水平井中的钻头、钻井液、钻井参数设计

水平井中的钻头、钻井液、钻井参数设计

1．钻头选型

(1).水平井钻头选型特点

①．水平井的着陆控制和水平控制井段，较多地采用井下动力钻具（其钻压值一般较低，而钻头转速一般相对于钻盘钻钻井为高）。

②．在中曲率造斜段，要求钻头要有较好的造斜能力。

③．在钻水平井段时，要求钻头具有较好的稳平能力（当以定向方式调整井斜或方位时，又往往要求有适当的造斜能力）。

④．较多地采用油基钻井液。

⑤．当采用MWD进行测量时，对钻头水眼尺寸及钻头水眼压降有一定的要求和限制。

⑥．为满足携带岩屑的需要，对钻井液排量有一定的要求。

因此，在水平井中较普遍地选用PDC钻头，但也常用牙轮钻头。

(2).钻头选型的原则和依据

①．地层条件。地层条件是选择钻头类型和结构的首要依据。地层条件包括地层类型、硬度、岩性和层位厚度。

②．钻井方式。即：是用转盘钻进还是用井下动力钻具钻进，后者又可分为完全的定向钻进，还是导向钻进。

③．钻井条件。钻井条件主要包括设备能力（机械部分与水力部分）、钻井液类型等。所选的钻头类型应与设备能力相适应，也要考虑钻井液类型的影响。

④．钻井参数。钻井参数包括：钻压、转速和水力参数（排量与压力）。在水平钻井中，由于工艺要求往往对钻井参数已做出明确规定，这就要求钻头选型要与钻井参数相适应，确定钻头的切削结构、水力结构与保径尺寸。

⑤．邻井资料。包括邻井地质测井资料和邻井钻头使用记录。它对于钻头选型是极为重要、有效的技术参考资料，应予以足够重视。

(3).PDC钻头与牙轮钻头选型指南

2．水平井钻井液

(1).水平井与钻井液有关的特殊问题

①携屑能力降低

水平井、大斜度井和直井、常规定向井相比，在同样的条件下，钻井液的携屑能力明显降低。很多文献都指出，当井斜角在40~55º时很容易形成岩屑床，增加钻进和起下钻磨阻，甚至会造成卡钻事故。

②井眼稳定性变差

随着井斜角的增加，裸眼井段在易坍塌地层中的长度会大幅度增加；随着水平段加长，施工周期也相应较长。增加了井壁失稳坍塌的可能性。

③井漏的可能性变大

在水平井中，由于岩屑床会增加流动阻力和循环当量密度，长水平段也会增加流动阻力，从而导致钻井液对地层的压力变大，使井漏发生的可能性变大。由于水平段是在储层内进行钻进，基本上不允许封堵以免损害油层，一旦发生井漏，非常棘手。

④磨阻增大

水平井中，重力的影响使钻柱与井壁摩阻增大，使钻柱与套管磨损增加；摩阻严重时会造成钻头难以加上钻压，钻柱难以送进，限制了水平段的钻进长度，并增加钻机的起升负荷。在设计水平井钻井液体系时，减少摩阻是要考虑的重要问题。

(2).对水平井钻井液的要求和选型原则

①．要考虑保护油层。

②．要有较好的流变性，以保护井眼清洁，不形成岩屑床，顺利进行固井和测井作业。

③．要有较好的润滑性，以减少摩阻，施加钻压，避免卡钻。

④．要有合适的密度（井壁稳定的关键之一在于钻井液的密度在要求的临界值以上）以保持井眼稳定并防止井漏。

⑤．要有较好的抑制性和滤失性，以免损害地层和发生卡钻，以便进行测井作业。

⑥．井漏时采用的堵漏材料不能对井下工具和仪器的工作造成影响。

⑦．钻井液体系应易于调整维护。

⑧．要符合环保要求。

根据以上的各项要求，水平井钻井液的选型原则可概括为：在保护油层的前提下优选指标适宜的钻井液体系。

(3).水平井钻井液体系简介

①．油基钻井液体系。这是目前适合钻水平井，应用最普遍的一种体系。有资料介绍，国内40%的水平井采用油基钻井液钻进成功。

②．水包油钻井液体系。阴离子型或阳离子型，密度可小于1.00g/cm3，其携屑能力、抑制能力、润滑性、保护油层的能力均较好。

③．阳离子聚合物水基钻井液体系。有较好的防塌能力，有利于保护油气层，性能稳定。

④．正电胶体系。又称MMH体系。是在水基聚合物体系中加入MMH处理剂（混合层状金属氢氧化物），有较好的悬浮能力和保护储层能力。

⑤．聚乙二醇钻井液体系。是在水基钻井液中加入聚乙二醇处理剂，可有效地提高钻井液的润滑性，据称可代替油基钻井液。

3．钻井参数选择注意事项

(1).钻压

①．钻压选择与钻头有关。不同的钻头类型，不同的钻头尺寸，允许使用的工作钻压与最大钻压是不同的（如相同直径，PDC钻头的工作钻压明显低于牙轮钻头的工作钻压）。

②．钻压选择与转速有关。例如牙轮钻头存在钻压—转速关系曲线以及钻头轴承能力常数，因此，在选择钻压时应考虑到钻头转速的影响。

③．螺杆钻具的推荐钻压值与最大钻压值对钻压选择提出了限制，最好选择推荐钻压值。

④．控制要求影响钻压选择。在轨道控制过程中，最便于调整的控制参数是钻压。根据经验，在采用动力钻具造斜时，减少钻压降低转速有助于提高造斜率；在采用Giliigan钻具组合时，加大钻压会提高造斜率。

(2).转速

①．转速选择与钻头有关。如PDC钻头、金刚石钻头的常用转速远远高于牙轮钻头。

②．转速选择与钻压有关。见前述。

③．井下动力钻具的特性基本上决定了转速。

④．在导向钻进方式下，转盘转速选最低挡速（不超过60r/min）。

(3).排量

①．水平井的排量主要取决于工艺需要。较好的携屑能力要求环空钻井液返速不低于1m/s，由此可决定所需的排量。

携屑对排量和流态的基本要求是：当井斜角大于45º，应以大排量紊流方式清洁井眼。由于在紊流状态下岩屑运移基本上不受钻井液流变性能影响，此时应采用低静切力（YP）、低粘度的钻井液，以便于在较低的返速下进入紊流，对保护井壁是有利的；当井斜角0~45º范围内，可采用层流流态洗井。但为了提高携屑能力，应注意提高钻井液的静切力、粘度及比值YP/PV。