水平井钻井技术研究多媒体 PPT课件

1 水平井钻井工艺技术 钻井工艺研究所 2 一 水平井基本术语二 水平井剖面设计三 水平井环空携砂效果分析四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术五 轨道控制方案设计 汇报提纲 3 汇报提纲 一 水平井基本术语二 水平井剖面设计三 水平井环空携砂效果分析四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术五 轨道控制方案设计 4 1 水平井基本概念 2 水平井基本术语 一 水平井基本术语 3 水平井的基本类型 4 水平井常用剖面类型 5 基本概念和控制指标 5 1 水平井基本概念 通常人们把进入油气层井眼的井斜角不低于86 的井段称为水平井段 能沿油层走向形成这种水平位移的特殊定向井归纳为水平井 它主要被广泛应用到下列几方面 可减少油田开发过程中水锥 气锥问题 可开发低渗透致密油藏和重油 可开发天然裂缝性油藏 边水驱动和气驱动油藏 不易钻探的油藏 热采应用 低产能油藏 不规则油藏及薄层油藏 6 2 水平井基本术语 入靶点 是指地质设计规定的目标起始点 终止点 是指地质设计规定的目标结束点 靶前位移 是指入靶点的水平位移 水平段长 入靶点与终止点的轨道长度 梯形靶 即纵向为a米 横向b米的夹角内 圆柱靶 即沿水平段设计井眼轴线的半径为R米的圆柱 矩形靶 即纵向为a米 横向为b的长方体 水平井除具有普通定向井的一些基础的技术术语外 其本身的特点仍有下面的一些基本术语 7 3 水平井的基本类型 水平井的分类通常按造斜率 或曲率半径 分为三种类型 长半径水平井 造斜率K300m 中半径水平井 造斜率K 6 20 30m 曲率半径R 100 300m 短半径水平井 造斜率K 5 l0 30m 曲率半径R 6 l2m 造斜率K 1 5 3 在6 18m 的过程中由垂直变为水平 8 4 水平井常用剖面类型 水平井常用的剖面主要有下列四种 双增稳剖面 即直井段一增斜段一稳斜段一增斜段一水平段 双增剖面 即直井段 增斜段 增斜段一水平段 三段制剖面 即直井段一增斜段一水平段 三增剖面 即直井段一增斜段一增斜段一增斜段一水平段 9 5 基本概念和控制指标 水平井设计轨道示意图 水平井实钻示意图 10 一 水平井基本术语二 水平井剖面设计三 水平井环空携砂效果分析四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术五 轨道控制方案设计 汇报提纲 11 1 水平井剖面设计内容 二 水平井剖面设计 2 水平井剖面设计要求与类型 3 水平井双增形轨道设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 12 水平井剖面设计原则 地质提供入靶点止靶点三维坐标数据 计算水平段长 水平段稳斜角及设计方位角 确定剖面类型 并考虑第一次增斜角的范围 确定水平井钻井方法及造斜率 选择合适的靶前位移 初步计算井身剖面分段数据 对剖面进行摩阻 扭矩计算分析 选取摩阻及扭矩最小的剖面 根据剖面靶前位移及设计方位 计算井口坐标 到施工现场落实井位 复测井口坐标 对设计方位及剖面进行微调 完成剖面设计 二 水平井剖面设计 1 水平井剖面设计内容 13 水平井剖面设计的原理和方法 水平段的数据计算 增斜段的考虑因素 设计方法 数据计算 二 水平井剖面设计 稳斜段设计方法 考虑因素及数据计算 1 水平井剖面设计内容 14 二 水平井剖面设计 可行的最简单造斜曲线是从造斜点井斜接近零度时开始 以单一连续的弧钻进到90 井斜的单一均匀曲线 如果马达造斜钻具增斜特性的变化小于水平目标区的容许误差 那么这一设计便是最佳设计 由于大多数马达造斜钻具增斜特性的变化和误差都大大地超过水平目标区的允许误差 为了补偿这些变化和误差 就有必要在造斜井段设计增加一段调节用的斜直井段 2 水平井剖面设计要求与类型 剖面设计要求 15 二 水平井剖面设计 单曲率 斜直剖面的设计 2 水平井剖面设计要求与类型 水平剖面设计类型 变曲率一斜直剖面设计 理想造斜曲率剖面设计 16 思路和方法如下 1 根据窗底垂深Hx和最小造斜率Kx以及和初始惊斜角和入靶井斜角 可以设计一条单增轨道 此轨道可称为下界轨道 据此可以算出造斜点垂深和井口位置 2 根据造斜点位置和窗顶垂深 最高造斜率以及和初始惊斜角和入靶井斜角 可以设计一条双增轨道 此轨道称为上界轨道 3 由于实钻造斜率Kt在Kx和Ks之间 实钻轨迹必然在下界轨道和上界轨道之间 钻达目标窗口时的进入点必须在窗顶1点和窗底2点之间 所以实际设计的轨道也是一条双增轨道 二 水平井剖面设计 3 水平井双增形轨道设计 平行切线法设计双增轨道 17 二 水平井剖面设计 3 水平井双增形轨道设计 18 最理想的进入点应该与窗口中心重合 设计的目标井段应该与目标中心线重合 平行切线法做不到这点 不同的实钻造斜率 就有不同的进入点 平行切线法设计双增仇道 虽然可以保证进入点在窗口以内 却无法使进入点达到最优 二 水平井剖面设计 3 水平井双增形轨道设计 最优进入法设计双增轨道 19 目标垂深的不准确和工具造斜率的不准确 在水平井钻井中是普遍存在的 这使水平井井眼准确进入目标窗口的难度大大增加 甚至导致脱靶 本文按照这两个不准确是否存在 提出四种组合情况 并针对每种组合情况提出解决不准确问题的基本思路和方法 研究表明 用最低造斜率的曲率半径和窗底可能滞后的最大垂深来计算第一造斜点的垂深和窗心水平位移 采用双增轨道 设计出最佳稳斜角 在钻进中及时发现标志层或油层顶界面等方法 可以解决两个不准确问题 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 20 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 目标垂深和造斜率两个都准确 这种情况多见于老井侧钻的短半径水平井 也是水平井轨道设计中最简单的情况 如下图所示 21 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 22 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 目标垂深准确而造斜率不准确 造斜率不准确 在中 长半径水平井中大量存在 是指实际造斜率有个变化范围 即Kx K Ks对应的曲率半径为Rx R Rs 为了保证在给定的造斜范围内不致脱靶 应根据R和HE设计一条双增轨道求出Ha和SE从而确定造斜点和井口的位置 然后根据Ha和SE及预计的R1和R2设计一条双增轨道 这样 不管造斜率如何变化 在施工时只要调整稳斜角和稳斜段长度 即可保证进靶 23 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 24 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 造斜率准确而目标垂深不准确 在使用导向钻井系统的中 长半径水平井中 常会遇到造斜率准确而目标垂深不准确的情况 25 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 26 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 目标垂深和造斜率都不准确 目标垂深和造斜率都不准确的情况最具有普遍性 而且从设计到施工都是难度最大的 27 二 水平井剖面设计 4 两个不准确条件下的水平井轨道设计 28 汇报提纲 一 水平井基本术语二 水平井剖面设计三 水平井环空携砂效果分析四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术五 轨道控制方案设计 29 三 水平井环空携砂效果分析 1 水平井作业中遇到的洗井问题 2 水平井钻井中钻井液流变参数的合理范围 4 水平井钻井水力参数的设计方法 3 钻井液流变参数合理范围的标准 30 从直井段到斜井段至水平井段 岩屑在环空中运移规律表现出明显的不同 基本上可用井斜角表示 即0 30 30 60 60 90 称为第一洗井区 第二洗井区 第三洗井区 理论分析认为在三个冼井区中 第一洗井区用层流携岩最佳 第三洗井区用紊流携岩最佳 第二洗井区层紊流和均可 但对于现场实际情况 由于大斜度井段和水平井段钻进时使用动力钻具 而动力钻具又受到大排量的限制 所以环空很难达到紊流流态 大量文献资料表明 环空返速是影响环空携岩的主要因素 因此 对一口水平井来讲关键是合理设计返速 水平井作业中遇到的洗井问题 三 水平井环空携砂效果分析 31 水平井钻井中钻井液流变参数的合理范围 三 水平井环空携砂效果分析 1 第一洗井区 0 30 在此洗井区基本类似直井携岩情况 从保证井眼净化要求这一角度 只要能够保证下列式子成立 就能够安全地钻进 32 三 水平井环空携砂效果分析 2 第二洗井区 30 60 在该倾角范围内 大部分岩屑沉聚在下井壁 形成岩屑床 宏观上讲环空内的流动状态为非均称悬浮 岩屑以移动床 固定床形式出现 微观上讲床层表面的岩屑颗粒以悬浮 跃移 层移的形式沿井轴向上运动 在第二洗井区 如果由于其它原因环空返速较小 如采用动力钻具 额定排量小 那么从清洗环空的角度来讲 在具体的钻井条件许可的情况下 宜采用高限的流变参数来提高钻井液的携岩能力 33 三 水平井环空携砂效果分析 3 第三洗井区 60 90 在大斜度环空井眼内 岩屑的形成是必然的 宏观上岩屑以固定模型出现 也就是说在此倾角范围内 不存在岩屑床下滑问题 钻井液流变参数对携岩效果的影响基本上与第二洗井区相似 大斜度井段的岩屑运移不再完全依赖于钻井液的引力 所以用固相颗粒下沉速度来预测井况就不合适 大斜度井中的岩屑在井眼底侧形成了岩屑床 一旦形成 钻具将不同程度地嵌埋进去 岩屑床越厚 越易造成卡钻事故 这就要求钻井液具有适宜的静切力和屈服值 使岩屑在水平段 大斜度井眼环空中形成非均相浮体 达到携岩的效果 34 三 水平井环空携砂效果分析 在直井段或者近直井段 亦即在第一洗井区 判断井眼环空是否干净 表征钻井液携岩能力大小的标准是岩屑运移比 但在斜井段和大斜度井段钻井液携岩能力的评估 原因是由于在斜井段和大斜度段岩屑下沉速度和钻井液平均上返速度矢量不在同一方向上 所以仍按直井段或近直井段携岩效果好坏的标准来计算是不科学的 钻井液流变参数合理范围的标准 35 三 水平井环空携砂效果分析 国内外许多学者提出了关于斜井的环空携岩效果好坏的标准 有的用岩屑床高度 岩屑床面积 有的用不淤积临界流速 最小环空返速等 对于现场来说 振动筛筛面滤去的岩屑量与钻进速度相比正常 钻井液各种性能稳定 水平井钻井工况正常 地质录井捞取的砂样各层位界限明显纯净 无混杂 泥岩和砂岩的岩屑分隔清晰 36 三 水平井环空携砂效果分析 第一洗井区水力参数设计方法 水平井钻井水力参数的设计方法 第二洗井区水力参数设计方法 37 三 水平井环空携砂效果分析 第三洗井区水力参数设计方法 1 根据每趟钻设计的钻具组合给出钻具在环空中的偏心度大小 2 根据钻机设备条件确定转盘钻具钻进时的转速 3 根据大斜度井段 水平段钻井液流变参数的设计方案 计算出有效粘度的大小和钻井液密度的大小 4 根据钻大斜度井段水平段邻近井的岩屑录井或密度测井资料 确定岩屑密度的大小 5 设计所钻层位钻时大小 6 设计岩屑在环空中的浓度 7 用经验公式计算合理返速 38 一 水平井基本术语二 水平井剖面设计三 水平井环空携砂效果分析四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术五 轨道控制方案设计 汇报提纲 39 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 1 以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制模式 2 以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制模式 40 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制模式 充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术 严格的将造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许范围之内 快速优质地钻完该井段 定向造斜段的施工用常规动力钻具 弯接头或单弯动力钻具的方式进行 应选择合适的弯接头或弯壳体度数 使实际造斜率尽可能地接近设计造斜率 井斜角应达到10一l5 换转盘钻进 以利于待钻井段增斜和方位的稳定 41 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 根据设计增斜率选择合适的转盘增斜钻具组合增斜钻进 并根据实际增斜率及时调整钻井参数或更换钻具组合 必要时用动力钻具进行井斜角和方位角的修正 使之满足轨迹点的位置和矢量方向的综合控制 在转盘钻钻具组合的钻进过程中 要经常短起下钻和交叉接力循环 以铲除岩屑床和修理井壁 长半径水平井更应如此 42 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 长半径水平井的水平段相对较短 可以转盘钻具组合为主要钻进方式 但必须利用水平井的摩阻计算程序进行钻具组合的倒装设计 并采用大排量来提高携岩能力 备用一套DTU导向钻具或者1 左右的单弯动力钻具 以弥补转盘钻钻具组合的意外失控 用这种方式钻中半径水平井的水平段 由于摩阻和扭矩都比长半径水平井小 可以更为安全地钻出更长的水平段 43 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 以动力钻为主的水平井井眼轨迹控制模式 直井段与转盘钻模式相同 对入靶前地层较稳定的水平井 造斜段的施工以弯壳体动力钻具为主要钻进方式 以转盘钻具组合通井铲除岩屑床和修整井眼 并完成稳斜段或造斜率较低的调整段 以二至三套钻具组合在二至三趟钻内钻完0 90 造斜段 44 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 对入靶前地层稳定性较差的水平井 造斜段的施工以单弯动力钻具与转盘钻具组合相结合的钻进方式 用动力钻具在易造斜井段按设计先打出高造斜率 再用转盘钻具组合钻掉可钻性差的井段 即后打出低造斜率 对设计造斜率较低的疏松地层 在采用动力钻具或转盘钻具组合时 都应当使用比正常井段造斜率高一级的钻具组合来完成 对地质设计靶区垂深误差要求在5一10m 而平面误差大于5m的水平探井和水平开发井 以转盘钻钻具组合为主要钻进方式 可采用大排量来提高携岩能力 以两套转盘钻钻具组合用二至三趟钻钻完500m左右的水平井段 应备用一套DTU导向钻具或1 左右的单弯动力钻具 以弥补转盘钻钻具组合的意外失控 45 四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术 对地质设计靶区垂深误差要求在5m之内 而平面误差也小于5m的水平穿巷道井 采用DTU导向钻具或1 左右的单弯动力钻具与转盘钻钻具组合相结合的方式钻水平段 46 一 水平井基本术语二 水平井剖面设计三 水平井环空携砂效果分析四 水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术五