大斜度定向井钻井设计优化分析及其应用探讨_王学友.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-25 作者简介 王学友 （1971-） ， 男 （汉族） ， 山东梁山人， 工程师， 现从事石油钻井工程技术工作。 大斜度定向井钻井设计优化分析及其应用探讨 王学友* （大庆钻探工程公司钻井三公司， 黑龙江 大庆 163000） 摘要 大斜度定向井在实际的应用过程中能够通过一次钻井穿越多个油层， 从而使得油田井下油 气泄油面积得到全面提升， 进一步提升了油田的单井产量。主要针对某油田大斜度定向井在实际施 工过程中的难点问题进行了分析， 并在此基础上通过进一步优化大斜度定向井井身结构和轨迹剖 面， 并针对具体施工环节对钻具组合参数、 井眼清洁技术、 降扭矩技术进行充分利用后， 为大斜度定 向井顺利施工奠定了基础。 关键词 大斜度定向井； 钻井技术； 轨迹控制； 施工 中图分类号 TE243 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0047-03 某油田区块内部断层发育良好， 储层属于中低、 低 渗透油藏， 由于断层的发育使得油藏整体的构造更加 复杂， 与此同时对整个油田的油水分布状况也产生了 较大影响。为了能够针对该油田区块油水分布规律进 行深入认识， 并进一步增加油层泄露面积， 全面提升油 田单行产能， 提升油藏开发的经济性， 在区块开发过程 中部署了一口大斜度定向井， 具体施工过程中通过进 一步优化井眼轨迹控制方案， 从而充分保障三个靶点 都按照涉及要求实现中靶。 1施工难点分析 该油田的某口大斜度井在井深达到400m的位置处 开始造斜， 一开完钻时在井深750m的位置处完成， 大斜 度井的井斜角达到68.7； 二开裸眼稳斜段长度达到了 2310m， 在整个施工过程中具有以下一些技术难点[1] （1） 由于该油井上层的地层岩性相对比较松软， 导 致大井眼井在造斜过程中很难保障造斜率。 （2） 由于大斜度井稳斜井段的长度比较长， 而且井 斜角比较大， 在钻探作业过程中往往会产生较大的摩 阻扭矩， 在这种情况下非常容易导致出现扭断钻具等 事故。 （3） 由于大斜度井稳斜井段的长度比较长， 而且井 斜角比较大， 因此钻探作业过程中返砂困难较大， 非常 容易在井下形成岩屑床， 从而使得井下状况更加复杂。 （4） 大斜度井在钻井作业过程中由于本身的靶点 设置较多， 对靶区的要求也比较高， 因此要想实现对井 眼轨迹的控制难度比较大。 （5） 裸眼井段本身的长度较长， 导致在降斜段钻进 过程中会产生拖压， 对机械钻进速度造成严重影响， 而 且整个过程就是一种非常容易出现粘钻、 卡钻的事故。 2钻井集输方案优化 2.1井身结构优化设计 定向井钻井施工过程中如果能够充分保证井身结 构合理性和科学性能够已在钻井作业过程中所产生的 摩阻扭矩， 水平方向上的位移延伸量也会进一步增加， 从而使得井下钻进过程中会产生更加复杂的事故。因 此针对该油田的大斜度井井身结构进行了优化设计， 按 照一开、 二开， 分别从井深、 钻头尺寸、 套管下体深度、 套 管尺寸、 环空水泥浆返深等几个角度进行了优化设计[2]。 2.2井眼轨迹剖面优化设计 在充分结合该油田实际的开发状况后， 按照 “直 增稳降稳” 的五段制井眼轨迹设计当时来进行 钻进作业， 在钻进到井深为400m的时候开始进行定向 造斜， 最大造斜率达到了 6/30m， 最大井斜角达到 69.09， 方位角达到86.18[3]。 3大斜度井钻井技术 3.1井眼轨迹控制 3.1.1增斜段井眼轨迹控制技术 为了充分保证钻井施工作业的便利性， 而且有效 提升井眼轨迹的圆滑性和平稳性， 针对该油田的某大 斜度井的井眼轨迹进行修正设计， 将造斜点提升50m， 47 2020年第10期西部探矿工程 而且将原来的井眼曲率修改为了5/30m， 在此基础上 进行一个保障钻井施工更加便捷， 而且作业现场的可 操作性也能得到全面提升。在具体施工过程中保证钻 压处在20～40kN之间， 转速保证达到40r/min， 排量保 证达到55L/s[4]。 在开始造斜的时候， 首先连续进行几个单根定向， 在此基础上就能够进一步掌握螺杆在井下地层中实际 产生的造斜率， 随后对几个连续单根的各项施工数据 进行精确记录， 充分结合最近的两个测点上实际的井 斜方位变化率， 来最终较为精确地确定出井底的井斜 方位。而且必须要针对每一个不同的测点实施详细的 计算， 充分结合滑动和复合钻进方式来实现对井眼轨 迹的精准控制， 改进后再井深达到763m， 井斜角达到 打68.8的位置完成了一开钻进。 3.1.2稳斜段轨迹控制技术 二开钻进过程中主要完成的是稳斜以及降斜钻进 施工过程， 稳斜段具体的施工环节， 主要使用的是0.75 的单弯双扶正器螺杆， 这样就能进一步提升钻井作业 过程中的稳平效果； 钻头选择的是Ｒ4624型四刀翼钻 头， 这种钻头与五刀翼钻头相比较， 保障钻压相等的条 件下， 具有更强的破岩能力， 而且也能有效提升机械钻 进速度。在具体施工过程中保证钻压处在20～50kN 之间， 转速保证达到40r/min， 排量保证达到38L/s[5]。 主要是用的钻具组合在实际施工过程中表现出了 降斜趋势， 降斜率能够达到2/100m， 因此， 在实际的施 工作业过程中按照每2～3个单根的周期要向上挑2m， 这样就能够充分保证井斜保持在可控制的范围内。在 实际钻进作业过程中发现， 钻具组合能够保持良好的 稳斜趋势， 仅仅需要对钻进参数进行微调就能够实现 稳斜的目的。 3.1.3降斜段轨迹控制技术 当井深达到1800m的时候开始进行降斜施工， 降斜 施工开始的时候需要更换LWD来进行施工， 与此同时， 为了能够实现对井眼轨迹的合理控制， 并进一步提升井 场钻井施工可操作性的有效控制， 降斜施工过程中主要 使用了1的单弯单扶正器螺杆， 在具体施工过程中保证 钻压处在20～50kN之间， 转速保证达到40r/min， 排量 保证达到38L/s。图1所示为实际钻井参数与靶点设 计对比状况。由图可知， 井眼轨迹控制完全达到设计 要求。 3.2安全钻井技术 3.2.1井眼清洁技术 大斜度定向井在实地施工的过程中由于岩屑自身 存在重力作用导致在井壁上出现岩屑沉淀现象， 在这 种情况下非常容易在井下形成岩屑床。由于大斜度井 本身的上返距离比较长， 细碎的岩屑很难实现有效清 除， 因此在具体作业过程中必须要针对震动筛的返砂 情况进行及时监测， 有效提升钻井液的携砂能力， 这样 才能避免钻进过程中产生岩屑床。 （1） 首先必须要保证钻井液排量达到要求， 而且流 动性也较好， 这样才能具备较强的携砂能力。在钻井 作业过程中始终保持产量超过35L/s， 而且环空的上返 速度也都保持在1.5m/s左右， 从而实现在钻进作业过 程中的紊流携砂， 现场施工过程中， 必须要保证钻进液 的动塑比超过0.5。 （2） 利用高效的互相控制设备有效清除岩屑。由于 大斜度井本身在钻井作业过程中上返距离比较长， 而且 钻井过程中岩屑呈现出细碎状， 后期的清除比较困难， 针 对该大斜度井主要的是四级固控设备， 而且使用了160 目筛布的两台震动筛， 配备高速离心机后能够及时将钻 井液中的固相杂质清除， 充分保障了井眼的清洁性。 3.2.2减小摩擦阻力降低扭矩 （1） 在具体钻井施工过程中使用了减摩阻降扭接 头， 该装置主要是安装在钻杆的接头位置， 其外套与套 管的内壁接触， 芯轴随着钻杆一起旋转， 芯轴本身的动 摩擦系数相对较小， 而且采取的钻井液本身具有自润 滑性能， 这样就能有效降低钻井施工过程中的扭矩传 递损失， 这样就能够有效避免钻杆与套管在钻进作业 过程中产生较大摩擦。 （2） 针对泥浆性能进行合理调整， 最大程度降低钻 柱与井壁在钻井施工过程中产生的摩擦力， 与此同时 还要对泥浆的失水进行严格控制， 并最大程度降低泥 饼的厚度， 在这种情况下就能够将摩阻扭矩控制在最 低程度。（下转第52页） 图1实际钻井参数与靶点设计对比状况 48 2020年第10期西部探矿工程 等问题亟待解决。可以利用铝合金钻杆重量轻的优 势， 解决水平段托压严重、 摩阻大等问题， 进行工厂化 丛式井作业， 实现非常规油气藏的经济开采。 （3） 高含硫油气藏领域。对于传统钢钻杆来说， 在 高含硫油气藏的勘探开发过程中， 因硫化氢应力腐蚀 造成的断钻具事故屡有发生、 事故处理困难， 给井控工 作带来风险隐患。选用优质铝合金钻杆， 可以减少硫 化氢应力腐蚀造成的事故复杂， 提高井控安全。 （4） 海洋石油领域。大位移井、 水平井等开发方式 在海洋石油钻井中比重很高， 选用铝合金钻杆后， 可显 著降低平台重量， 增加钻井深度和水平段长度， 降低钻 井成本， 提高开发收益。 5结论 （1） 铝合金钻杆在重量、 比强度、 耐腐蚀性以及弹 性等方面都比传统钢钻杆有很大优势， 在深井、 超深 井、 大位移水平井、 高含硫油气藏以及非常规油气藏等 领域中有广阔的推广前景， 已成为取代传统钢钻杆的 最佳选择。 （2） 国外发达国家尤其是美国、 俄罗斯等国家在铝 合金钻杆方面的技术已经非常成熟， 在深井、 超深井、 丛式井以及海洋石油开采等领域都有成功而广泛地应 用。 （3） 国内铝合金钻杆技术起步较晚， 但近年来发展 迅速， 应当结合现场应用情况， 系统深入地进行铝合金 钻杆力学性能、 电化学性能、 耐磨性能等各方面的研究 及评价。 参考文献 [1]张喜超，等.71mm绳索取心铝合金钻杆的研制[J].探矿工 程 岩土钻掘工程，2015，42758- 61，71． [2]鄢泰宁，等.高可靠性铝合金钻杆及其在超深井和水平井中 的应用[J].地质科技情报，2010，291112-115． [3]王小红，等.铝合金钻杆材料、 特点及其磨损研究进展[J].材 料导报，2014，2823431-434，437． [4]冯春，等.铝合金钻杆的特点及发展应用[J].石油管材与仪器， 2017，341-7． [5]兰凯，等.国外轻质高强度钻杆研究与应用[J].石油机械， 2010，38477-81． [6]孙建华，等.深部钻探铝合金钻杆开发应用[J].探矿工程岩土 钻掘工程，2016，43434-39． [7]刘宝昌，等.大直径高强度耐磨铝合金钻杆研究[J].探矿工程 岩土钻掘工程，2017，44增刊257-261． （上接第48页） （3） 净化井眼， 破坏岩屑床能够相互钻柱与井壁之 间的摩擦系数控制在最低程度， 在此基础上就能够让 扭矩以及摩擦阻力控制在最低。在实际的钻井施工过 程中， 扭矩和摩擦阻力实际产生的变化状况能够直观 地反映出井眼的净化程度， 对扭矩和摩擦阻力变化状 况进行详细观察和能够采取合理的井眼净化措施。 3.2.3井壁稳定技术 大斜度定向井在实际钻井施工的过程中， 井壁围 岩会受到径向、 切向以及垂直方向上的应力， 也许同时 还会承受剪切应力和抽吸压力等各种因素的影响。该 油田某大斜度井在实际进行钻井施工作业的过程中始 终将井眼失水量控制在4mL/30min的范围内， 在这种 情况下就能够在井壁上形成的泥饼具备薄而韧的特 点， 作业过程中对起下钻速度进行严格控制后， 每柱起 钻时间要保证超过3min， 这样就能够有效避免快速起 钻造成抽吸影响导致井壁出现失稳的现象。 4结束语 综上所述， 大斜度井定向井在实际钻井施工过程 中难度相对比较高， 因此必须要对靶区进行严格要求， 施工作业前必须要针对整个施工过程进行优化设计， 并实现对钻具组合以及钻井参数的合理选择， 针对不 同钻井施工阶段采取合理的井眼轨迹控制技术来实现 对井眼轨迹的精确控制， 在这基础上才能够充分保障 大斜度定向井钻井施工质量。本文针对某油田的大斜 度定向井钻井优化技术进行深入分析后， 对后期同类 钻井施工能够起到很好的指导作用。 参考文献 [1]姚振华，谯抗逆. 罗家寨高含硫气田丛式大斜度定向井水平 井钻井技术[J]. 钻采工艺，200745-9. 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