浅谈对大位移钻井技术的认识

浅谈对大位移井钻井技术的认识
张瑞平
摘要：近几年随着定向井、水平井钻井技术的日趋成熟，大位移钻井技术在国内已有了很大的发展和应用。

利用大位移井技术勘探开发近海油田，断块油气田、边际油田、稠油油藏及沙漠等复杂地面条件油田是一种经济而有效的先进技术。

本文简单分析了大位移井钻井技术的关键问题。

关键词：大位移井、水平井、旋转导向钻井
1、大位移井概况
20世纪90年代出现的大位移井（Extended Reach Drilling）是在水平井钻井技术和深井钻井技术基础上发展起来的一种新型钻井方式，它集中了水平井和深井的所有技术难点。

代表了当今世界最先进的钻井技术。

图1 大位移井示图
目前，国际上较为普遍采用的大位移井基本定义为，水平位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井。

航行角大于60°的井，称为大位移井（注：航行角是指钻大位移井稳斜段的井斜角）。

国内定义为：垂直井深2000m以上，水平位移与垂直井深之比为2以上的井称为大位移井。

2、大位移井的优势
大位移井技术迅速发展的原因是它具有重要的经济价值。

目前世界上许多国家利用这项技术来勘探开发海上、槟海、岛屿和地面条件恶劣地区的油气田，减
少建造平台人工岛和减少钻油气井数。

老油气田可利用原有的基础设施钻大位移井，加速油田探边和开发，缩短产油周期，扩大泄油半径，提高单井产量和延长井的寿命；增加整个油田的产量和最终采收率，大大节约投资。

因此，虽然这项技术还正在发展和完善之中，但已在世界各地取得了重大成效。

由此可见，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)不同类型油气田钻大位移井可提高经济效益：小断块的油气田，或几个不相连的小断块油气田，可钻1口或2口大位移井开发；若几个油气田或油气层不在同一深度，方位也不一样，可钻多目标三维大位移井开发，节省投资，也便于管理。

（4）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。

（5）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。

图2 用大位移井实现海油陆采（探）
目前，大港油田、胜利油田均已钻过超过3000m水平位移的大位移井，具有一定的钻大位移井经验。

对加快对边际油田的开发，以及提高油田的整体经济
效益，具有重大的现实意义。

3、大位移钻井的关键技术
大位移井的关键技术包括：降摩阻/扭矩技术、井壁稳定技术、井眼清洗技术、井眼轨迹优化设计和控制技术、下套管与固井技术等等。

图3 大位移井钻井技术工艺难点图解
3.1 降摩阻技术
高钻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，以及井壁坍塌掉块，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。

大位移井的摩阻扭矩是制约大位移井的关键因素，应在实际钻井作业中采取综合措施来降低摩阻和扭矩。

这些综合措施包括：①在油基钻井液中增加油水比，在水基钻井液中使用润滑剂和玻璃珠，以增加钻井液的润滑性；②用钻杆轴承短节，旋转钻杆保护器以及钻柱降扭矩节以降低扭矩；③在靠近垂直井段使用钻挺或加重钻杆；④使用水力加压器连续控制钻压。

3.2 井壁稳定技术
优化钻井轨迹设计，在构造应力区，应将井眼选定在适当的方位上，使井眼
沿最小应力方向倾斜，或者尽可能在垂直于最大应力方向钻井。

保证井眼规整，减少缩径和坍塌掉块现象，尽可能避免起下钻过程中钻柱与井壁的刮卡。

同时加强洗井措施，提高井眼净化程度，减少岩屑床的形成。

优化力学设计。

在地层破裂压力与地层坍塌压力之间钻井液循环当量密度调节余地的大小是制约许多大位移井水平段延伸长度的主要因素。

因此，大位移井必须正确考虑压力设计。

化学控制井壁稳定的方法，根据地层特点选用合适的防塌钻井液。

现常用油基钻井液、合成基钻井液、聚合物氯化钾钻井液、正电胶钻井液和聚合醇钻井液等进行大位移井钻井作业。

3.3 井眼清洗技术
井眼清洗是否良好直接影响到井眼摩阻、轨迹控制、钻井效率和安全钻井，井眼清洁技术是大位移钻井的重要影响因素。

在大位移井正常钻进过程中，钻屑脱离钻井液流向低边井壁沉积，此时环空分为稳定沉积层、沉积移动层、非均相的悬浮液流动层和假均相流动层，使钻井液流型和流变性更加复杂，导致钻井液悬浮体的均匀性被破坏；斜井中低边井壁的钻屑沉积层在停泵时会整体下滑，使携岩更为困难，并易造成砂桥卡钻。

在斜井段容易形成稳定岩屑沉积层，其厚度随井斜角增大而增厚。

随着井斜角的增大，岩屑的运动方向逐步偏离轴向，而接近径向运移，从而形成岩屑床。

同时，随着井斜角的增大，钻柱偏心躺在井筒的低边井壁上，钻柱下侧环空间隙变小，使岩屑床清除更为困难。

提高洗井效率的措施：①调整流型，提高环空返速。

从环空中钻井液的不同流态来看，紊流好于层流。

高流速、低粘度及高密度扫井，容易携带岩屑，而不易形成岩屑床。

②调整钻井液的流变性能。

钻井液流型、环空返速一定时，选择适当的流变参数是携岩洗井的关键。

③调节钻杆转速，采取倒划眼等措施。

在大斜度段和水平段，钻柱在重力作用下躺在井眼低边，钻柱转动时钻柱与岩屑和钻井液间产生引带力和撞击力，在这种引带力和撞击力的作用下，钻屑被撞松并涌向井眼中心，随被上返的钻井液向上运移。

这两种力随着井斜角增加作用力增强，因此大斜度段和水平段效果十分明显。

3.4 井眼轨迹优化设计和控制技术
大位移井的井深剖面设计最主要的是保证不要超过钻柱的扭矩极限，并能满
足以下要求：能尽量增大大位移井的延伸距离；能降低扭矩、摩阻和套管磨损：能提高管材、钻具组合和测量工具的下入能力等，合理的井身结构和光滑的井眼轨迹是钻大位移井成功的关键。

目前，从国外所钻的大多数大位移井来看，大位移井井身剖面主要有以下3 种：①增斜—稳斜井身剖面；这种井身剖面的造斜率较低(<2°/30m)，一般要求采用大功率顶部驱动装置重钻柱结构才能达到水平位移较大的目标层；②下部井段造斜剖面，这种井斜剖面的特征是造斜点较深，并能降低扭矩和套管磨损，采用轻钻柱结构和低功率的地面设备即可钻成；③准悬链线剖面。

准悬链线井身剖面的特征是扭矩低，而且可使套管下入重量增大20 %～25 %；钻柱与井壁的接触力近似为零，研究表明准悬链线剖面有许多优点，并逐步在国外的大位移井中成为标准。

3.4.1 大位移井要求旋转模式钻进。

一般定向钻井为了改变井斜和方位，65%的时间是滑动模式钻进，而只有35%的时间是旋转模式钻进。

在大位移井钻进作业中，由于钻柱不旋转，井眼清洁差，导致扭矩/摩阻增加，钻压加不上，使滑动钻进无法进行，并造成局部狗腿；而狗腿又会使扭矩/摩阻增加。

因此，要求在大位移井中滑动钻进的层段和次数降到最少。

旋转钻进能极大地减轻轴向摩阻，增加大钩载荷，可改善轨迹控制，降低井眼轨迹的弯曲度，从而降低了钻井摩阻，使钻压更顺利地传递到钻头；可以采用常规钻具组合。

但为更换下部组合而频繁起下钻（起1趟钻要几十个小时）的费用很高，所以超大位移井往往不使用常规钻具组合。

1)旋转导向钻井系统：
旋转导向钻井技术是20世纪90年代初发展起来的一项自动化钻井新技术，它不同于传统的井下动力钻具滑动导向控制方式，不仅能够在旋转钻进过程中自动调整井斜和方位，而且可以有效地提高钻井速度和井眼轨迹控制质量。

国外钻井实践证明，在水平井、大位移井、大斜度井、三维多目标井中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了钻井速度、减少了事故也降低了钻井成本。

目前，国外主要有3种不同类型的旋转导向钻井系统：贝克休斯公司的AutoTrak旋转闭环钻井系统、斯伦贝谢公司的PowerDrive调制式全旋转导向钻井系统和哈里伯顿公司的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统。

为了有效地加压钻进、控制井眼轨迹和减小摩阻，在大位移井中需要使用强度高重量轻的钻杆和钻杆接头、可控稳定器、非转动钻杆保护器、液力加压器等特殊井下工具。

旋转导向钻井系统的核心是旋转导向工具（可控稳定器），是一种能稳斜和微调井斜的轨道控制工具。

它的核心部件是液压驱动（泥浆动力）可径向伸出的叶片(翼肋)。

这种叶片在井壁上产生一种由井下电子系统控制其大小和方向的径向接触力，由接触力的作用来实现按需要的井眼方向钻进。

旋转导向钻井系统主要有3个特征：①在钻柱旋转时，能够控制井斜和方位；
②能够按预定设计(井下闭环控制)的井眼轨道钻进，并能通过上传信号让地面跟踪实钻井眼轨道；③能够直接下传指令调整井眼轨道(地面控制)。

旋转导向钻井系统主要优点有：①旋转钻井时间增加，机械钻速提高；②消除了更换井底钻具组合的起下钻；③连续的旋转钻井状态使大位移井段的井眼净化状况得到了改善；④旋转钻井并眼更为光滑，减少了摩阻扭矩；⑤与导向钻井马达一起使用时可以微调增降斜的趋势；⑥增加了大位移井位移延伸的能力。

3.4.2 大位移井的井底钻具组合
设计大位移井的井底钻具组合，其主要考虑的因素是：
——螺旋钻铤和稳定器可减少压差卡钻；
——选择好顶部及下部钻具组合的中和点；
——减少丝扣连接的数量；
——采用井下可调试稳定器；
——减少在斜度井段使用的加重钻杆的数量。

3.5 下套管及固井技术
安全下入套管和顺利进行完井作业是大位移井成败的又一关键问题，采用顶部驱动装置或采用套管漂浮的方法、采用分级注水泥技术等都是行之有效的措施
图4 选择性浮动装置
这种方法可以使套管法向力下降高达80%，运用这种方法可将套管顺利下至测深/直深之比为4：1的大位移井中。

4、克拉玛依油田长水平段水平井
按大位移井的定义，克拉玛依现在钻成的水平段长度达1000m的水平井（位移垂深比《2）不算是大位移井，只是长水平段（稳斜段）水平井。

5、结论和认识
1)水平井技术完全成熟化、多样化，已经成为新、老油田开发的重要手段。

利用大位移井技术勘探开发近海油田，断块油气田、边际油田、稠油油
藏及沙漠等复杂地面条件油田是一种经济而有效的先进技术。

2)大位移钻井技术基础：先进的井下动力钻具、PDC钻头、MWD和LWD
技术，以及遥控、井下闭环自控方式的先进导向工具。

3)大位移井井眼轨迹控制技术的最优方案应是小位移井段的“滑动导向钻
具组合连续导向”和大位移井段的“旋转导向工具连续导向”的结合。

参考文献：
1.周兴友，大位移井关键技术研究进展，石油工业技术监督，2003.
2.苏义脑，大位移井钻井概况、工艺难点和对工具仪器的要求。

石油钻探工艺，
2003.
3.宋玉玲、董丽娟、李占武，国外大位移井钻井技术发展现状，钻采工艺，1998.
4.蒋世全，大位移井技术的发展现状及启示，中国海上油气（工程），1999.
5.李汉兴，姜伟，高德利，可控偏心器旋转导向钻具组合的性能分析。

见：第
六届全国石油钻井院所长会议论文集，2006.
6.吴爽，李骥，张焱，大位移井技术研究的现状分析。

石油钻探技术，2002.。