水平井基本术语教材.docx

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水平井基本术语教材

水平井钻井技术

钻井工艺研究所

2001年3月二十五日

1、水平井基本术语

随着工业技术的发展和人们对水平井开采技术认识的不断加深，水平井钻井可大幅度地增加油层的裸露面积，减缓水锥和气锥，提高钻遇裂缝的几率和有选择的进入油气富集区，提高油藏的勘探开发效果优势得到进一步的体现，尤其是最近用水平井开发油田受到广泛的重视，钻井数目以惊人的速度增长。

水平井钻井不仅提高了水平井钻井技术并降低其成本,更重要的是可保证显著提高综合经济效益。

可以说,目前世界石油工业的重要发展战略转变之一,是由钻常规直井、定向斜井向钻水平井勘探开发油气田的战略转变。

通常人们把进入油气层井眼的井斜角不低于86°的井段称为水平井段。

能沿油层走向形成这种水平位移的特殊定向井归纳为水平井。

水平井可有效地增加油气层的泄露面积,提高油气采收率。

它是增加产油量的有效手段之一，它主要被广泛应用到下列几方面。

可减少油田开发过程中水锥,气锥问题，可开发低渗透致密油藏和重油；可开发天然裂缝性油藏，边水驱动和气驱动油藏，不易钻探的油藏；热采应用；低产能油藏；不规则油藏及薄层油藏。

对于江汉油田主要用于不盐间非砂岩油藏特低渗透油藏。

1.1水平井基本术语

水平井除具有普通定向井的一些基础的技术术语外,其本身的特点仍有下面的一些基本术语。

●入靶点：

是指地质设计规定的目标起始点。

●终止点：

是指地质设计规定的目标结束点。

●靶前位移：

是指入靶点的水平位移。

●水平段长：

入靶点与终止点的轨道长度。

●梯形靶：

即纵向为土a米,横向土b米的夹角内。

●圆柱靶：

即沿水平段设计井眼轴线的半径为R米的圆柱。

●矩形靶：

即纵向为士a米,横向为±b的长方体。

●调整井段：

用于施工中调整井眼轨迹的井段。

1.2水平井的基本类型

水平井的分类通常按造斜率（或曲率半径）分为三种类型：

●长半径水平井：

造斜率K<6°/30m，曲率半径R>300m。

●中半径水平井：

造斜率K=6°-20°/30m，曲率半径R=100-300m。

●短半径水平井：

造斜率K=5°-l0°/30m，曲率半径R=6-l2m。

1.3水平井常用剖面的基本类型

水平井常用的剖面主要有下列四种：

●双增稳剖面，即直井段一增斜段一稳斜段一增斜段一水平段。

●双增剖面，即直井段-增斜段-增斜段一水平段。

●三段制剖面，即直井段一增斜段一水平段。

●三增剖面，即直井段一增斜段一增斜段一增斜段一水平段。

2、水平井剖面设计

2.1水平井的剖面设计要求与类型

水平钻井技术与常规定向钻井技术最为为不同的两个特点是使用的造斜钻具及其特别的剖面设计。

造斜井段的剖面设计几乎与选择最好的定向钻井承包公司一样重要。

单位井身长度的成本最低时，水平井的长度为最佳长度。

水平井在机械方面的限制主要是钻井设备和钻柱的抗扭和抗拉力的能力。

为了研究员到可能达到的最大长度，必须使扭矩和上提拉力为最小，但是由于钻具在井眼内的弯同和重力决定着水平井的扭矩和上提拉力，因此最佳设计要求选择使用在钻井作业时不会弯曲的尽可能轻的钻具。

可行的最简单造斜曲线是从造斜点井斜接近零度时开始，以单一连续的弧钻进到90°井斜的单一均匀曲线。

如果马达造斜钻具增斜特性的变化小于水平目标区的容许误差，那么这一设计便是最佳设计。

但是，大多数马达造斜钻具增斜特性的变化性和误差都大大地超过水平目标区的允许误码差。

为了补偿这些变化性和误差，就有必要在造斜井段设计冲加一段调节用的斜直井段。

2.2水平剖面设计类型

剖面设计基本上是简单的几何计算。

造斜曲率可以分为以下三咱基本剖面类型：

●单曲率—斜直剖面的设计

单曲率—斜直剖面是最老、应用最为广泛的造斜曲线，这类剖面的特点是，整个曲线由三段组成，造斜由上、下两个造斜率相同的造斜井段完成，中间为斜直的稳斜井段。

这一造斜曲线的设计基础是：

以工程计划中计划使用之造斜钻具的最小预计造斜率和最短斜直井段来选择造斜点和计划的造斜曲线末端的位置。

在设计中使用造斜钻具可能的最小造斜率是关键。

这样就要求造斜钻具先前已在类似地层使用过，如果是在邻近地区使用过则更理想。

●变曲率一斜直剖面

变曲率一斜直造斜曲线的设计是为了进一步控制目标的垂直深度。

变曲率一斜直造斜曲线的设计方法是用上部造斜井段确定的马达造斜钻具组合的实际造斜能力，但是并不根据这一造斜率，而是利用比实际造斜率要低的预计造斜率来选择下部造斜井段的造斜点。

这种设计最适用于以构造位置为目标的水平井。

尤其是终的构造位置是靠地层的顶层来确定，而这个顶层在是下部造斜曲率井段内，这类水平井采用这种方法设计是最有用。

●理想造斜曲率剖面设计

理想造斜曲率剖面就是没有斜直井段的弯曲率造斜剖面。

钻这种剖面的水平井，可以使用单斜式的造斜马达，除非由于钻头寿命的限制。

这种设计虽然费用最低，但它要求单斜式造斜马达的的性能变化范围要小于下部造斜曲率井段所固有的变化。

这种方法也许是将来采用的或者可以作为在该地区的第三口水平井所使用的设计。

3、水平井环空携砂效果分析

在水平井钻井过程中，因钻具靠近下井壁，形成了偏心环空，随着钻头破碎岩石的不断进行，岩屑逐渐积聚起来形成岩屑床。

岩屑床的形成就可能导致钻井中的高扭矩高摩阻以及粘卡，泥包钻头等一系列不利因素，这一些都与井眼的清洁状况有关。

因此，水平井环空携岩效果的好坏对水平井钻井起着关键的作用。

影响环空携岩的因素很多，如环空返速、钻井液类型、钻井液流变性、钻井液密度、环空尺寸、偏心度、钻具尺寸、钻速、转速、岩屑尺寸、井眼倾角等。

这些影响因素可分为可控因素与不可控因素，在机泵条件下给定的条件下，实际地面上可控因素只有钻井液的流变性和环空返速。

因此，在水平井钻井过程中对钻井液的流变性能和环空返速进行探讨，对于减少复杂情况的发生，有效地提高水平井钻井速度，降低钻井成本都有非常重要的意义。

水平井技术是国家“八五”期间重点科技攻关项目，从现场施工情况来看，在钻井过程中，因井眼不清洁而发生复杂情况也普遍存在，归纳起来主要有两条主要原因：

●实际环空返速小，满足不了携岩要求；

●钻井液流变参数携岩能力差。

从直井段到斜井段至水平井段，岩屑在环空中运移规律表现出明显的不同，基本上可用井斜角表示：

即0°-30°，30°-60°，60°-90°。

本文依次称为第一洗井区，第二洗井区，第三洗井区。

理论分析认为在三个冼井区中，第一洗井区用层流携岩最佳。

第三洗井区用紊流携岩最佳，第二洗井区层紊流和均可。

但对于现场实际情况，由于大斜度井段和水平井段钻进时使用动力钻具，而动力钻具又受到大排量的限制，所以环空很难达到紊流流态。

大量文献资料表明：

环空返速是影响环空携岩的主要因素。

因此，对一口水平井来讲关键是合理设计返速，也就是说要合理地根据地质，钻具结构，钻井流变性等一些特定条件控制好排量，更好地解决携岩问题。

对于第二洗井区，岩屑会下滑至井底，这一现象国外称为“Boycott”效应，此效应的后果是十分严重的，轻则会起下钻遇阻，钻进扭矩大，重则会发生卡死，扭断钻具等重大事故。

国外学者一致的观点使用大排量洗井，诚然大排量洗井是清洗该洗井区的有效方法，但不是最佳的方法，因为大排量有可能会造成冲垮井壁，形成大肚子，给以后钻进形成更大的隐患，再者，地面设备或者钻具条件限制也可能实现不了这一措施，因此这就需要根据具体条件来实行最好的水力方案。

从现场来看，水平井水力参数的设计缺乏充实的理论依据，基本还是套用直井水力参数的设计方法。

4、水平井井眼轨迹控制工艺模式与技术

水平井钻井的技术关键是确立一个既能经济、安全钻成水平井，又能高精度控制井眼轨迹的水平井钻井模式，形成适应不同钻井方式的水平井钻井工艺技术。

不同类型的水平井，其井身结构和设计轨道不同，所选择的钻井方式不同。

而水平井钻井方式的确立又要受到钻井设备、钻井工具、钻井工艺技术水平，测量仪器装备等诸多因素的制约。

目前国际上最先进的水平井轨迹控制方法和钻井方式是采用导向钻井技术，用一套钻具组合一趟钻钻完整个增斜井段，这也是各个油田水平井井眼轨迹控制技术需要努力的方向，但是，这一技术的实施必须具备组成导向钻井系统的先进而且昂贵的钻井工具、仪器装备以及与之配套的钻井工艺技术。

充分利用现有的技术和装备，在实践中不断探索、完善和提高装备条件和技术水平，使水平井的轨迹控制技术向高层次发展。

水平井钻井基本上为两种方式：

一是与常规定向井比较接近的以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制方式和钻井模式；二是与导向钻井系统比较接近的以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制方式和钻井模式。

4.1.以转盘钻为主的水平井井眼轨迹控制模式

采用与常规定向井比较接近的以转盘钻为主的水平井钻井模式，在长半径水平井中通过调整钻具组合和钻井参数，可以有效地实现对强增斜、微增斜、水平段稳平钻进的井眼轨迹进行控制，但在大斜度井段和水平段必须利用水平井的摩阻计算程序进行钻具组合的倒装设计；通过使用高聚物水包油泥浆体系和正电胶泥浆体系，配合强化的四级泥浆净化系统，采用大排量循环、交叉接力式短起下钻等技术措施，可以满足水平井安全钻井的需要。

对中半径水平井，在增斜率大手6°/30m之后，尤其在由444.5mm大尺寸井眼中，用柔性的转盘钻钻具组合来实现比较稳定的增斜率是比较困难的，而且不利于井下安全。

因此，这种模式在中半径水平井中的应用是有条件的，一般适用于中半径水平井的造斜率低限，并采用动力钻具组合进行造斜能力和井段的调整。

采用两层技术套管的井身结构，虽然有利于井下安全,但是不经济。

实践表明，我们认识到采用这种井眼轨迹控制模式，应当简化井身结构，整个增斜井段采用单一的31lmm井眼尺寸。

在此基础上，将这种模式定型为：

①充分利用成功的高压喷射和防斜打直技术，严格的将造斜点前的直井段井眼轨迹控制在允许范围之内，快速优质地钻完该井段。

②定向造斜段的施工用常规动力钻具、弯接头或单弯动力钻具的方式进行。

应选择合适的弯接头或弯壳体度数，使实际造斜率尽可能地接近设计造斜率。

井斜角应达到10一l5°换转盘钻进，以利于待钻井段增斜和方位的稳定。

③根据设计增斜率选择合适的转盘增斜钻具组合增斜钻进，并根据实际增斜率及时调整钻井参数或更换钻具组合，必要时用动力钻具进行井斜角和方位角的修正，使之满足轨迹点的位置和矢量方向的综合控制。

④在转盘钻钻具组合的钻进过程中，要经常短起下钻和交叉接力循环，以铲除岩屑床和修理井壁，长半径水平井更应如此。

⑤长半径水平井的水平段相对较短，可以转盘钻具组合为主要钻进方式，但必须利用水平井的摩阻计算程序进行钻具组合的倒装设计，并采用大排量来提高携岩能力。

备用一套DTU导向钻具或者1°左右的单弯动力钻具，以弥补转盘钻钻具组合的意外失控。

用这种方式钻中半径水平井的水平段，由于摩阻和扭矩都比长半径水平井小,可以更为安全地钻出更长的水平段。

4.2以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制工艺技术

以转盘钻为主进行增斜井段的井眼轨迹控制，其方法与普通定向井相似。

对于长半径水平井而言，其造斜率是可以用常规定向井的工具和工艺来实现的，但井斜较大于70°井段的井眼轨迹控制是普通定向井尚未涉及的新领域。

对于中半径水平井而言，研究以转盘钻具组合实现高造斜率的技术手段和途径是钻增斜井段的技术关键。

因此，以转盘钻为主钻增斜井段的井眼轨迹控制的主要技术难点是在大井斜或高造斜率条件下，如何通过调整钻具组合与钻井参数，在保证井下安全的情况下实现井眼轨迹的有效控制。

4.3以转盘钻为主钻水平井段的井眼轨迹控制工艺技术

水平井采用采用何种钻井方式来进行有效的井眼轨迹控制，并能达到经济安全的目的，这对不同长度和不同靶区类型及精度要求的水平井段有不同的选择,也是水平井井眼轨迹控制的技术关键之。

4.4以动力钻具为主的水平井井眼轨迹控制模式

实践证明，中半径水平井在钻进过程中的摩阻、扭矩远比长半径水平井小，更有利于安全钻