水平井钻井技术浅谈

[摘 要]近几年，水平井钻井技术在我油田得到了快速发展，施工技术逐步完善和成熟，已成为油田实现高效勘探开发的重要技术手段，特别是在薄油气藏和浅层油气藏开发方面取得了较好的经济效益，本文对水平井钻井技术从合作、试验探索、发展到逐步走向成熟的过程进行了分析浅谈，汲取施工过程中的经验与教训，从水平井的设计、现场轨迹控制、井下复杂情况的预防等方面进行总结，对水平井技术的进一步发展和完善提供有益的经验。

[关键词]水平井、MWD、LWD、轨迹控制、薄油气层、经验与教训

中图分类号：TE243 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0029-01

概述

水平井一般是指井斜大于85？且在产层内钻进一段“水平”井段的特殊形式的油气井，水平井技术于20世纪20年代提出，40年代付诸实施，80年代相继在美国、加拿大、法国等国家得到广泛工业化应用，并由此形成一股研究、应用水平井技术的高潮。如今，水平井钻井技术已日趋完善，由单个水平井向整体井组开发转变，并以此为基础发展了水平井各项配套技术，与欠平衡等钻井技术、多分支等完井技术相结合，形成了多样化的水平井技术。

一、水平井的关键技术

水平井的施工与常规定向井的施工有完全不同的特点，技术含量高，施工难度大，只有认识与掌握其特殊性才能够对症下药，保证水平井的安全快速钻井，水平井的关键技术有以下几方面：

1、剖面设计与井眼轨迹优化

井身剖面设计是否科学是水平井施工的关键点，水平井的剖面分为三种：长半径（造斜率小于6°/30m）、中半径（造斜率为6°～20°/30m）和短半径（造斜率大于30°/30m），我国油田大部分水平井为中半径水平井，利用定向软件模拟某一特定钻柱设计的扭矩和摩阻对比结果如下：短半径剖面中产生扭矩最低而摩阻最大，加剧钻杆和套管的磨损;中半径剖面产生的摩阻和扭矩适中;长半径剖面由于斜井段较长，会产生较大的下放载荷，即下滑的阻力较大，而且旋转扭矩也比较大，对钻柱强度的要求比较高。因此水平井剖面一般介于中长半径之间，用常规的弯壳动力钻具即能实现，扭矩和摩阻比较小，井下安全风险小;水平井剖面设计的原则一是工程上容易实现，用常规螺杆加无线随钻跟踪即可实施，井下不易产生键槽和磨损套管，轨迹控制难度小;二是剖面设计按悬链线设计，其拉力、扭矩、摩阻较小，有利于安全施工。

2、摩阻与扭矩

水平井大井斜井段较长，钻进时钻具基本上是躺在井眼的下井壁上，钻具的“重力效应”非常显著，致使钻具在上提下放和旋转时表现出较大的阻力和扭矩。影响阻力与扭矩的因素很多，诸如：井眼弯曲、钻柱结构、钻进参数、钻井液性能、地层、井眼稳定、岩屑床等等，在实际施工中主要采取选择最优的井身剖面（近悬链式剖面）、增强钻井液的悬浮、携带与性能等措施减小阻力与扭矩。

3、钻柱设计

水平井中钻柱设计应同时满足钻柱强度要求和井眼轨迹对钻柱的要求，并考虑简单实用的原则，尽量减少井下接头的数量，井斜越过45°以后使用无磁承压钻杆代替无磁钻铤，并进行钻具倒装，以地降低摩阻扭矩，保证钻具向前推进与钻进作业的进行，若水平段较长考虑选择使用高扭矩接头和加入减摩工具等来预防钻具事故。

4、井眼净化

在水平井中45°～60？的井段易形成岩屑床，严重影响钻进速度和井下安全，如何有效净化井眼关系到钻井作业能否安全顺利的进行，井眼净化主要采取以下措施：

1）、增大排量，保持环空适当的流速分布，最好使钻井液产生紊流。

2）、钻井液有较好的流变性能，有效地悬浮和携带岩屑。

3）、提高转速和采取倒划眼措施（需要顶驱配合）。

4）、起钻前充分循环钻井液（国外经验：循环4周）。

5）、进行短程起下钻与分段接力循环。

6）、固相控制，用发四级固控。

5、套管问题

水平井下套管必须考虑三个主要条件：设备能下入的最大重量，下入重量的摩阻损失和下入重量的机械损失。机械损失是指由井下岩屑、坍塌、台阶、压差、卡钻、扶正器嵌入地层等引起的重力损失，也能减少套管的下入量，因而，在位移较大的水平井下套管中应多方考虑减小下套管的阻力的措施。

二、水平井发展状况

（一）、试验与探索阶段（2000年以前）

1996年以前的定向井技术服务现场施工基本上照相式单多点、弯接头加直螺杆、计算器现场计算、手工坐标纸绘图施工，所有螺杆钻具一般是单头或双头的高转速螺杆，钻头常是滚动轴承的钢齿钻头，施工效率较低，施工的井一般都是井斜小于30°的常规定向井。先进的工具仪器是高难度定向井与水平施工的保证，必须有可靠的工具仪器才能保证大难度井安全高效施工。96年以后定向井工具仪器均取得了较大的进步，使定向井施工技术快速提升，逐步施工了多目标井、大斜度井和水平井。

（二）、水平井技术的发展阶段（2001年～2007年）

2000年以后定向井仪器设备与软件进步较快，为水平井技术发展和进一步推广应用提供了有力的保障。从2006年根据东部的地层特点开始使用聚合物混油乳化钻井液体系，该体系的流变性及防塌性能得到显著改善，由过去的高动塑比、高粘切，逐步使钻井液性能常规化。

（三）、完善与成熟阶段-水平井安全钻井技术（2007年以后）

目前水平井的施工由非常态走向常态，施工技术逐步提高和完善，水平井施工速度不断提高。

1、优化井身剖面设计，做好安全施工

水平井施工要严格按照设计好的井身剖面来控制井眼轨迹，关键点是造斜率的大小，在钻进中对井斜和方位采用勤调和微调的方式保证实钻轨迹在设计轨迹的附近，平滑井眼轨迹，所有施工的水平井没有出现井下故障，为安全钻井奠定了较好的基础，

2、优选钻井液体系

水平井对钻井液的要求更加严格，施工中必须保证其有良好的性、携带性、流变性和井壁稳定性，针对河南油田的地层特点，结合近几年的大斜度井、水平井施工经验和大量室内实验，确定了在直井段使用膨润土聚合物钻井液体系，斜井段和水平段使用聚合物乳化混油防塌钻井液体系。利用聚合物钻井液良好的流变性、较强的抑制性和性，满足井壁稳定和井眼净化的要求。同时在聚合物防塌钻井液中加入高分子量聚合物，进一步提高体系的抑制性和悬浮携带能力，近两年所施工的水平井完井电测工作都比较顺利。

3、井眼净化与固相控制措施：

因在大斜度井段有岩屑床存在，因此井眼净化是水平井安全施工的关键，在没有特殊的工具仪器分析判定井眼清洁情况时可以根据钻井中地面岩屑的反出量、旋转扭矩与上提下放摩阻的大小来判定眼的净化程度，若发现钻进中返出岩屑量小或间歇性返砂，旋转负荷重，上提下放摩阻大和钻速变慢，表明目前井下存在岩屑床，必须采取特殊的处理措施。

4、优化钻具结构和加强钻具管理

在井斜大于30°后不再使用钻铤加压，全部改用加重钻杆和用无磁承压钻杆代替无磁钻铤，并对钻具进行倒装;同时每次起下钻要进行错扣起钻和钻具的倒换，发现钻杆弯曲和接头处磨损超标或偏磨的一律更换;接头使用超过300小时要及时进行更新;通过以上措施使钻具的安全性大为提高。

三、认识与体会

推广应用水平井钻井技术具有较高的经济效益和社会效益，但水平井的技术要求更高，施工难度更大，它是一项技术严密的系统工程，涉及优良的设备、地层特性研究、井口位置优选、合理的井身结构、井身剖面优化、井眼轨迹控制、严密的生产组织与技术管理、安全钻井技术、现场工程和地质人员的团结合作、套管结构及完井方法等，无论哪一个环节出问题都会导致井下复杂情况的发生，因而，对水平井施工的每一个环节必须严把质量关，确保水平井的最终安全顺利完成。