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1、 1 Unit 1 Introduction to petroleum industry 1)Introduction 石油工业在我们的日常生活以及其他工业领域扮演着相当重要的角色。石油工业可以主要分成上游部分、中游部分以及下游部分。今天，许多大的石油公司，例如中国石油、中石化、中海油，都在中国开采着地下油藏的大量原油。大多数原油和天然气都是由几百万年前在沼泽和海洋中的植物和动物形成的。这些有机物与小溪和河流中的淤泥沉积在一起。这些沉积最终压实形成了沉积岩石。热量和压力把这些植物和动物中柔软的部分转化成为固态的、液态的和气态的碳氢化合物，也就是我们知道的煤、原油和天然气。随着陆地和海洋的石油工
2、业的快速繁荣，公众的注意力也集中到了石油工业的环境保护问题上来。幸运的是，技术的创新、精心的培训、严格的法规都将让石油工业对人类、动物、土壤、空气和水的污染降低到最小。Swamp:沼泽，湿地 Stringent:严格的，必须遵守的 2)Three main components of the industry 今天，上游部分包括了超过 100 家勘探和生产公司以及数百家相关的部门，例如地震和钻井承包商，修井承包商，工程公司和各种科学技术服务公司和供给部门。中游部分包括连接生产和消费领域的油气集输系统。其他的设备将提炼硫和液态天然气，储存石油和天然气产品，并且用卡车、铁路以及油罐车运输产品。下游
3、部分由炼油厂、气体分离设备、原油零售商、服务站以及石油化工公司。Service rig:修井设备；修井机 Utility：n.功用，实用；a.实用的；多用途的 3)Finding oil and natural gas a)Exploration-the search for petroleum 一个圈闭应该包含三个要素：多孔油藏岩石来聚集石油和天然气典型的岩石有：砂岩、石灰岩和白云岩。上覆不可渗透岩石来阻止油气的逃逸。油气的生油岩典型的有黑色的似蜡的页岩。Paleontologist:古生物学家 Waxy:似蜡的，光滑如蜡的 b)Seismic surveys 在地震测试中，地球物理勘测队的
4、员工将在地面铺设一条或者几条金属的敏感接受仪，被称为震波接受仪。接着将在地面制造爆炸或机械震动。震波接受仪将记录从岩层不同深度反射回来的地震波能量。为了减小对环境的影响，许多承包商今日石油的石人工地震的方法，实用一个沉重的震动的工具发射能量到地下。如同石油工业的其他部门一样，勘探工作者们已经采用了更高环境标准的地震测试。例如，改进后的不使用或者使用更窄的金属截线可以减少对森林中土壤、水、植物以及野生动物的不良影响。在其他的敏感区域，如山地，地震测试队员们使用直升机或者马匹来限制地面的干扰。在海上勘探中，空气枪用压缩空气来代替炸药，这是一种更好更安全的能量来源，同时也可以最大限度地减少对海洋生物
5、的影响。海上的舰船将记录从拖拽着的一大批海洋检波器反射的能量。在浅水区，海洋检波器可以铺设在海床上。2 Cutline：截线 Vessel：容器，船舰 Tow：拖，拉，拽 Array of：一大批 Dynamite:炸药 Hydrophone：海洋检波器 4)Drilling 钻井工程师们将把理论和残酷的经济现实联系起来。甚至当一口开发井正好位于两口生产井之间的时候，仍然有什么也勘测不到的风险，同时也可能取得出人意料的成功。这种赌注在位于未开发区域的野猫井的时候更加明显。Stake:赌注 基本的钻井过程是很简单的。在一串的管柱下面旋转的金属钻头将在岩石上钻一个洞。钻机有许多种类型。最小的是直立
6、在卡车上的修井机，最大的是安装在轮船或者海洋平台的。有些是特别安装来用于含酸气井的勘探的，以及斜井、水平井的钻井的。总体的规律是，钻机越大，钻井的深度就越深。大约一口井直接雇用的人员是 75人，尽管只有 4 人到 7 人是随时在钻机上值班的。具体的人数可以在相当大的 X 围变化，这个取决于待钻井的类型。1)Producing oil and natural gas a)Production-recovery resources 当钻井确定了油气藏的位置之后，承包商的生产部门将接受管理将油气资源举升到地面的任务。石油不是如同地下湖的那样储存在地下的。而是油气储存在沉积岩石的孔隙和裂缝中，如同海绵
7、中的水一样。在成熟的生产区域，从老井中开采出更多的原油是一项重要的工作。在新的生产区域，用尽可能低的成本生产出更多的原油也是一个关键的挑战。b)Oil recovery method 在一次采油中，最初的采油方法就是利用油藏压力或者泵举的方法。大多数幽静今天都是用的泵举。许多方法可以提高一次采收率。最常用的方法是钻加密井，这样在同一个油藏区域就有更多的井，因此原油达到井筒之前就不需要在岩石中流动更远的距离。定向井经常用来钻加密井。在同一个平台可以钻多口定向井。水平井可以让井筒暴露在更大面积的含油层中，从 19 世纪 80 年代末就开始应用，来提高产量和提高采收率。c)Processing-ma
8、king marketable commodities 大多数的原油和天然气在推向市场之前都需要一些炼制过程来去除一些不需要的组分。在上游部分，炼制设备将原油分离成为以下几种主要的销售产品：原油，液态的碳氢化合物。可供销售的天然气，主要由最简单的碳氢化合物分子甲烷组成。液态天然气，重一些的碳氢化合物，包括有乙烷、丙烷、丁烷。凝析油，液态的碳氢化合物，来自炼制天然气的过程。硫，来自炼制天然气的过程，一般液态或者颗粒、饼状，使用卡车或者火车运输。d)Gas processing 消费者购买的天然气几乎全部是由最简单的碳氢化合物甲烷构成的。在气藏中，甲烷通常是和其他重一些的碳氢化合物混合在一起的，例
9、如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷，以及水蒸气，在酸气中的硫化氢等，以及二氧化碳、氮气和其他气体。2)Moving oil and natural gas 3 Transportation-moving and selling products 石油和天然气一般都位于偏远的地区。供给和需求方是用管线连接在一起的。有些管道是直径大于 1 米的金属道，而另外的塑料管道只有几十厘米。他们的分配系统和公路、高速公路或者电力设备一样复杂。然而，管道大多数是看不见的，埋在地下一米深左右。管道分为以下的几大类型：集输管网将原油和天然气从井筒运输到炼制工厂和传输设备。输油干线将原油、天然气、和炼制的石油产品运输到炼油厂
10、和石油化工企业，有一些输油干线把炼制产品输送到消费者。气体传输系统将把生产区域的高压天然气输送到消费区域。地方的输送公司把天然气以低压输送给家庭用户和商业用户。3)Using oil and natural gas a)Refining and petrochemicals-manufacturing molecules 石油分子是由各种各样的尺寸和形态的碳氢链组成的。天然气中的甲烷是最简单和最小的分子。与此对应的是在沥青中的分子就结构很复杂、链长也很巨大。这些碳氢分子在炼油厂和化工厂将被分类、分裂、重排和混合。在那里，它们将变成大量的产品，从汽油到合成橡胶。b)A versatile ene
11、rgy source 石油工业的存在是因为人们已经习惯了石油产品带给人们的各种好处，例如方便、廉价的运输，温暖的房间和成千上万的合成材料。这些是由产品已经改变了我们今天的生活方式。石油和其衍生出来的产品已经渗透到我们生活的各个角落。Unit 2 Geology and reservoir traps 1)Introduction P24 在石油工程中，工程师必须知道油藏是怎样的，石油是如何形成的，流涕在油藏中是如何流动的。地质在石油勘探中扮演者主要的角色。石油工程专业的学生应该学会辨认不同的圈闭类型，这些圈闭是油气储集的地方。钻井产生的岩屑和岩芯为石油勘探和开发提供了重要的信息。实验室对岩屑的
12、分析将提供油藏岩石的具体物理性质参数。根据实验室的结果，石油工程师就可以对开发油藏做出决策。2)Formation of a sedimentary basin P2425 石油通常是在沉积盆地被发现的。沉积盆地是地壳的凹陷区域，这里曾经有微小的植物和动物生活过，并且和小溪河流中的淤泥沉积在一起。这些沉积最终被压实形成了沉积岩。地球的寿命大约有四十五亿年。生产油气的最早沉积一般是在 5.6 亿年前形成的。3)Origins of oil and gas 地球不是我们想象的那样固定不变的。实际上地球是一个由固态岩石和熔融的流体组成的不断缓慢移动和改变的球体。例如，南美洲就在以指甲生长速度在飘移远
13、离非洲。地震和火山就是地球不稳定和不断改变的例证。地壳被分为无数的地质构造板块。这些板块互相推挤、不断上升下降、倾斜、滑动、卷曲、崩塌，分离又融合。结果，在古老海底的沉积可以在高山顶被发现。实际上，珠穆朗玛峰就是这样形成的。在五亿年的时候，光合作用就让地球上存在生命。植物吸收太阳的能力并且把二氧化碳和水转化成氧气和碳水化合物，如糖、淀粉和纤维素。这些碳水化合物以及其他的有机物最终在地面、溪流、湖泊和海洋生存下来。当这些有机物埋藏更深的时候，温度和压力将它们转化成固态的、液态的和气态的碳氢化合物，就是熟知的矿物燃料煤、原油或者天然气。石油通常是由海洋的植物和动物形成的，主要是藻类，它是在至少一百
14、万年的地下在 4 温度是 50-150 度之间的“煮”出来的。天然气在很大的温度和压力变化 X 围内，可以由几乎所有的海洋或者陆地的有机物形成。由于上覆岩层的重力作用和压力，原油和天然气很少停留在形成它们的生油岩层里。而它们将在地下沉积岩层中运移，一直到它们逃逸到地面或者被低渗透的隔层阻隔为止。世界上被发现的大多数石油都是在相对低渗的多孔岩石中被圈闭起来的。这些油藏通常离生成地都有很远的距离。当碳氢化合物运移到地面的时候，就形成了油苗。长此以往，就有大量的碳氢化合物逃逸到大气中。流动水也可能冲刷掉碳氢化合物。有时候只有较轻、易挥发的组分运移了，剩下的就是较重的原油。1)Looking insi
15、de rocks 一个勘探工作者应该掌握很好的理论知识或者拥有直觉，为何一个区域会含有油气。第一手的露头地质资料以及地表特征有时可以帮助确认最基本的要求：必须有沉积岩石，在沉积盆地中有潜在的油藏和含油层。在盆地中，勘探者的第一步就是检查这个区域所有已知的信息。其中应该包括：学术论文，地面地质观察，来自机构的已经钻取的井资料，和邻近区域或者相似区域的先前勘探结果。地质学家可以鉴别这些结构、构造、新沉积盆地的厚度和深度，他们通过测量通过和从沉积层反射回来的地震波的时间来获得。2)Cuttings and core 以前的钻井资料为勘探家提供了很重要的信息。当一口井钻好之后，小的岩石碎片称为岩屑就被
16、钻井液携带到地面。这些碎屑就是钻井的时候钻头研磨地层的碎片。地质学家、地球物理学家、孢粉学家-研究孢粉和小化石的科学家，将检查这些碎屑，得出地层的年代、化学组成、孔隙度、渗透率和其他的物性。更大更连续的圆筒状的岩样称为岩芯，可以用一种特别的取芯钻头获得。尽管取芯会增加成本，但是实验室分析、观察岩样将提供这个沉积盆地的详细地很有用的具体数据，岩石和岩石中流体的组成以及物性资料。即使一口井没有钻遇商业上有价值的油气层，它仍然可以提供很有用的地下岩石和构造资料。这些将帮助勘探家门对比一些对应岩层的地震图片，可以为下一次的成功提供参考。3)Common petroleum traps 最常见的石油圈闭
17、如图所示。在一个典型的圈闭中，气体是以“气顶”的形式位于“油腿”上方，聚集在油藏的顶部的，而油又是位于饱和水上部的。这是因为天然气比石油轻，石油又比水轻。然而，在油藏的有些地方，三种流体是混合的。孔隙度是岩石容纳油和气的能力，如同水储存在海绵中一样。渗透率表征了流体通过岩石的难易程度。Unit 3 Crude Oil and Natural Gas 1)Definition and classification 原油的定义为“在地下油藏状态下是液态，在大气压下通过地面分离设备保持液态的碳氢化合物的混合物”。表观上原油的颜色是在黄色、绿色、棕色和深棕色以及黑色之间变化的。原油在性质上是油性的并且
18、粘度变化 X 围很大。原油在地面要比在温暖的油藏中更粘。表观粘度在 1.4-19400 厘沱之间随着温度和原油深度和年代而变化。多数原油比水轻。尽管原油的密度可以由它和水的比重的比值来衡量，但是经常是采用的重力单位，由 API 的定义如下公式所示：其中比重 60/600F 是原油在 600F 与水的重力的比值。注意到 API 重度与密度成反比关系。因此，轻油的 API 重度大于 40（比重 0.83），而重油的 API 重度小于 10（比重 1.0）。重油的定义就是比重大于水的原油。5 2)Paraffins 烷烃，一般称为链烷烃，是饱和的碳水化合物，通式是 CnH2n+2。当 n15 时，烷
19、烃在粘性液体和固态石蜡之间变化。链烷烃分子有两种类型，它们含有相同的原子结构，并且分子量随着分子链 CH2的增加而增加。一种是直链分子结构，另外一种是支链分子结构。烷烃在原油中的含量丰富，直链分子结构比支链分子结构的要多。碳分子的个数可以达到是 C78H158。对于一个给定的分子量，正烷烃的沸点比异烷烃的要高。烷烃是天然气的主要成分。它们在轻质汽油和煤油中，在数量上也是占优的，大约分别占原油的 25%至 30%。随着沸点的增加，烷烃的馏分逐渐降低。3)Naphthenes 原油中的第二大类碳氢化合物就是环烃，或者称为环烷烃。这一族的通式是：CnH2n。与烷烃一样，环烃同族的有5 个碳原子和 6
20、 个碳原子分别构成的环戊烷和环己烷。但与烷烃不同的是，所有的环烷烃在常温常压下是液态的。它们在轻油和重油中所占的比重都是 40%。1)Aromatics 芳香族化合物是原油中的第三大类的碳氢化合物。它们的分子结构是基于 6 个碳原子的基础上的。这个家族最简单的化合物就是苯 C6H6。其中有一大类的芳香族化合物是由烷基 CnH2n+2替代氢原子而形成的。这类烷基苯系列包括乙苯和甲苯。另外一大类是由支链或者支链碳原子构成的。这类包括萘 C10H8和蒽 C14H10。芳香族化合物五包括了沥青质化合物。这些化合物被分为：可溶于正戊烷的树脂，和不溶于正戊烷的沥青烯。2)Heterocompounds 原
21、油中含有许多杂化合物，这些杂化合物的化学元素不仅包含碳元素和氢元素。最主要元素有氧、氮、硫、以及一些稀有金属原子，通常是镍和钒。3)New words of part two LPG=Liquefied petroleum gas:液化石油气 Pipeline 管道，管道输送 Concentration 浓度；集中 Limestone 石灰岩 Non-associated natural gas 非伴生气；associated natural gas 伴生气 Gas cap 气顶 Free gas 自由气 石油 原油 天 然 气碳氢化合物 杂化合物 干气（甲烷）湿气 环烃 芳香烃 氧化物 硫化
22、物 氮化物 其他 乙烷 丙烷 丁烷 链烷烃 6 Formation gas oil ratio 地层气油比 Barrel 桶 OIP=oil in place 地下原油储量 STP=stock tank barrels 储罐桶数；地面（标准状态）桶数 Stock:库存,股票,股份 FVF=formation volume factor 地层体积系数 Condensate 凝析油 Unit 4 Properties of reservoir rock 1)Porosity 孔隙度是油藏最基本的两大性质的第一个。孔隙空间，通常在岩石中充填的是共生水，但是在油田的岩石中是油气。孔隙度可以表示成孔隙的
23、比率，即孔隙占岩石的比率，通常是用百分数来表示的。孔隙度通常用希腊字母 来表示。孔隙的类型有三类：连通孔隙、非连通孔隙和死孔隙。连通孔隙与外面的沟通通道多于一条孔喉。非连通孔隙与其他孔隙只有一条孔喉相连。死孔隙与其他孔隙没有连通。连通孔隙和非连通孔隙构成了有效孔隙度，碳氢化合物就是在其中形成的。在连通孔隙中，碳氢化合物可以被天然的水冲走或者被人工注水驱动。非连通孔隙不会被冲刷影响，但是当油藏压力下降的时候，可能由于膨胀生产一些油气。死孔隙不能产油气，其中的油气可能是由于油气侵入了开放的孔隙之后由于压适合胶结作用孔隙闭合了。有效孔隙和全部孔隙的比率是非常重要的，直接影响了岩石的渗透率。孔隙的几何
24、尺寸以及连通孔喉的半径和迂曲度直接影响了油藏的产能。孔隙的几何形态和连续性是很难分析的。在一些研究中，岩石孔隙被一种可以固化的流体充满。然后岩石被酸液溶蚀了，剩下浇注的孔隙。一些人用在砂岩中使用铅来浇注，另一些人在碳酸盐岩中用环氧树脂来浇注。2)Primary pores Interparticle pores粒间孔隙 Intraparticle pores 粒内孔隙 3)Secondary pores Vuggy and moldic pores 孔洞孔隙、溶模孔隙 Fenestral pores 网状孔隙 Intercrystalline pores 晶间孔隙 Fracture pores
25、 裂缝孔隙 7 裂缝孔隙是最后一类主要的孔隙类型。它是很重要的孔隙类型，不仅因为它可以增加油藏的储集能力，并且因为它能很大程度上提高渗透率。裂缝很少在未胶结和胶结疏松的沉积中形成，这是塑性流动应力的结果。它们可以在脆性的岩石中被发现，不仅在砂岩和石灰岩中，还有页岩和火成岩和变质岩中。由于裂缝比大多数的孔隙要大，仅仅从孔隙的角度来分析是不恰当的。而且，取芯本身也会制造出裂缝。这些人工制造的裂缝应该和天然裂缝鉴别开来。裂缝也可通过电缆测井、地震数据和生产历史识别出来。声波测井中周期的跳动曲线可能是裂缝引起的（也可能是其他现象）。裂缝可以通过井下电视测井“看见”。在地震数据中的异常低速有可能是裂缝，
26、还有可能是其他类型的孔隙以及存在天然气的影响。在生产试井中，最初的高产量和快速的压力下降和流量的快速降低通常暗示有裂缝的存在。1)Permeability 油藏岩石的第二个重要的特性就是渗透率。只有孔隙度还不行，孔隙之间必须是连通的。渗透率是流体通过多孔介质的能力。达西在法国的第戎市研究泉水的流速的时候最初提出了渗透率的概念。Muskat 和Botset 进一步发展了他的研究成果。它们总结出达西定律：LA)pp(KQ21 其中，Q 是流速；K 是渗透率；p1-p2是岩样的压力降，A 是岩样的横截面积，L 是岩样的长度，是流体的粘度。渗透率的单位是达西，它的定义是粘度为 1 厘泊的流体在流速是
27、1cm/s，单位压降 1atm/cm 时的渗透率。大多数的油藏岩石的渗透率都是小于 1 达西的，毫达西更加常用。油藏的平均渗透率通常在5-500mD之间。字母K 常用来表示渗透率。达西定律只有在流体和岩石之间没有化学反应并且只有单相流体充满孔隙的时候才是适用的。实际的油气混相的情况要复杂的多，尽管达西方程被认为可以适用。流速取决于渗透率和粘度的比值。因此，气藏可以在几毫达西的渗透率情况下拥有具有商业价值的流速，而油藏就需要至少几十个毫达西的渗透率。由于这个原因，在实验室一般用惰性气体代替流体测定渗透率。在一些情况下，小孔隙、很低的气体密度、相对大的平均分子自由程，常规的在固体表面的零流速和无滑
28、脱可能不能实现。这个就是克林肯伯格效应，因此在空气测定的渗透率和液体或者高粘度气体的实际流体之间就必须有一个修正系数。这个修正系数对于高渗岩石大约在1%至2%之间；而低渗岩石则高达 70%。岩石的渗透率在不同方向很少相同。垂直渗透率通常远小于水平渗透率。因此渗透率一般是用不同方向取下的岩石段塞测定的。2)Relative permeability 当单相流体完全充填孔隙空间的时候，渗透率被称为决定渗透率，量纲是 L2。有效渗透率是在饱和度小于 100%的时候测出的。KW，Kg，Ko分别表示水气油的有效渗透率。3)Capillary pressure 考虑孔隙的润湿性就会引出毛细管作用的概念，这
29、就是液体在毛细管中滞留的现象。毛细管压力是大气压力和液柱压力的差值。毛细管压力随着毛细管半径的增加而减小。用地质学的角度解释，油藏毛管压力随着孔隙尺寸的减小而增加，更加具体的就是随着孔喉半径的减小而增加。毛管压力还与两相相邻的流体之间的表面 X 力有关，随着表面 X 力的增加而增大。在水湿的孔隙中，弯液面丝凸向水相的，在油湿的孔隙中是凹向水相的。Unit 5 Well drilling 1)Introduction 了解了原油和天然气的知识之后，我们需要着手把地下的油气开采出来。正如我们知道的，唯一的办法就是钻一口井。然而，要钻一口井有许多的相关的工作。其中的一件就是必须知道如何给井定位。一口
30、定位好的井会远远优于一口定位差的井。其它的因素还有架设钻机，选择钻头，选择钻井方式垂直井、定向井或者水平井。2)Site preparation 8 勘测员必须首先精确的确定井的位置和海拔，接着推土机就会平整道路并且来到井场。接着，推土机把井场清理好并且平整井场。一个泥浆池将挖好并铺设好塑料线。这个储存池将储存不需要的泥浆、岩屑和其它井的废料等。如果要钻的井较深，钻机很大，就需要在井场钻一个方形的坑，称为大方井。这个将为安装钻井平台的设备例如防喷器。供水设备是在井场钻一口水井并铺设水管。如果井很浅，整个钻机就是架设在一辆卡车或者拖车上的。这个被称为车载钻机或便携钻机。如果是浅井或者中深井，钻机
31、设备用牵引拖车运输。桅杆式井架被架设起来，确保钻井的需要。如果是深井，钻机设备很大，因此是用几辆牵引拖车运输而来放置在井场。3)Drilling a hole 钻井的开始叫做开钻。在中深井的开钻通常是钻取一个大直径但是浅的孔，就是导管孔。这个可以由车载式钻机完成。大直径的管子也就是导管，将被水泥固定在导管孔中。导管的作用就是稳定井口并且为防喷器提供连接。钻井通常叫做钻孔。4)Rotary rig 旋转钻机在今天用于大多数的井，包括所有中深井。旋转钻机由四大部分组成：动力系统，提升系统，旋转系统和泥浆系统。1)The engines 动力系统为钻机提供电力。大多数的发动机是柴油的，它们通常用来发
32、电。根据钻机的大小和井深，发动机的数量在 2 台到 4 台变化。在大的钻机上，发动机可以提供 3000 马力或者更多的电力。电力用来旋转钻柱和提升井中的设备。2)The hoisting system 提升系统提升和悬挂井中的设备。游动钢丝绳通常是直径约1 1/8英寸的辨状金属缆绳。它是缠绕在绞车的卷轴上的。发动机和绞车连接在一起，拉动游动钢丝绳进出井筒。井架和桅杆是金属塔。如果钻塔是架设在拖车上，它就是桅杆式井架。如果钻塔安装在井场上，就是井架。游动钢丝绳上面的称为天车的滑轮组连接，位于井架的顶部，下面与游动滑车连结。在游动滑车下面是一个大钩，可以连接各种装备。当游动钢丝绳出入天车的时候，游
33、动滑车就在井架中上升和下降。这样就实现了井中设备的举升。钻机的分类通常是看它们的钻井深度。这是因为越深的井就需要越强的动力系统和坚固的井架。一口深井的钻柱可达到50 万磅。动力系统必须举升井中设备，井架要足够坚固来支持设备的重量。3)Rotating system 钻柱是旋转的管子和它们的连接物。这包括：水龙头、方钻杆、钻铤和钻头。旋转系统的功能是打孔。悬挂在大钩下直接在游动滑车下的是水龙头。水龙头下面的管柱可以旋转，并且让管柱的重量挂在钻塔上。水龙头下部是一个四边形或者六边形的管子称为方钻杆。方钻杆具有规则的边，便于抓紧和旋转。旋转方钻杆就可以旋转井中的所有管柱，就可以实现钻井。转盘是在钻台
34、上一个圆形的底盘。它与动力系统连接用来转动方钻杆。方钻杆嵌入到一个装置称为方钻杆补心，这样就连接到转盘。方钻杆下面是钻杆。金属钻杆是两端都有螺纹连接的30 英尺长的金属杆。每一节钻杆称为单根。方钻杆通常是位于钻杆的顶部。当完成 30 英尺的钻井之后，方钻杆就必须被提升起来，在方钻杆下面接一根单根。这个就叫做接单根。在钻杆下面是大直径的管柱称为钻铤。钻铤的重量比钻杆大，是设计来增加钻杆底部重量的。这个可以帮助控制钻进，防止管柱的弯折和破坏。一般使用2 个到 20 个钻铤。钻头是嵌在钻铤的底部的。最普通的钻头是三牙轮钻头，含有三颗旋转的牙轮。当钻头旋转时，牙轮上设计的牙齿就切碎岩石。有些三牙轮钻头
35、是用碳化钨来代替牙齿。另外一类钻头是金刚石钻头或者球齿钻头，在钻头的底部镶嵌了金刚石。不同的钻头适用于不同的地层类型。球齿钻头最适合石灰岩地层。钻头的寿命大约是8-200 小时，平均的磨损时间是 24 小时。钻头的磨损可以有钻井平台上转柱产生的噪音以及钻进速度的降低监测出来。更换钻头就必须要起下钻。所有的钻柱都被提升出井筒放置在钻台上。钻头更换之后，管柱又重新下入井中。这个会消耗时间和金钱。井深越深，起下钻的时间就越长。4)The mud system 泥浆系统是用来循环井筒中的泥浆。钻井也储存在钻机旁边的钢池子里面。泵，称为泥浆泵把钻井液泵 9 入中空的旋转钻柱中，在井底从钻头中喷射出来。钻
36、井液携带了井底的岩屑。它将从旋转钻柱和井壁的环空流出井底。在井口，泥浆流经防喷器和一系列的筛网-泥浆振动筛。泥浆震动筛的作用是把钻屑从钻井液中分离出来。其他的设备也是用作清洗钻井液，然后钻井液回流到泥浆池。循环钻井泥浆有许多的作用。泥浆可以把岩屑从井底清除。当泥浆流经钻头的时候，可以清洗钻头的牙齿。钻井泥浆可以冷却在钻井过程中摩擦产生的热量。在很软的沉积中，例如沿海平原沉积，从钻头喷射出来的泥浆可以帮助钻头切削井底地层 钻井液还可以控制井的压力防止井喷。在井底有两种液体压力。岩石内部液体压力将迫使流体流入井筒。钻井液产生的压力将迫使泥浆流入附近的岩石。如果岩石中流体的压力大于井筒中钻井液的压力
37、，水、气、油就会从岩石中流入井筒。这经常会导致井壁坍塌以及损坏设备。在最极端的例子，就会发生井喷。为了控制井底的液体压力，钻井液的压力就必须调整来大于井底流体的压力。这就被称为过平衡钻井，钻井泥浆就会流入地层。岩石此时就是一个过滤器，在井壁就会形成一层滤饼。这个形成的滤饼非常坚固。一旦滤饼形成，井壁就会很稳固，地下的流体就不能进入井筒。钻井泥浆通常是粘土和水的混合物。普通的泥浆成分是膨润土。密度更大的泥浆可以在其中加入硫酸钡。还可以在其中加入各种化学剂。钻井液通常是水基的，有时候是油基的。钻井液由它的重量来描述。钻井液的重量越大，在井底产生的压力也就越大。5)Blowout preventer
38、s 防喷器是设计来关闭井的。它们连接在钻台下的井的顶部。在一口井常用良种类型的防喷器。一种是设计来关闭环空的。另一种是用防喷器芯子关闭钻柱的。空气钻井应用于浅井或者钻井液会污染储层的井。空气就如同钻井液一样泵入钻柱。空气与井底的水混合形成泡沫。泡沫携带井底的岩屑，从环空返回到地面。空气和钻屑从故障的管线流出钻机。空气钻井比泥浆钻井更快更节省，但是缺点是它不能控制井底压力，并且有时候空气与地下的气体混合形成爆炸的混合物。Unit 6 Well completion 当一口完成了钻井，做完产层的经济评价之后就开始下套管，准备油气井的生产了。完井的设备和方法是很多的，这个取决于具体井的油气储集类型、
39、井具体阶段的开发要求，还有施工时候的经济状况。低压套管，有时候还是二手的，可以用于产量是边际产量的井，并且其他的投资也要相应减少。如果油井可能是高压，井的寿命预期较长，就会使用最好质量的油管。1)Downhole strings 许多油井需要四层大管柱：导管、表层套管、中间套管和生产套管。生产套管在油田经常称为长套管或者油层套管。导管可以防止地表的垮塌损害钻机的底座。如果地面条件允许，导管是用推土机运送到现场。如果不允许，一个小的钻机就会钻一个孔，导管就被固定在这个孔中。当表层套管固定之后，它就可以地层水的侵入。它还可以防止松散的页岩和沙砾落入井眼，阻止地层水流入井中。表层套管的深度在 500
40、-5000 英尺。如果钻遇深度在表层套管和生产套管之间的问题地层，就需要中间套管。生产层通常需要生产套管，在少数情况下生产套管下到产层的上方和附近。另外一种类型的套管是尾管，在 10000 英尺的井常见。尾管的功能很像套管，但是它不会一直延伸到地表。尾管通过一个叫做尾管悬挂器的卡瓦装置，悬挂在大一些的套管上。尾管的功能可是生产套管，此时就成为生产尾管。由于它不会延伸到地面，在很些情况下这还是一个相当长的距离，这样就可以节约管柱的成本。在生产井下入的最后的贯注通常是油管。油管通常是在井中自由悬挂在油管头上的。在流入井中，小直径的油管比套管的效率高。当发生堵塞或者污染的时候，油管也更容易移除。当油
41、管和封隔器联合使用的时候，可以防止井中的流体进入套管，这是因为封隔器堵住了油管和套管之间的空间。井中的流体会腐蚀套管，而且维修费用十分昂贵。封隔器的组成有：流体可以通过的管子；一个橡胶的封隔部件阻隔流体通过；称为卡瓦的抓紧部件，可以让封隔器在产层上面的油套环空固定。由于封隔器封闭了油套环空的通道，地层流体就只能流入油管 10 中。另外一种经常安装在接近地面的油管管柱上的装置就是地下安全凡尔。这个阀门在流体流动正常的时候是开放的。在阀门监测到地面的设备出现差错的时候就关闭了，阻止了流体的流动。Conductor Surface casing Intermediate casing:to solv
42、e some troubles encounters in the inervel Production casing:to prevent the oil-bearing from caving in Liner:to be used as production casing Tubing:to be used for production 2）Secondary cementing 固井是钻井和完井过程中最重要的一项施工。二次固井是当一次固井失败的时候采取的一项补救措施。一次固井是在钻进过程中，当套管下入之后就立即进行的固井措施。一个好的固井施工就是在环形的管柱周围形成的水泥带完全充满这个
43、空间，水泥中没有孔隙、空间。如果一次固井出现了失误，那么一项耗资耗时的二次固井就必须在完井之前进行。它的目的和一次固井一样，就是机械地锚定套管，封隔井眼防止层间的流体垂直流动。两种主要的二次固井就是挤注水泥固井和注水泥塞固井。水泥段塞用于将要废气的井，需要隔离的层段，定向井循环失控或者需要地层测试的情况。挤注水泥就是用压力把水泥浆注入到对应的地层，它的主要目的是起到封隔的作用。这样的封隔对于控制射孔之后阻止层间的流动是很重要的。3）Completion methods 油井服务公司将为油井的生产做好施工准备，例如运来小型钻机以及在钻机离开之前的许多工作。完井的方法取决于油藏的特征以及它的经济潜
44、力。众多的完井方法包括：裸眼完井，射孔完井，绕丝筛管完井，无油管完井以及复合完井。Open-hole completion 裸眼完井在产层没有生产套管或者尾管。因此，油藏流体就可以自由的流入井筒。这种类型的完井，一般较少使用，而且一般用于碳酸盐岩油藏，并且只有一个产层的地压力地层的情况。在裸眼完井中，套管在产层的上方，钻井就钻到产层就实现了完井。Perforated completion 射孔完井是最常用的完井方法，它需要好的固井质量以及正确的射孔方法。射孔就是在井壁和水泥墙穿刺一条流体从油藏流入井筒的通道。射孔首先是沿着生产套管或者是油管在产层的位置下入射孔枪。射孔枪发射出射孔弹，或者引爆一
45、种爆炸性的弹药，即聚能射孔弹。聚能射孔弹可以设计来形成高强度、定位准确的爆炸。因为这个爆炸时喷射出高能量的气体和微粒，因此被称为喷射式射孔。如果使用的是生产尾管而不是生产套管，完井时就把生产尾管射穿。Wire-wrapped screen completion 另外的完井方式就是绕丝筛管完井，绕丝筛管就是一个短的管子，末端是开放的并且末端缠绕着一种特殊形状的金属丝。一种方法就是把筛管连接在油管底部下到已经射孔的井底。通常绕丝筛管和砾石充填组合在一起应用，即在井底砾石在筛管的外面。这样井底的流体流经砾石，再流经绕丝筛管最后到达油管。绕丝筛管完井通常用于产层在产油气同时有出沙的情况。筛管和砾石可以
46、减少井筒出沙，这样就可以防止出沙带来的问题。Tubingless completion 尽管大多是的井都是有油管的，但是一些小直径的井就可以使用小直径的套管完井而不需要油管。小直径套管直接下到产层，射孔也在产层。无油管完井常应用于小型气藏，产量低压力低的井。Multiple completion 复合完井可以应用于井筒穿过多个产层的情况。通常对于一个产层就在生产套管内下入有封隔器的单独油管。例如，在三重完井中，在一个生产管柱使用三个油管和三套封隔器。4）The wellhead 井口就是用来控制井中流体的设备。它形成一个阻止井中流体在地面喷出或者泄露的封阻。对于具体的井将根据具体情况来确定使用
47、的井口类型。有时候只需要一个简单的支撑井中油管的设备。在其他情况 11 下，控制地层压力是必须的，此时就需要高压井口。在有些油田的压力可达到20000psi。基本上井口的组成是：井头、套管头和采油树。Casing head 套管头是一个连接了套管的很重的金属地面装置。在钻井和修井作业中，套管头可被用作控制压力的设备。如果井中有几套套管，在井口就对应的需要几套套管头。Tubing head 与套管头的设计和作用相似，油管头是支持油管柱、封闭套管与油管之间的压力、在地面起到连接作用并且可以控制流动液体或者气体。如果在井口使用了套管头，油管头就是由套管头支撑的。Christmas tree 井口一系
48、列的控制阀、压力计量表和油嘴就是采油树，这样命名的原因是它的形状像圣诞树，在井口有大量像树枝一样的装置。这些阀门开关就可以控制完井之后井中的油气流动。主阀门关闭可以完全关闭流体的流出。在采油树也有油嘴，或者安装在流动管线中，这个用来控制流体的流量。压力计量表是计量套管头和油管头的压力。知道了在不同操作下这些压力的规律对更好的控制油井有帮助。Unit 7 Production of oil and gas 生产就是石油工业中把油藏的碳氢化合物采到地面，把油气水和混杂的固体分离到可供销售的产品如原油、凝析油和天然气的这个过程。对于一个特定的油田，投入建设的生产设备类型，无论是在井筒还是地面的，都是
49、取决于最初的勘探井以及接下来的评价井的数据分析的基础上的。直接由油井获得的数据包括：原油质量。伴生气的体积和质量，是否含有硫化氢，这个意味着一系列的严重的工程问题、安全问题以及经济的问题。油藏压力以及建议的井口关井压力。原油的流量和油藏压力降以及井口压力降的关系。其他从井获得的数据如油藏深度和厚度，岩石渗透率和孔隙度，在一些情况还包括油气水界面以及其他可供绘制油藏图像的地质数据。使用这些数据，油藏工程师们就可以计算出油藏岩石中包含的油气的数量以及可采出的原油的百分数。他们还会预测出油井开始生产之后油田的生产规律。这些还包括注入采出气或者其他气体以及水来帮助保持油藏的压力。注入流体的措施有可能是
50、在油井刚开始生产就进行，也可能是在采出了一定的原油之后的一个特定的时间开始进行。对这些预测前景都会作一个经济评估，接着就会作出生产决策，确定出井数、生产设备的尺寸和类型。油藏工程和地质就会对此进行详细的研究。1)Natural flow in a well 在探讨帮助油气举升到地面的各种方法之前，弄清自喷井的流动规律是十分有必要的。伴生气的质量一般的表达形式是立方英尺每桶油。在一个未饱和油藏中，当压力降到泡点压力之下就会发生泡流。在泡点压力时，气泡就开始形成，气泡的直径和分布都是随机的。气泡会以不同的速度移动，这个是由它们各自的直径决定的。原油在油管的壁面或者环空壁面会被拖拽，在其他地方的流速