水平井钻井完井设计技术

二○一一年十一月水平井钻井完井设计技术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。前言水平井属于定向井家族的分支，它的最基本特点是设计的井眼轨迹同油层的走向基本一致。其最大井斜度达到90°或水平段的井斜角达到85°以上。且在目的层内维持一定长度的水平的或近水平井段。前言水平井的分类前言类别造斜率（°/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水平井的分类水平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完井设计前言内容一、水平井轨道设计二、钻机选型三、井身结构设计四、钻具组合设计五、完井设计六、长水平段水平井钻井完井设计七、分支水平分支井设计水平井井身剖面设计是水平井钻井施工的首要环节，其轨道优化能有效地降低钻进过程中的摩阻扭矩、降低施工难度和提高中靶精度。它决定着水平井能否成功着陆、钻井难度大小、钻井速度快慢和钻井成本的高低。水平井轨道（剖面）设计水平井轨道设计水平井轨道设计前提：满足油藏、地质、采油工艺的需求。任务：确定剖面类型，优选造斜率、造斜点。目标：钻井施工安全、经济，整体开发方案合理对于水平井等复杂结构井确定轨道类型、靶前位移、水平段形状等是关键。井眼轨道优化设计水平井靶区的确定◆确定靶区的依据有五个方面:油藏的边界条件钻探目的地质勘探开发精度要求钻井能力和手段。◆水平井的靶区类型：圆柱靶：即沿水平设计井眼轴线半径为R的圆柱体。矩形靶：即纵向为±a米，横向为±b米的长方体。梯形靶：即纵向为±a米，A靶横向为±b、B靶横向±c米的空间几何柱状体。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计造斜点水平位移垂深靶前位移水平段水平井的靶：圆柱型矩形水平段设计水平段应尽可能多地钻开产层。水平段轨迹形状要有利于油藏开发和轨迹控制。水平段若需要绕障时，应根据摩阻力和管柱强度对三维轨迹进行全面校核。水平段应位于渗透率较高，含油饱和度高的构造位置。若油藏存在垂直裂缝，则水平井段应尽可能多地穿过垂直裂缝，以提高油井产量。水平段设计及优化水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计水平井目标深度不准确是水平井重钻重要因素。目标深度变浅，井斜角未达到进入水平段的要求，须填眼缩短稳斜段或增大井眼造斜率目标深度变深，井斜角达到进入水平段要求，井眼却未进入产层，须填眼增加稳斜段或降低造斜率重钻实钻中以海平面为基准标定目标深度，测量井口坐标时同时测量井口海拔高度地质设计时为更准确地使井眼水平段进入设计产层，地质部门一般应与钻井工程设计部门共同来完成目标设计。水平段方向、长度和深度一般由地质部门提供。工程设计时根据井口海拔高度和钻机补心到地面距离对目标深度进行校核。123水平井轨道设计深度目标的确定海平面地面转盘面目的层海拔地面转盘水平井钻井目标深度关系示意图水平井轨道（剖面）设计水平井轨道设计①为水平段平缓的剖面。这是一种最简单、最经济的一种剖面设计，这种剖面的水平井较容易完成。该剖面应用于各向同性的油藏以及解决气/水锥等问题。根据油藏特性的不同，从水平段的几何形状看，水平井剖面类型，可分为以下几类:水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计②波浪型井底的水平井。这种剖面应用于那些被不渗透性障碍隔开的几个单个油藏。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计③井底水平段上倾的水平井。这种水平井应用于解决气锥的问题。当油气界面下移，进入水平段远端时，这时可以将水平段远端封死，但整个井还能继续生产。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计④井底水平段下倾的水平井。这种水平井应用于解决水锥的问题。当油水界面上移，进入水平段远端时，这时，可以将水平段远端封死，但整个井还能继续生产。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计⑤阶梯状井底水平井。这种水平井同样应用于被不渗透性障碍分割的几个油层。这种水平井风险大，轨迹控制很难。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计⑥多分支的水平井。多分支短曲率水平井已得到广泛应用。多分支中、长曲率水平井的应用正在开始，随着作业费用的降低以及驱油面积的增加，多分支中、长半径水平井的应用将进一步推广。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计⑦复杂水平段剖面的水平井。这种剖面综合上述几种水平段剖面形式，它应用于那些水平段上油层地质结构变化很大的油藏的开发。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计轨道的选择是受井口位置、地质目标、目标数目、油层深度准确性、开发井网完善程度等因素的约束，因而水平井井身剖面选择并没有固定的模式，其设计原则是：要满足地质要求，尽可能多地钻遇油气层应保证钻进和起下钻摩阻扭矩尽可能小其形状有利于油藏开发和现场实际轨迹控制能保证设计套管安全顺利下入能克服油层深度预测和工具（含地层）造斜率的不确定问题等等水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计①根据地质提供的靶点三维坐标，计算水平段长度，水平段稳斜角，及方位角。②确定井身剖面类型。③确定水平井钻井方法及造斜率，选定合适的靶前位移。④利用计算软件，初步计算井身剖面分段数据。⑤对初定剖面进行摩阻、扭矩计算分析，通过调整设计参数，选取摩阻扭矩最小的剖面。⑥根据初定剖面的靶前位移及设计方位角，计算出井口坐标，并到现场落实。⑦根据复测井口坐标，对设计方位及剖面数据进行微调，完成剖面设计。基本数据计算井眼轨道优化设计水平井轨道设计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，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。水平井轨道（剖面）设计井眼轨道优化设计水平井轨道设计根据地质目标、油层情况、地质要求、靶前位移，选择三增、双增、单增等不同的剖面类型水平井轨道设计设计原则：选择切实可行的造斜率和水平段钻井方法。合适的靶前位移，确定井口坐标、造斜点，初步计算剖面参数。水平井轨道设计轨道类型的选择单增斜剖面示意图KADS2OR1BS1C从造斜点开始通过造斜使井眼在达到水平时直接进入目的层的设计方法。适合于靶前位移小、多层位、目标层较厚、造斜工具造斜能力比较稳定的水平井设计。缺点是无法适应地层变化，常常要先钻探油层井眼，探明目标层，再修正水平井剖面设计。或先根据设计钻井，发现目标层有变化时，回填井眼，根据变化情况修正井眼剖面，选择适当位置进行侧钻。水平井轨道设计轨道类型的选择双增斜剖面示意图KAFTSEHJO1O2R1R2CBIIhN国内外普遍使用的方法，适用于地层单一，地层和工具造斜率稳定的较大曲率的中半径水平井剖面设计。水平井轨道设计KAFSEHO1R1R2CBIhNO2O3R3具有两个稳斜井段的直－增－稳－增－稳（探油顶）－增（着陆段）－水平段三增剖面，设计造斜率6～10º/30m。优点：(1)第一稳斜段可解决上直段和第一次造斜后实际井眼轨迹与设计轨迹及井斜偏差问题，提高井眼轨迹控制精度；(2)第二稳斜井段(探油顶段)，可克服地质不确定因素，保证准确探知油顶位置，并为根据实际钻探情况对实钻轨迹进行修正和控制留有余地。探油顶段稳斜角一般选81º～85º，可在油层垂深有变化时需提前或延迟着陆时靶前水平位移不要变化太大，另一方面又可保证进入油层前迅速增斜至水平，保证水平井按地质要求精确着陆和沿油层水平钻进。（3）入窗油层为上倾方向，水平段井斜角大于90°时，控制井眼轨迹在A点前20～30m，垂深达到设计油顶位置，井斜达到85°～86°，进入油层。AB20~30m85°--86°油层为上倾方向水平井轨道（剖面）设计水平井轨道设计油层为下倾方向，水平段井斜角小于90°时，控制井眼轨迹在A点前40～50m，垂深达到设计油顶位置，井斜达到82°～84°，进入油层。AB40~50m82°--84°油层为下倾方向水平井轨道（剖面）设计水平井轨道设计内容一、水平井轨道设计二、钻机选型三、井身结构设计四、钻具组合设计五、完井设计六、长水平段水平井钻井完井设计七、分支水平分支井设计水平井钻井设备选择钻机选型依据钻井施工中的最大载荷，结合地质环境，钻井工艺、井口装置确定钻机类型。选用钻机需满足以下两个条件：（1+M）×最大钻柱重量﹤钻机最大钻柱重力；1.33×（1+M）×最大套管柱重量﹤钻机最大载荷。内容一、水平井轨道设计二、钻机选型三、井身结构设计四、钻具组合设计五、完井设计六、长水平段水平井钻井完井设计七、分支水平分支井设计胜利油田常规水平井钻井成本井身结构设计19%23%4%2%6%5%41%服务费用套管及附件钻具水泥及添加剂钻井液钻前工程费用钻机费用基本思路是平衡各种地层压力水平井井身结构设计孔隙压力坍塌压力漏失压力破裂压力BreakoutMW井身结构设计水平井井身结构设计井身结构设计孔隙压力坍塌压力裂纹漏失压力破裂压力BreakoutMW在目前工艺水平下始终保持井筒压力在坍塌压力与裂纹漏失压力之间。孔隙压力坍塌压力漏失压力破裂压力BreakoutMW在目前工艺水平下始终保持井筒压力在坍塌压力与漏失压力之间。水平井井身结构设计井身结构设计的基本依据地质数据工艺数据孔隙压力轨道数据漏失压力破裂压力抽吸压力系数激动压力系数破裂压力安全允许值压差卡钻允许值井涌允许值物性参数流体性质井身结构设计坍塌压力水平井井身结构设计井身结构设计特点：（1）裸露面积大。长水平段水平井激动压力因素。（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。水平井井身结构设计在井身结构设计时除满足常规井的需要外，还要考虑水平井的特点：（1）高压、大位移水平井要增加套管层次。（2）满足特殊打捞的要求。套铣筒外径（mm）套铣筒内径（mm）壁厚（mm）最小使用井眼（mm）最大套铣钻具（mm）203.2184.159.53215.9177.80206.38187.589.40219.08177.80219.08198.7610.16244.48177.80228.6207.0110.80250.83200.00244.48224.4110.04266.7215.90244.48220.511.99266.7212.73273.05252.7310.16298.45244.48273.05247.912.58298.45238.13套铣筒的选择水平井井身结构设计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。水平井井身结构设计常规水平井井身结构设计水平井井身结构设计长水平段水平井井身结构设计特殊因素（1）长水平段水平井激动压力因素。（2）钻压有效传递，管柱顺利下入。高平1井水平井段最长：3462.07m；井深：4535m;A点井深：1070.11m;水平位移352.06m;位垂比最大4.0198；水平段技术套管（Φ244.5mm）下深最长：724.3m。例非常规长水平段水平井井身结构设计要考虑完井工艺的需要。内容一、水平井轨道设计二、钻机选型三、井身结构设计四、钻具组合设计五、完井设计六、长水平段水平井钻井完井设计七、分支水平分支井设计要考虑的两大部分问题◆钻柱的设计目的是使水平井钻柱能够满足加压的要求，所受到的摩阻和扭矩最小，并