超长水平井及丛式水平井钻井技术.docx

超长水平井及丛式水平井钻井技术1. 钻超长水平井的技术挑战1）井眼清洁；2）高摩阻扭矩，需要高抗扭抗拉和耐压钻杆；3）大斜度长裸眼稳斜段，套管的安全顺利下入；4）平台设备能力配套与常规井差别，常规超深井考虑钻机的动力和提升载荷能力，而超长水平井侧重考虑水力和顶驱输送扭矩能力；5）井斜大，裸眼段长，井眼侵泡周期时间长，影响井壁稳定性；6）普通井的经验很多不适合超长水平井，超长水平井一旦出现失误，惩罚比普通井严重；7）储层埋藏深度不确定性和仪器精度误差对钻井轨迹调整影响；8）钻杆伸缩性大，在接近完钻深度只能单根钻，对复杂情况处理活动空间小。井眼清洁；井眼清洁在超长水平井中是个很关键的因素，制约超长水平井延伸能力。斜井清洁跟直井区别很大，至少需要比直井很长的循环周时间，而且在程序方法处理上也大大不同，随着井斜的增加，井眼清洁难度加大，岩屑上返更加困难，需要循环时间更长。一影响井眼清洁因素：井眼大小 岩屑尺寸钻杆尺寸 滑动定向比例排量 钻井速度转盘转速 井壁稳定性泥浆流变性 岩屑分散性井眼轨迹泥浆环空流态二井眼清洁原理井眼清洁有两种方式，一从井眼机械直接运除出来，二通过分散，岩屑溶解在泥浆，这对于大尺寸浅表层采用海水钻就利用这个原理，边钻边造浆，把分散的岩屑带至地面直接排海，间隔打高粘把有颗粒形状的岩屑返出，达到井眼清洁。a) 钻具的转速是井眼清洁的关键因素在斜井中，井眼高边高速流体清砂作用象传送带，岩屑沉至井眼底边低速层，最终降至井眼底边形成岩屑床，中间岩屑运移长短的距离与井斜角度、排量、转速、流体的流变性及泥浆比重相关，岩屑运移传送带速度与排量相关。钻具转速扮演在高角度井眼清砂关键因素，因为活动流体处于井眼高边，钻具和岩屑都倾向于井眼底边，通过钻具机械的搅动，将岩屑搅起至传送带上，且钻具的搅动，在钻具上会产生牵引力，部分岩屑也会伴随钻具转动螺旋上升，通过这两者的作用将岩屑带至地面，而钻具转速由井眼大小和单位进尺快慢决定，在12-1/4、17-1/2井段至少需要120RPM，8-1/2井段需要70RPM以上，但高齿轮传送带仍需要钻具转速达到120RPM以上，钻具钻速越高，在钻具周围牵带岩屑越多，超过钻具接头的高度，另外使流体原自由流动高速通道变窄，产生紊流，进而搅动岩屑床，利于清砂，但这种高转速当时也许只将部分岩屑带出来，井眼干净仍需要长时间循环和倒划眼短起下等措施，这在后面小节论述。基于高转速清砂原理设计了清砂工具如带螺旋流道翼的钻杆，破坏岩屑床，更易将岩屑搅至传送带上，使清砂更好。关于在钻柱使用此类钻杆存在误区，不是只是使用一两根的问题，必须有足够的数量，因为它只是比普通钻杆稍好，在其的上部，相比普通钻杆，只是整体岩屑沉下来的距离稍远点。b) 排量对清砂影响排量对清砂是有作用的，岩屑毕竟经过泥浆的流动携带至地面，排量太低使得所谓携砂传送带过于狭窄，这样井眼环空很大空间被非激态泥浆占据，因此即使钻具的搅动，将岩屑搅离低边，但很难进到传送带，进到传送带也易从中掉离，因此井眼很难清洗干净，但对于小井眼8-1/2，因钻杆和井眼间隙相对较小，井眼相对较易清洗干净。而在井眼上部的隔水套管，钻柱与套管间隙大，环空返速很低，岩屑很难上返，因此需要很高的排量，排量高造成系统的整个压耗过高，超过设备承受力，因此需在隔水管底部环空，与地面泵构成另外循环回路，通过单独泵适当提高隔水管清砂排量。c) 井段井眼排量和转速参考要求17-1/2井眼 150-180 rpm 1200-1500 gpm12-1/4井眼 120-180 rpm 800-1000 gpm9-7/8井眼 120-150 rpm 450-650 gpm8-1/2井眼 至少70 rpm，最好120 rpm 350-500 gpm高摩阻扭矩，需要高抗扭抗拉和耐压钻杆；关于超长水平井摩阻扭矩认识归纳如下：对于高角度，垂深浅的井：高摩阻和低有效悬重会限制钻井深度，在无悬重或负悬重情况下，钻具必须通过旋转下到井深；垂深深的超长水平井：由于钻柱的负荷使钻井深度不会太深，因为下部钻具重量越重，旋转扭矩越大，超过钻柱的强度；S型剖面的超长水平井：如果井眼平滑缓降，井段不长，对钻柱摩阻扭矩影响不大，但对于降至井斜很小的井，因悬挂着有效钻具重量，会产生较高的摩阻扭矩；低角度井：摩阻一般不存在问题，滑动定向比较容易，但扭拒很高和套管磨损成为问题焦点；中角度井：结合高角度和低角度特性，摩阻比扭矩也许显得更关键，扭矩则为不定因素；高角度井：摩阻扭矩都很重要，如下部钻具重量重可能会产生高扭矩，因此在钻具组合上用加重钻杆代替钻铤，并控制一定数量，尽可能少加，在钻柱上采用复合钻柱和倒装钻具。（b）钻具屈曲钻具在井眼里由于受压而发生弯曲，在大尺寸井眼、小角度井，小的钻具刚性很容易发生受压失稳产生弯曲。高角度井难发生钻具弯曲，但不是不可能，在其稳斜段和直井段如钻具受压也会发生弯曲，在造斜段由于钻柱的弯曲应力存在使此段钻具弯曲更为困难。弯曲形态分正弦弯曲和螺旋弯曲。（1）正弦弯曲：是钻柱发生弯曲的第一形态，也称蛇行弯曲，但由于钻具重量，钻具只在低边发生屈曲，但屈曲的钻具没有触及高边井眼的井壁，在钻井中不利因素影响钻压有效传递，在钻井中导向马达经常性发生制动，工具面不易控制。（2）螺旋弯曲：钻柱发生二次弯曲形态，钻柱压缩象弹簧，充满整个井眼，由于井壁支点支撑消耗了钻压的传递，发生钻具自锁。因钻具弯曲力远低于钻具材质的屈服值，因此钻具是可以受压弯曲的，不是不可以，但只局限于钻具静止状态，因为钻具旋转发生弯曲，产生交变应力使钻具很快发生疲劳破坏。对于钻具弯曲有害影响，可采取以下有效措施：（1）采用尺寸大的刚性强的高强度钻杆；（2）倒装钻具；（3）在关键井段加强此处钻具的刚性；（4）减小摩阻，提高泥浆的润滑性，使用减阻设备；（5）采用旋转导向钻具代替常规导向马达；（c）摩阻扭矩计算模型计算。摩阻扭矩现在可以采用计算机软件理论计算，算法建立在普通的力学数学模型上，可以跟现场数据互动，通过现场数据可对软件输入数据进行校定。摩阻扭矩计算假设钻具两种形态：柔索模型和刚性模型。大多数模型计算都假设柔索模型理论计算，不考虑钻具的刚性和几何形态。井眼剖面类型以下为超长水平井眼剖面类型的几种选择：1）直增稳剖面：适度的稳定造斜率（2.5-3/30m），减少稳斜角度和斜深。主要使用于垂深、12-1/4井段的水力因素受限，没有浅层稳定性问题的井；2）双增剖面：一般增斜至中间角度（如50），稳斜，然后增至最终角度，这样设计使表层套管以合适井深下入复杂层段以下。这种剖面与拟悬链剖面比较，减少稳斜角和钻井井深；3）拟悬链剖面设计；拟变曲率增斜最初解决表层井眼不稳定的问题，降低造斜段扭矩，但会增加稳斜角和完钻钻井斜深；4）S型剖面设计：不利方面增加上部井段中间稳斜角，很可能造成钻下部地层钻具无悬重。在最后产层井深降低角度穿越主要从以下角度考虑：a）减少产层地质垂深和测量仪器精度不确定性影响；b）降低产层或深部地层作业风险；c）在产层段减少泥浆比重；d）减少可钻性差的地层钻入层段e）如果深度根据垂深确定的话，可以减少整个井深；5）三维水平井设计：根据地质和储层特殊要求设计。超长水平井套管的下入程序超长水平井由于摩阻大，特别在井身质量差的情况下，很早就可能将套管柱悬重放空，即使加上顶驱悬重，套管仍可能下不到底，因此在超长水平井要使用一些特殊的技术，如漂浮套管技术、套管柱加滚轮减阻器、套管倒装技术等帮助套管下入，套管倒装技术在普通定向井中也常用，下7筛管，用钻杆送，在直井段使用部分钻铤代替部分钻杆，这就是倒装技术，同样将轻的套管放在下面，上面使用重的套管，属于套管串的倒装。以下着重介绍套管漂浮技术，这种技术只能局限于9-5/8套管或更小尺寸的套管，特别适合相对垂深较浅的超长水平井。a）套管漂浮技术定义在套管前段不灌浆或注入空气或填充比管外环空泥浆比重轻的泥浆或其他液体，使前段套管在管外泥浆的浮力悬浮下，减少与井眼井壁接触，减少下入摩阻，这就是套管漂浮技术。由于前端套管空着或填充比重相对轻的泥浆，造成管内外静液柱差，加上下套管的激动压力，很可能将套管挤毁，所以漂浮套管技术比较适合浅垂深的超长水平井，主要是基于泥浆静液柱压力小的考虑，不管怎么样，漂浮套管设计要事先通过软件模块进行计算。b）漂浮套管技术设计考虑关键点-在下入或替浆过程中防止可能发生的套管的挤毁（静态和动态）；-与泥浆密度相关的浮力系数；-井漏和井控；-钻井液库存储放：因为空的很长一段套管本体泥浆代排量数量很大。c）套管漂浮类型-单一的钻井液：指的是套管内使用只一种钻井液，套管可以全空或填充轻密度流体比如海水；-双流体：指管内使用两种流体，泥浆和空气、重浆和轻泥浆，两种流体界面隔开，比重大的在上部套管，轻的流体在套管下部；-内管柱法：套管下入过程中，需要循环，因此采用内管柱法插入套管鞋内与套管外的泥浆形成回路循环。超长水平井固井设计超长水平高角度井固井质量难以保证，主要存在以下几方面：套管非居中；使水泥浆顶替效率差；在超长水平井中因要控制ECD，因此泵送排量低，环空流体很难达到紊流；套管上下活动或旋转受限制，不自由；如果井内泥浆为油基泥浆，水泥胶结变差；水泥浆在胶结沉淀析出自由水在井眼高边形成通道，影响固井质量；超长水平井工具在常规井中，钻具设计加钻铤和足够长的加重钻杆，原则使受力中和点位于下部钻具组合内，钻压由下部钻具的重量提供，钻杆处于受拉状态，这种钻具组合适合于直井和低角度井。在高角度井中的钻具组合紧限于MWD/LWD组件，钻具组合尽量简单，加重钻杆的数量控制3柱左右，用途过渡井下仪器与钻杆的刚性差别，另外便于震击器加位，大多数钻杆处于受压状态，这种设计理念是由于当井斜高的时候，下部钻具重量沿井眼轴线的分量也越小，对钻压的有效帮助效果减弱，如下部钻具重量过重相反将带来更多不利因素如高扭矩和摩阻，上部钻杆弯曲及水力损失等问题。以下讨论超长水平井中钻具组合组件的作用：a）震击器在深高角度的超长水平井中，由于下部钻具下放悬重小，很难激发震击器上击，此时震击器是没用的，但在上部浅层井段如果起钻遇阻，震击器是可以发挥作用的，因此震击器使用要平衡考虑钻井目的。b）扶正器位置一般钻具如马达或旋转导向工具都有两个扶正器，一个靠近钻头，一个在工具后，以马达为例，如第二个扶正器欠尺寸，在旋转效果上可能产生增斜也可能引起降斜效果，关键看第二个扶正器后的钻具的刚性，如第二扶正器后的钻具弯曲贴着井眼低边，将使第二扶正器倾斜，从而引起钻头向下产生降斜切削。因此要旋转增斜，可将第二扶正器后移或减少外径或者使用第三个扶正器，加强二三扶正器之间的钻具刚性，确保第二扶正器居中。一二扶正器的大小及间隔的长度都很关键，而第三扶正器大小不是很关键。c）导向马达近钻头井斜技术，因为在滑动作业过程中，随时检测井斜变化情况，避免狗腿过大，确保井眼质量，减少扭矩和摩阻，在深井方便调整着陆。在井眼清洁方面，要求该马达低弯角具有高顶驱转速长寿命，马达弯角越高，虽然调整滑动效率高调整井段短，但限制顶驱转速，且隐性狗腿高，这些因素既不利井眼清洁也增加井眼摩阻和扭矩，另外带弯角马达划眼再次切削引起井斜降低。d）可调扶正器扶正器在钻具的作用在定向井技术方面已进行描述，可调扶正器外径可以在地面上进行调整，根据井下实钻情况多一种可选方案，但是在选择工具应用时要考虑工具的水力问题，避免不适当使用。它在钻具中的位置灵活，如下：加在导向钻具马达上面；旋转导向钻具的第二扶正器位置；加在直马达或导向马达下近钻头处；e）水下推进器该工具类似马达，水力作用驱动驱动轴转动，但同样象活塞样驱动驱动轴向前移的一定的位移量，因此能在定向滑动能有效传递钻压，提高定向工具面精确控制，不会发生井下工具由粘卡突然滑脱触到井底，造成马达滞动，工具面跑开现象。f）旋转导向工具旋转导向工具使井眼质量控制比较平滑，对减少井眼摩阻和扭矩有利，且在轨迹控制上省时省力，且适合高转速，整个钻井过程全为旋转钻进，对井眼清洁更有利，且匹配PDC钻头，钻井进尺快，属于高回报高投入，唯一不足的如Powerdrive的水力损失，工具的寿命和造斜率控制的可靠性不如马达可靠。g）MWD随钻测量工具，能够测量井下震动、压力、钻压、扭矩、井斜、方位、地层物性等参数，通过这些井下参数监控，能够优化钻具组合和钻井参数和控制井眼轨迹，对一些复杂问题出现的前兆能够及时得到警示并加以避免，因此是与地面工程师交流的良好视窗工具。h）钻杆超长水平井不光是地面也是井下设备的极限，由于摩阻扭矩高，水力因素影响，因此要求井下钻杆高耐压抗扭，双台肩密封，高抗扭丝扣油。钻杆设计跟普通井钻杆比较有几处特色，带螺旋翼钻杆提高井眼清洁，减少卡钻风险，带低摩阻硬合金带，降低套管磨损，对特殊井材质有特殊要求，一般使用厚壁大外径的钻杆，提高钻具延伸能力，钻杆材质轻减少钻具扭矩。i）减阻减扭抗弯曲工具带螺旋翼钻杆和非旋转轴承套，钻具倒装，采用润滑性好的泥浆等措施有效减少摩阻和扭矩，增加钻具钻压有效传递。这些工具具体应用如套管下入，在套管串加滚珠扶正器对减少摩阻有一定的作用，利于套管下入，但考虑滚轮尺寸，套管尺寸大小选择受一定的限制，在扶正器使用中，对某些扶正器如弹性扶正器应树立如下观点，虽然使套管居中，利于套管固井，但由于虽然减少套管接触面积，但并未改变摩擦系数，而套管对井眼低边正压力仍一样，因此比较不出该类扶正器利于减少套管下入摩阻的作用，因此在使用中应尽量考虑工具的实际作用。j）带倒划眼齿划眼器其实也就是带有倒划眼齿的扶正器，它的作用在钻完一单根划眼，起到规整井壁，消除台肩，倒划眼短起下能重新切削岩屑床，将岩屑搅进井筒，清洁井眼，不易卡钻具。超长水平井设备升级对于浅的超长水平井，平台钻机能力是没有问题的，但对于斜深深的超长水平井，要通过设计计算摩阻扭矩及水力，对相应设备能力要进行升级，需要升级包括钻杆、顶驱、绞车、电机动力、泵、油基泥浆使用、固相控制、BOP万能防喷器胶皮等a）钻井液系统提升泥浆泵的功率、数量及其管线连接安全耐压值；泥浆的库存量大，且需要较大储存空间存储下9-5/8套管回收的泥浆。b）钻杆钻杆的钻台存放空间：采取了增加钻杆单根的长度至13m(加长4m)，另外通过调整钻杆处理设备，由4个单根配成立柱，都相应增加了钻杆存放空间；采用轻质钻杆，减少钻具摩阻和扭矩；使用大直径钻杆，如12-1/4井段采用5-1/2或5-7/8钻杆，减少压力损失，确保井眼清洁泵排量。c）顶驱能够确保高转速一般要求120rpm以上输出足够平稳扭矩满足井下作业要求，如钻进及井眼清洁等。d）电机动力满足复杂倒划眼起钻工况下的动力供应。2.丛式水平井钻井技术挑战丛式井设计的根本原则是：保证在钻井作业过程中，整个井组的井与井之间不发生碰撞，在保证开发要求的前提下，选用井