鉆井系統
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-30
鉆井系統的實例教程
作者：Fred Harvey, MSC Software
石油和天然氣的勘探需要鉆井，鉆井是通過一段鉆桿連接到井底鉆具組合（BHA）上進行，井底鉆具組合包括各種專用鉆井工具，用于鉆穿巖石、測量、管控振動，以及轉向控制。鉆柱沿著預定的軌跡到達特定的富油目標區，通常距離鉆機本身超過15,000英尺。因為每一口井都是獨一無二的，而且鉆井過程極其昂貴，所以用傳統的原型測試方法對設計進行物理測試是不切實際的。
鉆井系統非常復雜，包括流體系統、電氣系統、先進控制系統、機械驅動、鉆機結構和鉆柱，此外還有對高溫和高壓環境作出貢獻的大自然，以及各種地質因素。鉆柱浸沒在鉆井液中，并通過許多具有不同物理特性的地層保持與井眼的接觸。旋轉和軸向運動通過電動頂驅和繩索滑輪系統在地面進行控制；每一個都有自己的機械、液壓和控制系統。鉆井液通過鉆桿泵入井筒，以提供潤滑、冷卻和從鉆頭排出巖屑。這種流體為鉆柱提供了粘性阻尼和浮力效應，但是，當保持靜止時也具有結塊的趨勢。泥漿馬達將液壓能轉換為機械能，從而為鉆頭提供扭矩和額外的轉速。其它具有不同復雜度的設備被用于進行測量、管控振動，以及穩定和維持BHA的方向控制。為了捕獲正確的系統特征，必須在模型中考慮所有這些設備。
可以想象，整個鉆井系統是非常復雜的，由許多非線性子系統組成，這些子系統與流體、地質、控制系統以及鉆柱本身的機械結構相互作用。對于如此復雜的系統，地面幾乎沒有或根本沒有指示的情況下，井下可能已經發生破壞性振動就不足為奇了。物理測試不僅昂貴得令人望而卻步，而且測試數據往往直到鉆井完成并獲得井下數據后才能得到。即使有井下測試數據，也很難從有限的可用信息中了解實際發生的情況。建模為研究鉆井系統，了解可用的物理數據以及評估未來設計的性能提供了可能。
許多方法被用來對鉆井系統進行建模，并取得了不同程度的成功。
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水平井“一趟鉆”鉆井技術
水平井“一趟鉆”鉆井技術是一項系統工程，也是頁巖油氣水平井鉆井提速降本的“牛鼻子”工程。所謂“一趟鉆”就是鉆頭一次下井打完一個開次的所有進尺。“一趟鉆”可顯著減少鉆頭用量、起下鉆次數和時間，簡化井身結構，減少套管和水泥用量以及相應的固井工作量，從而大幅度縮短鉆井周期，降低鉆井成本。
“一趟鉆”涉及的關鍵技術主要包括：（1）鉆井方案優化設計；（2）先進鉆機，特別是自動化鉆機；（3）適合“一趟鉆”的高效長壽命鉆頭，通常是定制的鉆頭；（4）個性化的優質鉆井液；（5）高壓噴射鉆井及優選參數鉆井；（6）常規導向鉆井或旋轉導向鉆井；（7）隨鉆地質導向；（8）遠程專家決策支持中心。鉆頭、鉆井液、導向工具、儀器以及鉆井工藝、裝備的最佳匹配，是“一趟鉆”的基本保證，井筒完整性是“一趟鉆”的基本前提。“一趟鉆”不僅需要集成應用先進高效鉆井技術，還需要地質工程一體化解決方案，更需要團隊的協作。
在美國頁巖油氣水平井鉆井中，單井段一趟鉆已成常態，兩井段一趟鉆正在推廣應用，多井段一趟鉆持續增加。隨著技術的不斷進步和經驗的不斷積累，“一趟鉆”不斷刷新著單趟進尺紀錄，不斷縮短水平井鉆井周期。“一趟鉆”創造的單趟進尺紀錄已突破5500米。
展開 鉆井液流經的各種管件、設備構成了一整套鉆井液循環系統。
鉆井液的功能
目前，鉆井液被公認為至少有以下十種作用：
1） 清潔井底、攜帶巖屑。保持井底清潔，避免鉆頭重復切削，減少磨損，提高效率。
2） 冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱。降低鉆頭溫度，減少鉆具磨損，提高鉆具的使用壽命。
3） 平衡井壁巖石側壓力，在井壁形成濾餅，封閉和穩定井壁。防止對油氣層的污染和井壁坍塌。
4） 平衡(控制)地層壓力。防止井噴，井漏，防止地層流體對鉆井液的污染。
5） 懸浮巖屑和加重劑。降低巖屑沉降速度，避免沉沙卡鉆。
6） 在地面能沉除砂子和巖屑。
7） 有效傳遞水力功率。傳遞井下動力鉆具所需動力和鉆頭水力功率。
8） 承受鉆桿和套管的部分重力。鉆井液對鉆具和套管的浮力，可減小起下鉆時起升系統的載荷。
9） 供所鉆地層的大量資料。利用鉆井液可進行電法測井，巖屑錄井等獲取井下資料。
10）水力碎巖石。鉆井液通過噴嘴所形成的高速射流能夠直接破碎或輔助破碎巖石。
鉆井液的組成
1）水基鉆井液是由膨潤土(Bentonite)、水(或鹽水)、各種處理劑、加重材料以及鉆屑所組成的多項分散體系。其中膨潤土和鉆屑的平均密度均為2.6g/cm3，通常稱它們為低密度固相；而加重材料常被稱為高密度固相。
最常用的加重材料為API重晶石，其密度為4.2g/cm3。由于在水基鉆井液中膨潤土是最常用的配漿材料，在其中主要起提粘切、降濾失和造壁等作用，因而又將它和重晶石等加重材料稱做有用固相，而將鉆屑稱做無用固相。
展開 相反，它們增強了自動化和測量系統，允許解決方案，如果沒有光纖能力，就不可能實現，或者實現起來很麻煩，光纖傳感器是新技術的推動者。
在航空航天領域，重點突破飛機氣動及結構、航空發動機、機載設備及系統、無人系統、火箭發動機等系統關鍵設計。在船舶海工領域，重點突破智能船、郵輪等高技術船舶，深遠海油氣資源開發裝備等海洋工程裝備，以及核心配套系統及設備的關鍵設計。在電力裝備領域，重點突破燃氣輪機整體設計，核心熱端部件設計和現役裝備熱端部件的修復及優化升級設計，特高壓交直流關鍵裝備設計等。在節能與新能源汽車領域，重點提升關鍵裝備、核心裝置、新工藝技術、系統集成平臺（軟件）等設計能力，形成指導汽車工裝設計的標準化規范或導則。
（2）實現傳統優勢產業設計升級。在消費品領域，支持智能生態服裝、家用紡織品、產業用紡織品、鞋類產品、玩具家電、家具等設計創新。鼓勵建設國民體型數據庫和標準色彩庫，發展人體工學設計。加強流行趨勢研究，提升產業競爭力。在汽車領域，推動關鍵零部件、新能源汽車動力電池和充電系統設計，動力電池回收利用系統設計，乘用車及冷鏈物流車、消防車等專用汽車設計。在石化裝備領域，重點突破高精度旋轉導向鉆井系統設計，7000馬力及以上大型壓裂撬裝成套裝備設計，12～15萬Nm3/h等級超大型空分成套裝備設計等。在傳統機械領域，發展汽油發動機、大馬力柴油機、工業燃氣輪機等動力機械設計。在重型機械領域，重點突破智能碼頭成套裝備設計，智能搬運與輸送系統成套設備設計，寬幅高品質鋁、鎂合金板帶智能生產成套裝備設計，大型鑄鍛件制造成套裝備設計等。在電子信息領域，大力發展集成電路設計，大型計算設備設計，個人計算機及智能終端設計，人工智能時尚創意設計，虛擬現實/增強現實（VR/AR）設備、仿真模擬系統設計等。
（五）大力推進系統設計和生態設計。積極推進系統設計與系統仿真技術研發，有效帶動原始創新。
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鉆井系統的最新內容
2021年上半年，在二疊盆地用D-Tech 旋轉導向公司的D-Tech 旋轉導向鉆井系統“一趟鉆”完成2985.2米長的水平段，用時72小時，平均機械鉆速39.8米/小時，相當于日進尺954.6米。
鉆井液循環系統
鉆井液的循環是通過循環泥漿泵來維持的，泥漿泵排出的高壓鉆井液經過地面高壓管匯、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌到鉆頭，從鉆頭噴嘴噴出，以清洗井底并攜帶巖屑。然后再沿鉆柱與井壁（或套管）形成的環形空間向上流動，在到達地面后經排出管線流入泥漿池，再經各種固控設備進行處理后返回上水池，最后進入泥漿泵循環再用。
循環系統包括鉆井泵，地面管匯、泥漿罐、泥漿凈化設備等，其中地面管匯包括高壓管匯、立管、水龍帶，泥漿凈化設備包括震動篩、除砂器、除泥器、離心機等。
針對以上難點，國內外學者提出了一套包含多項有效鉆井舉措的長水平段水平井高效鉆井工藝，該技術囊括叢式“井工廠”立體開發、超大規格電驅動鉆機、長水平段水平井井眼軌跡控制、鉆井參數實時優化等多項子技術，該系統在鉆井過程中可實時調整和優化井眼軌跡，確保頁巖油甜點被精準鉆遇。
3、離岸產業
海上生產設施和石油鉆井平臺的管道系統包含大量閥門。這些閥門產品具有多種規格，可以應對所有流量控制難題。
石油生產設施的關鍵部分是天然氣或石油回收管道系統。這個系統并不只是在平臺上使用，它的生產系統通常在10,000英尺或更大的深度下使用。
在較大的石油平臺上，需要對來自井口的原油進行了更多的處理。
建模為研究鉆井系統，了解可用的物理數據以及評估未來設計的性能提供了可能。
許多方法被用來對鉆井系統進行建模，并取得了不同程度的成功。有限元是最常見的。在頻譜的一端，事實證明，非常簡單的線性結構動力學模型，對于基本規劃目的鉆柱表征非常有用。主流服務公司采用高級非線性FEA模型，用于研究非線性鉆井功能障礙。
光纖陀螺是一種成熟的產品，具有極高的精度和可靠性，主要用于高端導航系統以及地球物理鉆井設備制導系統。基于光學干擾的光纖聲學傳感器非常敏感，它們可以捕捉到壓力波的微小變化，并探測來自令人難以置信的距離的聲音——復雜的聲納應用是它們的主要應用。溫度、應變、位置、速度、角度、振動和聲音傳感器都已實現并投入商業使用。當然，大多數其他物理量都可以用光來感知和測量。
貝克休斯在油田生產服務領域十分廣泛，主要從事以下幾個方面服務：1)油田總包服務 2）鉆井，地層評價和鉆井液系統；3）完井，生產，壓裂及生產管柱系統；4）生產流程及化學藥劑服務。
4. 威德福（Weatherford）
威德福國際公司是全球四大石油服務公司之一，總部位于瑞士，旗下主要有三大業務板塊：儲層評價及建井、完井及生產、陸地鉆機業務。
在石化裝備領域，重點突破高精度旋轉導向鉆井系統設計，7000馬力及以上大型壓裂撬裝成套裝備設計，12～15萬Nm3/h等級超大型空分成套裝備設計等。在傳統機械領域，發展汽油發動機、大馬力柴油機、工業燃氣輪機等動力機械設計。在重型機械領域，重點突破智能碼頭成套裝備設計，智能搬運與輸送系統成套設備設計，寬幅高品質鋁、鎂合金板帶智能生產成套裝備設計，大型鑄鍛件制造成套裝備設計等。
對此，司志強表示，由于我國海工配套企業自主創新能力較弱，產品可靠性無法達到要求，因此關鍵配套設備或是無法生產或者一直不被船東認可，能夠滿足深海和超深海作業需要，且具有較高附加值的關鍵配套部件基本被國外供應商壟斷，如水下采油樹、DP定位系統、鉆井包等。
