大位移延伸井钻井技术.doc

石油钻井行业大位移延伸井钻井技术 近几年来，随着钻井工艺技术及钻井装备、工具、软件等技术的发展，诞生了大位移定向井，它的出现，为海洋平台钻井及在陆上开发滩海油气资源开辟了一条新途径，与其他井型相比，这项技术在油气勘探开发中起到了投资少、见效快和其它钻井方法无法替代的作用。第一节 国内外大位移井发展及技术现状所谓大位移井世界上并无确切的定义，最初认为水平位移超过3000米或水平位移与垂深之比大于1的井即为大位移井，随着钻井及相关技术的发展，目前比较通用的概念是位移于垂深之比大于或等于2的井称为大位移井。井斜大于或等于86度的大位移井称为大位移水平井。由于各种原因使得方位发生变化的大位移井，称为三维大位移井。大位移井始于20年代，随着科学技术和水平井钻井技术的不断发展，80年代大位移井才得到快速发展，九十年代以来，大位移井已经在油气勘探和开发中显示出其巨大的潜力。美国、挪威、澳大利亚、英国等几个国家先后钻成了一批有代表性的大位移井，位移与垂深之比大多都大于2，有的大于5，并取得了很好的经济效益。Unocal公司在美国加利福尼压近海Dos Cuadras油田C平台上成功地钻了9口非常浅的水平位移很长的油井。其中C-29井和C-30井创造了当时的最高纪录。井高峰日产量吨天，储层内长度米，总垂深层米，水平位移米，位移、垂深比.井储层内长度米，垂深与位移之比达到了.。英国石油公司和斯伦贝谢公司在北海Wytch Farm油田成功地钻了数口大位移水平井，开创了利用大位移井技术开发整装油田的范例。其中年完成的井水平位移米，总井深米，水平位移、垂深比创当时欧洲纪录。石油公司于年月在英国南部的Wytch Farm油田完成的井是目前世界上水平位移最大的大位移井，其水平位移达米，日产量高达，b/d1997年6月，中国海洋石油总公司与美国菲理普石油公司合作在南海东部完成了一口当时世界上水平位移最长的水平井西江24-3-A14井，完钻井深9238米，垂深2985米水平位移8062.7米。大港油田利用国内技术于1991年独立完成了国内第一口大位移定向井张17-1井，测量井深3919.82米，垂深3000米，水平位移2279.83米。年完成的QK18-1井，该井井深米，位移米，是目前国内独立完成的水平位移最大的井。胜利油田共钻过六口大位移井，其中年完成的郭斜井，测量井深米，垂深.米，水平位移达到.米,水平位移与垂深之比达到.，创我国目前水平位移垂深比最高纪录。第二节 大位移井的井身轨迹设计大位移井井身轨迹剖面主要采用悬链线或准悬链线剖面。悬链线剖面是由Edward O.Anders于1984年提出的，该剖面基于这样一假设：由于全井钻柱很长，而且有很大的长径比，所以钻柱在井下的整体刚度很小，可以把钻柱看成一根柔索。把一根柔索的两端悬挂起来，所呈现的形状即为悬链线。如果将井眼轨道也设计成悬链线，那末在一定条件下钻柱在井内将呈现悬空趋势，这样钻柱与井壁几乎不接触。与常规圆弧剖面相比，悬链线剖面具有以下几个优点： 井内钻柱达到一定长度后，当施加拉力时，其内部的张力将促使钻柱脱离下井壁，在井眼内有居中的趋势，从而大大降低了摩擦阻力摩擦力矩，减少了钻柱及套管的磨损。 由于悬链线井段的井斜角是缓慢递增的，所以可以使用比常规钻井更高的钻压，连续增斜钻大目标点，有利于提高钻速。 由于井眼曲率是连续变化的，且随井深的增加，其变化也比较缓慢，所以使钻柱在井下的受力状况得到改善，减少了钻柱的疲劳破坏，同时减少了出现键槽的机会。 在悬链线井眼中，有利于套管居中，给提高固井质量提供了有利条件。 由于悬链线上任何一点的切线都不可能是铅垂的，这就使得悬链线井段无法与直井相切，必须作圆弧过度，于是降低了悬链线的实际应用效果。而侧位悬链线上端点与纵轴夹角为零，将该点与造斜点重合，就不需要圆弧过度，从而达到理想的效果。下面着重介绍侧位悬链线剖面的设计。21侧位悬链线剖面的设计方法1、 轨道关键参数的计算 如图2所示，所谓轨道关键参数，就是在设计计算的轨道未知数中，需首先求出的参数，只要求出这些参数，轨道上的所有参数都可求得。一般情况下，b和LW为关键参数，可按下述两种情况设计：（1） 已知b求LWLw= (1 )（2） 已知LW，求b， = (2) 方程（2）中，只有1个未知数b ,通过迭代运算可以求得b ,用下式计算悬链线特征参数a a= (3)求出轨道的关键参数和悬链线特征参数后，就可进行轨道节点和分点参数的计算。 2.节点参数的计算 设计轨道是由垂直段、造斜段和稳斜段组成，相邻两个设计井段的分界点称为节点。对于侧位悬链线轨道而言，和b为节点，其中造斜点的参数已知，下面计算b点的井深、垂深和水平位移 Lb=Da+atgab (4) Db=Da+ alntg (5) Sb=a (6)3.分点参数的计算 各井段内，以上节点为始点，每隔30m为一个分点，每个分点需计算的参数有井深、井斜角、垂深、水平位移、东西坐标、南北坐标和造斜率7项。（1）造斜点以上的垂直井段不作分点计算。 （2）分点井深、井斜角、垂深、水平位移计算公式分述如下： 侧立悬链线段 Li=Da+Li (7) i=tg-1 (8) Di=Da+ alntg (9) Si= a (10)稳斜段 Li=Lb+Li (11) ai=ab (12) Di=DB+Licosab (13) Si=SB+Lisinab (14)分点东西坐标和南北坐标以及分段平均造斜率的计算 Ni=Sicosq0 (15) Ei=Sisinq0 (16) Ki= (17). 不同轨道类型的对比某井目标电垂深米，水平位移米，造斜点垂深米，造斜点以上为直井段，给定稳斜段井斜角为，设计方位角为，摩阻系数，井眼直径mm;钻井液密度g/cm3，钻压KN,钻进时转速r/min;机械钻速米小时悬链线轨道和剖抛物线轨道过度段的造斜率为米，利用四种曲线分别进行轨道设计，再利用摩阻扭矩软件，对滑动钻进,旋转钻进和起钻三钟工况下的摩阻扭矩分别计算，然后进行比较分析，结果见下表四种不同轨道类型的比较从表中可以看到： 与其它三种轨道相比，侧位悬链线轨道的摩阻、扭矩和井眼长度最小，因此，侧位悬链线偶比圆弧线、悬链线和二次抛物线要好; 悬链线和二次抛物线轨道的最大曲率很大，易导致套管磨损及其它事故的第三节 大位移井钻井关键技术大位移井钻井的关键技术主要包括以下几个方面：优化井眼设计、钻柱设计、降低摩阻和扭矩、井壁稳定及井眼净化、控制钻柱震动以及下套管等3.1优化井眼设计合理的井眼轨迹和井身结构设计是大位移井成功的第一步，在设计大位移井井眼轨迹时，应考虑尽量降低摩阻及井眼弯曲程度，目前比较流行的设计剖面是准悬链线剖面，因为该剖面扭矩和摩阻低，且造斜率较低。3.2钻柱设计大扭矩的顶部驱动系统需要使用高强度的钻柱，除此以外，国外大位移井钻井还采用了大扭矩接头、高扭矩丝扣油以及接头应力平衡等技术来提高钻柱的抗扭能力。3.3降低扭矩和摩阻通过使用高润滑性的泥浆、不旋转钻杆保护器和实时监测井下扭矩及摩阻可大大降低钻进时的扭矩和摩阻。3.4 井壁稳定及井眼清洁在大位移井特别是在大斜度井段确保井眼稳定是非常重要的。关键是要设计好泥浆比重，采用抑制性良好的泥浆；估计出井壁周围岩石的原地应力、最大水平应力方向和最小水平应力方向将有助于泥浆比重的设计。酯基泥浆和高含钾泥浆在大位移井中都得到了很好的应用。3.5 控制钻柱震动在大位移井钻进时常会发生扭转现象，严重影响钻头寿命、钻柱性能和钻速、甚至旋转钻井能力，旋转反馈系统可以监测和减少扭转震动，井下加速度计可实时监测井下钻柱的横向震动。第四节 大位移井的摩阻和扭矩计算 在大位移延伸井的钻井过程中，由于钻具与井壁之间存在磨擦力，使井眼沿水平方向的位移受到限制。摩阻是指钻具的净重量与下钻载荷之间的差距；扭矩是佛转盘提供的扭矩与钻头工作扭矩差值。在钻进过程中，摩阻和扭矩是同时存在的，而且也是大位移井和水平井钻井过程中必须有效克服的关键技术和根本性的问题。大位移井钻井技术中与其它井的不同之处，或者说大位移井特殊工艺技术，大多数是由此而引出的，或者说都是与之密切相关的。1、 摩阻、扭矩对大位移井的影响（1） 、设计大位移井井身剖面时要考虑使用到摩阻、扭矩最小；（2） 、确定对钻机能力的需求；（3） 、设计钻具和下部钻具组合；（4） 、监控井眼磨擦系数以防止钻井的复杂情况；（5） 、选择井底完井工具，并确定能否转动安们；（6） 、计算注水泥过程旋转和上下浮动时的尾管连接部位的摩阻碍和扭矩；（7） 、计算狗腿部位的套管磨损；（8） 、调整狗腿严重度的极限； （9） 、确定钻柱、套管或软管是否会纵压弯曲；（10） 、计算利用定向井下动力钻具所能钻达的最大横向井段长度；确定在长的水平井段中能否加足够的钻压。综上所述，摩阻和扭矩的大小和计算，对大位移井的设计和施工都有着至关重要的作用，是大位移井的关键技术。者说 2、 摩阻碍扭矩的理论计算模型；这种理论计算模型是以假定条件为基础的，即作用于钻柱的载荷完全是由策略及钻柱与井壁接触引起的摩阻力的作用所构成的。如图示：这些摩阻力是由于钻柱子与井眼之间的法向力和磨擦系数所开成的。 模型考虑了钻柱是由于连接的短节组成的，并传递拉力，但没有考虑弯矩。在分析计算每一段时，第一项要求是对法向力N值进行计算。如下式： N= （1） 然后计算拉伸增量如下： （2） F=Fn （3） 或 （4） 此式中，正符合用于提运动（意思是轴向摩阻碍力加到重力效应上去），现时符号用于下效应运动（意思是从重力效应中减去轴向摩阻碍力）。 在钻柱旋转时，没有磨擦力影响（f=0），所以（4）简化为 （5） 当旋转时，摩阻力对扭矩增量的影响如下： （6） 式中：f=磨擦系数 R=单元有效半经 F=轴向磨擦力 =井斜角 M=扭矩 =方位角 N=法向力当钻具旋转与上下活动同时发生时，轴向摩阻碍力明显减少。这是因为，同速度知量分解为分量的方法一样，磨擦知量分解 为轴向和径向分量。VC-周向分量VA-轴向分量VR-合成速度影响摩阻、扭矩的因素：从摩阻碍、扭矩的理论计算模式中我们可以看出，影响正常摩阻碍、扭矩的因素主要有：（1） 、井斜的大小和方位变化，即和（2） 、钻具重量，即W。（3） 、进壁泥磨擦系数，即f，（4） 、井深，即L也就是说，摩阻扭矩与井斜角，方位变化，钻具重W和泥饼f成正比，现时且随井深L增加，累积的摩阻碍和扭矩越大。大伴移井由于井斜较大，斜井深，摩阻碍和扭矩也很大。随着井深增加（尤其是水平井位移增加），摩阻和扭矩也越来越大，直到过到钻具或钻机能力的极限。因此，摩阻和扭矩是制约大位移井水平位移的最主要因素。是大位移井设计钻井中最关键的因素。3、降低摩阻和扭矩的方法和途径1） 采用最优手井身剖面 理论研究表明，悬链线式井身剖面可以有效地减少摩阻碍和扭矩，但实际上达到纯悬链线式井身剖面是困难的，只能是准悬链线式井身剖面。2） 优化井身结构的设计 严格选择下套管方案，采用套管悬浮和尾管转动等技术。使用顶部驱动等设备。3） 使用适合于大位移井的优质钻井液 钻井液必须具有良好的携岩能力、抑制和润滑性，才能保证井眼稳定、畅通，其中润滑性是影响大位移井摩阻碍和扭知的一个重要参数，尤其值得注意。经现场实验证明，油基钻井液比水基钻井液在润滑性能上具有较大优势。4） 使用减少扭矩的工具 使用橡胶或塑料滑套的不转动钻某些护箍可以有效地减少扭矩。使用高强度轻质钻杆和可调钻柱稳定器等专用井下工具。第五节 钻大位移井对装备的要求在大位移井钻井过程中，由于钻具与井壁之间的摩擦力，使井眼沿水平方向的位移受到限制，这种摩擦力也称为摩阻，它是钻具的净重与起下钻动载荷的差值，而扭矩是转盘提供的扭矩与钻头上扭矩的差值。钻井过程中摩阻和扭矩往往同时存在，所以大位移井克服摩阻和扭矩的问题成为钻大位移井的关键技术。当然形成摩阻和扭矩的原因很多，如键槽、粘卡、井眼不稳定、沉砂、钻具的侧向力等。由此可见，随着大位移井位移的增加，井下的摩阻和扭矩也大幅度增加，井眼的稳定与净化问题也随之突出，所以大位移井钻井对设备、井下钻具、钻井液及净化设备提出了较高的要求。同时由于位移的增大，井眼轨迹测量须选用复合方式，方能取得较好的效益。1） 钻机设备的配套和要求根据国外成功的经验，大位移井适合海上和滩海油气田的勘探开发，而钻机设备应选择负荷能力较大、操作性能较好的电动钻机，并安装顶驱设备。就我国内陆油气田目前的状况来看，钻机仍以ZJ32和ZJ45两种型号为主，已无法满足大位移钻井的要求，必须选择新型钻机或对现有钻机进行技术改造，配套检测仪表，安装顶驱设备，对于浅层大位移井可以引进使用动力水龙头。配备三台F1600大功率泥浆泵保证大排量和高泵压的循环能力，采用先进高性能的固控设备，确保钻井夜的净化效果。2） 可靠的井下工具 为了避免在大扭矩和大的摩阻情况下引起钻具破坏，大位移井钻井应选择使用高强度钻杆和钻杆接头，国外某些大位移井施工中采用了铝合金或钛合金的轻质钻杆。为了有效地加压钻进、控制井眼轨迹和减少摩阻，在大位移井中需要使用可控稳定器、非转动钻杆保护器、液力加压器等特殊井下工具。3） 优质钻井液和井壁稳定及井眼清洁 大位移井施工中的井眼稳定是非常重要的，井壁的稳定性赖于钻井液性能，高效泥浆必须具有良好的携岩能力、抑制性和润滑性，才能保证井眼的正常施工。大位移井井眼清洁主要参数是钻井液的携岩性能和排量。钻井液水力参数、流变性、固控设备和必要的技术措施（如短起下等）也是井眼净化的关键。4） 井眼测量 大位移井施工的目的是通过测量仪器来控制井眼轨道，最大限度地钻穿产层。有线随钻测量和无线随钻测量已在深井、超深水平井中得到成功的应用，在浅层井段和增斜段选用有线随钻测量配合电子多点测量即能满足精度要求，又能有效的控制井身轨迹，在深井井段及水平段采用导向钻具配合MWD，缩短测量时间，提高钻井速度，从而也可以缩短