钻井工程设计的主要内容与方法(中)

内容1、钻机选型四、钻井设计的主要内容和方法2、井身结构设计3、复杂结构井设计4、钻井液油气层保护设计5、固井设计6、井控设计在多年的石油开发实践中，人们一直在探秘高效开发油气藏的有效途径。于是，定向井、水平井、分支井等复杂结构井及旋转导向、地质导向等先进钻井技术相继得到开发应用，并在生产实践中发挥了巨大的作用，为进一步丰富油气藏开发手段、提高油气藏开发利用率和采收率创造了条件。复杂结构井设计技术复杂结构井设计技术66%5%26%4%2%32%0%10%20%30%40%50%60%70%直井重入井水平井分支井大位移井异常复杂井占调查公司总井数的百分比全年油田内共完成各类钻井工程设计1955口，其中水平井设计433口。复杂结构井设计技术2010年钻井设计情况定向井、水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井的设计除涵盖直井设计的主要内容外，还要进行以下专项设计地下和地面油气的通道轨道优化设计实现轨道的相关工艺设计完井设计复杂结构井设计技术水平井通过扩大油气层泄油面积提高油气井产量，已经在国内各油田得到了广泛应用。水平井设计是水平井钻井成套技术中的首要环节，对钻井和开发都具有重要意义。水平井钻井工程设计包括完井方式选择、水平井井眼轨道的剖面设计等。根据地质油藏勘探开发的需要，开展完成了以轨道、井身结构优化为核心的钻井工程设计方法研究，通过钻井实践不断完善，形成了一系列的具有明显特色的水平井钻井工程设计技术，为保证油田的勘探、开发做出了积极的贡献。复杂结构井设计技术-水平井复杂结构井设计技术-水平井类别造斜率（°/30m）井眼曲率半径（m）水平段长度（m）长半径2～6860～280300～1700中半径6～20280～85200～1000中短半径20～8085～20200～500短半径30～15060～10100～300超短半径特殊转向器0.330～60水平井的分类7479813162230515963738474821954304330501001502002503003504004501991年1993年1995年1997年1999年2001年2003年2005年2007年2009•水平井钻井技术•1991年开始进行水平井钻井研究试验，“八五”期间形成了配套技术。•经过“八五”攻关、“九五”攻关与推广，胜利油田完成了十六种类型的水平井钻井设计与施工技术，技术水平保持了国内优势地位。•进入“十五”以后，水平井钻井技术得到了进一步发展，重点突出了深层水平井、薄油层水平井、大位移水平井、多井联合开发水平井等方面的关键技术，取得了重大进展。复杂结构井设计技术-水平井•水平井钻井技术•1991年开始进行水平井钻井研究试验，“八五”期间形成了配套技术。•经过“八五”攻关、“九五”攻关与推广，胜利油田完成了十六种类型的水平井钻井设计与施工技术，技术水平保持了国内优势地位。•进入“十五”以后，水平井钻井技术得到了进一步发展，重点突出了深层水平井、薄油层水平井、大位移水平井、多井联合开发水平井等方面的关键技术，取得了重大进展。“八五”攻关试验钻井：32口“九五”快速发展钻井：132口“十五”扩大应用钻井：339口快速发展阶段(1996～2000年）技术特点：多为中半径水平井，进行了套管开窗侧钻中半径、短半径水平井的技术攻关，扩大了长裸眼应用范围，钻具组合普遍采用了弯螺杆动力钻具并得到了优化，水平井的应用范围也不断扩大，先后成功用于砂泥岩油气藏、灰岩油气藏、高压低渗油气藏、稠油油气藏的等特殊油气藏的开发。钻井132口。开展了套管开窗侧钻短半径水平井技术研究，完成了国家“九五”科研攻关项目－Φ139.7mm套管内侧钻短半径水平井钻井技术研究，并形成了配套技术。“九五”期间在胜利油田内部共完成侧钻水平井12口，其中10口为短半径水平井。长半径：R285mK6°/30m中半径：R285~86mK6~20°/30m短半径：R57~12mK1~5°/m复杂结构井设计技术-水平井扩大应用阶段(2000～2005年）技术特点：全面推广应用地质导向钻井技术，根据地质导向工具提供的实时井下地质信息和定向数据，辨明所钻遇的地质环境并预报将要钻遇的地下情况，引导钻头进入油层并将井眼保持在产层中。地质导向钻井技术以随钻测量多种井底信息为前提，以油气目的层为最终控制目标，体现了现代钻井技术与测井、油藏工程技术的相融合。钻井339口。复杂结构井设计技术-水平井创新应用阶段(2006年～）创新完成了具有自主知识产权的鱼骨状分支水平井钻井完井技术。复杂结构井设计技术-水平井创新应用阶段(2006年～）复杂结构井设计技术-水平井由单一的固井射孔完井方式发展了筛管完井、分段完井、顶部注水泥等适应不同油藏类型特点的配套完井工艺。常规固井89%筛管11%常规固井筛管常规固井4%筛管96%常规固井筛管十一五十五复杂结构井设计技术-水平井通过配套工艺技术的优化，套管程序一般都采取了与普通直井相似的长裸眼井身结构，从而降低了钻井周期和钻井综合成本，为大规模推广应用奠定了基础。建立了一整套符合不同地区、不同类别水平井的工程设计方法和工作网络，用最优控制理论完成了水平井优化设计方法的研究和优化设计软件的编制的同时，引进了国际上通用的钻井设计软件。能够对各类水平井进行优化设计，实现了钻井设计工作的规范化、标准化。复杂结构井设计技术-水平井复杂结构井设计技术-水平井井身结构设计特点：（1）裸露面积大。（2）水平井段为储层，油气侵入到井筒难以发现。增加了井控的风险。（3）钻具或套管靠近下井壁，易发生卡钻。（4）水平井摩阻、扭矩大，由此易诱发相关的复杂情况。复杂结构井设计技术-水平井轨道设计（1）对于普通水平井采用单段圆弧或两段圆弧，两段圆弧剖面的斜井段造斜率采用先高后低的方法，既满足了LWD仪器钻水平井的使用条件，又有利于A点找油，同时缩短靶前位移和造斜井段长度，改善了水平井斜井段的井眼形状，呈现圆弧光滑井眼，减少了钻具摩阻、扭矩。（2）考虑区域地层特点，结合工艺设备技术条件，以安全、快速钻井为目标，优化靶前距。（3）对于大位移水平井利用准悬链线剖面设计类型,配合减阻减扭技术，成功的解决了大位移钻井钻压传递困难的问题。复杂结构井设计技术-水平井So=R1×（1－cosαmax）+L稳×sinαmaxR1为曲率半径R1=100×57.3/KK为造斜率轨道设计考虑的因素（1）地层造斜率（垦东地区疏松砂岩），储层特性（是否有底水）。（2）工具仪器（FEWD外径尺寸194mm）。（3）完井方式。（4）入靶优化设计留有余地。复杂结构井设计技术-水平井优化钻具组合及钻井参数设计（1）倒装钻具组合。（2）改进马达本体稳定器结构。（3）缩短马达弯点到钻头的距离。（4）高效PDC钻头+动力钻具的钻具组合，满足导向钻井要求，钻具优化组合。（5）优化钻进参数，强化技术措施。马达弯点无磁钻铤（MWD）钻杆加重钻杆复杂结构井设计技术-水平井几何导向：由井下随钻测量工具测量的几何参数：井斜、方位和工具面的数值传给控制系统，由控制系统及时纠正和控制井眼轨迹。地质导向:使用随钻测量数据和随钻地层评价测井数据，以人机对话方式来控制井眼轨迹的技术。地质导向钻井让目标不再固定不变，而是根据油层的位置随时调整，并根据预测确定的固定“几何靶”变成了实际的不确定“移动靶”；同时，部分测井项目，也由原来的完井后进行，变为随钻随测，在钻进中进行。复杂结构井设计技术-水平井国外常用配置双参数LWD地质导向：在拥有几何导向能力的同时，又能根据随钻测井（lwd）测得地质参数，实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置前进。公司名称地质导向随钻测量参数Schlumberger电阻率（补偿双深度、近钻头电阻率、阵列、成像）、密度中子（补偿密度中子、方位密度中子）、随钻声波、地震、核磁共振Halliburton多深度电磁波电阻率、方位伽马、稳定岩性密度、补偿中子孔隙度、补偿热中子、随钻声波、近钻头井斜、随钻压力测试Baker-Hughes方位伽马、多深度电阻率、岩性密度、补偿中子孔隙度、随钻声波、随钻压力测试复杂结构井设计技术-水平井优化测量设计方案：先使用MWD无线随钻，后使用LWD无线随钻，即在井斜40--50°时之前用MWD，在井斜40--50°以上斜井段—水平段直到完钻，全部采用LWD。解决的问题:（1）、根据施工需要，采用不同的仪器组合来完成水平井的施工。（2）、在钻进施工的同时，完成随钻测井施工。（3）、提供实时地质参数，进行地层评价。（4）、进行地层预测。（5）、回避钻探风险，提高了水平井施工的成功率。（6）、与钻时录井、气测录井、岩屑录井共同使用，达到综合分析地层，卡准标志层，准确找油，减少水平井施工工序。复杂结构井设计技术-水平井日期FEWD施工井占全部水平井的比例A点无油回填重新施工井占水平井的比例应用情况20003.9%11.1%试验FEWD，主要施工大位移井200113.6%12.5%推广口口水平井用无线随钻FEWD仅用于薄油层开发200216.1%7.3%（1）全部无线随钻，FEWD扩展到常规水平井。（2）FEWD调整轨迹到最佳位置，FEWD占施工井的60%。200347.8%3.6%（1）推广口口水平井用FEWD。（2）用FEWD找油井占用FEWD施工水平井的65.6%。200477.4%0（1）口口水平井使用FEWD（2）用FEWD找油井占用FEWD施工水平井的69.2%。2005以后100%0调整轨迹到油层最佳位置，LWD指导施工，依据油层地层情况作完钻措施减少地质不确定性对钻井施工的影响，提高了钻井速度。复杂结构井设计技术-水平井从根本上解决地质不确定性带来的误差，最大程度地钻穿储层地质导向：以设计轨道和靶点为参考；以井眼地质参数为控制参数；以钻穿油气层为目标。从根本上解决地质不确定性带来的误差，最大程度地钻穿储层地质导向：以设计轨道和靶点为参考；以井眼地质参数为控制参数；以钻穿油气层为目标。复杂结构井设计技术-水平井31.126.119.714.916.918.515.113.915.217.819.30.05.010.015.020.025.030.035.019982000200220042006200820102012天年复杂结构井设计技术-水平井埕北21-平1井深4833.08m垂深2634.00m水平位移3161.34m胜利油田有400多公里的滩海地区，这些地区钻井船难以到达，建人工平台费用昂贵，利用大位移井或丛式井开发，可以在节约大量费用的基础上，开发这些地区的油气藏。垦东405-平1井深2985.30m垂深1181.00m水平位移2184.2m位垂比：1：1.85复杂结构井设计技术-水平井实践证明摩阻系数与设计吻合程度较好。采用了由动力钻具、测量仪器、加重钻杆组成的简化的下部钻具组合，MWD与FEWD随钻仪器组合，润滑防塌钻井液体系，套管防磨技术，滚动型套管扶正器等先进适用技术，保证了施工的安全顺利。0100200300400500600起钻摩阻（kN）旋转摩扭（kNm/10）滑动摩阻（kN）井眼长度（10m）悬链线修正悬链线准悬链线双圆弧单圆弧双圆弧在轨道设计时，根据现有的设备工具条件,对各种剖面类型的轨道进行摩阻扭矩计算,经优化论证采用修正准悬链线剖面。复杂结构井设计技术-水平井复杂结构井设计技术-水平井主要应用方向：低渗油气藏开发—增大油气泄流面积天然气田开发—增加缝洞钻遇率特殊油气藏勘探开发—钻探垂向多层油藏、海油陆采等长水平段水平井能够增加油气藏裸露面积、连通各种小型圈闭、增加缝洞钻遇率、钻探垂向多层系，改善油气田勘探开发效果，提高油气采收率。长水平段水平井优化设计技术复杂结构井设计技术-水平井井眼轨道优化设计原则：具有工程可操作性，即有利于钻井施工、轨迹控制、井下安全和轨道的实现。摩阻和扭矩最小，这是大位移延伸井的最关键的问题，是影响井底位移进一步延伸和井下安全的关键所在。长水平段水平井钻井主要解决的关键问题有2个：一是常规钻井过程钻压有效传递，