钻具应尽量简单。能满足要求时，尽量只用一种尺寸钻杆，以简化钻井器材的准备，便于起下作业和处理井下事故。但在深井时，由于钻校自身很重，钻杆强度不够，便采用复合钻杆，两种钻杆尺寸可相差一级，大尺寸者在上部。

一口井的并身结构和钻具组合可以在钻井过程中根据具体情况作适当调整。选择钻机时 必须保证该钻机的起重能力能满足提升员重钻柱和下最重套管柱的要求。

制定钻机标准系列时，应根据与系列并深L相应的标准井身结构与钻具组合机的有关基本参数。

2．钻前准备

一口井开钻前应做如下各项的钻前准备工作：定井口位置、修路及平整井场、打水泥基础、备足各种钻井器材，如钻杆、钻铤、钻头及钻并泵配件等。

3．钻进

钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一手段。开钻前各种准备工作及钻进过程中可能需要采取的各种措施，都是为了使这一阶段的工作顺利进行，以取得优质、快速打井效果．缩短建井周期，降低成本。

(1)全井钻进过程

①第一次开钻 下表层套管。

②第二次开钻 在表层套管内用小一些的钻头往下钻进。如地层情况不复杂，可直接钻到预定井探完井；若遇到了复杂地层，用泥浆难以控制时，便要起钻下技术套管(中间套管)。

②第三次开钻 在技术套管内用再小一些的钻头往下钻进。

依上述同样顺序，或可一直钻达预期井深，或再下第二层技术套管，再进行第四次、第五次开钻，最后钻完井探，下油层套管，进行固井、完井作业。

(2)钻进作业

概括起来钻进作业可包括如下5道工序。

①下钻 将由钻头、钻挺、方钻杆组成的钻杆校下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。

②正常钻进 又称纯钻进。启动转盘(或井底动力钻具)通过钻杆校带动并底钻头旋转，借助手刹车，给钻头施加适当的压力(钻压)以破碎岩石。与此同时，开动泥浆泵循环泥浆，冲洗井底，携出岩屑．保护井壁，冷却钻具。根据不同的地层情况、钻进深度、钻头类型等，使钻头转速n(r／min)、钻压P(t)、泵流量Q(L/min)和泥浆性能各自都处于最佳参数值，以获得最快的钻进速度。

③接单根 随着正常钻进的继续进行，井眼不断加深，需不断地接长钻杆校；每次接人一根钻杆，

此作业称为接单根。采用顶驱钻井系统时，每次接入一立根(由2到3单根组成)。

④起钻 需要更换新钻头时，便将井中全部钻柱取出，称起钻作业。 每次起卸一立根，每一立根构成一个起钻操作循环。

⑤换钻头 起钻结束，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头，换上新钻头。 换完钻头，便又开始下钻，重复上述作业。下钻→正常钻进→接单根(立根) →起钻→换钻头→下钻，构成正常钻进作业的大循环，重复不已，直至钻达预定井深。

钻进作业的各道工序中，仅纯钻进取得钻井进尺，其余都是辅助操作。应研制、推广、应用井口机械化装置，使送钻、接单根、起下操作实现机械化，减轻工人劳动强度，创造安全工作条件；缩短钻井生产辅助时间，提高经济效益。 4．固井

在“井身结构”中已经介绍了各层套管的名称和作用。在井服内下入一层套管，井在套管与井壁的环形空间里灌注水泥浆进行封固，称为固井。依井身结构的不同，钻并过程中有时仅需下一层套管(如油层玄管)；有时需下多层套管(如表层容管、技术套管、油层套管)，最终形成一串轴心线重合的套管柱，如图1—16所示。因此，一口井从开始到完成，有时需要进行数次固井作业。

图1—16 套管层次示意图

5．完井

合理的井底结构应保证：油层具有最大的渗透面；油藏与油井有最好的流通性；能防止油、气、水互窜；对多层油井，能保证备油层互不窜通，以便进行分层开采。

完并是钻井工作的最后一道重要工序。油井完井的方法有多种。当下油层套管固井后，油层为水泥和套管封固，必须设法使油层与井简沟通，普通采用射孔完井法。对于岩石比较坚匠和稳定的油(气)层，在没有油、气、水互相干扰的情况下，可不采用特油(气)层用水泥封固的完井方法，而采用裸眼完井法、贯眼完井法、衬管完井法等方法来完井。

(1)射孔完井法 钻开整个油层后，下油层套管注水泥，再下射孔，发射子弹射穿安管、水泥环和油层，使油层与油井通过这些弹孔孔道相连通，如图1—17所示。

图1—17 射孔完井法

l一套管；2一水泥环；3一油层； 4一射孔弹；5一电缆

(2) 棵眼完井法 如图1—18(a)所示，此法完井渗透面积大，油流阻力小，但井底易坍塌

图1—18 井底完并法

(a)棵限完井法； (b)贯眼完井法； (c)衬管完井法

1一油层；2一套管；3一水泥环4—带眼筛管；5一村管；6一封隔器

(3)贯眼完井法 如图1—18(b)所示，钻完油层后，在油层部位下入带眼的筛管，用水泥将油层以上的套管封固起来(水泥伞可以防止筛管处进水泥)。此法油流阻力小，但不能防止油层坍塌，不能任意选择油层层位。

(4)衬管完成法 如图1—18(c)所示，油层套管下到油层顶部，固井；再钻开油层，下入带孔眼的衬管。衬管长度可根据油层厚度决定。衬管上部装有一个堵塞器和悬挂器，前者用以隔开油层和井眼上部。后者将衬管悬挂于套管尾部。其优缺点类似贯眼完成法。

近年来，随着水平井技术的应用，逐渐形成了水平井完成方法，且正处于发展中。

水平井完井比常规井难度大，已出现的完井方法有很多种，常用的大致有裸眼完井、筛孔／割缝衬管完并、筛孔／隔缝衬管连管外封隔器完井和衬管固井完井等4种，如图1—19所示。

图1—19 水平井四种完井方法

(1) 裸眼完井；(2) 筛孔／隔缝衬管完井；(3) 筛孔／隔缝衬管完井连管外封隔器完井；(4) 衬管固井完井

短半径水平井造斜曲率半径小，采用棵眼完井、筛孔／割缝衬管完井法。中半径、长半径水平井，可根据地层条件，对产旦、生产侧井、生产控制、防砂、注水注汽量控制、修井完井费用等方面的考虑，灵活地选用上列任一种。

6．钻井事故的处理

在钻井过程中，由于地质条件和人为因素常常会引起许多种井下复杂情况及事故，如井漏、井喷、卡钻、断钻杆、落物等，都应及时处理。

(1)井漏、井蹋 当井眼中泥浆液柱压力大于地层压力时，就会引起泥浆漏失。造成井漏的更具体原因可能有：钻遇疏松地层，开泵过猛而整漏；钻通渗透性地层，如渗透性良好的砂岩，发生渗透性漏失；

钻遏地层断裂带或裂缝如石灰岩裂缝发育地层，或者灰岩。发生井褐。并漏会使泥浆池液面下降，井口返出的泥浆量减少，甚至循环失灵。发生井褐时应首先设法提高泥浆粘度、切力，相应降低泥浆比重和泵的排量。严重漏失时，应在泥浆中加入堵漏物质，封堵漏失层。

钻进时，井内泥浆的失水进入岩石颗粒之间，降低了岩石的胶结力，有些岩层，如粘土、页岩和泥岩等，经泥浆浸泡后发生膨胀、剥落掉块；从而导致并壁的不稳固和坍塌。严重井榻可能引起落石卡钻等事故。

采用优质低失水泥浆，增加并内泥浆柱的压力，避免钻头停在易塌地层时循环泥浆等，都可防止并塌的发生。

(2)井喷 当钻遇高压油、气、水层时．由于油、气、水层的压力大于钻井液校压力，可能造成井喳。井喷是钻井中较严重的事故。

为防止井喷，除应事前做好地质预告工作外．应在钻井时采取调整钻井液性能、在井口安装并控设备等措施。

(3)卡钻 卡钻是钻井中经常发生的事故，依成因不同可分为：沉砂卡钻、落石卡钻、地层膨胀卡钻、泥饼卡钻、键槽卡钻、泥包卡钻、落物卡钻等。

①沉砂卡钻 由于用清水钻进或泥浆粘度低、切力小，悬浮岩屑能力差，稍一停泵，岩屑就下沉，造成沉砂卡钻如图1—20(a)。接单根时间过长，或因突然故障，需停泵检修，也可能造成沉砂卡钻。

图1—20 卡钻示意图

(a)沉沙卡钻； (b)落石卡钻； (c)地目膨胀卡钻； (d)泥饼卡钻

②落石卡钻 钻遇琉松、胶结性不好的地层，发生井塌时造成卡钻，如图1—20(b)所示。

③地层膨胀卡钻 钻遏疏松、多7L隙和膨胀性地层时，若泥浆性能不好，失水大，渗入到地层中并浸泡地层，导致地层膨胀，井径缩小造成卡钻，如图l—20(c)所示。

④泥饼卡钻 由于泥浆性能不好，或含砂量过大而在并壁上形成了一层很厚的泥饼。在砂岩处形成的泥饼厚，页岩、石灰岩处次之。在泥饼表面往往粘附很多岩屑，使井径变小*当钻柱贴向一侧井壁时，钻柱承受甚大的侧向液静压力，使其紧贴泥饼，产生巨大的摩擦力，导致卡钻，如图1—20(d)所示。

⑤]键槽卡钻 在井斜角及方位角变化的井中，由于钻柱在“狗腿”处旋转及多次下钻，在该处拉磨以至在井壁上磨出了一条纫槽(键槽)，一般赂大于接头直径，但小于钻头直径。若起钻时钻头拾落入此槽内，即遇卡形成键槽卡钻。

为了处理卡钻事故，钻机应具备足够的短时提升能力，对机械传动的钻机，绞车应配备事故挡，转盘必须有倒档，并希望转盘转速及规矩能进行可控调节。

三、钻压、转速、流量和钻井液性能对机械钻速的影响

机械钻速是指纯钻进时每小时进尺数(m/h)。影响机械钻速的因素有很多．除了钻头类型和磨损程度、水力功率利用、并底清洁状况外，主要是钻压、转速、流量和钻井液性能。

1.钻压

作用在钻头上的压力简称钻压，一般采用钻头直径单位长度上的压力数值(kN／mm或t／m)表示。

典型的钻压—钻速曲线如图1—21所示。

一般说来，钻速随钻压增大而升高，可表示为：

Vm∝(W一Wo) (1—1)

Wo是门限钻压，应调节钻压值令其在(Wa一Wb)之间，钻压随钻速增大呈直线上升。钻压大小由司钻控制钻具悬重进行调节，总钻压值由司钻台上的指重表盘显示。

2．转速

钻头转速M，对转盘而言，即转盘转速，单位为 r／min。

图1—22表明，机械钻速基本上随转速成比例地

提高，在浅井软地层更是如此。

图1—22 转速—钻速曲线

Vm∝n a (a≤1) (1—2)

对浅井、软地层，刮刀钻头转速一般为200一250 r／min，可高达300 r／min以上；中深井或中硬地层为80一150 r／min；深井或硕地层为60—100 r／min。

3．钻井液流量

钻井泵每秒钟排出钻井眩的数量称“钻井液流量”．以L／S (升／秒)计。 井底岩周末被钻井波及时冲洗干净之前，增大流量可使钻速随之提高。当流量大到已足以洗净并底、并携带岩屑上返地面时，再增大流量，对钻速已无显著影响。

4．钻井液性能

钻井液在钻井过程中起着冲洗井底、携带岩屑、保护井壁、冷却钻头和平衡地层压力等作用。

钻井液性能通常用比重、粘度和切力表示。比重大，井中液拄对岩石的压力加大，岩石愈被压紧，愈难以破碎，机械钻速会下降。粘度和切力大，清洗井底的能力减弱，也会使钻速下降。此外，钻井液中困相物质含量少，钻井液中含少量原油(15％一20％)则能提高机械钻速，如图1—23所示。

但需强调，由于钻井液对钻井的影响是多方面的，因此在钻井过程中如何根据地质情况的变化，适时的调配性能合适的钻井校对提高钻井速度和保证钻井质量起着非常重要的作用。

四、井斟及控制措施

1.井斜

常规钻井总是希望井钻得越垂直越好。实际上，由于钻头上方的钻核受压弯曲、倾斜的层状地层、地层各向异性、岩石软硬度等因素影响，井眼轴线不可能很垂直，而是一条倾斜扭曲的空间曲线，此即井斜的含义。

井斜是衡量井身质量的重要指标，用实

际的井眼轴线在其垂宣面和水平面上投影的一些参数来标识井斜情况，井作为控朗井身质量的指标。这些参数有：井斜角、井斜方位角、并斜变化串、方位变化串、井底水平位移、全变化角、全角变化串等，如图1—24所示。

(1)井斜角α 井眼轴线的切线与份垂线之间的夹角，如α1,，α2，α3。

(2)井斜方位角θ 井眼轴线的切线在水平投影面上的方向与正北方向的夹角。方位角从正北开始，依次顺时针方向计算，如井眼轴线上1．2，3点在水平面上投影为1’，2’，3’，相应井斜方位角为θ1，θ2，θ3。

(3)井斜变化率Kα 单位井眼长度(一般取30 m)内井斜角变化值，K。＝△α／△L(°／30 m)。

。

(4)方位变化串品 单位长度井段(30 m)方位角的变化值，Kθ＝△θ／△L (°／30 m)。 (5)井底水平位移 井口和井底两点在水平投影面上的直线距离，如图中的03’。

(6)全变化角ε 某井段相邻两测点间井斜与方位的空间角度变化值，如图1—25所示，简称全角，又称“狗腿角”。

(7)全角变化串Ke 单位长度井段内全角的变化值，又称狗腿严重度。全角变化串即井服曲率，不可混同于井斜变化率Kα。

钻定向井和水平井，常用到井眼曲率K和曲率半径R，其具体计算方法、公式可查阅有关专著。

为保证井身质量，对直井井眼轴线的偏斜程度有规定要求，称井斜标准，各油田依地层条件等具体情况有自己的规定，通常采用的井斜控制参数为最大全角变化串和井底最大水平位移。举例说明如某井，设计井深2000 m，规定井底最大位移不超过50 m；最大全角变化率：测点在0一1000 m范围内不大于1°40’，测

点在1001—2000m范围内不大于2°10’。

2．防斜

井斜超过规定标准将引起一系列不良后果：给钻井本身增加难度，甚至引起钻井事故，如钻杆柱的过度磨损或折断、键槽卡钻、下套管不畅；井底水平位移过大等，会打乱油层面上井眼的合理分布，降低采收率；井斜偏大，会影响以后的分层开采及注水采油效果等。钻井时首先应尽量采取措施防止井斜。

采用满眼钻具钻井，是一种行之有效的防斜钻井方法。满眼钻井法，又叫刚性配合法，是广泛采用的快速钻直井的重要措施。

钻头上部的钻铤，在钻压作用下会产生弯曲，使钻具在井内不居中，导致产生井斜。通过在钻铤弯曲处加上扶正器增加受压部分的刚度，减小与井壁间的间隙，使钻具居于井眼的中心，防止井斜，此即满眼钻井防斜的原理。具体做法一般是：采用大直径钻铤或方钻铤，在计算好的位置用硬质合金配两个以上扶正器，如图I—26所示，扶正器与井壁间隙小，约5mm。图1—27是一种满眼钻具的下部结构示意图：5 3/4”钻杆下接7”钻铤3柱，8”钻铤3柱和钻头(d250一248n、m)，在8”钻铤上加焊3个Φ240 mm扶正器，位置分别在钻头上方1．3，8．5和2l m处。

3．纠斜

钻井过程中，当发现井斜已超过规定位时，应及时采取措施纠正。

纠正方法有多种：采用钟摆钻具纠斜；采用造斜工具纠斜(造斜方法同定向井)井身，即用水泥填死井斜严重井段，从其上井斜合格处重钻新的井眼。

采用钟摆钻具，增大钟摆力(纠斜力)纠斜，是实际钻井过程中主要的纠斜方法。图1—28(a)表明了钟摆力的产生及纠斜原理。

井斜已发生，斜井内钻柱下部贴向并壁下侧。钻铤弯曲后与并壁接触点T称切点，切点以下一段钻铤的质量为G。以切点了为支点，引起钻头压向下侧并壁的作用力严。力厂促使钻头钻切下侧井壁，逐渐减少并斜。力F称为降斜力或纠斜力，因类似钟摆，周期回荡作用于下侧并壁，故又称为钟摆力。

采用大尺寸钻铤或加重钻铤，或在原切点赂高位置安装扶正器，可提高切点位置、增大切点以下钻铤段长度，即增大质量G，使降斜力F随之增大，降斜效果更好，如图1—28(b)所示。

五、定向钻井、丛式钻并和水平钻井

由于对海洋、陆地油气藏勘探开发的迫切需求和科学技术的进步，定向钻井技术获得发展并已广泛应用。为了开发多种类型的泊气藏，尽可能的提高油气产量、提高采收率、降低成本，获得更好的经济

效益，在定向钻井的基础上又发展了丛式钻井和水平钻井技术。

1．定向钻井

控制井眼轴线沿预定轨迹行进，钻达目的层位的钻井方法称定向钻井。 (1)定向钻井的应用

①在岸上打定向并，勘探开发近海和湖泊下面的油气田。

②在适宜设置井场的地方打定向并，勘探开发局山、森林、沼泽、城镇等处的地下泊气田，如图1—29所示。

③地层条件影响，打直井不能有效开发油气藏时，采用定向钻井技术打大斜度并、侧钻井、多底并和水平并。

④处理事故。如钻柱折断无法打捞时，可在落鱼顶部打水泥塞另钻侧井达目的层‘井喷失火、难以控制时，可在其附近钻定向救授井，钻达失火井并底，注入压并液控制并喷并灭火。

(2)定向井井身剖面类型 定向井剖面是由直井段、增斜、稳斜、降斜井段依用途采取不同的组合而成，如图l—30所示。

图l—30(a)用于大斜度井、悬空侧钻井等。

图1—30(b)用于较深的井，如我国四川的多底井及水平井。

图1—30(c)适用于多层开采的油井，可使每一油层的井网布置比较规则平台钻多筒密集井时，采用这种剖面。

2．丛式钻并

应用定向钻井技术，在同一井场或同一钻井平台钻多口井，即丛式钻井。分为：

(1)海洋丛式钻井 在一座海上钻井平台上、采用定向钻井方法可钻60口以上的丛式井，大大提高了钻井平台和设备的利用率，降低了钻井成本。

(2)陆地丛式钻井 近年来陆上丛式钻井发展很快。在沼泽、沙漠等地面条件恶劣地区打丛式井，能满足勘探开发新油田的需要。在森林、农业地区打丛式井可大大节约占地面积，减少钻井设备搬迁安装时间和钻前工程量。丛式井采油可减少集输计量站、集输管线和油建工程旦，便于实现自动化管理。 3.水平钻井

使钻人油层部分的井眼轨迹呈水平状态的钻井方法称水平钻井。

水平钻井屈定向钻井范畴而又独具特色，近30年来发展迅速。水平井已成为提高油气产量和采收串的崭新技术途径，应用广泛。

(1)水平井的应用

①开发低渗透性油藏 在低渗透性地层中钻水平井穿入产层，增加了泄油长度，流动阻力很小，较压裂处理可大大提高油气产量和采收率。

②开发裂缝性油藏 天然裂缝大多数是垂直或近似垂直的，油气储藏在裂缝中。垂直并只能钻到一个甚至钻不到产层，而水平井可横向钻穿多个裂缝产层。

②开发薄层油气藏 对于薄层油气藏，垂直并的果油井段长度即油层厚度。若在薄油层中钻水平并，可大大增加油层接触面积，显著提高产量。

④其他 除上述主要用途外，钻分支水平并可使成熟油田或估竭油藏“起死回生”；水平井改善了稠油热采机理(除热力降核、液力驱替外，增加了重力排替作用)，更适用于果重质稠油；水平井可改善水驱、聚合物驱油效果*还可避免油井出砂。

总之，水平井可大大提高油气产量，应用水平并开发低渗透性油藏、裂缝性油气藏、薄层油气藏，可获得较垂直并高3~6倍以上的产量。水平井可提高采收率，应用水平并开发油气藏，采收牢有可能高达60％~80％。

(3) 水平井类型及特点 井斜＞86°的并段称为水平并。水平井依造斜井段曲率半径的大小可分为长半

径(常规)、中半径和短半径水平并，如图1—31所示。近年来又新发展了超短半径水平并(径向水乎井)。

图1—31 水平并类型

1 一长半径水平井，曲率半径914~305m(3000~100ft) 2 一中半径水平井，曲率半径213~38m(700~125ft) 3一短半径水平井，曲率半径13~6.5m(40~20ft)

①长半径水平井 曲率半径为914~305m(3000~l000 ft)，能钻达的水平段长度比其它方法要长，钻井技术要求相对较低，最先得到应用。

②中半径水平并 曲率半径为213~38m(700~125 ft)，弯曲井段所得要的垂直深度及水平位移都比长半径水平并小、造斜段较短，定向控制中精度较高，适用范围广，在开发裂缝性油气藏和开发具有气维、水维油田方面有明显优越性。

③短半径水乎井 曲率半径13~6.5m(40~20 ft)。弯曲并段要求的垂直深度及水平位移都很小，特别适用于复杂油层或为复杂油层复盖的油层。对于复盖很复杂的薄油层，采用短半径水平井最为理想。

④超短半径水平井 是采用高压液体喷射出的一段水平井眼，曲率半径只有几厘米到30厘米左右，几乎没有造斜井段。超短半径水平井适用于松软地层、浅油砂层，特别适用于被非渗透地层分隔的层状油气藏。这种油气藏储油层薄，采用常规水平井或多底井开发很不经济，而采用径向水平井可快速而经济地对该储油层延伸钻井和完井，且提高产量。

第三节 常规钻井技术

石油机械工作者对钻井技术的基本内容应有所了解，以便主动配合，为各种钻井技术的成功实施和发展、完善，研制先进的钻井机械、工具和检测仪器。基于这一愿望，本节简单介绍几种常规钻井技术的基本概念和特点，下一节则择要介绍几种发展中的油气钻井新技术。

钻井技术蓬勃发展，喷射钻井和平衡钻井是70~80年研究应用的优化钻井技术。 一、喷射式钻井

喷射式钻井采用喷射式钻头，钻井液通过具有特殊形状和结构的小尺寸喷嘴，形成高速射流，射向井底。充分利用高速射流的水力作用，破碎岩石、清除岩屑，和机械破碎相结合，以提高机械钻超和钻头进尺。

喷射式钻井的主要特点是：射流喷射速度高，一般在100~150 m／s，不低于80 m／s；泵压高，一般在15MPa以上，甚至高达35MPa；泵功率高，中深井、探井配备的泵功率在735~1176kW(1000~1600马力)；喷射钻头压力降和水功串高，一般占泵压和泵功率的一半以上(50％~75％)。流量适当，在满足环空上返液流携屑要求的前提下，控制返速在0.5~1.0 m／s范围内。

实践表明，喷射式钻许可大幅度提高机械钻速和钻头进尺，在软地层尤为显著。

喷射式钻井工作方式取决于钻头喷嘴处射出的喷射流，而喷射流可用喷射速度、冲击力和水功率三个参数来表征，据此可形成三种工作方式，即最大喷射速度、最大冲击力和最大钻头水功率工作方式．三者所持观点均认为各自的参数是影响钻进速度的决定性因素．在设计水力参数时使各自的参数达到最大值。此外，又提出经济水功率工作方式，提倡根据井底清洁的实际需要来确定钻头水功率值，而不单纯追求射流的某项水力参数达到最大值，以便经济合理地利用地面泵的水功率。

我国各油田普遍采用最大钻头水功串工作方式，最大钻头水功率的观点认为：破碎岩石、冲洗井底需要一定的能量。单位时间流所含的能量越大，钻进速度越快。因此主张：在地面泵提供一定的水功率的条件下，要把其中尽可能多的部分分配在钻头上。

设地面泵提供的水功率为N．泵出口压力为P，钻头水眼接受的水功率为Nb，喷嘴处压力降为入。可以证明

Nbmax＝(2／3) N (1—3) 或 Pbmax＝(2／3)P (1—4)

上式说明在拟订循环系统参数及选择钻进过程技术参数时应使钻头获得的水功率尽可能为泵水功率的2／3，此即最大水功率工作方式。

为保证能采用喷射式钻井，除研制各种水力喷射式钻头外，必须配备大功率的高压钻井泵反高压闸

门、高压管汇、水龙带、水龙头，配备完善的固控设备。

二、平衡压力钻并

平衡钻井是指钻井过程中保持井内钻井液动压力与地层孔隙压力相等，即

Pfp＝Pf+pa

式中 Pfp一地层孔隙压力(地层压力) Pf一钻井液柱静液压力；

pa一钻井液循环时的环空压降。

钻进时保持井底压力平衡或接**衡可降低岩石强度和岩屑的压持效应，能大幅提高机械钻速；可有效地保护地层、稳定井眼、防止井漏。

实现平衡钻井的关键是选择合理的钻井液密度，使钻井液枝静液压力和环空压降之和同地层孔隙压力始终保持平衡。

平衡压力钻井技术的基础是新近发展起来的地层压力和地层破碎压力梯度检测技术、井控技术、钻井液固相控制工艺技术及计算机技术。因此实施平衡压力钻井，必须安装可靠的井控设备，防止井涌失控导致井喷；必须配置先进的固控设备，以适时调配和控制钻井液性能。

三、常规定向钻并的造斜方法与工具

定向钻井始于60年代，70~80年代已发展成熟，获得普遍应用，目前已成为一种常规钻井技术。常规定向钻井技术是水平井、大位移井、多文侧钻井技术的基础。

定向钻井，需要用专门的造斜方法和工具，使井身沿预定的方向钻进。 造斜方法有转盘造斜和井下动力钻具造斜两种，后者应用更普通。

1.转盘钻定向井的造斜方法和工具 (1)槽式变向器 这是最早使用的一种造斜工具，常用套管焊成，下为楔形，便于插入地层。上有销钉孔，用销钉和钻具连接，如图1—32(b)所示。

图l—32(a)是变向器造斜时下部钻具配合的情况。

造斜时，首先使方钻杆进入方补心，定向井固定好转盘，加一定压力使变向器下部楔入地层，剪断销钉后，钻头沿斜面下行，造斜钻进。

(2)稳定器(扶正器)组合的造斜工具 钻具组合为：钻头十稳定器十小尺寸钻铤(或加重钻铤)l柱十钻铤3—4柱十钻杆。钻进时，以稳定器为支点，在钻头处可产生迭斜力，实现造斜钻进。

采用合理的稳定器安装组合，即调牲稳定器的参数、安装位置及稳定器尺寸(全尺寸或欠尺寸)可得到所需要的增斜、稳斜及降斜钻具组合。图1—33给出了转盘造斜7种典型钻具组合的示意图。

①增斜组合 a、b、c是三种增斜钻具组合。定向井中，用造斜工具进行初始造斜后常使用这种组合。增斜能力以组合a最强，组合b次之，适用于软或中等地层；c有一个欠尺寸稳定器，增斜能力较低。

②稳斜组合 c和d是两种稳斜钻具组合，当井斜角增至所需角度后，换用稳斜钻具组合钻稳斜井段。—般稳斜组合安装三个稳定器，组合d用于软地层，组合e有一个欠尺寸稳定器，是微增斜组合，可抵消稳斜段钻进时重力的影响。

③降斜组合 f和g是两种降斜钻具组合。定向井井斜角超出规定要求需要降斜时，或定向井剖面设计有纠斜段时，需采用降斜钻具组合。f是典型的钟摆纠斜钻具，只有一个稳定器且离钻头远，以取得需要的钟摆力进行降斜。

2．井下动力钻具钻定向井的造斜方法和工具

常用的井下动力钻具是涡轮钻具和螺杆钻具，在俄罗斯也采用电动钻具。井下动力钻具钻进时，钻校是不转动的，更有利于使用造斜工具。

用螺杆钻具和涡轮钻具钻定向井时，在钻具J：方接上造斜工具，使造斜工具的下部产生弹性力矩和相应的斜向力，如图1—34所示。

常用的造斜工具有弯接头、弯钻铤、弯钻杆、祸轮偏心短节和螺杆钻具的弯壳体。 （1)弯接头 常用弯度。角为o°30’，I°，1°30’，2°，2°30’，3°，3°30’，最大4°，更大

弯度不易下井，如图1—35所示。

(2)弯钻铤 为一长3m左有的短钻铤，两端的扣都车有一弯角，相当于两个弯接头组合，可获得较大组合弯度，较易下井，如图1—36所示。

(3)弯钻杆 将普通钻杆下端弯曲成一定角度，弯曲点距螺纹处1~1.5m，柔性大，易于加工、便于下井，但造斜能力弱，如图1—37所示。

(4)涡轮偏心短节 在祸轮钻具下部压紧短节上焊一弧形偏心铁块，如图1-38所示。在松钦易场地层中，造斜效果比弯接头或弯钻杆好。

3．造斜钻具组合

使斜井达到一定的造斜率，是通过选用不同造斜能力的斜向器和相应的钻具组合来实现的。

图I—39为我国四川地区常用的两种涡轮造斜钻具组合。 用于造斜的涡轮有短涡轮和复式弯涡轮两种。

短涡轮结构与普通单式涡轮基本相同，长3—5m。

复式弯涡轮是用弯接头及相应的活动联袖节连接起来的复式涡轮利于造斜；上节长(约8m)，可增加涡轮组数，获得较大功率。

第四节 钻井技术的新发展

随着现代科学技术的进步，海上油气囚勘探开发的迅速发展、陆上深部利复杂地质构造油气勘探开发的进展，80~90年代以来涌现了多种跨世纪的油气钻探新技术。

一、欠平衡钻并技术

欠平衡钻井是当今新兴的钻井技术之一。钻井过程中保持钻井液柱静水头施加的井底压强低于井孔的地层压强，容许地层流体进入井内，循环出井，井在地面上得到处理和控制。

应用欠平衡钻井技术可提高油层动态水平，有利于发现低压储层；最大限度地避免对油层的损害，提高油井生产效率；减少采用昂贵的增产技术。欠平衡钻井可提钻井特性，即提高机械钻逆，降低钻井成本。

欠平衡钻井适用于多种地层条件：存在井漏的油层；液敏油层，如对水基钻井液过敏成分含量过高的地层；机械封堵引起的井壁堵塞；页岩水化引起的并壁堵塞；低渗透油层；硬地层；欠压或衰蝎地层；大裂缝(开度大于100×I 0-3)地层等。

实现并保持欠平衡钻井，需配备专用注气设备，在地面向钻柱内给钻井液注人空气或氮气，以降低液柱静水头。需配备井控设备及产出流体的地面处理设备以及随钻测量仪器设备

二、深并、超深并钻并技术

为了勘探开发深部的油气资源，必须钻深井或超深井。完钻井深为4500~6000 m的井，称深井；完钻井深为6000 m以上的井称超深井。

我国深井、超深井主要集中于西部地区，如四川盆地、塔里木盆地、准葛尔盆地。根据我国“稳定东部、发展西部”的勘探战略，必须面临深井、超深井一系列技术难题的挑战，要研究和掌握的关键技术包括：并眼稳定技术、并斜控制技术、高效破岩与洗井技术、固井技术、钻井液与完井液技术和管住优化设计技术等。

深井钻井中，因地层情况复杂，上部大直径井段，要用17 1/2”钻头钻达井深1000一3000 m，甚至3500~一4000m(对于4500m以下的中深井，一般仅需钻达深度200~700 m)。如此深的大直径并眼钻进，由于大直径钻头品种不全，可选型号少，破岩机械能量不足，不能高效破岩；水力能量不足，井底岩屑清除不净，以至机械钻速低，一般只有1—2m／h，甚至低于1m／h，在难钻的地层中达不到0.5m／h。在深部井段下5 1/2”(7”)技术套管后，用4 5/8％、”(5 7/8”)钻头继续钻进至目的层。在这种小井眼井段，由于钻头、动力钻具、井底增压器等技术尚未完全过关，钻速也很低。因此，深井、超深井钻井中，机械钻速低、钻头寿命短、起下作业频繁、建井周期长、费用很高。

综上所述，为了适应深井、超深并钻井技术发展和提高机械钻速的需要，对钻井没备和钻具提出了一系列要求．主要有以下几个方面：

(1)加速研制和生产先进的深并、超深井钻机。国产ZJ60级深井钻机已有机械驱动、链传动的ZJ60K电驱动的ZJ60D和电驱动的沙漠钻机ZJ60D5等，但尚未研制更大级别超深并钻机。深井、超深井钻机应采用电驱动，配备顶驱钻井装置，提高机械化水平。

(2)深井、超深井钻机应配备三台大功率钻井泵，以保证上部大直径井段一台泵检修双泵打钻流量较大的要求，提供足够的水功率，以满足高效破岩与洗并技术对水力流量的要求，提高机械钻速。

(3)研制、配置高效先进的固控系统，有效控制钻井液密度和性能，保证深并、超深并钻井中稳定井眼技术、钻井与完井掖技术的顺利实施。

(4)针对地层岩性特点、研制适用于不同岩层的大尺寸(17 1/2”)钻头，增加钻头品种和类型，供合

理选择，以提高深并、超深并上部大井眼并段的机械钻速和钻头总进尺。如大直径PDC钻头，能强化井底很硫的新型牙轮钻头，能适应大钻压的低速滑动轴承牙轮钻头，能适应中速和高速的滑动轴承、滚动轴承牙轮钻头等。

(5)开发中速大扔矩并下动力钻具，如涡轮钻具、螺杆钻具，尤其是要与涡轮钻具适用的钻头配套，使钻头转速达到150~250f／min，甚至达到180~350 r／min，提高并底破岩机械能量，以大幅度提高大直径井眼段的机械钻速。在深井段难钻地层，中速(200~250 r／min)、大扭矩减速器涡轮钻具配以中高速牙轮钻头，也可以较大幅度地提高机械钻速。长寿命、高转速涡轮钻具，配以自锐式金刚石钻头，国外钻井实践表明，并深在3500~6700 m范围内，机械钻速可达到2．5~5m／h，单只钻头进尺可达200~500 m。

三、水平井技术

1.慨述

水平井技术是在定向斜井的基础上发展起来的，在20世纪80~90年代得到了迅速发展。有长半径、中半径、短半径水平井和特殊工艺水平井，如径向水平并(超短半径水平并)、侧钻水平并、多分支水平井等。当前，已相应地形成了一整套比较成熟的各种水平井钻井、完井及增产技术，显著地提高了油气勘探开发综合经济效益，是世界石油工业油气勘探的一次技术。

现代水平井技术包括：优化设计技术、并眼轨迹控制技术、优化完井技术、钻井液技术以及水平并的固并、测井、射孔、防砂和增产技术。其中优化设计、井眼轨迹控制、优化完井是水平并钻井的关键技术，和钻井设备及工具、仪器有密切关系。

(1)水平井优化设计技术 从研究油藏开始，综合考虑地质、钻井、测井、完并以及采油多方面要求进行优化设计。运用油藏模拟技术和三维地震资料确定油藏界面；应用计算机模拟技术进行井眼轨迹的优化设计；优选水平井井身结构和下部钻具组合等，使该水平井既能满足勘探开发要求，又能降低钻井成本。

(2)并眼轨迹控制、检测技术 根据优化设计的井眼轨迹，研究配备先进的导向钻进系统，采用先进的随钻测量(MWD)仪器和技术，配合专用计算机软件，实现井眼轨迹的连续控制，使钻头准确地进入水乎段井钻达最终日标。

(3)优化完井技术 水平井完井直接关系到油井产量和生产寿命。它包括根据水平井几何类型和油藏特征选定合理的完并方法、优化设计完井方法和完井管理，侧钻水平井和多分支井(同层多向分支井、同层叠式分支井、多层分支井)，完井难度大，需研究专用的完并技术和工具。

2．典型的导向钻具组台

随着定向井、水平井钻井技术的发展，研制并采用了导向钻并系统(NaviBati。n Dr川。gsystcm)。导向钻井系统包括长寿命高效钻头、导向钻具组合、随钻测量及计算机技术应用等。其中导向钻具组合是导向钻井系统的核心内容，尤应引起机械工作者的关注。

导向钻具组合主要有偏心稳定器、井下动力钻具与普通稳定器的组合，具有弯外壳的井下动力钻具与稳定器的组合，或由可调弯接头与井下动力钻具的组合。现分别介绍几种典型的导向钻具组合。

(1)导向涡轮钻具组合 由润轮钻具、倔心稳定据和l~2个常规稳定甜组成。如图1—40所示。偏心稳定器的偏心距愈大，导向涡轮钻具的造斜率也愈大。

(2)导向螺杆钻具组合 螺杆钻具有单弯型和反向双弯型两种，如图1—41所示。

图1—41(a)为单弯型导向螺杆钻具组合，由钻头、下德定器、单弯螺杆钻具、上稳定器(无磁)、随钻测且(MWD)等组成，上接无磁加重钻杆。

图1—41(b)为反向双弯型螺杆钻具组合示意图。由钻头、反向双弯型螺杆钻具、下稳定器、上德定器(无磁)和随钻测量等组成，上接无磁加重钻扦。所谓反向双弯，即螺秆钻具外壳，先以较小角度朝一个方向弯曲，然后在同一平面内以较大角度朗相反方向弯曲，两弯曲角度之差使钻头轴线偏离并眼轴线，差值大小决定着造斜率。

(3)具有可调弯接头的导向钻具组合 如图1—42所示，由钻头、动力钻具和可调弯接头组成。弯接头装在动力钻具上方，使钻头产生造斜力。一个先进的液压可调式弯接头装在动力钻具上方由地面遥控，可获得6个不同的结构弯角(0°~ 3°)，改变造斜率，实现并眼轨迹的连续控制。

因1—43所示为法国石油研究院与SMF公司联合研制的T—300液压式多角遥控可调弯接头，主要由上短节、下短节、内轴、随动系统、润滑系统、复位弹簧和驱动销等组成。结构弯角β为上短节轴线与内轴轴线(活塞轴线)间的夹角；弯曲角θ为上、下短节轴线间的夹角；下短节可绕内轴作步进式转动，转角用P表示，转动一周分I0步，每步进一次，增加36°，弯曲角θ也随之变化，当Φ＝180。时，θ达到最大值2β，从位置0步进式转到5，弯曲角逐渐增大，由位置5转到位置10(即回归位置0)弯曲角逐步减小。该可调式弯接头可获得6个结构弯角，已有9种外径的产品可供选择，能得到的最大结构弯

角分别为2°(外径171.45mm)、2．5°~ 3°(外径196．85~203．2~228．6mm)。

3．超短半径径向钻井系统 超短半径水平并，或称径向水平并，是采用特殊的径向钻井系统，利用高压射流喷出一段水平井眼。径向钻井系统如图1—44所示，造斜器如图1—45所示

径向钻井系统能够在230~300 mm(9~12in)曲率半径内作90°转向井钻出水平井段。井眼扩孔段可用机械的或水力喷射工具完成，直径为560 mm(22”)，超短半径造斜器竖立安放其中，用锚爪固定于套

管内壁。曲率导向管由几节短导向管组成，各节之间靠销钉连接，各短节可统销轴转动，能使整个导向管从垂直转向水平，形成90°弯曲导向管。还有一对提升侧向板和转换连接装置(图中东示出)，侧向板通过转向连接装置与高压工作管柱连接，可随工作管柱作有限上下移动(约300 mm)、曲率导向管顶部一节短管进口端与造斜器本休连接，底部一短节管出口端通过销钉与提升侧向板下端连接。当地面修井机上提高压工作管柱约300 mm时，侧向板随之上升300 mm，通过提升销连接的最下一节曲率导向短节，迫使中间各节短导向管柱销钉转动而向后延伸形成反向弓形弯曲的曲率导向管。

径向管为连续焊钢管，直径32mm(1 1/4”)。曲率导向管内有一系列的滚柱和滑块，使径向管容易通过，并引导径向管在曲率半径230~300 mm范围内逐渐弯曲，转向90°至水平位置。

径向钻井系统的径向钻进依靠高压水系统完成以下功能： ①通过特殊的锥性射流喷嘴，产生高压水射流切削地层；

②对径向尾管端产生轴向推力，使其沿造斜器的曲率导向管进入地层；

③高压水在径向管前端产生一个张力(轴向拉力)，拉着径向管前端沿轴向朝前运动实现钻进。 径向钻井系统．征大多数地层岩石中，采用等压力喷射钻井(5000—I 0000 psi)，可钻出直径l02mm(4”)的水平井眼，且具有穿透所有岩石的能力。当工作管柱为114mm(4 1/2”)、径向管直径为32mm(1/4”)、水压为10000 psi，可产生55kN的总推进力。

四、小井眼钻井技术 1.概述

小井眼井通常是指90％井深直径小于177．8mml(7”)或70％井身直径小于127mm(5”)

的井。小井眼钻井在石油工业中的应用始于50年代．80~90年代小井眼钻井技术取得了突破性进展，成为继水平井之后油气勘探开发中又一热门技术，展现了良好的应用与发展前景。

和常规钻井相比，小井眼钻井可大幅度降低钻井成本，改善油田经济环境。钻井实践表明：小井眼探井和评价井，可降低钻井成本40％~60％．生产井和注水井可降低钻井成本25％~40％。能大幅度降低钻井成本，主要是由于：初投资费用较低；采用小钻机和小井场；钻井速度高，起下钻速度快；井眼小，缩小了套管尺寸，降低了督材成本；减少了钻头、钻井液等消耗材料费用。此外，井眼小，采用的设备尺寸小、占地面积小，消耗功率小，钻井作业带来的废钻井液、废油、水泥浆、钻屑及废料大大减少(钻屑量和钻井液用旦只有常规井的1／10左右)，可以得到妥善处理，大大改善了环境，减少了环保费用。

小井眼钻井技术应用领域比较广阔，随着钻井技术的发展和专用钻井设备及工具的出现，当前，小井眼钻井不仅可用于浅井、直井、也可用于中深井和深井、定向井和水平井、多分支井；不仅可以用于探井，也可用于开发井；不仅用于打新井，也用于老井加深和开窗侧钻。因此，小井眼钻井技术用于低渗透油气田的开发、老油田中后期的挖潜开发和边远新区的勘探，都具有突出的优越性。 2．小井眼钻机

常规的石油钻机、修井机、连续柔管钻机和专用小井眼钻机都可用于小井眼钻井小井眼钻机能充分发挥小井眼钻井的优势。

国外已研制出多种小井眼钻机，典型的几种简介如下：

(1)Longyear Rig矿用连续取心钻机 Longyear PM603钻机由Longyear公司制造，主要特点是：可钻井深由1000 m(井径215．59mm)到3300 m(井径76．2 mm)，具有液压操作与控制系统和顶驱钻井装置(0一600 r／min)，配备有钻井泵和单独驱动的注水泥泵，以及井控设备和现代化的固控系统。 〔2)Nabors Rig170小井眼钻机 该钻机由Amdco和Nabors公司联合研制，配备有数 控系统(DCS)和专家井控系统(XWC)，现代化程度相当高。DCS系统包括人机联作系统数据

控制软件、计算机、监测器、司钻控制台、司钻监测器等，可采集和处理置于钻机有关部位的钻压、压差、位置、温度、钻井液池液面高度等传感器以及应变仪、磁件流量仪、热电偶转速仪等的数据。 井控专家系统XWC可监测井橱，井指导司钻采取适当的处理措施。

(3)MD系列小井眼钻机 由瑞典Microdrill公司研制。MD系列钻机依可钻井深有

MD—800、MD—1500、MD—1700，正在研制MD—2000。如MD—1500，可钻1500 m井深，重量轻，仅14tf。MD液压钻机配备有电驱动水龙头。

此外，瑞典还生产微型小井眼钻机，有Diamec—700和Dismec—1000。如Diamec—700可钻井深700 m(井径51—52mm)，重量仅15tf，井队成员仅二人。

(4)法国W—N APach钻机 该钻机拖车装，配备有顶驱钻井装置，可钻井深2438m，仅需相当于常规钻井1／3的工作人员，自动化程度很高。

由国外几种典型小井眼钻机具有的特点，可以看出现代小井服钻机发展趋势是结构轻小，移运安装迅速、方便；液压驱动传动与操作、控制，自动化程度高；配备顶驱钻井装置，提高钻速和起下作业速度；尽可能地配置数控监测处理系统、井控专家系统及其它可供应用的钻井专家系统。

我国自70年代以来，先后在吉林、大庆和等地区用常规钻机已打了800余口小井眼井，与常规井眼相比，节约成本约15％。国产小井眼钻机研制工作已提上日程，期望在21世纪能见到具有现代水平的国产小井眼钻机投入使用。 1.小井眼钻井系统

专用小井眼钻井系统是实现小井眼钻井的关键。典型小井眼钻井系统有3种基本型式，转盘钻进、连续取心钻进和井下马达钻进系统，共同特点是：采用小钻机、小直径钻具(钻头、钻杆柱、井下马达)和高转速钻进，比常规钻井系统可节约钻井成本40％~70％。

(1)转盘钻进系统 采用小直径钻杆和高速度的金刚石钻头，钻速一般可达6m／h。该系统可用在50．8mm(2”)小井眼内进行取心钻进、扩眼完井，还可用于老井加深的钻小井眼完井。

(2)连续取心钻进系统 Ameco公司最早研制井使用了这种钻井系统，采用矿业取心小钻机，液压顶驱，外平接头薄壁钻杆，电缆可回收岩心简和取心钻头。顶驱转速可高达2250rpm，一般使用400~800rpm，采用电缆可回收岩心筒和111．3mm(4 3/4”)取心钻头，得到的连续岩心长度可达12.19m。在开发井的小井眼取心钻井中，取心牢高达98.3％。

(3)井下动力钻具钻进系统 国外已研制了多种小型井下动力钻具(又称井下马达)用于

钻小井眼井。螺杆钻具直径为38。1( 1/2”)一85．73mm(3

3/8”)，可钻井眼直径相应为50.8(2”)一114．3mm(4 1/2”)。钻进速度为500一1000rpm，钻进速度比转盘钻快3—5倍。两种典型的小井眼井下限杆钻具组合如图1—46所示。

(4)小井眼水平钻井系统 常用的小井眼钻井系统如图1—47所示。采用小井眼高速螺杆钻具(300一800 rpm)，配以特别的侧向齿热稳定金刚石TSD钻头或PDC钻头，在螺杆钻具上配有两个弯短节和一个造斜滑块。试验证实小直径螺杆钻具直径为60．33mm(2 3/8”)一85．73mm(3 3/8”)，配以TSD和PDC沉钻头，在转速为600—l 000 rpm范围内钻不同地层，比转速低的牙轮钻头以150 rpm钻进速度

快3—5倍。

五、连续柔管钻井技术。

1.概述

连续柔管(Coiled Tubing)，又称挠性管或软管，简称CT，是一种高强度连续制造的钢管。 目前制造的连续长度已达914．4—7620 m。

用连续柔管作业机取代钻机、修并机，用连续柔管取代常规钻扦和，进行修并、钻井、完并及各种油并作业，统称为连续柔管技术。

连续柔管技术用于油气勘探与开发始于30年前。现在连续柔管技术己成功地用于修井、完并和各种油井作业，如冲洗、人工举升、测井和射孔、挤水泥、并下扩孔、防砂及磁化增产。仅就钻井而言，连续柔管技术已成功地用于在老并眼内钻直井、侧钻水平井及小井眼钻井。随着连续柔管材质和制造工艺的改进与完善，和大直径高强度连续柔管的问世，以及配套的并下马达、定向工具、传铅系统和钻头的研制，连续柔管钻井技术必特有新的发展，获得广泛的应用。

连续柔管钻井，突出的优点是：省时、省钱、安全。与常规钻井比，连续柔管的收放取代了钻扦单根(立根)的联接、折卸，实现了连续钻井并大大节省了起下钻的作业时间，缩短了建并周期。连续柔管钻井，地面设备少，六地面积小、对环境影响小．设备投资及安装、维护保养费用低。连续罕管不存在常规钻校的大量接头，能连续循环钻井液，即使在带压作业条件下也可安全有效地控制工作管柱而无用压并，减小对地层的伤害，因此用于欠平衡钻井更具有安全性。

但连续柔管技术的应用尚受到一些因素的。目前的连续柔管作业机还只能用于钻并，而钻井前期的准备阶段、下套管、下层管、完并等都要用常规钻机。并眼尺寸小；连续柔管本身寿命较短。 2．连续柔瞥钻井系统

连续柔管钻井系统包括作业机及辅助装置、循环系统等地面设备、连续柔管和井下钻具。 (1)连续柔管作业机 图1—48为一种连续柔管作业机的结构示意图，主要部分包括：

①连续柔管注人头 连续柔管注入头又称牵引起下设备，主要功能是：克服浮力和摩阻力将柔管下人井简内；悬挂连续柔管并控制其下放和提升速度；底部装有载荷传感器，在控制台处显示柔瞥栓重量和提升力。

②卷筒 用于绕连续柔管，简芯直径大小取决于要眷绕的柔管直径和长度。例如：简芯 直径为1。524~1．828 m，凸绦直径为2．743m眷简，可绕柔管长度为：外径Φ25．4mm(1”)柔管7925m，外径431．75mm(1 1/4”)柔管6706m。

(2)连续柔管 连续柔管的性能和质量是连续柔管技术的关键。碳钢、调质合金钢和镇钢3种材质的连续柔管已投人使用，正在研制玻璃纤维和碳素纤维等复合材料的连续柔管。

碳钢(HSLA钢，型号A—606，4型，改良型)制造的连续柔瞥，屈服强度为482．58MPa。现场应用的是含有铬、镣元素的调质合金钢柔管，屈服强度为551．5MPa。敏合金钢制造的连续柔管、重量轻，强度高，屈服极限可高达967MPa，但价格昂贵，只能用于特别恶劣的环境条件和有特殊要求的场合，如海底控制管线、化学液注入及控制管等。

钻井作业中适合采用外径大于44．5mm(1 3/4”)的连续柔管。大直径连续柔管的水力性能好，能承受井厂马达产生的反作用力矩大，能钻更长的水平并眼。90年代已研制了一些大直径连续柔管，如66．33mm(2 3/8”)、88.90 mm(3 1/2”)、114．3mm(4 1/2”)，进一步扩大了连续柔管技术在油气勘探开发领域的应用范围，展现了可喜的发展前景。

表1—3列出了几种连续柔管与API钻杆性能参数。

(3)井下钻具组合 连续柔管钻井用钻头、井下动力钻具、钻铤与测量仪与常规钻井所用的相同，但连续柔管接头、定向工具、紧急断开接头等则是专门设计的工具。

连续柔管接头用于联接连续柔管和井下工具组合，井避免井下钻具振动冲击对连续柔管造成损害。紧急断开接头的作用是，当钻头或钻铤在并眼中卡住时，能使连续柔管与井下钻具断开。

图1—49所示为连续柔管钻扑稳斜钻具组合；因1—50所示为连续柔管钻井造斜钻具组合。

六、其他钻井新技术

近20年来，并眼轨迹控制技术的研究和应用已取得了长足的进步，大大提高了直并防斜与定向并、水平并定向控制的科学水平，在21世纪，可望成为实现自动化与智能化钻井的一门核心技术。其它钻井新技术，如并服稳定、高效破岩与洗并、油层保护、现代油井没计、随钻测并、随钻地层以及钻井三维可视化技术等，也都取得了可喜进展，对实现科学钻进、提高油气勘探综合经济效益都作出了重要贡献。

思 考 题

I．什么叫油气藏和油气田?油气是怎样生成的?

2．石油和天然气有那些物理性质?它们由那些元素组成? 3. 简要阐述主要的钻井方法及基本设备。

4．正常钻井包括哪些工艺过程?容易出现哪些事故？如何防止井斜？上述过程中需要用到那些设备? 5. 影响钻井速度的主要参数有哪些？ 6．何谓定向钻井、丛式始井和水平钻井? 7．畸射钻井有何特点?

8．简述常规定向钻井造针的基本方法和所应用的主要工具。

9．什么是欠平衡、超深井钻井技术?各有何特点?对设备有何特殊要求? 10．水平井钻井技术有那些特点？对设备有哪些特殊要求？ 11．小井眼钻井技术有什么特点?设备有何特殊性？ 12．连续柔管钻井技术与设备有那些特点?

第二章 采油工程基础知识

石油开发的基本目的是尽可能将储存在油、气层深处的油、气开采出来，提高采收率(油田开发结束后，累积的采油量与实际的储油量之比，称作采收率)，降低成本。因此，钻井完井之后，油田主要的和大量的工作就是实施各项完善的采油工艺，集中解决如何将井下的原油提升到地面并向外输送，以及如何使地层中的原油流向井底两大问题。

采油工艺的内容十分广泛、复杂，涉及到地质、物理、化学、机械等多方面的理论知识和实践知识，作为机械工程技术人员不可能学习或研究过多的内容，本章将就诸如自喷井采油、机械采油、油田增产措施、第三次采油、油水井维护与修理等技术问题作概要的介绍，使读者对采油工程工艺技术建立起必要的总体概念，初步了解完成这些工艺所应用到的主要采油设备，为进一步学习、研究相关的工艺和设备莫走必要的基础。

第一节 自喷井采油

按照油层内部的天然能量、油层渗透性能和原油性质等，开采原油的方法有自喷井采油法和机械采油法两大类。自喷井采油法就是利用地层本身的能量由井底向地面举升原油，称作自喷井采油。其工艺和设备比较简单．图2—1所示为自喷井采油装置示意图。

一、油井自喷基本原理 1．自喷的诱导

钻井作业完成以后，由于井简内充满着钻井液，液柱作用于井底的压力一般大于油、气层压力，加上钻井和射孔过程中污染物的堵塞和阻碍，油、气一般不能流入井筒内，更不能自动喷到地面。因此，采油之前一般要降低井简内的液性压力，清除堵塞油层的污物，使油、气能够畅流到地面。这种诱导作业过程称作诱喷或诱流。诱喷的方法通常有以下几种。

(1)替喷法 将下入井底，利用洗什机或水泥车向井内注入低比重泥浆或清水、原油，替换出井内原有的高比重钻井液，降低井底液拄压力，然后上提至油层中部，或者继续在井底向井内注人清水，直至返出的清水中带有大量油花井形成轻微的井喷为止。

用原油替喷时，一般从油、套管环形空间注人，从中返出循环洗井液。这样做易于控制井喷和放喷。

(2)抽汲法 替喷后，若油井仍不能自喷，可用一种特殊的拍子在内上下高速提放，一方面将井内液体逐渐抽出，进一步减低井内液拄压力，另一方面，在强大的抽力下，有可能将浸人油层的钻井液、污物吸出，从而使油井自喷。

(3)气举法 利用移动式压缩机从或油、套管环形空间向井内打入压缩气体，使井简中的液体从环形空间或中排出，减低井底液柱的压力。

(4)提捞法 将一个用钢管制成的提捞桶下人井内、一桶一桶地提捞出液体，达到降低井底压力的目的。

经过上述方法使油井自喷后，就打开套管阀门放喷一—个短暂的时间，然后改为放喷，转入正常的采油。

l一套管短接，2一套管头座；3一四通；4一大小头：5一阀头；6一短接；7一油嘴套和井口油嘴； 8一由壬9一放空阀；10—压力表；11—导管；12—表层套管水泥；13一表层套管：14—技术套管； 15—油层套管；16一；17一高压气层；18一高压水层，19—易踏地层；20—技术套管水泥环； 21一主油层；22—油层套管水泥环

2．目喷的动力

井底原油能自喷到地面主要是受多种地层驱动力的作用。当油藏未开发、地层未打开时，油层中的压力处于平衡状态，原油不流动；一旦地层中钻有油井，并开始生产时，油层内的压力平衡被打破，井底压力低于油层压力。在地层驱动力的作用下，先将原油从地层内推向井筒，若还有剩余的能量，再将井简内的原油举升到地面。地层对原油的驱动力主要有以下几种。

(I静水压头 有些油田的油层与四周地面水源连通，或油层的底部和四周与水源连通，且油水表面间有一定的高度差，如图2—2和图2—3所示。在水赔压力差的驱使下，油层的原油向井筒内流动，若剩余压力大于并筒内液柱的压力，原油就自喷到地面。这种情况分别称作边水驱动和底水驱动。

(2)气顶压缩气的膨胀力 有的油层中，原油的溶气量达到饱和状态后，多余的天然气就聚集到油层的顶部，处于高度压缩状态，如图2—4所示。当油井生产时，随着油层压力的降低．压缩气体膨胀，推动原油流向井筒并喷出，气顶驱油能量的大小与气顶的体积和气体的压缩性等有关。

(3)油层弹性力 当油层投入开发时，由于其压力不断下降，处于压缩状态的含油岩层及其中的各种液体(主要是位于广大含水区的水)体积膨胀，挤压原油向井筒流动。

(4)溶解气的膨胀力 随着油田的不断开发，地层压力不断下降，当降到低于气体饱和压力时，油层中原油的饱和气就开始膨胀，带动原油一起流人井筒，井携带原油喷出。

(5)重力 到油田开发末期，其它能量逐渐枯蝎，原油靠白重从油层高处流向低处，进入油井。此时，油井自喷能力逐渐降低直至完全丧失。

油层的地质条件及开采方法不同，主要驱油动力的表现不同，驱油效率不一样。一般说来水压驱动时，原油的采收率最高，而溶解气驱动和重力驱动时采收率最低。

3．自喷的流态

自喷过程中油、气在并简内的流态是动态变化的，分为纯油流、泡流、段塞流、环流和雾状流等，如图2—5所示。这主要是因为井筒内不同井段的压力发生变化的缘故。

(1)纯油流 在最下段，井筒内压力高于饱和压力，气体溶解在原油中，油流为单相的运动状态。

(2)泡流 往上，由于并筒内的压力稍低于饱和压力，小部

分气体从油流中分离，在原油中呈小气泡状态。

(3)段塞流 再住上，井筒内压力更低于饱和压力，气体进一步膨胀，小气泡合井成大气泡，使井筒内出现一段原油一段气体的柱塞状，这时的气体象活塞一样，对油流有很大的举升力。

(4)环流 油流再上升，气体再分离、膨胀，气体拄塞不断加长．逐渐从中心突破，形成中心连续气流，而管壁附近则是原油流动的液流状态。

(5)雾状流 最后，在井筒的最上段，气体继续增加，中心气柱完全占据了断面，油流变成极小的液滴分散在气柱中，以雾状喷出。

二、自喷并的设备

自喷井采油过程中，而要应用一系列井下和地面设备。 1．自喷井井下管柱结构

一般的井筒中包含若干油层，在非均质油田，各油层的渗透性能、压力和含水等差别很大，如果多层同时以单一的管柱开采，则同一井底压力下，渗透性好、压力高的油层就产得多、出油快，中低渗透层及压力较低的油层由于压差小，就不能发挥生产能力。为了确保各油层稳产、高产，提高无水采收率和最终采收率，完成自喷采油作业，必须有一套完整的井下管杜结构，控制各层在合理的压差下平衡开采，实行分层配产。

分层配产管拄由套管、、封隔器、工作简配产器、锚类及油嘴等组成，各组成部分间通过螺纹连接，如图2—6所示。分层配产管柱根据油井内—各油层的性质，用封隔器将各油层分隔开，选择不同大小的油嘴，控制生产压差，使各层段按照其自身特点进行生产。

(1)油井分隔器 是分隔油层实行分层开采的主要井下工具，作用是分隔油层。

(2)配产器 用于控制各油层的回压，适当降低高渗透油层的采油量，相对加大中低渗透层的采油量，实现分层配产或不压井起下作业。

(3)锚类或支撑卡瓦 连接在封隔器的下部作为管柱的支点，用于座封封厢器，克服封隔器因受上部压力所产生的向下推力，防止管柱向下移动。

2．自喷井采油的井口装置

采油(气)井口装置是引导和控制油气混合物的流动方向、流量大小和进行油气生产的重要地面设备。

(1)井口装置的类型 类型很多，分类的方法也各异。 ①按连接方式分 按照各部分连接方式的不同，大体上可分为3种。

a．法兰式井口装置 各连接部位用法兰连接，特点是承压能力大，目前可达200 MPa，但拆装不方便。

b．卡箍式井口装置 备部位用卡箍连接，拆装方便，但承压能力较小，目前不超过70 MPa。

c混合式井口装置 一套井口装置中，既有法兰连接，又有卡箍或螺扎纹连接的，称作混合式井口。

②按使用条件分 可分为单冀、双冀，后者又有单管、双管之分。

图2—6 自喷并分层采柱结构示意团

1一油层；2一DQ0152活动头；3一堵塞器；4一DQ0653偏心配产器；5一DQ7552封隔器；6一DQ0552支撑卡瓦7一DDQ0153撞击筒(压井时用SL0652配产器)；8一丝

a．单翼 对于井口压力不太高，油(气)产量单一或产量不大的油井，井口装置一般只有一个工作翼作为工作管线，井只能悬挂一根柱，称作单翼单管井口装置。

b．双翼 对于探井、超深井，油气层单一，储量较丰富的油气层，井口装置可以有两个工作冀．一冀作工作管线，悬挂一根柱，另一冀作备用管线，称作双冀单管井口装置。

c双翼双管 对于多个且储量较丰富的油气层，井口装置有两翼，同时头内可悬挂两根柱，可实现双层开采，称作双冀双管井口装置。在双管或多管井口装置中，采油树上的阀门要与头内的柱数目相配套，以便实现分层开采。

此外．还有用于海上平台、海洋水下的井口装置和稠油开采的热力采油井口装置等。 图2—l上部1～10是法兰式井口装置简图；图2—7是双翼单管混合连接的井口装置图

(2)井口装置的组成 井口装置一般由套管头、头和采油树等部分组成。

①套管头 安装在井口装置的最下方，其作用是固定整套井口装置，连接井下各层套管柱，使各层套管间的环形空间相互密封。钻井时，套管头上可以安装防喷器等设备，采油时、则用于安装头和

采油树。随着井深的增加，需要封隔井下地层的层数增多，下入井内的套管长度也相应增加。目前下人油井的套管栓多达5层，故套管头有单层、双层及多层之分。

单层套管头的结构如图2—8所示。在表层会管上有连接法兰，用双头螺栓将大小头与法兰连接。该套管头适用于压力为15～20 MPa的浅井。双层套管头如图2—9所示。第一层套管与下短节相连，下短节内配置卡瓦式悬挂器，其内连接第二层套管；两层套管问的空间相互密封；第二层套管的活端与套管头上的短节焊接在一起。

①头 位于套管头的上方，由头四通和悬挂器等组成；其功能是悬挂柱，密封与生产套管之间的环形空间，并可进行各种工艺作业。图2—10是锥座式头结构。四通两侧安装套管阀门，以便进行正反循环洗井，观察套管压力，并通过油、套管空间进行各项作业。下完后，将头下部的短节用螺纹与柱上端相连，住校悬挂起来；柱与四通内壁之间的间隙由一组密封圈加以密封；用顶丝将挂锁住，防止井内液

1一大小头；2一法兰；3一表层套管

1一下部短接；2一卡瓦式悬挂器；3一密封器；4一上部短接

体作用在上将柱顶出固有的位置；挂上部的护丝是为了保护挂上方的螺纹，安装采油树时可将护丝卸去。我国生产的头装置的最大工作压力系列为20.7,24.5,34.5，58.8，69.0，98.1和103.6MPa，可悬挂外径为48.3—114.3mm(15／16”～4 1/4”)的

1一短节；2一圆形密封圈；3一护丝；4一挂；5一紫铜垫圈； 6一顶丝；7一大司通； ②采油树 安装在头的上部，作用是引导油并喷出的油气通向地面的输线，控制和调节油井的流量和井口压力，必要时可关闭油井。图2—11是法兰连接式采油树的结构．主要由各种阀门、三通或四通、油嘴即节流阀等组成。其中，总阀门是控制油气流的主要通道，正常情况下总是打开的，只有在需要关并或其它特殊情况下才关闭；清蜡阀门上部可连接清蜡装置、防喷器等，清蜡时才打开，完毕后将副蜡片起到防喷器中，再关闭。

阀门是采油树中主要组成部件，起着开启或裁断管道介质和控制高压介质流向的作用。节流阀是采油树中另一重要部件，主要功用是改变通道面积，调节油、气流量和压力，控制自喷井的产量。节流阀有固定式和可调节式两种。固定式节流阀中有可以换装的油嘴，选装不同内径的油嘴，可以得到不同的流量，结构如图2—12所示。可调节式节流阀的阀杆有针形和圆柱形两种，阀杆顶部及阀座一般用碳化钨硬质合金制成，以提高耐腐蚀和耐冲击的性能。通过调节阀杆顶部与阀座之间的间隙，可以得到不同的流量。其结构如图2—13所示。

1—总阀门；2一节流阀；3—生产阀门；4一清蜡阀门；5一截止阀；6—压力表；7一四通；8—节流阀

1一堵塞；2一阀盖；3一阀体；4一油嘴；

1—手轮；2一阀杆；3一阀盖；4一阀体；5一阀座

第二节 机械采油

随着自喷油井油层压力的逐步降低，流到井底的油气所具有的剩余能量不足以将油液喷到地面时，或者，在低渗透、低压力油层，其原始能量不能将油液自喷到地面时，通常要应用专门的抽油装置，特油井中的油浓举升到地面，以便保持并底和油层之间油浓流动的压力差，保证油气源源不断地流向井底。这种采油方式称作机械采油或人工举升采油。目前，我国的机械采油量占总采油量的80％以上。

按照抽油装置动力传递方式的不同，机械采油主要分为有杆泵采油、无杆泵采油和气举法采油等多种类型。

一、有杆泵采油

有杆泵采油是机械采油方法中应用最广的一种，在前苏联大约占77％，美国占81．5％，我国则占90％以上。图2—14是最常见的有杆泵采油方式示意图，其设备包括3部分：地面部分——游梁式、链条式或液压式抽油机；井下

图2—1 4 游粱式抽油机—抽油泵装置简图 部分压式抽油机；井下部分——抽油泵．又称

l一吸入（固定）阀；2一泵筒；3一柱塞；4一排出（游深并泵；抽油机与抽油泵连接部分——抽油

杆。习惯上将有杆泵上述3部分称作“三抽”动）阀；5一抽油杆；6一；7—套管；8一三通；

9一密封盒；10—驴头；11—游梁；12一连杆 设备。在图2—14中，动力机通过减速箱、曲

13一曲柄；14一减速箱；15—电动机 柄连杆机构和游粱等，将高速旋转运动变为抽

油机驴头的低速上下自，往复运动；井通过悬绳器、光杆和抽油杆带动有游动阀的柱塞，在探井泵筒中

上下往复运动，实现抽油。

抽油泵的工作原理如图2—15所示。抽油泵总是下放到液面以下的某一深度，故当柱塞上行时，游动阀受内液校的压力自动关闭，随着校塞的上行，上部的一部分液体排出地面；与此同时，柱塞下部泵筒空间内压力降低，井内液体在压差作用下顶开安装于泵筒上的固定阎阀球，进入泵筒，抽油泵处于吸人过程，直至栓塞到达上死点为止。当拄塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力升高．达到与泵筒外环形空间液拄压力相等后，固定阀阀球靠自重下落，使固定阀关闭；校塞继续下行，泵内压力进一步升高，当超过内液柱压力时，泵筒内液体即顶开游动阀阀球并进入，抽油泵开始排出过程，直至校塞到达下死点，如此循环不已。

由于校塞不停地作垂直住复运动，抽油泵中的固定阀和游动阀交替打开和关闭，泵筒反复完成吸液和排液动作，使内的液拄不断上升，并排人井口的输。

二、无杆泵采油

无杆泵采油的主要特点是取消了抽油机和抽油图2—15 抽油泵工作原理图

（a）一活塞上行(b)一活塞下行1一游动阀； 杆我国常用的有以下几种。

1.水力活塞泵采油 2一衬套；3一柱塞；4一固定阀。

水力活塞泵装置是通过高压动力液向井底传递

动力并实现拍汲并液的一种无杆抽油设备。

该装置包括3大部分：井下部分、地面部分和中间部分 ①井下部分 是水力活塞泵系统的主要机组，出井下液马达、往复容积式抽油泵、控制滑阀等组成，完成拍油的主要动作。

②地面部分 包括柱塞泵组、并口装置、并口四通、控制阀及动力液系统，起着向井下机组供给高压动力液及处理动力液的作用。

③中间部分 各种专用管道及．起着将动力液从地面送至并下机组，以及将抽出的地层液和工作过的乏动力液排出地面的作用。

实际上，水力活塞泵装置相当于将液压抽油机的驱动油缸及投向阀移至并下，直接与抽油泵相连，从而取消了抽油杆的抽油设备。它除了适用于一般油并采油外，尤其适用于稠油井、多蜡井、深井、定向井以及海上油井的开采。还可用于单并和多井的开采，便于集中管理。

图2—16所示为开式水力活塞泵装置的工艺流程图。地面柱塞泵将处理合格的动力液增压后、经过地面管网和井口四通阀，沿中心注入并内，驱动井下液 图马达工作；液马达的话塞带动抽油泵的校塞作往复运动，使抽油泵的固定阀和游动阀交替打开和关闭，实现；吸油和排油动作；液马达的乏动力液和抽汲的原油，一起从油、套管环形空间排到地面，通过并口四通阀进入地面输道。

1一套管；2—底阀；3一泵工作筒；4—乏动力液；5一液马达；6一；7—井口捕捉器； 8—井口四通阀；9—抽油泵；10一产液；11一封隔器

2．电动潜油离心泵采油

电动潜油离心泵机组被认为是一种比较经济有效、特别适用于海上油井和高产油井的机械采油方法，可以从较深的不同状况的油井中大量提取地层液。

电动潜油离心泵系统如图2—17所示，由电动机、保护器、吸人口(或气体分离器)、多级沉没式离心泵、电缆、控制屏和变压器等组成，附件有挂(井口装置)、单流阀、泄油器、电缆滚筒、测量并底压力和温度的仪表、将电线固定到上的电缆卡子等。通常情况下，将沉没式离心泵、电动机、保护器等并下机组统称为“电泵”。其中；电动机作为动力，驱动离心泵工作；多级离心泵将机械能转换为液能，提高油井液的压头，井将其举升到地面；保护器起着补偿漏油和电机平衡室的作用，即电机工作时，电动机油受热膨胀，一部分电机油进入保护器，当电机停转时，电机油冷却收缩，保护器又向电机内充油，同时密封电机壳体的动力端，使井液不能进入电机，油气分离型吸入口或油气分离器用于分离井液中的游离气体．井使游离气进入油、套管环形空间；泵上部的单流阀用于防止停泵时内液体回流而引起泵的反转；在提出并下机组时，泄油器可以将柱内的井液放掉。电泵连接在上，用柱下人井中，沉没在井液下抽油。它可适用于垂直井、弯曲井和定向井。

3．螺杆泵采油

螺杆泵采油在前苏联首先得到应用，之后，美国、加拿大、法国和我国都相继应用。螺杆泵采油驱动方式有井下驱动和地面驱动两种。井下驱动的螺杆泵采油与电动浴油离心泵采油类似，自上至下为螺杆泵、保护器和潜油电机等。地面驱动的螺杆泵采油是由地而电动机通过抽油杆驱动螺杆泵。

固2一18是地面驱动螺杆泵采油装置示意图，由地面和井下两部分组成。地面部分包括防烃电动机、皮带轮、减速箱和光杆密封等；井下部分包括接头、转于、定子、定位衬套和扶正器等；地而部分与井下部分之间通过抽油杆连接。为了防止与定子脱扣，在届管下部装有封陌器或锚。当地面

1一井口；2一接线盒；3—控制屏；4一变压器；5一；6一泄油器；7一单流阀；8一多级离心泵；9一气体分离器；10一保护器；11一潜油电动机；12一扶正器； 13一电缆；14一电缆卡子；15一电缆糊罩； 16一电缆头。

1—光杆；2—方卡；3一减速箱；4一密封盒； 5一皮带轮；6—电动机；7一专用井口；8—电控箱；9一套管；10一；11—抽油杆； 12一定子； 13一转子；14—定位销；15一锚定工具；16一防蜡器；17一筛营

动力通过抽油杆驱动转子旋转时，转子与定子啮合，形成一系列由定于与转于间接触线所密封的腔室；随着转子的转动，这些腔室由定子的一端运动到另—端，泵人口处不断形成的敞开室，在沉没压力的作用下依次被井液充满，并逐渐向泵的排出瑞移动，排出井液。地面驱动螺杆泵采油方式利用了抽泊杆，严格说不属于无杆采油，只是不用抽油机而已。

4．射流泵采油

射流泵采油原理如图2—l 9所示。当高压动力液从注入并流过喷嘴时，其压能儿乎全部变成高速度的动能，在喉管区周围形成低压区；由于压差的作用，地层液进入混合室，与动力液混合后一起流进扩散管；扩散管将一部分速度能再转换为大于油、套管环形空间静液拄的压能，使地层液与乏动力液的混合坡上升到地面。

5．涡轮驱动潜油泵采油

图2—20所示为井下机组轴流涡轮—轴流泵示意图。上部为轴流涡轮级，下部为轴流泵级，共同固定在一根轴上，其问有止推轴承和密封装置。地须提供的高压动力液通过井口阀和中心进入井下机组的中间部位，从涡轮级的下方向上流动，推动涡轮级带动离心泵级转动，抽出地层液。采出液自下向上流动，与乏动力液混合，一起进入泊套管环形空间排出。

图2—20 轴流蜗轮-轴流泵装置井下机组简图 1— 轴流蜗轮级；2一离心式过滤器； 3一止推轴承；4一轴流泵级

图2-19科贝A型套管自由式泵工作原理图 1一动力液；2一泵筒；3一套管；4一喷嘴； 5一混和室；6一喉管；7一扩散管； 8一混合采出液；9一地层液

三、气举法采油

气举法采油是应用压缩机等机械手段，将经

脱氧的空气、氮气或二氧化碳气等注入油、套管环形空间，并经过将并液举升到地面的一种采油方法。

1．气举形式

气举法有连续和间隙两种形式。

(1)连续气举 将高压气体连续地从油、套管环形空间注入井内，进入后与液体混合，使其密度降低，中压力梯度减小，液往重且下降，在和地层问形成足够的生产压差，从而导致井液喷出地面。这种方法主要用于采油指数高和因为井深造成并底压力高的油井。

(2)间隙气举 通过气举控制器和阀，使气体定期地注入井中，从聚集在中的液体段塞下面，象推动活塞似地把段塞一段一段地维至地面。间隙气举既适用于低产油井，也适用于采油指数高与井底压力低的油井，或者采油指数与井底压力都低的油井。

2．气举循环系统

设计气举循环系统时应考虑井况等多种条件，气举循环系统有的比较简单，有的相当复杂。图2—21是一个比较简单的气举循环系统，一般分为地面和井下两部分。

(1)地面部分 主要由压缩机、管线、阀门、分离器及储气罐等组成的压缩机系统为地面部分，有开式、半封闭式和全封闭式3种。

①开式系统是将低压气体压缩到气举工作压力，用于气举采油，返回到低压系统的气体不再循环使用，而移作它用。

②半封闭式系统 将从井中出来购低压气体重新压缩循环使用，但要有充裕的补偿气体以保持系统

压力。

③全封闭式系统 气体由压缩机到油井、分离器，再返回到压缩机重新压缩，对全部气体进行循环，无需补充气体。

图2—21 气举循环系统示意图

1—压缩机；2，3，4一油井；5，6一油气分离器；7，8一低压油气管线；9一高压气管线； 10—低压气管线；11，12一油进入储罐

(2)井下部分 由和气举(单流)阀等组成的气举装置，其类型一般也相应地分为开式、半封闭式和全封闭式3种。

①开式气举装置 如图2—22(a)所示，下井的柱不带封隔器，气体从油、套管环形空间注入，产液自中喷出。这种装置只限于液封很好的油井，通常指的是那些只适合连续气举的油井，但不能用于气体有可能从底部循环的场合。由于气体有可能从底部进入，深井开始生产时需要很大的启动压力，连续气举时很难确定注气部位，以及地面管线压力波动会引起油、套管环形空间波面升降而冲蚀气阀等一系列缺点，这种装置一般较少应用。

②半封闭式气举装置 如图2—22(b)所示，除了用封隔器封隔油、套管环形空间外，其余都与开式装置相同。这种装置既适合于连续气举，也适用于间歇气举。与开式装置相比，无论何种情况下，中和地层中的液体都不会进入油、套管环形空间。

③闭式气举装置 如图2—22(c)所示。与半封闭式装置相比，柱的下部多安装一个固定阀，用于防止气体压力通过作用于地层液，常用于间歇气举采油。

在气举装置中，于柱的不同部位安装有一些特殊设计的阀件，暴露于环形空间气体中员下部的阀，孔径最大，用于完成气体循环，称为工作阀。工作阀以上的各级阀为启动阀或卸载阀，即液体段塞通过时，有好几级阀打开，以便利用已有的供气压力帮助推动段塞上行，减轻液柱的载荷。根据气举排液的深度，在不同深度处安装不同进气孔直径的气举工作阀，可进行多级排液。

图2—22 典型的气举装置示意图 （a）开式；(b)半封闭式；(c)全封闭式

四、有扦泵无采油技术

有杆泵无采油技术是利用空心抽油杆代替和普通的实心抽油扦，将原油举升到地面。图2—23是有杆泵无采油应用的差动式深井中连泵示意图，有上、下两个直径不同的校塞，其间由实心抽油杆连接；下柱基内有游动阀。柱塞上行时，游动阀关闭，固定阀打开，吸人地层液；随着柱塞上行，两柱塞间的腔体逐渐缩小，迫使液体进入上柱塞沿着空心抽油杆排出。排出量为：

Q＝h(Π／4)(D2一d2)

式中 h——冲程长度；

D、d——下、上柱塞直径。

柱塞下行时，固定阀关闭，游动阀打开，液体进入泵腔；与此同时，两柱塞间的腔体增大，一部分液体储存在腔内，另一部分液体沿空心抽油扦排出。这种技术主要适用于小井眼、单井产量较低、原油粘度低和含水较高的油井。

五、提携法采油

对于低渗透低产油井，可以采用提捞法采油。一是用钢丝绳将打捞简下人套管中，一简一筒地向井口提油，二是用钢丝绳将油井抽于下人套(油)管中，抽汲液体，再提到地面，图2—23 差压式深并抽油泵示意图 三是将捞筒捞油与抽汲捞油相结合，从井下捞油。图2—24

是抽汲捞油工艺流程。在套管头上安装有抽汲井口装置，将套管拍子下人套管内至预定的抽汲深度后，地面动力机驱动滚筒转动通过钢丝绳上提拍子．其中的球网关闭，密封胶困在抽子以上液往重力的作用下胀贴在套管壁上，液体被提升到井口后从三通流出，由胶管进入罐车。拍子的下落依靠抽子自身及重锤的重量，它们悬挂在钢丝线下端的推力轴承上，当钢丝绳受拉力作用发生旋转时，可以防止抽子倒扣而落井。抽子安装有抽汲限量阀，可以调节抽子上部的液柱量，以便防止抽子因下入深度过大而提不动

或拉断钢丝绳。

图2—24 抽捞油工艺流程图

l一钢丝绳滚筒；2一井架；3一井口；4一地面胶管；5—运液车；6—套管抽子；7一种锤；8—套管

第三节 油田增产工艺技术

为了提高油层的产量和采收率，我国各油田广泛采用多种增产技术措施，包括油田注水、压裂和酸化、剖面调整、防砂及大修等作业。进行这些作业的工艺技术和设备都相当复杂，本节只介绍有关工艺的基本内容及相应的设备流程。

一、油田注水工艺技术

一般说来，油田开发初期，因地层压力较高，原油所受的驱动力较大。但随着原油不断被采出，地层压力逐渐降低。为了保持和提高油层的压力，进面保证油田稳产高产，并提高最终采收率，从油田开发初期起，除了钻出大量的采油井外．还要钻出一批注水井，专门用于从地面向油层注入高压水，以补充采油过程中不断消耗的天然能量。这种作业过程称油田注水。油田注水驱油的示意图如图2—25所示。

油田注水方式多种多样，主要根据油田的地质条件选择注水方式。对于面积不大、油层连通和渗透性好、原油粘度不大的油田，可以来用油田边外注水、边缘注水和边内注水等方式，如图2—26所示。对于大油田或渗透性差、枯度高的油田，多采用行列注水和面积注水。行列注水是将一个油田用一排排注水井切割成若干小的开发区，每个小开发区内，平行于注水井成行或成列地布置采油井；

面积注水是将油田按照规则的几何图形划分成许多单元，在每个单元内同时布置注水井和采油井，如四点法注水或反九点法注水等。

图2—26 小油区注水方案

（a）边外注水；(b)边缘注水；(c)边内注水

1—注水井；2—采油井；3—油田外边界；4—油田内边界

对于多层油田，因各层间的性质差异很大，因此，同采油一样，也只能采用分层注水、分层保持压力的方法，尽可能使不同的油层都在保持的压力下开采原油。

油田注水的主要流程包括：水源净化系统、注水站、配水问及注水并等，如图2—27所示。

图2—27 油田注水基本流程图

1一地层水；2一含油污水；3一地面水；4一净化站；5一注水泵站；6一配水间；7一注水井 1．水源净化系统

油田注水时，不仅要求水量充足，还要求水质符合油田注入水标准，即应严格控制水质中的悬浮固体含量、含油量、菌类数量及腐蚀性等项指标，使得水质无杂质沉淀、化学稳定性好、对设备的腐蚀性小，同时有良好的洗油能力。因为水质的好坏直接影响到注水井的吸水量、注人水的驱油牢及对注水设备的腐蚀程度。为此，凡从水源来的水，都必须经过严格的净化处理。根据水源的不同，净化系统不一样。对于清洁水源，日注量小于500m3的注水站，可以采用如图2—28所示的流程。处理后的水质中，悬浮物的含量≦0.3mg／L，悬浮物固体颗粒粒径≦2µm，总含铁量≦0.1mg／L溶解氧含量近于零。

图3—28 全密闭注清水工艺流程

对于含油污水，要求更严格的处理，采用多功能高效污水处理流程。处理后的水质中，悬浮物的含量≦2mg／L粒径≦2µm的颗粒去除90％以上，粒径≧2µm的颗粒占颗粒总数的20％以下，含铁量≦0.1mg/L，含油量≦5mg／L。包括该污水处理功能的注水流程为：

油区来水→立式除油罐→缓冲调节罐→多功能过滤器→回流调节罐→喂水泵→注水泵→配水间→注水井

3．注水站流程

注水站是油田注水系统的心脏部分，其作用是根据对注水压力的需求，使经过净化处理后的水升压，并输送至配水间。注水站的流程如图2—29所示。由水源或净化处理系统的泉水先进入储水罐，再由喂水泵输送至若干台多级高压离心泵或住复式校塞泵，增压后从分水器或输水管线流向各配水间。陆水管线上安装有流量计和压力表，记录和反映流量和压力。

图2—29 注水站流程示意图

1一水源来水；2一水罐；3一高压注水泵；4一分水器；5一配水间；6一流量计；7一值班房 注水系统是油田耗能大户，也是油田投资的主要领域之一。目前的注水系统有：

(1)以离心式注水泵为主的大站系统 特点是流量大，维护简单，注水压力一般不超过16MPa，适

合高渗透串、整装大油田注水。主要泵型有：DF400—150A，DP300—150A，DG250—160，DFl60—150，DFl40—150，6D100—150(改型)，D155—170和英国泵OK5F37等，平均泵效76％左右。

(2)以柱塞式注水泵为主的小站系统 具有扬程高、效率高、电力配套设施简单(指380V电压系统)等特点，适用于注水量低、注水压力高的中低渗透车油田或断块油田。主要泵型有：

3H-8／450，5ZBП -210／176，3DZ-8／40，5ZBП-37／170，5D-WS34／35，3S175／13等，平均泵效86％左右。

(3)增压注水 对高于系统压力的注水井点系统管网节流损失大和高注入压力井的欠注问题采用增压注水泵增注、重点解决井压过高

(4)简易注水 对于油田外围零散的小油区，采用就地打水源井、简易注水流程技术比较经济。 进—步提高泵的寿命和效率沿途阻力损失和配水间节流损失和配水间至注水井流程，特别要减少注水泵出口节流损失、沿程水量漏失、注水干线使管网系统保持较高的运行效率，是主要的努力方向。

3 配水间至注水井流程

配水间是控制、调节备注水井注水量的操作间，一般可分为单井配水间和多井配水间。单井配水间用于控制和调节一口井的注水量、多见于行列注水井。多井配水间可以控制和调节2～5口井的注水量，其流程如图2—30所示。

正常注水时，配水间的洗井阀门和旁通阀门都是关闭的，注水泵站的来水、经过截断阀门、注水管线、上流阀门、下沉阀门，被分配到甲、乙、丙各井，进入注入油层。洗井时，关闭截断阀门，打开洗井阀门和旁通阀门，即可进行洗井作业。

图2—30 多井配水间注水站流程示意图

1一截断阀门；2一注水管线；3一上流阀门；4—下流阀门；5一洗井流量计；6一流量计；7一洗井管线；8一洗井旁通阀；9一丙井；10—乙井；11一甲井；12一放空管；13一生产阀门；14—套管阀门；15—洗井放空阀门；16一油压表；17一量油池；18—总阀门；19一套压表；20一套管；2l—

4．分层注水管校

对于多油层的油田，由于各油层的性质不同，注水量和注水压力有所区别。因此，应该分层定量配水，以便保持油田的注采平衡。分层配水常用的管接结构有固定式、空心式和偏心式3种。

（1）固定式分层配水管柱 如图2—31所示。它是将配水器直接连接在上，当泵站来水压力达到0.5一0.7MPa时，封隔器胶皮膨胀，分隔油层；当注水压力增大到一定值时，配水器的单流阀被推开，注入水即进入油层。这种配水管柱结构简单，配注层位可以任意多级，但是当需要更换配水嘴时，

必须提出全部注水管柱。

(2)空心式分层配水管柱 将空心活动配水器的工作筒与连接后先下人井中，再用钢丝将中空胀压杆和带喷嘴的配水器芯子送人井中分别坐落在各自的工作筒内。此种管柱结构的特点是：各级配水器喷嘴直径不同，故进入各油层的水量得到合理的分配；可以通过相应尺寸的测试仪表和并下工具，测试简便；配水器的芯子是活动的，更换配水喷嘴时，可以不提出注水管柱。

(3)偏心式分层配水管柱 偏心配水器的活动芯子偏离中心，处于管柱侧面，各偏心配水器工作简中心有一主通道，特点是可以任意多级，并能通过测试仪器，进行分层测试。

二、油层水力压裂工艺技术

油层水力压裂是利用压裂车上的高压泵组及辅助设备，以大大高于油层吸收能力的速率和流量，向油层注入擒带有高强度支撑剂的高粘性液 图2—31 固定式分层配水管柱结构示意团体即压裂液，通过液体的传压作用，在油层中扩大或造成裂缝，改善油层的渗透性和油气的流动状态，提高油井的油气产量；对子注水井，则是提高油层的吸水性，增加注水效果。液体压裂作业原理如图2—32所示。

1水力压裂原理

一般地说，在原始状态下，深埋在地层下图2—31 固定式分层配水管柱结构示意团 面的油层结构都是致密的，油气从油层向并筒内渗流的速度比较缓慢。图2—33为油气流向并筒的示意状况。当油层还未形成裂缝或裂缝很小时，油气穿过致密的岩层，顺着孔隙或小裂缝从远处向井简内渗流，流通面积的直径φ较大，流到井筒附近时，流通面积的直径φ很小。由于面积缩小，油气流动的阻力增大，以致其流动能量大部分消耗于克服岩层的阻力上，到达井筒后所剩余的能量很少，大大降低了自喷能力，甚至不能自喷，使产量上不去。

图2—32 液体压裂作业示意图 1一，2一套管；3一封隔器

图2—33 液体流向井筒示意图 图2—34 油层压力分布示意图

图2—34是油层压力分布曲线示意图。其中的水平线A表示地层未打开时油层的压力分布状况，曲线B表示油井开采过程中油层压力分布状况。由曲线5可以看出，油井附近的压力梯度很大，油气流的大部分能量消耗在油井附近。

水力压裂时，若液体压力增大到大于油层破裂所需要的压力，在油层中就会形成如图2—35所示的一条或数条水平的、垂直的或倾斜的裂缝，原有的裂缝也被扩大，油气通过裂缝侧壁进入裂缝内，由于裂缝的阻力减小，很快流向井筒。随着高压液体的不断被注入．裂缝会不断地延伸与扩展，直到液体的注入速度与油层所能吸收的速度相等．裂缝的延伸与扩展才会停止。为了维持裂缝始终处于张开状态，一般在压裂液中掺入较大直径的支撑剂，如石英砂、陶粒、核桃壳等，使之沉积于裂缝中，支撑已经形成的裂缝。

水力压裂只对油层渗透率较低的油井，或由于钻井、修井及完井过程中，泥浆等污物浸入井筒附近岩层的孔隙造成局部堵塞，而使渗

透率降低的油井，才有增产效果。

2．压裂施工工艺简介

油层水力压裂施

工是一项细致复杂的工程，应由地质、采油及专门负责压裂的工程技术人员提出施工方

1一井筒；2一油层；3—裂缝 案。就压裂方式来讲，主要有合层

压裂、单层压裂和一次多层分压等。

（1）合层压裂 对一个生产层组的各个小层同时进行压裂施工，称合层压裂。这是一种最简单的压裂方式。又分为以下几种情况：

① 油、套管同时压裂 压裂时连接一部压裂车，套管连接3～4部压裂车，同时向井内注入高压压裂

图2—36 油、套管同时压裂示意图 液，从套管加砂，如图2-36所示。 1-5压裂车；6—井口；7一； ② 压裂 只从中注入压裂液。 8一套管；9一油层

③ 套管压裂 井内不下，坐好井口后即进行压裂。

④ 环形空间压裂 高压压裂液从与套管所形成的环形空 问注入井底。

（2）单层压裂 选择一个层组中的某一小层或一层中的某一层段进行压裂，称单层压裂。如图2—37所示，用双水力压差式封隔器卡住拟压裂层段，可以进行任意单层压裂。当选压层为油井最下段位置时，可以来用单个水力压差封隔器封隔其他油层进行压裂。

（3）一次多层分压 一次多层分压由于井段小，压裂强度及处理半径较大，能够充分发挥各油层的潜力，因而是广泛采用的压裂方式。

图2—38是浅井多层压裂管柱示意图。下人管柱后，加液压，坐封各封隔器，打开下部喷嘴，加砂压裂第一个油层；第一层压裂后，减小注入流量，从投球，封隔第一个压裂层．再加液压，打开第二层的喷砂器(第一层喷砂器此时关闭)，再加砂压裂该层；尔后，按照同样的方法可以压裂第三个油层等。

多层压裂时，喷砂器的滑套内径自上而下逐渐减小，故压裂必须自下而上逐级进行。最下层可以不用滑套。

图2—37 深井任意一层压裂管柱示意图 图2—38 浅井分压多层压裂管柱示意图

3．压裂多数

油层压裂效果不仅与油层的特性、选层和压裂方式有关，还受压裂参数的影响，而压裂设备的设计和选用，也必须以合理的压裂参数作为依据。压裂参数包括；

（1）油层破裂压力 指压开油层时的井底压力，取决于油层的深度、性质(岩石强度、渗透率等)、油层原始裂缝及压裂液性质等。油田、油井及油层不同，上述因素相差很大，破裂压力也相差很大，目前一般按经验公式确定。

（2）井口压力和最大工作泵压 根据估算的油层破裂压力计算，即： 井口压力＝(破裂压力)十(液体流动摩擦阻力)一(液柱重量) 为了满足压裂要求，压裂泵的工作压力至少要等于或高于井口压力。—井筒中最薄弱的环节是套管，故泵的最大工作压力通常由套管强度来决定。

（3）压裂液的流量 取决地层裂缝的吸收量，只有注入量大于地层裂缝的吸收量，才能在井筒和岩层之间建立起可使地层张开裂缝的足够的压力差。压裂压差与注入井底的流量成正比，与地层厚度及渗透率成反比。此外，压开裂缝后，随着裂缝不断延伸和扩大．单位时间内地层吸入的液体量增大，而只有地层吸收后所剩下的液体，才是压开裂缝的有效工作液。因此，在设备许可的条件下，应尽可能采用大流量压裂，并以采用油、套管同时压裂为宜。

4．压裂作业地面流程

根据压裂时的压力P和总流量Q计算出发动机应配备的功率，再计算压裂车的台数 发动机功率≈(压力P×总流量Q)／总效率

压裂车数日＝发动机功率／每台压裂车动力机功率

考虑到压裂车的工作条件、新旧程度等，确定压裂车的数目应留有余地。

再根据压裂车数目等设计压裂施工的地面流程。图2—39是其中的—种，包括井口装置、压裂车、

图2一19 压裂施工地面流程示意图

1一作业机；2一油井；3一土油池；4一平衡车；5一消防车；6一压裂车；7一拉砂车；

8一混砂车；9一供油罐

混砂车、供液罐(车)、拉砂车及高压管汇等。作业时，混砂车自供液罐吸人液体，由拉砂车输进砂于，混合搅拌后，输送到压裂车的吸人口，压裂泵将混合液增压，由井口注入井底，对油层进行压裂。井场上还配有其它设备，如平衡车、作业机、仪表车和消防车等。其中，平衡车用于平衡上封隔器的压力，作业机用于进行必要的起升作业。

所有设备中，压裂车和混砂车是压裂施工的关键设备。图2—40是国产SYC—700型压裂车。

图2—40 SYC型压裂车外形图

1一汽车；2—动力机；3一传动装置；4—压裂泵

5.压裂液

（1）压裂液的种类 压裂过程中，向井内注入的液体称作裂液缝和输送支撑剂。压裂液是一个总称，根据施工阶段不同，可分为：

①对地层进行预处理的“前垫液”。

②破裂油层井在其中造成一定几何尺寸裂缝的“前置液”。 ③将支撑剂带人裂缝井放置在预定位置的“携砂液”。 ④将井筒中的携砂液全部替入到裂缝中的“顶替液”。 整个压裂过程中，“携砂液”在压裂液总量中占的比例最大。

（2）压裂液组分 压裂液种类很多，物理和化学性质相差很大，按照其组合成分可分为，

①水基压裂液 以水为基本液体，加入各种添加剂配制而成的一种压裂液，主要有清水、盐水和活性水压裂液，水基凝胶压裂液，以及水溶性聚合物水基压裂液等。水溶性聚合物主要有植物胶(如瓜胶、田菁、魔芋等)、纤维素衍生物(CMC等)及合成聚合物(聚丙烯酰胺)，这几种高分子聚合物在水中镕胀成镕胶，胶联后形成粘度极高的冻胶。

②油基压裂液 用原油、成品油(如轻质油、柴油等)为基本液体，加入某些添加剂配制而成油基压裂液，主要有原油压裂液、油水乳化液、脂肪酸皂类增稠压裂液等。

③酸基压裂液 主要由水、酸和各种类型的添加剂等组成。

④液化气压裂液 用液化石油气(丙烷、丁烷、戊烷)和二氧化碳等混合成的压裂液。 各种压缴液分别适用于不同类型油层，视具体情况选用。压裂液中一般要加砂子，其数量多少用“含砂比”或“混砂比”表示：

含砂比＝单位时间的加砂量／(加砂时液体的总流量十单位时间的加使砂量)

混砂比＝单位时间的加砂量／加砂时液体的总流量

三、油层酸化处理

利用酸液能溶解油层中所食盐类这一特性，提高近井地带油层的渗透率，改善油、气流动状况，增加产量，称油层酸化处理。油层酸化一般分为两大类。一类是注酸压力低于油、气层破裂压力的常规酸化，主要是靠酸液的化学溶蚀作用，扩大与其接触的孔、缝、洞；另一类是注酸压力高于油、气层破裂压力的压裂酸化，酸液在油层中同时发挥化学作用和水力压裂作用，扩大、延伸、压开和沟通裂缝，形成更畅顺的油、气渗流通道。

根据油层中岩层的组成和性质，选择不同的酸化处理液进行酸化处理。 1.盐酸处理

对于主要由方解石(CaC03)和白云石[CaMg(C CO3) 3]等组成的碳酸盐岩储油层，酸化处理液主要是盐酸。其原理是盐酸与碳酸盐作用后生成可溶性盐类(氯化钙、氯化镁)和二氧化碳气体，可徘出到地面，从而提高井底附近的渗透串。其化学反应方程式为：

CaCO3十2 HCl→MgC1 2十CO 2十H 2O

CaMg(CO3)2十4HCl→CaClz十MgC1 2十2CO 2十2H 2O 2．土酸处理

盐酸与氟氢酸的混合液称作土酸。对于泥质成分较高，而碳酸盐含量较低的砂岩油气层，通常用土酸作酸他处理。其中，盐酸可溶解碳酸盐类胶结物，以及钙矿物质，如同上述；此外，还可以溶解铁矿物质。氟氢酸可溶解石英石等硅酸盐矿物质和粘土物质。其化学反应方程式为：

对铁矿物质

FeO3十6HCl→2FeCl3十3H 20 FeS十2HCl→FeCl2十H 2S 对石英砂

SiO 2十4HF→SiF4十2H 2O 对泥质岩(钙长石)

CaAl2Si 2O8十20HF→CaF2十2A1F3十2H2SiF6十8H 2O

新生成气体氮化硅(siF4)和水均可排出，但同时还生成氖化钙沉淀，氯化钙靠盐酸溶解。 3.”王水”处理

与盐酸按照1：3的体积比混合而成的液体称“王水”。“王水”对各种金属有较强的溶解能力。其原理是与盐酸混合后生成一种氯化亚(NOCl)：

3HCl十HNO3→Cl2十2H 2O十NOCl 氯化亚分解后，生成原于氯：

NOCl→NO十[Cl]

原子氯的氧化能力极强，它能和大多数金属或金属氧化物起反应，生成可溶解性盐类。因此，当油层或井底被金属或金属氧化物堵塞时，可采用“五水”处理。

采用机械的或物理化学的方法将各油气层段隔开，然后根据备油层的特点将酸液有控制地注入各层段，这种技术称作分层酸化或选择性酸化。目前常用的分层酸化方法是封隔器分层法、封堵球堵塞射7L7L眼法及化学临时堵塞剂封堵高渗透层等方法。

封隔器分层酸化的实质是在油、气井内下人封隔器，将各层隔开，利用7L嘴、注酸短节等辅助工具，按照各层情况分层注酸，与水力压裂的方法相类似。图2—41是应用两个水力压差式封隔器，将处理层相互隔开，进行酸化的管柱示意图。

对油气层进行酸化处理时，常用的地面设备有压裂车、高压什口管汇和各种辅助车辆，它们统一布置于井场。其中，压裂车的作用是酸液加压，井挤入油层；高压井口管汇在压裂车出口管和井口之间起连接作用，使历裂液安全地进入井中，其中有单流阀保证高压酸液只能进入高压管汇，而当停泵或检修时，则防止液体回流；其他如起酸车、储酸车、供酸车等，起运输、储存和向压裂车供酸的作用，相互

之间出管线连接，通过离心泵输送液体。

酸化处理对设备的耐压、耐酸蚀等性能的要求更高。

第四节 高新采油技术知识

经过白喷井采油、机械采油和通常的注水和压裂等提高采收串措施后，总的采油星加在一起，一般不超过原始地质储量的40％，大量的石油仍然埋藏在地下。因此，进一步提高原始地质储量的采收串，特别是复杂油藏的原油最终采收率，潜力很大．成为石油工作者最大的追求目标。目前广泛采用的许多高新采油技术或统称“三次采油”，取得了很好的效果。本节将就相关的内容作简要介绍。 一、微生物采油技术

将经过选择的微生物及其代谢产物注入油层，利用其在油藏内增殖产物的激励和运移作用，增加二次采油后枯竭的油井产量，减少二次采油后留在地层中的残余石油以提高采收串的技术，称微生物采油技术。

微生物采油的关键是必须保证微生物的生命活动，井使其在地层中繁殖。在其生命过程中，首先要求有有利于微生物生长的环境，同时必须不断地从外界环境吸收各种营养物质，以便在培养微生物过程中提供其生命的能源和碳源、氯源、无机盐、生长因子及水等。

可作为微生物培养能源和碳源的物质有糖类、脂肪、蛋白质、烃类、醇类、有机酸等；作为有机氮源的物质物有牛肉膏、蛋白冻、酵母育、鱼粉、豆粉、血粉、蚕蛹粉、花生饼粉、玉米浆等，无机氮源的物质有胺盐、盐、尿素及氨水等；常用的无机盐有硫酸盐、磷酸盐、氯化物及含有钾、钠、钙、镁等元素的化合物；加速某些微生物合成的生长因子，按照化学结构可分为维生素、氨基酸和膘吟(或嘧啶)。

微生物采油之所以有效，主要原因是：

(1)在油层中增殖形成新的生物量，特别是产生粘液的细菌，当密集成团时，可选择性或北选择性地堵塞地层中的孔道，改变地层液的流向．扩大扫油面积。由于菌体通常粘附在岩石的表面，改变了岩石表面的润湿性，可以将岩石上附着的油膜排代下来。

〔2)某些两类在油层午具有“屹”长碳链烷烃的特性，可以将长碳链的烷烃降解为短碳链的烷烃类、从而增加原油中的轻质成分，降低原油的粘度和凝点，增加原油的流动性。

(3)微生物的代替产物有的可以产生气体，加CO 2、CH4、H2等，溶解在原油中可使原油体积膨胀，粘度降低，CO 2气体与地层水作用生成的碳酸能部分溶解碳酸盐岩，气体和发酵产生的省机酸还能够清洗并简周围的孔隙，使油层压力增加，从而能提高油层的产能和采收率。

(4)在微生物的作用下，通过生物化学途径，烷烃很容易在无氧的环境下分解，微生物在新陈代谢过程中、产生脂肪酸、糖脂等轻面活性剂，可以降低水—岩石—原油体系的表面张力，防止瞄、胶的结晶和沉积;还可能生成聚合物，如黄抱胶，增加驱替物的粘度，提高驱油效果。

微生物采油的现场施工工艺比较简单．只需将一定量的微生物制剂与培养基一起配制成需要的水溶液，利用压力泵从油、套管环形空间注入井筒内，再利用泵车将微生物稀释液利顶替液挤入地层，然后关并等候反应。

二、热采油技术

对于稠油层和进人中晚期开发的油层，原油的粘度大，一些高凝点的有机物，如石蜡、胶质物和沥青等，往往以结品的形式在近井地带沉积下来．造成油层堵塞，原油产量下降。为了提高油井产量和采收率，有效的措施之一是使油层的温度升高，以降低粘度、提高流动性。这种方法称热采泊技术，简称热采。

目前的热采油技术包括热化学采油和蒸汽吞吞吐采油两大方面。 1.热化学采油

热化学采油是选择货源广、成本低、化学反应热效率高的化学刑，在催化剂的作用下，按照不同深

度的油层控制其化学反应的时间，产生大量的热量和氮气。热能通过垂直方向和径向的传导作用，加热近井地带，使油层中的温度大幅度升高，从而解除有机物堵塞、水堵塞及高界面张力堵塞，降低原油的拈度；同时、反应过程小放出的大量高温氯气、可以使地层局部压力升高，将孔隙巾的微粒冲散，从而使油井增加产量。

目前应用的化学药品主要是亚钠(NaNO2)、胺(NH4NO3)和氯化按(NH4Cl)．以及少量的活化剂和缓蚀剂。其化学反应方程式和离子方程式分别为：

NaNO2十NH4NO3→Na NO3十N2十2H 2O

十

NO2 十NH2→2H 2O十N2

胺、亚钠及化学反应后生成的钠(Na NO3)，都可溶解于水，而无晶体析出。

利用多台泵车、液罐和相应的地面设备，通过油、套管环形空间或空柱，按照一定的比例将选择好的化学药剂连续高压注入油层，再关井4~10 h。在注入化学药剂的前后有一系列的施工要求，必须严格遵守。

2．蒸汽驱和蒸汽吞吐法采油

将于度达75％一80％的蒸汽注入油层，提高井简周围的温度，降低稠油枯度，使其加快向生产井简流动，增加原油产量，称蒸汽驱。对于单井，可交替将蒸汽选择性地注入并内，然后用袖油泵将蒸汽冷却水与原油形成的现状物袖出，称蒸汽吞吐。

蒸汽驱或蒸汽吞吐需要相应的地面设备流程和地下管柱分别如图2—42及图2—43所示。

三、高能气体压裂采油技术

利用特定购火药或火箭推进剂在确定的油层段进行高速燃烧，产生高温高压气体，以脉冲加载的方式冲击油层，使井简周围的岩层产生多条自并眼呈放射状的径向裂缝，增强原油流动的能力，提高原油产量的措施，称高能气体压裂，又称爆燃压裂、脉冲压裂、多缝压裂、应力压裂等。高能气体压裂时，火药燃烧所产生的高能气体对地层还具有热力和物理化学作用，能够使石蜡沥青胶质和其它硬质沉淀溶化，使碳酸盐岩和胶结物溶解，从而降低原油的粘度及其与岩石接触表面的附着力。

高能气体压裂后，需利用水力压裂使其微小裂缝扩展延伸，进行填砂支撑，因为高能气体压裂工艺中没有使用支撑剂。这种施工一般只适用于石灰岩、白云石灰岩、白云岩和泥质含量较少的脆性地层，而不适用于泥质含量较高的灰岩和泥沙岩。

高能气体压裂施工分三种情况。

(1)钢丝绳起下，水泥塞封堵，地面引燃 钢丝绳起下的施工工艺如图2—14所水。其工作过程是：当施工井段以下尚有较深的井段时，先应用水泥车订下水泥塞；再应用射孔电缆车或起升系统将气体发生器和引燃导线一同下人到所设计的施工井段；应用水泥车在气体发生器上部3—5m处再打好水泥塞封堵；地面通电引燃；起出钢丝绳等，井钻防水泥塞；最后采用原工作制度生产或试泊。

(2)电缆起下，液体压档，地面引燃缆车将气体发牛器下到目的层段，采用水地面通电引燃。电缆起下是应用射孔电、油或酸液等液校压挡，

(3)输送，封隔器加环汇复合爪挡，撞击引燃 施工工艺过程是：用将气体发生器、p—t监测仪、撞击起爆器、封隔器等下入到设计井段；坐封封隔器；应用水泥车在与套管的环形中间加上10一20 MPa的平街压力，从井口向内投入撞击棒撞击引燃；引燃5~10min后，套管泄压，封隔器解封，起出井内管及气体发生器外壳等；按照施工前的工作制度生产或试油。

扳动采油技术是近些年来得到不断采用的新 型 ，取得了较明显的增产效果。根据震源的不同．主

要分以下 3种。 1.入工地震法 入工地震法采油，是在不影响油水井正常生产 的前提下，利用地而人工震源所建立起来的波 动场，以频率很低的机械波的形式传到地层， 进而对包含多口井的大而积油层作振动处理， 达到多口井增产、增注目的的一种采油方法。 这种由人工震源在地面产生的垂直振动，能够 使地下深处的油层产生—定幅位的受迫振动， 从而可以加快地层中流体的流速，降低原油粘 度，清除油层堵塞和提高地层的渗透率。实践 表明，对于中、高含水期油田的开发具有重要 的意义。

人工地震法采油的关键是合理设计和制造人工 震源，以便使油层产生一定幅值的振动。图2 —45是一种震源装置工作原理由。其底座重量 为Q，每个偏心轮的重量为p，偏心距为e，两 偏心轮以相同的角速度ω朝反方向旋转，产生 扰动力和向地层传播的垂直振动波，调节振动 频率，使之与台油层的自娠频率的整数倍接近， 并引起油层共振，从而获得最佳的振采效果。

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图2—44 钢丝绳起下,水泥塞封堵,地面引燃施工示意图

1—套管；2—水泥环；3—钢丝绳；4—上水泥塞；5—水泥伞；

6—裸眼井壁7—气体发生器；8—油层；9—下水泥塞；10—水泥伞；11—草团

2．水力振动采油 水力振动采泊是 利用下入的 并下振动器发出 高频或低频的水 力脉冲波，在油 部位周期性地产 生膨胀—压缩作 用，逐渐撑开地 深处的裂缝，清 除近并地带的机

图2—45 震源装置工作原理图

械杂质、钻井液和沥青胶质沉积，破坏盐类沉积，降低原油粘度，达到提高原油采收率的方法。 水力振动采油设备由地面设备和振动管柠两部分组成，如图2—46所示。施工过程是：下人

团2—46 水力振动现场施工示意图

l一震动器；2—扶正器；3一；4一套管；5，9，12—阀；6，8—压力表；7—井口；10—流量计；11—泵车；13一罐车；14—测试仪器；15—传感器

振动管柱，将振动器对准油层；先用泵车从油、套管环形空间打入清水，反洗井筒，再从打人工作泊正循环，产生振动，根据油层的厚度和渗透率，白上而下边隔0.5—2.0 m作为一个振动点，振动10—15min；振动期间，水泥车上的泵压保持在10—15MPa；振动完全部设计点后，用清水大排量反洗井；洗净后，起出振动管柱，下入生产管柱，恢复正常生产。

3.声波采油技术

作为一门新兴的学科，声波采油技术已经比较广泛地应用于防结垢、肪结蜡、驱油破乳脱水及处理油层等方面，达到油井增产、水并增注和提高原油采收率的目的。

声汲是一种能够在气体、液体和固体介质中传播的弹性波．按照频率特性可分为超长波、声波和超声波，频率低于20 Hz的为次声波，20 Hz一20 kHz的为声波，入耳可以听到，大于zokHz的为超声波。声波的传播速度c≌波长λX振动频率f。对一定的介质来说，波长与频率成反比，而频率越高，波长越短，介质质点所获得的机械能量越大，产生的加速度也越大。声波对地层、油和水的穿远能力比电磁波强，且不易被吸收。理论研究和试验表明，当声波作用于饱和的油水层时，能导致原油粘度降低，孔隙中的气液分离，疏通流道，地层渗透率提高，促进液体加速向井筒聚集。

声波处理油层系统由地面声波发生机、特种传输电缆和并下大功率电声转换装置(压电发射型换能器)3部分组成，如图2—47所示。工作时，由380 v／50 Hz的交流电网提供能源，地面发生机产生10一30 kw电功率振荡信号、1—40 Hz的脉冲波和20一33kHz的超声波，经电缆传输给大功率电声转换装置，电功率放转换成机械振荡能—声波，经过油水介质偶合进入油层。

图2—47 声波处理油层设备系统图

1—三相四线交流电源；2—声波发生机电源；3一声波发生机；4一输出监测脉冲波形、电压、电流；5—电缆绞车；6—井口滑轮；7一电缆；8一套管；9一换能器；10—油层 五、聚合物驱油

在三次采油技术中，除热力法采油技术外，聚合物驱油是石油矿场试验最多、技术成熟度相对较高的一种，是提高原油采收率、使老油田获得新生的主要方法之一。

聚合物驱油的机理至今尚无统一的认识，边常的看法是：聚合物可以增加注入水的粘度，降低油层的水相渗透李，调整吸水剖面，提高波及系数，进而提高采收率。原因是聚合物驱油中所应用的聚合物都是水溶性线型高分子，分子量很大，重复链节很多。例如分子量为5×10。的聚丙烯酰胺的链节数有70422个，在每个链节上都有亲水基，如一COONa+、一CONH2、一COOH等；这些亲水基在水中都能够溶化并产生许多带电符号相同的链节，使得聚合物分子周围有一个溶化水形成的溶化层，链节间相互排斥，增加了相对移动时的内摩擦力和粘度。这些聚合物溶液流经多孔介质时，由于吸附和机械捕集，使聚合物分子滞留在多孔介质中，是引起水相渗透率降低的原因。

适合于驱油的聚合物有部分水解聚丙烯酰胺(PHPAM、HPAM)等。 聚丙烯酰肤与碱反应后，生成部分水解聚丙烯酰胺：

部分水解聚丙烯配脑在水溶液中发生离解，产生一COO。离子，使整个分子带负电菏，链节问有静电斥力，分子链在水中比较伸展，故增粘性好，它与带负电的砂岩间也有斥力，表面吸附量少，因此，是目前最适合用于驱油的聚合物。

聚合物主要要3种形式；乳状聚合物，有效含量大约30％一50％；水溶聚合物；固体粉末状或胶块状聚合物．有效含量85％以上。

聚合物注入油层之前，要经过溶解、混合、稀释等工艺过程。聚合物注入工艺与注水工艺在技术上无多大差别。注入聚合物的关键则是力求保持其粘度不变。

聚合物对铁离子敏感，粘度损失大，因此，凡是接触聚合物的管道和容器，耍尽量选择不锈钢或玻璃铜等作讨底的材料。还要充分注意溶解搅拌过程和传输注入过程中发生的机械降解作用，因此必须选择合理的搅拌器和搅拌速度，采用剪切降解小的容积泵、阀门和流量计组成注入循环系统。

聚合物溶液的配制及注入过程为：

配比＝＞分散＝＞熟化＝＞泵送＝＞储存＝＞增压计量＝＞配比稀释＝＞混合＝＞注入

目前我国注入聚合物的流程有两大类，一类是如图2—48所示的单井单泵流程，通过计量泵冲程调节母液量；另一类是如图2—49所示的一泵多井流程，依靠单井的盘管增加阻力实现母液量的调节。

六、二氯化碳驱油

在提高原油采收串的许多方法中，二氧化碳驱油是较受重视的方法之混相驱最被看好。 二氧化碳驱油可分为混相驱和非很相驱。

所谓混相驱，即二氧化碳与地层液混合在一起时，所有的混合物都保持单相，形成为混相流体。混相流体的特点是混合物仅为单相，流体之间不存在相界面，不存在表面张力，残余汕饱和度能够降低到最低值，因而可以实现驱汕的目的。混相驱油可以得到90％以丘的采收率，但需要一个最低的混相压力。因此，只能在油层压力高于最低混相压力，具有高压驱气设备的条件下才可以实现。

对于埋藏较浅的油层，二氧化碳驱的最低混相压力已经接近和超过油层岩石的破裂压力，这时，如果注入二氧化碳，则属于非混相驱。其效果不如混相驱，但也有较好的驱油效果，且驱动压力越接近最低混相压力，采收率越高。原因是注入的二氧化碳在原油小可以起溶解作用，提高油层压力，使原油膨胀，降低原油的粘度。

二氧化碳可以有多种来源，一是靠天然的二氧化碳矿源，布时，二氧化碳以接近纯态的形式与氮气或烃气一起，储存于地层中。一是利用合适的溶剂进行化学或物理吸附，以及相应的办法，从电厂等的烟道气中收回二氧化碳气体。三是天然气合成氨厂、合成天然气厂的副产品都是二氧化碳。将这些二氧化碳经过收集、处理、输送，通过注气设备将二氧化碳增压，实行驱油。

第五节 油、水井的维护与修理

在油井自喷、抽油和注水过程中、由于地质、工程和入为等因素，常会有一些影响生产的情况发生，有时还会出现油、水井或设备故障。因此，必须建立一套系统的维护和修理工艺程序，并配备相应的设备。

一.油井清蜡及降粘技术

我国有些油田生产的原油合蜡量很高，开采过程中，无论蜡在油层内还是在、集输管内析出．都会增加油流阻力，甚至堵塞油层影响生产。因此，在开采过程中，油井清蜡、防蜡和降粘是开采含蜡原油的主要措施之一。清蜡和防蜡技术由初期的机械清蜡、热载体循环清蜡，已发展到电热清蜡、化学清蜡、微生物清蜡等，并且做到清、防结合，以防为主，效果很好。

1．机械清蜡

以机械刮削方式清除、抽油杆及输中沉积的蜡物质，称机械清蜡。机械清蜡装置如图2—50所示，由地面绞车滚筒缠绕钢丝或钢丝绳，通过滑轮、防喷管将加重铅锤、副蜡片、麻花钻头、矛刺钻头等刮蜡器具下入，在结蜡部位上、下活动，刮碎管壁上的结蜡，并被油流带出地面。

图2—50 自喷并机械清蜡装置示意图

1一绞车；2一钢丝；3一滑轮；4一防喷盒；5一防喷管；6一刮蜡片；8一清蜡阀门 有杆泵采油时，通常采用柱塞提升，抽油杆刮蜡器和清管器等清蜡。

机械清蜡的优点是操作简便有效，成本较低，缺点是清下的结蜡块容易落人井底，堵塞射孔孔眼，加剧设备磨损。

2．热载体循环清蜡

利用加热载体循环洗井、井下电加热、注入化学物质等各种加热手段使蜡的温度升高固体变为液体，达到清蜡的目的，通常泛称热力清蜡。

热载体循环洗井一般是将热容量大、溶蜡能力强的热载体，如热油、热水、热蒸汽、热空气和热烟道气等，通过相应的设备，从油、套管环形空间注入并内，使原油温度迈步升高，再随同原油从中返回地面，把沉积在壁内的结蜡清洗干净，这种循环方式又称反洗井清蜡。

反洗井清蜡的优点是设备简单，但热洗效率不高，还可能污染油层。空心抽油杆热洗清蜡则较好地克服了上述不足。图2—51是空心伯油秆热洗流程图。共中，地面部分包括热沈车、空心光杆、南压阀门、弯管、快速接头及高温耐压胶管，井卜部分包括空心抽油杆柱及单向阀等。

清洗时．热洗车将罐内的高温流体经过交心拙油杆、单向阀的内孔注入井内，再从空心抽油杆与油甘间的环形空间与地层液一起运回地面。由于抽油杆与间的环形空间小，因而传热速度快，需要热载体少，循环时间短，效率较高。

3．电热清蜡

电热清蜡一般是以热电缆、井下加热器、或抽油杆等通电作为发热体，通过热传导、热期射、热对流等方式对池流加热，达到清路目的。此法特别适用于高含蜡、高凝固点原油和稠油开采。常用的电热清蜡包括电热抽油杆清蜡和加热电线活路两种方式。

①电热抽油杆清蛤 装置如图2—i2所示，出变扣接头、终端器、字心杆、整体电细、传感器、电

光杆、悬拄器．以及防顷盒、二次电缆、电拉柜等织成。三相交流电经控制柜的调节，变成单相交流电，通过与抽油什相连的电缆和空心抽油杆底部的终端器构成回路，在电缆线和仟体上形成集肤效应，佼空心拙油杆发热。现用的电热抽油杆按制柜有50 kw和75kw两种；空心仙油杆是ф36×5．5rn rn的元缝钢管；电缆截面积为25mm2；额定电压为380 V，额定电流为125A。

②加热电缆清蜡 如图2—53所示，其工作原理与日常所用的电炉或电热器相同，即把电缆捆绑在的外壁，通电发热。常用的电功率为50 kw，电缆长度1000 m，其截面积为3mnlX 8mm，工作电压为380 V，工作温度小了180 C。

电热清始的效率高、效果好，但投资大、耗电量多、电缆的防腐和绝缘性能要求高。 4．化学清绪

应用热化学清蜡或清蜡剂清蜡，都局于化学清蜡。利用某些物质，如氢氧化钠、铝、镁等与盐酸的

化学反应，产生大量的热能来清除积蜡，称热化学清蜡。一般认为此法效率低，不经济，很少单独使用，通常与热酸处理联合使用。利用溶始能力很强的溶剂将已沉积的蜡溶涨，使其变二成有一定粘度的松软物质，或者完全溶解，然后被油流带走，达到清蜡目的，称清蜡剂清蜡。常用的溶剂有二氧化碳、四氯化碳、三氯甲烷、苯、二甲苯、汽油、煤油、柴油、轻质油等。它们通常还要与互溶剂、表面活性剂等联合使用，才能获得更好的效果。

固2—53 加热电线清蜡示意图

l—专用井口；2—井口四通；3一套管；4—； 5一抽油杆；6一抽油泵；7一加热电缆

清始作业是不得已而为之，因为已经发生了结蜡。目前油田上J‘泛采用防蜡和降低原油粘度的措施，减少或避免结蜡。这些方法中。有表而活性别防蜡．蜡品改进剂防蜡、强磁防始，以及加热降粘、掺稀油降粘、稠油催化剂降粘等。

二、油井防砂技术

对于砂岩油层，当开发过程中地层压力发生变化时，砂粒间的受力平衡状态被打破，粒问

的以泥质为主的胶结物可能松散解体，诱使地层出砂，引起油井发生砂卡或砂埋现象，严重时甚至影响油井生产。为此，要采取相应的机械或化学防砂措施，保持油井的正常生产。 1.滤砂管防砂

将如图2—54所示的具有一定渗透能力的滤砂管安装在抽油泵的吸人口处，阻止原油中携带的砂粒进入泵内，防止泵的砂卡、砂埋。

图2—54 陶瓷滤砂管结构示意图

2．防砂卡泵防砂

防砂卡泵如图2—55所示，主要包括两部分，第一部分有滑阀、泄油器芯体等，停抽时，滑阀坐封关闭，防止砂于沉积于泵简内，避免卡泵和拉缸；第二部分是由泵简、长简与外套等组成的双简环空沉砂结构，砂子通过环空进入沉矽管，以防砂埋。

3．绕丝筛管砾石充填防砂

即将不锈铜丝拉拔成梯形断面，在专用焊架上焊成不同尺寸的金屑绕丝筛管，再将筛管下放到出砂油层井段，并用砾石充填工具将砾石充填在绕丝筛管周围，由绕丝筛管阻挡砾石，砾石阻挡地层砂，以达到防砂目的。绕丝筛管砾石充填防砂管拄如图2—56所示。

4小直径气砂锚防砂

这是一种集防气及防砂于一体的井下工具，根据需要气锚或砂锚可以组合使用，也可单独使用。如图2—57所示，小直径气砂锚的上部为气锚，下部为砂锚。气锚由出油接头、排气阀、气罩、中心杆、螺旋叶片、螺旋外管、接头等组成。砂铺由中心管(内外筛管)、滤闷、上下压帽、变扣接头等组成，可根据需要填充不同粒径的陶粒。神气混合物首先经滤砂管进行防砂，过滤介质将油流中的大部分砂子阻挡在滤管外，只有粒径细小的泥沙通过滤砂管随油气混合物上升进入气锚。

图2—57 小直径气砂锚结构示意图 5．化学防砂

即应用水玻璃、凝结刑和询温剂等制成各种固砂剂，并挤注入油井周围的油层砂岩中强其抗挤压和抗冲蚀能力，防止或减少砂粒随油气进入油井的可能性。

三、油、水并剖面调整

前已述及，任佃出计友还程中，当油层原始能量开始降低后，需要向油层注水以补充能量，提高原油的采收率。然而，对于以注水保持地层能量开发的油田来说，由于油层的非均质性等原因，注入水及边水沿高渗透层和高渗透区不均匀地推进，在纵向上形成单层突进，在横向上形成舌进，造成注入水提前突破，当油田开发到中晚期后，就会产生油井出水甚至水掩的问题。结果是使得油层能量下降，减少

抽油井泵效，引起管线和设备结垢和腐蚀，增加脱水站负荷，降低油层肋最终采收率。因此，必须采取措施及时对油井的产出剖面和注水井的吸水利面进行调整，即油井堵水或注水井调副的方法来治理水害。油井堵水分为化学堵水和机械堵水两大类，注水井调别方法多种，当前主要是化学调剖。

1.油井化学堵水

化学堵水是以某些特定的化学剂作为堵水剂，依靠工艺手段有选择性地将其注入到含水饱和度较高的中低渗透层或出水裂缝，在层内或缝洞内形成人工物理堵塞、抑制水的

窜流、银进，从而使得驱替能量能够扩大到含油饱和度较高的中低渗透层或裂缝孔道，改变纵向。亡产液剖面和裂缝系统的产旦布局，提高水驱效率，实现“控水稳油”和改善油藏的开发放果。

堵水剂分为有机与无机两大类： 有机胶乳堵水剂以部分水解聚丙烯酰胺为主体原料，其它还有氧化剂、还原剂、热稳定刑、胶联剂、除氧剂及凝胶剂等，根据需要采用不同的成分进行选配，可获得不同的如树脂复合凝胶等带有环状结构聚合物的堵水剂。

图2—57 小直径气砂锚结构示意图

无机堵水剂中，由石灰、水泥、石棉、炬石、膨润土、水溶性TZ—1等组成的石灰乳，所生成的凝固体对油层出水大孔道具有很强的封堵能力；由水玻璃、凝胶等组成的水玻璃堵水剂，在地层温度等的作用下形成高强度的凝胶体，可对地层产生物理堵塞，改变油井近并地带的地层结构，降低水相渗透率。

注入堵水剂时，根据出水层段和出油层段吸收能力肋差异，要求泵给出适当的注入压力和注入速度。 2．机械堵水

对于油层和水层相间的地层，采用机械方法堵水，即将封隔器、常关滑套、安全接头、球座等下放到预定的深度后，向内投入相应尺寸的球棒，使其坐封在下端肋球座上，堵住与井眼环形空间的连通渠道，通过地面水泥车向井内打人高压液体，使封隔器锚定在棵眼井壁上，即可防止底水进入油层。卸掸液压，上提管柱即可解封。

3．注水井化学调剖

其原理是利用注水井层间和层内渗透性的差异，依靠工艺技术手段，使化学调副剂选择性地进入相对高渗透的吸水层．在地层温度的作用下反应生成高粘度或高强度的凝胶体，对高渗透孔道产生物理和化学堵塞，增加注入水在原高渗透吸水层段或孔道的渗流阻力，使注入水在注水井段重新分配，实现注水井吸水剖面的调整，提高注入水的利用率。

在生产过程中，油、水井经常出现的故障包括；井下砂堵；井内严重结蜡、结盐．油层堵死；渗透宰降低；断裂、脱扣和渗漏；套管挤扁、断裂和渗漏等。设备故障包括：柏油泵游动阀磨损或F死?抽油杆弯曲、断裂或脱扣等。所有这些故障都可能造成减产甚至停产，必须对其进行维修、完善或排除故障的修井作业。

1修井作业类型

根据作收的性质和难度，通常将修井作北分为小修和大修。小修只进行一般件的修理工作和简单的故降处理，如洗并、检泵、解堵(捞砂或冲砂、清除蛤堵或蜡卡)、更换抽油杆和抽等；而处理套管火形、挤讨中、侧钻、打捞、处理复杂的井厂事故等，则称为大修。

修作作业的方式归纳起来为3大类。

(1)起下作业 如、柏油杆、深井泵等井下设备及工具的起下，以及抽汲、捞砂、机械消蛤的起下等。可以由通井机、轻型修井机等起下设备完成。

(2)液体循环作业 如冲砂、热洗、挤水泥及循环水泥等。通常由冲洗设备如洗井机、水泥车、锅炉车等单独完成。

(3)旋转作业 如钻水泥塞、钻砂培、扩孔、重钻、加深及修补套管等。

实际上，上述作业通常都需交叉或同时进行，简单的设备注柱满足不了工艺要求，必须依赖配备有起升系统、旋转系统和循环系统的中型或重型修井设备，加修井机等。这些修井设备大多出一些与钻机相类似的机组组成，结构和作用原理并大多大差异，所不同的只是功率和体积相对较小，机动性较高，一般固装于汽车或拖拉机J：，如图2—58及图2—59所示。

现在，国产陆地用轮胎式修井机已经标准系列化，其型号表示方法规走为：

2．大修作业

油、水井大修作业主要包括以下内容。

(1)打捞作业 油、水井工作过程小，井下落物有多种多样，要根据落物的特点，采用不同的方法和工具打捞。

①管杆类 如断脱在井内的、钻杆、抽油杆、压力计等，采用各式f7捞筒、f7捞矛、公锥、母锥、开宙捞筒、活门打捞器、拔钩、引鞋等，从井内捞起。必要时，可能要在落物上部造扣或进行套铣。

②绳索类 如钢丝绳、电缆、试井钢丝等，这些落物不象管杆类落物会坠落井底，一般应用内钓、外钓、隐蔽式内钩等提起。如果绳索类落物被压实，：t只无法活人打捞时，可用套铣管套磨铣。

③小件类 如各种金属工具等，可利用磁力打捞器、反循环打捞篮、一把抓、老虎嘴等工具。必要时，进行套磨铣作业。

图2—58 XJ350修井机

l—自走车底盘； 2—102／31井架及游动系统；3一液压系统油箱；4一水刹车循环系统水箱； 5—绞车架及护罩总成（包括主滚筒及刹车系统、捞沙滚筒及刹车系统、水刹车）；6一刹车冷却系统装置水箱；7—转盘传动装置；8—转盘链传动箱；9一角传动系统；

图2—59 美国LTO型修井机外形图

(2)卡钻处理作业 常见的卡钻事故有砂蜡卡、水泥凝固卡、落物卡、套管卡及地层垮塌等。处理之前，首先用计算法、图表法及测卡仪测量法等确定卡点与中和点。而后，除对个别砂描卡等软卡可进行活动管柱或循环解卡外，一般都要采用倒扣法或切割法起出卡点以上的管检；倒扣法是通过上提管柱，将中和点控制在卡点附近，转动管柱倒扣，必要时可通过爆炸松扣方法震击接头丝扣，松扣后再进行例如；如果不能实施倒扣作业，可用爆炸切割或机械切割方法将卡点以上的管柱切割后提出。

处理卡钻事故时需用许多相应的配套工具，如震击器、加速器、安全接头、倒扣器、活动肘接等。 (3)套管内开宙侧钻作业 油田开发到后期，由于并下套管变形、破裂错断或其它难以处理的复杂事故，往往不得不丢弃油井的下部层段，而在其上部进行侧钻作业。侧钻的方法有两种。一是在原井简套管严重损坏或复杂落物以上的某一深度，利用套管断铣工具，铣掉20一30 m套管，然后打水泥塞进行侧钻；二是在该深度处固定一个定斜器，利用定斜器斜面的造斜和导向作用，利用铣锥在套管的侧面开宙，从窗口钻出新的井眼。最后下人小尺寸的套管完井。

(4)套管补贴工艺 经过长期开发，油、水井的套管会出现不同程度的损坏，如腐蚀穿孔、丝扣渗漏、机械损伤等，影响油井生产。为此，对于某些油、水井需采用套管补贴技术以解决上述问题。水力式机

械胀贴波纹管工艺是一种比较先进的技术。即将组装好的补贴工具下人井内，使波纹管对准需要补贴的位置，通过地面泵注入压力液体，推动液缸活塞并带动连杆和刚件胀头上行，强行进人波纹管，使其依靠对外的径向扩张力紧贴在套管壁上，实现封堵井段的目的。

(5)挤封串工艺 在多层系油田开发中，由于各油气、水层的差异，往往需要分层开采。但是，由于固井质量、地质结构及高强度采油措施等因素的影响，经常出现油、水井的层间或管外申通，使油、水井生产受到影响，甚至使并报废。因此，处理套管外漏串是油井大修的一项重要任务。基本方法是借助封隔器、桥塞等工具，通过水泥车将水泥浆淮确地挤泞到预定的位置，使其在井眼内凝结，而多余的水泥浆则从工具的上部反循环全地面。一般情况下、为了防止水泥浆倒流，需使用一种称作水泥承转器的工具。

第六节 油气集输

油田上的油井分布很广，从地下开采的产出液都需有 个收集、输送、储存和计量的过程；与此同时，井厂产出液中，除原油外，同时伴有大量的天然气、水、砂子、轮类及其它杂质，征送往炼油／—及共它用户之前，还必须经过初步的净化处理等一系列工作。这些工作一般也属于采油1：程的范畴，油出上统称汕气集输，实质是多相流体的混合输送与分离工作。本节将简要介绍其基本内容，较深入的内容及所用设备详见本书第十章。

一、集油和集气

这项工作的目的是将各油井产出的原油和天然气等汇集起来，经过计量，输送到集油站(联合站或处理场)，进行分离、脱水等净化处理。对于高粘度、高凝固点的原油，还要采用加热、化学或物理等方法进行降粘、降凝处理，以保证在允许的输送压力下能够将原油输送到柴油地，而不至于凝固在管道内。

目前油田上油井的油气集输流程大致有二种；一是油气双管分输过程，油井产出液在井口附近进行分离、计量后，将原油和气体分别经和气管输送到转油站和集气干线，如图2—60所示：二是泊气单管混合输送流程、油井产出液在油井附近进行分离、计量后，油、气又重新混合，再经过一条管线输送到转油站，如图2—61所示。

以上两种流程中，双管分输流程的井口回压较低，当自喷井和抽油井同时存在时，适应性较好，在油；冲开发后期广泛采用，但耗费钢材较多。这种油、气双管分输流程除丁计量分离器外，还有量油罐、沉淀罐、储油罐等，一次计量后，即进行初步净化处理，可以不经转洲站而直接送至油库和集气站。

单管混合输送流程节约钢材和设备，但井口回压较高，在油井开发初期，油田压力较高时采用较多。此外，油气单管混输流程的计量站与转油站是分开的，井口出来的油、气经计量分离器分别计量后，台钻到转油站进行初步处理，再输送至集油总站和集气管道。

在井口到集油站之间，根据不同的压力和温度要求，还配有混轴油泵等加压装置和加热炉等加热设备。

二、油气计量

目前油田上油、气、水的计量分为三级：作为商品交接的油田外铅计量，为一级；联台站(处理场)内部交接计量，为二级；油井计量站计员，为三级。计员级别不同，精度也不同*

油气计量站设在油井附近，主要用于量油和量气。计量站分为单井计量和多井计量两种。单井计量在井口进行，如图2—62所示为自喷井口地面流程，计量后，油、气输送到转油站。多井计量是将几口井的油、气计量工作集中进行，其流程如图2。63所示，计量站的原油输送到转油站，气体可单独送往集气干线或用户，也可油气混合站送到转油站。

l—油井；2一水套加热炉；3一计量分离器； 1一油井来线；2—总机关； 4—干线分离器s 3一计量分离器；4一水套加热炉

三、油气混合输送

来自油井或计量站的以油、气为主的多相混合流体，

一般要经过混铅泵站加压后才能输送到目的地。混输泵站的流程如图2—所示。混合流体通过总机关汇总后，进入缓冲罐，再通过混输泵的专用管线进入混输泵，加压后进入回油装置，再进入外输管线。

这种流程中，欲计量每口井的产量，可以控制总机关，分别将每口井的油、气混合液通入水变炉内升温，再进入计量分离器，计量油、气后，与其他油井的混合液一起进入缓冲罐。缓冲罐是用于使混输泵工作平稳的装置，结构示意如图2—65所示。由于油、气在管道中的流动总是不均匀的，或油多气少．或气多油少，混输泵工作时，油、气交替进行，造成电机负载不平衡，对混

输泵自身也会有危害，如混输螺杆泵与衬套间润滑不良等*在泵人口处设置缓冲耀，油、气进入耀内就自动分离．气体在顶部，原油在底部。正常输油时，气体通过油气混合器上端的开口进入混输泵，原油则从油气混合器上的很多小孔进入混输泵，从而使油、气基本上按比例进入，保证泵在较均衡的负载下工作。缓冲罐上的增油控制阀是为了弥补油气分出不均匀而设置的，通过调节该阀的开启度，可以改变进泵的油气比例，以创造井保持泵平稳工作的条件。

混杨泵站中的主要设备还有离心泵、螺杆泵、其它混输泵等泵类和分离器、水套加热沪、回油装置等。

l—总机关；2—水套炉；3—分离器；4—测气挡板； 1一油、气进口；2一油M、气混合器； 5—联轴器；6—缓冲罐；7一过滤器； 3一小孔；4一至混输泵入口；5一增油控制阀 8一混输泵；9一回油装置；10一电动机

四、油气分离和净化

经过计量站计量(或直接来自单井、并排)的油、气混合物中含有原油、天然气、水、砂等多种成分，必须输送到转油站进行分离和净化处理．才能进行油、气的转输和储备等后续工作。按照油、气输送的特点，转油站分为开式集输和密闭集输两种流程。 1.开式集输流程

油、气开式集输流程如图2—66所示。来自计量站的多相混合液，经过分离器分离、计量后，再经过一级、二级分离器，将原油中的溶解气进一步分离，气体进入脱水装置，作脱水处理后进入输气管线；而原油则进入含水油罐，经一级脱水泵输送到加热炉脱水，加热后进入沉阵罐沉淀，沉淀在底部的污水用污水泵排除；沉降罐中的原油再经二级脱水泵输送到电脱水器，再次作脱水处理后，最后进入无水油罐，用输油泵送入油库或用户。

1一单井来油；2一并排来油；3—计量站来油；4—计量油、气分离器；5—计量计；6一气体流量计；7、8一二级油气分离器；9一天然气脱水装置；10一含水油罐；11、16一二级脱水泵；12一污水排除泵；13—沉降罐；14—脱水加热炉；15一污水排除管线；17一电脱水器；18一不含水油

罐；19—外输油泵；20一外输油加热炉；2l一外输油流量计；22一外输线

2．密闭集输流程

开式集输流程中的含水油罐、沉降罐、不含水油罐中的原油是直通大气的，输送过程中原油里的部分径质馏分有挥发损耗，造成浪费，因而目前多转向采用密闭集输流程。

油、气密闭集输流程如图2—67所示。它与开式的主要区别是用密闭的缓冲蹈代替非密闭的缓冲油罐，故而油、气的损耗要少得多。密闭集输一般要满足3个条件：石油及天然气等混合液从油井产出后，在集输、中转、脱水、净化等过程中，都用密闭管道筋迭；油、气在净化处理和储存等过程中，所使用的容器都是耐压的，正常情况下，油、气不与外界相互串通；生产中排故的污油、污水、天然气等全部回收处理，中间不开口。

密闭流程具有减少油、气损耗，流程结构简单等优点，但必须有一套比较完整可靠的自动监测和自动控制设备，以便及时发现和处理故障。

1一单井来油；2—井排来油；3一计量站来油；4一计量油、气分离器；5一流量计；6一气体流量；7、8一二级油气分离器；9一天然气脱水装置；10、15一缓冲罐；11一脱水罐；12一脱水加热炉；13一脱水器；14—污水排除管线；l 6一外输油泵；17一外输油加热炉；18—外输油流量计；19一外输线

五、典型的油气集输流程

根据油井到计量站或集输中转站的油气集输和保温型式的不同，油气集输的流程可分为单管流程、双管流程、三管和多管流程等，我国多采用单管和双管流程。

1．单管流程

图2—68是大庆油田初期采用的一种单管油气集输流程，即典型的萨尔固流程。它将100~150口油井串联在一报管子上．利用油井地层的剩余压力将油气从井口密闭输送到集油站或联合站。每D并的井场上安装有计量分离器，经过油、气的初步分离和计量，再汇合到一条管线上混输。为了实现保温，在井场上没有水套式加热炉(或联合装置)，用分离器分离出来的天然气燃烧加热，干线上没有干线加热沪和分气包，就地利用油气温输管线中的天然气燃烧加热。原油和天然气集中到集油站或联合站再进行分离、净化、脱水、污水脱油等处理，然后将原油外输，将天然气送住压气站，将合格的水达到注水站进行回注。

2．双管流程

双管集输流程是指从油井到计量站(或转油站)有两报管线：从油井到计量站的油气集输管线和掺液或伴热管线。双管流程中，有双管掺热油流程，双管掺热水流程，双管掺活性水流程，以及双管蒸汽伴随流程等。双管掺热油流程是一种小站流程，如图2—69所示。这种流程的井场上无水套加热炉和计量

站，从油井到计量站，以及从计量站到菜油站，都有两条管线。一条输送从井口产出的油、气、水混合物，另一条输送从集油站加热后返回井口的热油。当产出混合物在井口与热油混合后，温度提高，进入计量站；计量后再输送到集油站，进行原油和天然气的再分离；原油加热后，一部分输入脱水站脱水净化，另一部分输送到计量间，经过分配阀组再输至油井的热线，对油井产出液再行加热。使用这种流程可以对油井进行热洗清蜡。

1一抽油机；2、5一联合装置；3一分气包；4一自喷井；6—干线加热炉；7—油井；8一井排；9一分离器；10一除油器；11一缓冲脱水罐；l 2一排污泵；13、20—油泵；14、24一加热炉；15—电脱水器；16、18、19一油罐；17—输油泵；2l—油槽车；22一灌注油泵；23—外输泵

I—抽油井口；2一自喷井口；3—测气孔板；4、6、12、13一流量计；5—计量分离器；7、8一分离缓冲罐；9—加药罐；10一外输循环泵；11一洗井泵；14一洗井加热炉；15——外输加热炉；16一

循环加热；17一油气分离器；18—气体除油器；19—沉降罐；20—脱水泵；21—污水泵；22—脱水加热炉；23—净化油罐；24—原油外输泵；25—油罐；26—加热炉

思 考 题

1．自喷井是怎样采出原油的？主要有哪些设备?

2．有杆泵采油和无杆泵采油的工艺原理有什么主要区别？需用哪些主要设备？ 3．油田注水的主要工艺苑程是急样的？需要哪些主要设备？ 4．什么是油层压裂?所用设备有哪些特点? 5．油后硬化的基本目的、原理是什么?

6．目前的高新采油技术有哪些?试阐述其基本原理和需用设备。 7．油井清腊的技术有哪些？常用设备是什么?

8．什么是油、水井防砂和剖面调整7紫用哪些主要设备？ 9．为何要进行油、水井修理？主要工作有哪些？

10．油气集输的主要生产流程是什么?主要设备是哪些?