水平井井身剖面设计

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1、水平井设计水平井设计所谓水平井，是指最大井斜角一般不小于86 且在产层内横向钻进的特殊形 式的油气井。水平井技术是 80 年代钻井、完井技术的重大成就之一。水平井不仅可以应 用于开发低渗透率裂缝性油气藏，进行二次完井开发成熟油田或枯竭油藏，解决 或缓解底水或气顶油藏的锥进问题，开发薄油层。进行蒸气驱油开发重油油藏和 提高聚合物驱油采收率等，而且可应用于勘探开发常规油气田，显著地增加产量， 大幅度地提高勘探开发的综合经济效益。水平井设计涉及的范围很广，主要包括油藏工程、地质构造、井身结构、 井身剖面、钻具组合、钻井参数、钻井液、完井液、固井与完井、测井和钻井成 本分析等。本文主要讲述水平井井身剖

2、面设计的一些基本方法。一、水平井井位的确定：所谓水平井井位主要指水平井段在油藏中的具体位置。因此，水平井井位 确定的科学性决定着水平井的经济性。水平井井位确定是在地质描述、地震探测、邻井分析、油藏模拟、经济分 析基础上进行的。其中重点部分是油藏模拟和经济分析，只有这样方能使水平井 钻到适合钻水平井的油藏上的有利部位，从而获得显著的经济效益。(一) 适合钻水平井的典型油藏有以下七种类型：1) 垂向渗透率高的薄油层(层厚小于6 m)；2) 存在气锥或水锥问题的油藏；3) 天然裂缝性油藏；4) 近海油藏；5) 用常规技术很难压裂的油藏；6) 地面钻井受到限制的地区；7) 稠油油藏。(二) 水平井井位

3、选择的基本准则：1) 进行油藏横向描述研究；2) 进行油藏筛选模拟研究；3) 评估水平井优越性；4) 水平井综合经济分析。(三) 水平井井位选择中需要注意的几个问题：1) 在适合钻水平井的油藏中水平井不一定能够获得好效益；2) 裂缝性油藏对水平井井位选择的影响3) 低渗透油藏对水平井井位选择的影响4) 薄油藏对水平井井位选择的影响5) 稠油油藏对水平井井位选择的影响6) 水气锥进油藏对水平井井位选择的影响7) 钻经地层特性对水平井井位选择的影响8) 目的层严重不均质对水平井井位选择的影响(四) 科学选择水平井井位的基本对策：1) 积极组织与开展水平井油藏描述和油藏模拟研究，使水平井钻到能获得

4、较高产量的油藏；2) 积极组织钻井开采工艺技术的研究，使水平井不仅能顺利钻成，而且能 及时投产，以便充分发挥出水平井的效益；3) 积极组织与开展水平井综合经济效益分析的研究，使水平井钻到能获得较高产量，又能使钻井和开发投资相对较低的油藏上，以便缩短资金回收期， 从而使水平井获得显著的经济效益；4) 组织水平井综合研究与施工机构。二、不同类型水平井的工艺特点水平井的类型不同，所用的钻井技术、测井、固井、完井等技术也不尽相同。下面表1列出了各种曲率半径水平井钻井方法的特点。分支水平井是从垂直井眼侧钻的水平或近似水平的井筒。就其曲率半径而言，它应属于小曲率半径水平井的范畴。水平分支井又可分成四种情况

5、：1) 先钻成大斜度主井筒(个别情况下也钻成水平井)，然后从适当位置(一 般是以目的层考虑，多选在大斜度或水平井段)侧钻分支井筒。侧钻分支井筒可 以有多个，其中有些不一定完全水平。表1水平钻井方法一览表特性造斜曲率高低中造斜半径（m）9.0914.03687.0典型造斜率（/30m）心2002520钻到水平井（m）13.71432.0579.0137.0水平长度（潜在勧）（m）2131220 915钻井装置及工具非常特殊的转动装置常规的转动和马达装置近似常规的转动和马达装置钻井作业非常特殊常规近似常规每m水平段耗资（与垂直m相比）非常高，由于专用工具和作业非常高，由于造斜部分太长有点高，由于M

6、WD和马达操作勘测抽油杆输送MWD和泵送MWD和泵送方向控制造斜器一开始定目标用马达控制用马达控制裸眼井测井没有钻杆输送最终钻杆输送用现有井可以也许不可行可以水平井固井不行可以可以准确找到薄地层可以也许可行但不容易可以预钻和测井目标层是，经常做可能，但不经济是2）先钻垂直主井筒至生产层底部，再从井底以上适当位置向四周钻一、两 个或多个分支筒（其中有些不一定达到水平）。或者，钻垂直井至生产层顶部或 稍高处，然后分岔。亦可利用旧井侧钻分支水平井筒。国外为达到各种目的而利 用旧井侧钻的情况相当普遍，在全部分支水平井中占有很大比例。3）钻深达2500m的分支水平井，这是一种水平井段长达1000m,有着

7、众多 的分支井筒的巨大工程，一口井就可以控制一大片油藏空间。而且，这种向四面 八方钻分支井筒的方法可以在丛式钻井中应用。4）先钻一垂直中心井，然后由中心井向四周钻水平段后再上翘钻出地面， 或者，从四周钻水平井与中心井连通。也可以利用油田原有旧井作中心井，它专 用来采油，而各种增产措施在四周水平井筒内进行。常规水平井的最大总井深达4335m，最大水平位移达1500m，产层内井段 长度超过1100m,浅水平井的水平位移与垂直井深比值最大达3.19,在油层内井 眼轨迹最高控制精度为3m以内。苏联的水平钻井技术主要表现在钻水平分支井方面，也就是说，其水平井 绝大多数是分支水平井。为了在业已枯竭的老油田

8、获取新的储量和提高采收率， 为了对付低渗透性或非均质生产层，在许多油田采取了分支水平钻井的方法，以 求最大开发利润。仅据1976 年有关资料统计，在苏联各采油区，单是有着510 个长达80300m的大斜度和水平分支井筒的这类井就钻了 100余口，至于那些 只有13个分支井筒，或者分支井筒长度仅三、五十米的这类井，就多得难以计 数了。随着水平分支井钻井技术的发展，现在可以钻工程巨大的分支水平井。三、水平井设计的特点水平井设计主要有以下基本特点：1）钻井参数以井眼轨迹控制为设计准则。例如：钻压不是以最高钻速为设 计原则，而是必须以方位漂移最小有利于井斜控制进行合理设计。2）水力参数设计以发挥工具能

9、力和井眼净化为依据。例如：排量一般以最 大排量进行设计，以便携带岩屑，并不要求采用钻头水功率占总功率的2/3为最 佳的原则。另外，排量还需遵循满足动力钻具和MWD要求。3）钻柱设计一则要满足强度要求，二则要采用倒装钻具。4）钻井液设计主要考虑良好的携砂性和井眼稳定，以及油层保护和轨迹控 制的需要。5）井身结构设计要有利于安全施工、轨迹控制和保护油层。6）井身剖面设计要以现有工具和技术为条件，要以经济施工为重点。7）要选择大钩负荷能力、立柱盒容纳能力、钻井液净化能力和泵排量、泵 压能力能满足水平井施工要求的钻井设备。四、水平井设计应考虑的因素与普通定向井不同，水平井要横穿目的层，设计中需要考虑更

10、多的影响因素。其主要相关因素有以下几方面。（一）油藏特性（1）有底水或气顶情况的油藏。这类油藏要防止水锥或气锥，水平井段尽可能远离油水界面或油气界面， 沿油层上部或下部水平延伸。在底水和气顶同时存在的油藏中，也应以尽可能减 少水锥和气锥速度为原则选定水平井段的适当轨迹。（2）有垂直裂缝的油气藏。水平井段的方位应与垂直裂缝带走向相交， 应尽可能钻穿更多的垂直裂缝带。（3）多层系油、气藏。根据油藏特点和开发要求也可钻穿几组油气藏，成 为水平多目标井。（4）老井侧钻的情况。设计时应注意产层内大斜度和水平段要避开老井的 水淹区，以便水平井生产时含水率尽可能降低，并减低水锥进度。（5）热采稠油情况。在稠

11、油油藏打水平井除具有井眼直径大等特点外，在 生产井附近还要打一口加热井（注蒸气井）。这两口井之间的间距精度要求很高， 它们之间的距离有时只有3m。设计时一定要注意水平段的井身轨迹。（6）井眼轨迹精度选择原则。油气藏的具体条件不同，水平井眼轨迹的精 度要求也有很大区别。其选择原则就是依油气层的厚度不同而不同。此外，对水 平井钻入油气层的位置，设计中要严格要求。（7）产层的几何形状。由于水平井眼轨迹精度要求高，特别是要求沿产层 顶部狭小的厚度范围内水平延伸钻进时，设计之前如产层空间形态不详，有时就 会钻偏。这说明在一些特殊情况下，水平井设计之前需进行特别详细的地质环境 调研，仅根据邻井资料进行设计

12、是不足的。（二）井眼尺寸水平井的井眼直径各不相同，最大的油层井眼直径达9-5/8，最小的产层 井眼直径只有3-3/8。水平井井眼直径的大小应根据油层的具体情况而定。井 眼直径对有些油质的产层有很大影响，而对另一些油质的油层影响很小。另一方面，井眼直径的选择还应考虑完井方法及工艺、钻井成本等因素。 井眼大，成本就高。所以，井眼直径的选择应该是在满足钻井和采油生产要求的 前提下使成本最低。（三）垂直剖面 水平井垂直剖面有两种基本类型：一是小水平位移的“丁”型剖面，另一 种是大水平位移剖面。小水平位移剖面包括三部分：垂直井眼、由0。造斜至90。 左右的造斜段和水平段。大水平位移剖面有四部分：垂直段、

13、第一次造斜段、稳 斜段、第二次造斜段和水平段。水平井垂直剖面类型依据具体地下条件进行选择。当不要求水平井在钻入 产层时有大水平位移时采用“丁”型剖面。这两种类型的水平井造斜率都是比较均匀的，这对于顺利造斜是有利的。 由于有了特殊的导向马达、 MWD 系统、计算机数据处理技术及新型的 PDC 钻 头组成的连续监控井眼轨迹的技术系统，故可以容易而准确地控制井身轨迹。从 而有把握实现造斜率均匀一致的设计要求。在水平井垂直剖面中又出现了一种大水平位移剖面的变种。这种剖面的特 点是在井口有一定的斜角。这种剖面省去了垂直井段和第一造斜段。采用井口倾 斜的办法使水平井剖面仅有稳斜、造斜和水平延伸三部分。这种

14、剖面使造斜率较 前面的要低些。（四）造斜率 造斜率一般依其值的大小分高、中、低三种。造斜率的划分范围各个公司 不完全相同。大体上讲造斜率超过4o6o/m的称为高造斜率，低于6o/30m的称 低造斜率，介于中间的称为中造斜率。这三种造斜率适用范围各不相同。高造斜 率主要用于老井侧钻水平井，低造斜率主要用于新井钻水平井，而中造斜率两者 都可以用。若在定向井中侧钻水平井眼，与低造斜率相比，中造斜率具有下列优点：1）可在距原井眼较近的部位钻入产层，这可使在高构造高部位进入产层的 井段加长，也使产层顶部位置预测可靠性增大；2）需侧钻的井眼长度较短；3）成本低；4）扭矩和磨擦力都较小。同高造斜率相比，中造

15、斜率也有下列优点：1）可采用常规的和更可靠的钻具；2）钻速高，起下钻次数少；3）成本低；4）对完井装置的限制少。目前，中造斜率和高造斜率的水平井都可以从5-1/2以上的套管柱中侧钻 出来。（五）水平井段的长度 水平井最佳长度是多少？这个问题涉及到油藏、成本、作业风险等的分析 一般主要有三个因素决定着水平井的最佳长度，即：1）油底到地面的举升能力；2）油藏的非均质性；3）钻井及完井技术。 水平井的主要优势是靠长的水平段来增加和油层的接触面积、增大控制泄油面积和减少井数来提高生产能力。理论上讲，水平井的水平段越长越好，但是 水平井段长度的增加受到工程技术（包括管柱摩擦力、井眼稳定性和钻井成本 等）、租地面积大小和油藏地质条件等许多因素的限制。通常，水平井段长度约 为油层厚度的 68 倍。六、水平井设计步骤与特点： 水平井与直井和一般定向井不同，因此水平井设计步骤也与此不同。一般 水平井按以下步骤进行设计：1、确定钻水平井的油藏并进行油藏分析、研究