本文目录一览：
- 1、什么是石油钻井
- 2、海上石油钻井平台是利用了什么原理
- 3、钻井地质勘探知识
- 4、石油工程专业介绍
- 5、钻井工程优化设计技术
- 6、有关石油钻井的论文
什么是石油钻井
石油钻井就是利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的园柱形孔眼进行开采石油的工程。
钻井（drilling）是利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的园柱形孔眼的工程。按岩石破碎方式和所用工具类型，又可分为顿钻和旋转钻。
在地质工作中，利用钻探设备向地下钻成的直径较小、深度较大的柱状圆孔。又称钻孔。钻井直径和深度大小，取决于钻井用途及矿产埋藏深度等。钻探石油、天然气以及地下水的钻井直径都较大。主要功用为：①获取地下实物资料，即从钻井中采取岩心、矿心、岩屑、液态样、气态样等。②作为地球物理测井通道，获取岩矿层各种地球物理场的资料。③作为人工通道观测地下水层水文地质动态情况。④用作探、采结合，开发地下水、油气、地热等的钻井。
钻井通常按用途分为地质普查或勘探钻井、水文地质钻井、水井或工程地质钻井、地热钻井、石油钻井等。
海上石油钻井平台是利用了什么原理
主要用于钻探井的海上结构物。上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施。海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要有自升式和半潜式钻井平台。
①自升式钻井平台
由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1／2。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。
②半潜式钻井平台
上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、自持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达900～1200米
。半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。
钻井地质勘探知识
钻井地质勘探，是用钻机设备从地表向地下钻进成孔，取出土壤、岩心、岩屑、各种液态、气态介质，供分析研究土壤性质、地层构造、矿产情况的探测或开发施工的工程。它是在地球物理勘探、地球化学勘探的基础上，为进一步搞清地层情况和构造进行验证，查明有无目标矿藏，含矿区域大小、厚度与展布、地层压力等地质情况直接探查矿藏或进行矿产开发的工程技术方法。近几年钻井技术不断发展，水平井、欠平衡井、小眼井、侧钻井相继出现，地质科技人员通过钻井工程获取的大量地质资料进行分析研究，几乎可以查寻和了解矿藏和地层的详细信息。
钻井地质勘探知识体系，包括普通地质学知识、钻井工程知识、录井知识、测井知识、测试知识、矿产开发知识、实验测试知识等。这就要求我们尽可能地将钻井资料取准取全。还要学会对单井地质资料中透出的各种信息的识别和评价，这也是一名地质院校学子和地质技术人员应具备的基本素质。
(一)钻井工程知识
钻井工程在地质院校里，是一门专业课程，一般以超深井或石油钻井为例，讲述钻井的基本原理和钻井工艺。从单井设计的依据开始到钻井工程实施过程，和整个过程中应录取主要钻井资料及获取数据信息的方法和要求。
地质钻井资料统计表
续表
需要看懂的资料主要有：
钻井地质设计书。
观察记录。
地质日志。
井斜数据表。
井壁取心记录。
井史。
钻井地质设计是地质技术人员了解钻井施工最主要的地质资料，它的内容有：基础数据，介绍井名、钻井属性(该井属于科学探井、还是参数井或开发井)、井位坐标、地理位置、构造位置、设计井深、目的层等内容；区域地质构造情况介绍；设计依据和钻井目的；设计地层剖面及矿层位置；地层压力预测和钻井液要求；获取地质资料及数据采集要求等。
一些原始资料，如套管数据、录井仪情况等，用于地质研究和矿藏分析的并不多见，属于钻井工程技术数据，多用于研究工程技术改进、提高钻井效率、降低作业成本及相关钻井的井位地质施工设计，分析作业事故时使用。
(二)地质录井知识
地质录井工作，是随钻井工程伴生的地质技术记录工作。这种记录包括笔录和设备记录，它是获取单井的井孔上下的地质资料的主渠道。分为岩屑录井、荧光录井、钻井液录井、气测录井、岩心录井、综合录井、地化录井等内容。
录井工作中有一组基础性数据，它是记录该井的必备数据。如井位坐标，它通常统一采用WGS—72系统，记录材料上通常显示3°带、6°带，一般采用卫星定位系统和通过三角点计算得来的。也有单独或同时采用经纬度坐标的。井位坐标和行政地理位置是单井的最基础数据。井位坐标数据具有保密性质，它的泄密很容易受到导弹的精确打击或其他破坏。所以地质资料保管单位在一般情况下是不让摘抄或数据拷贝的，以防止泄密。
岩心录井是录井工作中重要组成部分，岩心是认识地层和矿层最真实、最宝贵的资料。如油气田中的许多地质资料要靠对岩心的化验分析获取，岩石的孔隙度、渗透率、含油饱和度，以及油气层的分布与厚度等。通过对多口井岩心的实验分析，可以认识矿床分布规律，准确计算储量，确定合理开发方案，针对矿物特性采取相应的矿产增产措施，保护油气层技术也需用岩心作为研究对象的。
岩屑录井需要懂得井深、钻达时间、迟到时间、捞砂时间之间的关系，这是掌握岩屑深度描述的要件。我们观察利用岩屑这一实物资料时，需要了解岩屑深度是如何确定的，它是在钻进过程中，按照一定的深度间隔和岩屑迟到时间算出，在泥浆出口处捞取，随钻井液从井筒中返出地面的。岩屑录井工作是建立地层剖面，了解地层层序、岩性组合、矿物显示的重要手段。岩屑录井最重要的要求是：钻具井深、迟到时间准确无误。岩屑深度算错或岩心、岩屑描述错误，就会导致技术人员地质层位和岩石属性的误判。有熟练老道的技术人员，看了岩心、岩屑描述后不放心，一定要观察岩心岩屑实物或实物扫描图像，就是害怕录井技术人员对岩心岩屑的描述出现错误。对岩屑深度的误判后果，有可能在矿产开发作业中层位深度出现错误，对岩性误判失误，易造成矿藏认识误解。
油样、气样、水样或其他矿物也是实物资料，它的采集有具体要求。油样，采用专用广口瓶在钻液槽中采集原油样品250毫升；气样，用气测仪器中的脱气器进行取样，无气测仪器的用排水取气法取样，置于瓶中密封；水样，采用失水仪方法取钻井液5毫升，现场进行离子测定。样品瓶外贴上详细标签后，一部分油样、气样、水样应及时送化验室分析，另一部分作为实物资料保存。
录井工程中所产生的资料统计表
续表
续表
需要看懂的录井地质资料主要有：
完井地质总结报告(有时也称完井地质小结)。
综合录井图(岩屑录井、岩心录井等内容)。
气测录井图。
综合录井色谱分析记录。
油、气、水柱状显示图。
钻井基础数据表。
岩心录井图。
井斜数据表。
其中单井的完井地质报告利用频度最高，完井地质报告的主要内容有：前言(介绍该井的基本情况，地质任务完成情况等)、钻井录井简况(钻井条件对录井质量的影响)、钻探成果(地层、构造、矿层、生储盖层、地层压力)、结论与建议(本钻井是否达到了地质目的、对本井的地质认识和地质结论、存在的地质疑点和下一口钻井需要证实解决的问题)、建议(如试油意见、后续钻探工程方面的提醒、今后勘探方向、对矿藏进行经济预测和评估)。
当技术人员对完井地质总结报告进行阅读不解渴或产生怀疑时，就会详细查阅相关综合录井等图件。具体地了解地层、岩性等录井记录情况。很多单纯的某一矿产勘探，其完井地质报告中仅涉及矿产是针对性的，不涉及其他矿产，很多其他矿产是在综合录井图等资料对矿物描述中发现的。所以录井图对综合了解单井的地质情况作用很大。
(三)测井工程知识
测井工程是钻探工程中的一部分，只有钻井工程开钻后，才能到井孔中实施“测井”施工，它的全称又叫地球物理测井，所以地球物理测井资料也可划入为地球物理勘探资料范畴。勘查地下矿产离不开地球物理测井，特别是在石油及天然气勘探领域不但广泛应用，而且是地质技术专业人员为了解该井是否“出彩”急不可耐查看的单井测井资料。
地球物理测井是在钻井的井孔中利用相关探测仪器测定地层各种物理化学参数进行矿藏评价的一种技术方法。它不仅可用于判断地层的岩石性质、确定岩石层厚度和藏埋深度，而且还可就钻探区域的地层进行对比、测试地层倾向、倾角和断层、构造特征，不仅能探测储层物性和含矿情况，而且还可用于沉积环境、岩体分布，特殊矿物组分的研究，不仅可以探测地层温度、压力、张力和油、气、水界面，进行地层或矿藏的静态分析，而且还能进行矿藏产能，进行矿产开发分析。测井技术方法对于矿产勘探来说，它要协助勘探技术人员解决以下问题：地下是否有目标矿产，有多少，是否可以开采，能开采多久，是否有工业价值；下一口探井还打不打，如果继续打井，井位又怎么部署；如果是开发井，井网如何安排等问题。
测井工程技术在油气勘探开发工程中利用是最为广泛，研究人员关注钻井过程，除了突破性发现外，测井情况及其资料是首要关注的一线井场信息。其在矿产勘探开发尤其是油气勘探开发中的作用可见一斑。
近几年来，测井方法也有很大发展。广泛使用的有电极测井技术、电磁测井技术、声波测井技术、放射性测井技术、VSP测井技术，有时进行单项技术测井，大多数情况下综合使用以上测井技术。新一代扫描成像和阵列成像测井技术问世，明显提高了对复杂岩性矿藏、隐蔽性油藏的测井综合地质分析与评价的能力。测井仪也从CLS-3700数控测井发展到ECLIPS-5700成像配套系列测井，可提供常规测井、声电成像、偶极子声波、核磁共振、阵列感应测井等新技术服务。成像测井提供的图像往往是地质现象的直观显示。
虽然电极测井已经过时，但在一些要求不太高的浅井探测中，是仍在使用的成本较低的电极测井技术，况且由于历史上由电极测井产生的老资料也大量存在，有必要对过去的电极测井技术知识有所了解，以便对电极测井老资料进行开发利用、研究挖掘，为矿产勘探开发和地质研究服务。
近几年的发展，测井资料除了在地层岩性、储集空间、流体类型评价需要利用外，还在矿产地质研究、勘探钻井工程井眼稳定性控制、压力预测、致密储层压力改造方案设计与优化、探井裸眼井油气水层快速识别、产能预测与评价等诸多领域发挥了重要作用，它们为矿产勘探开发降低成本，提高勘探效率和矿山效益做出了贡献。
现代测井技术中需要了解测井知识，要求读懂的测井资料主要有：电极测井、电磁测井、声波测井、放射性测井等方面的知识。气测又称随钻气测，放在录井阶段进行，又称气测录井。我们可以针对企业的测井技术和设备现状及馆藏测井资料情况，选择学习、了解和积累相关测井知识，利用各种测井曲线对不同岩性地层的反映特征进行对照，以便读懂并利用测井资料。
测井工程产生的主要资料统计表
续表
主要需要看懂的测井资料有：
测井解释地质报告。
综合测井图1：200。
自然伽马测井图1：200。
标准测井图1：500。
固井质量检查图。
成像测井综合解释成果图1：200。
声速测井图1：200。
地震测井(VSP)小结。
地温测井图。
储层响应特征图。
成像裂缝分析图。
变形层理成像图。
其中单井测井解释地质报告，也有叫测井地质小结的，利用频度最高。地球物理测井，是通过测井设备与仪器，获取实测数据，经过处理和解释软件，绘成各种曲线图件，测井解释地质报告是对成果图件的解读和总结。当技术人员对测井解释地质报告阅读不解渴或产生怀疑时，就会查阅相关测井曲线图件和相关测井数据的解释。知识比较全面的研究人员，会直接要求要求测井一线人员传回测井数据体，自己利用工作站系统处理解释数据与阅读测井曲线图件。及时了解并对应处理井下施工情况，指导矿山的进一步的勘探与开发研究与部署。
(四)地质实验知识
地质实验工作是地质矿产工作的组成部分，它贯穿于地质研究、地质找矿和矿产开发工作的整个过程。是为地质研究、找矿和矿产开发工作提供技术服务，矿产开发实验是一项专业性技术工作。为了确定古地理环境，必须在岩心等实物资料的化验分析中找出相应古生物进行证明。为了确定矿产组分和含量，就必须对矿石进行分析测试，有时还得模拟地下环境进行矿产开发试验等。这些地质实验或称化验分析，其成果称为实验报告、化验分析报告。我们应该首先能看懂实验分析数据和相应的文字报告，然后才能在此基础上进行地质矿产勘探开发研究，进而有所认识和发现。
地质实验分析资料统计表
续表
续表
需要读懂的资料主要有：
岩石矿物鉴定报告和分析结果表。
物性分析报告和分析结果表。
古生物分析报告和分析结果表。
电镜扫描报告和分析结果表。
绝对年龄测定报告和分析结果表。
酸解烃分析报告和分析数据表。
气体组分分析报告和分析数据表。
油气水化验报告和分析数据表。
……
实验分析报告一般分为：报告文字部分和分析数据表两个部分。其中的文字部分是对数据表中数据的地质含义进行的解读，实验分析数据表是实验仪器对送样标的或实验对象的化验分析数据。地质技术人员在阅读这些报告时，首先阅读文字部分，因为它是实验或化验分析地质解读结论。其次再从数据表中查看化验分析数据，更多时刻是边阅读文字部分，边对对照化验分析数据。
地质工作技术人员根据研究实际需要决定采集实物资料样品，送化验分析单位做实验分析，自己送的样，一般都会认真阅读。不少化验分析的研究人员，对某一区域的化验分析资料进行积累和分析，会写出该区域的古地理环境等方面的学术文章，会发现该区域新的古生物物种，对古地理与气候环境、矿藏形成条件进行认证，从而在行业期刊上发表而倍受瞩目。
(五)测试知识、试采知识
1.地层测试
在钻井过程中或者完钻之后对矿层进行测试，获得动态条件下地层压力和流体的相关参数，根据参数对地层和相关矿产开发做出评价。主要参数有：油气水产出量、日产能力等；流动压力、地层压力、生产压差；流体性质与高压物性数据；地层参数及地层损害程度；含油高度与油水界面；测试半径、断层界面显示、能量补给及储量参数等。
测试工程主要资料统计表
测试曲线的解读是应该掌握的。一般曲线分为六大类：高渗透层曲线，低渗透层曲线，高压低渗透层曲线，低压低渗透层曲线，污染堵塞型曲线和能量衰竭型曲线。这几种测试曲线与测井曲线对照，有响应规律可循。可以利用测试资料可对矿藏进行早期评价。
测试资料主要需要看懂的是这些曲线资料及测试解释报告。中途测试资料主要有：分层测试小结、压力恢复曲线、处理解释报告、高压物性资料。
2.试采知识(以石油试采为例)
试采是指矿产试验开采。在油气田开发领域又称试油。这里以试油为例。试油在学术环境下称试油地质和试油技术，是石油和天然气勘探至油气田开发过程中的重要程序，是搞清油气藏中油、气、水分布情况和认识相应层位的直接手段。
在一口井钻井完成后的试油过程中，油气层保护是油气田开发工程中需要遵循的原则。射孔层位、洗井和诱喷、求产、压力、酸化、压裂等程序是试油工作过程中关键环节。
试油工序主要产生的资料统计表
试油工程中产生的地质资料，主要需要读懂的有：
试采报告(又称试采地质总结)及附图、附表、附件，如试油报告及附图、附表、附件。为油田开发方案提供依据。
石油工程专业介绍
一、石油工程专业介绍 1、石油工程专业简介
石油工程是一门专业课的名字,工学地矿类课程。主要课程:技术经济学、油气田开发地质、工程力学、计算机程序设计、材料力学、流体力学、渗流力学、钻井工程、采油工程、油藏工程、油田化学、钻采新技术等。
2、石油工程专业主要课程
石油与天然气工程。主要课程:技术经济学、油气田开发地质、工程力学、计算机程序设计、流体力学、渗流力学、钻井工程、采油工程、油藏工程、油田化学、钻采新技术等。
3、石油工程专业培养目标
培养目标
本专业培养具备工程基础理论和石油工程专业知识,能在石油工程领域从事油气钻井工程、采油工程、油藏工程、储层评价等方面的工程设计、工程施工与管理、应用研究与科技开发等方面工作,获得石油工程师基本训练的高级专门技术人才。
培养要求
本专业学生主要学习数学、物理、化学、力学、地质学、工程科学的基础理论和与石油工程有关的基本知识,受到石油工程方面的基本训练,具有进行油气田钻井、采油及油气开发工程的设计、施工、管理以及初步的应用研究和科技开发的基本能力。
4、石油工程专业就业方向与就业前景
石油工业作为一种基础工业,需要大量的技术人才,因此石油专业的就业前景非常好;毕业生主要到石油工程领域从事油气钻井与完井工程、采油工程、油藏工程、储层评价等方面的工程设计、工程施工与管理、应用研究与科技开发等方面的工作。
二、石油工程专业大学排名
1. 中国石油大学(北京) A++
2. 西南石油大学 A+
3. 东北石油大学 A+
4. 西安石油大学 A
5. 长江大学 A
6. 中国地质大学(北京) A
7. 成都理工大学 A
8. 辽宁石油化工大学 A
钻井工程优化设计技术
随着我国石油勘探开发的深入，钻井工程越来越多地面临井深、高温高压等地质条件复杂的情况，使钻井工程风险更加突出。针对这些问题，石油钻井技术的研究与应用也在不断深化。针对复杂地质条件下深井超深井技术发展，国内外都开展了钻井地质环境因素描述技术研究，并在此基础上进行钻井工程的优化设计与施工。钻井地质环境因素是钻井工程的基础数据，主要包括岩石力学参数、地应力参数、地层压力参数及岩石可钻性参数等。准确掌握这些基础数据对钻井工程设计及施工具有重要意义。
对于岩石力学参数的求取，通常采用实验室对岩心试验，以及利用地球物理测井资料解释岩石力学特性参数。地层压力检测与预测研究主要是针对碎屑岩层系，对于海相碳酸盐岩地层压力预测，尚未取得成熟有效的方法，碳酸盐岩剖面中地层压力的准确预测难度较大。
3.3.2.1 钻井地质环境因素描述技术
钻井地质环境因素是钻井工程所面对的需要尽力去认识与掌握的客观影响力，主要包括地质构造因素、地层力学特征、地层可钻性以及钻井工具与地层相互作用耦合规律等。对钻井地质环境因素的研究与准确描述，可以提高钻井效率，降低钻井风险，对进行科学化钻井具有重要意义。
（1）岩石力学参数求取
岩石力学参数是反映岩石综合性质的基础数据，包括弹性参数和力学强度参数。岩石的弹性参数分为静态弹性参数和动态弹性参数。静态弹性参数一般通过室内对岩心进行直接加载测试换算求取，动态弹性参数则是通过测定声波在岩样中波速转换得到。岩石静态弹性参数可在室内应用三轴应力测试装置实测应力、应变曲线，并应用下列公式计算得出：
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：μs为静态泊松比，无因次；Δεθ为径向应变，mm；ΔL为轴向应变，mm；Es为动态杨氏模量，MPa；Δσ为应力，N/mm；Δε为应变，mm。
根据岩石弹性参数之间的关系，可导出计算岩石动态弹性参数的公式：
中国海相油气勘探理论技术与实践
静态弹性参数和动态弹性参数之间存在明显的差别。一般情况下，动态弹性参数大于静态弹性参数（Ed＞Es，μd＞μs）。为了从测井资料中获得静态弹性参数，需要把动态弹性参数转换成静态弹性参数，国内外在动静弹性参数转换方面提出了多个的转换模式。
岩石力学强度参数包括：岩石硬度Hd、单轴抗压强度Sc、初始剪切强度C和内摩擦角Φ、抗拉强度St和三轴抗压强度Sp，均可在实验室通过实际岩心测试求出，也可以利用测井资料进行计算，岩石强度的方法和有关模式：
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：Hd为史氏硬度，MPa；Vs为横波速度，km/s
单轴抗压强度：
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：C为内聚力，MPa；ρ为岩石密度，g/cm3；Vp为纵波速度，km/s；Vcl为泥质含量，小数；μd为泊松比。
中国海相油气勘探理论技术与实践
其中：M=58.93-1.785C
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：Sp为围压下的岩石抗压强度，MPa；Sc为单轴抗压强度，MPa；P为围压，MPa；a、b为经验系数；a=10（1948+4009dr）；b=10-（0.7452+56126dr）；dr为岩石平均颗粒直径，mm。
（2）地应力参数求取
地应力室内测试方面有多种测量技术，通常分岩心测试和矿场测试两种。
岩心测试主要有：差应变分析（DSA）、滞弹性应变分析（ASR）、波速各向异性分析、声发射（Kaiser效应）等。矿场测试以水力压裂（水压致裂）为主。对深层地应力的求测，水力压裂测定技术是公认的最准确的和有效的方法，井壁崩落可给出较可靠的地应力方位。其他技术多为间接测定方法，需采用多种方法对比使用，才能给出比较可靠的数据。
根据地应力与地质环境、岩石力学特性的关系，分析研究地应力分布规律和影响地应力诸多因素，建立地应力模型。利用测井资料计算模式中的各参数，并计算得到地层的地应力数据。该方法可以得到沿纵向的地应力剖面，得到了广泛应用。在水平应力求取方面，国内外发展了多种计算模型。如莫尔-库仑模式、金尼克模型、Mattews＆.Kelly模型、Terzaghi模型、Anderson模型、Newberry模型等。中国石油大学黄荣樽教授提出的地应力预测模式如下：
中国海相油气勘探理论技术与实践
（3）地层可钻性参数求取
国内采用微钻头可钻性法进行地层可钻性的分级标准划分，将地层可钻性分为10级，定量表示地层的可钻性。利用测井资料与岩石可钻性关系分析得出规律：声波时差ΔT和岩石密度ρ与岩石可钻性kd存在显著的相关性，在一定的条件下，ΔT和ρ可反映岩石的可钻性，但是由于地层的复杂性和测井技术的限制，单一的参数有时不能全面反映岩石的抗破碎能力，为了更准确地找出测井变量与可钻性的关系，采用多元回归方法以建立多因素测井参量与可钻性的关系模型。
中国海相油气勘探理论技术与实践
3.3.2.2 深井超深井井身结构设计技术
（1）井身结构设计原则
1）有利于安全钻井，缩短钻井周期，减小钻井成本，避免漏、喷、塌、卡等复杂情况的发生，满足封隔不同压力体系的需要。
2）能有效封隔目的层，满足环空间隙和提高固井质量的需要。
3）考虑地质加深的要求和满足完井作业要求。
4）符合API和国内常规钻井套管、套管头系列，特别是国内完井井口的要求。
5）能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的伤害，减少钻井液对油气层的浸泡时间。
6）打开下部高压层时，高密度的钻井液不会引起压差卡钻和压漏套管鞋处裸露的薄弱地层井段。
7）井口有一定的控压能力，能满足压井及憋压堵漏等特殊施工措施的需要。
（2）超深井井身结构设计基础数据
1）地层层序预测、岩性剖面与地质故障提示。
2）地层压力系统。
3）抽吸压力与激动压力系数。
4）井涌允量值。
5）压差卡钻允值。
6）地层破裂压力安全系数。
（3）井眼与套管尺寸的匹配
1）复杂地层、深探井、超深探井的井身结构设计时应留有余地，满足地质加深、取心及工程方面的要求。
2）完井套管尺寸应满足采油、增产措施、井下作业等要求。
3）应考虑钻井施工队伍的技术素质。
4）根据国内外的钻井实践，一般由内向外的井身结构尺寸设计步骤，套管与井眼尺寸的间隙最好为19mm（3/4″），最小不低于9.5mm（3/8″）。
（4）深井超深井井身结构设计套管下深
1）导管的下深：既要考虑地表层的深度，又要考虑国家的环保法规。
2）表层套管的下深：表层套管承受的压力与磨损比技术套管与尾管苛刻，在考虑岩性变化的同时，应以能承受合理的井涌压力为原则。
3）技术套管下深：技术套管数量大，层次多，设计原则是让钻井液密度能控制地层压力而不至压漏上部地层。
4）油层套管尺寸与下深：取决于完钻井深、储层深度、采油等后续作业措施。
（5）深井超深井井身结构设计方法
1）自下而上设计法。对于深探井超深探井设计，一般参考资料很少或者没有，仅仅依靠预测的地层压力剖面来设计井身结构是很不完善的，比较理想的方法是采取倒推法设计必封点，确定套管鞋位置的最大承压能力，确定最小的完井尺寸，从下到上一级一级设计，进而确定开孔尺寸，同时考虑预留一级或两级套管层序调整尺寸，以便解决工程地质设计中的变化；当套管层序确定后，以最大钻井液密度为计算依据，压差卡钻临界值为基础，井壁稳定为前提，确定各个套管层次的下入深度（特别是主要技术套管）。这个深度对于一口具体的探井，是一个深度区间，而不是一个具体的深度位置，即可根据录井结果调整套管的下入深度。
2）自上而下设计法。自下而上设计法要求对下部地层情况资料有很好的掌握，设计结果的可靠性是以对下部地层的岩性特征、地层压力特性的充分了解为前提条件。这种以每层套管下入深度最浅、套管费用最低为目标的设计方法，非常适用于已探明地区开发井的井身结构设计。在对所钻地区深层的地质情况不清楚的情况下，深层钻井的井身结构设计不应以每层套管下入深度最浅、套管费用最低为首要目标，而应以确保钻井成功率、顺利钻达目的层为首选设计目标。要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限，只有2～3层技术套管，只能封隔钻井过程中的2～3个复杂层位。在这种情况下，希望每一层套管都能尽量发挥最大作用，即希望上部裸眼尽量长些，上部大尺寸套管下入深度尽量大一些，以便在下部地层的钻进中有一定的套管层次储备，且不至于小井眼完井。
根据深探井钻井条件及要求，可以采用自上而下的设计方法。依据求取的地层特性剖面、地层三个压力剖面、地区井身结构设计系数等。条件关系式：
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：ρcmax为裸眼井段钻遇的最大井壁坍塌压力的当量钻井液密度。
3）综合方法。将上述两种方法结合应用，并将两个设计结果进行比较，确定出每层套管的合理下入深度区间。
3.3.2.3 井眼稳定技术
从岩石力学的角度进行分析，造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的，井壁岩石的破坏，对于软而塑性大的泥岩表现为塑性变形而缩径。对于硬脆性的泥页岩一般表现为剪切破坏而坍塌扩径。剪切破坏剪切面的法向和σ1的夹角等于β，法向正应力为σ，剪应力为τ。根据库仑-莫尔准则，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度C值（称为黏聚力），加上作用于剪切面上的内摩擦阻力μσ，即：
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：μ为岩石的内摩擦系数，μ=tanψ；ψ为岩石的内摩擦角。
利用两个以上不同围压的三轴压缩强度试验可以求取岩石的内聚力与内摩擦角参数。（3-95）式也可用σ1和σ3坐标图上的直线来表示，主应力σ1和σ3改写成：
中国海相油气勘探理论技术与实践
或
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：σC为单轴抗压强度。
当岩石孔隙中有孔隙压力Pp时，库仑-莫尔准则应用有效应力表示为：
中国海相油气勘探理论技术与实践
内聚力和内摩擦角是表征岩石是否破坏的两个主要参数，也是井壁稳定计算中的重要参数。
岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大、最小主应力控制，σ3与σ1的差值越大，井壁越易坍塌，从井壁岩石受力状态分析中，可以发现岩石的最大、最小主应力分别为周向应力和径向应力，这说明导致井壁失稳的关键是井壁岩石所受的周向应力σθ和径向应力σr的差值，即σθ-σr的大小。差值越大，井壁越易坍塌。通常水平地应力是非均匀的，即σH≠σh，所以井壁上的周向应力是随井周角而变化的（井周角为井壁上点的矢径与最大地应力方向的夹角）。井周角在θ=90°和θ=270°处，σθ值最大。因此，该两处的差应力值达到最大（因为r在井壁各处为常数，与θ无关），是井壁发生失稳坍塌的位置。
采用库仑-摩尔强度准则进行分析，可求得保持井壁稳定所需的钻井液密度计算公式为：
中国海相油气勘探理论技术与实践
式中：H为井深，m；ρm为当量钻井液密度，g/cm3；C为岩石的黏聚力，MPa；η为应力非线性修正系数；σH，σh分别为最大、最小水平地应力，MPa。
有关石油钻井的论文
深水石油钻井技术现状及发展趋势*
摘要:随着世界深水油气资源不断发现,近几年来深水钻探工作量越来越大。随着水深的增加和复杂的海况环境条件,
对钻井工程提出了更高的挑战,钻井技术的难度越来越大。从目前国内外深水钻井实践出发,对深水的钻井设备、定位系统、
井身结构设计、双梯度钻井技术、喷射下导管技术、动态压井钻井技术、随钻环空压力监测、钻井液和固井工艺技术和钻井隔
水管及防喷器系统等关键技术进行了阐述,对深水的钻井设计和施工进一步向深水钻井领域发展具有重要导向作用。
关键词:深水钻井;钻井设备;关键技术
全世界未发现的海上油气储量有90%潜伏在
水深超过1000 m以下的地层,所以深水钻井技术水
平关系着深海油气勘探开发的步伐。对于海洋深水
钻井工程而言,钻井环境条件随水深的增加变得更
加复杂,容易出现常规的钻井工程难以克服的技术
难题,因此深水钻井技术的发展是影响未来石油发
展的重要因素。
1 国内外深水油气勘探形势
全球海洋油气资源丰富。据估计,海洋石油资
源量约占全球石油资源总量的34%,累计获探明储
量约400×108,t探明率30%左右,尚处于勘探早期
阶段。据美国地质调查局(USGS)评估,世界(不含
美国)海洋待发现石油资源量(含凝析油)548×108
,t待发现天然气资源量7815×1012m3,分别占世界
待发现资源量的47%和46%。因此,全球海洋油气
资源潜力巨大,勘探前景良好,为今后世界油气勘探
开发的重要领域。
随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步,深
水的概念和范围不断扩大。目前,大于500 m为深
水,大于1500 m则为超深水。据估计,世界海上
44%的油气资源位于300 m以下的水域,其中,墨西
哥湾深水油气资源量高达(400~500)×108桶油当
量,约占墨西哥湾大陆架油气资源量的40%以上,
而巴西东部海域深水油气比例高达90%左右。
20世纪90年代以来,由于发现油气田储量大,
产量高,深水油气倍受跨国石油公司青睐,发展迅
速。据估计,近年来,深水油气勘探开发投资年均增
长30. 4%, 2004年增加到220亿美元。1999年作
业水深已达2000 m, 2002年达3000 m。90年代以
来,全球获近百个深水油气发现,其中亿吨级储量规
模的超过30%。2000年,深水油气储量占海洋油气
储量的12. 3%,比10年前增长约8%。2004年,全
球海洋油气勘探获20个重大深水发现(储量大于
110×108桶)。1998-2002年有68个深水项目,约
15×108t油当量投产; 2003-2005年则增至144个
深水项目,约4216×108t油当量投产, 2004年深水
石油产量210×108,t约占世界石油产量的5%。
2 目前深水油气开发模式
深水油气开发设施与浅水油气开发设施不同,
其结构大多从固定式转换成浮式,因此开发方式和
方法也发生了变化。国外深水油气开发中常用的工
程设施有张力腿(TLP)平台、半潜式(SEMIOFPS)平
台、深吃水立柱式(SPAR)平台、浮式生产储油装置
(FPSO)以及它们的组合。
3 深水钻井关键技术
3.1 深水钻井设备
适用于深水钻井的主要是半潜式钻井平台和钻
井船2种浮式钻井装置。
3.1. 1 深水钻井船 钻井船是移动式钻井装置中
机动性最好的一种。其移动灵活,停泊简单,适用水
深范围大,特别适于深海水域的钻井作业。钻井船
主要由船体和定位设备2部分组成。船体用于安装
钻井和航行动力设备,并为工作人员提供工作和生
活场所。在钻井船上设有升沉补偿装置、减摇设备、
自动动力定位系统等多种措施来保持船体定位。自
动动力定位是目前较先进的一种保持船位的方法,
可直接采用推进器及时调整船位。全球现有38艘
钻井船,其中额定作业水深超过500 m的深水钻井
船有33艘,占总数的87%。在这33艘深水钻井船
中,有26艘正在钻井,有5艘正在升级改造。在现
有的深水钻井船中, 20世纪70年代建造的有10
艘, 80年代和90年代建造的各有7艘,其余9艘是
2000-2001年建造的。其中2000年建成的钻井船
最多,有8艘;其次是1999年,有4艘。目前在建的
7艘钻井船中,均是为3000多米水深建造的, 2007
年将建成1艘, 2008年和2009年将各建成3艘。
钻井船主要活跃在巴西海域、美国墨西哥湾和
西非海域。2006年7月初,正在钻井的26艘深水
钻井船分布在8个国家。其中巴西8艘,占1/3;其
次是美国,有6艘;安哥拉、印度和尼日利亚分别有
4艘、3艘和2艘;中国、马来西亚和挪威各1艘。
3.1. 2 半潜式钻井平台 半潜式钻井平台上部为
工作甲板,下部为2个下船体,用支撑立柱连接。工
作时下船体潜入水中,甲板处于水上安全高度,水线
面积小,波浪影响小,稳定性好、支持力强、工作水深
大,新发展的动力定位技术用于半潜式平台后,到本
世纪初,工作水深可达3000 m,同时勘探深度也相
应提高到9000~12 000 m。据Rigzone网站截至
2006年7月初的统计,全球现有165座半潜式钻井
平台,其中额定作业水深超过500 m的深水半潜式
钻井平台有103座,占总数的62%。在这103座深
水半潜式钻井平台中,有89座正在钻井,有11座正
在升级改造。其中31座是20世纪70年代建造的,
最长的已经服役30多年; 40座是20世纪80年代
建造的; 13座是90年代建造的; 19座是2000 -
2005年建造的。此外,还有24座深水半潜式钻井
平台正在建造。
深水半潜式钻井平台主要活跃在美国墨西哥
湾、巴西、北海、西非、澳大利亚和墨西哥海域。2006
年7月初,处于钻井中的89座深水半潜式钻井平台
分布在18个国家,其中美国最多, 24座,占总数的
27%;巴西17座,挪威10座,英国6座,澳大利亚、
墨西哥和尼日利亚各5座,其余国家各有1~3座。
3.2 深水定位系统
半潜式钻井平台、钻井船等浮式钻井装置在海
中处于飘浮状态,受风、浪、流的影响会发生纵摇、横
摇运动,必须采用可靠的方法对其进行定位。
动力定位是深水钻井船的主流方式。在现有的
深水钻井船中,只有6艘采用常规锚链定位(额定
作业水深不足1000 m),其余27艘都采用动力定位
(额定作业水深超过1000 m)。1000 m以上水深的
钻井船采用的都是动力定位,在建的钻井船全部采
用动力定位。
动力定位系统一般采用DGPS定位和声纳定位
2种系统。声纳定位系统的优点: (1)精确度高
(1% ~2% )、水深(最大适用水深为2500 m); (2)
信号无线传输(不需要电缆); (3)基本不受天气条
件的影响(GPS系统受天气条件的影响); (4)独
立,不需要依靠其他系统提供的信号。声纳定位系
统的缺点: (1)易受噪声的影响,如环境噪声、推进
器噪声、测试MWD等; (2)折射和阴影区; (3)信号
传输时间; (4)易受其他声纳系统的干扰,如多条船
在同一地方工作的情况。
3.3 大位移井和分支水平井钻井技术
海上钻井新技术发展较快,主要包括大位移井、
长距离水平钻井及分支水平井钻井技术。这些先进
技术在装备方面主要包括可控马达及与之配套的近
钻头定向地层传感器。在钻头向地层钻进时,近钻
头传感器可及时检测井斜与地层性质,从而使司钻
能够在维持最佳井眼轨迹方面及时做出决定。
由于水平井产量高,所以在国外海上油气田的
开发中已经得到了广泛的应用。目前,国外单井总
水平位移最大已经达11 000m。分支水平井钻井技
术是国际上海洋油气田开发广泛使用的技术,近年
来发展很快。利用分支井主要是为了适应海上需
要,减少开发油藏所需平台数量及平台尺寸(有时
平台成本占开发成本一半还多)。具体做法是从一
个平台(基础)钻一口主干井,然后从主干井上急剧
拐弯钻一些分支井,以期控制较大的泄油面积,或者
钻达多个油气层。
3.4 深水双梯度钻井技术
与陆地和浅海钻井相比,深海钻井环境更复杂,
容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难
题:锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量,给钻机
稳定性增加了难度;隔水管除了承受自身重量,还承
受严重的机械载荷,防止隔水管脱扣是一个关键问
题;地层孔隙压力和破裂压力之间安全钻井液密度
窗口窄,很难控制钻井液密度安全钻过地层;海底泥
线处高压、低温环境影响钻井液性能产生特殊的难
题;海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物可
能引起的钻井风险等。国外20世纪60年代提出并
在90年代得到大力发展的双梯度钻井(DualGradi-
entDrilling,简称DGD)技术很好地解决了这些问题。
双梯度钻井技术的主要思想是:隔水管内充满海水
(或不使用隔水管),采用海底泵和小直径回流管线
旁路回输钻井液;或在隔水管中注入低密度介质
(空心微球、低密度流体、气体),降低隔水管环空内
返回流体的密度,使之与海水相当,在整个钻井液返
回回路中保持双密度钻井液体系,有效控制井眼环
空压力、井底压力,克服深水钻井中遇到的问题,实
现安全、经济的钻井。
3.5 喷射下导管技术
海上浅水区的表层套管作业通常采用钻孔、下
套管然后固井的作业方式。在深水区,由于海底浅
部地层比较松软,常规的钻孔/下套管/固井方式常
常比较困难,作业时间较长,对于日费高昂的深水钻
井作业显然不合适。目前国外深水导管钻井作业通
常采用“Jetting in”的方式。常规做法是在导管柱
(Φ914. 4 mm或Φ762 mm)内下入钻具,利用导管柱
和钻具(钻铤)的重量,边开泵冲洗边下入导管。
3. 6 动态压井钻井技术(DKD)
DKD(Dynamic killDrilling)技术是深水表层建
井工艺中的关键技术。该技术是一种在未建立正常
循环的深水浅层井段,以压井方式控制深水钻井作
业中的浅层气井涌及浅层水涌动等复杂情况的钻井
技术。其工作原理与固井作业中的自动混浆原理相
似,它是根据作业需要,可随时将预先配好的高密度
压井液与正常钻进时的低密度钻井液,通过一台可
自动控制密度的混浆装置,自动调解到所需密度的
钻井液,可直接供泥浆泵向井内连续不断地泵送。
在钻进作业期间,只要PWD和ROV监测到井下有
地层异常高压,就可通过人为输入工作指令,该装置
立即就可泵送出所需要的高密度钻井液,不需要循
环和等待配制高密度钻井液,真正意义上地实现边
作业边加重的动态压井钻井作业。
3. 7 随钻环空压力监测(APWD)
由于深水海域的特殊性,与浅水和陆地钻井相
比,部分的上覆岩层被水代替,相同井深上覆岩层压
力降低,使得地层孔隙压力和破裂压力之间的压力
窗口变得很窄,随着水深的增加,钻井越来越困难。
据统计,在墨西哥湾深水钻井中,出现的一系列问
题,如井控事故、大量漏失、卡钻等都与环空压力监
测有关。随钻环空压力测量原理是主要靠压力传感
器进行环空压力测量,可实时监测井下压力参数的
变化。它可以向工程师发出环空压力增加的危险报
警,在不破坏地层的情况下,提供预防措施使井眼保
持清洁。主要应用于实时井涌监测和ECD监控、井
眼净化状况监控、钻井液性能调整等,是深水钻井作
业过程中不可缺少的数据采集工具。
3. 8 随钻测井技术(LWD /MWD /SWD)
深水测井技术主要是指钻井作业过程中的有关
井筒及地层参数测量技术,包括LWD、MWD和
SWD测井技术。
由于深水钻井作业受到高作业风险及昂贵的钻
机日租费的影响,迫使作业者对钻井测量技术提出
了多参数、高采集频率和精度及至少同时采用2套
不同数据采集方式的现场实时数据采集和测量系
统,并且具有专家智能分析判断功能的高标准要求。
目前最常用的定向测量方式是MWD数据测量
方式,这种方式通常只能测量井眼轨迹的有关参数,
如井斜角、方位角、工具面。LWD是在MWD基础
上发展起来的具有地层数据采集的随钻测量系统,
较常规的MWD增加了用于地层评价的电阻率、自
然伽马、中子密度等地层参数。具有地质导向功能
的LWD系统可通过近钻头伽马射线确定井眼上下
2侧的地层岩性变化情况,以判断井眼轨迹在储层
中的相对位置;利用近钻头电阻率确定钻头处地层
的岩性及地层流体特性以及利用近钻头井斜参数预
测井眼轨迹的发展趋势,以便及时做出调整,避免钻
入底水、顶部盖层或断裂带地层。
随钻地震(SWD)技术是在传统的地面地震勘
探方法和现有的垂直地震剖面(VSP———Vertical
Seismic Profiling)的基础上结合钻井工程发展起来
的一项交叉学科的新技术。其原理是利用钻进过程
中旋转钻头的振动作为井下震源,在钻杆的顶部、井
眼附近的海床埋置检波器,分别接收经钻杆、地层传
输的钻头振动的信号。利用互相关技术将钻杆信号
和地面检波器信号进行互相关处理,得到逆VSP的
井眼地震波信息。也就是说,在牙轮钻头连续钻进
过程中,能够连续采集得到直达波和反射波信息。
3.9 深水钻井液和固井工艺
随着水深度的加大,钻井环境的温度也将越来
越低,温度降低将会给钻井以及采油作业带来很多
问题。比如说在低温情况下,钻井液的流变性会发
生较大变化,具体表现在黏、切力大幅度上升,而且
还可能出现显著的胶凝现象,再有就是增加形成天
然气水合物的可能性。目前主要是在管汇外加绝缘
层。这样可以在停止生产期间保持生产设备的热
度,从而防止因温度降低而形成水合物。
表层套管固井是深水固井的难点和关键点。海
底的低温影响是最主要的因素。另外由于低的破裂
压力梯度,常常要求使用低密度水泥浆。深水钻井
的昂贵日费又要求水泥浆能在较短的时间内具有较
高的强度。
3.10 深水钻井隔水管及防喷器系统
深水钻井的隔水管主要指从海底防喷器到月池
一段的管柱,主要功能是隔离海水、引导钻具、循环
钻井液、起下海底防喷器组、系附压井、放喷、增压管
线等作用。在深水钻井当中,隔水管柱上通常配有
伸缩、柔性连接接头和悬挂张力器。在深水中,比较
有代表性的是Φ533. 4 mm钻井隔水管,平均每根长
度为15. 2~27. 4 m。为减小由于钻井隔水管结构
需要和自身重量对钻井船所造成的负荷,在钻井隔
水管外部还装有浮力块。这种浮力块是用塑料和类
似塑料材料制成的,内部充以空气。在钻井隔水管
外部,还有直径处于50~100 mm范围的多根附属
管线。在深水钻井作业过程中,位于泥线以上的主
要工作构件从下向上分别是:井口装置、防喷器组、
隔水管底部组件、隔水管柱、伸缩短节、转喷器及钻
井装置,井口装置通常由作业者提供。
4 结论
深水石油钻井是一项具有高科技含量、高投入
和高风险的工作,其中喷射下导管技术、动态压井钻
井技术、随钻环空压力监测、随钻测井技术、ECD控
制等技术是深水钻井作业成功的关键。钻井船、隔
水管和水下防喷器等设备的合理选择也是深水钻井
作业成功的重要因素。另外,强有力的后勤支持和
科学的作业组织管理是钻井高效和安全的重要保
障。
参考文献:
[1] 潘继平,张大伟,岳来群,等.全球海洋油气勘探开发
状况与发展趋势[J].中国矿业, 2006, 15(11): 1-4.
[2] 刘杰鸣,王世圣,冯玮,等.深水油气开发工程模式及
其在我国南海的适应性探讨[ J].中国海上油气,
2006, 18(6): 413-418.
[3] 谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程
模式及平台选型[ J].石油学报, 2007, 28(1): 115-
118.
[4] 李芬,邹早建.浮式海洋结构物研究现状及发展趋势
[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2003, 27
(5): 682-686.
[5] 杨金华.全球深水钻井装置发展及市场现状[J].国际
石油经济, 2006, 14(11): 42-45.
[6] 赵政璋,赵贤正,李景明,等.国外海洋深水油气勘探
发展趋势及启示[J].中国石油勘探, 2005, 10(6): 71
-76.
[7] 陈国明,殷志明,许亮斌等.深水双梯度钻井技术研究
进展[J].石油勘探与开发, 2007, 18(2): 246-250.