长水平段水平井钻井技术的研究与应用

郭少帅

摘要：长水平段井已成为勘探贫油气田的重要手段。近年来，我国相关钻井技术发展迅速。本文重点介绍了长水平段井的井眼规划方法、井眼轨迹控制及配套工具以及钻井液和钻井设备的应用情况。在分析钻井完井技术难点的基础上，探讨了悬链线曲线等降低摩阻和扭矩的设计方法的适用性，并推荐了多种设计方法的实用性。本文在介绍长水平段井钻井能力的基础上，指出了水平井的一些特殊性，以及与大位移井的区别。最后，对长水平段井钻井技术的定义和发展提出了建议。

关键词：长水平段;水平钻井;技术研究

分类号：TE243

引言

近些年来随着各个油气田的不断开发，各油区发育较好的油气藏已开采殆尽，低渗透油藏、稠油油藏、潜山油藏等低品位油藏是新增探明储量的主要组成部分。低品位原油置换储量的有效开发问题日益突出。为了探索低渗透油藏的有效开发方法，对钻井技术进行了技术研究和现场应用。同时，对长水平段井的工程设计、配套技术和完井工艺进行了逐步研究，不断提高了应用水平。

1 关键技术分析

1.1钻井设计

长水平段井全过程摩阻分析与控制。井眼轨迹优化设计是其中的关键环节。首先讨论了轨道的类型。国内的一些专家讨论了哪种曲线能使摩擦力最小，并提出了各种曲线模型，如悬链线、修正悬链线、侧悬链线、常曲率曲线、摆线、摆线弧、侧副线等。这些方法在大位移井的井眼轨迹设计中都得到了应用。虽然不可能找到一条使摩擦力和扭矩最小的曲线，但我们可以找到一些合适的稳定角，使摩擦力最小，其他阻力减小。优化过程仅限于斜截面，但在整体位移不大的情况下，为了保证水平长度，容易对位移和斜长产生影响。因此，需要寻找一种新的长水平段井眼轨迹优化设计思路。在此基础上，提出了围绕命中目标和建立优化的单增剖面和双增剖面优化设计方法。它已在许多钻井工程设计中得到应用。

1.2钻井辅助技术

为了满足低成本开发的需要，井眼轨迹控制是为了提高滑动导向系统和“钻铤+稳定器”下部钻具组合的应用空间。通过合理配置钻井参数、下部钻具组合、钻头选择和地层可钻性分析，提高复合钻井比例，可以实现长水平段井眼轨迹有效控制技术。为了尽可能降低滑动钻进比例，需要定量、准确地判断不同地层和钻井参数下钻具组合的钻进趋势。目前国内外已有许多井眼轨迹预测方法。基于钻头与地层相互作用的钻井动态模型以井斜趋势角来判断钻井动态。该模型充分考虑了钻头、地层各向异性和钻头侧向力对井斜的影响，预测结果更为可靠。其次是旋转导向技术的推广，使得长位移水平井越来越普遍，而且可以预言这也是未来钻井行业的趋势，以下钻具组合是哈里伯顿公司在沙特库瑞斯区块常用的6.125英寸井眼旋转导向钻具组合：6.125”PDC BIT+ GP BIT sleeve+ GEO-PILOT 5200+ REF HOUSING STABILIZER+ GEO-PILOT 5200 FLEX COLLAR+ BM2.0"+ Inline Sta-bilizer（ILS）+ 4-3/4" PCDC Collar+ 4-3/4" GM Collar+ 4-3/4" ADR+ Wear band+ 4-3/4"ALD CTN+ 4-3/4"LDN Btm Stabilizer 5-13/16"+ 4-3/4"PWD+ 4-3/4"TM HOC+ DO-WN HOLE SCREEN+ Float sub +X-O+4”HWDP*3JNTS+4-3/4”D.JAR+4”HWDP*2JNT-S。利用该钻具组合，能够轻松完成长水平段水平井。

1.3钻井液技术

针对泥页岩、浊积岩、滩坝砂等非常规储层特点，研制了油基、粘土润滑剂、高掺油率的钻井液体系。长水平段井钻井液技术包括稳定技术、清孔技术、润滑技术和防粘技术。

1）稳定技术

针对长水平段井眼的稳定性问题，通常可采取以下措施：首先，合理的钻井液密度，提供有效的钻井液柱压力，维持井眼周围的力学平衡;其次，鉆井液中固相颗粒分布，确保优质泥饼，防止孔隙压力传递;最后，选择合适的抑制剂，提高钻井液滤液的抑制能力，降低有害固相含量。

2）清孔技术

调整钻井液流变特性，保证携砂效率。在控制合理的钻井液粘度和剪切力的条件下，提高屈服应力，使动塑性比保持在0.5以上，增强钻井液体系的携岩能力。

3）润滑与防粘技术

钻井液减少水平井眼摩阻有三种方法：①保证井眼清洁，降低钻井液有害固相含量。②降低滤失，降低泥饼厚度，形成薄而致密的泥饼。③增加润滑材料，降低钻具与井壁之间的摩擦系数。

2.4完井技术

针对长水平段水泥固井中套管中心度低、水泥驱替效率低、固井质量差的特点，研制了水力套管扶正器，解决了长水平段水泥固井中套管中心问题。这样可以提高驱替效率和固井质量。

2 工程实践措施分析

2.1留存问题

经过多年的研究和实践，对长水平段井钻井完井技术有了较深的认识，但仍有几个关键问题需要解决。首先，长水平段井的概念还没有得到很好的解决。虽然已经完成了许多长水平段井，但“长水平段”的概念还没有确定，甚至一些专家学者对这一问题的必要性提出了质疑。国外专家的观点也停留在“龙横剖面井”的说法上，没有明确的概念。许多人把它看作是一种高难度水平井或大位移水平井。实际上，为了满足长水平段井的钻井和完井要求，需要更加注意井下摩阻和扭矩控制以及大位移井。因此，长水平段井的井身结构、井眼轨迹、钻井工艺、钻井液和完井工艺要求都与大位移井密切相关。但长水平段井并不完全等于大位移井。大位移井定义为：水平位移与垂直深度的比值等于或大于2，但许多已完成的长水平段井不是大位移井。

2.2优化措施

随着对粘滑振动（Stick & skip index）认识的加深，认识到单一的方法不能完全消除粘滑振动，需要综合的方法来解决这一问题。粘滑振动的综合治理主要包括五个方面：

PDC钻头、钻具组合和钻井参数的优化设计井口补偿系统（如 STRS）和井下阻尼工具（扭矩冲击器）的使用。PDC钻头需要在钻头供应商的帮助下进行专门设计，可能需要多轮改进。

井口补偿装置和井下阻尼工具需要购买和运输，需要相当长的时间。因此，优化钻具组合设计和钻井参数是现场最简便的方法。针对井下振动难以准确预测的问题，利用Landmark软件中的钻柱振动模块分析了井下钻具组合和钻井参数对井下振动的影响，为钻具组合和钻井参数的优化提供了依据。

首先，基于原有的套管程序、井眼轨迹、钻具组合和钻井液性能进行了定性分析。研究了三种常用钻具对井下振动的影响。钻具组合的主要区别在于稳定器的安装位置和数量：1#BHA，无稳定器，原有的钻具组合;2#BHA，一个直径212.7mm 的稳定器，在距离RSS钻头以上4.09m处安装;3#BHA，两个稳定器，第二个稳定器直径209.55mm，距离2#BHA的稳定器108.3m。

结果显示，三种类型的双向弯曲变形器的轴向力基本相同。双稳定器钻具组合的轴向力仅为非稳定钻具组合的1.06倍。加入近钻头扶正器后，剪应力大大降低到非稳定器钻具组合的0.53-0.56。使用双稳定器钻具组合后，剪切应力进一步降低到非稳定剂钻具组合的0.52-0.55左右。单稳定器钻具组合和双稳定器钻具组合的剪切力基本相同。双稳定钻具组合的最大扭矩约为非稳定钻具组合的1.10倍。通过加入近钻头稳定器，最大位移减小到2.54 mm，是原来的0.52-0.90。双稳定器下部钻具组合中的第二稳定器对位移影响不大。通过加入稳定剂，轴向动量和侧向动量大大减小。但是，单稳定钻具组合和双稳定钻具组合的轴向动量基本相同，约为非稳定钻具组合的0.50。单稳定器下部钻具的侧向动量为非稳定器下部钻具的0.34，双稳定器下部钻具的侧向动量为非稳定器下部钻具的0.27倍。因此，单稳定器钻具组合和双稳定器钻具组合在扭矩和轴向力方面都有小幅度的提高，但其它几项技术指标均降至非稳定器钻具组合的0.5左右，横向动量降至非稳定器钻具组合的0.27左右。这主要是由于稳定器的使用限制了钻头附近钻柱的振动位移，限制了钻柱振动对钻头振动的影响。因此，推荐使用单近钻头稳定器下部钻具组合和双稳定器下部钻具组合。

总的来说，转盘转速越高，井下振动越严重。但是，考虑到切削承载的要求，转盘转速不能太低。因此，将转盘转速由原来的100转左右降低到60转左右，可以有效地控制井下管柱的振动，减少钻柱对钻头的影响。为了保证钻头具有足够的能量破岩，在钻进过程中利用井下螺杆钻具将转速提高到150rpm。

采用降低转盘转速、双稳定器和井下动力工具钻进，为了验证井下振动控制，在井下测量接头上安装了井下振动测量传感器。测量数据被传送到地面，并由软件进行处理 。粘滑指数用于表征井下振动的严重程度，钻井过程根据实时数据进行调整。相关研究表明，粘滑指数小于40% 表明井下振动不严重，钻井可以继续进行。

3 结束语

综上，本文可以得出如下结论：

首先，在经济钻井设备和技术的基础上，初步形成了长水平段钻井技术和2000m 水平段水平井施工技术能力。通过进一步试验，可以提高低渗透油藏的开发效果，促进页岩气和非常规资源的经济开发。

其次，长水平段井与大位移井在形态特征、设计方法、施工要点等方面存在差异。这个概念不应该被混淆。虽然长水平段井的主要钻井技术在我国发展迅速，但在工程設计、井身质量监测、钻井速度和完井开发一体化设计等方面仍需进一步研究，以提高整体技术水平。

最后，在本研究的计算条件下，对三种带有非稳定器、单近钻头稳定器和双稳定器的钻具组合的轴向力、剪切力、扭矩、位移和动量的计算结果表明，与不带稳定器的钻具组合相比，轴向力和扭矩虽均有小幅增加（1.06-1.10倍），但其余两种钻具组合的其它几项技术指标分别低至0.5倍和0.27倍。在以往钻井工艺的基础上，通过将转盘转速降至60rpm，采用双稳定器钻具组合（BHA）和螺杆钻具组合（PDM），有效地控制了井下振动，粘滑指数小于80%。钻头损伤主要为磨损，断齿少。730-1207m水平段一次钻进可显著延长钻头使用寿命。与H844井的钻井指标相比，其它井的钻井指标有较大提高，平均机械钻速提高261.4%，平均进尺提高195.5%，水平段钻井周期缩短57.7%。在难钻地层中，仅仅使用先进的工具和钻头，可能无法完全解决钻井难题。钻井参数的优化也是大大提高钻井效率的必要条件。今后，为了进一步控制井下振动，需要对PDC钻头的刀具布置、螺杆钻具的参数、稳定器的尺寸和参数以及钻具在整个钻柱上的布置进行分析，并采用长寿命螺杆钻具和精细的现场作业规程，确保水平段的一次钻进成功。

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