科研项目论证报告-水平井快速安全钻井技术-2.

1、中油商密5年中原油田科研项目可行性论证报告项目 名称：小井眼、长水平段水平井钻井技术研究课题名称：小井眼、长水平段水平井钻井技术研究编写 人：李茂生负责单位：钻井二公司O二年3月12 日一、项目立项依据与目的意义1、项目研究的重要性分析水平井开发作为一种提高单井产量和油气田综合开发效益的有效手段， 越来 越受到人们的重视，实践表明， 水平井技术在低渗透油气藏的开发中， 可以增加 暴露的油气面积，有利于提高产量，减少生产井数，降低钻井成本，是提高气田 单井产能及采收率的有效方法，其成功应用对油气田的发展具有重要意义。深井小井眼、长水平段钻井是一项风险很大的工程，存在着大量的模糊性、 随机性和不确

2、定性问题。 由于对钻井过程中的客观情况认识不清楚或主观意识的 决策失误， 往往会发生许多复杂情况甚至造成严重的事故， 轻者耗费大量的人力 物力和时间，重者导致全井的废弃。具初步估计，深井小井眼、长水平段钻井处 理复杂和事故的时间应该在 10%以上。一口井特别是水平井一旦出现事故， 不但会增加处理事故的时间， 还会给后 续施工带来不可预料的风险。 钻井速度的提高不光可以降低成本， 同时还降低了 出现井下事故的时间和可能性。该项目针对小井眼、 长水平段水平井钻井速度慢、 钻井周期长及井下复杂等 问题，开展水平井清砂、润滑和钻井参数优选等技术研究；为小井眼、长水平段 水平井优选钻井参数、钻头类型和确

3、保井下提供科学依据；同时针小井眼、 长水 平段水平井材料价格和运费价格的攀升， 钻井利润空间减少的现状进行降本增效 的研究。该研究将对小井眼长水平段水平井产生重要的推动作用， 对确保井下安 全和钻井提速具有重要的指导和借鉴意义。2、需要解决的技术难题小井眼、长水平段水平井井眼直径小， 水平段长，受泵压的限制， 排量偏小。 携砂相对困难，井眼净化难度大。井深、存在高陡构造、高地应力、地层破碎和较强的泥页岩膨胀缩径，井壁 稳定困难。小井眼、长水平段水平井地层受钻井液浸泡时间长， 容易发生失稳坍塌现象。 由于井深，温度高，钻井液性能维护困难。钻井液密度高，体系中固相含量 高，高压差形成的泥饼粗厚，使

4、得钻进时扭矩大，起下钻时附加摩擦阻力大，处 理复杂情况时容易演变为粘附压差卡钻。小井眼、长水平段水平井机械钻速低，井下安全风险大。二、主要研究内容、技术路线、技术关键(一)主要研究内容1、水平井清砂技术研究(1) 主要研究内容及技术难点分析水平井与直井相比， 井下情况比直井要复杂得多， 不仅要稳定井斜角和井眼 方位，还要处理由重力作用、 摩擦力、 岩屑沉降等诸因素而涉及到其他一系列问 题，从而使水平井的安全钻进与直井相比有着很大的不同。在水平井中，由于重力的作用，井斜角超过 30以后的井段内，岩屑就会 逐渐沉降到下井壁，形成岩屑床，钻井液携砂性能好、悬浮能力强，则形成岩屑 床所需时间长，反之，

5、则形成岩屑床所需时间就短。现场实践发现，岩屑床在井 斜角为 30到 60之间的井段内，是不稳定的，也是较危险的，当沉积到一定 厚度后，岩屑床会整体下滑从而造成沉砂卡钻。该项研究内容可以细分为以下几个部分： 岩屑床厚度判定研究， 短起下 清砂研究，高转速清砂研究，大排量清砂研究等几个部分。(2) 拟采取的具体技术方案只有将小井眼、 长水平段的清砂工作做好了，钻柱才能够顺利的起下，同时 也确保了完井管柱的顺利下入。井斜超过 45要进行短起下钻清砂工作。通过定期的短起下钻，破坏下井 壁的岩屑床， 借助泥浆上返出井筒。 根据大量实践经验证实岩屑床形成和携砂最 难的井段为井斜4870。，水平段由于携砂阻

6、力小，不易形成岩屑床。钻进中 发现扭矩增加不正常，就要查明原因，如无其他原因，说明已经形成岩屑床；在 每次接单根或每次起下钻时， 都要记录钻柱的摩擦阻力以及转盘扭矩， 发现摩擦 阻力增加， 说明井下已经存在岩屑床， 就要采用短程起下钻和分段循环的办法清 除岩屑床。发生沉砂卡钻后，忌讳硬提解卡，最好的处理方法是接上方钻杆，大 排量循环，进行倒划眼。在短程起下钻清砂效果不太明显的情况下， 适当提高转盘的转速， 利用钻井 液的涡流作用协助清砂； 条件许可的情况下加大钻井液的排量以及采用稀、 稠钻 井液交替的方法将沉砂携带出井筒。钻井液的携砂性是保持井眼净化、 预防沉砂卡钻的重要措施之一。 在水平井

7、中，为了更好地满足携砂的需要，要求钻井液必须有最低的屈服值，同时，钻井 液塑性粘度和动切力的比值不少十 2:1。(3) 预期达到的技术目标通过加强小井眼、 长水平段井段的清砂研究， 可以使该井段处于一种相对干 净的状态； 从而避免了沉砂卡钻等类似事故的发生， 降低了转盘扭矩和起下钻摩 阻，提高了井下安全性。2、水平井润滑技术研究(1) 主要研究内容及技术难点分析在水平井中， 随着井斜角的增大，钻具作用于井壁的侧压力也随之增大，水 平井本身的特点就决定了在水平井钻进中易发生粘附卡钻， 加钻压困难。 如果钻 井液润滑性不好，就会使这些情况更加复杂化， 因此， 搞好钻井液的润滑性十分 重要。加入润滑

8、剂可以降低滤饼摩擦系数， 降低滤饼摩擦系数的方法是通过添加固 体润滑剂和液体润滑剂。 为了搞好钻井液润滑性， 通常是加入液体和固体组合的 润滑剂， 也可只加入单一的液体润滑剂。 不论采取哪种方式， 都要保持润滑剂在 钻井液中的含量，才能有效降低摩阻。 水平井要求钻井液滤饼摩擦系数小于 0.10。严格控制滤失量及滤饼厚度， 粘附卡钻与钻具和滤饼的接触面积有关， 而接 触面积又与滤失量和滤饼厚度有关。一般说来，水平井中应控制 API 滤失量在 3mL 以内，高温高压滤失量在 15mL 以内。加强固控工作，保持钻井液中含砂量 低于 0.5%，低密度固相含量小于 12%，同时应控制滤饼薄而坚韧。小井眼

9、、长水平段水平井在润滑方面主要存在以下一些难点： 由于受到成 本的制约，往往会出现润滑剂加量的不足， 在某些特殊情况下， 润滑剂的选择 不合适、质量存在问题也会导致钻井液的润滑性不足，钻井液含沙量的增加、 固控设备使用不到位会严重影响钻井液的润滑性。该项研究内容可以细分为以下几个部分：液体润滑研究，固体润滑研究， 含沙量的控制研究。(2) 拟采取的具体技术方案起下钻及接单根过程中， 通过摩阻、扭矩判定钻井液的润滑情况；在排除了 岩屑床影响的情况下，如果扭矩、 摩阻得不到改善， 采用实测钻井液的摩擦系数 的方法来判断判断是否需要加入润滑剂。根据钻井液的体系及相应的地层情况，选择相应的固体润滑剂和

10、液体润滑 剂；并对所加入的润滑剂的效果进行评估。钻井液要实行四级净化， 降低固相含量。同时调整好泥浆性能，控制总的固 相含量和摩阻。由于长水平段水平井井斜大，水平段岩屑携带到 4870井段，在钻井液 润滑不佳的情况下， 故形成粘卡的机率很大，同时应采用的措施有： 减少钻具 向下的阻力，尽可能减少钻具与井壁的接触面积。用加重钻杆代替钻铤， 用无磁 抗压缩钻杆代替无磁钻铤， 用欠尺寸稳定器代替足尺寸的稳定器， 减少下部稳定 器数量，降低钻具刚性。短起下钻，如井斜超过 50。开始定期短起下钻。 为了防止粘卡，造斜时，每钻进一段时间要大幅度活动钻具一次。用18锥度钻杆打斜井段，防止直台阶钻杆吃入地层而

11、容易形成键槽。(3) 预期达到的技术目标通过加强小井眼、 长水平段井段的钻井液润滑研究， 可以使该井的钻井液的 润滑性处于一种良好状态； 从而避免粘吸卡钻等类似事故的发生， 降低了转盘扭 矩和起下钻摩阻，提高了井下安全性。3、水平井井壁稳定技术研究(1) 主要研究内容及技术难点分析 由于小井眼长水平段水平井机械钻速慢、泥页岩地层在钻井液中长期浸泡 下，由于水化作用造成岩石强度降低， 容易引起井壁不稳定。 通过合理调整钻井 液性能，降低滤失量，提高滤液的抑制性，防止泥页岩水花。同时合理控制钻井 液的密度和粘度， 在保证井下安全的情况下，尽量降低钻井液密度和粘度，为充 分发挥水力能量，降低井底压差

12、，提高破岩效率创造有利条件。钻开地层形成井眼以后， 井眼周围产生应力集中， 若钻井液密度不足以有效 地平衡井壁应力， 则常常会出现井壁不稳定现象。井壁不稳定分为两种情况： 一 是钻井液密度过低，即井内钻井液液柱压力过低，井壁发生剪切破坏 (坍塌 )；另 一种是钻井液密度过高，即井内钻井液液柱压力过高，井壁发生张性破坏 (压裂 地层 )。因此，钻井液存在于一个安全窗口，其上限对应于破裂压力，下限对应于坍塌应力井眼稳定力学研究要解决的主要问题就是确定合理的钻井液密度， 该钻井液 密度既能保证地层流体不能侵入井内， 又能保证井壁地层岩石不因拉伸破坏而发 生压裂漏失， 还需保证井壁地层岩石不因剪切破坏

13、发生失稳垮塌。 对于一口井来 讲，就是要确定合理的安全钻井液密度范围 （控制范围 ）。不考虑岩石水化应力的影响， 而仅从岩石的力学作用出发， 得出的井眼稳定 安全钻井液密度下限 （井眼坍塌时的临界钻井液密度 ）必然偏低，往往导致钻井过 程中井壁稳定失败。泥页岩中一般含有蒙脱石、 伊利石和高岭石等粘土矿物， 由于粘土矿物特殊 的物理化学性质， 当钻井液中水的活度大于地层水的活度时， 钻井液中的水将向 井壁渗透，使泥页岩吸水膨胀或裂解；反之，则地层水向井内移动，使泥页岩脱 水而强度发生改变，两者都不利于井壁稳定。井内钻井液对泥页岩的化学作用， 最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、 强度参数以及近

14、井壁地带岩石应力状 态的改变。 泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性质，使岩石强度降低， 另一 方面则发生水化膨胀， 如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀压力， 从而改变近井 壁的应力分布状态。该项研究内容可以细分为以下几个部分： 钻井液的抑制性研究， 泥饼质 量控制研究，钻井液密度窗口研究。（2）拟采取的具体技术方案在小井眼长水平段水平井水基钻井液类型中， 选用钾钙基高密度聚磺钻井液 体系来维护水基钻井液体系流变性的稳定。 该体系从几方面来增强体系流变性的 稳定性。以控制固相粒子分散度为核心，体系中加入无机盐（CaO、KCI）:通过钾、 钙离子的协同抑制作用，使粘土离子处于适度絮凝的粗分散态，

15、大幅度 提高体系的固相容量限和抑制能力；用 CaO除掉沉淀碳酸氢根离子和碳酸根 离子等化学污染源。水平井的稳定性比直井的井眼稳定性更为突出，因而搞好钻井液的抑制性， 维持井眼稳定就显得重要。主要从以下几方面做工作：提高钻井液抗温能力， 严格控制高温高压滤失量，改善滤饼质量；使用防塌处理剂，提高防塌效果； 保持钻井液性能相对稳定，采用合理的钻井液密度。密度、抑制和封堵是钻井液防塌技术的三大法宝， 往往相互结合共同起作用。 其中，钻井液密度是最基本、最重要又是在钻探上最不允许随便调整的参数。 因 此，设计出合理的安全钻井液密度是防塌钻井液的基本任务。考虑钻井液的水化作用时， 可以将水化应力作为一种

16、附加应力， 叠加到井壁 的有效应力中去。根据摩尔 -库伯剪切准则和张性破裂准则，可以得到新的安全 钻井液密。稳定井壁的工艺技术措施是综合性的，可以采用以下措施： 使用合适的钻井液密度使井壁保持力学稳定，利用径向支撑压力稳定井 壁。 通过有效封堵和形成致密泥饼的方法来维持这个径向支撑， 同时，降低钻 井液滤液的侵入。 利用活度平衡理论， 采用反渗透法， 降低泥页岩近井壁的含水量和孔隙压 力，增加泥页岩强度和有效应力。 通过抑制性方法， 使钻井液中的溶质扩散进入泥页岩， 在粘土片中交换并 有效降低膨胀压。 使钻井液中的溶质扩散进入泥页岩， 与泥页岩组分发生化学反应来增强泥 页岩的胶结力。(3) 预

17、期达到的技术目标通过降低粘土矿物的水化能力， 抑制其水化膨胀和水化分散以及采用合理的 钻井液密度，进而使井壁处于一种良好的稳定状态；从而避免井下事故的发生， 提高井下安全性。4、水平井钻头优选技术研究(1) 主要研究内容及技术难点分析钻头在油气钻井中起着很重要的作用， 它是形成油气通道的重要工具。 钻井 实践表明， 钻头的使用效果如何，对一口井的钻井速度等效益指标影响很大。 而 钻头的使用效果又首先取决于钻头类型选择得是否合理， 就目前技术而言， 钻头 选型合理与否主要看地层与钻头是否相互匹配。因为不同的地层，岩性不同， 破 碎机理也不完全相同， 各类钻头是根据破碎不同岩石的需要设计的， 因而

18、也就产 生了地层与钻头相互匹配的问题。按照岩石力学对岩石软硬程度的划分， 对应不同岩性的钻头也用相应的软硬 程度予以标志。 在钻头选型时，通常根据所钻地层岩性， 选配软硬程度与之相对 应的钻头。 这是目前现场普遍采用的定性钻头选型方法。 其缺点是当对应地层的 钻头类型较多或地层岩性未知时， 就很难确定合适的钻头类型。 其他的方法包括 用已钻井钻头的实际使用效果来衡量。 即利用钻头的技术或经济指标： 如钻头进 尺、钻头寿命、平均机械钻速或钻头单位进尺成本等作为钻头选型的依据。 由于 钻头指标的优劣往往需现场人员凭借经验判断，而且各钻头使用的钻进参数不 同，由此得到的钻头指标缺乏可比性，所以这些方

19、法都是不完善的。(2) 拟采取的具体技术方案钻井岩石力学特性参数是实现科学钻井的基础数据之一， 它反映了岩石在各 种外力作用下，从变形到破碎过程中所表现出来的物理力学性质。 如岩石的硬度、 塑性系数、抗压强度、抗剪强度、研磨性、可钻性级值等。因此，它对钻井工程 中的钻头选型、参数优化及技术决策等都具有重要意义。利用岩石声学测试方法测定岩石力学参数， 不需要取心， 而且声波测井可取 得整个井深剖面的全部岩石力学参数。钻进过程中所取得的录井资料是钻井资料中的重要组成部分， 而钻时录井资 料是其中不可缺少的组成部分， 蕴含有大量的地层信息， 体现着钻进过程的客观 规律。钻时录井资料不仅能反映地层岩石

20、特性的变化， 而且还能反映钻头的工作 状况、地层压力梯度的变化等， 对钻时录井资料进行深度有效的处理可以提取更 多的地层信息。 由于不需要进行特别的现场岩心测试， 并可利用实钻数据随时提 供必要的数据。因此，可以节省大量的作业时间，提高工作效率，达到事半功倍 的效果。利用某区域已钻井的钻时录井资料及其他钻井资料， 可建立区域微可钻性沿 井深的变化规律， 并针对每口井，根据地层分类和微可钻性系数大小， 利用钻头 记录数据库， 按层段进行钻头分类，同一区块上多口井的数据经处理， 可以得到 相同层段综合使用成本最低的钻头类型。这种钻头即为对应层段的合理选型。改进钻头设计， 加强钻头合理选型，钻头作为

21、直接破碎岩石的关键工具， 对 大直径井眼的机械钻速具有至关重要的影响。 合理选择和使用与地层相适应， 性 能优良的钻头也是提高大直径井眼机械钻速的重要途径。 目前大尺寸牙轮钻头品 种少，在使用过程中存在钻头对地层的针对性不强。 齿面结构与井底破岩的要求 不相适应、 水力结构与井底清洗的要求不相适应的问题。因此， 应针对地层岩性 特点，改进钻头齿面结构和水力结构，研制新型钻头，提高钻头质量，以及强化 钻头使用措施。(3) 预期达到的技术目标通过从岩性出发寻求与地层岩石相匹配的钻头， 以及从该地区已钻的钻头资 料入手，通过大量的实钻数据，运用统计方法优选钻头从而达到提高机械钻速， 降低钻井成本的目

22、的。5、水平井快速钻进技术(1) 主要研究内容及技术难点分析 在小井眼、长水平段水平井钻井条件下优选钻井参数， 会受到诸多约束条件 的制约，需要综合考虑钻井工艺、权衡利弊，才能得到一个相对合理的结果。钻井过程是一个十分复杂的多因素相互作用过程， 参数多变而且有的参数难 以准确取得， 对钻井参数进行优化单纯靠某个理论的精度来保证是不现实的， 这 已被多年来的钻井实践所证明。例如，钻压转速优选时需要的地层可钻性系数、 牙齿磨损系数、轴承工作系数、钻压影响系数、转速影响系数等，有的不易直接 取得，有的与钻头结构、 材质相关， 随着技术发展而变化， 钻头厂家又不能提供； 水力参数优选时需要的实际排量与

23、理论排量之间有时存在较大的误差， 钻井液的 流变性导致粘度变化、井眼状况不明、计算系数不准确等， 导致理论计算值与实 际情况出入较大，尤其在小井眼条件下计算误差更明显。在钻井实践中发现， 尽管使用了大排量洗井， 钻井速度仍然得不到显著的提 高。后经过大量的分析和研究才认识到， 把岩屑从井底举到地面上来需要经过两 个过程：首先要把岩屑冲离井底， 然后把它们从环形空间内带到地面上来这两个 过程也是两个问题。 理论分析和实验室的研究证明， 将岩屑从环形空间携带到地 面上来，并不是很困难的事情不需要很大的排量就可以做到， 可是要把岩屑冲离 井底，则要困难得多。 要解决把岩屑及时冲离井底这个问题， 就需

24、要新的工艺技 术，这就是喷射钻井技术。 喷射钻井是将泥浆泵输送的高压泥浆通过钻头喷嘴形 成高速冲击射流，它具有很高的喷射速度， 具有很大的水功率， 它能给予井底岩 屑一个很大的冲击力，从而使岩屑及时、迅速地离开井底，始终保持井底干净。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因。因此，在钻井过程中， 水力因 素是影响钻井速度和成本的重要因素。针对长岭地区深部地层岩石的抗压强度高、 研磨性强的特点， 近年在该地区 引进了国外提高机械钻速的新技术高速涡轮动力钻具 +金刚石孕镶钻头的复 合钻井技术。该技术综合了涡轮钻具高速、大扭矩、无横向震动、机械钻速高和 金刚石钻头研磨性好、适合高速旋转的特点。通过

25、使用发现“涡轮 +孕镶金刚石 钻头”复合钻井技术在该地区深部非均质地层具有一定的技术优势。井下动力钻具配合PDC钻头复合钻进，具有明显的技术优势。分析其原因， 包括如下主要影响因素： 高效 PDC 钻头对付某些地层的优势明显大于牙轮钻头。 近年来螺杆钻具的质量不断提高，寿命大大增加，与 PDC钻头匹配，能 够充分发挥 PDC 钻头的效能。 在长水平段、 小井眼中常规钻井的动力损耗很大， 并且容易出现套管磨损 及钻杆疲劳破坏， 而井下动力复合钻进技术主要是利用井下动力马达直接驱动钻 头，动力损耗较小，改善了底部钻具组合的工况， 从而提高了钻井的效率和安全 性。在井下动力钻具 (螺杆钻具等 )工作

26、的同时，启动转盘复合钻进，有利于防止 钻具被卡及减少钻具托压。 在使用井下动力钻具钻进时， 由于施加的钻压比较小， 在垂直钻井中有利 于防止井斜。该项研究内容可以细分为以下几个部分： PDC钻头+螺杆复合钻井技术研 究；涡轮+孕镶金刚石钻进技术研究；导向钻进技术研究；钻井参数优化 研究。(2) 拟采取的具体技术方案 长水平段水平井钻井参数优选技术应立足于现场， 具有实用性， 基础数据在 现场容易获取，对有的参数通过现场实际数据进行反演计算，再代入计算模型， 利用现场的实际数据对计算结果进行实时校正和优化。 例如根据上一只钻头、 上 一个井段或邻井的实际数据来反求一些参数， 对理论计算结果进行校

27、正， 优化当 前钻头或当前井段的钻井参数； 或者根据当前钻头的实际数据来预测和优化下一 只钻头的钻井参数， 这样可以消除理论计算模型的系统误差， 从根本上保证钻井 参数优选结果的可靠性和实用性。采用井下动力钻具钻井方式， 配合自锐式金刚石钻头，高转速钻进， 提高机 械钻速。 在欧洲地区，在深井牙轮钻头钻速很低的情况下， 采用涡轮钻具配合自 锐式金刚石钻头钻进，单只钻头进尺一般在200500m,机械钻速在2.55.0m/h。采用井下动力钻具，可以大大提高钻头的转速，提高钻头的机械破岩能量， 从而提高机械钻速。使用加长马达 +PDC 钻头以与转盘复合钻进方式提高钻井速 度的技术已十分成熟。优选钻井

28、参数钻井， 是在综合影响钻井成本各项因素的基础上选择的最优参 数组合。一般情况下钻压越大，转速越高，机械钻速就越高。而且一般遵循的规 律是上部地层对转速比较敏感， 下部地层对钻压比较敏感。 大直径井眼提高钻速 前提条件为：纯钻时间所占的时效比例尽可能大， 平均单只钻头的进尺尽可能多， 行程机械钻速尽可能大。 深部小井眼提高机械钻速， 根据深部小井眼钻井的特点， 目前最有效的方法之一就是采用井下动力钻具；转盘/双驱动复合钻井技术和采用强化钻井参数钻进。采用大钻杆或复合钻杆，尽量减小沿程压耗，发挥水力能量。(3) 预期达到的技术目标通过进行水平井段的提速研究， 大幅度提高小井眼、 长水平段水平井的机械 钻速，从而达到降低钻井成本的目的。( 二 ) 技术方法、路