鉆井系統的案例
案例分享 | Adams Drill 改善油井規劃和鉆井決策
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。
展開 近年最具影響力的15項油氣勘探開發技術（之四）
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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 鉆井的血液—泥漿
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 為什么采用光纖傳感器的方式測量物理量
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。
十三部門印發《制造業設計能力提升專項行動計劃（2019-2022年）》
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。
展開 關于鉆井,你想了解的都在這…
在整個油田的開發中，有勘探、建設、生產幾個階段，各階段彼此互有聯系，而且都需要進行大量鉆井工作!高質量、快速和高效率地鉆井是開發油田的重要手段!
==鉆機八大系統==
鉆機是在石油鉆井過程中，帶動鉆具向地層鉆進的一系列機械設備的總稱，又叫鉆探機。大家常見在聳立在大地上巍峨的井架，只是鉆機一部分，下邊大家一起來學習鉆機八大系統！
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石油鉆機概念
鉆機是在石油鉆井過程中，帶動鉆具向地層鉆進的一系列機械設備的總稱，又叫鉆探機。主要作用是帶動鉆具破碎井底巖石，下入或提出在井內的鉆具等 。
鉆機八大系統
鉆機一般有八大系統（起升系統、旋轉系統、鉆井液循環系統、傳動系統、控制系統和監測顯示儀表、動力驅動系統、鉆機底座、鉆機輔助設備系統），要具備起下鉆能力、旋轉鉆進能力、循環洗井能力。其主要設備有：井架、天車、絞車、游動滑車、大鉤、轉盤、水龍頭（動力水龍頭）及鉆井泵（現場習慣上叫鉆機八大件）、動力機（柴油機、電動機、燃氣輪機）、聯動機、固控設備、井控設備等。
起升系統
為了起升和下放鉆具、下套管以及控制鉆壓、送進鉆具，鉆具配備有起升系統。起升系統包括絞車、輔助剎車、天車、游車、大鉤、鋼絲繩以及吊環、吊卡、吊鉗、卡瓦等各種工具。起升時，絞車滾筒纏繞鋼絲繩，天車和游車構成副滑輪組，大鉤上升通過吊環、吊卡等工具實現鉆具的提升。下放時，鉆具或套管柱靠自重下降，借助絞車的剎車機構和輔助剎車控制大鉤的下放速度。在正常鉆進時，通過剎車機構控制鉆具的送進速度，將鉆具重量的一部分作為鉆壓施加到鉆頭上實現破碎巖層。
旋轉系統
旋轉系統是轉盤鉆機的典型系統，其作用是驅動鉆具旋轉以破碎巖層，旋轉系統包括轉盤、水龍頭、鉆具。
展開 使用閥門最多的七個行業
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。這些處理過程中包括從流體蒸汽中分離出氣體（天然氣），以及從碳氫化合物中分離出水。
這些系統通常要使用球閥和止回閥以及API 6D閘閥。API 6D閥門不適用于對管道嚴格要求的應用，一般用于鉆探船或平臺上的內部設施管道中。
4、廢水處理
廢水管線收集廢物固體和流體，并將它們引至污水處理廠。污水處理廠使用低壓管道和閥門來工作， 在許多情況下，廢水閥門的要求比清潔水要求更為寬松。
止回閥和鐵閘板是廢水處理中最受歡迎的選擇。
5、石油和天然氣生產
氣井和油井及其生產設施使用許多重型閥門。地下天然氣和石油的有著巨大壓力，油氣可以噴向空中百米之高。
閥門和特殊配件的組合能夠承受10,000 psi以上的壓力。這種壓力在陸地上很少見了，在深海油井中是比較常見的。
用于井口設備的閥門要承受高溫和極高的壓力。閥門管道組合通常包含特殊的截止閥（稱為節流閥）和閘閥。特殊的截止閥用于調節來自井的流量。
除了井口外，在天然氣和油田上還有需要閥門的設施。其中包括用于預處理天然氣或石油的工藝設備。這些閥門通常是碳鋼材料，等級較低。
6、流水管線
這些管道中使用了許多重要的閥門：例如，緊急管道截止閥。緊急閥可以隔離一段管道以便進行維護或泄漏。
展開 世界鉆井及石油工程服務商概況
主要產品包括陸地鉆機、電動鉆機、連續筒鉆機、直驅頂驅、直驅泵、游吊系統、固控系統、電控系統等產品。
5. 南陽二機
南陽二機石油裝備集團股份有限公司位于河南省南陽市，擁有鑄鍛、金屬加工、總裝等16個生產分廠和4個鉆采裝備綜合試驗場。公司產品包括陸上鉆機、陸上修井機、海洋鉆修機、油井測試設備、重載掛車、頂部驅動鉆井裝置、泥漿泵、石油專用車輛、井口工具等。
日本專家為何驚嘆中國海洋工程裝備的能力？
“韓國的那艘船采用飄浮作業方式，船體在水里受到的波浪干擾直接影響鋪設精度，而我們引入了石油鉆井平臺抬升系統工藝，用四個樁柱把工作平臺托出水面強化穩定性，保證了拋石精度的要求。”振華重工海上重工設計研究院項目經理尹剛說。
“津平1號”拋石整平船于2012年3月16日下水，它見證了E1與E2管節的對接。站在自重9000噸、長88.8米、寬64米的平臺上，一艘運送碎石的工程船泊在旁邊，在俄羅斯格洛納斯衛星導航系統定位下，一根幾十米長的鋼結構導管深入水下，將碎石噴射到目標基床，達到96%的拋石精度，即在碎石基床上，隨機選取100個檢測點，96個點的平整精度達到要求。尹剛說：“這個是管節安裝成功的一個先決條件，一旦碎石基床某處出現不平整，將直接影響整個隧道的質量，只有高精度的基床才能實現高精度的管節對接。”
確保精度的關鍵在于船上的拋石管及附著其上的聲吶，它們讓拋石作業變得智能。就像水下探頭，基床上某一處坑深，拋石管就會多停一會，多倒些石料。其出色的表現讓船上的日本專家沖山楨雄驚嘆：“這樣精度的裝備在世界上也是首屈一指。”
“津平1號”以十天鋪一段完整管節基床的節奏，每天完成一個船位的作業移動，移動頻率遠遠高于石油平臺。這就對抬升系統的動力與材料提出了更高要求。為了加快抬升的速度，工程師們研發了電動抬升系統，每抬升一次只需20多分鐘，而在此之前使用的液壓系統則需要3～4小時。為了制造具有高強度及優良低溫沖擊韌性的四根齒條，振華重工在挑戰精細加工的極限：四根90米長的齒條，實現加工垂直直線度
直線水平方向的偏移量稱為水平直線度，垂直方向則稱為垂直直線度。10毫米，或者說只有1厘米的誤差。
展開 海工裝備制造進入大國行列 創新點燃新引擎
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。
太重濱海海工裝備分公司總經理孫文進也認為，全球海洋工程裝備市場已經形成了"歐美設計、亞洲制造"的格局，國內企業在自主研發、設計等關鍵領域仍處于落后位置，國內企業尚未進入到海工裝備產業鏈的上游位置。此外，營銷理念不足，缺乏整體競爭實力等，都是我們在海工裝備制造方面的"軟肋"。
整合行業資源實現海工產業全面升級
事實上，我國海工裝備制造行業，要想在全球市場中真正實現主導甚至引領，需要在國家的系統部署下，整合行業資源，增強系統性、基礎性、關鍵共性工程技術的創新。
"為在新一輪海工科技創新中心搶占先機，全行業要依托國家政策，協同海工全部資源，將我國海工產業從價值鏈低端向價值鏈高端進行全面轉型升級和跨越式發展。"趙志堅說，針對海工創新方面，2015年工業和信息化部等各部委聯合印發《制造業創新中心建設工程實施指南（2016-2020年）》和《關于完善制造業創新體系，推進制造業創新中心建設的指導意見》、《制造業創新中心建設工程實施指南（2016-2020年）》等文件，推動組織實施制造業創新中心建設工程，并將海洋工程作為22個國家級創新中心全面啟動。
而趙志堅提到此類創新中心就在不久前變為了現實。2018年9月20日，上海海洋工程裝備制造業創新中心（以下簡稱創新中心）成立。
據記者了解，上海海洋工程裝備制造業創新中心是集聚了我國海洋工程領域從設計研發、總裝制造、關鍵配套、核心用戶、專業院校、行業服務機構等全產業鏈的骨干成員單位。
展開 中國陸相頁巖油勘探開發現狀及展望
圖1 基于常規測井曲線的多信息融合測井
甜點識別與評價方法
2.2 長水平段水平井高效鉆井技術
頁巖儲層具有低滲低孔等特征，只有通過水平井精確鉆遇其甜點并合理實施壓裂改造才能獲得穩定產能。我國陸相斷陷盆地構造復雜，縱向上確定的頁巖油甜點橫向差異較大，針對頁巖油藏鉆井存在諸多難點：其一頁巖水平井水平段較長，需嚴格控制造斜段的斜率；其二儲層磨阻大，鉆進過程中壓力傳遞弱；其三由于缺乏可靠的地質資料，加之經驗不足，無法精確捕捉目標層；其四我國陸相頁巖油藏儲層中礦物易膨脹，常規鉆井液體系并不適用。
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。
2.3 水平井+密切割體積壓裂技術
頁巖油水平井投產前需進行體積壓裂，常規水平井體積壓裂波及面積小，裂縫間距大，很難實現連續穩產。為進一步挖掘頁巖油井的潛能，引入了水平井+密切割體積壓裂技術。該技術不僅能夠起到擴大裂縫波及范圍，縮短頁巖儲層滲流距離的作用，同時可以實現補充地層壓力，提升采出程度，增大單井產能的目的，一舉雙效。慶城油田自將密切割體積壓裂技術與長7油層組頁巖油現場先導試驗相結合以來，水平井壓裂實現了從“大排量打碎儲集體”到“密切割剁碎儲集體”的思路轉變，配合其自主研發的低成本EM30滑溜水壓裂液，實現了對該區塊頁巖油儲層的有效改造。
2.4 微地震井中監測技術
微地震井中監測技術是近幾年興起的多學科交叉融合技術，與其他監測方法相比，其具有監測信息多、精度高及實時性強等優點。
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