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