大位移延伸井钻井技术

石油钻井行业大位移延伸井钻井技术

近几年来，随着钻井工艺技术及钻井装备、工具、软件等技术的发展，诞生了大位移定向井，它的出现，为海洋平台钻井及在陆上开发滩海油气资源开辟了一条新途径，与其他井型相比，这项技术在油气勘探开发中起到了投资少、见效快和其它钻井方法无法替代的作用。

第一节国内外大位移井发展及技术现状

所谓大位移井世界上并无确切的定义，最初认为水平位移超过3000米或水平位移与垂深之比大于1的井即为大位移井，随着钻井及相关技术的发展，目前比较通用的概念是位移于垂深之比大于或等于2的井称为大位移井。井斜大于或等于86度的大位移井称为大位移水平井。由于各种原因使得方位发生变化的大位移井，称为三维大位移井。

大位移井始于20年代，随着科学技术和水平井钻井技术的不断发展，80年代大位移井才得到快速发展，九十年代以来，大位移井已经在油气勘探和开发中显示出其巨大的潜力。美国、挪威、澳大利亚、英国等几个国家先后钻成了一批有代表性的大位移井，位移与垂深之比大多都大于2，有的大于5，并取得了很好的经济效益。

Unocal公司在美国加利福尼压近海Dos Cuadras油田C平台上成功地钻了9口非常浅的水平位移很长的油井。其中C-29井和C-30井创造了当时的最高纪录。Ｃ－２９井高峰日产量１１３吨／天，储层内长度９４２米，总垂深层９３米，水平位移１１５６米，位移、垂深比３.９５Ｃ－３０井储层内长度１３４８米，垂深与位移之比达到了５.０５。

英国ＢＰ石油公司和斯伦贝谢公司在北海Wytch Farm油田成功地钻了数口大位移水平井，开创了利用大位移井技术开发整装油田的范例。其中１９９２年完成的Ｆ１９井水平位移５００１米，总井深５７５７米，水平位移、垂深比创当时欧洲纪录。

ＢＰ石油公司于１９９８年１月在英国南部的Wytch Farm油田完成的Ｍ１１井是目前世界上水平位移最大的大位移井，其水平位移达１０１００米，日产量高达２０，０００b/d 1997年6月，中国海洋石油总公司与美国菲理普石油公司合作在南海东部完成了一口当时世界上水平位移最长的水平井西江24-3-A14井，完钻井深9238米，垂深2985米水平位移8062.7米。大港油田利用国内技术于1991年独立完成了国内第一口大位移定向井张17-1井，测量井深3919.82米，垂深3000米，水平位移2279.83米。１９９６年完成的QK18-1井，该井井深４４０８米，位移２６６６米，是目前国内独立完成的水平位移最大的井。

胜利油田共钻过六口大位移井，其中１９９７年完成的郭斜１１井，测量井深２３４２米，垂深１４００.６米，水平位移达到１６２６.２２米,水平位移与垂深之比达到１.１６１，创我国目前水平位移垂深比最高纪录。

第二节大位移井的井身轨迹设计

大位移井井身轨迹剖面主要采用悬链线或准悬链线剖面。悬链线剖面是由Edward

O.Anders 于1984年提出的，该剖面基于这样一假设：由于全井钻柱很长，而且有很大的长

径比，所以钻柱在井下的整体刚度很小，可以把钻柱看成一根柔索。把一根柔索的两端悬挂

起来，所呈现的形状即为悬链线。如果将井眼轨道也设计成悬链线，那末在一定条件下钻柱

在井内将呈现悬空趋势，这样钻柱与井壁几乎不接触。

与常规圆弧剖面相比，悬链线剖面具有以下几个优点：

１．井内钻柱达到一定长度后，当施加拉力时，其内部的张力将促使钻柱脱离下井壁，

在井眼内有居中的趋势，从而大大降低了摩擦阻力摩擦力矩，减少了钻柱及套管的

磨损。

２．由于悬链线井段的井斜角是缓慢递增的，所以可以使用比常规钻井更高的钻压，连

续增斜钻大目标点，有利于提高钻速。

３．由于井眼曲率是连续变化的，且随井深的增加，其变化也比较缓慢，所以使钻柱在

井下的受力状况得到改善，减少了钻柱的疲劳破坏，同时减少了出现键槽的机会。

４．在悬链线井眼中，有利于套管居中，给提高固井质量提供了有利条件。

由于悬链线上任何一点的切线都不可能是铅垂的，这就使得悬链线井段无法与直井

相切，必须作圆弧过度，于是降低了悬链线的实际应用效果。而侧位悬链线上端点与纵

轴夹角为零，将该点与造斜点重合，就不需要圆弧过度，从而达到理想的效果。下面着

重介绍侧位悬链线剖面的设计。

2．1侧位悬链线剖面的设计方法

1、 轨道关键参数的计算 如图2所示，所谓轨道关键参数，就是在设计计算的轨道未知数

中，需首先求出的参数，只要求出这些参数，轨道上的所有参数都可求得。一般情况下，

αb 和L W 为关键参数，可按下述两种情况设计：

（1） 已知αb 求L W

L w =142142cos ()ln cos cos ln sin απαααπααb b t b b b b Dt Da tg S tg ⎛⎝ ⎫⎭

⎪⋅--+⎛⎝ ⎫⎭⎪⋅⎛⎝ ⎫⎭⎪⋅-+⎛⎝ ⎫⎭⎪⋅ (1 )

（2） 已知L W ，求αb ，

S Lw D D L t b t a w b -⋅--⋅sin cos αα=1142cos ln ()

απαb b tg -⎛⎝ ⎫⎭⎪+ (2)

方程（2）中，只有1个未知数α b ,通过迭代运算可以求得αb ,

用下式计算悬链线特征参数α

α=S L t w b b -⋅-sin cos αα1

1

(3) 求出轨道的关键参数和悬链线特征参数后，就可进行轨道节点和分点参数的计算。

2.节点参数的计算 设计轨道是由垂直段、造斜段和稳斜段组成，相邻两个设计井段

的分界点称为节点。对于侧位悬链线轨道而言，α和b 为节点，其中造斜点α的参数已知，

下面计算b 点的井深、垂深和水平位移

L b=D a+a⋅tgαb(4)

D b=D a+ a⋅lntg

πα

42

+

⎛

⎝

⎫

⎭

⎪b(5)

Sb=a⋅

1

1

cosα

b

-

⎛

⎝

⎫

⎭

⎪(6)

3.分点参数的计算各井段内，以上节点为始点，每隔30m为一个分点，每个分点需计算的参数有井深、井斜角、垂深、水平位移、东西坐标、南北坐标和造斜率7项。

（1）造斜点以上的垂直井段不作分点计算。

（2）分点井深、井斜角、垂深、水平位移计算公式分述如下：

←侧立悬链线段

L i=D a+△L i (7)

αi=tg-1

∆L

a

i

⎛

⎝

⎫

⎭

⎪(8)

D i=D a+ a⋅lntg

πα

42

+

⎛

⎝

⎫

⎭

⎪i(9)

S i= a⋅

1

1

cosα

i

-

⎛

⎝

⎫

⎭

⎪(10)

↑稳斜段

L i=L b+△L i (11)

αi=αb(12)

D i=D B+△L i⋅cosαb (13)

S i=S B+△L i⋅sinαb (14) →分点东西坐标和南北坐标以及分段平均造斜率的计算

N i=S i⋅cosθ0 (15)

E i=S i⋅sinθ0 (16)

Ki=αα

i i

i i

L L

-

-

-

-

1

1

(17)

２．２.不同轨道类型的对比

某井目标电垂深２９８５米，水平位移８０６２．７米，造斜点垂深４４２米，造斜点以上为直井段，给定稳斜段井斜角为８０°，设计方位角为１１４．９°，摩阻系数０．０９，井眼直径２１５．９mm;钻井液密度１．１g/cm3，钻压１００KN,钻进时转速８０r/min;机械钻速１０米／小时．悬链线轨道和剖抛物线轨道过度段的造斜率为２°／３０米，利用四种曲线分别进行轨道设计，再利用摩阻扭矩软件，对滑动钻进,