水平井事故与复杂(第七章)

1、第七章 水平井复杂情况及事故预防处理第一节 水平井特点1、由垂直井眼变成倾斜(水平)井眼带来的特性1.l 钻具贴井壁，受力状况发生变化 从造斜段开始，钻具受力状况相对直井发生了根本的变化。 造斜段：由于斜井段钻具的斜向拉力造成此处钻具被“拉向”上井壁。造斜点较高的井可明显在井口出现钻具向定向方向的“偏移”。随着井深增加，造斜点以下钻具重量随着造斜率的增大，在造斜段出现的侧向力F则随之增大、起下的摩阻增大，随着时间的延长，起下钻和转动在此处形成键槽。 斜井段：由于钻具自重，钻具“躺在”下井壁，对井壁侧压力的增大，带来磨阻(起下)和扭矩的增大旋转。 钻头的受力变化出现侧向分力，当使用增斜钻具结构时

2、，由于近钻头扶正器的“支点”作用而产生向高边的侧向力；使用降斜组合时，由于“钟摆力”作用而向低边产生侧向力，由于下部钻具结构和钻头重力作用，始终产生降斜趋势，需用刚性组合来保持井斜的稳定或大于此趋势产生增斜力。1.2 偏心环空和岩屑床 国外专家和“七五”攻关项目中刘希圣教授等专家研究表明，由于斜井钻具偏向下井壁而形成了“偏心环空”，岩屑的沉降，运移与直井相比发生了根本的变化，岩屑出现向井壁径向沉降的趋势，由于偏心环空流速的不均匀，在下井壁形成岩屑床，在一定条件下还会发生岩屑床的滑移、堆积，给大斜度、水平井施工带来威胁，如何正确认识此特点并采取相应的措施是水平井成功与否的关键。 研究的主要结论有

3、： 偏心环空场中，大环隙处流速大，小环隙处流速小，促使岩屑床的产生。 岩屑床厚度随流速的减少和井眼斜度的增加而增加，但倾角大于一定值后，其岩屑床厚度基本保持不变。 环空岩屑浓度在临界角（3060）范围内最大。环空岩屑浓度随流速的增加而降低。注：对临界角的界限，有人认为3570，但总的范围是相近的。 当井眼倾角处于临界倾角范围内时，由于岩屑床的形成及滑移，岩、屑势必下滑堆积。容易造成钻具的阻卡。 各倾角都存在一个“临界流速”。当环空流速大于该临界流速时，理论认为不会产生岩屑床。 流体粘度升高导致岩屑床厚度降低，岩屑浓度降低，提高了岩屑输送效果。 下面就斜井几种状态下的井屑运动方式做一分析： 以临

4、界角为界把斜井分为三种类型： 第一种：小于临界角的范围(30)，只有垂直沉降，而无径向沉降。VS为垂直沉降速度，vsr为径向沉降速度，vsa为轴向沉降速度。 VS0 VsaVS6 该种情况可近似为直井状态，不易形成岩屑床。 第二种：临界范围内（3060或有的认为65) Vsa0 VsrVs 该情况可近似视为水平井段的状况，岩屑床受洗井液的冲刷厚度不再增加，也不产生滑移，聚集，此井段的岩屑往往被洗井液带到临界角附近聚集(6070范围)。 大斜度井和水平井的实践证实了以上理论是正确的，解决的办法是： 一般的定向井井斜角度尽量选择在30-35，不易形成岩屑床，施工较安全。 对已经形成岩属床的井或大井

5、斜角度的井采用以下主种方法减少岩屑床厚度，清洁井眼、保证施工安全。 A、在条件允许的情况下，尽可能提高循环排量，使其接近临界返速而消弱岩屑床，但要注意防止井径扩大。 B、提高泥浆的屈服值(YP)，增强携岩能力，减缓岩屑的径向沉积，也是减少岩屑床厚度的有效办法。 c、由于以上两种办法的限制，最有效的办法则是利用机械办法除砂：有顶部驱动手段的可利用边起钻边转动钻具的办法搅动岩屑床。同时循环泥浆，清除岩屑床环一段的办法清除；在没有顶部驱动条件的施工中，则采用定时定井段的短起下钻手段，起一段，循大斜角(或水平段)的岩屑床。随着井斜的增大，大斜度井段的延长，短起下的时间间隙越短。现在施工中，可从振动筛返

6、出岩屑量的减少和扭矩、摩阻的增加来判断，是否需要短起下。1.3被钻开的岩层受力状况发生变化 在地层倾角较小的直井，被钻开的岩层层面与井眼轴线是垂直的。由于岩层纵向的压实程度较高，钻开的井眼部分相对较稳定。随着井斜角的增大，岩层层面与井眼轴线夹角变小，不定岩层(如易吸水膨胀的泥岩层)暴露面积增大，受垂直压力影响，容易吸水膨胀，剥蚀掉块，造成井壁不稳定，这就提出了比直井更为严格的要求钻井液防塌性要好，失水要小。1.4 椭圆井限的形成和键槽的产生： 由于斜井段钻具靠井壁，起下钻和旋转使下井壁逐渐掏大，形成椭圆井眼；左右井壁基本保持近钻头的井眼R1，而上下方向则形成了长轴R2，在双井径测井曲线上可以明

7、显的看到长短轴的存在，往往在下井壁还存在钻具旋转磨出的直径与钻杆接头接近的槽沟R3，井眼倾角越大，施工时间越长形成的椭圆井眼越严重。在大位斜井段，由于地层软硬交错和泥岩井径的扩大，还容易在下井壁被旋转的钻具磨出硬地层凸出处的键槽。这些“键槽”与扩大的泥岩井径形成“台阶”造成起钻时，稍大于钻杆接头的7、8钻绽迂阻；严重时起不出钻(特点是定深迂阻，能下放单上体不过) 。椭圆井眼带来的影响有：A、井径扩大，循环上返速度降低，不利于洗井。B、形成“键槽”和“台阶”，造成复杂情况和事故。C、影响固井质量。 造斜点附近在上井壁提出“键槽” 如前所述，造斜段由于下部钻具拉力作用，使钻具靠向“上井壁”，产生侧

8、向力，在钻具旋转和起下钻的刮削作用下，逐渐形成直径与钻杆接头外径相近的“键糟”起钻时，易使稍大于钻杆接头尺寸的7、8钻绽被拉入槽内面卡钻。一般在槽深大于被卡钻具半径后发生。 键槽形成的程度与以下因素有关： 造斜率(即造斜段狗腿度)越大，形成键槽越快、越严重。 造斜点以下井段越长，钻具越重，形成键槽越严重。 斜井段井斜角越大，侧向拉力越大，形成键槽越严重。 随钻井作业时间而加深。1.5 对悬重和钻压的影响： 躺在下井壁的钻具使悬重变“轻”，上提钻具时摩阻使得悬重增加，下放则悬重减小。对正常井眼来说，悬重的增减是有规律的，超过正常增减范围，则是有了阻卡。 同样，“钻压”的确定也要考虑摩阻的影响。2

9、、由井身轨迹控制需要带来的特性2.l由于定向和方位角调整的需要，增加定向作业 使用弯曲马达定向、调方位时，钻柱不旋转，定向测量时钻具相对静止时间长，则要求泥浆性能稳定、携岩性和润滑性良好。这就是为什么在定向前要调整好泥浆和适当混油的理由。 由于弯接头或弯外壳动力钻具的使用，使得下部钻具弯曲。要求定向前井眼畅通，而且对弯接头的度数有限制(一般不大于3)，避免钻头偏离井眼轴线太大而下不去。 由于弯曲钻具的方向性（工具面方向)，决定了动力钻具在井内不得随意开泵和使用动力马达划眼。若中途遇阻，必须起出换转盘钻具通井。 动力马达的工作排量一般较小，又不允许长时间停在一处循环，所以定向完后，通井是十分必要

10、的。2.2 增加测量工作量： 除定向(或方位调整时)要频繁单点测斜（随钻则每根起下电缆）外，转盘钻也需定点测斜监控。一般测量问隔不超过50米。为了保证测量的安全，规定每次测量前要充分循环泥浆除砂（一般一周以上）。2.3轨迹控制需要带来了比直井更多的起下钻更换钻具组合。往往钻头用不到家，水平井比直井或普通定向井多发生起下钻作业、多消耗钻头。2.4 使用满眼扶正器（稳定器）的下部结构带来的“满眼”问题： 下钻易发生遇阻，螺旋稳定器还会在小井眼段造成钻柱的“旋转”。不严重的阻卡往往可以通过有控制的“下砸和“提放，通过。 起钻易带来抽吸（拔活塞）问题： 由于“满眼”，在易吸水膨胀井段起钻拔活塞，胜利油

11、田曾发生在斜井中拔活塞引起的气层井喷失控，教训是惨痛的。正因为这样，要求斜井泥浆抑制性要好，井壁泥饼要薄，操作中要十分小心拔活塞的发生，并正确处理。 弯曲井眼对钻具刚度变化的敏感问题：已钻过的弯曲井眼曲率是一定的。当钻具组合因轨迹控制需要刚性变大时（增加扶正器只数和缩短扶正器问隔），易遇阻遇卡，下钻要格外小心，划眼是必要的。特别值得提醒注意的是，定向或调整完方位后，先用较“软”的转盘钻具组合通井，十分必要。第二节 影响水平井安全的因素1、合理的剖面设计1.1剖面类型的选择 除了多目标井和开发有特殊要求的定向井（如限定造斜点深度、要求垂直进入油层等)外，剖面越简单，越安全易打。常常采用的是“三段

12、制”剖面。获得的位移大，相对摩阻小，而“S”形井跟(四、五段制)的摩阻较大，一般尽量避免。 国外有人认为变造斜率大出的“悬链式”剖面使钻具受力最小、摩阻最小，但这种“变造斜率”在实施过程中难以实现，并使施工变得十分复杂。1.2 造斜点和造斜率的选择： 造斜点高使得定向容易（起下钻和测量快，容易定准，进尺快，动力钻具工作时间短）；上部地层软，形成的键槽软，易破坏掉；用较小的井斜获得的位移大。其缺点是轨迹控制井段变长，后面井段长，钻具重，更容易形成键槽。通常达到稳斜段后、下一层技套封固造斜段可避免键槽带来的麻烦。 造斜点低则定向困难，需要的造斜率和最大井斜相对要大。但需要控制的井段大大缩短，为了准

13、确，往往采用随钻测量工具定向。 造斜率的选择： 高造斜点选用高造斜率是十分危险的。形成的狗腿角大，很容易在下部(长井段)钻具重量作用下形成严重的键槽，造成卡钻。相反，为了减少轨迹控制的工作量，提高定向井建井速度，在位移条件允许情况下，可采用低造斜点高造斜率施工，全井的摩阻也会因斜井段短面变小。同样，需要随钻测量的手段保证定向的准确。2.3 最大井斜的选择根据实际位移的需要，尽可能把井斜角选在大于l5和小于35之间，井斜过小，方位不易控制，井斜过大则带来岩屑床沉积，增大不安全性。2.4 有关的约束条件目的层深度，现有的工具造斜能力；测量手段，安全性；经济性都是定向井设计的约束条件，应综合考虑使得

14、设计出的定向井切实可行，安全经济。2、井身结构的选择：2.l 套管层次和井眼尺寸的选择原则 (l) 尽可能下层技套封住造斜段和增斜段，有利于保护上部松软地层和造斜狗腿。 (2) 避免斜井裸眼段过长。 (3) 避免17l/2以上井眼尺寸中定向造斜过大的扭矩会带来钻具事故。2.2 技套下深的确定原则 (1) 封住易垮易塌和其它特殊地层。 (2) 一般为进入稳斜段50米，有利于保护套管鞋。 (3) 有利于“岩屑床”的消除和保护井眼。3、对定向井钻井液的要求3.l 良好的润滑原理 常混入6%-15%的原油或柴油做润滑剂，同时加乳化剂和提高PH值使之乳化良好，有特殊要求的井可采用“无荧光类”润滑类，在电

15、测和下套管可加入少量的固体润滑剂减阻。3.2 良好的防塌性和低失水。3.3 良好的流变性和较高的提岩能力要十分注意定向井泥浆的动切力（YP）保持较高值，一般使PV：YP值接近1：l（老计量单位）3.4 十分重视定向井泥浆的“净化”工作 光滑，干净的泥饼是定向井防粘卡，低摩阻的关键，要求达到三级净化，有条件的使用离心分离机降低有害的固相。4、井眼轨迹控制因素4.l 轨迹“光滑”，避免来回扭动和井斜的上下摆动。4.2 及时调整方位，防止“狗腿角”过大。 选择合适的井段调整方位，使工作量最小；随着井深的增加地层变硬，方位调整工作越困难，形成的狗腿角也越大。 定向造斜段，方位不稳定，需要及时作图分析；

16、方位出现偏差时及时调整非常重要，方位漂移的同时，井斜角较快增加，调整越晚，狗腿严重度越大，调整工作越困难，对井眼安全危害越大。4.3 采用尽可能简化的钻具结构 由于斜井钻具承压能力大大增加（一次弯曲的临界值随井斜的增大而大幅度提高）为定向井少用钻铤提供了有利条件。 避免下部钻具结构井中，最上扶正器以上光钻钻铤的使用，而用加重钻杆代替(在大斜度情况下可用光钻杆代替)，可大大减少与井壁的接触面积而有效防止粘卡。 尽量避免在下部组合的最上端出现7钻铤，7钻铤往往是最容易钻进、键槽到引起卡钻的尺寸。 使用随钻震击器，一般放在钻铤的上面，其尺寸不大于钻铤的尺寸，上部常加5-10根加重钻杆做为震击的锤击力

17、量。 只要能有效的控制住井斜，方位，尽可能少用扶正器，以减少钻具组合的刚度。5、司钻操作要求：5.1严格控制钻具在斜井内的静止时间，防止粘卡的发生过去规定静止时间不超过3分钟，随着泥浆体系的进步和净化工作的加强，静止时间允许延长，为了养成及时活动的好习惯，一般仍规定静止时间限制。5.2为防止沉砂和粘卡事故的发生，常规定三不接单根 泵压不正常不接单根； 悬重压不正常不接单根； 井口准备工作不好不接单根：井口动作较慢的情况下，中途应强调司钻活动一下钻具（或转动转盘)5.3 要求在斜井段起钻一律采用低速，避免快速起车迂阻拔死，一但迂卡后，严禁硬拔，而采用上提下砸加循环的办法消除阻卡，必要时倒划眼通过

18、。5.4由于斜井钻具走上井壁，常迂阻和碰到台阶(有时是扶正器受阻)，在划眼方法上要讲究，采用“点拔法”，即放一点，拨动几圈转盘，待悬重恢复后，再压一点，再拔一下转盘，以免造成出新眼。轻微的迂阻时，可用“点拨法”的办法，克服井壁摩擦避免划眼。5.5 保护井眼的做法： 循环泥浆或停钻时，活动钻具应以上提下放为主，每次活动幅度大于3米，避免在原地刹车转动，防止划出台阶，大肚子。 起钻正确判断“拔活塞”及时循环消除，防拔垮井眼。 保证轨迹控制的前提下，尽量提高机械钻速，缩短钻井周期，减少泥浆侵泡时间。稳斜井段可采用高压喷射和新型喷嘴技术。 减少一切不必要的划眼。 保持井眼液柱压力的平衡，防止因液柱压力大幅度变化，井壁压力平衡破坏；带来的塌垮和粘卡。5.6通过转盘扭矩仪（或判断转盘，钻机负荷)判断井下扭矩大小，及时循环，划眼处理防止扭断钻具。5.7深井，硬地层井段，经常有计划的倒换钻柱位置，一般取上倒到最下，防止对钻具的“偏磨”定期对下部组合的钻铤，扶正器，震击器，加重钻杆进行探伤，防断。5.8关于防止键槽卡钻的要求 造斜点浅的井，下技套管前应对短起下钻的间隔时间做明确规定，防止时间过长，形成键槽卡钻，用短起下办法，