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水平钻井技术
第五节
水平钻井技术
（运志森）
概况：
我国是进展水平井钻井技术最先的几个国家之一，六十年代中期在四川打成了磨3井和巴24井两口水平井，但限于那时的技术水平，未取得应有的经济效益。
随着科学技术的进展，水平井油藏工程研究和钻井，采油技术渐趋成熟，国外从八十年代开始，从头掀起了水平井的热潮，在生产上取得了重大的经济效益，并把水平井评判为石油工业中的一次技术革命。
中国石油天然气总公司在“八五”期间组织了大规模的集团攻关，取得了重大功效，把我国水平井钻井技术向前推动了一大步。
大港油田在全面普及利用定向井、丛式井和大位移井技术勘探开发的基础上，在国内率先打成了长、中、短半径水平井，那时的“女MH1”井是国内最深的一口长半径水平井，“官H2”井是国内第一口短半径水平井。
大港定向井公司是国内第一家定向井、水平井效劳的专业化公司，截至一九九八年末，累计为国内外各油田完成各类水平井近八十口，其中仅在大港油田完成20口，其各项指标统计见表6－14。
通过几十口井的实践，慢慢完善了水平井井身轨迹操纵技术、钻井工艺技术。
由于中半径水平井具有不受测井、完井工艺的限制；同时具有弯曲操纵井段较短和钻柱摩擦阻力与扭矩较小等特点，因此，所有水平井目前仍以中半径水平井为主。
而短半径水平井由于目前受完井、测井条件的约束，其数量仍较少，可是这项技术是尔后老井开窗侧钻、钻多底井、分枝的基础，具有很广漠的前景，因此，本文将要紧介绍具有代表性的长、中、短半径三口水平井，供参考。
大港油田完成水平井统计表6－14
序号
井号
井队
完成时间
年月日
完钻
井深
油层
垂深
水平
段长
水平段
井径
备注
1
女MH1
6065
92-06-05
3623
3111
8-1/2
长半径
2
官H1
45128
93-07-22
2348
2009
8-1/2
中半径
3
官H2
32183
94-10-12
1857
1763
6
短半径
4
官H3
4590
96-04-15
3218
2855
8-1/2
中半径
5
歧H1
4590
97-02-13
3108
2830
8-1/2
中半径
6
女MH2
45128
97-04-08
3490
3085
8-1/2
中半径
7
官H4
32926
97-05-21
2319
2027
8-1/2
中半径
8
风H1
32880
97-05-28
2813
2351
8-1/2
中半径
9
女MH3
45111
97-05-29
3488
3121
8-1/2
中半径
10
官50－9KH
20136
97-07-11
1970
1765
4-1/2
中半径
11
官H88－44
45128
97-07-28
3490
3091
8-1/2
中半径
12
风H3
32880
97-08-02
2947
2513
8-1/2
中半径
13
风H2
32926
97-08-08
2698
2462
8-1/2
中半径
14
歧H2
45129
07-09-25
3169
3135
8-1/2
中半径
15
板H1
45111
97-09-30
3561
3115
8-1/2
中半径
16
官H27－65
4590
97-10-31
3392
3107
8-1/2
中半径
17
房H1
4592
97-11-16
3713
3259
8-1/2
中半径
18
官88－50
45128
97-11-17
3356
3004
8-1/2
中半径
19
官962－4
32880
97-11-28
1955
1666
6
中半径
20
小H1
4544
98-01-14
3508
3021
8-1/2
中半径
一、“女MH1”长半径水平井的设计与施工
摘要：
女MH1水平井是大港油田的第一口水平井，该井位于河河北沧县舍女寺村东1．2千米，目的层为低渗透块状砂岩油层，厚度30米左右。
该井的钻探目的是：
（1）进行水平井技术攻关；
（2）用水平井开发低渗透块状砂岩油藏。
该井由定向井技术效劳公司负责井身轨迹设计和井身轨迹控札由钻井工程公司6065队承担施工任务，钻机为改型的F320型钻机。
（一）、水平井设计
一、原设计大体数据
（1）原设计大体数据
方位：
219o
磁偏角：
人口点垂深：
人口点位移：
最终目标点垂深：
最终目标点位移：
水平段长：
水平段井斜角：
（2）原剖面设计：
造斜点：
2450．00m
造斜率：
3o／30m
第一增斜段：
2450～3108．64m，井斜角达65．86o
稳斜段：
3108．64一317399m。
段长65．35m
第二增斜段：
3173．99～3396．25m，井斜角达
水平段：
3396．25～3696．25m，段长300m，井斜角88．09o
（3）原套管程序为：
20"×200米；13-3/8"×1600米；9-5/8"×3174米；
5-1/2"×3696米，固井射孔完成。
二、修改设计
由于12-1/4"井眼工具不配套，第一次增斜进程中利用常规增斜钻具，增斜率低，方位漂移严峻且无规律，常规增斜钻具不能同时知足增斜和方位操纵的要求，井眼轨迹操纵不睬想，知足不了设计要求。
依照那时并身轨迹操纵情形和实钻探明的油层资料，相应的油层深度发生了转变。
修改设计的大体数据如下：
方位：
222．4o
人口点垂深：
3110m
人口点位移：
501．4m
最终目的点的垂深：
3110m
最终目的点的位移：
801．4m
水平段长：
300m
水平段井斜角：
90o
3、施工难点：
（1）井较深，该井为目前我国陆地上最深的一口水平井。
（2）断块油藏，水平段前后都有断层，汕层层位不易卡准。
（3）水平段井眼轨迹操纵要求严格，方位许诺误差土2o；水平段垂深许诺
转变上5m。
（4）由于上部井眼轨迹操纵不睬想，二次增斜段和水平段施工难度增大。
（二）、井身轨迹操纵
上部直井段（0～2432m）
采纳塔式或钟摆钻具，轻压吊打。
轨迹操纵的宗旨是保证定向前直井段打直，为下部定向施工和井眼轨迹操纵打下基础。
在钻至2387．7m时，依如实钻井身轨迹资料，经运算机处置，得出新的造斜点为2432m，原设计为2450m。
定向和第一次增斜井段（2432～）
1．前后两次下人动力钻具走向造斜，纯钻进时刻为59h，进尺63二6m，造斜率为/30m，井底井斜5o，方位215o，考虑到机械钻速较慢（1m／h，同时动力钻具的利用又限制了排量（＜28L／S，携砂比较困难，为加速钻进速度，决定下转盘钻增斜钻具增斜。
2．转盘钻增斜进程中，孔一段以上地层方位左漂严峻（1～2．5o／10m），孔二及孔一段下部地层方位右漂（2．5o～0．5o／10m）。
分析方位漂移严峻的缘故是：
①主若是定向终止时井底井斜角偏小；②为知足增斜要求，下人的增斜钻具下部刚性较弱；③地层各向异性因素所致。
假假想操纵方位漂移，那么需要增加下部钻具刚性，降低造斜能力，这正是第一次增斜井段利用常规增斜钻具操纵井眼轨迹进程中一个最为突出的矛盾。
3．实钻探明油层
实钻探明汕层的要紧目的是：
探明油层的准确深度，摸清下部地层方位漂移规律，查验几套常规钻具的增斜能力，实钻结果说明：
从井段3103m到井斜从48o到64o,方位从235o增大到238o,方位漂移率有所降低，但井斜转变率脾（30m）仍达不到设计要求。
四开二次增斜井段（3104～3371m）
本井段是该水平井施工的关键井段，也是施工难度较大，工作量较多的井段。
该井段井斜较大，全角转变率较高，井身轨迹操纵的好坏直接关系到是不是能以适合的垂深、位移、并斜角进入窗口。
也确实是说，将直接关系到这口井的人口精度。
由于井底的方位229．25o仍在设计窗口的许诺方位222一225o范围之外，因此，四开二次增斜一开始就必需同时增斜纠方位才能知足设计要求。
为此咱们采取如下方法：
（1）利用单弯导向钻具与转盘锄：
结合的方式，如此能较好地操纵井身轨迹。
（2）用MWD监测井眼轨迹，运算机及时对数据进行处置，并以此制订井眼轨
迹操纵的方法。
（3）采纳开大排量，提高钻并液环空返速，及时进行短起下钻。
和划眼等措
施，以破坏大斜度井眼产生的“岩屑床”。
：
4）采纳钻具倒装结构，以知足钻水平井大斜度井段施工工艺的要求。
3104～3144m井段为这口井第一次利用单弯导向马达钻进的井段。
据计算咱们将工具面摆放在高边左40。
位置上，边增斜边扭方位。
由于利用的是侧钻型PDC钻头，工具面对钻压比较灵敏，加上井较深，井斜较大（48o），反扭矩不易把握，摆放工具面比较困难。
咱们采纳少加压，均匀加压的方法，待工具面大体稳走后再正常钻进。
由于导向马达的特性限制了触液的排量（＜28＝l／s），造成井眼的岩屑不能完全返出，很容易在井眼的下井壁产生“岩屑床”，在钻至3144米完成纠方位以后（井底并斜，方位224o），考虑到这套导向钻具的造斜率9o／30m大于设计的6o／30m，同时有必要大排量划眼清砂，于是循环起钻，换钻盘钻增斜钻具。
3144～3159m为转盘钻具划眼增斜井段。
该钻具的要紧作用是划眼清砂以维持井眼顺畅，同时，该钻具造斜率／30m低于设计造斜率4．8o／30m，如此钻进一井段能够平稳一部份单弯导向马达较高的造斜成效，使井身剖面符合率得以提高。
接下来的四次导向钻进目的主若是增斜，所钻的井段分为3158～、3213～3241m、3291～3315m、3348～3363m,其距离井段均为转盘增斜井段：
用转盘钻增斜钻井的目的仍是大排量清砂，使井眼滑腻并沿设计并眼轨迹延伸，同时提高机械钻速，以缩短进入窗口的时刻。
在后三次下人导向马达钻进时，总右如此一个现象，即钻进时指重表钻压上升而泵压无转变（接近循环泵压），其它参数正常，这说明钻头上钻压并未增加，分析其缘故有如下几面：
①机械钻速低，钻具不旋转，钻具慢慢粘吸井壁所致。
②井斜较大（68o以上），钻具贴下井壁，稳固锣或钻具台阶吃人地层，使钻
压不能有效地传到钻头。
③钻具持别是稳固器与井壁之间的摩擦力加大。
④导向马达排量低，产生的钻屑不及时带出井眼而是沉积在井眼下井壁，这
也增大了钻具和井壁间的摩擦力。
针对以上情形，咱们采纳每钻进半个或
一个单根上提钻具，反复划眼，反复循环的方式，并在下一次转盘增斜钻
进时，对导向钻具钻进的井段进行再划眼，使井眼滑腻顺畅，取得了必然
的成效。
依照钻具受力计算分析，自井深3197．7m开始，采纳钻具倒装
结构。
水平段（3371～）
整个水平段均用转盘钻进完成，并继续采纳倒装钻具结构。
平井段补进一般钻杆，以知足传递钻压的需要。
充分利用稳固器直径的变换，以达到稳斜、微增斜，微降斜的水平段轨迹操纵成效。
及时短起下钻，划眼，大排量钻进，循环，以破坏“岩屑床”。
考虑到井眼已经水平，下人常规稳斜钻具可能会因钻具刚性性不足稳固器尺寸不足和钻井参数不稳走而产生降斜成效，因此，在钻水平井段的一开始咱们便下人了微增斜钻具，即1＃稳固器足尺寸，2＃稳固器外径为欠尺寸。
这套钻具组合配合轻压（140KN）在水平段钻进，经MWD跟踪测斜结果说明，该钻具增斜率为／30m，利用这套钻具钻至3438m，并斜
达。
在起钻换钻头下钻时，咱们将1＃稳固器换成欠尺寸，2＃稳固器换成足尺寸，配适合当的钻井参数，以产生微降斜成效，提高了该井剖面符合率。
用这套钻具钻至3542m时，井斜降到。
以后再换成足尺寸的l＃稳固器欠尺寸的2＃稳固器，以产生微增斜成效，直至完钻。
由于水平井段钻具本身对钻头不施加钻压，因此，咱们在水平段补进了5”一般钻杆，以减小钻具和水平段下井壁的摩擦阻力，有效地将钻压传递到钻头，知足钻水平并段加压的需要。
（三）、取得的功效
（1）打成了目前我国陆地上最深的一口水平井，该井最大垂深斜
深。
水平井段长度：
米（井斜角86～度）。
（2）本水平井钻遇油层313．68m，其中好油层188m，较差油层。
（3）二次增斜及水平段井身轨迹操纵比较理想，剖面符合率高。
（4）查验了石油大学钻具受力分析和井眼轨迹预测运算机软件。
（5）利用KC法计算了单弯导向钻具的造斜能力，指导了现场施工。
（6）编制了水平井轨迹设计，待钻井眼设计，井眼轨迹计算，预测和钻
具受力分析等运算机软件，应用自如，同时还应用了部份引进水平井
软件。
这些软件已是水平钻井必不可少的软件。
（7）锻炼了施工队伍，提高了水平井钻井工艺技术水平，积存了体会，为
尔后水平井施工打下了良好的基础。
（四）、荐在问题
1、由于∮311mm井眼工具品种不齐全，造本钱来比较容易的上部井眼施工被动，轨迹操纵不睬想，原设计的长半径水平井实际成了长中半径的水平井。
二、由于井眼轨迹操纵和井下复杂等缘故，本井施工周期长。
（五）、体会与熟悉
通过女MH一水平井的现场施工，咱们对弄好水平井的钻井及井眼轨迹操纵有以下熟悉：
1．直井段必需打直：
打好直井段是以后操纵好井身轨迹的基础，若是上部直井段井斜较大，侧向位移较多，那么必将要修改整个剖面设计，同时，也会给定向施工带来必然的麻烦。
2．采取方法，解决好增斜与方位操纵的矛盾：
为了知足造斜率：
（3o／30m），下人的转盘钻增斜钻具下部刚性就必需较弱，带来的问题是井眼方位不易操纵，漂移十分严峻。
由此看来，关于比较复杂的地层，多作几套工具和技术的预备很有必要。
3．要充分循环钻井液和及时短起下钻：
大斜度（45o以上）井段和水平段钻进进程中，都存在着排量不足，易产生“岩屑床”的问题，充分循环，反复划眼、及时短起钻（每纯钻进24小时或钻进30米短起到技套一次）是解决此问题的有效途径。
4．采纳钻具倒装结构以知足钻中曲率水平井的需要：
钻具倒装结构减小了下部钻具的刚性，将加压成效较好的钻挺放置在井斜较小、井眼全角转变率较小的井段（本井6-1/4"钻挺放置在9-5／8”套管内下部），而将既能加压又具有必然的抗弯曲交变应力和扭矩的加重钻杆接在钻挺柱的下面，加重钻杆在井眼中处于井斜较大、井眼全角转变率较大的井段，一样为水平井的二次增斜井段，再在水平井段补单位质量较轻的一般钻杆，从而减小水平井段的摩擦阻力。
采纳钻具倒装结构能有效地传递钻压和扭矩，同时也能幸免因井眼全角转变率较大而可能产生的卡钻，知足钻中半径水平井施工工艺的需要。
5．依照井眼轨迹的转变及时变换稳固器：
在大斜度井段和水平段，钻具紧贴下井壁。
地层较硬，若是地层再含砾，对钻头和稳固器的偏磨往往比较严峻，这就要求常常改换稳固器，大斜度井段和水平段钻具专门是稳固器和井壁的摩擦力较大，若是上下地层软硬交替，井眼形成台阶，起下钻将更，困难。
咱们以为利用鼓形或西瓜形稳固器和井壁形成点接触能够大大减少钻具和并壁间的摩擦阻力，从而在钻进时有效地传递钻压和扭矩至钻头，钻进及起下钻时也可能明显地减小阻力。
另外，欠尺寸的稳固器在水平井施工中也能够取得普遍的应用，下人欠尺寸的稳固器，配合稳固器相对位置的调整，一方面能够改变钻具受力状态，改变增斜或稳斜成效，另一方面，也能够减小钻具和井壁的摩擦力，专门是在大斜度井段及水平段，能更有效地传递钻压，减小起下钻的阻力。
6．应生产和应用大排量导向马达：
由于现有的导向马达额定排量偏低（＜28l／s），钻井液环空返速较小，还不能完全知足φ215．9mm井眼携带岩屑的要求，因此，本井导向马达钻迸未能专门好地付诸实施，为了更有效地进行导向钻进，减少起下钻次数，缩短钻井周期，节约钻井本钱，设计生产出较大排量的导向马达很有必要。
7．合理的井身结构，有助于井眼轨迹的操纵：
由于二次增斜井段为水平井施工的关键井段，因此，第一次增斜时，应尽可能把井斜增大些（通常增到65度左右为宜），下人的技术套管尽可能接近水平段，以便于二次增斜段和水平段施工和井眼轨迹操纵，最大限度地址便二次增斜段和水平段为保证井眼清洁所进行的短起下钻，也便于在碰着井下复杂情形时，将钻具迅速起至技套进行处置，大大缩短起下钻的行程和时刻。
8．关于断块油藏，在油层的深度和产状不是十分清楚的情形下，采纳实钻探明油层，再回填的工艺，能够保证进入窗口的误差很小，准确地击中目标。
二、"官H1"中半径水平井的设计与施工
摘要：
官Hl井是大港油田钻的第二口水平井，也是咱们所钻的第一口中半径水平井。
本井的钻井目的一是进行中半径水平井技术科研攻关、二是用水平井开发老油田，提高单井产量。
该井设计时采纳造斜率为8度／30米的中曲率半径轨道，分两次造斜，中间有一个调整井段、定向井技术效劳公司负责水平井轨道设计和轨迹操纵，钻井工程公司45128钻井队承担施工任务。
该井于1993年5月6日开钻，7月15日钻至人口点，7月20日完钻，钻井周期为66天：
小时50分。
）完钻井深2347．90米。
（一）、设计大体数据
1．人口点（窗口）要求：
垂直井深：
米，误差范围士3米；
水平位移：
米
2.完钻要求：
垂直深：
米，误差范围士3米；水平位移：
465
米；方位：
65．75度；水平段长：
200米；磁偏角：
5．75度西；
轨迹类型：
中曲率半径轨迹；
3．中靶要求：
人口点中靶半径10米，未端中靶半径20米
4．剖面设计：
造斜点：
米。
第一次造斜段一1904．55米，造斜率8度／30米，井斜角
达度；稳斜调整段：
一米，井斜角度。
第二次造斜段：
一米，造斜率8度／30米，井斜角
达度；水平段：
一米；井斜角吧度。
5．井深结构及套管程序：
φ508导管×20米；φ445钻头×553米；φ340套管×550米；φ311钻头×2144米；244套管×2141米；φ215钻头×2344米φ140套管×2334米。
（二）、施工难点
1.该井是大港油田的第一口中半径水平井。
2.官905断块是被孔东主断层和官905＃断层所夹持的三角形断块。
其中
官905＃和官947＃距官H1水平井轨迹线只有17米，因此轨迹操纵的方
位要求高，不许诺向右漂移。
3．油层薄，人口点和水平段轨迹操纵要求严格，人口点许诺误差士10米
半径，水平段垂深许诺误差正负3米。
4.φ311mm裸眼井段长，造斜井段全数在裸眼中施工，而且断层多，造斜
井段复杂,含有大段玄武岩、磁铁矿、生物灰岩和石膏,轨迹操纵难度大.
（三）、钻井井身轨迹操纵
轨迹操纵工艺技术是水平井施工的核心，因此对官H1水平井轨迹操纵我
们采取了以方式和方法，保证井眼轨迹沿着设计轨道运行直至打中目标。
1．直井段：
定向前直井段打直为下部定向施工和井眼轨迹操纵打下基础，钻进中确信合理的钻压，优选钻井参数，有效地提高机械钻速，缩短直井段周期。
2．选择合理的钻具组合：
合理的钻具组合保证了井眼轨迹操纵的精度和滑腻，知足了各并段的工艺要求。
施工中尽可能减少稳固器和钻挺的数量，钻挺选用螺旋钻挺，减小了钻具与井壁的接触面积，从而减小了提拉阻力和转盘扭矩。
对下井的各类钻具组合进行摩阻力和强度计算，选择知足造斜能力要求、摩阻力小、强度高的钻具组合，作为咱们施工的优选钻具组合。
该井在∮311mm井眼全数利用了∮203mm螺旋钻铤、∮127mm加重钻杆和∮197mm随钻震击器。
调整段和水平段转盘钻井别离利用了双稳固器及单稳固器。
倒装结构的钻具组合在裸眼井段全数是∮127mm加重钻杆和∮127mm一般钻杆，因此知足了要求增加了钻具强度，显著地减小了提拉阻力和转盘扭矩，幸免了井下复杂和事故的发生。
3．应用导向钻井技术，知足井眼轨迹要求：
依照所钻水平井的剖面要求和不同钻具组合的造斜特性，在造斜施工中导向马达的选用必需知足设计剖面的要求，并给施工选择留有较大的余地。
该井除调整段之外大体上全数利用了单弯导向马达造斜钻进，提供了贯穿
全井的井眼轨迹操纵能力，选费用、度和度直径为197mm和
165mm的马达造斜，再通过旋转导向钻进平稳较高的造斜成效，有效地提高了
剖面符合率。
由于这项技术的利用，在造斜钻进时，不用改变钻具组合，起下钻只是用于改换钻头或需改换钻具。
井段1735．3～米前后二次下入度单弯导向马达定向造斜，利用有线随钻测斜仪跟踪监测，进尺米，平均机械钻速米／小时，井斜由3．5度增至35度，造斜率5．63度／30米，低于设计8度／30米。
井段1961～米（∮311mm井眼）选度和度单弯导向马
达，六次下井造斜，利用MWD无线随钻测斜仪跟踪监测，进尺139米，平均机械钻速1．53米／小时，井斜由40．5度增至67度，造斜率9．91度／30米，高于设计3度／30米，方位由74度减至67度。
井段2100～米（∮215mm井眼）遇度单弯导向马达，进尺米，平均机械钻速米／小时，井斜由度增至度,造斜率度/30米,方位由67度增至度。
4．优选钻井参数：
为了井眼达到清洁，在可能的情形下，适当提高排量，提高钻井液的上返速度，咱们在∮311mm井限定向造斜，马达装入中空水眼，在总压降许诺的情形下，维持排量46公升／秒，上返速度米／秒；∮215mm井眼维持排量38公升／秒，上返速度～米／秒，有效地提高环空返速，及时带出沉砂和大量岩屑。
通过计算确信钻头水眼尺寸，以保证水眼压降5～7Mpa，发挥马达全数功效，提供足够的压差以便施加最正确的钻压，从而提高机械钻速。
5．进一步制订二次造斜方案，确保人口精度
第二次造斜井段是该井的关键井段，也是施工难度大，工作量较多的井段。
该井段全角转变率高，井眼轨迹操纵的好坏直接关系到是不是能以适合的垂深、位移、井斜角进入窗口，关系到人口精度，关系到∮244mm套管是不是能够平安下入，因此咱们在该井段施工前对人口点汕层位置进上步论证，并采取选择角度度和度的导向马达，使实钻井眼轨迹在设计轨迹偏上运行，采纳倒装钻具结构，保证钻压有效传递到钻头；利用大排量提高钻井液环空返速；50米短起下钻一次，以破坏大斜度井眼产生的“岩屑床”。
6．应用MWD无线随钻测斜仪跟踪测量，监测井眼轨迹，及时把握井斜和方位的转变，资料及时处置，制定可行方案。
7．在井眼轨迹操纵的整个钻井进程中，咱们严格操纵井身质量，使每一个井段实现井眼轨迹与设计相符合，形成一个圆滑无拐点的规那么井眼，可是施工中也碰到了困难主若是两方面。
一是钻遇磁铁矿，使轨迹操纵困难。
在井段一米玄武岩层位造斜时钻遇含量5％的磁铁矿，井下MWD测斜仪器所测方位数据持续显现异样，数值由73度变至78度、56度，而仪器所测磁场强度在许诺的范围内偏大，方位失真。
咱们在此情形下采取以下方法：
（1）工具面按高边考虑，方位值作参考；
（2）提早进入稳斜段，改用转盘钻尽快钻穿玄武岩；
（3）二次造斜选1．5度或度大角度马达提高造斜率，尽快弥补由于提
前稳斜及稳斜段长造成的实钻轨迹低于设计线；
（4）对含有磁铁矿的井段，利用陀螺多点补测，取准取全井斜资料。
二是大斜度增斜钻井中摩阻大，机械钻速低施工技术难度增大。
井斜达到67度的二次造斜中，由于长时刻不转动转盘，利用马达钻进钻压传不到钻头，表现为机械钻速慢。
井段一2080．5米，平均机械钻速0．5米／小时．
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