高水垂比大位移钻井关键技术研究分析

肖明国，孙红波，袁魁，张军浪，郭明

（北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100000）

0 引言

和常规钻井项目相比，大位移钻井能更有效地操作和控制含有面积、提高油气资源现实采收效率、降低油田工程开发成本等诸多优势。钻井施工技术应用情况直接影响大位移钻井项目的成败及经济效益的高低[1]。

LS01-UG井一开Φ444.50 mm井眼钻井，二开Φ311.10 mm井眼直井与造斜段和三开Φ215.90 mm井眼水平段由北京大地T200-1井队负责施工，定向导向由北京大地高科地质勘查有限公司负责。钻机补心高2.40 m；三开煤层段起始井深为381.00 m[1]。为建设该项高水垂比大位移钻井工程，在技术方面要从如下几方面进行攻关：一是目的煤层3#煤层埋深浅，地层承压能力不足，大位移钻井裸眼延展难度高；二是在弯曲及斜度较大的井段内套管磨损严重；三是大尺寸井眼侧钻造斜率偏高，增加了定向性施工难度。

1 钻井裸眼延伸极限预测与控制

假定大位移钻井的测深、垂深以及水平位移分别是DM、DV、DH、可以利用公式（1）表示钻井的“测垂比k”与“水垂比λ”[2]：

K、λ两者的关系可以用公式（3）表示[2]：

参照公式（1）和（2），可以利用k(或λ)的极限值kL(或λL)去表示大位移钻井的延伸极限，且在特定的限制条件下，客观存在着kL(或λL)。结合测深与水平位移对应的概念，有DM>DH，由公式（3）决定了k>λ恒成立，那么这就意味着对于同个大位移井而言，其水垂比恒小于测垂比。那么对于钻进到特定目标层的某口大位移井来说，伴随DM、DH数值的增加，但有λL恒小于kL。

站在井眼压力平衡的视角出发，将钻井延展至裸眼井底被压破时的井深(或测深)设定为该钻井裸眼延伸极限测垂比(kL)，据此可以建设出大位移钻井地层破裂压力梯度、钻井液密度和钻井环空流体压耗当量密度（ρdp）三者相关性的等式[3]。

本井目的煤层为山西组3号煤层，根据地质导向与录井成果显示，三开水平段381.00～1 400.00 m，进尺1 019.00 m，解释煤层厚度3.50～6.00 m，煤层钻遇率要求大于90.00%。实际施工煤层钻遇率96.66%。对于特定的目标层与钻井设计方案，垂深、钻井液密度及地层压力均是固定值，若利用压力过平衡钻井及特定的钻井环空流体压耗控制技术，那么钻井裸眼延伸极限将会伴随的ρdp增加而呈现非线性减少趋势。这也就意味着环空流体压耗是控制钻井裸眼延伸极限的一种重要可控因素，当其他因素确定时，通过降低环空流体压耗，方有助于拓展大位移钻井的裸眼延伸极限与套管柱的下入深度[3]。故而，在对大位移钻井项目的大斜度延伸井段进行钻进施工时，相关人员可以通过辅助使用随钻扩眼等综合技术方法去减少环空流体压耗，从而有效拓展钻井项目的裸眼延伸极限允许范围，规避被动增加钻井套管层次，也能规避钻遇地层阶段出现井漏等危险事故。

2 以计算机为导向，实现实时钻进

已知LS01-UG井的基础数据如下：一开Φ311.15 mm井眼钻井，二开Φ215.90 mm井眼直井与造斜段和三开Φ215.90 mm井眼；钻机补心高2.40 m；三开煤层段起始井深为381.00 m。

LS01-UG井Φ215.90 mm水平井眼的钻进，定向使用了1.5°单弯螺杆和EM进行实时数据记录。在钻进过程，仪器测量的原始信号、钻井参数和三条伽玛曲线的实时数据从井下传送到地面接收器[4]。

计算机上配合工作的应用程序为随钻地质导向程序，所有记录的实时数据被输入给随钻地质导向程序，通过该程序，这些实时数据被记录并与已钻模型进行对比分析，不断修正对构造变化的认识，并通过对构造认识的不断修正，设计钻头将要走的轨迹路线，同时通知定向井工程师。通过反复不断地重复该过程，保持主井眼绝大部分在3#煤层中运行，最终实现远端连通[5]。

深钻过程中涉及到很多参数，且其类型也是极为繁杂的，故而计算机系统应对其进行全面规划。其中深钻数据库关系数据库系统，其是整个计算机系统的数据中心。这里所提及的数据大体上可以被细化成两种类型：一是深钻应用数据，二是深钻管理数据。应用数据主要由实际数据与理想数据构成，实际数据是将现场数据采集进库的相关数据，理想数据是基于理论公式测算得出的相关数据。而后面创设的科学深钻工程仿真子系统内采用的及获得的数据均被安放在该处。钻进阶段计算机能有效应用以上数据指导施工过程。

3 井眼下套管减阻技术

通过研究管柱力学原理，探究大位移钻井井眼下套管磨阻预测流程，据此能够仿真模拟不同工况下的下套管方式，比如常规、常规掏空、全掏空及联合使用漂浮接箍的下套管等。除了需要提供公共数据之外，还需要科学设定定套管和井眼之间的摩阻系数。若面对的是常规掏空下套管，还需要科学设定掏空具体部位（实质上就是下套管工序结束后钻井液液面所处位置的井深）[6]。针对不同下套管操作方式进行模拟，能够明确大钩载荷与下深两者的相关性，掌握套管柱轴向载荷顺沿钻井深度的改变规律等，并设计出漂浮下套管施工阶段漂浮接箍最佳方位对应的计算方法，开发了相配套的计算软件，积极采用综合手段去削弱下套管操作阻力。比如，在某油田内，如果把φ244.5 mm套管下深增加至5 000 m之上，那么施工方可以尝试把φ339.6 mm套管下深从最初的1 060 m增至2 300 m井深，并于该套管中配合应用滚轮扶正器，接触方法把套管井眼摩阻系数从裸眼的0.5降到0.1。

4 LS01-UG井的钻进措施方法总结

一开井段的主要任务是第四系松散层，钻进阶段的难点主要有怎样防控防塌、防漏及防斜打直，保证井壁稳定和快速钻进。在钻进过程中严控钻压、转速以及排量，防止井斜、井漏，保证井眼垂直、下套管顺利。二开导眼段的主要任务是为二开造斜和水平段施工获取地层基础参数，导眼钻进施工时主要是对每单根测斜，确保造斜率达到设计要求；关注返砂情况，特殊工况下需要大排量循环，以防出现冲出大肚子及划出新井眼的情况；钻进过程中一定要加强对井身质量的监测力度，尤其是是全角变化率的监控；做好取芯工具及相关操作人员的准备，确保取芯收获率满足规程的要求[7]。二开井段中要做好加强钻井液和净化设备管理工作，开钻后钻井液走小循环，减少钻井液外排对环境的污染；二开首只钻头开始钻进时必须领好眼，轻压慢钻；在定向段钻进时要维持好泥浆性能，井斜较大时要注意岩屑的携带能力，防止岩屑床的形成，以减小托压的可能性；二开直接下入MWD随钻测斜仪，直井段测斜间距不超过10 m，确保井身质量达到设计要求；每次下钻到底后，要缓慢开泵，防止井内压力激动，蹩漏地层。严禁在疏松段定点循环，以免冲垮井壁，造成井下复杂；每钻进一个单根测斜一次，保证着陆位置安全准确。三开井段的钻进过程中使用好固控设备，保证泥浆性能满足钻井的要求，做好防漏工作；应加足防塌封固剂，先期做好防漏工作；认真做好井眼的地质导向工作，防止井斜的突增突降。同时尽量合理应用复合钻进的自然增斜作用，力争将滑动钻进减少到最低，促进机械钻速提升过程。实时监测随钻测井曲线与井眼轨迹，保持井眼在目的煤层中的最佳位置钻进，尽量避免钻头钻出该范围，保持井眼在该范围内的稳定部位穿行；雪姆T200钻机，通过顶驱额外增加150 KN的下压力，有效增加钻机的施工能力，为向前钻进提供更大的施工能力，使用加重钻杆，通过钻具产生更大悬重来增加钻具在施工过程中可增加的钻压，使得井眼顺利钻进；连通过程中，尽量在确保连通情况下兼顾导向并控制井眼曲率在适当范围内，同时还要经常对于轨迹进行计算、优化。全井共使用钻头8只，其中，Φ215.90 mm PDC钻头4只，Φ444.50 mm三牙轮钻头、Φ311.15 mm三牙轮钻头、Φ215.90 mm取芯钻头、Φ114.00 mm三牙轮钻头各1只。在施工中针对不同地层选用不同的钻井液，第四系清水做为循环介质，上石盒子组、下石盒子组与山西组采用聚合物钻井液，使用HV-CMC，FT-342、SDL-11以及NaOH进行钻进中钻井液的维护，二开钻井液密度1.01～1.03 g/cm3，粘度28～31 s，三开钻井液密度1.04～1.06 g/cm3，粘度40～45 s。笔者对钻井液施工作出如下归纳：为了满足钻井和井下安全的需要，钻井液的性能保证润滑、携砂、井壁稳定、提高钻时等，在整个施工过程中保证了钻井液保持低密度，增强护壁性、防渗、防漏，确保了施工的顺利进行。

5 结语

钻井环空流体压耗控制情况是影响大位移钻井裸眼延伸极限测垂比高低的主要因素之一，也是规划设计大位移钻井项目施工方案与测评风险的主要因素，顺沿水平最大应力方向钻进存在较高风险，若施工方能配合使用循环式钻进、随钻扩眼等综合技术方法，能明显提升钻井裸眼延伸极限，进而减少工程风险诱发因素，确保钻进施工活动有序、安全推进。另外，通过适度增加套管的下深数值，则能减少后续作业的阻力，有助于钻进井眼时实现防磨减扭，降低大位移钻井施工成本，创造除更大经济效益。