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1、第二讲 大位移井钻井技术 (Extended- Reach Drilling ERD),主要内容,大位移井的分类和基本概念 大位移井的特点及用途 大位移井的发展状况 大位移井的关键技术 大位移井的设备及工具,一. 大位移井的分类和定义,大位移井分浅层大位移井和深层大位移井。 美国、加拿大都打过一些浅层大位移井。水平位移1000多米，但垂深只有200米左右。使用斜井钻机甚至修井机打的。 深层大位移井，必须使用钻井的高技术。目前说的大位移井主要指的是深层大位移井。 大位移井的定义，没有统一标准，且是个发展概念。 初期认为有两个条件：水平位移超过3000米；平垂比大于1 ， 后提出水平位移超过300
2、0米；平垂比大于2 。,定义的界限：主要反映了技术难度。大位移井技术是在水平井技术基础上发展起来的，是当代定向井钻井技术的新的高度，新的里程碑。 目前国外的大位移井水平位移远远大于3000米；平垂比也远远大于2.,水平位移,水平位移/垂深2,垂 深,造斜点,大位移井的定义,大位移延伸井(Extended reach well) ：水平位移与垂深之比大于或等于2的(水平位移超过3000米的)井,平垂比大于3的称为特大位移井。,二、大位移井的特点及用途 大位移井是在定向井、水平井和深井钻井技术的基础上发展起来的一种新型钻井技术。它集中了定向井、水平井和超深井的所有技术难点。目前，大位移井在世界范围
3、内广为应用。,二. 大位移井的特点及用途,大位移井的主要用途是油藏所在的地球表面上: 难以建立钻井井场， 建立井场需要花费很大代价， 从距离很远的已有的陆上钻井井场或水上钻井平台上向该油藏钻探井或开发井。,1、大位移井的主要特点： 一是水平位移大，能较大范围地控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少陆地及海上钻井的平台数量； 二是钻穿油层的井段长，可以使油藏的泄油面积增大，可以大幅度提高单井产量。,2、大位移井的主要用途 （1）用大位移井开发海上油气田 从钻井平台上钻大位移井，可减少布井数量，减少钻井投资。 （2）用大位移井开发近海油气田 以前开发近海油气田要求建人工岛或固定式钻井平台，现
4、在凡距海岸10公里左右的油气田均可从陆地钻大位移井进行开发。,减少海洋钻井平台的数量,滩涂油田的开发。,在潮汐和滩涂地带钻井船和陆上钻机都不能到达。,海油陆探、海油陆采,(3)开发不同类型的油气田 -小断块油气田，或几个不相连的小断块油气田； -几个油气田不在同一深度，方位也不一样，可采用多目标三维大位移井开发。,（4）用大位移井代替海底井 不用海底设备，节省大量投资。 （5）保护环境 可在环境保护要求低的地区用大位移井开发环境保护要求高的地区的 油气田。,三、大位移井的发展状况 大位移井始于本世纪20年代，由于当时的技术限制，大位移井钻井技术发展缓慢。进入80年代后半期，随着相应的科学技术和
5、其它钻井技术的发展，如水平井、超深井钻井技术等，大位移井钻井技术才迅速发展起来。,1. 新纪录，新进展,新进展： 1995-1997年水平位移由8035米增大到8062米； 1997-1999年水平位移有8062米增大到10725米。 我国XJ24-3-A14井在1997年是第一，而1999年变成了第六。,1）垂深与水平位移之比最大的是C-30定向井，水平位移为1485米，总垂深为294米，垂深与水平位移之比达1：5.05。 2）水平位移最大的井是M-11井，其水平位移达到10141米。 到99年水平位移已达10728米，是M16SPZ井,C-30,M-11,1. 新纪录，新进展,这是 199
6、8年创记录的M11井。打了两个井眼：M-11Z,井深9688米，然后侧钻打了M-11Y,井深10658米，水平位移达10114米。 水平段的长度达到4900米以上。 9-1/2“套管下到8881米。,1. 新纪录，新进展,新记录： 这是在99年，英国BP Amoco公司在英国Wytch Farm 油田打的一口大位移井，创造了新记录： 水平位移世界第一，10728米； 全井井深世界第二(世界最深油气井)，11278米； 旋转导向钻井系统PowerDrive，8-1/2”钻头打到底。 钻井及固井，共123天。,1. 新纪录，新进展,2. 新挑战,新挑战：大位移；大平垂比；,1.新挑战,澳大利亚正在
7、计划大15000米的水平位移井； 英国正在计划大16000米的水平位移井。,在国内， 97年，中国海洋石油总公司与美国菲立普石油公司合作在南海东部完成了当时世界上水平位移最长的大位移定向井，西江南4-3-A14井，完钻井深达9283米，垂深2985米，水平位移8062.7米，垂深与水平位移之比达到1：2.7。,97年在我国的南海东部，菲利浦斯公司完成的西江24-3-A14井完钻井深达9238米，垂深2985米，水平位移8062.7米，垂深与位移比1:2.7。,西江24-3海上平台,西江24-1边际油田,一次性投资2300万美元，节约了1400万美元。,大港油田96年采用电动钻机和顶部驱动系统完
8、成的QK18-1井，实钻井深4408米，水平位移2666米，是2000年前国内独立完成的水平位移最大的陆上油井。到 2001年，胜利油田和大港油田分别超过了3200米的水平位移。到2006年1月,大港油田完成了一口水平位移超过4100米的水平井.,桩 314 井,完钻井深：3750米 完钻垂深：2632.44米， 水平位移：2051.55米，,郭斜11井,完钻井深：2432米 完钻垂深：1400米 水平位移：1626.22米 垂深与水平位移之比：1：1.161,垂深与水平位移之比是当时国内最大的,国外六口大位移井的技术指标及钻井情况,四、大位移井的关键技术 1、减小管柱的摩阻摩扭技术 2、测量
9、与轨迹控制技术 3、井眼清洁技术 4、井眼稳定技术,1、减小管柱的摩阻摩扭 在大位移井钻井过程中，由于钻具与井壁的摩擦产生摩阻，使井眼沿水平方向的位移受到限制，这种摩阻是钻具的静重与起下钻动载荷的差值，而我们所说的扭矩是转盘施加的扭矩与钻头扭矩的差值。钻井过程中摩阻和扭矩往往同时存在，所以克服摩阻和扭矩成为钻大位移井的关键。,(1). 管柱的摩阻摩扭问题,管柱的摩阻摩扭问题是大位移井技术的头号问题。给钻井带来的问题： 钻柱起钻负荷很大，下钻阻力很大； 滑动钻进时加不上钻压，钻速很低； 旋转钻进时扭矩很大，导致钻柱强度破坏； 钻柱与套管摩擦，套管磨损严重，甚至磨穿； 套管下入困难，甚至下不到底；
10、 导致严重的粘滑振动(Stick/Slip Vibration);,(1). 管柱的摩阻摩扭问题,解决起下钻摩阻问题的方法： 使用顶部驱动，起下钻时可适当旋转钻柱，改变摩阻方向(倒划眼时要特别谨慎)； 改善泥浆的润滑性 优化井眼轨道形状，减小摩阻； 国外用悬链线轨道或准悬链线； 提高造斜点，降低造斜率； 控制稳斜角：K=ATN(1/) ；,大位移井轨道设计问题,大位移井轨道形状选择： 原则：消耗较少垂深，得到较多位移； 三段式形状最适合； 轨道优化设计原则： 摩阻、摩扭最小； 井段长度最小； 考虑最难度最大的工况；,大位移井的轨道设计,大位移井轨道设计研究，国内外都很重视。 英国BP 公司在W
11、ytch Farm油田上用悬链线或准悬链线。 设计方法：增斜段的曲率是变化的，开始的曲率11.5/30米，最后增到2.5/30米。曲率增加的方式是连续的，每400米曲率增加0.5/30米。 据说这种曲线可使套管可下重量增加2527%。 这实际上是一种恒变增曲率曲线。,大位移井轨道设计,增斜段曲线形状： 曲率不变：圆弧曲线； 曲率由小变大： 二次抛物线； 悬链线； 修正悬链线； 恒增变曲率曲线 椭圆曲线,曲率由大变小： 侧位二次抛物线； 侧位悬链线； 侧位修正悬链线； 恒降变曲率曲线； 椭圆曲线； 摆线,大位移井轨道设计,正位悬链线,侧位悬链线,大位移井轨道设计问题 （悬链线轨道）,给定设计条件
12、： 目标点t 的垂深 D 目标点t 的水平位移 S 造斜点垂深 Da,解决滑动钻进加不上钻压问题,采用滑动导向钻井系统，尽可能旋转钻柱。 需要定向时用滑动钻进方式； 不需要定向时用旋转钻进方式； 采用动力钻具压差载荷加压； 采用液力加压器加压； 开发先进的旋转导向钻井系统，彻底抛弃滑动钻进方式；,（2）管柱的扭矩变化,在旋转条件下，随着井斜角的增大，钻柱的拉力将减小，而扭矩将增大。,（2） 管柱的扭矩变化,实现钻杆接头的应力平衡： 以NC-50 为例，当公接头内径为3-3/4“时， 若上扣扭矩为30千磅英尺，则承拉能力为200千磅； 若上扣扭矩为25千磅英尺，则承拉能力为450千磅； 扭矩增大
13、抗拉强度降低。,解决钻柱旋转扭矩主要方法：,提高钻杆的抗扭能力。 使用高抗扭的螺纹脂；据说可提高抗扭27%； 采用高扭矩的螺纹联接 多级螺纹或多级台肩，可增大扭矩； 采用高强度钻杆： 铝合金、钛合金钻杆等，重量小，强度高； 实现钻杆接头的应力平衡： 高强度钻杆的接头抗扭强度，低于管体；采取增大上扣扭矩，牺牲抗拉强度，增大抗扭强度，使钻杆适应高扭矩的需要。,（3）管柱的摩损,解决套管磨损问题 一种方法是在钻杆上带胶皮护箍 据说在大位移井中，橡胶护箍很快就被破坏； 改变钻杆接头表面上的铠装材料，既有较高的耐磨性，又可减小对套管的磨损； 在钻杆上加非旋转钻杆保护器 象个扶正器，不随钻杆旋转。与套管之
14、间不旋转，所以不磨套管；但与钻杆之间有相对旋转； 这是目前最有效的方法。,XJ24-3-a14井对 套管磨损问题的解决,特别在弯曲井段，钻柱以很大的正压力作用于套管壁，在旋转时引起套管磨损。 采用了“非旋转钻杆保护器”（NRDPP Non-Rotating Drill Pipe Protector）。在套管保护段，每根钻杆单根加一个。这样在NRDPP与套管之间是不旋转的，代之以NRDPP与钻杆之间的旋转。,未使用NRDPP时，泥浆出口捞出大量铁屑，而且逐日增加。（三天，150克，270克，750克）据说最多一天可捞出3.7公斤。使用NRDPP之后，铁屑大量减少。（三天，260克，85克，65克
15、）。而且，钻柱的摩扭大大减小。在可比的情况下，使用前摩扭为22000英尺磅，使用后为1200017000英尺磅。,（4）管柱的摩阻,解决套管下入问题 采用滚轮式套管扶正器； 使套管与井壁之间有滑动摩擦，变成滚动摩擦； 采用漂浮法下套管 漂浮接箍以下的套管内是空的，没有钻井液； 漂浮接箍的位置需要仔细计算；要考虑套管的抗挤 强度问题； 在下套管过程中不能循环泥浆； 利用顶部驱动的重力；,XJ24-3-a14井对 套管下入问题的解决,钻柱下不去，可用顶部驱动旋转起来下入。套管由于丝扣问题，不能承受大的扭矩。所以下套管是大位移井最大的难题。这口井采取了两个主要技术： 带轴向滚柱的套管扶正器。将套管与
16、井壁之间的轴向滑动摩擦，变成了轴向滚动摩擦。,XJ24-3-a14井对 套管下入问题的解决,第二项技术是：套管漂浮技术。一个漂浮接箍可使一段套管中空。从而减小对井壁的正压力。,XJ24-3-a14井对 套管下入问题的解决,套管漂浮接箍的工作原理：a. 漂浮状态，隔开上下；b. 压力剪断上销钉，打开循环孔；c. 剪断下销钉，下行碰压。,（5）管柱的粘滑振动,解决钻柱的粘滑振动问题 类似于“蹩钻”。 蹩钻是钻头上扭矩的剧烈变化引起的；粘滑振动是钻柱上摩阻扭矩的剧烈变化引起的。 危害是：钻速降低，钻头寿命降低，钻柱的强度安全系数降低，钻进能力降低； 粘滑振动还会激发起钻柱的其他振动，特别是横向振动，危害也很大。 采用旋转回馈系统，有的称为软扭矩系统。 国外已经有产品，是荷兰人研究的； 我国应早研究解决。石油大学已经
