定向井水平井复杂情况及事故预防处理.docx

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定向井水平井复杂情况及事故预防处理

定向井、水平井复杂情况及事故预防处理

第一节定向井（水平井）特点

一、由垂直井眼变成倾斜（水平）井眼带来的特性

1、钻具贴井壁，受力状况发生变化

从造斜段开始，钻具受力状况相对直井发生了根本的变化。

1造斜段：

由于斜井段钻具的斜向拉力造成此处钻具被＂拉向＂上井壁。

造斜点较高的井可明显在井口出现钻具向定向方向的＂偏移＂。

随着井深增加，造斜点以下钻具重量随着造斜率的增大，在造斜段出现的侧向力F侧随之增大、起下的摩阻增大，随着时间的延长，起下钻和转动在此处形成键槽。

图１

2

斜井段：

由于钻具自重，钻具＂躺在＂下井壁，对井壁侧压力的增大，带来磨阻（起下）和扭矩的增大（旋转）。

　　　　　　图２

3钻头的受力变化出现侧向分力，当使用增斜钻具结构时，由于近钻头扶正器的＂支点＂作用而产生向高边的侧向力；使用降斜组合时，由于＂钟摆力＂作用而向低边产生侧向力；由于下部钻具结构和钻头重力作用，始终产生＂降斜趋势，需用刚性组合来保持井斜的稳定或大于此趋势产生增斜力。

2、偏心环空和岩屑床

国外专家和＂七五＂攻关项目中刘希圣教授等专家研究表明，由于斜井钻具偏向下井壁而形成了＂偏心环空＂，岩屑的沉降，运移与直井相比发生了根本的变化，岩屑出现向井壁径向沉降的趋势，由于偏心环空流速的不均匀，在下井壁形成岩屑床，在一定条件下还会发生岩屑床的滑移、堆积。

给大斜度、水平井施工带来威胁，如何正确认识此特点和采取相应的措施是定向井，尤其是大斜度井、水平井成功与否的关键。

　　　　　　图５

研究的主要结论有：

①偏心环空场中，大环隙处流速大，小环隙处流速小，促使岩屑床的

产生。

②岩屑床厚度随流速的减少和井眼斜度的增加而增加，但倾角大于一

定值后，其岩屑床厚度基本保持不变。

③环空岩屑浓度在临界角（30°≤θ≤60°）范围内最大。

环空岩屑

浓度随流速的增加而降低。

注：

对临界角的界限，有人认为35°～70°，但总的范围是相近的。

③当井眼倾角处于临界倾角范围内时，由于岩屑床的形成及滑移，岩

屑势必下滑堆积。

容易造成钻具的阻卡。

④各倾角都存在一个＂临界流速＂。

当环空流速大于该临界流速时，

理论认为不会产生岩屑床。

⑤流体粘度升高导致岩屑床厚度降低，岩屑浓度降低，提高了岩屑输

送效果。

下面就斜井几种状态下的井屑运动方式做一分析：

以临界角为界把斜井分为三种类型：

第一种：

小于临界角的范围（＜30°），只有垂直沉降，而无径向沉

降。

vs为垂直沉降速度，vsr为径向沉降速度，vsa为轴向沉降速度。

Vs

　　　　　图６－１

Vs≈0Vsa≈Vs

θ升高则Vsa越大，该范围最易形成岩屑床，越接近上界越易产生岩屑床下滑堆集，是大斜度井、水平井施工中主要清除岩屑床的井段。

该种情况可近似为直井状态，不易形成岩屑床。

VsrθVsa

Vs

第二种：

临界范围内（＞30°，＞60°）

VsrθVsa

Vs

　　　　　　图６－２

Vsa=Vs*COSθ、Vsr≈Vs*SINθ

θ升高则Vsa越大，该范围最易形成岩屑床，越接近上界越易产生岩屑床下滑堆集，是大斜度井、水平井施工中主要清除岩屑床的井段。

第三种：

大于临界角（α〉60°或有的认为α〉65°）

Vs

　　　　　　　　图６－３

Vsa≈0、Vsr≈Vs

该情况可近似视为水平井段的状况，岩屑床受洗井液的冲刷厚度不再增加，也不产生滑移，聚集，此井段的岩屑往往被洗井液带到临界角附近聚集（60°~70°范围）。

大斜度井和水平井的实践证实了以上理论是正确的，解决的办法是：

①一般的定向井井斜角度尽量选择在30°~35°，不易形成岩屑床，施工较安全。

②对已经形成岩屑床的井或大井斜角度的井采用以下三种方法减少岩屑床厚度，清洁井眼、保证施工安全。

A、在条件允许的情况下，尽可能提高循环排量，使其接近临界返速而消弱岩屑床，但要注意防止井径扩大。

B、提高泥浆的屈服值（YP），增强携岩能力，减缓岩屑的径向沉积，也是减少岩屑床厚度的有效办法。

C、由于以上两种办法的限制，最有效的办法则是利用机械办法除砂：

有顶部驱动手段的可利用边起钻边转动钻具的办法搅动岩屑床。

同时循环泥浆，清除岩屑床；在没有顶部驱动条件的施工中，则采用定时定井段的短起下钻手段，起一段，循环一段的办法清除大斜度井段（或水平段）的岩屑床。

随着井斜的增大，大斜度井段的增长，短起下的时间间隙缩短。

现在施工中，可从振动筛返出岩屑量的减少和扭矩、摩阻的增加来判断，是否需要短起下。

3、被钻开的岩层受力状况发生变化：

在地层倾角较小的直井，被钻开的岩层层面与井眼轴线是垂直的。

由于岩层纵向的压实程度较高，钻开的井眼部分相对较稳定。

随着井斜角的增大，岩层层面与井眼轴线夹角变小，不稳定岩层（如易吸水膨胀的泥岩层）暴露面积增大，受垂直压力影响，容易吸水膨胀，剥蚀掉块，造成井壁不稳定；对于水平井来说，水平段则完全在油层中延伸，其稳定性大为值得重视，这就提出了比直井更为严格的要求钻井液防塌性要好，失水要小。

4、椭圆井眼的形成和键槽的产生

①由于斜井段钻具靠井壁，起下钻和旋转使下井壁逐渐掏大，形成椭圆井眼：

左右井壁基本保持近钻头的井眼R1，而上下方向则形成了长轴R2，在双井径测井曲线上可以明显的看到长短轴的存在，往往在下井壁还存在钻具旋转磨出的直径与钻杆接头接近的槽沟R3，井眼倾角越大，施工时间越长形成的椭圆井眼越严重。

在大斜度井段，由于地层软硬交错和泥岩井径的扩大，还容易在下井壁被旋转的钻具磨出硬地层凸出处的键槽。

这些"键槽"与扩大的泥岩井径形成"台阶"，造成起钻时，稍大于钻杆接头的7″、8″钻铤迂阻；严重时起不出钻（特点是定深迂阻，能下放单上体不过）。

椭圆井眼带来的影响有：

A、井径扩大，循环上返速度降低，不利于洗井。

B、形成"键槽"和"台阶"，造成复杂情况和事故。

C、影响固井质量。

②造斜点附近在上井壁提出"键槽"

　　图７　　　　　图８　　　　　　　　图９

如前所述，造斜段由于下部钻具拉力作用，使钻具靠向＂上井壁＂，产生侧向力，在钻具旋转和起下钻的刮削作用下，逐渐形成直径与钻杆接头外径相近的＂键槽＂，起钻时，易使稍大于钻杆接头尺寸的7＂、8＂钻铤被拉入槽内而卡钻。

一般在槽深大于被卡钻具半径后发生。

键槽形成的程度与以下因素有关：

①造斜率（即造斜段狗腿度）越大，形成键槽越快、越严重。

②造斜点以下井段越长，钻具越重，形成键槽越严重。

③斜井段井斜角越大，侧向拉力越大，形成键槽越严重。

④随钻井作业时间而加深。

5、对悬重和钻压的影响：

①躺在下井壁的钻具使得悬重变＂轻＂，上提钻具摩阻使得悬重大于钻具总重，下放则小于悬重。

对正常井眼来说，悬重的增减是有规律的，超过正常增减范围，则是有了阻卡。

②同样，＂钻压＂的确定也要考虑摩阻的影响。

二、由井身轨迹控制需要带来的特性

1、由于定向和方位角调整的需要，增加定向作业

①使用动力马达定向、调方位时，钻柱不旋转，定向测量时钻具相对静止时间长，则要求泥浆性能稳定、携岩性和润滑性良好。

这就是为什么在定向前要调整好泥浆和适当混油的理由。

②由于弯接头或弯外壳动力钻具的使用，使得下部钻具弯曲。

要求定向前井眼畅通，而且对弯接头的度数有限制（一般不大于3°），避免钻头偏离井眼轴线太大而下不去。

③由于弯曲钻具的方向性（工具面方向），决定了动力钻具在井内不得随意开泵和使用动力马达划眼。

若中途遇阻，必须起出换转盘钻具通井。

④动力马达的工作排量一般较小，又不允许长时间停在一处循环，所以定向完后，通井是十分必要的。

2、增加测量工作量：

除定向（或方位调整时）要频繁单点测斜（随钻则每根起下电缆）外，转盘钻也需定点测斜监控。

一般测量间隔不超过50米。

为了保证测量的安全，规定每次测量前要充分循环泥浆除砂（一般一周以上）。

3、轨迹控制需要带来了比直井更多的起下钻更换钻具组合。

往往钻头用不到家，定向井比直井多发生起下钻作业、多消耗钻头。

4、使用满眼扶正器（稳定器）的下部结构带来的＂满眼＂问题：

①下钻易发生遇阻，螺旋稳定器还会在小井眼段造成钻柱的＂旋转＂。

不严重的阻卡往往可以通过有控制的＂下砸＂和＂提放＂通过。

②起钻易带来抽吸（拔活塞）问题：

由于＂满眼＂，在易吸水膨胀井段起钻拔活塞，胜利油田曾发生在斜井中拔活塞引起的气层井喷失控，教训是惨痛的。

正因为这样，要求斜井泥浆抑制性要好，井壁泥饼要薄，操作中要十分小心拔活塞的发生，并正确处理。

③弯曲井眼对钻具刚度变化的敏感问题：

已钻过的弯曲井眼曲率是一定的。

当钻具组合因轨迹控制需要刚性变大时（增加扶正器只数和缩短扶正器间隔），易遇阻遇卡，下钻要格外小心，划眼是必要的。

特别值得提醒注意的是，定向或调整完方位后，先用较＂软＂的转盘钻具组合通井，十分必要。

第二节影响定向井（水平井）安全的因素

一、合理的剖面设计：

1、剖面类型的选择：

除了多目标井和开发有特殊要求的定向井（如限定造斜点深度、要求垂直进入油层等）外，剖面越简单，越安全易打。

常常采用的是＂三段制＂剖面。

获得的位移大，相对摩阻小，而＂S＂形井眼（四、五段制）的摩阻较大，一般尽量避免。

国外有人认为变造斜率打出的＂悬链式＂剖面使钻具受力最小、摩阻最小，但这种＂变造斜率＂在实施过程中难以实现，并使施工变得十分复杂。

2、造斜点和造斜率的选择：

①造斜点高使得定向容易（起下钻和测量快，容易定准，进尺快，动力钻具工作时间短）；上部地层软，形成的键槽软，易破坏掉；用较小的井斜获得的位移大。

其缺点是轨迹控制井段变长，后面井段长，钻具重，更容易形成键槽。

通常达到稳斜段后，下一层技套封固造斜段可避免键槽带来的麻烦。

②造斜点低则定向困难，需要的造斜率和最大井斜相对要大。

但需要控制的井段大大缩短，为了准确，往往采用随钻测量工具定向。

③造斜率的选择：

高造斜点选用高造斜率是十分危险的。

形成的狗腿角大，很容易在下部（长井段）钻具重量作用下形成严重的键槽，造成卡钻。

相反，为了减少轨迹控制的工作量，提高定向井建井速度，在位移条件允许情况下，可采用低造斜点高造斜率施工，全井的磨阻也会因斜井段减少而变小。

同样，需要随钻测量的手段保证定向的准确。

3、最大井斜的选择

根据实际位移的需要，尽可能把井斜角选在大于15°和小于35°之间，井斜过小，方位不易控制，井斜过大则带来岩屑床沉积，增大不安全性。

4、有关的约束条件

目的层深度，现有的工具造斜能力；测量手段；安全性；经济性都是定向井设计的约束条件，应综合考虑使得设计出的定向井切实可行，安全经济。

二、井身结构的选择：

1、套管层次和井眼尺寸的选择原则

（1）尽可能下技套封住造斜段和增斜段，有利于保护上部松软地层和造斜狗腿。

（2）避免斜井裸眼段过长（尤其是大斜度和水平井）。

（3）避免17-1/2″以上井眼尺寸中定向造斜（尤其是大斜度井和水平井）过大的扭矩会带来钻具事故。

2、技套下深的确定原则

（1）封住易垮易塌和其它特殊地层。

（2）一般为进入稳斜段50米，有利于保护套管鞋。

（3）有利于"岩屑床"的消除和保护井眼。

（4）水平井一般在进入靶盒前下入技套。

三、对定向井泥浆的要求

1、良好的润滑原理

常混入6%～15%的原油或柴油做润滑剂，同时加乳化剂和提高PH值使之乳化良好，有特殊要求的井可采用"无荧光类"润滑类，在电测和下套管时可加入少量的固体润滑剂减小磨阻。

2、良好的防塌性和低失水

3、良好的流变性和较高的携岩能力要十分注意定向井泥浆的动切力（YP）保持较高值，一般使PV:

YP值接近1:

1（老计量单位）

4、十分重视定向井泥浆的"净化"工作

光滑，干净的泥饼是定向井防粘卡，低磨阻的关键，要求达到三级净化，有条件的使用离心分离机降低有害的固相。

四、井眼轨迹控制因素

1、轨迹"光滑"，避免来回扭动和井斜的上下摆动。

2、及时调整方位，防止"狗腿角"过大。

①选择合适的井段调整方位，使工作量最小；随着井深的增加地层变硬，方位调整工作越困难，形成的狗腿角也越大。

②定向造斜段，方位不稳定，需要及时作图分析；方位出现偏差时及时调整非常重要，方位漂移的同时，井斜角较快增加，调整越晚，狗腿严重度越大，调整工作越困难，对井眼安全危害越大。

3、采用尽可能简化的钻具结构

（1）由于斜井钻具承压能力大大增加（一次弯曲的临界值随井斜的增大而大幅度提高）为定向井少用钻铤提供了有利条件。

（2）避免下部结构井中，最上扶正器以上光钻铤的使用，而用加重钻杆代替（在大斜度情况下可用光钻杆代替），可大大减少与井壁的接触面积而有效防止粘卡。

（3）尽量避免在下部组合的最上端出现7″钻铤，7″钻铤往往是最容易钻进键槽到起卡钻的尺寸。

（4）使用随钻震击器，一般放在钻铤的上面，其尺寸不大于钻铤的尺寸，上部常加5~10加重钻杆做为震击的锤击力量。

（5）只要能有效的控制住井斜，方位，尽可能少用扶正器，以减少钻具组合的刚度。

（6）只要能有效的控制住井斜,方位,尽可能少用扶正器,以减少钻具组合的刚度.

五、司钻操作要求：

1、严格控制钻具在斜井内的静止时间，防止粘卡的发生过去规定静止时间不超过3分钟，随着泥浆体系的进步和净化工作的加强，静止时间允许延长，为了养成及时活动的好习惯，一般仍规定静止时间限制。

2、为防止沉砂和粘卡事故的发生，常规定三不接单根

（1）泵压不正常不接单根

（2）悬重压不正常不接单根

（3）井口准备工作不好不接单根

井口动作较慢的情况下，中途应强调司钻活动一下钻具（或转动转盘）

3、要求在斜井段起钻一律采用低速，避免快速起车迂阻拔死，一但迂卡后，严禁硬拔，而采用上提下砸加循环的办法消除阻卡，必要时倒划眼通过。

4、由于斜井钻具走上井壁，常迂阻和碰到台阶（有时是扶正器受阻），在划眼方法上要讲究，采用"点拔法"，即放一点，拨动几圈转盘，待悬重恢复后，再压一点，再拔一下转盘，示返流的加压划眼，造成出新眼。

轻微的迂阻时，可用"点刹下放"的办法，克服井壁摩擦避免划眼。

5、保护井眼的做法

（1）循环泥浆或停钻时，活动钻具应以上提下放为主，每次活动幅度大于3米，避免在原地刹车转动，防止划出台阶，大肚子

（2）起钻正确判断"拔活塞"及时循环消除，防拔垮井眼

（3）保证轨迹控制的前提下，尽量提高机械钻速，缩短钻井周期，减少泥浆侵泡时间。

稳斜井段可采用高压喷射和新型喷嘴技术。

（4）减少一切不必要的划眼。

（5）保持井眼液柱压力的平衡，防止因液柱压力大幅度变化，井壁压力平衡破坏，带来的塌垮和粘卡。

6、通过转盘扭矩仪（或判断转盘，钻机负荷）判断井下扭矩大小，及时循环，划眼处理防止扭断钻具。

7、深井，硬地层井段，经常有计划的倒换钻柱位置，一般取上倒到最下，防止对钻具的"偏磨"；定期对下部组合的钻铤，扶正器，震击器，加重钻杆进行探伤，防断。

8、关于防止键槽卡钻的要求

（1）造斜点高的井，下技套管前应对短起下钻的间隔时间做明确规定，防止时间过长，形成键槽卡钻，用短起下办法，拉掉槽子。

（2）短起下的行程规定：

A、定向后第一趟转盘钻矩起下时必须起到表层套管内。

B、其它情况则必须经常起过造斜点以上100米。

（3）下部硬地层的短起下，也根据实际情况决定其时间间隔或进尺间隔，其行程一般超过新打井段100米以上，发现有易造成下井壁台阶的井段尽量起到技套鞋内。

（4）各次电测前裸眼井段必须短起下一次。

（5）已知键槽发生位置，每次起钻下部组合起到此位置，应十分小心操作，防止拔死。

（6）起钻过程中因键槽造成阻卡的处理方法：

A、超过正常拉力情况下，采用每次少增加几吨拉力（条件是下放能砸开）用上下大幅度活动的方法拉掉键槽，正常后继续上起。

B、用上述办法消除不了，必须接方钻汗用卡瓦倒划眼，每次上提少一点，逐渐划掉，避免提得过多划不动或卡死。

C、倒划无效则用键槽破坏器处理，其直径大于最大钻铤外径，井口接上能下到键槽位置的，可破槽到起出，若键槽位置过深，则需倒扣后下钻破槽。

（7）主动破槽的办法：

已知键槽位置，则在钻具中接一破槽器（外径选择同上），使钻头下到井底附近时，它处于键槽位置以上30米左右，利用钻进条件，造斜钻钻具被拉向上井壁，破槽器才能有效的工作，对于破稳斜段由于地层原因形成的台阶类键槽则需要算好位置，在破槽器两端加一定重量的加重钻杆，帮助破槽，直至正常为至。

（8）用旧扶正器两端斜台肩上铺焊颗粒硬质合金做破槽器比专用破槽器更安全可靠。

9、正确判断悬重和"钻压"

方法是，下钻到接近井底，循环正常后，慢转动转盘，此时的"悬重"相对稳定，可作为加压的依据。

在此基础下钻头接触井底，"悬重"减少的值为"钻压"。

用此法较准。

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4、使用满眼扶正器（稳定器）的下部结构带来的“满眼”问题：

①下钻易发生遇阻，螺旋稳定器还会在小井眼段造成钻柱的“旋转”。

不严重的阻卡往往可以通过有控制的“下砸”和“提放”通过。

②起钻易带来抽吸（拔活塞）问题：

由于“满眼”，在易吸水膨胀井段起钻拔活塞，胜利油田曾发生在斜井中拔活塞引起的气层井喷失控，教训是惨痛的。

正因为这样，要求斜井泥浆抑制性要好，井壁泥饼要薄，操作中要十分小心拔活塞的发生，并正确处理。

③弯曲井眼对钻具刚度变化的敏感问题：

已钻过的弯曲井眼曲率是一定的。

当钻具组合同轨迹控制需要刚性变大时（增加扶正器只数和缩短扶正器同隔），易遇阻遇卡，下钻要专利格外小心，划眼是必要的。

特别值得提醒的是，定向或调整完方位后，先用较“软”的转盘钻具组合通井，十分必要。