水平井钻井技术难点分析与优化设计

水平井钻井技术难点分析与优化设计杨衍云目录概况水平井技术难点分析水平井优化设计设计实例结论定向困难一、概况随着胜利油田勘探开发的需要，以及钻井工艺、钻井工具、装备等相关技术的发展，水平井技术的应用越来越多，据统计，2009年共钻水平井650余口，其中水平位移大于1000m的井有31口。但由于水平井具有大斜度、大位移、多目标等特点，对钻井中靶精度要求高，而且水平井段横穿油层，造成大段悬空裸眼井段，井漏、井塌更为普遍，使得钻井施工难度大，周期长，成本高。目录概况水平井技术难点分析水平井优化设计设计实例结论进尺缓慢二、水平井钻井技术难点轨迹控制难保证固井质量难井眼稳定与防卡难井眼清洁难摩阻扭矩大，钻压传输困难二、水平井钻井技术难点首先，水平井中靶要求高水平井靶体通常是三维靶体，要求实钻轨迹点在进入目标窗口平面后每一个点都在靶体所限制的范围内，防止在钻进水平段的过程中钻头穿出靶体造成脱靶。其次，由于水平井水平段长，随着斜井段的延伸，井眼摩阻随之增加，使得钻具在井眼中的转动困难，从而加大了工具面角摆放的难度。第三，由于地质不确定性、工具造斜能力不确定性及测量信息滞后等客观因素的存在，使水平井由造斜点开始到钻至A靶的增斜井段控制和水平井段控制难度较大。1.轨迹控制难钻井过程中，钻具与井壁之间的摩擦阻力主要由钻柱的轴向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所组成。钻水平井所需的钻柱结构复杂，下部钻具结构刚性强，外径大，在水平井段由于钻柱重力作用，使钻柱贴于下井壁，钻井液紊流受到影响，返砂效果差，而且油层井段一般地层孔隙度大，砂层居多，岩石胶结性差，易形成砂桥，严重影响钻柱的上提下放。2.摩阻扭矩大，钻压传输困难二、水平井钻井技术难点在稳斜段和水平井段，由于重力作用，钻具在井眼中靠向下井壁，使钻具周围间隙宽窄变化明显，造成井眼中宽间隙处流速大，窄间隙处流速小，剪切速率增大，使岩屑易沉向下井壁且不易清除，形成岩屑床。同一井眼，在相同排量下，不同井段的环空钻井液处于不同的流动状态。井眼下部，岩屑一般处于均匀分布状态；而井眼中部，钻井液的携岩能力也明显变小。3.井眼清洁难二、水平井钻井技术难点水平井段横穿油层，造成大段悬空裸眼井段，暴露在钻井液的面积大大增加，侵入地层的滤液量增加，极易引起井壁坍塌。由于水平井井斜大、水平段长，随井深增加钻具与井壁接触面积也随之增加，钻具作用于井壁的侧压力随之增加，故极易发生粘附卡钻；同时由于水平井造斜、增斜、稳斜和扭方位等工序复杂，全角变化率较大，起钻过程中易形成键槽而发生键槽卡钻。4.井眼稳定与防卡二、水平井钻井技术难点水平井固井需要解决的突出问题表现在2个方面：5.固井质量难以保证一是如何确保有足够强度的套管柱能够克服阻力顺利下至设计位置一是在大斜度井段及水平井段套管居中与能否完全充填水泥浆二、水平井钻井技术难点目录概况水平井技术难点分析水平井优化设计设计实例结论三、水平井优化设计①直-增-稳（平）②直-增-稳-增-平③直-增-稳-增-稳-增-平井眼轨道设计目的降低井眼轨迹控制的难度，充分发挥滑动钻进和复合钻进的技术优势，提高钻速，为钻出平滑规则的井眼提供保障。多数造斜工具的造斜特性不可能保持非常稳定，常常产生一定程度的偏差通过调整稳斜段的造斜率和段长，弥补钻具造斜能力的偏差防止稳斜段过长，造成现场井眼控制困难及井眼清洁效果差1.井眼轨道剖面类型优化（一）井眼轨道设计定向困难三、水平井优化设计井眼曲率过小，使造斜井段的钻进时间太长，稳斜段太短，调整方位的回旋余地太小。井眼曲率过大，钻具偏磨严重、摩擦阻力增加、起下钻困难、容易磨出键槽而造成卡钻事故、对井下仪器不安全、后期作业造成困难。设计根据井口坐标和靶点参数，确定造斜率。现场施工时，考虑到造斜工具造斜特性的不稳定性，选择工具的理论造斜率应该比设计造斜率高10%～20%。2.井眼曲率优化定向困难水平井优化设计直井段在水平井施工中，直井段的核心任务是防斜，其质量将关系到定向时方位的调整。为了直井段能尽量打直，应采用适合地区特点的钻具组合，直井段常用的防斜钻具组合是钟摆钻具和塔式钻具。一般311.2mm井眼采用常规大尺寸塔式钻具组合，215.9mm井眼采用常规双扶刚性钟摆钻具组合或177.8mm钻铤的大钟摆钻具组合。这两类钻具组合既有利于控制井斜，又有利于解放钻压，钻压可加到120～140kN，可有效提高直井段的机械钻速。（二）钻具组合优化三、水平井优化设计造斜段及水平段为减小斜井段钻具摩阻，使用柔性斜坡钻杆优化钻具组合，同时采用加重钻杆代替钻铤，尽量简化钻具结构，减轻下部钻具重量，确保井底获得足够的钻压，减少粘卡的机会。使用LWD随钻地质导向系统，随钻测量自然伽马、电阻率曲线。根据随钻测井，确定目的层顶界深度，跟踪调整井眼轨迹，根据实际情况采用滑动钻进和复合钻进两种方式施工，随时调整井斜方位。三、水平井优化设计1.馆陶组及以上地层成岩性差，泥岩性较软且砂层发育，防坍塌卡钻。2.不整合面附近及玄武岩、砾岩层段、疏松砂岩层防漏、防卡、防蹩跳钻，使用聚合物防塌钻井液体系以抑制地层造浆、携带岩屑，防止泥岩缩径，确保安全钻进。3.斜井段及油层段主要是改善钻井液的携岩能力和润滑性能，控制API失水≤4ml，HTHP失水15ml，形成薄而坚韧的滤饼，减小滤饼的摩擦系数。（三）钻井液体系优化三、水平井优化设计（四）固井设计1、采用大泵紊流顶替钻井液，排量不低于钻进排量，提高驱替效率，保证二界面胶结质量。2、控制实钻井眼轨迹，确保有一个良好的井眼和井身质量；套管柱上加扶正器，保证套管居中，避免套管偏斜对固井质量的影响。3、优选水泥浆体系，控制水泥浆失水和自由水。目录概况水平井技术难点分析水平井优化设计设计实例结论四、设计实例樊151-平1井是樊151-21区块的一口新区产能建设井，位于济阳坳陷东营凹陷博兴洼陷金家-樊家鼻状构造东部樊151断块，钻探目的是滚动开发樊151-21井区沙四段油藏。AB靶点间的方位角：354.84°，水平位移：611.48m，稳斜角：84.67°。/393.05357.662667A/1004.22355.942724B造斜点(m)与井口水平距离(m)位于井口方位(°)靶点垂深(m)靶点序号（一）基本概况四、设计实例靶点BX=4113150.00Y=20589165.00垂深(m):2724.00靶半高(m):1.00靶半宽(m):5.00靶点AX=4112541.00Y=20589220.00垂深(m):2667.00靶半高(m):1.00靶半宽(m):5.00井口：X=4112148.27Y=20589235.740.61-5.6452.3853.95-6.25收敛角(°)磁偏角(°)磁场强度(μT)磁倾角(°)方位修正角(°)84.672251.44355.921039.072727.25最大井斜角(°)造斜点(m)井底闭合方位(°)井底闭合距(m)井底垂深(m)轨道类型：直-增-稳-增-稳-增-平井号：樊151-平1（二）轨道设计定向困难0.000.00-73.871036.441039.072727.25354.8484.673525.07B0.000.00-70.741001.731004.222724.00354.8484.673490.07A353.4915.07-15.74392.73393.052667.00354.8484.672875.94270.001.28-6.83272.49272.572635.33356.6965.892750.71354.6515.05-5.35245.15245.202623.07357.1265.892720.71270.000.63-0.99108.64108.652519.95359.2240.002548.110.000.00-0.7990.2890.292498.07359.5040.002519.550.0015.00-0.7889.3689.362496.97359.5040.002518.110.000.000.000.000.002251.44359.500.002251.440.000.000.000.000.000.000.000.000.00靶点工具面(°)狗腿度(°/100m)东西(m)南北(m)水平位移(m)垂深(m)方位(°)井斜(°)井深(m)四、设计实例（三）轨道参数四、设计实例Φ215.90mm钻头＋Φ171.5mm1°单弯动力钻具×1根＋Φ127mm无磁承压钻杆×1根＋LWD＋Φ127mm无磁承压钻杆×1根+Φ127斜坡钻杆×108根＋Φ127.0mm加重钻杆×9根+Φ158.80mm随钻震击器×1套＋Φ127mm加重钻杆×21根＋Φ127.0mm钻杆2875.94～3525.07水平段PDC：40～80牙轮：120～140Φ215.90mm钻头＋Φ171.5mm1°15′单弯动力钻具×1根＋Φ158.80mm无磁×1根＋LWD＋Φ158.80mm无磁×1根＋Φ127mm斜坡钻杆×36根＋Φ127.0mm加重钻杆×9根+Φ158.80mm随钻震击器×1套＋Φ127mm加重钻杆×21根＋Φ127.0mm钻杆2251.44～2875.94定向段PDC：40～100Φ215.90钻头＋Φ177.80mm无磁×1根+Φ177.80mm钻铤×8根＋Φ127mm加重钻杆×21根＋Φ127.0mm钻杆401～2251.44直井段二开牙轮：30～220Φ444.5mm钻头+Φ203.2mm钻铤27m(其中无磁9m)+Φ177.8mm钻铤81m+Φ127mm钻杆0～401一开应用钻压(kN)钻具组合井段(m)序号（四）钻具组合设计大钟摆钻具小于40°的井段使用加重钻杆，大于40°的斜井段使用斜坡钻杆设计使用1°单弯动力钻具，可以防止地层因素影响造成井斜角降低，确保钻头在油层内穿行，提高油层钻遇率套管内：0.25裸眼：0.359910.916591.5141.7115.1568.0840.6699.9955.7空转钻进下钻起钻滑动钻进空转下钻起钻扭矩（N.m）摩阻（t）轴向力（kN）四、设计实例聚合物润滑防塌钻井液2249.90～3523.52聚合物防塌钻井液401.00～2249.90二开预水化膨润土浆0～401.00一开钻井液体系井段(m)开钻序号四、设计实例（五）钻井液设计套管程序套管尺寸(mm)井眼尺寸(mm)井段(m)扶正器类型扶正器间距(m)扶正器数量(个)二开φ139.70φ215.902880～3520弹性3021φ139.70φ215.902250～2880弹性4016φ139.70φ215.901000～2250弹性5025φ139.70φ215.902250～2880刚性10主力油层段间隔30m安放1只弹性扶正器，上部直井段弹性扶正器的间距50m，斜井段弹性扶正器的间距为40m，同时配合使用10只刚性扶正器。刚性扶正器既起到了扶正套管的作用，也发生了旋流发生器的作用，清洁井壁并改善环空流态，提高滤饼和滞留钻井液的清除效果。四、设计实例（六）扶正器设计条件：无掏空摩阻系数：0.60摩阻：567.53kN模拟结果：可下入四、设计实例目录概况水平井技术难点分析水平井优化设计设计实例结论五、结论1、井眼轨迹控制是水平井钻井施工成功与否的关键，选择合理的井身剖面、井眼曲率并制定有效可行的钻井安全技术措施十分重要。2、水平井钻井过程中简化钻具组合，减少钻铤使用长度，用加重钻杆代替钻铤，可以有效减小摩阻，降低施工难度。3、使用PAM控制地层造浆，能确保上部井眼稳定；聚合物润滑（防塌）钻井液体系能有效提高钻井液的润滑防塌性能，保证斜井段及水平段井眼的质量。