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大位移井的基本问题 韩志勇

大位移井的基本问题 韩志勇. 1. 大位移井的定义； 2. 大位移井的用途和重大意义； 3. 大位移井的基本问题；. 一 . 大位移井的分类和定义. 大位移井分浅层大位移井和深层大位移井。 美国、加拿大都打过一些浅层大位移井。水平位移 1000 多米，但垂深只有 200 米左右。使用斜井钻机甚至修井机打的。 深层大位移井，必须使用钻井的高技术。目前说的大位移井主要指的是深层大位移井。 大位移井的定义，没有统一标准，且是个发展概念。 初期认为有两个条件： 水平位移超过 3000 米；平垂比大于 1 ， 后提出 水平位移超过 3000 米；平垂比大于 2 。.

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大位移井的基本问题 韩志勇

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  1. 大位移井的基本问题韩志勇 1. 大位移井的定义； 2. 大位移井的用途和重大意义； 3. 大位移井的基本问题；

  2. 一. 大位移井的分类和定义 • 大位移井分浅层大位移井和深层大位移井。 • 美国、加拿大都打过一些浅层大位移井。水平位移1000多米，但垂深只有200米左右。使用斜井钻机甚至修井机打的。 • 深层大位移井，必须使用钻井的高技术。目前说的大位移井主要指的是深层大位移井。 • 大位移井的定义，没有统一标准，且是个发展概念。 • 初期认为有两个条件：水平位移超过3000米；平垂比大于1， • 后提出水平位移超过3000米；平垂比大于2。 定义的界限：主要反映了技术难度。大位移井技术是在水平井技术基础上发展起来的，是当代定向井钻井技术的新的高度，新的里程碑。 目前国外的大位移井水平位移远远大于3000米；平垂比也远远大于2.

  3. 一. 大位移井的分类和定义 • 大位移井技术是在水平井技术基础上发展起来的，所以比水平井技术要高一个台阶。在设备、工具、仪器等条件上，比水平井要求更高： • 钻机上必须有顶部驱动； • 一般要使用三台泥浆泵； • 钻杆使用5，5-1/2，6-5/8的复合钻柱； • 使用润滑性更好的油基泥浆； • 有强大的泥浆净化系统； • 使用导向钻井系统； • 使用MWD, LWD, 等； • 如果不具备上述条件也打成了大位移井，说明你定的大位移井的界限太低。

  4. 二. 大位移井的用途 • 大位移井的主要用途是油藏所在的地球表面上， • 难以建立钻井井场， • 建立井场需要花费很大代价， • 从距离很远的已有的陆上钻井井场或水上钻井平台上向该油藏钻探井或开发井。

  5. XJ24-3-A14井的目的和意义 • 南海东部石油公司的位置 • 现已开发的油田共有四个：流花；陆丰；惠州；西江。

  6. XJ24-3-A14井的目的和意义

  7. XJ24-3-A14井的目的和意义 • 三个区块：XJ24-3 ，XJ30-2 ，XJ24-1 。前两个是主力区块。 • 两个钻采平台，每个平台可钻井分别为30口和28口井 。生产出来的油，通过输油管线，送到“南海开拓号”油轮上。

  8. XJ24-3-A14井的目的和意义 • XJ24-3-A14该区块是美国PHILIPS公司的风险勘探区，1986年1月8日钻完第一口探井XJ24-1X，发现了11个油层。 • XJ24-1区块的情况：位于XJ24-3区块的钻采平台东南（116°）约8公里处。油藏圈闭面积不到2平方公里，是一个小油田，或称为XJ24-3油田的卫星油田。该海域水深100米左右。

  9. 如何开采XJ24-1区块？ 建立一个卫星钻采平台（无人操作）要花7000万美元，加上钻井费用和按照7年开采期计算的作业费，加起来的投资将超过一亿美元。 按采收率25％计算，可采出100万吨油。按120美元一吨算，可得1.2亿美元。基本上没有开采价值。 所以，从1986年到1996年，10年时间，该区块没有开采。 90年代以来，大位移井技术的出现和发展，很自然提出用大位移井来开发这个油田。 1995年，大位移纪录是8035米。经过论证，该井于1996年11月22日开钻，1997年5月19日完钻，6月10日完井。全井钻进时间85天，完井周期仅仅101天。 该井原计划投资2400万美元。实际打井费用1800万美元，加上论证及各项行政开支，共花钱2000万美元。 XJ24-3-A14井的目的和意义

  10. XJ24-3-A14井的目的和意义 • 效益 ：6月23日交井投产，初产为1672桶（6.29桶等于1方）约265方，含水63％。以后产 量 逐日增加，直到7000桶（1000吨）稳住；含水逐日减少，减到2.2％稳住。到1997年底已经生产了16万多吨，价值约2000万美元。已将投入的全部成本收回。 • 而且，这口井在钻井中，还有大的发现，新发现5个油层，最厚的一个是15.4米。地质储量翻了一番。 • 由于A-14井的效益很好，且储量翻番，所以1999年又打了一口大位移井A-17井。现已完井，即将投产。

  11. 三. 大位移井的基本问题 • 可归纳为四大基本问题： • 管柱在井内的摩阻摩扭问题； • 测量与轨迹控制问题； • 井眼清洁问题； • 井眼稳定问题；

  12. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • 管柱的摩阻摩扭问题是大位移井技术的头号问题。给钻井带来的问题： • ①钻柱起钻负荷很大，下钻阻力很大； • ②滑动钻进时加不上钻压，钻速很低； • ③旋转钻进时扭矩很大，导致钻柱强度破坏； • ④钻柱与套管摩擦，套管磨损严重，甚至磨穿； • ⑤套管下入困难，甚至下不到底； • ⑥导致严重的粘滑振动(Stick/Slip Vibration);

  13. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • ①解决起下钻摩阻问题的方法： • 使用顶部驱动，起下钻时可适当旋转钻柱，改变摩阻方向(倒划眼时要特别谨慎)； • 优化井眼轨道形状，减小摩阻； • 国外用悬链线轨道或准悬链线； • 提高造斜点，降低造斜率； • 控制稳斜角：αK=ATN(1/μ) ； • 改善泥浆的润滑性

  14. 大位移井的轨道设计 • 大位移井轨道设计研究，国外很重视，但很少有公开发表的研究文章。 • 英国BP 公司在Wytch Farm油田上用悬链线或准悬链线，没有具体讲。 • 有一篇文章中谈到设计方法：增斜段的曲率是变化的，开始的曲率1～1.5°/30米，最后增到2.5°/30米。曲率增加的方式是连续的，每400米曲率增加0.5°/30米。 • 据说这种曲线可使套管可下重量增加25～27%。 • 这实际上是一种恒变增曲率曲线。据我们研究，这种曲线并没有多大优越性。

  15. XJ24-2-A14井轨道设计

  16. 采用低毒油基泥浆，商品名称VersaClean。 提高油水比： 试验表明，90：10的油水比与62：38的油水比进行比较，前者比后者摩阻降低50%。 实际使用在12-1/4“井眼，油水比为75：25； 在8-1/2“井眼，油水比为85：15； 使用塑料小球： 据试验，使用塑料小球，可降低摩阻摩扭15%； 从井深7248米开始用，井深超过9000米后，每钻一个立柱，加入塑料小球约123公斤。 泥浆的实际润滑性很好，非常有利于减小摩阻系数。根据实钻数据用计算机软件进行拟合，钻柱在套管内的摩阻系数为0.19，在裸眼井段内为0.17。（值得注意的是：裸眼井段内摩阻系数竟然小于套管内的摩阻系数） XJ24-2-A14井泥浆降摩阻摩扭技术

  17. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • ②解决滑动钻进加不上钻压问题 • 采用滑动导向钻井系统，尽可能旋转钻柱。 • 需要定向时用滑动钻进方式； • 不需要定向时用旋转钻进方式； • 采用动力钻具压差载荷加压； • 采用液力加压器加压； • 开发先进的旋转导向钻井系统，彻底抛弃滑动钻进方式；

  18. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • ③解决钻柱旋转扭矩的问题： • 主要办法是：提高钻杆的抗扭能力。 • 使用高抗扭的螺纹脂；据说可提高抗扭27%； • 采用高扭矩的螺纹联接 • 多级螺纹或多级台肩，可增大扭矩； • 采用高强度钻杆： • 铝合金、钛合金钻杆等，重量小，强度高； • 实现钻杆接头的应力平衡(见下两张片子)： • 高强度钻杆的接头抗扭强度，低于管体；采取增大上扣扭矩，牺牲抗拉强度，增大抗扭强度，使钻杆适应高扭矩的需要。

  19. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • 实现钻杆接头的应力平衡： • 在旋转条件下，随着井斜角的增大，钻柱的拉力将减小，而扭矩将增大。

  20. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • 实现钻杆接头的应力平衡： • 以NC-50 (411×410)接头为例，当公接头内径为4-3/4“时， • 若上扣扭矩为30千磅英尺，则承拉能力为200千磅； • 若上扣扭矩为25千磅英尺，则承拉能力为450千磅；

  21. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • ④解决套管磨损问题 • 一种方法是在钻杆上带胶皮护箍 • 据说在大位移井中，橡胶护箍很快就被破坏； • 改变钻杆接头表面上的铠装材料，既有较高的耐磨性，又可减小对套管的磨损； • 在钻杆上加非旋转钻杆保护器 • 象个扶正器，不随钻杆旋转。与套管之间不旋转，所以不磨套管；但与钻杆之间有相对旋转； • 这是目前最有效的方法。

  22. XJ24-3-a14井对 套管磨损问题的解决 • 特别在弯曲井段，钻柱以很大的正压力作用于套管壁，在旋转时引起套管磨损。 • 采用了“非旋转钻杆保护器”（NRDPP – Non-Rotating Drill Pipe Protector）。在套管保护段，每根钻杆单根加一个。这样在NRDPP与套管之间是不旋转的，代之以NRDPP与钻杆之间的旋转。 未使用NRDPP时，泥浆出口捞出大量铁屑，而且逐日增加。（三天，150克，270克，750克）据说最多一天可捞出3.7公斤。使用NRDPP之后，铁屑大量减少。（三天，260克，85克，65克）。而且，钻柱的摩扭大大减小。在可比的情况下，使用前摩扭为22000英尺磅，使用后为12000～17000英尺磅。

  23. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • ⑤解决套管下入问题 • 采用滚轮式套管扶正器； • 使套管与井壁之间有滑动摩擦，变成滚动摩擦； • 采用漂浮法下套管 • 漂浮接箍以下的套管内是空的，没有钻井液； • 漂浮接箍的位置需要仔细计算；要考虑套管的抗挤 强度问题； • 在下套管过程中不能循环泥浆； • 利用顶部驱动的重力；

  24. XJ24-3-a14井对 套管下入问题的解决 • 钻柱下不去，可用顶部驱动旋转起来下入。套管由于丝扣问题，不能承受大的扭矩。所以下套管是大位移井最大的难题。这口井采取了两个主要技术： • 带轴向滚柱的套管扶正器。将套管与井壁之间的轴向滑动摩擦，变成了轴向滚动摩擦。

  25. XJ24-3-a14井对 套管下入问题的解决 • 第二项技术是：套管漂浮技术。一个漂浮接箍可使一段套管中空。从而减小对井壁的正压力。

  26. XJ24-3-a14井对 套管下入问题的解决 • 套管漂浮接箍的工作原理：a. 漂浮状态，隔开上下；b. 压力剪断上销钉，打开循环孔；c. 剪断下销钉，下行碰压。

  27. 三. 大位移井的基本问题1. 管柱的摩阻摩扭问题 • ⑥解决钻柱的粘滑振动问题 • 类似于“蹩钻”。 蹩钻是钻头上扭矩的剧烈变化引起的；粘滑振动是钻柱上摩阻扭矩的剧烈变化引起的。 • 危害是：钻速降低，钻头寿命降低，钻柱的强度安全系数降低，钻进能力降低； • 粘滑振动还会激发起钻柱的其他振动，特别是横向振动，危害也很大。 • 采用旋转回馈系统，有的称为软扭矩系统。 • 国外已经有产品，是荷兰人研究的； • 我国应早研究解决。石油大学已经在理论上和原理上进行了大量工作，下步研究需要协作。

  28. 三. 大位移井的基本问题2. 测量与轨迹控制问题 • 随钻测斜，是准确控制井眼轨迹的前提条件。大位移井更不能用电缆测量。在大位移井中，MWD已经成为常规方法 。 • 随钻测井，是准确控制井眼进入预定的目标层的前提条件。在大位移井中，LWD(FEWD)也应该成为常规方法 。 • 由于井很深，不宜采用起钻更换钻具组合。还要有能在井下及时变更组合性能的手段。初期用遥控可变径扶正器。 • 必须使用导向钻井系统(最好是旋转导向系统)。一套钻具组合下去，可完成增斜、稳斜、降斜、扭方位等各种轨迹控制要求。 • 必须使用高效能的钻头、井底动力钻具等，提高一趟钻的工作时间和进尺。 • 由于井眼特别长，加上泵压的波动，MWD / LWD的信号由井底传到地面后大大衰减，甚至接收不到。还要解决信号传输问题。

  29. 井眼一直用MWD测量。 MWD属磁性测量原理，其测量精度需用高精度的陀螺系统进行校核。 采用的是“双轴速率陀螺”，比普通单轴自由陀螺仪的精度高5～10倍。 双轴速率陀螺，测井斜的误差是0.05°，测方位的误差是0.1°，长度测量误差是0.17％。而且这种仪器的测量速度很快。 使用高精度速率陀螺仪，对MWD校核的结果表明，MWD的精度是足够的。 在4463米深处用速率陀螺一直测到井口，与MWD测量结果对比。以陀螺为准，MWD的垂深方向误差6.65米，径向误差2.27米，侧向误差14.92米。 测量结果表明，该井的条件下，磁性干扰并不大。 XJ24-3-a14井先进的测量技术

  30. XJ24-3-a14井 先进的轨迹控制技术 • 先进的导向钻井系统 • 导向钻井系统组成：高效能的钻头+ 可调弯角的弯外壳螺杆钻具+ MWD／LWD + 遥控可变径扶正器 。不起钻，连续进行轨迹控制。

  31. XJ24-3-a14井 先进的轨迹控制技术 • 高效能的钻头： • 9238米深的大位移井，全井仅仅用了12只钻头，包括一只钻13-3/8”套管的水泥塞的钻头，一只是用于冲洗7”尾管内部的6”钻头。实际钻进的钻头只有10只。 • 用于导向钻井系统的钻头都是高效PDC钻头。不仅钻速快，而且进尺长，一只钻头可打1000多米。 • 我国“川石-CHRISTENSON”公司提供的特制PDC钻头从设计到送到平台上，仅用了不到一个星期。 • 钻头的总费用较高，达到350万美元。

  32. 可调弯角的弯外壳螺杆钻具：美国Baker Hughes公司的导向马达，井下工作可达300小时以上。可提供PDC钻头破岩需要的高扭矩。弯角可调。 MWD：随钻测量。Anadrill Schlunmberger 公司的最新产品，M10型的MWD。连续波传送， LWD：随钻测井。包括浅电阻率和深电阻率，自然γ，地层密度测井，等。完全代替电缆测井。（但未达到地质导向的水平。） 遥控可变径扶正器：商品名称，TRACS，哈里伯顿的最新产品。可变直径1英寸。其优点是与MWD相联系，调了直径之后，可通过MWD的传输系统传到地面上来。MWD的信号一直到9100多米仍可传输。 轨迹控制的效果：两个靶心距分别为60米和45米。而设计给出的靶区半径是152米。 XJ24-3-a14井 先进的轨迹控制技术

  33. XJ24-3-a14井 先进的轨迹控制技术 • 下图是A14井的井眼轨迹图。

  34. XJ24-3-a14井 先进的轨迹控制技术 A-17井的轨迹图

  35. 三. 大位移井的基本问题3. 井眼清洁问题 • 造成井眼清洁问题的原因： • 井斜角很大，岩屑在自重作用下下沉，很容易形成岩屑床。 • 岩屑上返过程中，路程很长，岩屑被磨得很细，很难从泥浆中清除。 • 井眼清洁是大位移井井下安全的最重要的条件之一。解决的方法： • 要有足够大的钻井液排量； • 要有强大的地面固相控制系统； • 钻柱旋转的作用； • 泥浆要有好的流变性能； • 起钻前的充分循环； • 必要的“短起下钻”； • PWD环空压力监测；

  36. XJ24-3-A14井 井眼清洁问题 • 规定MTV：根据最小上返速度规定了每个井段的最小排量；例如，12-1/4“井眼计算的最小排量为56.7升/秒，要求大于60升/秒，实钻采用66.7升/秒。 • 由于一台泵软管问题，压力上不去，排量降到51.7～55升/秒，岩屑携带不上来，导致了一次卡钻事故。 • 强大的泥浆净化系统： • 80目线性振动筛2台； • 180～200目高速振动筛3台； • 离心机两台； • 除砂器1台； • 除泥器1台； • 短起下和倒划眼的作用：有时倒划眼的岩屑量是正常钻进时的3倍。

  37. 三. 大位移井的基本问题4. 井眼稳定问题 • 井眼稳定问题包括：井塌和井漏。 • 在大位移井中，垂直方向变化很小，所以地层的破裂压力和井壁的坍塌压力，数值变化不大。但随着井眼的加长，起下钻和开泵时引起的压力波动将随着增大，从而引起井塌和井漏的可能性也增大。最大压力波动点在井底。泥浆密度的选择范围很小。

  38. 三. 大位移井的基本问题4. 井眼稳定问题 • 当井眼方位与最大地应力方向一致时，地层被压裂的可能性最大，井眼稳定问题最严重。 • 要注意选好泥浆密度。 • 起下钻和开泵，要特别注意，尽可能减小压力波动。

  39. 这口井的井眼方位(114.9°)正好与最大水平地应力方向(120～125°)一致，是最不利的方位。而且是无法改变的，只能采取其他措施。这口井的井眼方位(114.9°)正好与最大水平地应力方向(120～125°)一致，是最不利的方位。而且是无法改变的，只能采取其他措施。 美国用他们的岩石力学模型，预测珠江口的定向井井斜超过45°，将发生井斜和井漏。但该地区在这口井之前已经顺利地钻过水平井。说明预测模型不准确。 定向井条件下的地层破裂压力：石油大学葛洪魁教授研究认为，在垂直主应力不是最大主应力的情况下，定向井的破裂压力，不比垂直井小。最小可按垂直井破裂压力计算。 XJ24-3-A14井采取的办法： 该井采用的低毒油基泥浆(VersaClean), 基本上没有失水。非常有利于泥页岩的井壁稳定； 修改井眼轨道，躲开地层破碎带； 改善钻井液性能，采取必要的措施，减小压力波动； 控制泥浆密度不超过1.15，当量循环密度不超过1.27； XJ24-3-A14井 井眼稳定问题

  40. 大位移井技术的新进展 韩志勇

  41. 一. 新纪录，新进展，新挑战 • 新记录： • 这是英国BP Amoco公司在英国Wytch Farm 油田打的一口大位移井，创造了新记录： • 水平位移世界第一，10728米； • 全井井深世界第二(世界最深油气井)，11278米； • 旋转导向钻井系统PowerDrive，8-1/2”钻头打到底。 • 钻井及固井，共123天。

  42. 一. 新纪录，新进展，新挑战 • 这是 1998年创记录的M11井。打了两个井眼：M-11Z,井深9688米，然后侧钻打了M-11Y,井深10658米，水平位移达10114米。 • 水平段的长度达到4900米以上。 • 9-1/2“套管下到8881米。

  43. 一. 新纪录，新进展，新挑战 • 新进展： • 1995-1997年水平位移由8035米增大到8062米； • 1997-1999年水平位移有8062米增大到10725米。 • 我国XJ24-3-A14井在1997年是第一，而1999年变成了第六。

  44. 一. 新纪录，新进展，新挑战

  45. 一. 新纪录，新进展，新挑战 • 新挑战：大位移；大平垂比；

  46. 一. 新纪录，新进展，新挑战 • 澳大利亚正在计划大15000米的水平位移井； • 英国正在计划大16000米的水平位移井。

  47. 二. 大位移井的轨迹控制技术 • 这是1999年大位移井国际研讨会的重点内容。轨迹控制新技术的出现，是带有标志性的成果。是钻井技术的具有划时代意义的重大进展。 • 斯仑贝谢(Schlumberger)的PowerDrive(旋转导向钻井系统) • 贝克休斯(Baker Hughes)的AUTO-TRACK (井下闭环自动跟踪控制系统) • 埃尼—阿吉普(ENI-Agip)和贝克休斯共同研究的SDD系统(垂直钻井装置)

  48. 二. 大位移井的轨迹控制技术PowerDrive • 旋转导向钻井系统的结构： • 偏置部分：在旋转过程中始终给钻头一个侧向力； • 控制部分：式中控制侧向力的方向； • 上面MWD部分：测量信息及传输； • 全部都旋转，偏置部分内有不转动的控制部分；

  49. 二. 大位移井的轨迹控制技术PowerDrive • 产生侧向力的原理

  50. 总运行情况： 井数：47 口； 下井次数：138次； 工作时间：11610小时； 总进尺：47780米； 最大井深：11278米； 最大井眼曲率：11°/ 30米； 最长一次进尺：1389米； 最长一次下井时间：163小时 基本数据： 长度：4.9米； 排量：500～1000gpm 转速：40～220rpm 压降：〈100psi 最小钻头压降：500psi 最高温度：120°C 泥浆密度：7.5～20ppg 数据传输：通过MWD 二. 大位移井的轨迹控制技术

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