大位移井眼轨迹延伸能力与力学分析

大位移井眼轨迹延伸能力与力学分析

发表时间：2015-02-05T16:10:35.633Z 来源：《科学与技术》2014年第12期下供稿作者：薛向武

[导读] 利用大位移井可以在环保要求高的地区钻井，以满足环保要求。

中石化胜利工程有限公司黄河钻井公司薛向武

摘要：大位移井的钻进同整个钻柱的受力有关,了解大位移井的延伸能力,必须深入地研究钻柱力学,尤其要研究大位移井钻柱所受摩擦阻力情况。本文阐述了大位移井井眼轨道的设计类型和原则,并以此为基础给出了大位移井井眼轨道的设计和计算的方法。

关键词：大位移井；钻柱力学；井眼轨道

前言

随着定向井、水平井钻井技术的发展，出现了大位移井，大位移井技术得到迅速发展始于20 世纪90 年代，目前大位移井的位移已经超过万米。大位移井的核心问题是位移延伸，大位移井延伸能力是钻井设计和钻井施工的关键参数之一，当前对于大位移井的延伸能力的研究相对较少，研究一般只指出影响大位移井延伸能力的因素及趋势。钻柱的钻进首先依靠的是钻头对岩石破碎，然后钻柱在保证不被破坏的情况下克服摩擦阻力向下移动，同时还要求钻柱能够被安全起出。从中可看出摩擦阻力是影响大位移井延伸的一个主要因素，它直接影响钻柱的钻进，而地层的可钻性、钻井参数以及钻井设备（如钻机、钻具等）也影响着大位移井的延伸，因此研究大位移井钻柱力学对大位移井的延伸能力是十分必要的。

1 大位移井的定义及特点

大位移井（Extended Reach Well)目前有两种定义：一种是指测深大于或等于垂深2倍的定向井或水平井，当大于3 倍时，则称为特大位移井，这是在第14 届世界石油大会上提出的；另一种是指水平位移大于或等于垂深2 倍的定向井或水平井，这种方法在垂直剖面图上看起来比较直观。大位移井有以下优势：(1)用大位移井开发海上油气田,可大量节省费用；(2)靠近海岸的近海油田,可钻大位移井进行勘探开发；(3) 利用大位移井开发断块油藏,可以实现单井穿越多个地质目标,减少钻井数量,节约成本。(4)不同类型油气田钻大位移井可提高经济效益；(5)使用大位移井可以代替复杂的海底井口开发油田,既可节省海底设备,又可节省大量投资；(6)利用大位移井可以在环保要求高的地区钻井，以满足环保要求。

近十几年内，国外先后研制开发了大位移井设计优化软件、摩阻/扭矩预测监测软件、固井计算软件及旋转导向马达、MWD、LWD、PWD、可控变径稳定器、漂浮下套管工具、非旋转钻杆保护器、减扭接头水力加压器等工具，这些工具、软件与先进的钻井设备相配合，使大位移井钻井技术有了突飞猛进的发展，持续不断地创出新的世界纪录。在钻井工程中，大位移井技术是钻井技术水平的综合体现，体现了当代钻井技术水平。它涉及钻井、完井、测井、录井等专业领域。在钻井技术中，在井眼轨迹设计、摩阻扭预测与分析、钻井液技术和部分减摩技术方面都与钻柱力学有关，因此研究大位移井钻柱力学对大位移井钻井技术是很重要的。

2 大位移井极限延伸能力的影响因素分析

2.1 门限钻压对大位移井极限延伸能力的影响

门限钻压是钻井施工中钻头必须克服的阻力，门限钻压越大，钻头需要克服的阻力就越大。因此门限钻压是影响大位移井极限延伸能力的一个主要因素。由于地层的复杂性，地下岩石组成是不同的，门限钻压也有所区别。不同的摩擦系数和不同的井眼曲率条件下延伸能力下降规律基本相同，但可能钻深有所不同。随着门限钻压的增大，极限延伸能力基本呈下降趋势。这说明门限钻压越大，大位移井的延伸能力越差，而门限钻压越小，大位移井的延伸能力越大。

图1 门限钻压对大位移井延伸能力的影响

2.2 转盘转速对大位移井极限延伸能力的影响

旋转钻井和定向钻井对大位移井的延伸影响是不同的，这在很多文献上都有

讨论，一般要求在大位移井钻井中多开钻盘，这对大位移井的延伸能力有很大提高。转盘转速对大位移井的延伸能力的影响，主要表现在转盘转速越快，大位移井钻柱轴向所受阻力越小，但这种影响会由于转速在较高数值下运行，其对大位移井的延伸能力的影响是有限的。在旋转钻井中转盘转速对极限延伸能力的影响很小，但不同井眼曲率和不同钻压的条件下延伸能力差别很大。

2.3 井眼摩擦系数对大位移井极限延伸能力的影响

摩擦系数对大位移井的延伸能力是最重要的，井壁对钻柱的摩擦阻力使得

钻柱的有效重量不能完全传递给钻头，如果井眼摩擦系数太大，就会很快导致由于钻头得不到足够的钻压而使当前的钻具组合不能继续钻进。有时裸眼井段钻进困难就是因为此井段摩擦系数大，不容易钻进，导致大位移井的延伸能力差，就是这个道理。随着摩阻系数的增加延伸能力在明显下降，而且下降的幅度很大。与前几项因素比井眼摩阻系数对延伸能力影响最大。

2.4 井眼曲率对大位移井极限延伸能力的影响

在实际的钻井工程中，井眼并不能完全按照设计的轨迹钻成，即使是直井段部分井眼也不是纯直的，实际的井眼是一条弯弯曲曲的空间曲线。在这样的井下环境中，大位移井钻柱与井壁随机接触，钻柱本身的轴线也必然是随着井眼弯弯曲曲的。正是由于这种接触，导致钻柱与井壁的摩擦阻力增加，从而影响大位移井的延伸能力。随着井眼曲率的增加延伸能力下降明显。由关系曲线可以看出，井眼曲率对延伸能力的影响要小于摩阻系数的影响。

2.5 钻井液密度对大位移井延伸能力的影响

钻井液的密度影响着钻柱的浮重，若不考虑摩擦阻力的存在，增大钻井液密度必定会减少加在钻头处的钻压；如果考虑摩擦阻力，增大钻井液密度必定会减少水平段钻柱得重量，也就相应的减少了钻柱的摩擦阻力，使得钻头容易获得钻压。在保证正常钻井的情况下，钻井液密度对大位移井的延伸能力影响是有限的，可以说影响不大。

3 应用实例

研究大位移井的延伸能力不但能够为大位移井的设计提供依据，而且也是大位移井研究当中十分必要的课题。大位移井的延伸能力不但同钻井设备有关，如钻机型号，还同钻井参数、钻井液性能、钻具组合、井眼形状等很多因素有关。某井目的层的岩石较易破碎，容易