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1、大位移井钻井技术所谓大位移井钻井技术，是一种高精尖的钻井工艺，是当今定向井、水平井技术的综合系 统工程，可广泛地应用于滩海油田、海上油田和地面条件极其复杂的油气藏的勘探开发。尤其位 于我国南海西江和渤海湾的近海地区的浅海区域有许多油田，可以利用大位移井钻井技术进行海 油陆采，可节约大量的修建海堤或人工造岛等投资费用。我国引进应用和研究大位移井钻井技术，是从 1997 年开始的。应用大位移井，不仅使西江 24-1边际油田得以成功开发，而且极大地推动了国外先进的大位移井技术在国内的研究与应用。 近年来，专家针对大位移井的六大技术难点，对大位移井钻井的优化设计理论、国产化配套技术、 计算机应用软件技
2、术等进行研究摸索，形成了正确的理论研究方法。在先导性实验井埕北 21-平 1 井的施工中，首次在我国使用变曲率悬链线井身轨迹剖面设计方法，首次引进具有世界先进水 平的调式AGS稳定器和FEWD无线随钻测量仪等组成带地质导向的先进钻井技术，并配合使用 新型黑色正电胶硅聚钻井液，有效地解决了摩阻、扭矩等技术难题，这口井创出目前国内陆上大 位移延伸井水平位移最长全国新纪录，并在大位移井优化设计、井眼轨迹控制、井下工具应用和 研制以及钻井液、完井液等方面，取得了 7项突破性的研究成果，形成了钻3000m以上大位移 井的配套技术，开展了水平位移4000m以上大位移井的钻井工程设计及井眼轨迹控制技术模拟
3、实验，具备了 5000m 以内大位移的施工能力。与此同时，在塔里木酸盐岩地层中，打出一口超深水平井解放128井，填补了国内钻 井施工运用 6in 钻头水平段和采用世界先进的换压钻进技术边喷、边钻两项钻井技术空白，创出 了水平井施工垂深最深的亚洲记录；并在渤海湾附近的桩西古潜山地层中，钻出一口水平位移超2000m 的高难度海油陆探大位移延伸定向井-桩斜314井，均见到良好油气显示。大位移井井身结构设计的基本原则：1.能够有效地保护储油气层；2.避免产生井漏、井塌、 卡钻等井下复杂事故，为安全、优质、快速和经济钻井创造条件；3.当实际地层压力超过预测地 层压力值,发生溢流时,在一定的范围内，具有处
4、理溢流的能力。在裸眼井段中，存在着地层压力、 地层破裂压力、井筒内钻井液液柱的有效压力，由于井壁的不稳定性，还需要考虑岩层的坍塌压 力梯度。为预防井喷、井漏以及地层坍塌而引起的埋钻、卡钻等井下复杂情况，地层井筒内的 压力系统还必须满足Pf （地层破裂压力）Pm （钻井液液柱的有效压力）Pc （岩层的坍塌压力） Pp （地层的孔隙压力）等条件。大位移井井身结构设计应主要考虑的因素包括：地质数据：地层压力梯度剖面、地层破裂压 力梯度剖面、岩性剖面及故障提示；钻井工程数据：扭矩、摩阻分析、钻机负荷、钻杆尺寸及钻 具组合、钻井液的性能参数和流变性、套管钢级和尺寸及联接扣型、套管磨损、套管程序的备用 方
5、案、水泥浆在环空内的返高、水泥浆的可泵送时间和稠化时间及终凝强度等；完井工程数据： 主要考虑完井方案、防砂措施、分层开采要求、人工举升方案、生产管柱。国内常规定向井钻井技术已经成熟，目前已初步具备钻位移为3000m大位移定向井的技术能 力。近几年，国内也开始研制开发大位移井专用工具，如降扭工具、下套管工具等。海洋石油钻井公 司的大位移井钻井技术走在最前列，其大位移井工具主要以引进为主。由于地面条件复杂及油 藏构造的要求，大港油田钻定向井的数量居全国各油田之首，定向井技术水平亦居国内领先地 位（见表 2-2），并创造了多项国内领先指标。通过多年不断的实践和相应的技术攻关，在定向 井设计、井眼轨迹
6、控制和测量方面，具有较强的技术经验和先进的工具仪器， 1991 年完钻了当时国内水平位移最大的定向井一张17-1井，井深3933.88m，井底位移2279.38m 1997年完 成的红9-1井测量井深2300.58m,垂直井深1180.6m,水平位移1727.57m,最大井斜角76,位移与垂深之比达到 1.463:1，是国内典型的浅层大位移定向井。2000 年年初大港油田完成的港 深69X1井，井深5464.43m，完钻垂深4315.15m，水平位移3118.24m，是目前中油集团公司水 平位移最大的一口深层大位移定向井。目前胜利油田埕北2l-平1井水平位移达到了 3167.33m。WTE I
7、kmtikm iWtm Ukm冲1也牌e嶠1)图 2-1 M16 井井眼轨迹图井号油田完井日期测深/m垂深/m井底位移/m位移/垂深最大井斜角钻井周期/d张17-1张 巨 河1991.23933.882999.192279.380.7650146张18-1张 巨 河1992.114076.53382.642167.890.6647265Fl1996.1244203329.022624.70.7952.48799-173-1港深69X198X11997.111997.112000.32000.72300.581180.61727.571.4676.2216.646043961.112133.02
8、37.4102.715464.434315.153118.040.7246.4111.882380180013980.782528.21表 2-2 大港油田典型大位移井技术指标表未来大位移井钻井技术将进一步围绕降低成本、减少风险和提高成功率的目标而发展，将更广泛地用于海上油田、滩海油田和其他地面条件受到限制的油田。1国外主要技术发展应用情况(1) 井身剖面设计选择摩阻小的井身剖面是钻大位移井的首要问题。国外大位移井井身剖面主要有三种:增斜-稳斜剖面、下部井段造斜剖面(小曲率造斜剖面)和悬链线剖面。现在悬链线剖面已成为大位移常用设计剖面。在WytchFarm油田，准悬链线剖面，初造斜率为l /3
9、0m1.5 /30m逐渐增加到2.5 /30m。实践证明,准悬链线井身剖面可减少钻井扭矩，增加套管 下入重量20%25%，增加钻具的滑动能力。(2 )钻柱设计在大位移井钻井中，钻柱设计考虑了钻 柱的拉压载荷和扭转载荷，建立了钻柱设计 模型(如图2-2)，以满足钻大位移井要求, BP公司除了采用高强度钻杆外，还采用了工具接头应力平衡、高扭矩丝扣油以及高扭矩接头、高扭矩联结等方法以保证钻柱具有足够高的扭转能力。在井底钻具组合方面，国外公司目前采用的方法主要有：采用螺旋钻铤和可调稳定器；选择好顶部及下部钻具组合的中合点;减少丝扣连接的数量；减少在斜井段使用的加重钻杆的数量。(3) 钻机和装备的改进
10、钻井液系统。泥浆泵增加至3台或更多，额定功率从1177kW提高至1471kW 或1618kW，地面泥浆系统的额定压力从35MPa提高至40MPa或50MPa。 由于长斜井段的扭矩问题，所以顶部驱动装置的扭矩是关键。Oseberg 钻机顶驱在165 r/min时最大输出扭矩88kNm。 钻杆。Wytch Farm油田钻大位移井使用的钻杆钢级为 S-135薄壁钻杆，通过降低 钻杆自身重量，降低扭矩和摩阻。所采取的办法有：采用高摩擦系数丝扣油、双台肩或楔形螺 纹提高工具接头的承扭能力；使用碳化铬合金对钻杆接头表面进行环形加硬层处理，有效预防接 头磨损。目前，屈服强度为12654kg/cm2的钻杆已获
11、成功。 绞车。目前已有功率为40005000 hp(29423678kW)的齿轮驱动绞车。 钻杆和钻铤的存放能力。国外采取了增加钻杆单根的长度至13m(加长4m)，存放能力增加了 12001500m；另外通过调整钻杆处理设备，由4个单根配成立柱，这样又增加了 25002700m的存放能力。(4) 扭矩摩阻控制技术 采用油基钻井液，并提高油水比值，降低摩阻系数。油基钻井液的润滑性和抑制 性超过水基钻井液，国外试验证明：将油水比为90:10同油水比为62:38的钻井液相比，金属 对金属的摩阻降低50，金属对砂岩的摩阻降低40。 Baroid钻井液公司开发出了 Herschel-Bulkley流变模
12、型，评估井眼清洁效果，以改 善和解决扭矩、摩阻过大问题。 采用塑料小球润滑剂。北海试验结果表明：塑料小球能够短期降低扭矩15%。西江24-3-A14井在下部井段钻进中，钻至7248m时，开始加入含塑料小球泥浆，扭矩输出电流由原来的800A降低到650A，扭矩降低了 18.75%，效果明显。英国Wytch Farm油田的M16井采用含塑料小球的泥浆添加剂来代替碎杏仁壳体系，当含塑料小球的泥浆体系泵入 裸 眼井时，初期扭矩降低了45%。 使用钻柱降扭短节及非旋转钻杆保护器(NRDPP)。由Security DBS公司开发的钻柱降扭短节，可与钻井常用的127mm、139.7mm和168mm钻 杆配合
13、，使得钻大位移井时，钻杆接头离开套管，可避免套管磨损，降低扭矩，降扭幅度达40%。使用非旋转钻杆保护器(NRDPP)，国外的试验表 明:NRDPP可降低扭矩25%30%, 美国Wes ten Well Tools公司提供的NRDPP在斜井段套管内使用，扭矩下降达23.3%，在降低扭 矩和防止套管磨损方面的作用非常显著。 使用加长马达，减少了钻头泥包，降低了钻头与地层或井眼之间的扭矩。(5) 井眼轨迹控制技术 采用旋转导向钻井，精确控制井眼轨迹。在钻进中，尽量采用旋转钻进方式，少 采用滑动钻进方式来控制井眼轨迹。如，Wyteh Farm油田在钻大位移井时旋转导向系统是最主 要的工具。 使用大刚度
14、井眼控制钻具组合，防止井眼出现大的狗腿度。 使用水力加压器，为钻头施加足够的钻压，减少了井眼轨迹的变化，使井眼轨迹 得到更有效的控制。 精确控制井眼轨迹，采用先进的随钻测量工具和数据传输系统，如：传输速率60m/s的M10型MWD、三联（电阻、中子、密度及 测井）或四联（三联加声波测井）的随钻测井（LWD）。 阿吉普等公司最近还使用了其独有的专利技术随钻地震（SWD）等。 实施短起下钻作业，帮助清洗井眼，破坏岩屑床的同时，充分修整井壁，使井眼光滑、 规则，减少局部狗腿度。 采用大排量循环洗井，将井眼的岩屑带出地面，经固控设备处理，降低钻井液中的固 相含量。（6）井眼清洁技术确保井眼清洁的主要因
15、素是排量。国外首先利用井眼清洁模型来计算可确保井眼清洁所 需的最小排量和最优流变参数；其次采用顶驱和旋转导向钻井系统也有利于携岩；第三是加强 地面固控，在 Wytch Farm 钻超大位移井时，一般安装 4台双层直线型振动筛， 1台钻井液 清洁器和2台离心分离器，使用特殊的波纹状筛布。（7）大位移井用可变径稳定器 多位变径稳定器。Wytch Farm油田大位移钻井中使用的Halliburton公司多位变径稳定器（如图2-3）。图2-3多位变径稳定器结构图Halliburton公司研制的多位变径稳定器HVGS,已投入商业化使用。这种装置代表了目前旋转钻井轨道控制系统的水平和国外可变径稳定器的发展方向。HVGS 是一套先进的机电液一体化装置,主要由三个功能部件组成,即下部的动力段、上 部的控制段和一个正脉冲发生器。下部的动力段为可径向伸出的稳定器翼片,由稳定器处环空 内外压差启动,停泵时翼片缩进,开泵后翼片伸出。与传统的机液可变径稳定器相比，HVGS具有以下特点:采用钻井液
