水平井鉆井技術(shù)淺談

王超

[摘 ?要]近幾年，水平井鉆井技術(shù)在我油田得到了快速發(fā)展，施工技術(shù)逐步完善和成熟，已成為油田實(shí)現(xiàn)高效勘探開發(fā)的重要技術(shù)手段，特別是在薄油氣藏和淺層油氣藏開發(fā)方面取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，本文對(duì)水平井鉆井技術(shù)從合作、試驗(yàn)探索、發(fā)展到逐步走向成熟的過程進(jìn)行了分析淺談，汲取施工過程中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，從水平井的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)軌跡控制、井下復(fù)雜情況的預(yù)防等方面進(jìn)行總結(jié)，對(duì)水平井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善提供有益的經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]水平井、MWD、LWD、軌跡控制、薄油氣層、經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）23-0029-01

概述

水平井一般是指井斜大于85？且在產(chǎn)層內(nèi)鉆進(jìn)一段“水平”井段的特殊形式的油氣井，水平井技術(shù)于20世紀(jì)20年代提出，40年代付諸實(shí)施，80年代相繼在美國、加拿大、法國等國家得到廣泛工業(yè)化應(yīng)用，并由此形成一股研究、應(yīng)用水平井技術(shù)的高潮。如今，水平井鉆井技術(shù)已日趨完善，由單個(gè)水平井向整體井組開發(fā)轉(zhuǎn)變，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展了水平井各項(xiàng)配套技術(shù)，與欠平衡等鉆井技術(shù)、多分支等完井技術(shù)相結(jié)合，形成了多樣化的水平井技術(shù)。

一、水平井的關(guān)鍵技術(shù)

水平井的施工與常規(guī)定向井的施工有完全不同的特點(diǎn)，技術(shù)含量高，施工難度大，只有認(rèn)識(shí)與掌握其特殊性才能夠?qū)ΠY下藥，保證水平井的安全快速鉆井，水平井的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾方面：

1、剖面設(shè)計(jì)與井眼軌跡優(yōu)化

井身剖面設(shè)計(jì)是否科學(xué)是水平井施工的關(guān)鍵點(diǎn)，水平井的剖面分為三種：長半徑（造斜率小于6°/30m）、中半徑（造斜率為6°～20°/30m）和短半徑（造斜率大于30°/30m），我國油田大部分水平井為中半徑水平井，利用定向軟件模擬某一特定鉆柱設(shè)計(jì)的扭矩和摩阻對(duì)比結(jié)果如下：短半徑剖面中產(chǎn)生扭矩最低而摩阻最大，加劇鉆桿和套管的磨損;中半徑剖面產(chǎn)生的摩阻和扭矩適中;長半徑剖面由于斜井段較長，會(huì)產(chǎn)生較大的下放載荷，即下滑的阻力較大，而且旋轉(zhuǎn)扭矩也比較大，對(duì)鉆柱強(qiáng)度的要求比較高。因此水平井剖面一般介于中長半徑之間，用常規(guī)的彎殼動(dòng)力鉆具即能實(shí)現(xiàn)，扭矩和摩阻比較小，井下安全風(fēng)險(xiǎn)小;水平井剖面設(shè)計(jì)的原則一是工程上容易實(shí)現(xiàn)，用常規(guī)螺桿加無線隨鉆跟蹤即可實(shí)施，井下不易產(chǎn)生鍵槽和磨損套管，軌跡控制難度小;二是剖面設(shè)計(jì)按懸鏈線設(shè)計(jì)，其拉力、扭矩、摩阻較小，有利于安全施工。

2、摩阻與扭矩

水平井大井斜井段較長，鉆進(jìn)時(shí)鉆具基本上是躺在井眼的下井壁上，鉆具的“重力效應(yīng)”非常顯著，致使鉆具在上提下放和旋轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)出較大的阻力和扭矩。影響阻力與扭矩的因素很多，諸如：井眼彎曲、鉆柱結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆井液潤滑性能、地層、井眼穩(wěn)定、巖屑床等等，在實(shí)際施工中主要采取選擇最優(yōu)的井身剖面（近懸鏈?zhǔn)狡拭妫?、增?qiáng)鉆井液的懸浮、攜帶與潤滑性能等措施減小阻力與扭矩。

3、鉆柱設(shè)計(jì)

水平井中鉆柱設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足鉆柱強(qiáng)度要求和井眼軌跡對(duì)鉆柱的要求，并考慮簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，盡量減少井下接頭的數(shù)量，井斜越過45°以后使用無磁承壓鉆桿代替無磁鉆鋌，并進(jìn)行鉆具倒裝，以地降低摩阻扭矩，保證鉆具向前推進(jìn)與鉆進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，若水平段較長考慮選擇使用高扭矩接頭和加入減摩工具等來預(yù)防鉆具事故。

4、井眼凈化

在水平井中45°～60？的井段易形成巖屑床，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度和井下安全，如何有效凈化井眼關(guān)系到鉆井作業(yè)能否安全順利的進(jìn)行，井眼凈化主要采取以下措施：

1）、增大排量，保持環(huán)空適當(dāng)?shù)牧魉俜植?，最好使鉆井液產(chǎn)生紊流。

2）、鉆井液有較好的流變性能，有效地懸浮和攜帶巖屑。

3）、提高轉(zhuǎn)速和采取倒劃眼措施（需要頂驅(qū)配合）。

4）、起鉆前充分循環(huán)鉆井液（國外經(jīng)驗(yàn)：循環(huán)4周）。

5）、進(jìn)行短程起下鉆與分段接力循環(huán)。

6）、固相控制，用發(fā)四級(jí)固控。

5、套管問題

水平井下套管必須考慮三個(gè)主要條件：設(shè)備能下入的最大重量，下入重量的摩阻損失和下入重量的機(jī)械損失。機(jī)械損失是指由井下巖屑、坍塌、臺(tái)階、壓差、卡鉆、扶正器嵌入地層等引起的重力損失，也能減少套管的下入量，因而，在位移較大的水平井下套管中應(yīng)多方考慮減小下套管的阻力的措施。

二、水平井發(fā)展?fàn)顩r

（一）、試驗(yàn)與探索階段（2000年以前）

1996年以前的定向井技術(shù)服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)施工基本上照相式單多點(diǎn)、彎接頭加直螺桿、計(jì)算器現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算、手工坐標(biāo)紙繪圖施工，所有螺桿鉆具一般是單頭或雙頭的高轉(zhuǎn)速螺桿，鉆頭常是滾動(dòng)軸承的鋼齒鉆頭，施工效率較低，施工的井一般都是井斜小于30°的常規(guī)定向井。先進(jìn)的工具儀器是高難度定向井與水平施工的保證，必須有可靠的工具儀器才能保證大難度井安全高效施工。96年以后定向井工具儀器均取得了較大的進(jìn)步，使定向井施工技術(shù)快速提升，逐步施工了多目標(biāo)井、大斜度井和水平井。

（二）、水平井技術(shù)的發(fā)展階段（2001年～2007年）

2000年以后定向井儀器設(shè)備與軟件進(jìn)步較快，為水平井技術(shù)發(fā)展和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了有力的保障。從2006年根據(jù)東部的地層特點(diǎn)開始使用聚合物混油乳化鉆井液體系，該體系的流變性及防塌性能得到顯著改善，由過去的高動(dòng)塑比、高粘切，逐步使鉆井液性能常規(guī)化。

（三）、完善與成熟階段-水平井安全鉆井技術(shù)（2007年以后）

目前水平井的施工由非常態(tài)走向常態(tài)，施工技術(shù)逐步提高和完善，水平井施工速度不斷提高。

1、優(yōu)化井身剖面設(shè)計(jì)，做好安全施工

水平井施工要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)好的井身剖面來控制井眼軌跡，關(guān)鍵點(diǎn)是造斜率的大小，在鉆進(jìn)中對(duì)井斜和方位采用勤調(diào)和微調(diào)的方式保證實(shí)鉆軌跡在設(shè)計(jì)軌跡的附近，平滑井眼軌跡，所有施工的水平井沒有出現(xiàn)井下故障，為安全鉆井奠定了較好的基礎(chǔ)，

2、優(yōu)選鉆井液體系

水平井對(duì)鉆井液的要求更加嚴(yán)格，施工中必須保證其有良好的潤滑性、攜帶性、流變性和井壁穩(wěn)定性，針對(duì)河南油田的地層特點(diǎn)，結(jié)合近幾年的大斜度井、水平井施工經(jīng)驗(yàn)和大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確定了在直井段使用膨潤土聚合物鉆井液體系，斜井段和水平段使用聚合物乳化混油防塌鉆井液體系。利用聚合物鉆井液良好的流變性、較強(qiáng)的抑制性和潤滑性，滿足井壁穩(wěn)定和井眼凈化的要求。同時(shí)在聚合物防塌鉆井液中加入高分子量聚合物，進(jìn)一步提高體系的抑制性和懸浮攜帶能力，近兩年所施工的水平井完井電測(cè)工作都比較順利。

3、井眼凈化與固相控制措施：

因在大斜度井段有巖屑床存在，因此井眼凈化是水平井安全施工的關(guān)鍵，在沒有特殊的工具儀器分析判定井眼清潔情況時(shí)可以根據(jù)鉆井中地面巖屑的反出量、旋轉(zhuǎn)扭矩與上提下放摩阻的大小來判定眼的凈化程度，若發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)中返出巖屑量小或間歇性返砂，旋轉(zhuǎn)負(fù)荷重，上提下放摩阻大和鉆速變慢，表明目前井下存在巖屑床，必須采取特殊的處理措施。

4、優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)鉆具管理

在井斜大于30°后不再使用鉆鋌加壓，全部改用加重鉆桿和用無磁承壓鉆桿代替無磁鉆鋌，并對(duì)鉆具進(jìn)行倒裝;同時(shí)每次起下鉆要進(jìn)行錯(cuò)扣起鉆和鉆具的倒換，發(fā)現(xiàn)鉆桿彎曲和接頭處磨損超標(biāo)或偏磨的一律更換;接頭使用超過300小時(shí)要及時(shí)進(jìn)行更新;通過以上措施使鉆具的安全性大為提高。

三、認(rèn)識(shí)與體會(huì)

推廣應(yīng)用水平井鉆井技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但水平井的技術(shù)要求更高，施工難度更大，它是一項(xiàng)技術(shù)嚴(yán)密的系統(tǒng)工程，涉及優(yōu)良的設(shè)備、地層特性研究、井口位置優(yōu)選、合理的井身結(jié)構(gòu)、井身剖面優(yōu)化、井眼軌跡控制、嚴(yán)密的生產(chǎn)組織與技術(shù)管理、安全鉆井技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)工程和地質(zhì)人員的團(tuán)結(jié)合作、套管結(jié)構(gòu)及完井方法等，無論哪一個(gè)環(huán)節(jié)出問題都會(huì)導(dǎo)致井下復(fù)雜情況的發(fā)生，因而，對(duì)水平井施工的每一個(gè)環(huán)節(jié)必須嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，確保水平井的最終安全順利完成。