第九节 油田工程.docx

第九节 油田工程
一、概述
油田工程是从事石油地质、勘探、开发、钻井、固井、完井、采油方法、油井增产原理、油气层损害及保护、油品储存与运输以及加工和基础原材料生产等相关工程的统称。主要由石油工业来完成，涉及勘查技术与工程（含石油地球物理勘探、地球物理测井）、资源勘查工程、石油工程（含钻井、采油、油藏工程）、油气（石油、天然气统称为油气）储运工程和加工等专业内容。人们通常说的石油工业指的是石油的勘探和开发。石油工业由“上游”和“下游”两大工程构成，上游包括石油勘探与开采，下游包括石油炼制与加工，以开发石油产品和石油衍生产品为主要目的。石油储运是连接上、下游工程的中间工程。
众所周知，石油是重要的战略资源，是工业的血液、现代文明的神经动脉、黑色的金子和国民经济的加速剂等，这是由于石油是工农业生产中不可缺少的能源和重要的化工原料。汽油广泛应用于交通运输。煤油过去主要用于照明，现在生产的航空煤油主要用作喷气式飞机的燃料。柴油在工业、农业、交通运输、建筑和采矿等行业的大型动力机械中作燃料。洁净的液化石油气装入钢瓶可送往千家万户。目前，汽车等很多交通工具的动力用液化石油气代替汽油，减少了尾气对大气的污染。天然气是一种可燃气体，是未来燃料能源消费的主导方向。通常它与原油相伴而生，故称伴生气。而从单纯气藏产出的天然气称为非伴生气。为解决城市空气的污染，我国实施“西气东输”工程，用煤作燃料的很多城市现已改为天然气。化工原料是石油化学工业赖以生存和发展的物质基础。石油经过加工和处理可制成化工原料，从而制成如塑料制品、合成纤维、合成橡胶、农药、化肥、炸药、染料等众多的生产和生活用品。石油化工行业是国民经济的支柱产业，合成纤维在工业、国防等方面用途广泛。从石油中也可炼制出润滑油、石蜡和沥青，还可以石油为原料，通过实验制造出合成蛋白。有些已把合成蛋白用作饲料，很可能会作为食品出现在人们的餐桌上。
当今世界能源消费的结构是：石油40%、天然气22.9%、煤炭27.4%、核能7.1%、水电2.5%，石油和天然气的比例占到世界能源消费的62.9%。可见，石油在国民经济中的地位和作用非常重要，是一种生命线，对经济、政治、军事和人民生活的影响极大，一个国家对石油和天然气的拥有量和占有量已成为综合国力的重要标志。
石油是一种黑褐色的油状粘稠液体、深藏于地下的可燃性矿物油和不可再生的能源，是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化所形成的混合物。实质上，石油是多种碳氢化合物的复杂混合物，或是多种烃的混合物。最初人们把自然界产出的油状可燃液体矿物称为石油，把可燃气称为天然气，把固态可燃油质矿物称为沥青。随着深入的研究，认识到石油、天然气和沥青在成因上互有联系，在组成上都属于碳氢化合物，因此将其统称为“石油”。据科学家研究和分析：将来可能开采的石油资源，1/3在大陆，1/3在浅海，1/3在深海和两极。海洋将成为人们开采石油的重要基地。
1983年第11届世界石油大会对石油定义为：石油是自然界中存在于地下的以气态、液态和固态烃类化合物为主，并含有少量杂质的复杂混合物。原油是石油的基本类型，存在于地下储集层内，在常温、常压条件下呈液态。天然气也是石油的主要类型，呈气相，或处于地下储集层时溶解在原油内，当采到地面，在常温、常压条件下从原油中分离出来时又呈气态。从油井中采出来的未经加工的液态石油称为“原油”。工业界和日常应用中，通常“原油”与“石油”混用，并不加以区分，所以，石油又称原油。
目前，我国有中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司和中国海洋石油总公司三大国有石油公司从事油田工程的全部业务。包括大庆、胜利、辽河、新疆、四川、华北、大港、中原、吉林、河南、长庆、江汉、江苏、青海、塔里木、吐哈、玉门、冀东以及滇黔桂油田等20多个主要生产基地。而国际上有石油输出国组织，简称“欧佩克”和石油大公司等。
国外石油发展经历了煤油时代、汽油时代、燃料和化工原料时代三个阶段。世界原油储量大都集中在少数地区和国家。特别是连接欧、亚、非三洲的中东地区，有“世界石油宝库”之称，包括塞浦路斯、约旦、以色列、科威特、阿曼、巴勒斯坦、叙利亚、土耳其、沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、阿拉伯联合酋长国、阿拉伯也门共和国、也门民主人民共和国、卡塔尔、巴林、黎巴嫩、埃及等国家和地区。多为巨型油田，地质条件好，运输方便，气候条件非常有利，原油储量占世界总储量的一半以上。原油产量位居前10名的国家是俄罗斯、沙特阿拉伯、美国、伊朗、中国、墨西哥、阿联酋、委内瑞拉、加拿大和挪威。
而天然气储量最为丰富的是俄罗斯的远东地区，其次是中东地区，拉美地区储量也非常可观。处于第二梯队的有沙特、阿联酋、美国、尼日利亚、阿尔及利亚、委内瑞拉和伊拉克。在亚太地区，70％分布在印度尼西亚、中国、马来西亚和印度。天然气产量大的是俄罗斯、美国和加拿大，还有阿尔及利亚、伊朗、挪威、荷兰和英国。而俄罗斯、伊朗、卡塔尔、澳大利亚以及中亚的哈萨克斯坦、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦，南美的委内瑞拉、玻利维亚的产量未来还有较大增长。西欧和北美的产量大致维持现状或下降。近20年来，天然气探明储量和产量分别以约5%和3.5%的速度增长，世界天然气年产量已超过2.32万亿m3。2020年前后，将超过石油成为第一能源。
远古时期，我国古人就以石油照明、药用及作润滑剂，用天然气熬盐、沥青涂船防腐和作建筑材料等。西周时就有天然气的记载。东周四川的临邛(今邛崃市)开凿盐井时发现天然气，并把此井称“火井”，南北朝时名为“火井镇”，隋朝时又改名为“火井县”。后来在陕西、甘肃、云南、湖北、河北、浙江、江西等地也发现了天然气。西汉时陕北延安一带就用石油作燃料。世界上最早记载有关石油文字的是东汉史学家班固所著的《汉书》。石油曾被称为石漆、膏油、肥、石脂、脂水、可燃水等。从晋朝起就用天然气熬盐、煮饭和照明。南北朝时石油就被作为药物治疗脱发病。北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》里首次提出“石油”这个名字，并利用石油制出了黑光如漆的比汉代以来所使用的松烟墨好的油烟墨，也把石油加工成石烛来照明。元代出现加工石烛的工场。明代医药学家李时珍指出石油可主治小儿惊风，与其它药合做丸散，可涂疮癣虫癞等，而学者曹学佺在《蜀中广记》中记载四川乐山一带开凿盐井时，发现可引燃的“油水”，并用于夜间照明，陕北人又用石油熬制出了点灯用的油。我国是开凿的最早油井的国家，比美国、俄国的油井早300多年，而天然气井，比世界上最早开凿天然气井的英国至少早1500年。
解放前夕，只有陕西延长、甘肃玉门老君庙和新疆独山子等几个小油矿，年产量只有12万吨，国内市场被洋油所充斥。建国后，党和政府高度重视和发展石油工业，50年代发展重点是从西部地区甘肃和新疆开始的。1949年玉门油矿开始恢复和发展生产，50年开发新疆独山子油矿，55年发现克拉玛依油田，并成为第一个大油田。59年基本建成比较完整配套的石油工业基地，产量占全国的50％。到50年代末，形成玉门、新疆、青海、四川等四大油气基地，石油工业已初具规模。60年代为解决西部生产与消费重点在东部的矛盾进行战略东移，重点开发东部沿海地区。组织了闻名中外的大庆、华北、河南和渤海湾石油会战。特别是大庆会战，从60年2月开始，在以“铁人”为代表的广大石油工人的艰苦创业下，几万大军云集大庆，仅用3年多时间，在荒原上建起了一个世界级的大油田，基本满足了国内需要，从根本上改变了石油工业的落后面貌，把贫油的帽子扔进了太平洋。63年12月3日，全国人大二届四次大会上向全世界庄严宣告：中国需要的石油已经基本自给，依靠“洋油”的时代，已经一去不复返了。大庆不但出了石油，而且孕育了可贵的“铁人”精神，成为工业战线上一面旗帜，64年开始工业学大庆，74年大庆年产原油达到5000万吨，并创造了稳产高产25年的骄人业绩。此后，又陆续建成年产2000万吨的山东胜利、年产各300多万吨的天津大港、辽河和华北任丘油田，苏北、湖北也相继发现了油田，使全国原油产量迅猛增长。66年自行设计的渤海湾第一口海上油井喷油，揭开了海上石油开采的新篇章。自50年代起，石油工业平均以20％以上的速度发展，到78年我国原油产量突破1亿吨大关，成为世界产油大国。85年又先后发现青海冷湖油田和四川油气田。
20世纪90年代，为扭转80年代我国石油产量徘徊不前的状况，战略重点再次转移，提出“稳定东部、发展西部、油气并举”的方针。石油工人再次集结大漠沙场，向沙漠要油。中西部地区油气勘探开发取得了突破性进展，发现了塔里木和吐哈油田，初步形成了油气资源的接替区。同时，在渤海、东海和南海海域的油气勘探开发也取得成功。到97年，新疆石油产量翻了一番，达到958万吨，西部地区的石油年产量在全国所占的份额增长了一倍，达到了15％。同时，陕京输气管线于97年国庆前夕送气到京，意味着天然气的开发利用出现了新的局面。目前，全国有20几个省、自治区和直辖市以及近海海域共发现了700多个油气田，已建成陆上、海上油气田基地20多个。天然气探明储量主要集中在l0个大型盆地，依次为渤海湾、四川、松辽、准噶尔、莺歌海——琼东南、柴达木、吐哈、塔里木、渤海、鄂尔多斯。形成了十大油气生产基地，包括四大油区，即：松辽油区、渤海湾油区、西部油区和海上油区；六大气区，即：四川气区、陕甘宁气区、新疆气区、南部气区、东部气区和青海气区。先后建成长距离油气输送主管线以及相应的油港码头、铁路、公路、储罐等配套设施，形成了完善的油气贮运体系。管网遍及华北、东北、西北、华东、四川和海上。在地质勘探方面，应用二维和三维地震观测数据，发现了大量的油气田。
另外，我国的非常规油气资源也非常丰富。煤层气资源储量巨大，仅次于俄罗斯、加拿大，排在第三位。油页岩、油砂、致密砂岩气和沥青等也有一定的储量。我国海域还蕴藏着丰富的天然气水合物资源，都可以作为常规油气资源的补充。我国有42个主要含煤层气的盆地和24个陆上含油砂油地质资源的盆地。
由于油田建设的发展，原油加工也相应发展。56年兴建了我国第一个兰州炼油厂。以后陆续兴建了大庆、燕山、齐鲁、上海高桥、南京、抚顺、大连等一批大型炼油企业，各地也兴建了不少小炼油厂，使主要油品基本满足需要。
石油工业在发展中培养造就了一支科研技术队伍，形成了中国特色的石油科技开发体系。创立了独具中国特色的陆相石油地质理论，打破了西方认为只有海相地质才有石油的神话。从油气资源勘探、油气田的开发生产到油气加工炼制的全部生产流程及相应的石油钻井、油气井测试、油田工程建设、油气储运等方面的一大批工艺技术，均已达到或接近当代国际先进水平，不但可以开发国内任何复杂的油气田，而且可参与国际竞争。已在苏丹、委内瑞拉、秘鲁、加拿大、泰国等国家进行了油气田开发生产作业。
二、钻井与完井工程
石油钻井是一项复杂的系统工程，涉及石油地质、油田化学、岩石力学、钻井机械与器具的现代设计技术，以及电子技术、计算机技术与人工智能等在钻井测量及自动化、智能化钻井方面的应用。
石油勘探、开发各个阶段的共同特点都是要钻井。在地质普查时，为研究地层剖面，寻找储油构造，要钻地质井、基准井、制图井和构造井等；在区域详探时，为寻找油气藏，详细研究其储量与性质，要钻预探井、详探井和边探井等；在开发时，为把油气开采出来，要钻生产井、注水井和观察井等。在世界范围内，油田在勘探阶段的总投资中钻井费用达到55%～80%，在开发阶段的总投资中钻井费用超过50%，可见钻井工作是石油勘探与开发的一个非常重要的环节和手段。
石油钻井类型按性质和用途一般分为：
地质探井（基准参数井）：在了解很少的盆地和凹陷中，为了解地层的沉积年代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理解释提供各种参数所钻的井。
预探井：在地震详查和地质综合研究基础上所确定的有利圈闭范围内，为发现油气藏或在已知油气田范围内发现未知新油气藏所钻的井。
详探井（评价井）：在已发现油气圈闭上，以探明含油气边界和储量，了解油气层结构变化和产能所钻的井。
地质浅井：为配合地面地质和地球物理工作，了解区域地质构造、地层剖面和局部构造，一般使用轻便钻机所钻的剖面探井、制图井和构造井等。
检查资料井：在已开发油气田内，为研究开发过程中地下情况变化所钻的井。
生产井：开发油气田所钻的采油或采气井。
注水井：为合理开发油气田，保持油气田压力所钻的井。
地质探井、预探井、详探井和地质浅井统称探井；检查资料井、生产井、注水井统称开发井。
油田从详探到全面投入开发的一般工作顺序为：在含油的构造带上布置探井，迅速控制含油面积。在已控制含油面积内打资料井，了解油气层特征。分区分层试油求得油气层产能参数。开辟生产试验区，进一步掌握油气层特性及其变化规律。根据岩心、测井和试油、试采等各项资料进行综合研究，做出油气层分层对比图、构造图和断层分布图，确定油藏类型。油田开发设计。按最可靠与最稳定的油气层钻一套基础井网，钻完后不投产，根据井的全部资料，对全部油气层的油砂体进行对比研究，然后修改和调整原方案。在生产井和注水井投产后，收集实际的产量和压力资料进行研究，修改原来的设计指标，定出具体的各开发时期的配产和配注方案。从以上油田开发工作顺序可知，油田开发可以说是用钻井的办法来证实油气的分布范围，并且只有通过钻井才能投入生产而形成一定生产规模。
1. 钻井方法
钻井是指从地面钻一孔道直达油气层。其实质就是破碎岩石、取出岩屑、保护井壁、继续加深钻进的问题。有旋转钻井法（图1-152）和顿钻钻井法即冲击钻钻井法（图1-153），目前常用的方法是旋转钻井，包括地面驱动转盘旋转钻井法、顶部驱动旋转钻井法和井下动力钻具（涡轮或螺杆钻具）旋转钻井法。

图1-152旋转钻井示意图

图1-153 顿钻钻井示意图 图1-154 井身结构示意图
每一口井的井身结构示意（图1-154），从开钻到完钻需经过多道工序，完成破碎岩石、取出岩屑并保护井壁、固井和完井，从而形成油流的通道。钻前要做好定井口位置、修路及平整井场、打水泥基础、准备钻杆、钻铤、钻头及钻井泵配件等钻井器材的准备工作。
（1）钻进作业
工序：下钻→正常钻进→接钻杆（接单根、顶驱时为立根）→起下钻→换钻头→下钻
全井钻进过程：安放导管→第一次开钻→下表层套管→第二次开钻→下技术套管（中间套管）→第三次开钻→（第二层技术套管）→第四次开钻…→下油气套管→固井→完井
钻进是用力把钻头压下并使钻头牙齿吃入井底岩石中，用钻杆带动钻头旋转破碎岩石，使井眼不断加深的过程。加在钻头上的压力叫钻压。钻压是靠钻柱的重力产生的。钻柱主要由钻头、钻铤、钻杆组成。钻进中，每当井眼加深了一根钻杆的长度后，就向钻柱中接入一根钻杆，此过程叫接单根。需要将全部钻柱从井中取出，更换新钻头后再入井内的过程叫起下钻。钻进的快慢用钻速表示，一股称为机械钻速，即单位时间里的进尺数，单位为m/h。也可用钻时表示，即单位进尺所需的时间，单位为min/m。
影响机械钻速的因素很多，主要有岩石的可钻性、钻头的类型、钻井液性质、钻压、转速、钻井液流量与性能、钻头水力功率的大小等。
（2）钻井液
有“钻井工程的血液”之称。具有冲洗井底、携带岩屑、保护井壁、冷却钻具、控制和平衡井内及地层压力等作用。通常用比重、粘度和切力表示。属于复杂的多相多级胶体化学物质，即悬浮体分散体系，有固体分散在液体中、液体分散在液体中、气体分散在液体中、液体分散在气体中等多种。钻井液性能与各种胶体性质密切相关，如钻井液胶体的稳定性与破坏，处理剂的吸附、润湿、流变性，电解质的污染及其处理等。
（3）洗井作业
用钻井泵把钻井液打入中空的钻柱内，经钻头水眼流入井底，将破碎的岩屑冲离井底，并携带岩屑从钻柱与井眼之间的环形空间中返回地面，再在地面上把岩屑从钻井液中分离出来，净化了的钻井液用钻井泵注入井内重复使用，这样就能把岩屑及时从井底清洗出来。
（4）钻井事故控制和处理
地层岩石的孔隙、裂缝中的石油、天然气和水等流体具有一定的压力，但因地层深度、地区等条件的不同有很大差异。在钻井过程中，由于地质条件和人为因素等复杂情况的影响，必须采取恰当的措施进行处理。如处置不当，常常会引起许多事故，如损害产层、钻井液性能变坏、井斜、井漏、井塌、溢流、外涌、井喷、卡钻、断钻杆、落物等。因此，必须加强钻井过程中对高压井的压力控制及发展压力预测技术。
1）井斜 钻头上的钻铤在钻压作用下产生弯曲，是钻具在井内不居中，导致井斜产生。
井斜给钻井增加难度或引起钻井事故，如钻杆柱过度磨损或折断、键槽卡钻、下套管不畅。井底水平位移过大等，会打乱油气层面上井眼的合理分配，降低采收率。井斜偏大，会影响以后的分层开采及注水采油效果。一般采用满眼钻井法可防斜钻井方法。井斜可采用钟摆钻具纠斜、造斜工具纠斜或用水泥填死井斜严重井段，再重钻第二口井身。
2）井漏、井塌 当井眼中泥浆液柱压力大于地层压力时会引起泥浆漏失。井漏原因有：钻遇疏松地层、砂岩等渗透性地层、地层断裂带、石灰岩等裂缝发育地层或大溶洞、开泵过猛而蹩漏。井漏使泥浆池液面下降，井口返出泥浆量减少，或循环失灵。发生井漏应提高泥浆粘度和切力，降低泥浆比重和泵的排量。严重时，应在泥浆中加入堵漏物质，封堵漏失层。
钻进时，井内泥浆的失水进入岩石颗粒之间，降低岩石的胶结力，如粘土、页岩和泥岩等岩层，经泥浆浸泡发生膨胀、剥落掉块，导致井壁不稳固和坍塌。严重井塌可引起落石卡钻等事故。采用优质低失水泥浆、增加井内泥浆柱的压力和避免钻头停在易塌地层时循环泥浆等，可防止井塌发生。
3）井喷 当钻遇大于钻井液柱压力的高压油、气、水层时，会造成井喷。防止井喷可采取事前做好地质预告、钻井时采取调整钻井液性能和在井口安装井控设备等措施。
油气层一般均有一定的压力和良好的渗透性，钻开油气层时，往往会产生钻井液对油气层的损害或油气层中的油气侵入钻井液。当钻井液柱压力大于地层压力时，钻井液中的滤液或颗粒会进入油气层，使其渗透率降低而影响产量。反之，油、气或水会侵入钻井液中，发生井喷失控事故。因此，钻开油气层不但要防止和减少对油气层的损害，还要防止井喷现象。
4）卡钻 是钻井经常发生的事故，可分为：沉砂、落石、地层膨胀、泥饼、键槽、泥包和落物等卡钻。
沉砂卡钻是由于清水钻进、泥浆粘度低或切力小、悬浮岩屑能力差、稍一停泵岩屑就下沉、接单根时间过长和突然故障停泵检修等造成的。
落石卡钻是由于钻遇疏松、胶结性不好的地层或发生井塌时造成的。
地层膨胀卡钻是由于钻遇疏松、多孔隙或膨胀性地层，泥浆性能不好或失水大并浸泡地层，导致地层膨胀井径缩小而造成的。
泥饼卡钻是由于泥浆性能不好、含砂量过大而在井壁上形成一层很厚的粘附很多岩屑的泥饼，使井径变小。钻柱贴向一侧井壁并承受很大侧向液静压力，这时紧贴泥饼，产生巨大摩擦力，导致卡钻。
键槽卡钻是在井斜角和方位角变化的井中，钻柱旋转及多次下钻拉磨，在井壁上磨出一条略大于接头直径且小于钻头直径而类似键槽的细槽。起钻时钻头恰落人槽内，即卡钻。
2. 固井技术
一口井在形成的过程中，须穿过各种各样的具有不同特点的复杂地层。为保护井眼使钻井工作顺利进行，必须对井眼进行加固。当钻井达到预定深度后，在井眼内下入一层套管，并在套管与井眼的环形空间里填充水泥浆进行封固套管和地层，称为固井。目的是封隔疏松的易塌或易漏地层、油、气、水层，防止互相窜漏。主要设备有水泥车、下灰罐车、混合漏斗和其他附属设备等。
钻完一口井总共下多少层套管、每层套管的尺寸和下入深度、每次固井水泥浆深度和水泥环厚度以及每次固井对应的井眼尺寸统称为井身结构。依井身结构的不同，钻井过程中有时仅需下一层套管，如油气层套管，有时则需下多层套管，如表层套管、技术套管和油气层套管，最终形成一串轴心线重合的套管柱。根据不同的地层情况和钻井目的，一口井从开始到完成可能要进行数次下套管固井作业。
3. 完井方法
完井是钻井工作最后一道重要工序，主要包括钻开油气层，确定井底完成方法，安装井底及井口装置等。对低渗透率的油气层或受泥浆严重污染时，还需进行酸化处理、水力压裂等增产措施，才能算完井。
井底装置是在井底建立油气层与油气井筒之间的连通渠道，渠道不同，则完井方法不同。合理的井底结构是油气层具有最大的渗透面，油气藏与油气井有最好的流通性，防止油、气和水互窜，多层油气井的各油气层互不窜通，便于分层开采。只有根据油气藏类型和油气层的特性并考虑开发开采的技术要求去选择最合适的完井方法，才能有效地开发油气田、延长油气井寿命、提高采收率和油气田开发的总体经济效益。
井口装置包括套管头、油管头和采油树。其作用是悬挂井下油管柱、套管柱，密封油管、套管和多层套管之间的环形空间，控制油气井生产以及注蒸汽、注气、注水、酸化、压裂、注化学剂等回注和安全生产。
完井方法很多，当下油气层套管固井后，油气层被水泥和套管封固，必须设法使油气层与井筒沟通，一般采用射孔法完井。对比较坚硬的岩石和稳定的油气层，没有油、气、水的相互干扰，油气层可不用水泥封固，而是采用裸眼、贯眼和衬管等完井法来完井。
（1）射孔完井法 钻穿整个油气层，下油气层套管注水泥固井后，再用射孔枪对油气层射孔，即在底部发射子弹射穿套管、水泥环和油气层，使油气层与油气井通过这些弹孔孔道相连通，油气能从油气层流入井内，此法采用最为广泛。
（2）裸眼完井法 即套管下至油气层顶部进行固井，油气层段裸露的完井方法。此完井渗透面积大，油气流阻力小，但井底易坍塌，不适于有不同性质、不同压力的多油气层。多用于碳酸盐岩、硬砂岩和胶结比较好、层位比较简单的油气层。
（3）割缝衬管完井法 在裸眼完成的井中下人割缝衬管的完井方法。可以防砂和保护井壁，无法进行分层开采。工艺简单、操作方便、成本低，多用于出砂不严重的中粗砂岩油气层，可在直井、定向井以及水平井中采用。
（4）贯眼完井法 钻完油气层后，在油气层部位下入带眼的筛管，只用水泥将油气层以上的套管封固起来，防止筛管处进水泥。此法油气流阻力小，但不能防止油气层坍塌，不能任意选择油气层层位。
（5）衬管完井法 套管下到油气层顶部进行固井，再钻开油气层，下入带孔眼的衬管，此完井法具有防砂作用。衬管长度根据油气层厚度决定，衬管上部装有一个堵塞器和悬挂器，前者用以隔开油气层和井眼上部，后者将衬管悬挂于套管尾部。其优缺点类似贯眼完井法。
（6）砾石充填完井法 在衬管和井壁之间充填一定尺寸和数量的砾石。能够有效保护井壁、解决防砂问题，但施工工序复杂。分为裸眼和套管两种砾石充填完井法。
三、油藏工程
油藏工程是以油气藏或油气田（油气藏组合）为研究对象，以油气层渗流力学、油气层和岩石物理学、石油流体性质、石油地质学、油气井试井、油藏数值模拟及物理化学等学科为理论基础，以数学、计算机科学和经济学等学科为研究工具，用流体渗流规律认识和研究油气藏，用工程手段开发和改造油气藏或油气田，获取油气资源为目的的一门综合性应用技术边缘学科。油藏工程形成于20世纪初期，发展于20世纪中叶，定型于20世纪末期。
油藏工程是研究整个油气藏，以石油勘探为起点，通过地质研究，对油气的储量规模和产能做出评价和经济分析，对开发方案做出设计、实施与监测。油藏工程突出地质研究特点，强化渗流力学基础，聚焦经济效益目标，紧紧围绕储量、产能和效益三大主题展开工作。
1. 石油和天然气的生成
石油的生成，长期以来存在有机和无机两种成因学说。但大部分专家赞同有机成因学说。
无机成因说认为，在地壳深处高温、高压下，石油由无机碳和氢经化学作用而形成。实验室通过无机合成可将简单的碳和氢的化合物合成石油。火山喷出的气体和熔岩流中也含有烃类，许多无机体上也有烃类存在。该学说主要是以在特殊实验条件下可以合成石油的化学反应现象和对地球内部物质的假定为依据的，因而不被大多数学者接受。无机成因说大致包括乙炔说、碳化物说、宇宙说和岩浆说等。
有机成因说认为，现埋藏于地下的油气是在一定条件下由沉积岩中的有机物质转化而来的。古代生物遗骸，其中以水生的鱼类、藻类等浮游生物和各种孔虫、介形虫微生物等富含脂肪、蛋白质、碳水化合物的有机质为主，在浅海、海湾、内陆湖泊等地沉积下来，并被新的沉积物迅速埋藏起来。进人沉积物中的有机物质在缺氧的环境下被保存下来，随着上部沉积物的不断增厚，温度和压力的升高，有机物质便在一定的温度、压力条件和持殊的地质环境下，经过复杂的物理、生物化学变化而进行分解，完成去氧加氢集碳的过程，形成分散的碳氢化合物，最后转变成石油和天然气，其化学组成与物理性质（表1-1、表1-2）。
现代科学理论认为，原始有机物质在一定的环境和条件下被埋藏下来，在一定的深度、温度等适宜条件下，经历了生物化学、热催化、热裂解、高温变质等阶段，陆续转化为石油和天然气。根据成油深度上的差别，有机成因说又可分为浅成说和深成说。
其主要依据是已发现的油气田99％以上分布在沉积岩中，具有复杂的成分和生命有机物质所特有的旋光性，存在有生物标志化合物，可利用生物的脂肪、蛋白质和碳水化合物在实验室获得烃类物质，在近代海相和湖泊相沉积中发现有机物质转化为油气的过程等。
表1-1 石油的化学组成与物理性质
组成元素及所占比例
碳
氢
氧
硫
氮
镍、钒、铁等
微量元素
80%～88%
10%～14%
0.08%～1.82%
0.06%～0.8%
0.02%～1.7%

0.3%～7%
质 量
碳氢含量高且碳/氢值低则油质好
氧、硫、氮含量高则油质较差
存在形式及所占比例
一类是碳氢化合成的烷烃、环烷烃、芳香烃类化合物构成主要成分，以烷烃为主称石蜡基石油，以环烷烃、芳香烃为主称环烃基石油，介于二者之间称中间基石油
另一类是含氧、硫、氮化合物的非烃化合物
80%～99%
高达30%、对产品有害
组 分
油质（淡色粘液体）
碳氢化合物
含量高质量较好
主要成分
胶质（粘性或玻璃状固体）
碳氢化合物
氧硫氮增多，胶质量约1%，渣油的主要成分
为重组分，非碳氢化合物较为集中部分，含量高颜色深，质量差
沥青质（黑色固体）
碳氢化合物更少
含氧硫氮化合物最多
碳质
以碳元素状态存在，称残碳，含量很少
颜 色
呈棕色、褐色或黑色，也有无色透明的凝析油
密 度
0.79～0.95g/cm3，相对密度<1
粘 度
流动时分子间产生的摩擦阻力，粘度小则流动性好
稠 油
在地层条件下测得粘度>50mPa·s（毫帕·秒）、相对密度大于0.92
荧光性
紫外线照射发出的特殊光亮，可鉴定岩样中是否含油
导电性
非导电体，电阻率很高，成为电法测井划分油、气和水层的物理基础
溶解性
溶于有机溶剂，难溶于水，与水形成乳状液，与天然气互溶，溶有天然气的粘度小
凝固点
失去流动性或开始凝固时温度，40℃以上为凝油，石蜡为37～76℃烷烃，淡黄或黄褐色，含蜡少且重组分含量低者凝固点低
我国石油主要特点是含蜡较多，易凝固，油井易结蜡，硫含量低， 镍、氮含量中等，钒含量极少。除个别油田外，原油中汽油馏分较少，渣油占1/3。如大庆原油的主要特点是含蜡量高、凝点高、硫含量低，属低硫石蜡基原油。
表1-2 天然气的化学组成与物理性质、
成分
甲烷（CH4）
乙烷（C2H6）
丙烷（C3H8）
丁烷（C4H10）
少量二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）及氮（N2）、氧（O2）、氢（H2）
达80％以上
含乙烷以上的烃称为重烃，分干气和湿气，干气含甲烷95%以上和5%～l0%以上的重烃，湿气常与油共生，是油田或气田中的气。
形式
气态碳氢化合物为主的可燃混合气体，有汽油味，通常指油田气和气田气
颜色
无色
密度
0.6～1.0g/cm3
粘度
与组成、压力和温度有关
溶解性
溶于水，更溶于石油
2．油气藏的形成
油田工程的直接对象是油气的储集地称为油气藏，可见油气是储存在油气藏之中的，而油气藏又是地下圈闭的一部分，即具有相同压力系统的油气在单一圈闭中的基本聚集。一定数量运移着的油气，由于遮挡物作用，阻止它们继续运移，在储集层聚集起来形成油气藏。油气的生成、运移和聚集是油气藏形成过程中密切相关的三个阶段，而储集层、圈闭构造和油气的运移是油气藏形成不可缺少的条件。目前具有开采价值的油气藏多数为工业性油气藏，国外称商业性油气藏。
地球最外圈层的固体物质部分称为地壳。地壳是由各种各样的岩石构成的，如沉积岩等有些岩石表现为层状的二维特征，而岩浆岩等有些岩石则表现为块状的三维特征。油气是储存在地下岩石之中，但不是所有的地下岩石都能够储存油气。只有那些具备一定的物件条件和构造条件的岩石，才能在特定的时期内储存油气（图10-4）。

图1-155 油气藏示意
油气是在生油气层中形成的，能够生成油气的岩层，称为生油气岩或生油气母岩、生油气源岩。由生油气岩组成的地层为生油气层，是自然界生成油气的实际场所。沉积岩中的泥岩、页岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩和碳酸盐岩等细粒均可组成良好的生油气层。根据岩性不同分泥质生油气岩和碳酸盐岩生油气岩两大类。它们在较宁静的水体中沉积下来，适于生物大量繁殖。有机质沉降到海底、湖底后，被细粒岩石埋藏，有利于保存下来。
生油气层的分布受岩相古地理条件限制，并有规律地出现，与一定的岩相带有关。沉积细粒泥质岩类的较深或深湖相是主要的生油相带，由于水体较深，具有静水沉积、水流弱、波浪小、还原环境等有利的生油条件，大量低等生物繁殖，形成了良好生油气层的基础。而浅海相或潮间低能相带、潮下低能带的碳酸盐和泥质岩层具备良好生油条件，区域深度不大、水体宁静、阳光充足、生物茂盛，岩石富含生物化石和有机质。一般认为，生油气层是那些较厚的暗色粘土质和石灰质的岩层。这种岩层比较致密，生成的油气也比较分散，所以很难形成有开采价值的油层。
油气是能够流动的流体，绝大多数的油气资源都以流体的形式深埋地下。要使油气沿各种通道流动，必须有动力。动力来源主要有压实作用力、构造运动力、水动力、浮力和毛管压力等。在共存水的重力分异和一定压力的作用下，油气流出生油气层，被运移到别的地层即储集层中去。油气在地层内的任何移动都称为油气运移。生油层中生成的油气向储集层内的运移称为初次运移，进入储集层以后的内部运移、沿断层面和裂缝的一切运移称为二次运移。储集层是具有相互连通的大量孔隙、裂隙的空隙空间，可以容纳和储存较多的油气等流体，形成油气聚集，并可在其中流动的岩层。储集层岩石具备两个基本特性是孔隙性和渗透性。世界上绝大部分的油气储量集中在碎屑岩和碳酸盐岩等沉积岩储集层中，只有少量储集在岩浆岩和变质岩中。目前储集层按岩石类型分碎屑岩、碳酸盐岩及其他岩石类储集层三大类。硫松的多孔砂岩、具有裂缝和溶洞的石灰岩等，都是很好的储集层。
油气储存到储集层以后，上面所覆盖的地层属多孔、渗透性地层，或有裂缝、溶洞，或上面没有致密地层覆盖，油气就会发生逸散，跑出地面或流失到其他地层中去，形不成油气藏。所以形成油气藏还需在储集层上部有岩性致密的、无裂缝、不渗透的盖层起封隔作用。盖层是指位于储集层之上能够封隔储集层，避免其中的油气向上逸散的保护层。盖层的好坏直接影响油气在储集层中的聚集和保存。常见盖层岩石一般是致密的粘土层、泥岩、页岩、盐岩、石膏和无水石膏等，而裂缝不发育、致密的泥灰岩和石灰岩也可充当盖层。
除了覆盖层保护油气不跑出外，要使储集层的油气不向四周方向运移而被分散掉，这就需要有一定的圈闭条件，使储油层形成一个整体的封闭系统。油气在生油层形成后呈分散状态，在各种外力作用下，运移到附近的圈闭中聚集起来，形成油气藏。在油气运移进入圈闭之后，首先占据圈闭的最高部位，并把其中的一部分地层水排出。单一圈闭中被油气占据的部分为油气藏，主要由岩石和流体两部分组成。圈闭中只聚集了液态油的为油藏，只聚集了天然气的为气藏，同时聚集油和游离气的则为油气藏。而油气田是指单一局部构造、同一面积内油藏、气藏和油气藏的总和，该局部构造范围内只有油藏称油田，只有气藏称气田，同一油气田可以是一种类型的油气藏，也可是多种类型的油气藏。由于流体的重力作用，同一个圈闭中的流体，轻者在上，重者在下。油气和地层水都是流体物质，它们在圈闭中的分布规律遵循流体力学条件。圈闭由储集层、盖层和遮挡物三部分组成，是能够阻止油气继续运移，并储集遮挡油气使其聚集的场所，其基本功能就是聚集油气。油气在圈闭中聚集成为油气藏的过程称为油气聚集，是油气生成、运移以及储集层和圈闭构造等多种因素有机配合的结果。在具备充足油气源的前提下，圈闭的存在是形成油气藏的必要条件。圈闭按控制形成的地质因素分构造、地层和岩性圈闭三大类。
综上所述，油气藏形成的地质条件主要包括生油气层（源岩）、油气生成、油气运移、储集层、盖层、圈闭和保存条件等，才能够形成的油气藏。生油气层中生成的油气能够及时地运移到储集层中，良好的储集层是油气运移、聚集的基本条件。要形成油气藏还必须具有通向生油气层的输导层和良好的封盖层。盖层的质量和厚度能保证运移到储集层的油气不逸散。因此，油气藏的形成可概括为油气的生成、运移、聚集和保存四个过程，具备良好的生油层、储集层、盖层和保护层组合四个必要条件，简称生、储、盖和保四要素。
3．油气藏的类型
（1）按日产量大小分：高产、中产、低产和非工业性油气藏等。
（2）按形态分：层状、块状和不规则的油气藏等。背斜油气藏属于层状，古潜山油气藏属于块状，断层、地层和岩性油气藏属于不规则的。
（3）按烃类组成分：油、油气、气和凝析气藏等。烃类在高温高压的地层条件下以气态存在，开采时到达地面后成为凝析油，这种气藏称为凝析（油）气藏。
（4）按圈闭成因分：构造、地层和岩性油气藏等。由构造运动使地层变形或变位所形成的油气聚集圈闭为构造油气藏。由地层超覆或不整合覆盖而形成的油气聚集圈闭为地层油气藏。由沉积条件改变导致储集层岩性横向变化而形成的油气聚集圈闭为岩性油气藏。储集层岩石为砂岩的为砂岩油气藏，为碳酸盐岩的则为碳酸盐岩油气藏。
油气藏命名时，一般都把孔隙特性放在首位，其次为岩性、圈闭和接触关系，流体性质放在最后。例如孔隙型砂岩背斜边水稠油油藏，油藏名称清晰地反映出了油气藏的主要特征。
四、石油管道工程
管道工程与石油工业的发展密切相关，现代管道工程始于19世纪中叶。1865年美国宾夕法尼亚州建成直径50mm、长9km的第一条输油管道。随着二战后石油工业的发展，管道建设也进入了一个新的阶段，各产油国竞相开始兴建大量油气管道。然而快速发展则是从20世纪开始的。20世纪60年代，输油管道的发展趋向大管径、长距离，并逐渐建成成品油输送的管网系统。同时，也开始用管道输送煤浆。目前，全球管道运输承担包括原油、成品油、天然气、油田伴生气和煤浆等能源物资的运输。近年来管道运输也用于解决散状与集装物料、成件货物的运输，以及发展容器式管道输送系统。
我国在公元前的秦汉时代，已经用竹子输送卤水和天然气，是最早使用管子输送液体的国家。1957年在新疆建设了第一条长147km、管径150 mm的克拉玛依到独山子的输油管道，而58年在四川建成了第一条长20km，管径159mm的原料天然气输气管道。后来形成了整个四川长输管道以及相应的天然气处理和集输系统工程。70年代随着油气资源的开发，大庆、辽河、华北、胜利、大港、中原等油田相继建成了一批向城市供气的长距离输油气管道。目前油气长输管道系统已具一定规模，遍及全国各地。
上游的勘探开发和下游的炼制加工与销售，与中游的管道运输，才构成一个完整的产业链。众所周知，开发的油气田大多远离消费地区，必须解决油气外运问题。目前我国原油和成品油的运输方式主要是管道输送，其次有铁路、公路和水运，包括管道、铁路罐车、汽车罐车、油轮和驳船等，