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1、大位移井钻井技术大位移井钻井技术 现代钻井技术系列讲座 周广陈 中国石油大学石油工程学院 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内广为应用。 主要内容 大位移井的基本概念 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 结束语 一、大位移井的概念(Extended Reach Well ) 国际上普遍采用的定义：井的水平位移与垂深之比等于2 或大于2的井称为大位移井。 水平位移 造斜点水平位移/垂深2 垂 深 二、大位移井的特点及用途 1、大位移井的主要特点 一是水平
2、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、大位移井的用途 A 、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，减少井投资。 B、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，现在凡距 海岸10公里左右油气田均可从陆地钻大位移井进行开发。 滩涂油气田 海油陆探 海油陆采 不需要复杂的海底井 不需要海底集输管线 C、开发不同类型的油气田 *几个互不连通的小断块油气田； *几个油气田不在同一深度，方位也不一样，可采用多目
3、标三维大位移 井开发。 D、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 大位移井始于上世纪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。 国外情况 （98年的记录） 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M-11井，水平位移10114米。 1999年 英国北海的M-16SPZM-16SPZ井，其水
4、平位移达到井，其水平位移达到1072810728米米, ,平垂比大平垂比大6.7. 6.7. 全井井深世界第二(世界最深油气井)，11278米；钻井及固井，共 123天。 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。 国内情况 1997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，平垂 比2.7。 我国进行大位移井钻 井起步较晚,但发展速度 较快，已日趋成熟。 四、大位移井的关键技术四、大位移井的关键技术 1、管柱的摩阻和扭矩 2、钻柱设计 3、轨道设计
5、 4、井壁稳定 5、井眼清洗 6、固井完井 7、轨迹控制 （一）管柱的摩阻和扭矩 钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而摩阻和扭矩增大 是非常突出的问题，它是限制位移增加的主要因素。 减小管柱扭矩和摩阻的措施 为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井 的设计与施 工中要采取各种必要的措施。 (1) 优化井身剖面 (2) 选择管柱摩阻最小的井身剖面。 (2) 增强钻井液的润滑性 许多大位移井采用油基钻井液，油水比越大，钻井液的润滑性越 好。 (3) 优化钻柱设计 底部钻具组合可少用钻铤，而使用高强度加重杆。 (4) 使用降扭矩工具 使用不转动的钻杆护箍可有效地减小扭矩。 （5）使用滚轮
6、式套管扶正器 使常规的滑动摩擦变为滚动摩擦。 （6）漂浮法下套管 国外应用漂浮法下套管技术，可降低套管的摩阻。这种技术 的原理是在套管内全部或部分地充满空气，通过降低套管在井 内的重量来降低套管的摩阻。用的较多的是部分充气，这种方 法可使套管的法向力大大降低。 （7）提高地面设备的功率 （8）使用顶部驱动系统 （二）钻柱设计 钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大位移井中 一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。对底部钻具组合 （BHA），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大 位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应使底部钻具组合 的尺寸尽量减小。 钻柱设计应考虑的因素 （
7、1） 尽量减小压差卡钻的可能性； （2）使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减小钻 柱与 井壁之间的接触面积； （3）尽量减少丝扣连接的数量； （4）采用井下可调稳定器； （5）尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量 ； （6）选用高强度钻杆，使之具有足够的抗扭转力和抗磨能力 ； （7）给钻头施压时尽量不使钻杆发生弯曲。 （三）大位移井轨道设计 1、 轨道设计的原则 大位移井轨道设计，要求对所有参数进行优化，尽量降低井眼对 管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和测量工具的下入能力，并能尽量增大 大位移井的延伸距离。 国外大位移井井身剖面的主要类型： （1）增斜 稳斜剖面 这种剖面的造斜率低，井斜角
8、及测深增 幅缓慢，但可降低钻柱的扭矩、摩阻和套管的磨损。 （2）小曲率造斜剖面 这种剖面的特点是造斜点较深，井斜角 大，能降低 扭矩和摩阻，而且随目标深度的增加，旋转扭矩的增幅 较小。 （3）准悬链线剖面 准悬链线剖面有许多优点，它不但对管柱的扭矩和摩 阻低（钻柱与井壁之间的接触力近似为零），而且使套管 的下入重量增加。目前这种剖面在大位移井中广为应用。 石油大学的韩志勇教授在准悬链线剖面的基础上提出 了侧位悬链线剖面的设计方法，这种剖面比准悬链线剖面 的扭矩和摩阻小。 (四)大位移井的井壁稳定问题 大位移井的井壁不稳定性 1、影响大位移井井壁稳定的因素 （1）狭窄的钻井液密度范围 一般来讲，
9、当井眼倾角增加时，钻井液要提供足够大的压力来 防止井壁坍塌。与此同时，井壁出现裂缝的可能性也增加了。简 言之，防止井壁坍塌的钻井液密度范围较小。 （2）当量循环密度高（ECD） 大位移井井眼长，钻井液循环时环空压降大，而钻井液密度工 作范围窄，高的当量循环密度容易达到井壁的破裂压力，而使井 壁破裂。 （3）抽吸压力和激动压力 在大位移井中，由于狭窄的钻井液密度范围，井壁对抽吸 压力和激动压力相当敏感，可能导至井壁坍塌或破裂。 （4）时间关系 井壁在低密度泥浆中长期侵泡，特别是水基钻井液的情况 下，非稳定性尤为明显，常常会造成许多井下事故。 （5）化学反应 钻井液和地层间的化学作用也影响井壁稳定
10、性，水基钻井 液和油层上部的泥页岩经常发生强化学反应，泥页岩膨胀， 造成缩径或井壁坍塌。 2、井壁稳定性机理 （1）井眼（井壁）应力 原始地应力分为三项主应力，即上复应力Sv（亦称最大主应力）、最 大水平应力SH和最小水平应力Sh ，如下图a。 打开井眼之后，原始地应力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井 眼轴线的应力SZ 、周向应力S 和径向应力S R ， 如下图b。 ab Sv Sh SH SZ SR S （2）岩石的破坏 1）压缩破坏 当作用于岩石上的压力大于岩石的抗压强度时 产生 压缩破坏。 2）拉伸破坏 当作用于岩石的拉力大于岩石的抗拉强度时产 生拉 伸破 坏。 (岩石力学规定 压应力
11、为正，拉伸应力为负。) （3）岩石的破坏在井筒内的表现形式 1）岩石的压缩破坏在井筒内表现为井壁坍塌。 2）岩石的拉伸破坏在井筒内表现为井壁破裂。 （4）大位移井井眼的不稳定性 随着井斜的增加，井壁的不稳定性增加。井眼由垂直变为水 平，其应力状态的变化如下图 在正常压实地层，SH= Sh ，Sv SH 。 Sv Sh SH Sv Sh SH S 在井眼某深度，原地应力是固定的，井壁的周向应力 S沿周边位 置变化，其大小也发生变化，且必然存在Smin和Smam，这就导致井壁 有破裂和坍塌的可能。 井壁破裂（拉伸破坏） 井壁破裂与Smin有关。研究表明，在斜井中，随着井斜的增加， Smin减小，并
12、趋于拉应力状态，当拉伸应力Smin超过岩石的抗张强度时 ，岩石发生破裂。 对直井 Smin= 2 SH - PW - PP （1） 对水平井 Smin= 3SH SV - PW - PP （2） 式中 PW 钻井液柱压力； PP 地层孔隙压力。 对比式（1）和（2），3SH SV总是小于2 SH ，所以水平井中的 Smin 总是小于直井中的Smin ，更具有拉伸性。 井壁坍塌（压缩破坏） 井壁坍塌与Smax 有关。研究表明，在斜井中，随着井斜的增加 ，Smax 也增加，且更趋于压应力状态，当Smax 的值超过岩石的抗 压强度时，岩石发生压缩破坏，即井壁坍塌。 对直井 Smax= 2 SH -
13、PW - PP （3） 对水平井 Smax= 3Sv SH - PW - PP （4） 同样，水平井的Smax 总是大于直井的Smax ，更容易发生井壁 坍塌。 （五）大位移井的井眼的清洗 大位移井同其它类型 井一样，好的井眼清洗和净化，有利 于提高钻速、降低摩阻和扭矩、缩短作业时间、节省钻井费用等 。 提高井眼清洗效率的措施 （1） 高泵排量和环空返速都有利于井眼净化 通常要用井眼净化模型来计算井眼净化的最小排量和最优钻 井液流变性。大排量可以提高钻井液的流速，增加携岩能力。然 而，大排量需要高的泵压，在大位移井中，泵压可能会受到限制 。为使钻井液以紊流循环，可以增大钻杆尺寸来增加给定泵压下
14、 的环空返速。 （2）钻井液的流变性 良好的钻井液流变性对任何类型的井都非常重要，对大位移 井 更是如此。要保证钻井液的流型为层流或紊流，避免过渡流，因 为 过渡流的携岩能力差。在砂岩油层井段可能会发生漏失，钻井液 流 变性应保持较低值，以降低当量循环密度。 （3）钻具转动 由于大位移井的位移不断增加，井眼的最优排量难以达到，这 就 需要其它的井眼净化技术，如提高转盘旋转速度和倒划眼。 （4）固相控制 在大位移井中，钻屑将在环空钻井液中长期滞留，使钻屑变的 更 细，更难以携带，如要钻井液保持良好状态，就必须有良好的固 相 控制设备。 （六）大位移井的固井 、完井技术 在大位移井的固井、完井中，
15、套管的摩阻和磨损是个严重的问 题。套管磨损使套管的强度降低，套管摩阻会使套管难以下入到设 计井深、造成卡套管或井壁坍塌等问题。特别是在井眼曲率较小的 造斜段，套管的联接部分需要有较高的抗弯能力，而且在下套管作 业中，联接部分要求有足够的抗拉强度。 1、 井身结构设计 井身结构设计要考虑以下几个问题 l 井身结构必须满足完井设计要求。 l 生产井段的井眼应尽可能大，以利于随钻测井工具的下入。 l 井身结构不能防碍优质固井。 2、套管柱的联结 （1）套管丝扣接头要相互楔牢，以防套管柱通过弯曲井段时脱扣 。 （2）生产管柱的接头应有足够的抗扭强度，以允许注水泥时套管 柱 旋转。 （3）如果生产管柱是
16、原始压力容器，其接头应该是密封的。 3、在大斜度井眼中下套管 在大斜度井中下套管，使套管下入的动力（套管自重）本来就很 小，而且还要用来克服阻力，所以要在地面采取有效措施，帮助管 柱下入。采取的主要措施有： 接钻铤，靠钻铤的重量将管柱推进；或靠顶驱的重量将管柱推进 ； 用滚轮式套管扶正器；调整泥浆性能，减小摩阻； 在套管内充填轻流体或气体，以减小摩阻。 4、 注水泥考虑的问题 由于大位移井的井壁应力，使钻井液密度工作范围狭窄，下套管时 的激动压力和注水泥时的循环压降容易引起井壁破裂，发生循环漏失 ，所以要特别注意钻井液、前置液和水泥浆的特性。 l 下套管前要部分地稀释钻井液，以防下套管引起过大的激动压力； 注水泥前要彻底稀释钻井液，以防注水泥时的循环压降过高。 l 最好使用非加重前置液，这样可降低ECD，但要注意井壁稳定问题 。在保证井内静液柱压力的前
