水平井钻井技术

水平井钻井技术 专题讲座之一： 水平井技术为提高勘探效果、单井产量和油藏采收率开辟了一条崭新途径 ,给石油工业发展带来了一场新的革命 ,已列为当今石油工业最重要的关键技术之一。 主要内容 一、水平井技术概述 二、水平井的主要技术问题 三、水平井轨迹控制技术 一、水平井技术概述 1、水平井的基本概念 2、水平井的基本类型 3、水平井的用途 4、水平井的发展状况 水平井 （ 指井眼轨迹达到水平（井斜角 86）并继续延伸一定长度（延伸长度 /油层厚度 6）的定向井。 1、水平井的基本概念 造斜点 水 平 位 移 垂 深 靶前位移 水平段 水平井的靶区：圆柱型、矩形、梯形等 圆柱型 矩形 梯形 水平井垂直剖面图 根据剖面形状和从直井段至水平段拐弯半径的大小，可分为： 长半径： K 285m 中半径 86m =57 12m 短半径 水 油 （ 5） 短半径水平井 研究新型高效旋转射流 ，使用特殊设计的造斜器和旋转射流钻头 ， 在老油井中对应生产层位置钻出多个超短半径 （ 的径向水平井网 ， 大幅度提高老井原油采收率 。 国内大港 、 中原 、 胜利等油田都有成功的应用 。 （ 6）旋转射流径向水平井 一是形成的孔眼要有足够大的面积； 二是形成的孔眼必须具有规则的形状； 三是具有较高的破岩效率和钻进速度 。 常规的圆射流不具备这些功能， 因此设计利用旋转射流 。 水射流破岩必须具备三个基本条件： 旋转射流可以钻出大于喷嘴面积百倍的规则孔眼 。并比普通圆射流的破岩效率高得多 。 旋转射流破岩形成的孔底成规则的内凸锥状 ， 完全与圆射流形成的类半球状或锥状不同 。 其破岩成孔的过程和孔底形状如左图 。 超薄油层油藏在国内外各油田都广泛分布 。 在 “ 九五 ” 引进 “ 十五 ” 以来应用范围迅速扩大 ， 形成了配套技术 。 到 2004年底 ， 胜利油田使用 27口 ， 使难动用储量油藏得到了有效开发 ， 也推动了水平井技术的发展 。 （ 7）超簿油层水平井技术 油层厚度 31井油层段垂直剖面图 另外 ， 还有大位移水平井 、 分支水平井 、 欠平衡水平井 、 丛式水平井 、 小井眼水平井等等 。 桩 139丛式井组：在 扇面内由浅海人工平台向海上深水区钻井 27口 （ 其中 2口水平井 ） ， 平均井深 平均水平位移 实现了海油陆采 ， 取得了显著的开发效益 。 海洋钻井埕岛西 A 井组：钻井 23 口 ， 6 通过科学设计 、 精心施工 、 严格控制井身轨迹 ， 在钻井速度 、 井身质量 、 固井质量等方面都取得了良好效果 。 垦东 12平台在人工岛钻井 28口 ， 连同老井共 29口 ， 是目前井数最多的丛式井组 。 （ 8）其它水平井技术 1、水平井目标区的设计 2、井眼轨迹控制要求高、难度大 3、管柱受力复杂 4、泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌 5、 携带岩屑困难 6、保证固井质量难度大 7、井下缆线作业困难 8、完井工艺难度大 二、水平井的主要技术问题 1、水平井目标区的设计 水平井合理井位的选择 水平井目标区的设计是水平井是否有效益的关键技术 ， 水平井合理井位的选择； 水平井完井方法选择； 水平井靶区参数设计： 水平段长设计； 水平段方位设计； 水平段井斜角计算； 水平段垂向位置计算； 水平井靶体设计 。 限制水平段长度的因素 目标段太长 ， 下钻摩阻可能大得下不去；滑动钻进加不上钻压 。 摩阻增大 ， 受压钻柱发生屈曲失稳 ， 更增大摩阻；在某种工况下， 钻柱受力可能超过钻柱的强度极限 ， 导致钻柱破坏 。 水平段过长 ， 下钻或开泵井内波动压力过大 ， 可能压漏地层 。 水平段过长 ， 起钻的抽吸可能导致井壁坍塌 。 水平井长度限制条件 c o s90 1 已知：地层倾角 ；目标段设计方位线与地层下倾方位线的夹角为 ； 求：目标段的井斜角 T 目标段井斜角的计算 要求高 ，是指轨迹控制的目标区的要求高。 普通定向井的目标区是一个靶圆，井眼只要穿过此靶圆即为合格。水平井的目标区则是一个扁平的立方体，如图所示， 不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线一致，俗称“ 矢量中靶 ”。 2、井眼轨迹控制要求高、难度大 难度大 ，是指在轨迹控制过程中 存在“两个不确定性因素” 。轨迹控制的精度稍差，就有可能脱靶。 所谓“ 两个不确定性因素 ”，一是目标垂深的不确定性，即地质部门对目标层垂深的预测有一定的误差；二是造斜工具的造斜率的不确定性。这两个不确定性的存在，对直井和普通定向井来说，影响不大，但对水平井来说，则可能导致脱靶。 2、井眼轨迹控制要求高、难度大 由于井眼的井斜角大 ， 井眼曲率大 ， 管柱在井内运动将受到巨大的摩阻 ， 致使起下钻困难 ， 下套管困难 ， 给钻头加压困难 。 在大斜度和水平井段需要使用 “ 倒装钻具 ” ， 下部的钻杆将受轴向压力 ， 压力过大将出现失稳弯曲 ， 弯曲之后将摩阻更大 。 摩阻力 、 摩扭矩和弯曲应力将显著地增大 ， 使钻柱的受力分析、 强度设计和强度校核比直井和普通定向井更为复杂 。 由于弯曲应力很大 ， 在钻柱旋转条件下应力交变 ， 将加剧钻柱的疲劳破坏 。 要求精心设计钻柱 ， 严格按规定使用钻柱 。 3、管柱受力复杂 地层的破裂压力和坍塌压力随井斜角和井斜方位角而变化 。 在原地应力的三个主应力中 ， 垂直主应力不是中间主应力的情况下， 随着井斜角的增大 ， 地层破裂压力将减小 ， 坍塌压力将增大 ， 所以泥浆密度选择范围变小 ， 容易出现井漏和井塌 。 在水平井段 ， 地层破裂压力不变；随着水平井段长的增长 ， 井内泥浆液柱的激动压力和抽吸压力将增大 ， 也将导致井漏和井塌 。 要求精心设计井身结构和泥浆参数 ， 并减小起下管柱的压力波动 。 4、泥浆密度窗口小，易出现井漏、井塌 地层破裂压力随井斜角的变化规律 垂直主应力是中间主应力 地层破裂压力随井斜角的变化规律 垂直主应力是最大主应力 ， 两个水平主应力相等 地层破裂压力随井斜角的变化规律 垂直主应力是最大主应力 ， 两个水平主应力不相等 地层破裂压力随井斜角的变化规律 垂直主应力是最小主应力 。 地层破裂压力随方位角的变化规律 5、携带岩屑困难 由于井眼倾斜 ， 岩屑在上返过程中将沉向井壁的下侧 ， 堆积起来 ， 形成 “ 岩屑床 ”。 特别是在井斜角 45 60 的井段 ， 已形成的 “ 岩屑床 ” 会沿井壁下侧向下滑动 ，形成严重的堆积 ， 从而堵塞井眼 。 要求精心设计泥浆参数和水力参数 。 第三洗井区：井斜角 550 900(60 900) 第一洗井区：井斜角00 450(0 300) 第二洗井区：井斜角450 550(30 600) 影响携岩效果的因素： 井斜角的影响：由于井斜角的影响 ， 形成了三个洗井区 。最复杂的是第二洗井区 。 顺利钻过第二和第三洗井区的关键在于大排量 。 钻柱偏心的影响：在大斜度和水平井中 ， 钻柱总是偏向井壁下侧 ， 钻井液流动主要在上侧方向的环空中 ， 所以偏心不利于清除岩屑床 。 钻柱旋转的影响：钻柱旋转有利于搅动岩屑床 ， 所以是有利于携岩的 。 钻柱尺寸的影响：钻柱尺寸大 ， 环空间隙小 ， 相同排量条件下返速高 ， 有利于携岩 。 6、保证固井质量难度大 水平井固井存在的主要问题： 顺利将套管下入井内问题； 套管在井内的居中及顶替效率问题； 井眼高边的自由水通道问题； 提高注水泥质量措施： 使用扶正器使套管居中：在弯曲段和水平段 ， 至少一根套管一个扶正器 ， 或两根套管三个扶正器； 在保证不压裂地层的条件下 ， 使用大排量紊流注水泥 注水泥过程中 ， 尽量采用上下提放或旋转套管 从循环泥浆转换到注水泥浆 ， 最好不要停泵 ， 尽量减少井内泥浆的静止时间 （ 触变性问题 ） ； 使用长段隔离液 （ 在井内有 200m300 ， 充分清除泥浆； 注水泥前至少循环三周 ， 充分洗净井眼； 使用零自由水的水泥浆； 7、井下缆线作业困难 大斜度和水平井段 ， 测井仪器不可能依靠自重滑到井底 。 钻进过程中的测斜和随钻测量 ， 均可利用钻柱将仪器送至井下 。 射孔测试时亦可利用油管将射孔枪弹送至井下 。 只有完井电测时井内为裸眼 ， 仪器难以送入 。 目前解决此问题的方法有多种 ， 利用钻柱送入是主要方法， 但仍不甚理想 。 泵入挺杆系统： 先下钻 ， 然后从钻杆内下入仪器； 仪器上部联接 “ 挺杆 ” ， 再上部是电缆； 仪器 、 挺杆及电缆的下入 ， 需要开泵循环推动； 挺杆可将仪器推动到钻杆以外一定距离， 然后在上提过程中测井； 只能使用小直径仪器 。 挠性管测井系统 挠性管中预先装设电缆 ， 管前端与标准测井仪器联接； 可在裸眼中进行测井； 挠性管的下入由滚筒控制； 缺点是挠性管受刚性影响 ，难以承受大的轴向压力 ， 不可能太长 ， 测井深度有限 。 9、完井工艺难度大 水平井井眼曲率较大时 ， 套管将难以下入 ， 无法使用射孔完井法 ， 将不得不采用裸眼完井或筛管完井法等 。 这将使完井方法不能很好地与地层特性相适应 ， 将给采油工艺带来困难 。 万仁溥有 “ 三不欢迎 ” ： 不欢迎短半径 ， 不欢迎小井眼， 不欢迎裸眼完井 。 水平井的完井方法 优化设计 先进装备 精确高效控制井眼轨迹 优化完井 水平井钻井关键技术 三、水平井轨迹控制技术 1. 直井段轨迹控制技术 （打好垂直井段） 2. 定向造斜段轨迹控制技术 把好定向造斜关 跟踪控制到靶点 3. 水平段轨迹控制技术 (1) 直井段施工要点 1. 直井段轨迹控制技术 采用 防斜打直 技术，在直井段中尽量使井眼打直，为后续的定向造斜井段提供条件。 在丛式井中，正钻井与其它井眼相距太近有磁干扰井段，应使用陀螺测斜仪测斜，进行防碰设计。 (2) 常用防斜打直技术 满眼钻具： 钻头近钻头扶正器短钻铤 1根扶正器无磁钻铤 1根扶正器 钻铤加重钻杆钻杆 钟摆钻具： 钻头无磁钻铤 1根钻铤 1根扶正器 钻铤加重钻杆钻杆 塔式钻具： 钻头钻铤 1钻铤 2钻铤 3加重钻杆钻杆 a. 大尺寸钻铤在最下面，小尺寸钻铤在最上面； b. 无磁钻铤的下端是与之直径最接近的大钻铤； c. 与钟摆钻具使用方法相同，适合采用小钻压“吊打”。 (2) 常用防斜打直技术 导向钻具： 单弯螺杆钻具随钻测量系统旋转钻进方式 a. 有线随钻 ：钻头弯螺杆短钻铤 1根扶正器定向直接头无磁钻铤 1根钻铤加重钻杆钻杆 b. 无线随钻（ ：钻头弯螺杆 短钻铤 1根扶正器无磁钻铤 1根 铤加重钻杆钻杆 c. 单弯螺杆钻具的弯角 1 左右、带欠尺寸扶正器；短钻铤的长度需要计算；上扶正器为欠尺寸扶正器。 d. 钻进参数选择： 控制排量不超过螺杆钻具额定排量； 小钻压、低转盘转速。 (1) 定向造斜钻具组合： 2. 定向方法（摆工具面方法） 钻头 弯螺杆钻具定向直接头无磁钻铤 钻头直螺杆钻具定向弯接头无磁钻铤 原理： 利用弯接头或弯马达使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向和扭方位目的。 (2) 定向方法： 单点定向；有线随钻定向；无线随钻定向 水平井造斜工具 带柔性连接的弯外壳马达 带垫块的弯外壳马达 柔性连接 旁通阀 螺杆马达 弯外壳 轴承部分 旁通阀 螺杆马达 弯外壳 轴承部分 垫块 水平井造斜工具 带弯接头的短马达 旁通阀 同向双弯马达 旁通阀 螺杆马达 螺杆马达 弯外壳 轴承部分 轴承部分 弯接头 弯接头 水平井造斜工具 弯外壳马达 带稳定器的双弯马达 旁通阀 旁通阀 弯接头 扶正器 螺杆马达 螺杆马达 弯外壳 弯外壳 扶正器 轴承部分 轴承部分 水平井造斜工具 带弯接头的标准马达 弯外壳马达 (导向马达系统 ) 轴承部分 轴承部分和扶正器 旁通阀 旁通阀 弯接头 螺杆马达 螺杆马达 弯外壳 万向连接 扶正器 水平井造斜工具 带垫块的双弯马达 反向双弯马达 弯接头 弯接头 轴承部分 轴承部分 旁通阀 旁通阀 螺杆马达 螺杆马达 弯外壳 弯外壳 垫块 下入造斜钻具至造斜点位置。 单点测斜，测量造斜位置的井斜角、方位角和工具面。 在测斜的同时，对井口钻杆，方钻杆，地面钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘的外缘上，作为基准点。 调整安置角（设计方位角反扭角），锁住转盘，开泵钻进。 定向钻进，每钻进 1据测量的井斜角和方位角及时修正反扭角，并调整造斜工具的安置角。 定向造斜至井斜角 8 左右、方位合适，起钻更换转盘增斜钻进。 A、单点定向方法 a. 当前井底井斜角 3 时： 按扭方位对待 单点扭方位就是将实测的装置方位线转到设定的装置方位线上。 定向角 1测量方位装置角反扭角磁偏角 马达角差 磁工具面 ( 定向角 2反扭角装置角 动力钻具角差 高边工具面 ( 测斜结束之后、扭方位钻进之前，如果将钻柱顺时针旋转某个角度（定向角），此时的装置方位线就旋转至设定的装置方位线上。 井斜角 5 以后要求使用重力高边工具面 ( a. 井斜角 3 时： 按扭方位对待 加压前：磁工具面 (测量方位反扭角 磁偏角 装置角 加压后：磁工具面 (测量方位磁偏角 装置角 加压前：高边 (反扭角 装置角 加压后：高边 (装置角 B、有线随钻定向方法 注意：预先修正弯马达与定向直接头之间的角差。 a. 井斜角 3 时：按扭方位对待 加压前： 磁工具面 ( 测量方位反扭角装置角 加压后： 磁工具面 ( 测量方位装置角 加压前： 高边 ( 反扭角装置角 加压后： 高边 ( 装置角 C、无线随钻定向方法 注意：用 力钻具角差和方位修正角（磁偏角）要在工作前确认准确无误后输入计算机。 3. 定向井常规钻具组合 (1) 增斜钻具：一般增斜率 6 /100m 一般采用双稳定器组合。 是利用杠杆原理设计的。 它有一个近钻头足稳定器作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距离应根据两稳定器之间的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率的大小确定，一般为 20m（两根钻铤长度），两稳定器之间的钻铤在钻压下，产生向下的的弯曲变形，使钻头产生斜向力。 9 5/8244板 71根 71根244 71根 244 72柱 5规 ) 9 5/8244板 51根 71根244 71根 244 72柱 5考 ) 8 1/2214板 6 1/41根 6 1/41根214 6 1/41根 2146 1/42柱 5 8 1/2214板 51根 6 1/41根214 6 1/41根 2146 1/42柱 5常规增斜钻具组合 通过减小近钻头稳定器与 2号稳定器的距离或者减小近钻头稳定器的外径尺寸（欠尺寸稳定器），以减小钻具的造斜能力。 9 5/8244板 71根244 71根 244 72柱5规） 8 1/2214板 6 1/41根214 6 1/41根 214 6 1/4 2柱 5常规） (2) 微增斜钻具：一般增斜率 3 /100m 采用刚性满眼钻具结构，通过增大下部钻具的刚性，控制下部钻具在钻压作用下的弯曲变形，达到稳定井斜和方位的目的， 常用稳斜钻具组合：钻头近钻头稳定器 (双母扶正器 )短钻铤（ 2稳定器单根钻铤（ 9m）稳定器钻铤钻杆 (3) 稳斜钻具 9 5/82447244挡板71根 244 72柱 5规） 8 1/22146 1/4214板 6 1/41根 214 6 1/42柱 5规） 一般采用钟摆钻具组合，利用钻具自身的重力产生的钟摆力实现降斜目的；根据钻头与稳定器的距离又分为大钟摆和小钟摆。 a. 大钟摆钻具：钻头钻铤 2根稳定器钻铤 1根稳定器钻铤钻杆 b. 小钟摆钻具：钻头钻铤 1根稳定器钻铤 1根稳定器钻铤钻杆 (4) 降斜钻具 17 1/2730 730挡板 91根 91根 4442柱 72柱 5疆） 12 1/4630 630挡板 81根 81根 3112柱 72柱 5疆） 9 5/8630 410挡板 71根 71根 2441根 24472柱 5 9 5/8630 410挡板 71根 24471根24472柱 5 8 1/2430 4板 6 1/41根 6 1/41根2146 1/41根 2146 1/42柱 5 8 1/2430 4板 6 1/41根 2146 1/41根 2146 1/42柱 5规降斜钻具组合 A、 7 套管开窗侧钻： 6330 330(动力钻具 ) 331 310 4 3/41根 3 1/2、 5 1/2套管开窗侧钻 : 4 1/2230 230(动力钻具 ) 231 210 3 1/21根 2 7/85) 小井眼钻具组合 (1) 增斜段 ：钻头动力钻具无磁钻铤 磁钻铤加重钻杆斜坡钻杆普通钻杆。 4. 水平井常规钻具组合 17 1/29 5/8 单弯动力钻具 81根631 630（陀螺定向接头） 83根631 410 55海） 12 1/47 3/4 单弯动力钻具 71根 71根 555桥） 9 5/87 3/4 单弯动力钻具 531 41071根 71根 55桥） 9 5/8630 431（短接头） 6 3/4 单弯动力钻具 431 410 71根 71根 555桥） 8 1/2 6 1/2 单弯动力钻具 431 41051根 51根 55(2) 水平段 ：钻头动力钻具无磁钻杆 磁钻杆斜坡钻杆加重钻杆斜坡钻杆普通钻杆。 4. 水平井常规钻具组合 9 5/87 3/4 ( )单弯动力钻具 531 41051根 51根 55 9 5/8630 431（短接头） 6 3/4 ( )单弯动力钻具 431 410 51根 51根 555 8 1/2 6 1/2 ( ) 单弯动力钻具 431 41051根 51根 55 着陆控制口诀： 略高勿低；前高后低；寸高必争；早扭方位；稳斜探顶；动态监控；矢量进靶。 略高勿低： 选择工具造斜率的指导思想 确保实钻造斜率不低于设计造斜率，通常比设计值高 10 20。 前高后低： 着陆控制后半段的设计造斜