水平井优化设计

水平井钻井优化设计
一、水平井的分类 二、井眼轨道优化设计 三、井身结构优化设计 四、钻具组合设计
一、水平井的分类
（一）按照井眼曲率半径分类： 水平井的类型有4类: 长半径水平井 中半径水平井 短半径水平井 超短半径水平井
1、长半径水平井：曲率半径是305～914m，造斜 率为2°/30m～6°/30m，这种水平井与常规定向 井钻井技术相似，用弯接头即可完成造斜，用井 下马达钻水平段。用长半径水平井钻井技术可以 钻出很长的水平段，而且还可以取心。但由于靶 前位移长，中靶精度不高，因此，地质设计时要 允许井眼轨迹具有较大的靶心距，适合于较厚油 藏的水平井钻井。
在水平井钻井中，影响正常钻井施工的主 要因素是钻柱下放时的阻力。当井眼井斜角达 到90°时，钻柱的重量完全转化为摩擦阻力， 全凭上部钻柱的推动克服摩擦阻力，使钻柱向 前运动。当上部的钻柱推力小于摩擦阻力时， 就不能继续向前延伸井眼。
三、井身结构优化设计
1、常规型井身结构 套管程序与同区块的常规直井、定向井一样，这 类井身结构仅满足安全钻井要求，往往采用固井射孔 完井。 2、加强型井身结构 有斜水平井的目的层较深，水平位移较长，或上部地 层在长时间钻井液浸泡下有可能出现复杂情况，因此， 要将井身结构设计的更保守一些。 例如：（1）将二开井的表层套管或三开井的技套加深。 （2）将二开井改成三开井。
小井眼侧钻水平井井眼轨道设计 1、侧钻点的选择 必须通过多方面综合考虑，从中选择较合适的侧钻 点。 ①、侧钻点应避开混浆带，尽量选在固井质量好的井段。 ②、选择砂岩层侧钻，有利于提高实钻初始造斜率，使 钻头尽快离开老井眼。 ③、尽量避免形成扭方位过大的局面，给钻井施工和井 眼轨迹控制带来较大的难度。 ④、造斜点深度的选择应有利于实现地质目标，为进入 目标层形成优良的侧钻、造斜、探油层井段，为钻水平 井段提供优质的井眼剖面。 ⑤、如果有水层，初始定向造斜井段应尽量避开水层。
④、剖面设计中应考虑井眼尺寸对钻具组合造斜 能力的影响。 ⑤、在水平井大斜度段落中设计稳斜段或微增斜 段对水平井轨迹控制十分重要。除了满足采油需 要外，在工具实际造斜率不符合设计造斜率时， 有调整井眼轨迹的余地。 ⑥、设计剖面有利于减少钻柱摩阻力和井眼净化。 ⑦、设计剖面要有利于采用分次定向技术进行轨 迹控制，经克服油层深度和工具（含地层）造斜 率不确定的问题。 ⑧、应尽可能减少大斜度井段长度，以提高施工 速度。
水平井目标深度的不准确，是水平井重钻的重要因素。 实钻施工中，如果目标深度变浅，井斜角却未达到进 入水平段的要求，必须填眼，缩短稳斜段或增大井眼 的造斜率重新钻井；如果目标深度变深，井斜角达到 进入水平段的要求，井眼却未进入产层，也必须填眼， 增加稳斜段或降低造斜率重新钻井。这种现象在靶前 位移较短的水平井中更有可能出现，因此，在设计水 平段时应尽量使深度准确，否则，有可能增加钻井成 本。 地质设计时，应以海平面为基准标定目标深度，在测量 井口坐标时应同时测量井口的海拔高度，在工程设计 时应根据井口的海拔高度和钻机补心到地面的距离对 目标深度进行校核，这样既准确标定出井眼剖面的深 度，也为钻井施工中对井眼垂深的校正提供了方便。
2、井眼方位的调整 针对侧钻点的闭合方位与水平段靶点的闭合方位相 差很小的井，为了降低造斜井段的钻井难度，开窗后尽 早将方位调整到水平段方位。 针对侧钻点的闭合方位与水平段靶点的闭合方位相 差较大的井，为了降低侧钻井段的钻井难度，通过调整 侧钻点、狗腿度和目标位置，减少井眼方位的调整，尽 量能将方位一次性源自文库到设计水平段方位上。
由于造斜率的增大，一般弯接头和单 点定向仪器已经无法完成造斜和定向要 求，必须采用导向马达和无线随钻定向 仪器完成井眼的定向造斜。可钻出长度 为1000m左右的水平段。可以裸眼完井、 下割缝衬管完井、下衬管完井、下衬管 和套管外部封隔器完井，或用水泥固井 射孔完井。该井型能有效地获得增产。
3、短半径水平井 短半径水平井 在国外，短半径水平井的曲率半径是6～12m， 造斜率范围为2°/0.3m～5°/0.3m。这种钻井技 术适用于在下套管井或未下套管的直井泄油井眼。 对井眼的尺寸、井眼的长度、完井技术限制性较 大。由于造斜率的增大，要求必须使用专门设计 的造斜工具、仪器和钻柱；适用井眼尺寸为小于 152.4mm；水平段长度小于150m；可用裸眼和 割缝衬管完井。
1、单增剖面：（直-增-稳） 、单增剖面：（直 增 稳 ：（ 就是从造斜点开始， 就是从造斜点开始，用一个固定 的造斜率， 的造斜率，将井斜角增至水平段设计 井斜角。该剖面的造斜点、 井斜角。该剖面的造斜点、造斜率是 一个相对固定的值， 一个相对固定的值，都取决于井口到 窗口的水平位移的长度。 窗口的水平位移的长度。
双增剖面使用：一般用于靶前位 移大、目标层较薄、深度较不准 确的水平井。 所表现的特点是：要求工具的造 斜率较低、可适用于较大尺寸的 井眼（≤12.25”）
井口
直井段
造斜点
稳斜段 增斜段 入窗点
水平段
3、复杂剖面： 就是要求井眼必须实施方位调整、或多 次增斜、稳斜或降斜才能完成目标井段的钻 进。诸如三维水平井、三增剖面水平井、阶 梯水平井等。
三、井身结构优化设计
3、油层专打型井身结构 为了有利于保护油层，将技术套管下入到水平段 的入窗口，用优质完井液实施水平井段的钻进，可充 分降低钻井过程中对油层的伤害。 4、大位移水平井井身结构 由于井身长，井斜角大，钻井摩阻大，为了降低 摩阻，防止井下复杂事故，安全钻达目的层，有效保 护储层，尽可能地将各层套管向下延伸。
（二）按用途分类 有常规水平井、大位移水平井、侧钻水平井。 1、常规水平井 用于各种油藏的单井产量提高和采收率的提 高。 2、大位移水平井 用于特殊地理环境油藏的远距离高效开发。 3、侧钻水平井 用于老油田的挖潜增效和老井的再利用，降 低老油区稳产增产的成本。
二、井眼轨道设计 水平井井眼轨道主要有三种： 1、单增剖面 2、双增剖面 3、复杂剖面
单增剖面使用：一般用于靶前位 移小、目标层较厚、深度比较准 确的水平井。 所表现的特点是：要求工具的造 斜率高、适用于较小尺寸的井眼 （≤8.5”）
井口
直井段
造斜点
水平段 造斜段 入窗点
2、双增剖面：(直-增-稳-增-稳） 就是首先从造斜点开始先将 井斜角造到所需要的井斜角后进 行稳斜钻进，然后再增斜至水平 段井斜角进入窗口。
转盘面 地面 海平面 转盘 地面
海拔
目的层
水平井摩阻预测 在水平井钻井施工中，如果管柱在井眼中 运动的摩擦阻力较大，会影响正常钻井施工， 有可能导致不能将水平段延伸到设计长度。钻 井摩阻与井斜角、斜井段的长度、管柱的单位 重量和管柱与井壁的润滑性有关。因此，在设 计井身剖面时就应通过计算各种剖面下的摩阻， 通过比较摩阻的方法，优选摩阻较低的井身剖 面。
复杂剖面的使用：用于具有井口的限制， 防碰的限制，油藏特点的限制的水平钻 井中。 所表现的特点是：井眼控制难度大，施 工中容易出现复杂事故。
大位移水平井剖面设计原则 ①、选择中等造斜率进行剖面设计。由于浅层水 平井钻经地层胶结差，岩性松散，易随钻扩径， 因此，应选择现有工具的中等造斜率进行设计， 以免造成施工被动。 ②、为了减小井眼曲率的影响，对于高造斜率的 中半径水平井剖面，特别是靶窗纵向允许误差较 小时，应采用低造斜率入靶，以减小上部井段高 造斜率的曲率效应，有利于水平段的井斜控制。 ③、设计造斜率应保证较大尺寸的完井套管或筛 管能顺利下入。
水平井目标设计时应注意的问题 所谓水平井即通过定向造斜，使井眼从垂直状态，按照 一定的方向过渡到水平状态，然后沿着预定方向，使 井眼在产层内延伸一定长度。这个在产层内延伸的井 段就是水平井的目标，叫水平段。 水平段的方向、长度和深度一般是由地质部门提供出来 的。但是，为了更准确地使井眼的水平段进入设计产 层，地质部门应与钻井工程设计部门结合起来，进行 协商来完成目标的设计，这样更加有利于油田的开发 与钻井工程的设计和安全、顺利施工，可减少因不能 准确进入设计靶区而不得不重钻的损失，可减少因地 质要求井眼轨迹的难度太高而引发的井下复杂和事故。
各类水平井适应井眼尺寸表 类型 长半径 中半径 短半径 超短半 径 井眼直径 mm 215.9、 215.9、311.1 114.3、152.4、 114.3、152.4、 215.9、 215.9、311.1 95.25、120.65、 95.25、120.65、 152.4 / 曲率范围 2°/30m～6°/30m /30m～ 6°/30m～20°/30m /30m～20° 1°/m～5°/0.3m /m～ 45°/0.3m～ 45°/0.3m～ 60° 60°/0.3m 可钻水平段长度 m 1000以上 1000以上 1000以内 1000以内 小于150 小于150 小于60 小于60
2、中半径水平井：曲率半径是91～244m，造斜
率范围为6°/30m～20°/30m，这种类型的水平 井成为油田开发的主要方法，因为许多常规的油 田工具都可用于这类井眼，可较大程度地缩短靶 前位移，减少钻井进尺，降低钻井成本。由于靶 前位移和井眼长度的缩短，使中靶精度有较大提 高，因此，适合于较薄油藏的水平井钻井。
四、钻具组合设计
常规井的钻具组合将钻铤接在钻头上， 是为了控制井眼轨迹，给钻头加上钻压。 但是，在钻水平井段时，加在钻头上的 钻铤不仅丧失加压作用，而且由于钻铤 的重量大，刚性大，与井壁产生的摩阻 严重影响钻柱为钻头施加钻压，导致不 能完成水平段的钻进。 钻头+钻铤+钻杆
因此，在设计水平段钻具组合时， 要采用倒装钻具组合，将钻铤或加重钻 杆设计在上部直井段或小井斜井段，为 水平段的钻杆柱提供足够的推力，克服 水平段钻柱与井壁之间的摩阻，从而为 钻头提供钻压，使水平段井眼向前延伸。 钻头+钻杆+钻铤+钻杆
在国内，由于种种原因的限制，目前短 半径水平井的起始造斜率为1°/m，并且仅 钻过1口短半径水平井（官H2）。
4、超短半径水平井：曲率半径是0.3～0.6m， 造斜率范围为45°/0.3m～60°/0.3m。该技术 是采用水嘴对地层高压喷射，形成储层泄油井 眼。目前可钻出水平段长度小于60m的超短半 径水平井。