单元1 钻井工艺简介
1.1 钻井工艺概述
1.1.1 国家石油安全与油气钻井的重要性
能源是经济社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源安全关系国家的经济命脉和民生大计。石油是重要的战略能源和化工原料，对国家经济、军事安全和国民经济发展有重要影响。
2008年，在世界能源结构中，石油占35%，天然气占24%，煤炭占29%，其他能源占12%。2017年，我国的能源消费结构中，石油占18.8%，煤炭占60.4%，天然气占7.2%，水电、核电、风电等其他能源占13.6%。据专家预测，到2020年，中国石油消耗量将达（4.5～6.1）×108t，而国内供应量却只有（1.8～2）×108t，缺口达（2.7～4.1）×108。因此，必须站在战略高度考虑石油问题，依靠我国丰富的油气储量，提高自身的原油供应能力，努力减少对原油进口的依赖，避免国际油价大幅度变化对我国经济发展造成的冲击，保证经济发展的稳定与安全。
油气钻井是油气勘探与油气开发的主要手段，直观了解地下情况、证实已探明的油气储量以及把地下的石油和天然气开采出来，都要通过钻井来实现。钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低和油气勘探开发的综合经济效益及石油工业的发展速度，因此要加大油气勘探与开发的钻井工作量和促进钻井技术进步。
1.1.2 油气钻井的发展
1.1.2.1 世界石油钻井技术的发展
旋转钻井的发展可分为初期阶段、发展阶段和科学化钻井三个阶段。1900～1920年为初期阶段，1920～1950年为发展阶段，1950年至今为科学化钻井阶段。科学化钻井阶段又可分为前期阶段和后期阶段（现代钻井阶段）。
前期阶段（1950～1980年）出现了9项单项技术：喷射钻井技术；优选参数钻井技术；平衡压力钻井技术；保护油气层技术；深井钻井技术；丛式钻井技术；高效钻井技术；井控技术；洗井液技术。
后期阶段主要有三项大成果：
实现了井下信息实时检测传输、处理和分析；
开发了井下导向和井下闭环钻井系统；
发展了新钻井技术（水平井钻井技术、多分支井钻井技术、欠平衡压力钻井技术），并在此基础上发展了新的小井眼钻井技术和连续油管钻井技术。
1.1.2.2 新中国石油钻井的发展
我国是世界上最早发现、开采和利用石油与天然气的国家，然而，由于种种历史原因，我国的石油钻井技术未能得到持续发展。新中国成立后，石油工业得到政府高度重视，石油工作者坚持独立自主、自力更生精神，在艰苦创业中形成了一支以“铁人”王进喜为代表的石油钻井队伍。回顾新中国石油钻井事业、经历了组建、发展和现代化钻井三个时期。
（1）组建时期（1949～1958年）
1949年，中国只有甘肃玉门老君庙油田凿井部一个钻井机构，全国原油产量只有12×104t，1950年召开第一次全国石油会议后，开始调配人力、设备和物资，组建钻井机构。到1957年，共有钻井队205个，钻机319台。与1949年相比，钻井口数由9口增加到622口，钻井进尺由5000m上升到52.9×104m。这期间相继发现了克拉玛依、冷湖等油田，石油工业有了显著发展。
（2）发展时期（1959～1977年）
1958年后，随着石油勘探的重点由西向东战略转移，整个钻井形势发生了很大变化。1958—1977年的20年间，钻井队伍经过几次大的组建和补充，不断发展壮大。钻井队由205个扩大到570个，钻机由319台增加到942台。1971年，大庆油田1205钻井队使用改进后的刮刀钻头，创造了中型钻机年进尺12.7×104m的新纪录；胜利油田使用聚晶金刚石（PDC）喷射式刮刀钻头，创出一只钻头最高进尺3135m的好成绩。1976年，大庆油田原油产量突破5000×104t。1977年，全国累计完成定向井119口，井深4000m以上的井31口。
（3）现代化钻井的新阶段（1978年以后）
1978年，我国石油钻井进入现代化钻井新阶段。现代化钻井技术从推广喷射钻井开始，喷射钻井技术的发展使地层压力预测与监测平衡压力钻井井控技术、优选参数钻井技术、钻井液与油气层保护技术等相继发展起来。
从20世纪90年代开始，定向丛式井和水平井技术得到长足发展。胜利油田钻成包括42口井的丛式井组。大港油田形成了平台优选、丛式井设计、防碰扫描、综合施工服务等成熟完备的丛式井工艺技术。
水平井钻井技术在整装油田开发、薄油藏、块状底水油藏、特低渗透油藏、老油田剩余油挖潜及相关领域获得广泛应用，其应用技术与欠平衡、分支井钻井技术的集约化与集成化，大大提高了油气井产量和油藏最终采收率，大幅度地降低了原油生产成本。新疆塔里木油田从1994年开始用水平井开发4个整装油田，共钻水平井134口，取得了良好的经济效益。2002年12月，大庆油田一口水平井钻井时成功穿越2个油层，创造了我国水平钻井在1m左右的薄油层内穿行613.7m的纪录。我国目前所钻水平井基本为单水平井和双台阶水平井，而分支水平井和多分支水平井尚未广泛应用，影响了水平井的经济效益。
复杂地质条件下深井、超深井钻井技术处于世界先进行列。新疆油田在准噶尔盆地、塔西南山前构造带及塔里木地区以研究地层压力预测、井壁稳定为基础，设计合理的井身结构和钻井体系，提高了钻井速度和固井质量，降低了钻井成本，形成了一套适合复杂地质条件的深井、超深井钻井技术。
欠平衡钻井技术近年来有较大发展，四川石油管理局和西南油气田分公司应用了全过程欠平衡钻井技术，但日前井内压力理论计算还达不到钻井技术需要的精度范围。
2018年5月29日，位于安达市的松科二井成为全国瞩目的焦点。这口井完钻井深7018m，是亚洲国家实施的最深大陆科学钻井和国际大陆科学钻探计划（ICDP）成立22年来的最深钻井，也是全球首个钻穿白垩纪陆相地层的科学钻探井，取得地质科技四项重大突破与进展，创造了多项世界纪录。
1.1.3 油气井的分类
按目的不同，油气井可以分为探井、生产井和注水井等。
（1）探井
探井是为了探明经过地球物理勘探证实有希望的地质构造的地下情况，寻找油气田而钻的井。探井一般分为四大类。
参数井 了解一个地区（盆地或凹陷）生油岩和储集岩存在和分布情况的井。
预探井 了解一个圈闭中是否有油气和储集岩分布情况的井。
评价井 在预探井发现含油气储集层后，为探明这个圈闭（油气藏）含油气面积和地质储量所钻的井。
资料井 为获得油气藏油层参数，使用特殊工具钻取岩心进行检测与分析所钻的井。
（2）生产井
生产井是为了采出油气而钻的井。根据开发方案，生产井可分为以下两类。
开发井 油田开发初期布置的第一批用来采出油气的井。
调整井 在原有井网基础上，为改善油田开发效果，而补充钻的一些零散井或成批成排的加密井。
（3）注水井
注水井是用来向油层内注水的井。根据注水方式，注水井可分为以下两类。
正注井 从油管向地层注水的井。
反注井 从套管向地层注水的井。
（4）其他油气井
其他油气井还包括以下几类。
更新井 为了完善注采系统，需要钻的新井。
观察井 专门用来观察油田地下动态的井。
检查井 为了检查油层开发效果而钻的井。
1.1.4 油气钻井的基本过程
油气钻井是一个多专业、多工种、技术性很强的施工过程。钻一口井包括钻前工程、钻进工程和完井工程三个阶段。
（1）钻前工程
钻前工程是为钻井作业施工所进行的生产技术准备工作，包括钻井设计，测井定位，平整井场，道路施工，打混凝土基础，钻井设备检修、搬迁及安装，敷设水、电、通信线路和安装保温或降温设施等。
（2）钻进工程
钻进工程是钻井的基本施工过程，深井施工时要分多次钻进。钻井时要按工程设计组合钻具、配制钻井液、选择钻井参数。实施钻井施工时，由司钻、副司钻、井架工、内钳工、外钳工、场地工等岗位协作完成钻进、起下钻、接卸钻杆单根、循环钻井液、取心等具体作业。
（3）完井工程
完井工程是钻井施工的最后阶段，由完井电测、井壁取心、下套管、注水泥、射孔和试油等环节组成。完井工程由钻井队人员和专业队伍交叉进行，共同完成。
钻成一口井的工艺主要包括：选用高效率的钻头和最优的钻井技术参数，获得理想的钻进速度和最低成本，有效地控制井眼倾斜和方位，合理地控制地层压力实现平衡压力钻井，加固井壁和保护好油气层，形成油气流的通道等工艺。