第十章 大位移井技术

第十章大位移井技术第一节大位移井意义及挑战一．大位移井定义大位移井即水平位移与垂深之比大于或等于2的，或者水平位移超过3000m的井。但在深水井中概念稍许变化，称为深水大位移井，但其水垂比不能沿用常规大位移井大于或等于2的概念。二．大位移井的历史目前世界记录是BP公司在Wytch农场钻的M16井：总井深=11，277m，水平位移=10，727m，TVD=1636m，水垂比=6.55；海上水平位移最大记录：澳大利亚的GoodwynA18井：水平位移=8，306m，总井深=9，277m；国内西江24-3-A14井总井深=9，238m，TVD=2，985m，水平位移=8，062.7m，水垂比=2.7。三．大位移井的主要作用1）水平位移大，能较大范围控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少海上钻井平台的数量；2）省建人工岛和固定平台的费用；3）大位移井勘探开发近海油田，距海岸10km左右近海油田，均可从陆地用大位移井勘探开发；4）用大位移井代替海底井，不用海底设备，节省大量投资；四．钻大位移井的技术挑战1）井眼清洁；2）高摩阻扭矩，需要高抗扭抗拉和耐压钻杆；3）大斜度长裸眼稳斜段，套管的安全顺利下入；4）平台设备能力配套与常规井差别，常规超深井考虑钻机的动力和提升载荷能力，而大位移井侧重考虑水力和顶驱输送扭矩能力；5）井斜大，裸眼段长，井眼侵泡周期时间长，影响井壁稳定性；6）普通井的经验很多不适合大位移井，大位移井一旦出现失误，惩罚比普通井严重；7）储层埋藏深度不确定性和仪器精度误差对钻井轨迹调整影响；8）钻杆伸缩性大，在接近完钻深度只能单根钻，对复杂情况处理活动空间小。第二节大位移井井眼清洁井眼清洁在大位移井中是个很关键的因素，制约大位移井延伸能力。斜井清洁跟直井区别很大，至少需要比直井很长的循环周时间，而且在程序方法处理上也大大不同，随着井斜的增加，井眼清洁难度加大，岩屑上返更加困难，需要循环时间更长。一．影响井眼清洁因素：⑴井眼大小⑻岩屑尺寸⑵钻杆尺寸⑼滑动定向比例⑶排量⑽钻井速度⑷转盘转速⑾井壁稳定性⑸泥浆流变性⑿岩屑分散性⑹井眼轨迹⑺泥浆环空流态二．井眼清洁原理井眼清洁有两种方式，一从井眼机械直接运除出来，二通过分散，岩屑溶解在泥浆，这对于大尺寸浅表层采用海水钻就利用这个原理，边钻边造浆，把分散的岩屑带至地面直接排海，间隔打高粘把有颗粒形状的岩屑返出，达到井眼清洁。a）井斜影响井眼清洁在直井或低井斜井，井眼清洁很简单，优化可以使用流变性较稠的泥浆，当开泵时，有效抑制岩屑剪切下滑速度，其实直井有效运除岩屑关键泥浆流动速度方向而非泥浆流变性，泥浆流变性只是简单影响泥浆剪切速率，通过提高环空泥浆返速，克服岩屑因重力影响，大于岩屑整体剪切下滑速度，将岩屑滚动带出地面，关泵时，泥浆切力形成切力网，悬浮住岩屑，并由于泥浆固相并非单独运动，部分岩屑颗粒往下沉，通过摩擦力或切力将牵引临近的岩屑反方向上浮，形成上下波动，延长岩屑下滑时间，最后才会慢慢沉至井底。在大斜度或水平井段，岩屑重力下沉速度方向与泥浆环空返速形成一个夹角，因此岩屑下沉是一条抛物线，最终沉至井眼底边，因井眼半径大小有限，岩屑沉滞与泥浆环空返速虽然相关，毕竟井眼大小与大斜度井段长度相比相差太大，因此岩屑的沉降只是个运移长短差别，单纯通过提高排量增加泥浆环空返速并不能最有效清洁大斜度井眼，应该说排量稍微差别对井眼清洁影响不明显。至于泥浆切力悬浮作用机理与直井一样，岩屑很快沉至井眼底边形成岩屑床。在中斜度井，其带砂机理介于直井和水平井之间，通过环空返速仍不能将砂带出地面，只是比高角度井岩屑沉至底边离井底更远些，但这些沉在底边岩屑床不如高角度的井稳定，很容易往井底滑落，犹如雪崩，但不会自动发生，当钻井速度过快，岩屑床变厚并受到干扰，就会雪崩埋钻具。b）钻具的转速是井眼清洁的关键因素在斜井中，井眼高边高速流体清砂作用象传送带，岩屑沉至井眼底边低速层，最终降至井眼底边形成岩屑床，中间岩屑运移长短的距离与井斜角度、排量、转速、流体的流变性及泥浆比重相关，岩屑运移传送带速度与排量相关。钻具转速扮演在高角度井眼清砂关键因素，因为活动流体处于井眼高边，钻具和岩屑都倾向于井眼底边，通过钻具机械的搅动，将岩屑搅起至传送带上，且钻具的搅动，在钻具上会产生牵引力，部分岩屑也会伴随钻具转动螺旋上升，通过这两者的作用将岩屑带至地面，而钻具转速由井眼大小和单位进尺快慢决定，在12-1/4、17-1/2井段至少需要120RPM，8-1/2井段需要70RPM以上，但高齿轮传送带仍需要钻具转速达到120RPM以上，钻具钻速越高，在钻具周围牵带岩屑越多，超过钻具接头的高度，另外使流体原自由流动高速通道变窄，产生紊流，进而搅动岩屑床，利于清砂，但这种高转速当时也许只将部分岩屑带出来，井眼干净仍需要长时间循环和倒划眼短起下等措施，这在后面小节论述。基于高转速清砂原理设计了清砂工具如带螺旋流道翼的钻杆，破坏岩屑床，更易将岩屑搅至传送带上，使清砂更好。关于在钻柱使用此类钻杆存在误区，不是只是使用一两根的问题，必须有足够的数量，因为它只是比普通钻杆稍好，在其的上部，相比普通钻杆，只是整体岩屑沉下来的距离稍远点。c）排量对清砂影响排量对清砂是有作用的，岩屑毕竟经过泥浆的流动携带至地面，排量太低使得所谓携砂传送带过于狭窄，这样井眼环空很大空间被非激态泥浆占据，因此即使钻具的搅动，将岩屑搅离低边，但很难进到传送带，进到传送带也易从中掉离，因此井眼很难清洗干净，但对于小井眼8-1/2，因钻杆和井眼间隙相对较小，井眼相对较易清洗干净。而在井眼上部的隔水套管，钻柱与套管间隙大，环空返速很低，岩屑很难上返，因此需要很高的排量，排量高造成系统的整个压耗过高，超过设备承受力，因此需在隔水管底部环空，与地面泵构成另外循环回路，通过单独泵适当提高隔水管清砂排量。d）井段井眼排量和转速参考要求①17-1/2井眼150-180rpm1200-1500gpm②12-1/4井眼120-180rpm800-1000gpm③9-7/8井眼120-150rpm450-650gpm④8-1/2井眼至少》70rpm，最好》120rpm350-500gpm以17-1/2井段为例，从井眼清洁角度可提出4种方案的技术措施如下：①一趟钻钻完：钻头无疑选用PDC钻头较为合适，如用导向马达钻具组合造斜，要兼顾造斜、稳斜、井眼清洁的角度考虑，低马达弯角匹配PDC钻头在浅层造斜可能达不到要求，有一定作业风险，如使用高弯角马达，又限制转盘转速，影响井眼清洁。因此基于此提出第二种作业方案或建议使用旋转导向钻具组合。②分两趟钻，造斜钻具组合及稳斜钻具组合：此种方案具有针对性，针对井段不同要求采用不同钻具组合，在上部井段采用高弯角马达完成造斜，在下部稳斜井段，则采用低弯角马达完成稳斜，且井段调整平滑，可以开高转盘转速，利于井眼清洁，唯一不利因素增加一趟起下钻时间。③先小井眼钻领眼，带出部分砂，然后第二趟钻扩眼：适合导向钻具与旋转导向钻具组合，第一趟钻先钻成12-1/4，然后扩成17-1/2，这样比较轻松获得造斜率，井眼清洁比较简单，但扩眼钻进时效比较慢，总体增加作业时间。④将钻井与井眼清洁分开：先钻完，然后下通井钻具清洁井眼，这种方案要考虑钻井钻具能否顺利安全起出。e）泥浆的流变性的作用泥浆太稠太稀对大位移井的清砂效果都不是很好，泥浆太稠，由钻具转动牵带的流体粘性很好，可以悬浮起岩屑，但是由于泥浆稠，在高角度井泥浆因重力、粘度、流动空间的阻力产生分层，变成紊流态流体趋势更弱，泥浆在高边流动传送带流体量反而萎缩变窄，且部分空间的泥浆会变成死区，干扰小，流速慢，因此整体清砂效果不好。泥浆太稀则作用相反，由于钻具转速搅动流体粘度小，岩屑悬带起来少，同样达不到将清砂的传送带打开的效果。泥浆的流变性可以由范氏漏斗粘度计读数部分反映，范氏漏斗计有600、300、200、100、6及3rpm转速的读值，在钻杆里泥浆由于流速高，600和300rpm读数代表钻杆里泥浆性能，在下部钻具组合钻铤处由于环空间隙小，取300和200rpm的读数，在上部钻杆环空处取6和3rpm的漏斗读数，钻头水眼取600rpm漏斗读数，在高角度井中，6和3rpm的读数很重要，影响井眼清洁和ECD（当量循环泥浆比重），其理想值范围如下：6rpm=1.0~1.2x井眼直径3rpm=6rpm-1~2泥浆流变性另一参数就是泥浆屈服值Yp，Yp=2x（300）-600（或300-PV（朔性粘度），但在高角度井对井眼清洁没有什么积极意义，而泥浆比重相对泥浆流变性对井眼清洁作用不容勿视，它的增加增加岩屑的悬浮，但要注意有害固相或者其加重材料在井眼低边析出形成岩屑。f）稠稀塞清扫失意义在直井和小角度井，以往普通做法打稠稀塞清扫井，是有一定的效果，稀塞流速快，很容易达到紊流效果，将岩屑搅进井筒，配以稠塞悬浮携带出井眼，但在高角度深井此种方法不能达到预想作用，最多再次清洁小角度井段及将高角度的岩屑再往上携带一段，效果可从测量出口泥浆比重了解，但是稠稀塞带来不利有以下几个方面：①影响了原有的泥浆性能；②当岩屑搅起堵环空流道，有憋压憋漏地层的风险；③很难解释PWD测量当量循环泥浆比重值；④给人误导，当井眼清扫过后没有砂返出造成井眼干净错觉。g）高角度井的ROP控制形成岩屑床顶部为移动层，底部岩屑沉积，比较稳定，通过顶面移动移至地面，因此在井眼清洁恶化时通过控制进尺很难达到清砂效果。在钻井模式，当进尺快于传送带的返砂速度，岩屑会越积越厚，恶化井眼，好的岩屑流动有助井眼清洁，因此要注意钻井进尺控制。h）ECD（当量循环泥浆比重）监测井眼清洁ECD是随钻测量的LWD工具测量井下循环的环空压耗，然后折算成循环当量的泥浆比重，反映环空的井眼清洁，如果岩屑在环空泥浆里悬浮过多或者形成岩屑床减少了环空流道面积，这些都会引起环空循环压耗升高，ECD变大。LWD井下压力传感器在停泵状态可以由俚电池驱动，因此可以测起下钻情况下井眼压力激动和抽吸。井眼的激动和抽吸压力影响井眼的井壁稳定性，及下套管时由于压力激动挤毁漂浮套管，因此监测ECD很重要，ECD由以下几方面因素影响：①井眼深度；②环空流道间隙；③排量；④泥浆性能；⑤钻具的旋转；⑥地面的回压管线；⑦打钻的单位进尺；⑧钻柱的起下速度。由于大位移井有较高的水垂比，而且钻杆外径大，对于相同的井深测取环空压耗，在大位移井ECD值显得更高，在井眼清洁中，大位移井也经常采取过激的措施，因此大位移井发生井漏几率较高。因此如何辨别ECD的异常，正确认识ECD曲线图很重要。在直井中，环空压耗与垂深成正比例增长，因此在整个过程ECD保持稳定，有变化则反应井眼存在清洁问题。在水平井，由于垂深几乎不变，斜深增加，环空压耗也随着增加，ECD是逐渐增加的。S型井曲线表现特征与井型一样，但ECD测量工具PWD在S型井眼剖面、尺寸复合的倒装钻具及变化的泥浆性能里是看不到井眼最坏的情况，比如在井底ECD控制是低于地层破裂梯度，但由于S型的剖面，其ECD曲线是S型的，并且大尺寸钻杆在上部井段的长度随着打钻深度逐渐延伸，相比最初情况在上部环空间隙小的井段增多，因此在井底ECD其实并不是最大的，虽然在井底控制ECD值是安全的，但当时在套管鞋处的ECD很可能超过了地层破裂梯度而导致井漏。关于ECD测量工具PWD工具认识总结归纳如下：1）只能看到工具以上的压力波动，看不见工具传感器以下的井况压力问题；2）在高角度井，PWD工具解释不出岩屑床，因为它提供的只是环空压力变化曲线的变化趋势，岩屑床虽然改变环空流道面积，但曲线变化是平缓的，况且井眼井径也不是很规整，弱化变化的趋势；3）PWD工具看到的只是对应某一深度的井眼情况，其曲线只是个历史连接的曲线；4）钻具组合影响ECD，因为PWD工具接在下部钻具组合之上的，在其下的扶正器、钻头等工具造成附加环空压力损耗并没纳入计算，如果大尺寸扶正器接在PWD工具上，尤其泥包后，会影响ECD的解释；5）小尺寸井眼比大尺寸井眼对ECD影响更敏感些；6）由于钻具旋转使泥浆产生螺旋流，在小井眼钻具旋转对ECD影响也