复杂结构井的概念及其它

1、二二一三年八月一三年八月复杂结构井钻完复杂结构井钻完井设计井设计邵长明;Email:Tel在多年的石油开发实践中，人们一直在探秘高效开发油气藏的有效途径。于是，定向井、水平井等复杂结构井及旋转导向、地质导向等先进钻井技术相继得到开发应用，并在生产实践中发挥了巨大的作用，为进一步丰富油气藏开发手段、提高油气藏开发利用率和采收率创造了条件。 前言前言 定向井、水平井、大位移井等复杂结构井的实施除涵盖直井的项目外，还要进行以下专项设计及控制技术n总体优化技术 n实现轨道的相关工艺技术n完井技术前言n轨道优化设计控制技术内容内容一、复杂结构井的概念及特点一、复杂结构井的概念

2、及特点二、携岩机理及影响因素分析二、携岩机理及影响因素分析三、优快钻井的思路及关键环节三、优快钻井的思路及关键环节四、关键项目的设计方法四、关键项目的设计方法一、复杂结构井的概念及特点一、复杂结构井的概念及特点 定向井：按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻井的井。水平井属于定向井家族的分支，它的最基本特点是设计的井眼轨迹同油层的走向基本一致。其最大井斜度达到85以上、且在目的层内维持一定长度的水平或近水平井段。 大位移井主要是指位垂比大于2的定向井或水平井。常规水平井目前已经形成配套的工艺技术，为油田的勘探、开发提供了技术支持。水平井特别是长水平段水平井、大位移定向井与常规的直井、

3、普通定向井无论在设计技术还是施工工艺上都有很大的差异。基本概念1.钻柱起钻负荷大，下钻阻力大2.滑动钻进时加不上钻压，轨迹控制难度大，钻井施工困难，钻速低；3.旋转钻进时扭矩大，导致钻柱强度破坏；4.钻柱与套管摩擦，套管磨损严重，甚至被磨穿；5.完井管柱下入困难，甚至下不到底，完井工艺复杂。Torque (kN-m)051015202530354045Measured Depth (m)01000200030004000L E G E N DTorque LimitRotate On BottomRotate Off BottomTripping OutTripping InSlide Dri

4、lling特点特点管柱在井内的摩阻、扭矩问题一、复杂结构井的概念及特点一、复杂结构井的概念及特点原因：井眼不易清洁 造成井眼清洁问题的因素主要包括：1.水平井井斜角大，岩屑在自重作用下下沉，很容易形成岩屑床；2.长水平段水平井岩屑上返过程中，路程长。直井及普通定向井相关的工艺措施对水平井及大斜度定向井不适用，为什么？需从携岩机理予以探讨！营营31-331-3Y31-2Y31-3一、复杂结构井的概念及特点一、复杂结构井的概念及特点内容内容一、复杂结构井的概念及特点一、复杂结构井的概念及特点二、携岩机理及影响因素分析二、携岩机理及影响因素分析三、优快钻井的思路及关键环节三、优快钻井的思路及关键环节

5、四、关键项目的设计方法四、关键项目的设计方法岩屑运动045045 井筒中岩屑抵消钻屑滑移速度带到地表，此时钻屑需要降落上千米才能到达井底。井眼清洁通过钻井液的流变性和流速来维持。当泥浆泵关闭时，岩屑通过粘性钻井液悬浮，同时一些岩屑会沉淀。携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析45 65在45到65的井斜角范围内，岩屑开始形成一个岩屑床，钻屑降落数英寸到井筒截面底部，岩屑大多通过井筒低端运移出井，但是岩屑可以较容易地被搅起来到流动区内。这个井斜范围内最显著的特点是，当停泵时这些岩屑床会滑移至井底。与直井相比，这明显改变了井眼清洁措施。岩屑运动携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析65

6、 90出现了一个完全不同的作业环境。此时钻屑落到井眼低端形成了一个长的连续的岩屑床，钻井液在钻柱上部运移，此时需要通过人工搅动来移动钻屑（不管泥浆的粘度和流速）。尽管岩屑床崩塌的难题消失了，这个环境下井眼清洁更困难（即时间的消耗）。岩屑运动携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析井眼清洗AREA OFHIGHEST FLOWDEADZONEDEADZONEDRILLPIPEHole Cross Section in High Angle Hole - No RotationCuttings BedAREA OFHIGHEST FLOWDRILLPIPEHole Cross Section

7、in High Angle Hole with RotationDrill pipe rotationthrows cuttings intohigh flow areaDEADZONE 在大井斜或水平井眼内，钻具不转动时，钻屑下落，离开高速液流区钻具在转动时，将下落的钻屑，抛进高速液流区携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析井眼尺寸：由于环空返速更低大的井眼尺寸会更难清洁，这在小尺寸清洗面积中也必须考虑到。大小井眼的定义 PHAR3.25属大井眼；PHAR3.25属小井眼钻柱设计：钻柱设计直接影响流速，钻柱设计可以改变而提高井眼清洁，通过改进水力学特性并有效的激起岩屑。井眼轨迹：控制在

8、岩屑运移出井筒的过程中遇到各种流型的类型和位置。22phharddP影响岩屑运移因素分析携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析推荐的钻具最低转动速度钻具转速与井眼清洗实验曲线钻进时保持井眼清洁，比清洗脏的井眼更安全，容易，有效影响岩屑运移因素分析携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析表观粘度对岩屑清除的影响携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析塑性粘度对岩屑清除的影响携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析屈服值对岩屑清除的影响携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析动塑比对岩屑清除的影响携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析岩屑尺寸对岩屑清除的影响携岩机理及影

9、响因素分析携岩机理及影响因素分析岩屑浓度对于岩屑清除的影响携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析环空返速对于岩屑清除的影响00.10.20.30.40.502000400060008000h/Dt/s低环空返速低环空返速高环空返速高环空返速空返速分别是vt=0.6m/s（较低环空返速）和vt=1.2m/s（较高环空返速）情况下，岩屑床高度随时间的变化情况。从图中可以看出，如果环空返速较低，只有部分岩屑被除去。随着钻井液流速的增加至一定程度，岩屑床可以完全被除去。在高流速时在5000s后，井段的大部分岩屑均被除去。因此，在一定流速条件下，长时间循环钻井液可以完全除去岩屑床。携岩机理及影响因

10、素分析携岩机理及影响因素分析影响岩屑运移因素分析流速：一般的规律是流速要与需要的一致，与当量循环密度相关的限制一致，但是要尽量使用最大流速。转速：管柱旋转对于井眼清洁十分必要，在实际操作中尽可能旋转钻柱。泥浆抑制剂和岩性：泥浆抑制剂和岩性不但影响钻屑量也影响井眼尺寸和形状以及岩屑尺寸。泥浆流变性：对大位移井理想的泥浆流变性非常复杂。建议使用6的读数。钻头和井底钻具组合选择：这可能是最重要也最不起眼的要素，通过影响流速、允许转速，钻井操作和钻井参数，从而影响井眼清洁。井壁稳定：井壁不稳定会产生井壁掉块，或者缩径等问题从而影响清洁。携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析井眼清洗的主要因素：

11、井身几何形状环空流速钻具转速钻井液性能机械钻速携岩机理及影响因素分析携岩机理及影响因素分析关键钻井设计内容：井眼轨道设计井身结构设计钻具组合及参数设计 完井设计核心是保持井眼清洁和井壁稳定内容内容一、复杂结构井的概念及特点一、复杂结构井的概念及特点二、携岩机理及影响因素分析二、携岩机理及影响因素分析三、优快钻井的思路及关键环节三、优快钻井的思路及关键环节四、关键项目的设计方法四、关键项目的设计方法钻井工程钻井工程油藏工程油藏工程采油工程采油工程地面工程地面工程油田总体效益最高油田总体效益最高储量、产量储量、产量钻井成本钻井成本采油作业成本采油作业成本地面建设成本地面建设成本若地面建设成本高，或

12、采油操作成本高，应采用若地面建设成本高，或采油操作成本高，应采用丛式井组丛式井组。优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节丛式井整体优化丛式井整体优化优化丛式井组数量优化丛式井组数量井场位置井场位置井场面积、井排数量，优化排距、井距井场面积、井排数量，优化排距、井距单台控制井数、井距，优化单台钻井顺序。单台控制井数、井距，优化单台钻井顺序。-1225-1050-875-700-525-350-1750175350525700South(-)/North(+) (350 m/in)-2100-1925-1750-1575-1400-1225-1050-875-700-525-350-17

13、501753505257008751050122514001575175019252100227524502625280029753150West(-)/East(+) (350 m/in)KD12-X12KD12-X15KD12-X17KD12-X19KD12-X20KD12-X21KD12-X22KD12-X24KD12-X30KD12-X32KD12-X34KD12-X38KD12-X43KD12-X45KD12-X47KD12-X73KD12-X75KD12-X8KD12-X83KD12-X13KD12-X16KD12-X18KD12-X28KD12-X36KD12-X39KD12-X

14、44KD12-X6KD12-X71KD12-X79KD12-X11KD12-X33KD12-X35KD12-X37KD12-X40KD12-X42KD12-X46KD12-X48KD12-X5KD12-X50KD12-X61KD12-X63KD12-X65KD12-X67KD12-X7KD12-X902-KD12-2302-KD12-2303-KD12-2605-KD12-X10206-KD12-5107-KD12-2508-KD12-5309-KD12-8510-KD12-2711-KD12-8712-KD12-5513-KD12-8914-KD12-2915-KD12-9116-KD12-

15、5717-KD12-3118-KD12-59KD12-X100175350525700875105012251400True Vertical Depth (350 m/in)-2100-1925-1750-1575-1400-1225-1050-875-700-525-350-17501753505257008751050122514001575175019252100227524502625280029753150Vertical Section at 90.00 (350 m/in)KD12-X12KD12-X14KD12-X15KD12-X17KD12-X19KD12-X21KD12-

16、X24KD12-X30KD12-X43KD12-X8KD12-X83KD12-X13KD12-X16KD12-X44KD12-X71KD12-X11KD12-X33KD12-X35KD12-X37KD12-X42KD12-X46KD12-X5KD12-X50KD12-X61KD12-X63KD12-X67KD12-X701-KD12-P202-KD12-2304-KD12-4905-KD12-X10207-KD12-2508-KD12-5309-KD12-8510-KD12-2711-KD12-8713-KD12-8914-KD12-2915-KD12-9117-KD12-3118-KD12-

17、59KD12-X10优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节老老168168块位于胜利老河口油田北部，其南与桩块位于胜利老河口油田北部，其南与桩106106块相邻，东部为老块相邻，东部为老163163块。块。该地区水深该地区水深2m2m左右，距海岸线约左右，距海岸线约2 24 km4 km。例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节u老168区块，计划采用2个平台，优化后使用一个平台。节省了一个人工岛及进海路建设，仅钻前成本就节约8000余万元；丛式井组钻井平台位置数、量优选丛式井组钻井平台位置数、量优选例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节（1 1）井眼轨迹相

18、碰趋势研究）井眼轨迹相碰趋势研究（2 2）井眼轨道类型优选）井眼轨道类型优选（3 3）建立大位移井井眼轨迹误差模型）建立大位移井井眼轨迹误差模型（4 4）丛式井组防碰扫描设计技术）丛式井组防碰扫描设计技术井场面积优化井场面积优化分四扇区钻井，提高运行效率分四扇区钻井，提高运行效率优化井槽位置，利于钻机整拖优化井槽位置，利于钻机整拖优化钻井顺序，满足防碰要求优化钻井顺序，满足防碰要求例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节 非常规油藏的储层特征、低产量和长生产周期的特点，决定了非非常规油藏的储层特征、低产量和长生产周期的特点，决定了非常规油藏开发钻井、压裂工程技术集成与发展应用必须遵

19、循常规油藏开发钻井、压裂工程技术集成与发展应用必须遵循“低成本、低成本、高质量高质量”原则。原则。例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节例例长水平段水平井：施工困长水平段水平井：施工困难，速度慢难，速度慢分段压裂：井眼质量要求分段压裂：井眼质量要求高高优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节“井工厂井工厂”的概念的概念加拿大能源公司（加拿大能源公司（EnCana）最先提出）最先提出“井工厂井工厂”开发开发的的理念理念。“井工厂井工厂”的的核心是在一个井场钻多口核心是在一个井场钻多口水平井，实现页岩气批量化作业的工厂水平井，实现页岩气批量化作业的工厂化生产模式化生产模式。例

20、例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节“井工厂井工厂”的特点的特点流水线式流水线式作业批量化：作业批量化：一个井场、一台（多台）钻机、一套泥浆一个井场、一台（多台）钻机、一套泥浆循环系统、一套排污系统、一套固井设备、一套测井设备、一套供水循环系统、一套排污系统、一套固井设备、一套测井设备、一套供水系统，无缝隙、无怠工对数十口井同时进行连续作业，工序与工序之系统，无缝隙、无怠工对数十口井同时进行连续作业，工序与工序之间无缝衔接间无缝衔接作业流程与作业流程与设备设备标准化：标准化：钻井、完井、压裂钻井、完井、压裂作业流程与作业流程与设备设备地面工程和生产管理系统化地面工程和生产管理系统

21、化（基础设施集中在（基础设施集中在“中心区中心区”，天，天然气自发电，生产工厂化管理）然气自发电，生产工厂化管理）例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节“井工厂井工厂”的钻井模式的钻井模式采用底部滑动悬臂梁井架钻丛式井组采用底部滑动悬臂梁井架钻丛式井组利用单套设备对数十口井依次进行一开、下套管、测井、固井、利用单套设备对数十口井依次进行一开、下套管、测井、固井、二开等作业二开等作业优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节例例“井工厂井工厂”的压裂模式的压裂模式采用单套压裂采用单套压裂车组、供水系车组、供水系统、配液系统、统、配液系统、供砂系统、返供砂系统、返排设备对数十排

22、设备对数十口井依次进行口井依次进行压裂作业。压裂作业。压裂液在线连压裂液在线连续混配、循环续混配、循环利用。利用。平均一天压数平均一天压数段。段。例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节“井工厂井工厂”的优势的优势设备及基础设施利用率高、工作效率高设备及基础设施利用率高、工作效率高材料、工作液体重复利用最大化材料、工作液体重复利用最大化场地占用面积及地面工程量大幅度缩小场地占用面积及地面工程量大幅度缩小有效降低了施工设备动迁频次及费用有效降低了施工设备动迁频次及费用例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节影响因素影响因素n井距井距压裂半径压裂半径泄油半径泄油半径n井网布

23、局井网布局应力方向应力方向岩石强度岩石强度n钻井难度钻井难度60609 06060例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节2022-4-739。实 际 情 况例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节钻井工程钻井工程油藏工程油藏工程采油工程采油工程地面工程地面工程储量、产量储量、产量钻井成本钻井成本采油作业成本采油作业成本地面建设成本地面建设成本单项技术综合应用的目标打的成安全钻井保护环境打的快打的好满足质量要求满足采油工艺的要求油井寿命长打的便宜建立通道提高油气动用率、采收率工序优化设备优化资源优化优快钻井的思路及关键环节

24、优快钻井的思路及关键环节满足压力、岩性、环境保护要求的井身结构；满足压力、岩性、环境保护要求的井身结构；满足压力体系、井壁稳定的钻井液密度；满足压力体系、井壁稳定的钻井液密度；与流体性质、采油工艺相匹配的管柱设计。与流体性质、采油工艺相匹配的管柱设计。漏涌同层漏涌同层例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节 在相同条件下天然气比油发生溢流、井涌、井喷的几率高，处理难度在相同条件下天然气比油发生溢流、井涌、井喷的几率高，处理难度大。大。 （1）气体滑脱快；）气体滑脱快； （2）井口压力高，会导致井漏；）井口压力高，会导致井漏； （3）难

25、以确定井涌时的地层压力；）难以确定井涌时的地层压力； （4）难以建立合适的压力平衡；）难以建立合适的压力平衡； （5）易失去压力平衡，导致井喷；）易失去压力平衡，导致井喷； （6）容易造成井喷失控和人员伤亡、着火等。）容易造成井喷失控和人员伤亡、着火等。气井的特点气井的特点e.g. 如果储层流体是天然气，且含硫化氢、二氧化碳如果储层流体是天然气，且含硫化氢、二氧化碳从井场布置到井身结构、井控、钻井液体系、套管从井场布置到井身结构、井控、钻井液体系、套管选材、水泥浆体系、健选材、水泥浆体系、健康安全环保等一系列环节都需要针对康安全环保等一系列环节都需要针对 “硫化氢硫化氢”、“气井气井” 展开。

26、展开。例例胶乳防气窜水泥浆体系胶乳防气窜水泥浆体系抗抗硫硫金金属属密密封封硫化氢易引起钢材氢脆和腐蚀，危害人员的生命和健康硫化氢易引起钢材氢脆和腐蚀，危害人员的生命和健康优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节温度低于93，重点考虑硫化氢氢脆；温度较高时，腐蚀加重，重点考虑氢脆之外的化学腐蚀。901001101201301401500.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 均匀腐蚀速率/mma-1温度/ T95 C100 110S Q125S温度高于93后断裂时间接近600h试验结果表明：温度增加，均匀腐蚀速率增加例例硫化氢的腐蚀特点优快钻井的思路及关键环节优

27、快钻井的思路及关键环节例例优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节单项技术综合应用的目标打的成安全钻井保护环境打的快打的好满足质量要求满足采油工艺的要求油井寿命长打的便宜建立通道提高油气动用率、采收率工序优化设备优化资源优化优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节油气层保护；油气层保护；满足压力体系、井壁稳定的钻井液密度及体系；满足压力体系、井壁稳定的钻井液密度及体系；与储层性质相匹配的与储层性质相匹配的完井设计完井设计。优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节例例稠油热采井稠油热采井热采对钢材的影响热采对钢材的影响固井质量的要求固井质量的要求强水敏性储层。强水敏性储层

28、。老区加密调整井。老区加密调整井。常规水平井完井。常规水平井完井。非常规油气藏井。非常规油气藏井。优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节例例完井形式完井形式裸眼分段压裂裸眼分段压裂套管内滑套分段压裂套管内滑套分段压裂质量要求质量要求下得去下得去封得住封得住非常规油气藏井非常规油气藏井井眼曲率井眼曲率造斜段造斜段水平段水平段井眼规则度井眼规则度井眼光滑度井眼光滑度钻井方式钻井方式岩性（钻井液体系）岩性（钻井液体系）单项技术综合应用的目标打的成安全钻井保护环境打的快打的好满足质量要求满足采油工艺的要求油井寿命长打的便宜建立通道提高油气动用率、采收率工序优化设备优化资源优化优快钻井的思路及关键环节优快钻井的思路及关键环节常规地层：钻头、钻具组合、水利参数；常规地层：钻头、钻具组合、水利参数；