大位移井钻井技术研究

大位移井钻井技术难点
1 概况
大位移井（ERD）作为开发滩海和海洋油气资源的最重要手段，已得到越来越广泛的运用和快速发展。

采用大位移井可大大减少人工岛和钻井平台的数量，并使每个平台可控制的泻油面积增大，从而减少所钻井的数量，增加储层裸露面积，并提高油井产量和采收率。

大位移井通常定义为水平位移与垂直深度之比大于2.0的井。

大位移井的关键技术包括：井身剖面和钻柱优化设计，摩阻与扭矩，井壁稳定技术，井眼清洁、套管磨损预测与防治技术，以及完井技术等。

随着随钻测井技术、旋转导向钻井系统、随钻环空压力测量技术、闭环钻井技术以及配套钻井液技术的跨越发展，一大批高指标的大位移井陆续钻成，而且周期越来越短，成本明显降低，都表明大位移井钻井技术代表了当今世界钻井技术的一个新的高峰，并将有着更广阔的发展空间。

2 大位移井发展现状
迄今为止,大位移井的位移世界纪录为10728m，是由BP公司于1999年在英国Wytch Farm 油田的1M-16SPZ井上创造的，该井测量深度11278 m，水平位移10728 m，位垂比6.55。

目前全世界位移超过万米的大位移井有3口。

分别是英国的Wytch Farm 1M-16SPZ井(10728 m)、阿根廷的Cullen Norte-1井(10585 m)和BP 的Wytch FarmM211Y井(10114米)。

在位移排前20位的大位移井中，中国拥有3口，名列第三。

中国的3口大位移井是由中国海洋石油总公司在西江油田施工的西江24-3-A14、西江24-3-A20、西江24-3-A17。

3 大位移井钻井施工技术难点
（1）剖面设计及轨迹控制难
大位移井的突出特点是水平位移大、井斜角大，井身设计、井眼轨迹控制等与常规定向井钻井明显不同，井眼轨迹优化设计和轨迹控制难度大，是减小大位移井摩阻和扭矩的主要途径之一。

（2）摩阻与扭矩大
由于大位移井段井斜角多在70°以上，斜深大，重力效应突出，从而引起上提下放钻柱
时的阻力大；钻柱摩擦力矩大，传递扭矩困难；钻柱与套管磨损严重；钻柱强度问题突出；施加钻压困难，下部钻具组合易产生屈曲导致自锁。

摩阻与扭矩问题是影响水平延伸程度的主要问题。

（3）井眼净化要求高
大位移井水平位移大、井眼长，井眼清洗、携砂最为困难，加上地面设备能力限制，若井眼尺寸较大，则钻井液返速低，造成岩屑沉积，在下井壁形成岩屑床，对钻井液性能及工程参数匹配要求高。

（4）井壁稳定性差
大位移井一般深度较大，钻井周期较长，往往在大斜度井段容易发生井壁失稳导致坍塌，尤其在泥页岩或不稳定页岩与石灰岩频繁交互的薄层内，引发井下事故。

（5）在大斜度、长裸眼井段内下入技术套管
由于摩阻大，下部套管段可能会产生屈曲变形，使套管下入难度大，甚至难以下到预定深度。

大位移井在套管下入过程中大钩载荷和套管可下入深度的预测是大位移井成功完井的关键因素之一。

4 大位移井关键技术
4.1 井身轨迹设计
合理的井身轨迹剖面是大位移井取得成功的关键之一。

井身剖面设计的最主要保证是不能超过钻柱的扭矩极限，并能满足增大大位移井的延伸距离、降低扭矩和摩阻、提高钻柱、套管和测量工具的下入能力等。

国外在大位移井中，推荐悬链曲线轨道剖面，这种井身剖面的特点是扭矩低，钻柱与井壁的接触力几乎为零。

但用这种轨道剖面也给钻井带来困难，一是钻柱底部有效张力导致钻柱受压，二是悬链曲线比一些传统的井眼轨道井身更长，因而通常采用对其进行修正后的准悬链线轨道剖面。

它的作法是在浅层段以低造斜率1.0～1.5(°/30m)造斜，随井深增加，逐步增加到2.5～2.75(°/30m)，增幅为0.5°/30m ，使最后的井斜角比传统的60°井斜角高，可达到80°~ 84°。

实践证明：准悬链线井身剖面可减少钻井扭矩，增加钻具的滑动能力，增加套管下入重量20-50%。

除井眼剖面曲线类型外，影响大位移井可钻深度的主要参数还有：造斜点、造斜率、稳斜角和斜井眼长度等剖面参数。

造斜点应该选在成岩性好、岩层比较稳定的地层，从而有利于较快地实现造斜并确保井眼稳定。

同时应尽量加深造斜点，以缩短斜井段的长度，达到降低管柱与井眼之间摩阻与扭矩的效果。

井斜角应尽量避开45°-65°范围，井斜角在该区间内，不仅岩屑在井眼低边容易形成岩屑床，而且在停泵后岩屑存在下滑的趋势，很容易发生卡钻事故。

如果井斜角大于65°，即使井眼低边有岩屑床存在，在停泵后岩屑也不会向下滑动，这不仅可以避免卡钻事故，而且在钻柱的不断搅动下，岩屑会随着液流不断返到地面，达到清洗井眼的目的。

4.3 降低摩阻和扭矩
管柱的摩阻扭矩是影响水平位移延伸的关键问题,大位移井摩阻产生的原因较多,主要有:
①随着井斜角的增大，钻柱对井壁的载荷增大，致使钻柱运动阻力增大；②液柱压力与地层压力之差较大，产生使钻柱向井壁的推靠力，易形成压差卡钻；③洗井效果差使井眼岩屑床形成严重，以及井壁拥塌掉块容易产生砂桥卡钻；④井眼周围由于应力不平衡产生井眼变形，使起下钻阻力、钻井摩阻增大。

摩阻的计算公式为：F z =∑F t×f t+∑F l ×μ1= ∑G ti×f t+∑[G li+(p l-p d)×S i]×μ1
式中：F t为钻柱对套管壁正向压力；F l为钻柱对裸眼井壁正向压力；G ti为钻具对套管某接触部位的法向重力分量；f t为钻具与套管之间摩擦因数；G li为钻柱对裸眼井段接触部位的法向重力分量；S i为钻柱与裸眼井壁的接触面积；μ1为钻柱与裸眼井壁的摩擦因数；p l为钻柱与裸眼井壁接触点的液柱压力；p d为钻柱与裸眼井壁接触点的地层压力。

分析公式可知，摩阻随井斜角和摩擦因数的增大而增大。

降低摩阻可以通过降低套管摩擦因数、裸眼摩擦因数、降低钻具与裸眼的接触面积、降低钻柱对井壁的正向压力以及通过减小液柱压差的方法来解决。

实际钻井过程中，除了井身剖面的优化设计外，通常还要采取以下措施降低摩阻和扭矩。

（1）提高钻井液的润滑性
大位移井对钻井液润滑性的基本要求是：润滑因数不小于0.15，滤饼摩擦因数不小于0.1。

对于水基钻井液，可通过加入极压润滑剂与聚合醇等处理剂的办法，提高钻井液性能，降低钻井摩阻。

如垦东405-平1井，该井位垂比1.74。

首次使用了抑制和润滑效果好的纳米乳液,全井使用25t,顺利完成了施工，起下钻畅通,完钻时的摩阻为20～25t、扭矩为12～14KN·m ,完井作业顺利，并获得良好的油层保护效果，共穿越油层629m，初投产射孔井段仅为257.3m，获日产油58t的高产。

（2）加强井壁稳定与井眼清洁
加强井壁稳定的各种措施，确保经验规则，减少坍塌掉快和缩径现象，避免起下钻过程钻柱与井壁的刮卡。

同时，加强洗井措施，提高井眼净化程度，减少岩屑床的形成，是降低摩阻和扭矩的有效途径。

（3）提高固相控制水平
降低钻井液中的有害固相含量，尤其减少微小粒径的有害固相。

微小固相不仅对钻井液的性能有着极为不利影响，而且使滤饼质量变差，使钻柱与井壁滤饼的粘附力增大，增加了粘附卡钻的机会。

因此，增加固控设备的投入十分必要。

西江24-3-14A井施工中，使用了5台振动筛，3台离心机进行固控作业，对该井的成功起了很大的作用。

（4）应对摩阻、扭矩大的其他措施
除了以上几种减小摩阻和扭矩的措施外，在应对大摩阻和高扭矩方面，普遍采用且有效的措施有：①使用高强度钻杆；②提高地面设备的功率；③利用顶部驱动系数(TDS)来帮助解决扭矩和阻力的问题；④在靠近垂直井段使用钻铤或加重钻杆，使用水力加压器连续控制钻压；⑤摩阻分析软件的应用：模拟不同的井眼轨迹、计算不同钻具组合条件下旋转钻进、滑动钻进及起下钻情况下的摩阻与扭矩值。

4.4 井眼轨迹控制
当前国内外大位移井采用的井眼轨迹控制技术有：滑动导向钻具组合连续导向、可调滑动导向钻具组合连续导向和旋转导向工具连续导向钻井技术。

带可变径稳定器（HVGS）的导向钻具组合减少了起下钻次数，提高了旋转钻进的比例, 但仍然摆脱不了用滑动钻进的方式来满足方位调整的需要；旋转导向工具进行连续导向钻井具有随时可控性，轨迹控制质量高，但使用成本很高。

在充分掌握滑动导向钻具组合导向力变化规律的基础上，在一定范围内，这种钻具组合仍然具有很好的应用效果。

应根据不同的技术和经济方面的实际情况，合理采用滑动导向钻具组合和旋转导向工具的控制方法，制定最优的轨迹控制方案，满足大位移井的井身轨迹要求。

西江24-3-A18井和西江24-3-A20井井眼轨迹控制过程主要可以描述为小位移井段的“滑动导向钻具组合连续导向”和大位移井段的“旋转导向工具旋转导向”，西江24-3-A20井水平位移达到了7825m。

4.5 井眼净化
在大位移井施工中，钻屑极易在井眼下井壁形成钻屑的沉积层，导致摩阻扭矩增大，起下钻不畅甚至发生卡钻事故。

因此在大位移、大井斜、小排量、低返速的条件下，如何及时有效地将井底岩屑携带出来，保持井眼清洁，防止岩屑床的形成，是大位移井能否顺利施工的关键。

因此，在大位移井的设计和施工阶段，都应认真对待井眼清洁问题，制定细致的施工措施，改善井眼清洁状况。

（1）在井身轨迹剖面设计时要考虑井眼净化要求；
（2）保持较高的钻井排量和环空返速。

环空返速决定了钻井液的流型，要保持井眼净化，在大斜度井段和水平井段要尽可能提高环空返速，使钻井液处于层流或紊流流态，在直井段和低斜度井段，环空返速要大于岩屑下沉速度，钻井液呈平板流型。

（3）机械钻速在低于井眼净化的临界钻速，实际机械钻速高于计算的临界机械钻速时，要进行循环洗井。

（4）加强钻具的转动和上下活动，要加大旋转钻进的比例并尽量采取短起下钻措施。

（5）选择携岩能力强的钻井液体系并优化钻井液性能是保证井眼清洁的关键。

（6）固相控制：要保持钻井液的良好状态,用好固控设备是保证钻井液中低固相含量的有效方法。