水平井钻井技术

水平井是最大井斜角保持在90°左右，并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。水平井钻井技术是常规定向井钻井技术的延伸和发展。水平井钻井技术第一节水平井的分类及特点目前，水平井已形成3种基本类型，如图示。第一节水平井的分类及特点3．各类水平井的特点长半径水平井：设备、工具，钻井、固井、完井与常规定向井相同，难度增大。使用导向钻井系统，可较好地控制井眼轨迹，提高钻速。主要缺点是摩阻力大，起下管柱难度大。此类水平井的数量将越来越少。中半径水平井：用弯外壳动力钻具增斜，必要时使用导向钻井系统控制井眼轨迹。固井完井方法可与常规定向井相同，难度更大。由于中半径水平井摩阻力小，所以目前在已钻水平井中，中半径水平井数量最多。第一节水平井的分类及特点3．各类水平井的特点短半径水平井：主要用于老井侧钻，死井复活，提高采收率。少数也有打新井的。需用特殊的造斜工具。完井的困难较大，只能裸眼或下割缝筛管。中靶精度高，增产效益显著，此类水平井将越来越多。超短半径水平井：仅用于老井复活。在同一井深处钻出多个(一般为4～12个水平井眼。井增产效果很显著，地面设备简单，钻速也快，很有发展前途。但需要特殊的井下工具、钻进工艺和完井工艺。第二节水平井的经济效益与应用前景1、水平井的突出特点是井眼穿过油层的长度长，所以油井的单井产量高。2、水平井的应用（1）天然垂直裂缝（2）水锥和气锥（3）低渗透地层（4）薄油层（5）溶解采矿（6）重油产层第二节水平井的经济效益与应用前景（7）不规则地层：油层互不关联、位置难以确定、垂直井难以钻到。第二节水平井的经济效益与应用前景（8）扩大边界控制面积（9）层状油层第三节国内外水平井发展概况和技术现状一、国外水平井的发展概况和技术现状20世纪50年代，老井侧钻短半径泄油孔，水平进尺短。前苏联使用涡轮钻具钻成长半径水平井，其水平段长达1600ft。20世纪50~70年代水平井技术发展缓慢。主要原因：技术落后，事故与成本高，原油价格低。20世纪70年代后期，水平井技术得到重视，原油价格的上涨，开发低压、低渗、薄油藏、稠油油藏，发展了长半径、中半径水平井钻井技术。20世纪80年代，随着被誉为国际钻井3大新技术的MWD、PDC钻头和高效导向螺杆钻具的应用，促进了水平井技术的进步，水平井数量成倍增加，中半径水平井占据优势。第三节国内外水平井发展概况和技术现状20世纪90年代以来，水平井技术飞速发展。1990～1995年的6年中，世界上共钻成水平井12590口，其中，中半径、长半径和短半径水平井各占总数70~80％，10~25％和5~10％。第三节国内外水平井发展概况和技术现状二、国内水平井的发展概况和技术现状我国是第3个钻水平井的国家。1965~1966年在四川钻成2口水平井，测深达1685m，垂深1368m，水平段长160m。产量为邻近直井的10倍。20世纪70~80年代水平井技术处于停顿状态，关注着国外水平井技术的发展动向。90~94年“石油水平井钻井成套技术”被列入国家“八五”重大科技攻关项目，有6个油田和5所院校的762名科技人员参加攻关。第三节国内外水平井发展概况和技术现状（1）钻成长、中、短半径水平井50余口。有稠油热采井，多目标水平井，老井侧钻水平井，丛式水平井，套管固井射孔完井、砾石充填完井、割缝筛管完井、金属棉筛管完井、割缝尾管加管外封隔器完井、仅用油层套管完井、裸眼完井等；（2）水平井优化设计，水平井井眼轨道控制，水平井钻井液与完井液，水平井完井与固井射孔技术，水平井电测技术与水平井取心技术等方面，取得16项重大技术成果；（3）建成5个实验室和11套实验装置，研制新型仪器18台套，编制各种计算机软件53套，制定行业标准14项，获国家专利8项，推广新工艺、新技术12项。第三节国内外水平井发展概况和技术现状至1999年8月，我国累计完成水平井293口，并呈现快速发展的良好势头。262850680102030405060702000年2001年2002年2003年水平井钻井数量第三节国内外水平井发展概况和技术现状三、水平井钻井的难度所在1、水平井的轨迹控制要求高，难度大水平井的目标是一扁平的立方体，不仅要求井眼准确进入窗口，而且要求井眼方位与靶区轴线一致，俗称“矢量中靶”。“两个不确定性因素”：一是目标垂深预测有一定的误差；二是造斜工具的造斜率的不确定性。对直井和普通定向井不会有很大的影响，但水平井可能导致脱靶。第三节国内外水平井发展概况和技术现状三、水平井钻井的难度所在2、管柱受力复杂（1）井斜角大，井眼曲率大，管柱在井内运动将受到巨大的摩阻，起下钻困难，下套管困难，钻头加压困难。（2）水平井段使用“倒装钻具”，下部钻杆受压，压力过大导致失稳弯曲，摩阻更大。（3）摩擦阻力、摩擦扭矩和弯曲应力将显著增大，钻柱受力、强度设计与校核更为复杂。（4）弯曲应力大，旋转条件下应力交变，加剧钻柱的疲劳破坏。要求精心设计钻柱。第三节国内外水平井发展概况和技术现状三、水平井钻井的难度所在3、钻井液密度选择范围变小，容易出现井漏和井塌（1）在原地应力的三个主应力中，随着井斜角的增大，地层破裂压力减小，坍塌压力将增大。（2）水平井段，地层破裂压力不变，而随着水平井段的增长，钻井液激动压力和抽吸压力将增大，也将导致井漏和井塌。要求精心设计井身结构和钻井液参数，并减小起下管柱时的压力波动。第三节国内外水平井发展概况和技术现状三、水平井钻井的难度所在4、岩屑携带困难容易形成“岩屑床”。特别是在井斜角为45º～60º的井段，“岩屑床”沿井壁下侧下滑，形成堆积，堵塞井眼。要求精心设计钻井液参数和水力参数。5、完井电测困难仪器不可能依靠自重滑到井底。钻进中用钻柱送入仪器。射孔测试用油管送入，完井电测是裸眼，仪器难以送入。目前解决此问题的方法是利用钻柱送入，但仍不甚理想。第二章水平井设计基础与井眼轨道控制问题的性质第一节水平井设计中的几个问题水平井设计的目的:主要是解决地下油藏的效益和产量。问题的性质从钻井工程技术扩展到地质与油藏工程方面。水平井的设计思路和基本方法是：目的层油藏地质设计—产量预测一完井方法选择一水平段设计一目的层以上的剖面设计一套管程序设计—井下工具、测量方法选择一水力参数设计与地面设备选择一经济评价。第一节水平井设计中的几个问题水平井设计的目的:主要是解决油藏的效益和产量。问题的性质从钻井工程技术扩展到油藏工程方面。不同性质的油气藏，水平井增产效果不同。设计的关键是要选择合适的油藏。因此，要进行综合的油藏描述，优化水平井的井位。水平井的设计思路和基本方法是：目的层油藏地质设计—产量预测一完井方法选择一水平段设计一目的层以上的剖面设计一套管程序设计—井下工具、测量方法选择一水力参数设计与地面设备选择一经济评价。一、油藏描述与精细地质设计1、对油藏进行综合的精细描述，建立水平井目的层地质模型（以大庆油田低压低渗薄砂岩油藏为例，工作的内容和要求主要是：）（1）目的层砂体预测。以地震资料建立砂体模型，预测砂体分布及砂体的增厚方向和延伸方向；定量确定目的层砂岩分布和孔隙度分布等。（2）油层顶部预测。利用油田开发资料，研究目的层顶面位置与形态。（3）裂缝发育特征描述。观察岩心及其他多种方法，确定天然裂缝的基本特征、分布规律和方向性，以及人工裂缝的方向等。（4）描述储层内部物性夹层的分布特征。一、油藏描述与精细地质设计2、应用油藏数值模拟技术，优化设计水平井井位参数（1）确定水平井井位布置原则水平井必须与已钻的开发井或探井井位相协调，应从油藏整体上进行部署，而不要局限于单口井的概念设计。（2）确定水平段长度和井眼直径的设计原则理论上，水平段越长，井眼直径越大，水平井的采油指数（PI）就越大，产量就越高。井眼直径选择：要综合考虑水平段的完井设计、全井的套管程序以及钻机能力等因素。水平段长度选择：综合考虑目的层模型、泄油半径、油藏开发设计要求、钻井和完井的工艺、钻井成本等因素。一、油藏描述与精细地质设计2、应用油藏数值模拟技术，优化设计水平井井位参数一、油藏描述与精细地质设计2、应用油藏数值模拟技术，优化设计水平井井位参数（3）水平段方向确定水平段方向确定的基本原则：获得最大的产能。对于靠天然能量开采的油藏，水平段方向最好与天然裂缝方向垂直，尽量多地穿透裂缝；对注水开发的低渗透砂岩油藏，应综合考虑砂岩形态、天然裂缝方向、人工裂缝方向等确定水平段方向。第一节水平井设计中的几个问题二、水平井完井方法的选择水平井完井可分为如下4种基本方法：(1)裸眼完井。(2)筛孔/割缝衬管完井。(3)筛孔／割缝衬管带管外封隔器完井。(4)衬(套)管注水泥固井射孔完井。二、水平井完井方法的选择1、裸眼完井法优点：费用低；无产量损失；缺点：井眼容易堵塞；生产控制性差；修井作业困难。2、筛孔剧缝衬管完井法优点：油层与井眼间的通道比较可靠；部分控制出砂，在松软地层常用绕丝筛管、砾石充填筛管控制出砂。缺点：不能控制生产；不能进行生产测井3、筛管／割缝衬管带管外封隔器完井法优点：分层隔离，隔绝水层和气层，选择性的增产作业。缺点：封隔器与割缝管在裸眼中，很难保证密封效果。4、衬(套)管注水泥固井射孔完井法优点：有效封隔油层、水层、气层；准确生产测井；选择性的增产作业或选择性生产。缺点：费用高，水平井固井质量也较难保证。第一节水平井设计中的几个问题三、水平井靶区参数设计水平井的靶区：一般是一个包含水平段的长方体或拟柱体。靶区参数：主要包括水平井段井径、方位、长度，水平段井斜角、水平段的垂向位置，水平井靶区形状尺寸及允许偏差范围。三、水平井靶区参数设计1、水平段长度设计设计方法：根据油井产量要求，计算最佳水平段长度，综合考虑钻柱摩阻、钻机能力、井眼稳定周期等因素的限制。2、水平段井斜角确定水平段井斜角应综合考虑地层倾角、地层走向、油层厚度等因素。我国的石油水平井段的井斜角一般是不小于86º。在通常情况下，水平段与油层面平行，其井斜角为：90H90H三、水平井靶区参数设计1、水平段长度设计设计方法：根据油井产量要求，计算最佳水平段长度，综合考虑钻柱摩阻、钻机能力、井眼稳定等因素。2、水平段井斜角确定水平段井斜角应综合考虑地层倾角、地层走向、油层厚度等因素。我国石油水平井段的井斜角一般不小于86º。3、水平井的垂向位置由油藏性质决定水平段的设计位置。无底水、无气顶油藏，水平段宜于油层中部;有底水或气顶油藏，水平段应尽量远离油、气、水界面；重油油藏，水平段应在油层下部，使密度较大的稠油借助重力流入井眼。90H三、水平井靶区参数设计4、水平井靶体设计水平井靶体设计实质：确定水平段位置的允许偏差范围，允许偏差限制过严会加大井眼控制难度与钻井成本。靶体垂向允许偏差必须等于或小于油层厚度。靶体上下边界对称于水平段设计位置，但也可以不对称。靶体横向允许偏差一般是垂向允许偏差的几倍(多为5倍)加大靶窗宽度，有利于降低着陆控制难度。减少水平钻进时纠方位的麻烦。90H第一节水平井设计中的几个问题四、水平井剖面设计剖面设计一般是二维设计，即把井身轨道设计成通过水平段的铅垂平面内的曲线或曲线、直线段组合。常用的井身剖面：理论上，水平井的井身剖面可根据实际需要设计成多种不同类型。但实际上应用最多、最有代表性的有3种单弧剖面、双弧剖面、三弧剖面90H四、水平井剖面设计（1）单弧剖面又称“直—增—水平”剖面，由直井段、增斜段和水平段组成。突出特点是用一种造斜率使井身由0º增至最大井斜角αH。这种剖面适用于目的层顶界与工具造斜率都十分确定条件下的水平井剖面设计。常用于短半径水平井。90H四、水平井剖面设计（2）双弧剖面又称“直—增—稳—增—水平”剖面，特点是在两段增斜段之间设计了一段稳斜段，以调整工具造斜率的误差造成的轨道偏离。这种剖面适用于顶界确定而工具造斜率尚不十分确定的情况，是中、长半径水平井比较普遍采用的一种剖面设计。90H四、水平井剖面设计（3）三弧剖面“直—增—稳—增—稳—增—水平”剖面，特点是在增斜段之间设计了两个稳斜段，