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第1章 定向钻井1

1.1 引言1

1.2 定向井设计1

1.2.1 井身剖面及术语1

1.2.2 影响井眼轨迹设计的因素2

1.2.3 井眼轨迹模型3

1.2.4 扭矩与阻力5

1.2.5 井底钻具组合(BHA)模拟10

1.2.6 水力因素12

1.2.7 钻机的工作能力12

1.3 定向钻井工具13

1.3.1 井下动力钻具14

1.3.2 转盘钻具与可调式稳定器16

1.4 常规(长半径)定向井17

1.4.2 钻造斜段18

1.4.1 长半径定向井的钻柱特点18

1.4.3 钻稳斜段19

1.4.4 井眼冲蚀20

1.5 中半径定向井20

1.5.1 设计中半径定向井井身剖面考虑的因素21

1.5.2 中半径定向井的钻柱设计22

1.5.3 造斜段BHA组成23

1.5.4 中半径定向井钻井措施24

1.6 短半径定向井25

1.6.1 井身剖面与钻井效率26

1.6.2 磨铣钻井27

1.6.3 钻短半径定向井造斜段28

1.6.4 定向与测斜29

1.6.5 钻短半径定向井水平段29

1.6.6 短半径定向井的钻柱设计与维护30

1.6.7 中等半径造斜率和柔性钻井马达30

1.7.1 大位移井(ERD)31

1.7 极限定向井31

1.7.2 “设计师”井33

1.7.3 钻柱动力学33

1.7.4 定向钻井系统的形成35

参考文献35

第2章 水平井、多侧向井及多分支井在石油开采工程中的应用38

2.1 引言38

2.2 背景38

2.3 设计思路39

2.4 钻井层位选择39

2.5 水平井、多侧向井和多分支井的生产46

2.5.1 横向渗透率各向异性46

2.5.2 产能模型46

2.5.3 单支水平井动态：各向异性的影响50

2.6 多侧向井技术53

2.6.1 定向钻井53

2.6.2 完井技术54

2.7 多侧向井设计55

2.7.1 裸眼多侧向井55

2.7.2 部分封隔多侧向井方法56

2.7.3 完全多侧向油井系统58

2.8 多侧向井及多分支井的性能65

2.8.1 优越性及缺陷65

2.8.2 生产预测65

2.9.1 井筒仪表化70

2.9 多侧向井将来的应用及优越性70

2.9.2 交互式油藏管理71

2.10 结论71

参考文献71

第3章 随钻测量、随钻测井和地质导向技术73

3.1 引言73

3.2 随钻测量(MWD)73

3.2.1 电力系统74

3.2.2 数据传输系统74

3.2.4 随钻测量和随钻测井系统的结构75

3.2.3 定向传感器75

3.2.5 钻井动力学76

3.2.6 可靠性和环境因素77

3.3 随钻测井78

3.3.1 电阻率测井78

3.3.2 放射性测井83

3.3.3 声波测井87

3.3.4 深度测量88

3.4 地质导向器90

3.4.1 地质导向工具90

3.4.2 地质导向方法92

3.5 测井数据应用94

3.5.1 储层特征94

3.5.2 油气定性和定量描述95

3.5.3 用随钻测井代替电缆测井进行地层评价97

参考文献99

第4章 钻井液101

4.1 引言101

4.2 历史回顾101

4.3 钻井液的基本功能102

4.4 地层伤害和油井产能103

4.4.1 滤失控制103

4.4.2 桥堵、漏失和瞬时滤失104

4.4.3 滤液化学105

4.4.4 水平井105

4.5 钻井液类型108

4.5.1 水基钻井液109

4.5.2 油基钻井液111

4.5.3 合成基钻井液112

4.5.4 气体钻井流体113

4.6 环境问题113

4.6.1 毒性测试113

4.6.3 废物处理方法114

4.6.2 废物消除114

4.7 性能测试115

4.8 与钻井液有关的问题116

4.8.1 卡钻116

4.8.2 低压地层117

4.8.3 井漏117

4.8.4 井壁失稳118

4.8.5 井眼净化118

4.8.6 重晶石沉积119

4.8.7 H2S污染119

4.8.8 天然气水化物120

4.9 特殊应用120

4.9.1 高温、高压钻井120

4.9.2 水平井和多分支井钻井121

4.9.3 大位移井121

4.9.4 小井眼、连续油管钻井122

参考文献123

4.10 发展趋势123

第5章 建井岩石力学127

5.1 引言127

5.2 岩石的力学特性127

5.2.1 加载——卸载特性127

5.2.2 孔隙弹性127

5.2.3 粘弹性特性128

5.2.4 断裂韧性129

5.3 近井眼应力场131

5.2.5 孔隙坍塌131

5.4 破坏准则135

5.4.1 莫尔——库仑破坏准则135

5.4.2 Hoek-Brown准则136

5.4.3 Drucker-Prager准则(扩展Von Mises准则)136

5.5 近井眼力学的应用137

5.5.1 钻井过程中井眼稳定性137

5.5.2 射孔142

5.5.3 水力压裂144

5.5.4 出砂150

5.6 原地应力测量153

5.6.1 微型压裂测试153

5.6.2 地质信息154

5.6.3 破裂分析154

5.6.4 滞弹性应变恢复(ASR)155

参考文献156

第6章 套管及油管设计159

6.1 引言159

6.2 套管类型159

6.3 套管、油管性能160

6.3.1 钢级160

6.3.2 套管强度161

6.4 复合应力作用166

6.4.1 外挤力与拉力复合作用168

6.4.4 在内压负荷下三轴向准则的应用169

6.4.3 内压力和拉力复合作用169

6.4.2 内压力和压缩力复合作用169

6.5 联接171

6.5.1 API联接额定值171

6.5.2 特殊联接(联接装置)173

6.5.3 联接失效174

6.5.4 联接设计极限174

6.6 套管和油管柱所受载荷174

6.6.1 外部压力载荷175

6.6.2 压力负载情况178

6.6.3 机械载荷186

6.6.4 热力载荷和温度影响188

6.7 套管设计的系统方法188

6.7.1 设计工程师的职责188

6.7.2 套管损坏188

6.7.3 设计方法188

6.8.1 钻井液设计189

6.8.2 井眼及套管直径189

6.8 初步设计189

6.8.3 套管鞋深度及套管柱数量193

6.8.4 管外水泥返高深度194

6.8.5 定向钻井设计194

6.9 详细设计194

6.9.1 载荷类型194

6.9.2 载荷线194

6.9.3 设计系数194

6.9.5 其他考虑因素195

6.9.4 图解设计195

6.9.6 设计计算实例196

6.10 套管、油管的移动和弯曲198

6.10.1 引言198

6.10.2 弯曲模型及相关式200

6.10.3 油田生产中的套管弯曲202

6.10.4 油田生产中的油管弯曲203

6.10.5 弯曲计算实例203

参考文献205

第7章 固井207

7.1 引言207

7.1.1 固井的目的207

7.1.2 达到目的的步骤207

7.2 数学及物理模型208

7.2.1 情况一：套管与井眼同心209

7.2.2 情况二：偏心套管213

7.2.3 情况三：泥饼、胶凝及固相沉积216

7.2.4 情况四：流体温度221

7.2.5 情况五：混合及复合钻井液225

7.2.6 情况六：材料完整性225

7.3 固井材料225

7.3.1 波特兰水泥225

7.3.2 其他胶结材料226

7.3.3 波特兰水泥化学性能227

7.3.4 水泥外加剂228

7.4.1 温度的确定230

7.4 计算与实验室试验230

7.4.2 水泥浆体积计算231

7.4.3 实验室试验232

7.5 作业实施233

7.5.1 体积确定233

7.5.2 固井作业的不同类型234

7.5.3 套管附件236

7.5.4 设备237

7.5.5 循环钻井液237

7.6 气侵和气窜239

7.6.1 气体侵入水泥浆和水泥浆失重的机理239

7.6.2 气窜程度和防止气层注水泥的有效体系241

7.7 数据收集及软件242

7.8 固井后油气的窜流243

7.9 气体运移理论243

7.9.1 固井后气侵的机理244

7.9.2 长期气体漏失247

7.9.3 机理总结250

7.10 诊断气侵的能量250

7.10.1 气侵250

7.10.2 长期气体漏失251

7.11 对运移现象的控制251

7.11.1 气体流动251

7.11.2 气体漏失258

7.12 有效性评估259

7.13 水运移259

7.14 总结260

参考文献260

第8章 补注水泥265

8.1 引言265

8.2 挤水泥265

8.2.1 挤水泥原理及方法265

8.2.2 问题的判断266

8.2.3 作业计划269

8.2.4 施工设计272

8.2.5 挤水泥施工程序277

8.2.6 作业评价281

8.3 注水泥塞281

8.3.1 注水泥塞原理与方法282

8.3.2 问题判断283

8.3.3 控制因素284

8.3.4 顶替技术284

8.3.5 计划287

8.3.6 注水泥塞施工设计288

参考文献290

第9章 水泥环评价293

9.1 引言293

9.2 历史回顾293

9.3 水泥环评价的声波技术294

9.3.1 平面波技术294

9.3.2 微窜槽302

9.3.3 平面波技术的适用和限制条件303

9.3.4 脉冲回声技术305

9.3.5 噪音测量311

9.4 水泥环评价的非声波测量技术312

9.4.1 核测量312

9.4.2 温度测量313

9.5 水泥环评价图的解释原则313

9.5.1 解释目标313

9.5.2 推荐的一般测井方法314

9.5.3 推荐的可选参数和测井图314

9.5.4 水泥评价中的常见问题315

9.6 最后的例子316

9.7 测量方法的限制318

参考文献319

第10章 完井液321

10.1 引言321

10.2.1 密度要求322

10.2 清洁盐水完井液基本选择标准322

10.2.2 结晶温度要求324

10.2.3 盐水与地层配伍性要求326

10.3 管理与测试问题327

10.3.1 腐蚀327

10.3.2 过滤328

10.3.3 完井盐水的加重和减重328

10.3.4 滤失控制329

10.3.5 流变性330

10.3.6 防止乳化332

10.4 应用332

10.4.1 射孔完井332

10.4.2 裸眼完井与割缝衬管完井333

10.4.3 套管井砾石充填333

10.4.4 水平井334

10.4.8 非盐水完井液335

10.4.7 驱扫液塞和清洗液335

10.4.5 裸眼砾石充填335

10.4.6 水力压裂335

10.5 结论336

参考文献336

第11章 射孔339

11.1 引言339

11.2 传爆系统340

11.2.1 一次和二次高爆炸药340

11.2.2 热分解341

11.2.3 起爆器342

11.2.4 导爆索344

11.2.5 聚能射孔弹(深穿透和大孔径弹)344

11.2.6 安全和事故346

11.3 穿透过程348

11.4 伤害带349

11.5 射孔枪类型350

11.6 射孔弹和射孔枪的性能测量(API RP-43)352

11.7 坚硬岩石的完井技术353

11.7.1 正常完井射孔353

11.7.2 射孔孔眼表皮系数计算353

11.7.3 负压射孔357

11.7.4 超正压射孔358

11.7.5 补注水泥、水力压裂或其他增产措施时的射孔359

11.8 非胶结砂岩的完井方法360

11.8.1 套管射孔砾石充填360

11.8.2 非胶结砂岩射孔无砾石充填362

11.9 深度对比362

11.10 射孔的概要363

参考文献363

12.2 油管管柱366

12.2.1 油管366

第12章 完井工具366

12.1 引言366

12.2.2 流动接箍370

12.2.3 耐磨接头370

12.2.4 工作筒370

12.2.5 油套管环空连通装置(循环装置)374

12.2.6 偏心工作筒376

12.2.7 伸缩接头377

12.2.9 油管悬挂器378

12.2.8 可调式活接头378

12.3 生产封隔器379

12.3.1 封隔器基础380

12.3.2 封隔器类型：永久型封隔器和可回收封隔器380

12.3.3 封隔器类型及应用383

12.4 油管伸缩和封隔器力385

12.5 井下安全阀386

12.5.1 油管安全阀386

12.5.2 环空安全阀389

12.6.1 设计要求391

12.6 工具选择391

12.6.2 井况392

12.6.3 材料考虑392

12.6.4 工具配合395

12.7 常用完井设计395

参考文献399

第13章 流入动态及油管动态401

13.1 引言401

13.2 多孔介质中流体渗流的基本概念401

13.2.1 流体在多孔介质中渗流的数学基础401

13.2.2 原油的流动(压缩系数恒定的流体)401

13.2.3 稳态解402

13.2.4 气体流动402

13.2.5 表皮效应403

13.2.6 射孔及表皮系数405

13.3 水力压裂井407

13.3.1 无限导流能力裂缝408

13.3.3 有限导流能力裂缝409

13.3.2 流量均布型裂缝409

13.3.4 裂缝中导流能力的变化412

13.3.5 低裂缝导流能力的影响412

13.3.6 压裂后的稳态生产414

13.4 高渗透层压裂415

13.4.2 裂缝长度和裂缝导流能力对高渗透层压裂效果的影响417

13.4.3 裂缝的伤害417

13.4.1 高渗透层压裂的选井417

13.4.4 压裂后试井分析418

13.5 水平井420

13.5.1 水平井动态421

13.5.2 水平井压裂425

13.6 流入动态关系426

13.7 垂直举升动态427

参考文献430

14.1.1 人工举升方法综述434

14.1 引言434

第14章 人工举升434

14.1.2 各种人工举升方式的优选435

14.2 有杆泵举升系统437

14.2.1 选择有杆泵抽油机时所需考虑的因素437

14.2.2 设计抽油杆柱所需考虑的因素439

14.2.3 选择泵时应考虑的主要因素439

14.2.4 有杆泵设计443

14.3 电动潜油泵444

14.3.1 电动潜油泵的气体分离装置445

14.3.2 “Y”型工具446

14.3.3 电动潜油泵防砂446

14.3.4 在水平井中使用的电动潜油泵447

14.3.5 电动潜油泵设计实例448

14.4 气举完井457

14.4.1 井下设备458

14.4.2 气举启动459

14.4.3 连续气举460

14.4.4 以气举阀间隔设计为例进行的计算机气举设计465

14.4.5 间歇气举467

14.4.6 气举完井469

14.5 水力泵装置473

14.6 小结475

参考文献476

15.2.1 增产措施前的产能指数478

15.2 油井增产措施是提高油井生产指数的手段之一478

15.1 引言478

第15章 油井增产措施478

15.2.2 油井增产措施的经济影响479

15.3 水力压裂基本原理480

15.3.1 由于压裂导致产能指数的增加480

15.3.2 裂缝导流能力优化481

15.3.3 压裂力学：线弹性和断裂力学483

15.3.4 压裂流体力学485

15.3.5 滤失和裂缝体积平衡486

15.3.6 基本裂缝几何形态489

15.3.7 压裂设计492

15.4 压裂材料496

15.4.1 压裂液496

15.4.2 压裂液添加剂497

15.4.3 压裂液评价试验498

15.4.4 支撑剂选择499

15.5 现场施工500

15.5.1 泵注程序500

15.5.2 返排502

15.5.3 设备503

15.5.4 微型裂缝测试503

15.5.5 微型压裂504

15.6 施工分析508

15.6.1 施工压力分析508

15.6.2 测井508

15.6.3 测井方法和示踪剂510

15.7 裂缝延伸先进模型511

15.7.1 缝高控制511

15.7.2 模拟器511

15.8 基质增产措施513

15.8.1 碳酸盐岩油藏514

15.8.2 砂岩油藏514

15.8.3 转向技术514

15.9 酸压515

参考文献516

第16章 防砂和固砂519

16.1 引言519

16.2 出砂预测520

16.3 出砂机理520

16.4 防砂方法520

16.4.1 限制产量的防砂方法520

16.5 防砂方法优选521

16.4.4 复合防砂方法521

16.4.2 机械防砂方法521

16.4.3 化学固砂方法521

16.6 机械防砂方法522

16.6.1 机械防砂系统的组成523

16.6.2 充填工艺过程528

16.6.3 工艺设计530

16.7 化学固砂技术539

16.7.1 内部活化固砂剂系统540

16.7.2 外部活化固砂剂系统540

16.7.3 实际应用541

16.8 复合防砂541

16.8.1 半胶结树脂涂敷砾石充填541

16.8.2 液体树脂溶液砾石充填542

16.9 水平井砾石充填543

16.9.2 充填排量和流体流速544

16.9.3 α波和β波在环空中的传播544

16.9.1 影响砾石充填的因素544

16.9.4 砂浓度545

16.9.5 充填工艺及工具545

16.9.6 冲管外径与割缝衬管546

16.9.7 筛管——套管环空间隙546

16.9.8 射孔相位选择546

参考文献546

17.1 引言548

第17章 高渗透层压裂548

17.2 高渗透层压裂550

17.2.1 砾石充填550

17.2.2 高速水充填551

17.2.3 高渗透层中压裂水平井的特性551

17.3 高渗透层压裂中的关键技术552

17.3.1 端部脱砂552

17.3.2 净压力和流体滤失553

17.3.3 高渗透层压裂滤失的基本模型554

17.4.1 射孔557

17.4.2 机械设备557

17.4 施工设计和实施557

17.4.3 施工前诊断测试558

17.4.4 端部脱砂(TSO)设计560

17.4.5 端部脱砂泵送处理562

17.5 裂缝导流能力与材料选择562

17.5.1 裂缝尺寸优化562

17.5.2 支撑剂的选择564

17.5.3 流体选择565

17.5.4 质量控制567

17.6 高渗透层压裂施工评价：综合方法568

17.6.1 生产结果568

17.6.2 实时施工数据评价568

17.6.3 施工后压力瞬变分析569

17.7 斜率分析574

17.7.1 假设574

17.7.2 限制延伸理论575

17.7.3 斜率分析方法576

17.8.2 复杂井压裂配置579

17.8 高渗透层压裂工艺579

17.8.1 不用筛管和修井机的高渗透层压裂完井579

17.8.3 技术要求及发展动向580

参考文献581

第18章 控水585

18.1 引言585

18.2 油井产水的来源585

18.2.1 注入水及边水585

18.2.2 底水585

18.2.3 上层水、下层水和夹层水586

18.3 油井出水的危害586

18.3.1 消耗地层能量586

18.3.2 油井大量出水，使油井出砂更为严重586

18.3.3 加快设备腐蚀速度586

18.3.4 产水对结垢的影响586

18.3.5 加重采油设备和地面设备负担586

18.4 产水机理587

18.3.8 增加污水处理量587

18.3.6 过量产水对未波及油的影响587

18.3.7 加重脱水设备负担587

18.4.1 与完井有关的机理588

18.4.2 与油藏有关的机理589

18.5 过量产水的预防591

18.5.1 套管漏失的预防591

18.5.2 管外窜槽的预防591

18.5.3 底水锥进和指进的预防591

18.5.4 减缓高渗透层渗流593

18.5.5 防止裂缝沟通注水井和生产井594

18.5.6 适应未来产水量的完井595

18.6 降低过量产水的技术596

18.6.1 问题识别596

18.6.2 堵水设计597

18.6.3 对以前应用过的堵水方法描述600

参考文献602

19.1.2 完井设计的历史模式607

19.1.1 背景607

第19章 延长油井寿命的完井设计607

19.1 引言607

19.2 完井设计程序609

19.2.1 完井设计功能及油井维护要求610

19.2.2 优选完井应用举例：生产工艺方法613

19.2.3 详细的完井设计613

19.3 确定完井寿命614

19.4 完井设计变化的预测和修改615

19.4.1 油藏参数615

19.4.2 油井系统动态620

19.4.3 机械因素623

19.4.4 最优设计624

19.4.5 着眼未来的智能井626

参考文献631

附录 单位换算表633