大位移井鉆井(08課件)

大位移井鉆井技術(shù)現(xiàn)代鉆井技術(shù)系列講座周廣陳中國石油大學石油工程學院大位移井是在定向井、水平井和深井鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鉆井技術(shù)，它集中了定向井、水平井和超深井的所有技術(shù)難點。目前，大位移井在世界范圍內(nèi)廣為應(yīng)用。主要內(nèi)容大位移井的基本概念大位移井的特點及用途大位移井的發(fā)展狀況大位移井的關(guān)鍵技術(shù)結(jié)束語一、大位移井的概念(ExtendedReachWell)

國際上普遍采用的定義：井的水平位移與垂深之比等于2

或大于2的井稱為大位移井。

水平位移造斜點水平位移/垂深≥2垂深二、大位移井的特點及用途1、大位移井的主要特點

一是水平位移大，能較大范圍地控制含油面積，開發(fā)相同面積的油田可以大量減少陸地及海上鉆井的平臺數(shù)量；

二是鉆穿油層的井段長，可以使油藏的泄油面積增大，可以大幅度提高單井產(chǎn)量。

2、大位移井的用途A、用大位移井開發(fā)海上油氣田從鉆井平臺上鉆大位移井，可減少布井數(shù)量，減少井投資。B、用大位移井開發(fā)近海油氣田

以前開發(fā)近海油氣田要求建人工島或固定式鉆井平臺，現(xiàn)在凡距海岸10公里左右油氣田均可從陸地鉆大位移井進行開發(fā)。

灘涂油氣田海油陸探海油陸采不需要復(fù)雜的海底井不需要海底集輸管線C、開發(fā)不同類型的油氣田*幾個互不連通的小斷塊油氣田；*幾個油氣田不在同一深度，方位也不一樣，可采用多目標三維大位移井開發(fā)。D、保護環(huán)境

可在環(huán)境保護要求低的地區(qū)用大位移井開發(fā)環(huán)境保護要求高的地區(qū)的油氣田。

三、大位移井的發(fā)展狀況

大位移井始于上世紀20年代，由于當時的技術(shù)限制大位移井鉆井技術(shù)發(fā)展緩慢。進入80年代后半期，隨著相應(yīng)的科學技術(shù)和其它鉆井技術(shù)的發(fā)展，如水平井、超深井鉆井技術(shù)等，大位移井鉆井技術(shù)才迅速發(fā)展起來。國外情況（98年的記錄）

1）垂深與水平位移之比最大的是C-30定向井，水平位移為1485米，總垂深為294米，垂深與水平位移之比達1：5.05。2）水平位移最大的井M-11井，水平位移10114米。

1999年

英國北海的M-16SPZ井，其水平位移達到10728米,平垂比大6.7.

全井井深世界第二(世界最深油氣井)，11278米；鉆井及固井，共123天。西江24-3海上平臺西江24-1邊際油田一次性投資2300萬美元，節(jié)約了1400萬美元。國內(nèi)情況1997年在我國的南海東部，菲利浦斯公司完成的西江24-3-A14井完鉆井深達9238米,垂深2985米，水平位移8062.7米，平垂比2.7。我國進行大位移井鉆井起步較晚,但發(fā)展速度較快，已日趨成熟。

四、大位移井的關(guān)鍵技術(shù)1、管柱的摩阻和扭矩2、鉆柱設(shè)計3、軌道設(shè)計4、井壁穩(wěn)定5、井眼清洗6、固井完井7、軌跡控制（一）管柱的摩阻和扭矩

鉆大位移井時，由于井斜角和水平位移的增加而摩阻和扭矩增大是非常突出的問題，它是限制位移增加的主要因素。

減小管柱扭矩和摩阻的措施

為減小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井的設(shè)計與施工中要采取各種必要的措施。優(yōu)化井身剖面

選擇管柱摩阻最小的井身剖面。(2)

增強鉆井液的潤滑性許多大位移井采用油基鉆井液，油水比越大，鉆井液的潤滑性越好。(3)

優(yōu)化鉆柱設(shè)計底部鉆具組合可少用鉆鋌，而使用高強度加重桿。(4)

使用降扭矩工具使用不轉(zhuǎn)動的鉆桿護箍可有效地減小扭矩。（5）使用滾輪式套管扶正器使常規(guī)的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。（6）漂浮法下套管國外應(yīng)用漂浮法下套管技術(shù)，可降低套管的摩阻。這種技術(shù)的原理是在套管內(nèi)全部或部分地充滿空氣，通過降低套管在井內(nèi)的重量來降低套管的摩阻。用的較多的是部分充氣，這種方法可使套管的法向力大大降低。（7）提高地面設(shè)備的功率（8）使用頂部驅(qū)動系統(tǒng)（二）鉆柱設(shè)計

鉆柱設(shè)計包括底部鉆具組合設(shè)計和鉆桿設(shè)計。在大位移井中一般使用高強度薄壁鉆桿，以減少扭矩和摩阻。對底部鉆具組合（BHA），尺寸越大，鉆柱的扭矩和摩阻也越大，這并不利于大位移井的鉆進，所以在保證鉆壓需要的前提下應(yīng)使底部鉆具組合的尺寸盡量減小。

鉆柱設(shè)計應(yīng)考慮的因素（1）盡量減小壓差卡鉆的可能性；（2）使用螺旋鉆鋌和螺旋扶正器，以增大環(huán)空間隙和減小鉆柱與井壁之間的接觸面積；（3）盡量減少絲扣連接的數(shù)量；（4）采用井下可調(diào)穩(wěn)定器；（5）盡量減少在大斜度井段使用加重鉆桿的數(shù)量；（6）選用高強度鉆桿，使之具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)力和抗磨能力；（7）給鉆頭施壓時盡量不使鉆桿發(fā)生彎曲。

（三）大位移井軌道設(shè)計

1、

軌道設(shè)計的原則

大位移井軌道設(shè)計，要求對所有參數(shù)進行優(yōu)化，盡量降低井眼對管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和測量工具的下入能力，并能盡量增大大位移井的延伸距離。

國外大位移井井身剖面的主要類型：

（1）增斜—穩(wěn)斜剖面

這種剖面的造斜率低，井斜角及測深增幅緩慢，但可降低鉆柱的扭矩、摩阻和套管的磨損。

（2）小曲率造斜剖面

這種剖面的特點是造斜點較深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且隨目標深度的增加，旋轉(zhuǎn)扭矩的增幅較小。

（3）準懸鏈線剖面

準懸鏈線剖面有許多優(yōu)點，它不但對管柱的扭矩和摩阻低（鉆柱與井壁之間的接觸力近似為零），而且使套管的下入重量增加。目前這種剖面在大位移井中廣為應(yīng)用。石油大學的韓志勇教授在準懸鏈線剖面的基礎(chǔ)上提出了側(cè)位懸鏈線剖面的設(shè)計方法，這種剖面比準懸鏈線剖面的扭矩和摩阻小。(四)大位移井的井壁穩(wěn)定問題大位移井的井壁不穩(wěn)定性

1、影響大位移井井壁穩(wěn)定的因素（1）狹窄的鉆井液密度范圍一般來講，當井眼傾角增加時，鉆井液要提供足夠大的壓力來防止井壁坍塌。與此同時，井壁出現(xiàn)裂縫的可能性也增加了。簡言之，防止井壁坍塌的鉆井液密度范圍較小。（2）當量循環(huán)密度高（ECD）大位移井井眼長，鉆井液循環(huán)時環(huán)空壓降大，而鉆井液密度工作范圍窄，高的當量循環(huán)密度容易達到井壁的破裂壓力，而使井壁破裂。（3）抽吸壓力和激動壓力

在大位移井中，由于狹窄的鉆井液密度范圍，井壁對抽吸

壓力和激動壓力相當敏感，可能導(dǎo)至井壁坍塌或破裂。

（4）時間關(guān)系

井壁在低密度泥漿中長期侵泡，特別是水基鉆井液的情況

下，非穩(wěn)定性尤為明顯，常常會造成許多井下事故。

（5）化學反應(yīng)

鉆井液和地層間的化學作用也影響井壁穩(wěn)定性，水基鉆井

液和油層上部的泥頁巖經(jīng)常發(fā)生強化學反應(yīng)，泥頁巖膨脹，

造成縮徑或井壁坍塌。2、井壁穩(wěn)定性機理

（1）井眼（井壁）應(yīng)力

原始地應(yīng)力分為三項主應(yīng)力，即上復(fù)應(yīng)力Sv（亦稱最大主應(yīng)力）、最大水平應(yīng)力SH和最小水平應(yīng)力Sh，如下圖a。打開井眼之后，原始地應(yīng)力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼軸線的應(yīng)力SZ、周向應(yīng)力Sθ和徑向應(yīng)力SR，如下圖b。abSvShSHSZSRSθ（2）巖石的破壞1）壓縮破壞當作用于巖石上的壓力大于巖石的抗壓強度時產(chǎn)生壓縮破壞。

2）拉伸破壞當作用于巖石的拉力大于巖石的抗拉強度時產(chǎn)生拉伸破壞。(巖石力學規(guī)定壓應(yīng)力為正，拉伸應(yīng)力為負。)（3）巖石的破壞在井筒內(nèi)的表現(xiàn)形式

1）巖石的壓縮破壞在井筒內(nèi)表現(xiàn)為井壁坍塌。2）巖石的拉伸破壞在井筒內(nèi)表現(xiàn)為井壁破裂。（4）大位移井井眼的不穩(wěn)定性

隨著井斜的增加，井壁的不穩(wěn)定性增加。井眼由垂直變?yōu)樗剑鋺?yīng)力狀態(tài)的變化如下圖在正常壓實地層，SH=Sh，Sv>SH。

SvShSHSvShSHSθ

在井眼某深度，原地應(yīng)力是固定的，井壁的周向應(yīng)力Sθ沿周邊位置變化，其大小也發(fā)生變化，且必然存在Sθmin和Sθmam，這就導(dǎo)致井壁有破裂和坍塌的可能。

井壁破裂（拉伸破壞）井壁破裂與Sθmin有關(guān)。研究表明，在斜井中，隨著井斜的增加，Sθmin減小，并趨于拉應(yīng)力狀態(tài)，當拉伸應(yīng)力Sθmin超過巖石的抗張強度時，巖石發(fā)生破裂。對直井Sθmin=2SH-PW-PP（1）對水平井Sθmin=3SH

–SV-

PW-PP（2）式中PW——鉆井液柱壓力；PP——地層孔隙壓力。對比式（1）和（2），3SH

–SV總是小于2SH，所以水平井中的Sθmin總是小于直井中的Sθmin，更具有拉伸性。

井壁坍塌（壓縮破壞）

井壁坍塌與Sθmax有關(guān)。研究表明，在斜井中，隨著井斜的增加，Sθmax也增加，且更趨于壓應(yīng)力狀態(tài)，當Sθmax的值超過巖石的抗壓強度時，巖石發(fā)生壓縮破壞，即井壁坍塌。對直井Sθmax=2SH-PW-PP（3）對水平井Sθmax=3Sv

–SH-

PW-PP（4）同樣，水平井的Sθmax總是大于直井的Sθmax，更容易發(fā)生井壁坍塌。（五）大位移井的井眼的清洗

大位移井同其它類型井一樣，好的井眼清洗和凈化，有利于提高鉆速、降低摩阻和扭矩、縮短作業(yè)時間、節(jié)省鉆井費用等。

提高井眼清洗效率的措施

（1）

高泵排量和環(huán)空返速都有利于井眼凈化通常要用井眼凈化模型來計算井眼凈化的最小排量和最優(yōu)鉆井液流變性。大排量可以提高鉆井液的流速，增加攜巖能力。然而，大排量需要高的泵壓，在大位移井中，泵壓可能會受到限制。為使鉆井液以紊流循環(huán)，可以增大鉆桿尺寸來增加給定泵壓下的環(huán)空返速。

（2）鉆井液的流變性

良好的鉆井液流變性對任何類型的井都非常重要，對大位移井更是如此。要保證鉆井液的流型為層流或紊流，避免過渡流，因為過渡流的攜巖能力差。在砂巖油層井段可能會發(fā)生漏失，鉆井液流變性應(yīng)保持較低值，以降低當量循環(huán)密度。（3）鉆具轉(zhuǎn)動

由于大位移井的位移不斷增加，井眼的最優(yōu)排量難以達到，這就需要其它的井眼凈化技術(shù)，如提高轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度和倒劃眼。（4）固相控制

在大位移井中，鉆屑將在環(huán)空鉆井液中長期滯留，使鉆屑變的更細，更難以攜帶，如要鉆井液保持良好狀態(tài)，就必須有良好的固相控制設(shè)備。

（六）大位移井的固井、完井技術(shù)

在大位移井的固井、完井中，套管的摩阻和磨損是個嚴重的問題。套管磨損使套管的強度降低，套管摩阻會使套管難以下入到設(shè)計井深、造成卡套管或井壁坍塌等問題。特別是在井眼曲率較小的造斜段，套管的聯(lián)接部分需要有較高的抗彎能力，而且在下套管作業(yè)中，聯(lián)接部分要求有足夠的抗拉強度。1、

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮以下幾個問題l

井身結(jié)構(gòu)必須滿足完井設(shè)計要求。l

生產(chǎn)井段的井眼應(yīng)盡可能大，以利于隨鉆測井工具的下入。l

井身結(jié)構(gòu)不能防礙優(yōu)質(zhì)固井。

2、套管柱的聯(lián)結(jié)（1）套管絲扣接頭要相互楔牢，以防套管柱通過彎曲井段時脫扣。（2）生產(chǎn)管柱的接頭應(yīng)有足夠的抗扭強度，以允許注水泥時套管柱