石油论文大位移钻井技术与分解.docx

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石油论文大位移钻井技术与分解

大位移钻井技术与分解

摘要

大位移钻井技术是目前世界上最先进的钻井技术之一，它已成为海上和摊海油田勘探开发最有效的手段。

它能够大范围的控制含油面积和提高油气采收率，降低油田开发成本，具有显著的经济效益和社会效益。

文章介绍了国内外大位移钻井技术的现状，大位移井的关键技术和发展趋势，分析对比了国内大位移钻井技术存在的差距和应努力的方向，对其未来发展前景做了详细的预测与分析，并就其存在的问题也提出了一些解决的办法和意见。

关键词：

大位移井钻井技术；井眼剖面；扭矩；摩阻；旋转导向

目录

第1章大位移井的概况分析..............................................................................1

1.1大位移井的基本概念.............................................................................1

1.2大位移井的特点，难点及用途.............................................................1

1.2.1大位移井的特点………………...…………………………………...1

1.2.2大位移近水平井的钻井难点…………...………………………...…1

1.2.3大位移井的用途...…………………………………………………...2

第2章大位移井的发展状况..............................................................................4

2.1世界上钻大位移井成熟的配套技术主要表现在.................................4

2.2国内大位移井的发展现状.....................................................................4

第3章大位移井的关键技术..............................................................................6

3.1管柱的摩阻和扭矩.................................................................................6

3.1.1钻柱扭矩和摩阻力的计算………………………………………...…6

3.1.2减小管柱扭矩和摩阻的措施…………………………...…………...8

3.2钻柱设计.................................................................................................9

3.3轨道设计………………………………………………...……………11

3.4井壁稳定…………………………………………………...…………11

3.4.1影响大位移井井壁不稳定的因素………………………...……….11

3.4.2井壁稳定性机理................................................................................12

3.5井眼清洗………………………………………………………...……13

3.6固井完井…………………………………………………………...…14

3.7轨迹控制……………………………………………………………...15

3.8装备配套要求………………………………………………………...16

第4章大位移井钻井工具与仪器....................................................................17

4.1变径稳定器...........................................................................................17

4.2旋转导向系统.......................................................................................17

4.3加长/串联马达………………………………………………...….......18

4.4地质导向钻井系统…………………………………………………...18

4.5随钻测量（井）与录井工具（MWD/LWD）……………………...19

4.6减摩接头...............................................................................................19

4.7钻压推加器...........................................................................................20

4.8顶部驱动装置.......................................................................................20

第5章结论........................................................................................................21

参考文献..............................................................................................................23

致谢....................................................................................................................24

第1章大位移井的概况分析

1.1大位移井的基本概念

大位移井是在定向井、水平井技术之后又出现的一种特殊工艺井，英文名称ERW（ExtendedReachwell），大位移钻井技术称ERD（ExtendedReachDrilling），顺名思义，大位移井具有很大的水平位移和很长的高井斜稳斜井段。

正是由于这一特征，即大井斜、长井段下的突出的重力效应，带来了大位移井的一系列难点和特点，具体表现在钻井工艺、固井工艺、井下工具和仪器等诸多方面。

大位移井的定义一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井。

水平位移与垂深之比的定义美国公司和英国公司用得较多，这种定义从垂直剖面上看较直观，也比较确定[1]，大位移井具有很长的大斜度稳斜段，大斜度稳斜角称稳航角（sailAngle），稳航角大于60度。

由于多种类型油气藏的需要，从不变方位角的大位移井，又发展了变方位角的大位移井，这种井称为多目标三维大位移井（Designerwel）。

1.2大位移井的特点，难点及用途

1.2.1大位移井的特点

大位移井用来优化海上和浅海油田的开发，对与浅海油田，可以从海边或修建堤坝钻大位移井来开采油藏，这样可以减少开发这些油藏所需的平台数量及油井数量，增加储层裸露面积，从而增加油井的储量及采收率，主要有以下特点[3]：

1）水平位移大。

因此能较大范围的控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少陆地及海上平台钻井的平台数量。

2）钻穿油层的井段长。

可以使油藏的泄油面积增大，大幅度提高单井产量。

基于这种巨大的经济利益，大位移井技术才得以迅速发展。

3）摩阻和扭矩大。

由于大位移井位移较大，导致钻进过程中摩阻和扭矩较大，因此很有必要对打位移井进行优化设计。

1.2.2大位移近水平井的钻井难点

1、区块复杂，着陆控制、稳斜段长控制难度大；

2、对钻井装备、钻井液设备要求高；

3、钻具、监测工具、仪器等针对性强，技术含量高；

4、要求钻井液有很强的润滑性、悬浮能力和携砂能力，并能保持井眼稳定；

5、对防喷、防漏和保护油气层、固井质量、完井技术的要求高；

6、井下恶劣条件与随钻测量仪器和动力钻具使用的矛盾十分突出；

7、井眼轨道的预测、控制难度大，需要有高质量的应用软件和高素质的工程技术人员。

1.2.3大位移井的用途

大位移井应用是出于经济的考虑，如美国在加州享廷海滩，是从陆上钻大位移井开发海上油田。

挪威北海西sleiPner油田，用大位移井代替原来的开发方案，节约了10亿美元。

美国Pedemales油田，用大位移井代替原来建钻井平台的方案，节约1亿美元。

英国的wytchFalm油田，在岸上钻大位移井，代替原来的建人工岛方案，节约费用1.5亿美元。

钻大位移井的主要优点为：

（1）用大位移井开发海上油气田，大量节省费用。

开发海上油气田，用常规定向井、水平井钻井，需要建的人工岛和固定平台的数量多，打井也多，花钱多，如果钻大位移井，就可少建人工岛或固定平台，少打井，可节省大量投资。

（2）靠近海岸的油田，可钻大位移井进行勘探、开发。

过去开发这类油田，需要建造人工岛、固定钻井平台，或用活动钻井平台钻井。

现在凡距海岸10km左右的近海油田，均可使用大位移井进行勘探、开发。

这样，可以不建人工岛和固定平台，也可以不用活动钻井平台设备，完全可以从陆上向海上钻大位移井勘探、开发油田，从而节省大量投资。

（3）不同类型油气田钻大位移井可提高经济效益。

小断块的油气田，或几个不相连的小断块油气田，可钻1口或2口大位移井开发，少钻不少井，节省投资，便于管理；对于几个油田，油气层不在同一深度，方位也不一样，这是可钻多目标三维大位移井，节省投资。

（4）使用大位移井可以代替复杂的海底井口开发油田，节省海底设备，节省大量投资。

（5）有些油气藏在环保要求高的地区，钻井困难。

利用大位移井可以在环保要求不太高的地区钻井，以满足环保要求。

所以说大位移钻井技术的开发应用对我国石油事业的发展有重大意义。

第2章大位移井的发展状况

2.1世界上钻大位移井成熟的配套技术主要表现在

1、世界上每年钻成的大位移井数量成倍增加，并且钻井周期越来越短，钻井成本明显降。

2、控制实钻手段的轨迹更加先进，测量仪器录取数据也由单一的井身参数向地质参数和油藏特性描述等多方面发展。

3、研制成钻大位移井的多种井下工具系列。

4、已形成保持井壁稳定和井眼清洁的钻井液体系。

2.2国内大位移井发展现状

我国在大位移井钻井技术方面，20世纪80年代中期开始钻井探索，20世纪90年代末期有了一定进展。

中海石油有限公司深圳分公司南海西江边际油田开发，对大位移井关键技术进行了深入研究，形成了大位移井开发工程计算和工艺技术。

针对XJ24-1油田的开发，已经成功的钻成了5口大位移井，其中A14井的水平位移达到了8063m，创造了当时的世界纪录。

截至2002年6月底，XJ24-1油田实际利润与政府税收综合已超过20多亿人民币。

胜利油田从80年代末对大位移钻井进行了积极探索，2000年3月完成的埕北21-平-1井，完钻井深4837.40m水平位移达到3167.34m，是当时国内陆上油田完成的水平位移最大的一口井。

我国的大位移井技术与国外先进水平相比，存在相当大的距离，钻一口水平位移10000m的钻井速度相当。

尤其是在钻井技术装备上：

钻机、高强度钻具、专用井下工具、测量仪器，基本上依赖进口，我我国的大位移井技术还有很长的路要走[2]。

对井下工具、仪器和装备的要求，表现在10个方面：

（1）选好钻机，克服大摩阻，保证钻出长井段。

（2）选好钻井泵，保证排量，清洁井眼，降低摩阻。

（3）选好驱动装置，保证井眼质量。

（4）选好钻井方式，提高钻速，减小摩阻和井下作业时间。

（5）选好钻井工具，保证有足够扭矩克服摩阻钻出长井段。

（6）选好测控系统，保证测量传输导向能力，控制好轨迹。

（7）选好井下工具，保证钻头加上足够钻压，快速钻进。

（8）助选好井下工具，减少摩阻与套管磨损。

（9）选好钻井液，减少摩擦，增大携屑能力。

（10）选好下套管方法，保证顺利下入和居中。

总而言之，这一系列的要求的核心在于，用工程手段（工艺、工具、仪器、装备），克服大摩阻，提高钻速，减少作业时间，保证成功，兼顾成本。

而我国的技术与国外技术差距很大[4]。

第3章大位移井的关键技术

3.1管柱的摩阻和扭矩

钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而摩阻和扭矩增大是非常突出的问题，它是限制位移增加的主要因素。

管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套时套管的摩阻和扭矩。

3.1.1钻柱扭矩和摩阻力的计算

为简化计算，作如下假设：

在垂直井段，钻柱和井壁无接触；钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计；

在斜井段，钻柱和井壁的接触点连续，且不发生失稳弯曲。

计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已知力开始逐步向上计算。

若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻力，只要把这点一下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分别加上钻柱底部的已知力。

（1）钻柱扭矩的计算

在斜井段中取出一钻柱单元，其受力状态单元所处的井斜角和方位角分别为θ和φ，单元钻柱底部的扭矩为M，拉力T。

该单元的扭矩增量为

（3-1）

式中

—钻柱单元的扭矩增量，N·m；

R—钻柱的半径，m；

—钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N

该单元上端的扭矩为

（3-2）

式中

—从钻头算起，第j个单元的上端的扭矩，N·m；

—从钻头扭矩（起下钻时为零），N·m；

—第i段的扭矩增量，N·m。

（2）钻柱摩阻力的计算（转盘钻）

转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动，因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。

在斜井段中取一钻柱单元，如图3-1。

图3-1中，V为钻柱表面C点的运动速度，Vt和Vr分别为V沿钻柱轴向和周向的速度分量；F为C点处钻柱所受井壁的摩擦力，其方向与V相反；Ft，Fr分别为F沿钻柱轴向和摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。

图3-1钻柱摩阻力

由图3-1可知：

式中

Fs-钻柱单元的静摩擦力，N；

f-摩擦系数；

N-钻柱单元对井壁的挤压力，N。

3.1.2减小管柱扭矩和摩阻的措施

为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井的设计与施工中要采取各种必要的措施。

1、优化井深剖面

选择管柱摩阻最小的井深剖面。

2、增强钻井液的润滑性

许多大位移井采用油基钻井液，油水比越大，钻井液的润滑性越好。

3、优化钻柱设计

钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。

在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。

对底部钻具组合（BHA），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应是底部钻具组合的尺寸尽量减小。

4、使用降扭矩工具

使用不转动的钻杆护箍和减摩接头可有效地减小扭矩。

5、使用滚轮式套管扶正器

使常规的滑动摩擦变为滚动摩擦。

6、漂浮法下套管

国外应用漂浮法下套管技术，可降低套管的摩阻。

这种技术的原理是在套管内全部或部分地充满空气，通过降低套管在井内的重量来降低套管的摩阻。

用的较多的是部分充气，这种方法可使套管的法向力大大降低。

7、提高地面设备的功率

8、使用顶部驱动系统

起下钻时可适当旋转钻柱，改变摩阻方向（倒划眼时要特别谨慎）[10]。

3.2钻柱设计

钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。

在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。

对底部钻具组合（BHA），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应该使底部钻具组合的尺寸尽量减小[8]。

1、钻柱设计应考虑的因素

（1）尽量减小压差卡钻的可能性；

（2）使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减少钻柱与井壁直接的接触面积；

（3）尽量减少丝扣连接的数量；

（4）采用井下可调稳定器；

（5）尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量；

（6）选用高强度钻杆，使之具有足够的抗扭转力和抗磨能力；

（7）给钻头施压时尽量不使钻杆发生弯曲。

2、钻压设计

大位移井的钻柱实际主要是钻压设计。

在直井段底部和弯曲井段，钻柱的弯曲是不可避免的。

在斜井段，可通过底部钻具的足够重量给钻头施加足够的钻压来避免钻柱的弯曲。

为减少钻柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部钻具组合可部分的或全部的使用加重钻杆施加钻压。

若用常规钻杆对钻头施加钻压，要考虑钻杆的弯曲问题。

设计的原则是钻杆某点受到的压力载荷，不应超过钻杆的临界弯曲载荷。

在大斜度井中，井斜角有利于钻杆的稳定性，所以钻杆在直井中的临界弯曲载荷适用于大斜度井。

在直井中，钻杆的临界弯曲载荷用下式计算，

（3-7）

式中

FCRIT——临界弯曲载荷，lb；

E—杨氏模量，psi；

I—惯性矩，in4；

W—钻杆在空气中的重量，lb/ft；

KB—浮力系数，无因次；

Θ—井斜角，度；

R—钻杆和井眼间的径向间隙，in

上式提供了加重钻杆在直井中施加钻压的限制范围。

钻杆所受的压力与上式计算的临界弯曲载荷相比，可以确定钻杆是否发生弯曲，如果发生弯曲，则要降低钻压，或跟换具有更大的临界弯曲载荷的钻杆。

如上所述，钻杆所能施加的钻压可由下式确定，

WOB≤FCRIT+WBS（3-8）

式中

WOB—设计钻压；

WBS—钻杆的浮重。

3.3轨道设计

轨道设计的原则：

大位移井轨道设计，要求对所有参数进行优化，尽量降低井眼对管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和测量工具的下入能力，并能尽量增大大位移井的延伸距离。

国外大位移井井身剖面的主要类型：

（1）增斜—稳斜剖面。

这种剖面的造斜率低，井斜角及测深增幅缓慢，但可降低钻柱的扭矩，摩阻和套管的磨损。

（2）小曲率造斜剖面。

这种剖面的特点是造斜点较深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且随目标深度的增加，扭转扭矩的增幅较小。

（3）准悬链线剖面。

准悬链线剖面有很多优点，它不但对管柱的扭矩和摩阻低（钻柱与。

井壁之间的接触力近似为零），而且是套管的下入重量增加。

目前这种剖面在大位移井中广为应用[8]。

石油大学的韩志勇教授在准悬链线剖面的基础上提出了侧位悬链线剖面的设计方法，这种剖面比准悬链线剖面的扭矩和摩阻小。

3.4井壁稳定

3.4.1影响大位移井井壁不稳定的因素

1、狭窄的钻井液密度范围

一般来讲，当井眼倾角增加时，钻井液要提供足够大的压力来防止井壁坍塌。

与此同时，井壁出现裂缝的可能性也增加了。

简言之，防止井壁坍塌的钻井液密度范围较小。

2、当量循环密度高（ECD）

大位移井井眼长，钻井液循环时环空压降大，而钻井液密度工作范围窄，高的当量循环密度容易达到井壁的破裂压力，而使井壁破裂。

3、抽吸压力和激动压力在大位移井中，由于狭窄的钻井液密度范

围，井壁对抽吸压力和激动压力相当敏感，可能导致井壁坍塌或破裂。

4、时间关系井壁在低密度泥浆中长期浸泡，特别是水基钻井液的

情况下，非稳定性尤为明显，常常会造成许多井下事故。

5、化学反应钻井液和地表层间的化学作用也影响井壁稳定性，水基

钻井液和油层上部的泥页岩经常发生强强化学反应，泥液岩膨胀造成缩经或井壁坍塌[7]。

3.4.2井壁稳定性机理

1、井眼（井壁）应力

原始地应力分为三项主应力，即上复应力Sv（亦称最大主应力）、最大水平应力SH和最小水平应力Sh，打开井眼之后，原始地应力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼轴线的应力SZ、周向轴向应力Sθ和径井向应力SR，如下图3-2。

图3-2地应力变化图

2、岩石的破坏

（1）压缩破坏当作用于岩石上的压力大于岩石的抗压强度时产生压缩破坏。

（2）拉伸破坏当作用于岩石的拉力大于岩石的抗拉强度时产生拉伸破坏。

（岩石力学规定压应力为正，拉伸应力为负。

）

3、岩石的破坏在井筒内的表现形式

（1）岩石的压缩破坏在井筒内表现为井壁塌陷。

（2）岩石的拉伸破坏在井筒内表现为井壁破裂。

4、大位移井眼的不稳定性。

随着井斜的增加，井壁的不稳定性增加。

井眼由垂直变为水平。

其应力状态的变坏如下图3-3

图3-3应力变化图

3.5井眼清洗

大位移井同其它类型井一样，好的井眼清洗和净化，有利于提高钻速、降低磨阻和扭矩、缩短作业时间。

节省钻井费用等。

提高经验清洗效率的措施[5]

1、高泵排量和环空返速都有利于井眼净化

通常要用井眼净化模型来计算井眼净化的最小排量和最优钻井液流变性。

大排量可以提高钻井液的流速，增加携岩能力。

然而，大排量需要高的泵压，在大位移井中，泵压可能会受到限制。

为使钻井液以紊流循环，可以增大钻杆尺寸来增加给定泵压下的环空反速。

2、钻井液的流变性

良好的钻井液流变性对任何类型的井都非常重要,对大位移井更是如此。

要保证钻井液的流型为层流货紊流，避免过渡流，因为过渡流的携岩能力差。

在砂岩油层井段可能会发生漏失，钻井液流变性应保持最低值，以降低当量循环密度。

3、钻具转动

由于大位移井的位移不断增加，井眼的最优排量难以达到，这就需要其他的井眼净化技术，如提高转盘旋转速度和倒划眼。

4、固相控制

在大位移井中，钻屑将在环空钻井液中长期滞留，使钻屑变的更细，更难以携带，如要钻井液保持良好的状态，就必须有良好的固相控制设备。

3.6固井完井

在大位移井的固井、完井中，套管的磨阻和磨损是个严重的问题。

套管磨损使套管的强度降低，套管磨阻会使套管难以下入到设计井深、造成卡套管或井壁坍塌等问题。

特别是在井眼曲率较小的造斜段，套管的联接部分需要有较高的抗弯能力，而且在下套管作业中，联接部分要求有足够的抗拉强度[5]。

1、井身结构设计[10]

井身结构设计要考虑以下几个问题

（1）井身结构必须满足完井设计要求。

（2）生产井段的井眼应尽可能大，以利于随钻测井工具的下入。

（3）井身结构不能妨碍优质固井。

2、套管柱的联结

（1）套管丝扣接头要相互楔牢，以防套管柱通过弯曲并段时脱扣。

（2）生产管柱的接头应有足够的抗扭强度，以允许注水泥时套管柱旋转。

（3）如果生产管柱是原始压力容器，其接头应该是密封的。

3、在大斜度井眼中下套管

在大斜度井眼中下套管，使套管下入的动力（套管自重）本来就很小，而且还要用来克服阻力，所以在地面采取有效措施，帮助管柱下入。

采取的主要措施有：

接钻铤，靠钻铤的重量将管柱推进；或靠顶驱的重量将管柱推进；用滚轮式套管扶正器；调整泥浆性能，减小摩阻；在套管内充填轻流体或气体，以减小摩阻。

4、注水泥考虑的问题

由于大位移井的井壁应力，使钻井液密度工作范围狭窄，下套管时的激动压力和注水泥时的循环压降容易引起井壁破裂，发生循环漏失，所以要特别注意钻井液、前置液和水泥浆的特性。

（1）下套管前要部分稀释钻井液，以防下套管引起过大的激动压力；注水泥前要彻底稀释钻井液，以防止注水泥时的循环压降过高。

（2）最好使用非加重前置液，这样可以降低ECD，但要注意井壁稳定问题。

（3）要控制水泥浆