超长水平井及丛式水平井钻井技术

超长水平井及丛式水平井钻井技术

1. 钻超长水平井的技术挑战

1）井眼清洁；

2）高摩阻扭矩，需要高抗扭抗拉和耐压钻杆；

3）大斜度长裸眼稳斜段，套管的安全顺利下入；

4）平台设备能力配套与常规井差别，常规超深井考虑钻机的动力和提升载荷能力，而超长水平井侧重考虑水力和顶驱输送扭矩能力；

5）井斜大，裸眼段长，井眼侵泡周期时间长，影响井壁稳定性；

6）普通井的经验很多不适合超长水平井，超长水平井一旦出现失误，惩罚比普通井严重；

7）储层埋藏深度不确定性和仪器精度误差对钻井轨迹调整影响；

8）钻杆伸缩性大，在接近完钻深度只能单根钻，对复杂情况处理活动空间小。

井眼清洁；

井眼清洁在超长水平井中是个很关键的因素，制约超长水平井延伸能力。斜井清洁跟直井区别很大，至少需要比直井很长的循环周时间，而且在程序方法处理上也大大不同，随着井斜的增加，井眼清洁难度加大，岩屑上返更加困难，需要循环时间更长。

一．影响井眼清洁因素：

⑴井眼大小⑻岩屑尺寸

⑵钻杆尺寸⑼滑动定向比例

⑶排量⑽钻井速度

⑷转盘转速⑾井壁稳定性

⑸泥浆流变性⑿岩屑分散性

⑹井眼轨迹

⑺泥浆环空流态

二．井眼清洁原理

井眼清洁有两种方式，一从井眼机械直接运除出来，二通过分散，岩屑溶解在泥浆，这对于大尺寸浅表层采用海水钻就利用这个原理，边钻边造浆，把分散的岩屑带至地面直接排海，间隔打高粘把有颗粒形状的岩屑返出，达到井眼清洁。

a)钻具的转速是井眼清洁的关键因素

在斜井中，井眼高边高速流体清砂作用象传送带，岩屑沉至井眼底边低速层，最终降至井眼底边形成岩屑床，中间岩屑运移长短的距离与井斜角度、排量、转速、流体的流变性及泥浆比重相关，岩屑运移传送带速度与排量相关。

钻具转速扮演在高角度井眼清砂关键因素，因为活动流体处于井眼高边，钻具和岩屑都倾向于井眼底边，通过钻具机械的搅动，将岩屑搅起至传送带上，且钻具的搅动，在钻具上会产生牵引力，部分岩屑也会伴随钻具转动螺旋上升，通过这两者的作用将岩屑带至地面，而钻具转速由井眼大小和单位进尺快慢决定，在12-1/4"、17-1/2"井段至少需要120RPM，8-1/2"井段需要70RPM以上，但高齿轮传送带仍需要钻具转速达到120RPM以上，钻具钻速越高，在钻具周围牵带岩屑越多，超过钻具接头的高度，另外使流体原自由流动高速通道变窄，产生紊流，进而搅动岩屑床，利于清砂，但这种高转速当时也许只将部分岩屑带出来，

井眼干净仍需要长时间循环和倒划眼短起下等措施，这在后面小节论述。基于高转速清砂原理设计了清砂工具如带螺旋流道翼的钻杆，破坏岩屑床，更易将岩屑搅至传送带上，使清砂更好。关于在钻柱使用此类钻杆存在误区，不是只是使用一两根的问题，必须有足够的数量，因为它只是比普通钻杆稍好，在其的上部，相比普通钻杆，只是整体岩屑沉下来的距离稍远点。

b)排量对清砂影响

排量对清砂是有作用的，岩屑毕竟经过泥浆的流动携带至地面，排量太低使得所谓携砂传送带过于狭窄，这样井眼环空很大空间被非激态泥浆占据，因此即使钻具的搅动，将岩屑搅离低边，但很难进到传送带，进到传送带也易从中掉离，因此井眼很难清洗干净，但对于小井眼8-1/2"，因钻杆和井眼间隙相对较小，井眼相对较易清洗干净。而在井眼上部的隔水套管，钻柱与套管间隙大，环空返速很低，岩屑很难上返，因此需要很高的排量，排量高造成系统的整个压耗过高，超过设备承受力，因此需在隔水管底部环空，与地面泵构成另外循环回路，通过单独泵适当提高隔水管清砂排量。

c)井段井眼排量和转速参考要求

①17-1/2"井眼150-180 rpm 1200-1500

gpm

②12-1/4"井眼120-180 rpm 800-1000

gpm

③9-7/8"井眼 120-150 rpm 450-650 gpm

④8-1/2"井眼至少》70 rpm，最好》120 rpm 350-500 gpm

高摩阻扭矩，需要高抗扭抗拉和耐压钻杆；

关于超长水平井摩阻扭矩认识归纳如下：

①对于高角度，垂深浅的井：高摩阻和低有效悬重会限制钻井深度，在无悬重或负悬重情况下，钻具必须通过旋转下到井深；

②垂深深的超长水平井：由于钻柱的负荷使钻井深度不会太深，因为下部钻具重量越重，旋转扭矩越大，超过钻柱的强度；

③S型剖面的超长水平井：如果井眼平滑缓降，井段不长，对钻柱摩阻扭矩影响不大，但对于降至井斜很小的井，因悬挂着有效钻具重量，会产生较高的摩阻扭矩；

④低角度井：摩阻一般不存在问题，滑动定向比较容易，但扭拒很高和套管磨损成为问题焦点；

⑤中角度井：结合高角度和低角度特性，摩阻比扭矩也许显得更关键，扭矩则为不定因素；

⑥高角度井：摩阻扭矩都很重要，如下部钻具重量重可能会产生高扭矩，因此在钻具组合上用加重钻杆代替钻铤，并控制一定数量，尽可能少加，在钻柱上采用复合钻柱和倒装钻具。

（b）钻具屈曲

钻具在井眼里由于受压而发生弯曲，在大尺寸井眼、小角度井，小的钻具刚性很容易发生受压失稳产生弯曲。高角度井难发生钻具弯曲，但不是不可能，在其稳斜段和直井段如钻具受压也会发生弯曲，在造斜段由于钻柱的弯曲应力存在

使此段钻具弯曲更为困难。弯曲形态分正弦弯曲和螺旋弯曲。

（1）正弦弯曲：是钻柱发生弯曲的第一形态，也称蛇行弯曲，但由于钻具重量，钻具只在低边发生屈曲，但屈曲的钻具没有触及高边井眼的井壁，在钻井中不利因素影响钻压有效传递，在钻井中导向马达经常性发生制动，工具面不易控制。

（2）螺旋弯曲：钻柱发生二次弯曲形态，钻柱压缩象弹簧，充满整个井眼，由于井壁支点支撑消耗了钻压的传递，发生钻具自锁。

因钻具弯曲力远低于钻具材质的屈服值，因此钻具是可以受压弯曲的，不是不可以，但只局限于钻具静止状态，因为钻具旋转发生弯曲，产生交变应力使钻具很快发生疲劳破坏。对于钻具弯曲有害影响，可采取以下有效措施：（1）采用尺寸大的刚性强的高强度钻杆；

（2）倒装钻具；

（3）在关键井段加强此处钻具的刚性；

（4）减小摩阻，提高泥浆的润滑性，使用减阻设备；

（5）采用旋转导向钻具代替常规导向马达；

（c）摩阻扭矩计算模型计算。

摩阻扭矩现在可以采用计算机软件理论计算，算法建立在普通的力学数学模型上，可以跟现场数据互动，通过现场数据可对软件输入数据进行校定。摩阻扭矩计算假设钻具两种形态：柔索模型和刚性模型。大多数模型计算都假设柔索模型理论计算，不考虑钻具的刚性和几何形态。

井眼剖面类型

以下为超长水平井眼剖面类型的几种选择：

1）直增稳剖面：适度的稳定造斜率（2.5º-3º/30m），减少稳斜角度和斜深。主要使用于垂深、12-1/4"井段的水力因素受限，没有浅层稳定性问题的井；

2）双增剖面：一般增斜至中间角度（如50º），稳斜，然后增至最终角度，这样设计使表层套管以合适井深下入复杂层段以下。这种剖面与拟悬链剖面比较，减少稳斜角和钻井井深；

3）拟悬链剖面设计；拟变曲率增斜最初解决表层井眼不稳定的问题，降低造斜段扭矩，但会增加稳斜角和完钻钻井斜深；

4）S型剖面设计：不利方面增加上部井段中间稳斜角，很可能造成钻下部地层钻具无悬重。在最后产层井深降低角度穿越主要从以下角度考虑：a）减少产层地质垂深和测量仪器精度不确定性影响；

b）降低产层或深部地层作业风险；

c）在产层段减少泥浆比重；

d）减少可钻性差的地层钻入层段

e）如果深度根据垂深确定的话，可以减少整个井深；

5）三维水平井设计：根据地质和储层特殊要求设计。

超长水平井套管的下入程序