水平井特點及司鉆

1、水平井特點 一、由垂直井眼變成傾斜（水平）井眼帶來的特性 1、鉆具貼井壁，受力狀況發(fā)生變化 從造斜段開始，鉆具受力狀況相對直井發(fā)生了根本的變化。 造斜段：由于斜井段鉆具的斜向拉力造成此處鉆具被拉向上井壁。造斜點較高的井可明顯在井口出現(xiàn)鉆具向定向方向的偏移。隨著井深增加，造斜點以下鉆具重量隨著造斜率的增大，在造斜段出現(xiàn)的側(cè)向力F側(cè) 隨之增大、起下的摩阻增大，隨著時間的延長，起下鉆和轉(zhuǎn)動在此處形成鍵槽。 圖 斜井段：由于鉆具自重，鉆具躺在下井壁，對井壁側(cè)壓力的增大，帶來磨阻（起下）和扭矩的增大（旋轉(zhuǎn)）。圖 鉆頭的受力變化出現(xiàn)側(cè)向分力，當使用增斜鉆具結構時，由于近鉆頭扶正器的支點作用而產(chǎn)生向高邊的側(cè)

2、向力；使用降斜組合時，由于鐘擺力作用而向低邊產(chǎn)生側(cè)向力；由于下部鉆具結構和鉆頭重力作用，始終產(chǎn)生降斜趨勢，需用剛性組合來保持井斜的穩(wěn)定或大于此趨勢產(chǎn)生增斜力。 2、偏心環(huán)空和巖屑床國外專家和七五攻關項目中劉希圣教授等專家研究表明，由于斜井鉆具偏向下井壁而形成了偏心環(huán)空，巖屑的沉降，運移與直井相比發(fā)生了根本的變化，巖屑出現(xiàn)向井壁徑向沉降的趨勢，由于偏心環(huán)空流速的不均勻，在下井壁形成巖屑床，在一定條件下還會發(fā)生巖屑床的滑移、堆積。給大斜度、水平井施工帶來威脅，如何正確認識此特點和采取相應的措施是定向井，尤其是大斜度井、水平井成功與否的關鍵。圖 研究的主要結論有： 偏心環(huán)空場中，大環(huán)隙處流速大，小環(huán)

3、隙處流速小，促使巖屑床的 產(chǎn)生。 巖屑床厚度隨流速的減少和井眼斜度的增加而增加，但傾角大于一 定值后，其巖屑床厚度基本保持不變。 環(huán)空巖屑濃度在臨界角（30°60°）范圍內(nèi)最大。環(huán)空巖屑 濃度隨流速的增加而降低。 注：對臨界角的界限，有人認為35°70°，但總的范圍是相近的。 當井眼傾角處于臨界傾角范圍內(nèi)時，由于巖屑床的形成及滑移，巖 屑勢必下滑堆積。容易造成鉆具的阻卡。 各傾角都存在一個臨界流速。當環(huán)空流速大于該臨界流速時， 理論認為不會產(chǎn)生巖屑床。 流體粘度升高導致巖屑床厚度降低，巖屑濃度降低，提高了巖屑輸 送效果。 下面就斜井幾種狀態(tài)下的井屑運動方

4、式做一分析： 以臨界角為界把斜井分為三種類型： 第一種：小于臨界角的范圍（30°），只有垂直沉降，而無徑向沉降。vs為垂直沉降速度，vsr為徑向沉降速度，vsa為軸向沉降速度。 Vs圖 Vs0 VsaVs 升高則Vsa越大，該范圍最易形成巖屑床，越接近上界越易產(chǎn)生巖屑床下滑堆集，是大斜度井、水平井施工中主要清除巖屑床的井段。該種情況可近似為直井狀態(tài)，不易形成巖屑床。 Vsr Vsa Vs 第二種：臨界范圍內(nèi)（30°，60°） Vsr Vsa Vs 圖 Vsa=Vs*COS、VsrVs*SIN 升高則Vsa越大，該范圍最易形成巖屑床，越接近上界越易產(chǎn)生巖屑床下滑堆集

5、，是大斜度井、水平井施工中主要清除巖屑床的井段。第三種：大于臨界角(60°或有的認為65°) Vs圖 Vsa0、VsrVs 該情況可近似視為水平井段的狀況，巖屑床受洗井液的沖刷厚度不再增加，也不產(chǎn)生滑移，聚集，此井段的巖屑往往被洗井液帶到臨界角附近聚集(60°70°范圍)。 大斜度井和水平井的實踐證實了以上理論是正確的，解決的辦法是： 一般的定向井井斜角度盡量選擇在30°35°，不易形成巖屑床，施工較安全。 對已經(jīng)形成巖屑床的井或大井斜角度的井采用以下三種方法減少巖屑床厚度，清潔井眼、保證施工安全。 A、在條件允許的情況下，盡可能提高

6、循環(huán)排量，使其接近臨界返速而消弱巖屑床，但要注意防止井徑擴大。 B、提高泥漿的屈服值（YP），增強攜巖能力，減緩巖屑的徑向沉積，也是減少巖屑床厚度的有效辦法。 C、由于以上兩種辦法的限制，最有效的辦法則是利用機械辦法除砂：有頂部驅(qū)動手段的可利用邊起鉆邊轉(zhuǎn)動鉆具的辦法攪動巖屑床。同時循環(huán)泥漿，清除巖屑床；在沒有頂部驅(qū)動條件的施工中，則采用定時定井段的短起下鉆手段，起一段，循環(huán)一段的辦法清除大斜度井段（或水平段）的巖屑床。隨著井斜的增大，大斜度井段的增長，短起下的時間間隙縮短?，F(xiàn)在施工中，可從振動篩返出巖屑量的減少和扭矩、摩阻的增加來判斷，是否需要短起下。 3、 被鉆開的巖層受力狀況發(fā)生變化： 在

7、地層傾角較小的直井，被鉆開的巖層層面與井眼軸線是垂直的。由于巖層縱向的壓實程度較高，鉆開的井眼部分相對較穩(wěn)定。隨著井斜角的增大，巖層層面與井眼軸線夾角變小，不穩(wěn)定巖層（如易吸水膨脹的泥巖層）暴露面積增大，受垂直壓力影響，容易吸水膨脹，剝蝕掉塊，造成井壁不穩(wěn)定；對于水平井來說，水平段則完全在油層中延伸，其穩(wěn)定性大為值得重視，這就提出了比直井更為嚴格的要求鉆井液防塌性要好，失水要小。 4、橢圓井眼的形成和鍵槽的產(chǎn)生 由于斜井段鉆具靠井壁，起下鉆和旋轉(zhuǎn)使下井壁逐漸掏大，形成橢圓井眼：左右井壁基本保持近鉆頭的井眼R1，而上下方向則形成了長軸R2，在雙井徑測井曲線上可以明顯的看到長短軸的存在，往往在下井

8、壁還存在鉆具旋轉(zhuǎn)磨出的直徑與鉆桿接頭接近的槽溝R3，井眼傾角越大，施工時間越長形成的橢圓井眼越嚴重。在大斜度井段，由于地層軟硬交錯和泥巖井徑的擴大，還容易在下井壁被旋轉(zhuǎn)的鉆具磨出硬地層凸出處的鍵槽。這些"鍵槽"與擴大的泥巖井徑形成"臺階"，造成起鉆時，稍大于鉆桿接頭的7、8鉆鋌迂阻；嚴重時起不出鉆(特點是定深迂阻，能下放單上體不過)。 橢圓井眼帶來的影響有： A、井徑擴大，循環(huán)上返速度降低，不利于洗井。 B、形成"鍵槽"和"臺階"，造成復雜情況和事故。 C、影響固井質(zhì)量。 造斜點附近在上井壁提出"鍵槽&q

9、uot; 圖 圖圖 如前所述，造斜段由于下部鉆具拉力作用，使鉆具靠向上井壁，產(chǎn)生側(cè)向力，在鉆具旋轉(zhuǎn)和起下鉆的刮削作用下，逐漸形成直徑與鉆桿接頭外徑相近的鍵槽，起鉆時，易使稍大于鉆桿接頭尺寸的7、8鉆鋌 被拉入槽內(nèi)而卡鉆。一般在槽深大于被卡鉆具半徑后發(fā)生。 鍵槽形成的程度與以下因素有關： 造斜率（即造斜段狗腿度）越大，形成鍵槽越快、越嚴重。 造斜點以下井段越長，鉆具越重，形成鍵槽越嚴重。 斜井段井斜角越大，側(cè)向拉力越大，形成鍵槽越嚴重。 隨鉆井作業(yè)時間而加深。 5、 對懸重和鉆壓的影響： 躺在下井壁的鉆具使得懸重變輕，上提鉆具摩阻使得懸重大于鉆具總重，下放則小于懸重。對正常井眼來說，懸重的增減是

10、有規(guī)律的，超過正常增減范圍，則是有了阻卡。 同樣，鉆壓的確定也要考慮摩阻的影響。二、由井身軌跡控制需要帶來的特性 1、由于定向和方位角調(diào)整的需要，增加定向作業(yè) 使用動力馬達定向、調(diào)方位時，鉆柱不旋轉(zhuǎn)，定向測量時鉆具相對靜止時間長，則要求泥漿性能穩(wěn)定、攜巖性和潤滑性良好。這就是為什么在定向前要調(diào)整好泥漿和適當混油的理由。 由于彎接頭或彎外殼動力鉆具的使用，使得下部鉆具彎曲。要求定向前井眼暢通，而且對彎接頭的度數(shù)有限制（一般不大于3°），避免鉆頭偏離井眼軸線太大而下不去。 由于彎曲鉆具的方向性（工具面方向），決定了動力鉆具在井內(nèi)不得隨意開泵和使用動力馬達劃眼。若中途遇阻，必須起出換轉(zhuǎn)盤鉆

11、具通井。 動力馬達的工作排量一般較小，又不允許長時間停在一處循環(huán)，所以定向完后，通井是十分必要的。 2、增加測量工作量： 除定向（或方位調(diào)整時）要頻繁單點測斜（隨鉆則每根起下電纜）外，轉(zhuǎn)盤鉆也需定點測斜監(jiān)控。一般測量間隔不超過50米。為了保證測量的安全，規(guī)定每次測量前要充分循環(huán)泥漿除砂（一般一周以上）。 3、軌跡控制需要帶來了比直井更多的起下鉆更換鉆具組合。往往鉆頭用不到家，定向井比直井多發(fā)生起下鉆作業(yè)、多消耗鉆頭。 4、使用滿眼扶正器（穩(wěn)定器）的下部結構帶來的滿眼問題： 下鉆易發(fā)生遇阻，螺旋穩(wěn)定器還會在小井眼段造成鉆柱的旋轉(zhuǎn)。不嚴重的阻卡往往可以通過有控制的下砸和提放通過。 起鉆易帶來抽吸（

12、拔活塞）問題： 由于滿眼，在易吸水膨脹井段起鉆拔活塞，勝利油田曾發(fā)生在斜井中拔活塞引起的氣層井噴失控，教訓是慘痛的。正因為這樣，要求斜井泥漿抑制性要好，井壁泥餅要薄，操作中要十分小心拔活塞的發(fā)生，并正確處理。 彎曲井眼對鉆具剛度變化的敏感問題： 已鉆過的彎曲井眼曲率是一定的。當鉆具組合因軌跡控制需要剛性變大時（增加扶正器只數(shù)和縮短扶正器間隔），易遇阻遇卡，下鉆要格外小心，劃眼是必要的。 特別值得提醒注意的是，定向或調(diào)整完方位后，先用較軟的轉(zhuǎn)盤鉆具組合通井，十分必要。 影響定向井（水平井）安全的因素一、合理的剖面設計： 1、剖面類型的選擇： 除了多目標井和開發(fā)有特殊要求的定向井（如限定造斜點深度

13、、要求垂直進入油層等）外，剖面越簡單，越安全易打。常常采用的是三段制剖面。獲得的位移大，相對摩阻小，而S形井眼（四、五段制）的摩阻較大，一般盡量避免。 國外有人認為變造斜率打出的懸鏈式剖面使鉆具受力最小、摩阻最小，但這種變造斜率在實施過程中難以實現(xiàn)，并使施工變得十分復雜。 2、造斜點和造斜率的選擇： 造斜點高使得定向容易（起下鉆和測量快，容易定準，進尺快，動力鉆具工作時間短）；上部地層軟，形成的鍵槽軟，易破壞掉；用較小的井斜獲得的位移大。其缺點是軌跡控制井段變長，后面井段長，鉆具重，更容易形成鍵槽。通常達到穩(wěn)斜段后，下一層技套封固造斜段可避免鍵槽帶來的麻煩。 造斜點低則定向困難，需要的造斜率和

14、最大井斜相對要大。但需要控制的井段大大縮短，為了準確，往往采用隨鉆測量工具定向。 造斜率的選擇： 高造斜點選用高造斜率是十分危險的。形成的狗腿角大，很容易在下部（長井段）鉆具重量作用下形成嚴重的鍵槽，造成卡鉆。 相反，為了減少軌跡控制的工作量，提高定向井建井速度，在位移條件允許情況下，可采用低造斜點高造斜率施工，全井的磨阻也會因斜井段減少而變小。同樣，需要隨鉆測量的手段保證定向的準確。 3、最大井斜的選擇 根據(jù)實際位移的需要，盡可能把井斜角選在大于15°和小于35°之間，井斜過小，方位不易控制，井斜過大則帶來巖屑床沉積，增大不安全性。 4、有關的約束條件 目的層深度，現(xiàn)有的

15、工具造斜能力；測量手段；安全性；經(jīng)濟性都是定向井設計的約束條件，應綜合考慮使得設計出的定向井切實可行，安全經(jīng)濟。 二、井身結構的選擇： 1、套管層次和井眼尺寸的選擇原則 (1)盡可能下技套封住造斜段和增斜段，有利于保護上部松軟地層和造斜狗腿。 (2) 避免斜井裸眼段過長(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)過大的扭矩會帶來鉆具事故。 2、技套下深的確定原則 (1) 封住易垮易塌和其它特殊地層。 (2) 一般為進入穩(wěn)斜段 50米，有利于保護套管鞋。 (3) 有利于"巖屑床"的消除和保護井眼。 (4) 水平井一般在進

16、入靶盒前下入技套。三、 對泥漿的要求 1、良好的潤滑原理 常混入 6%15% 的原油或柴油做潤滑劑，同時加乳化劑和提高PH值使之乳化良好，有特殊要求的井可采用"無熒光類"潤滑類，在電測和下套管時可加入少量的固體潤滑劑減小磨阻。 2、良好的防塌性和低失水 3、良好的流變性和較高的攜巖能力要十分注意定向井泥漿的動切力(YP)保持較高值，一般使PV:YP值接近1:1(老計量單位) 4、十分重視定向井泥漿的"凈化"工作光滑，干凈的泥餅是定向井防粘卡，低磨阻的關鍵，要求達到三級凈化，有條件的使用離心分離機降低有害的固相。四、井眼軌跡控制因素 1、軌跡"光

17、滑"，避免來回扭動和井斜的上下擺動。2、及時調(diào)整方位，防止"狗腿角"過大。 選擇合適的井段調(diào)整方位，使工作量最??；隨著井深的增加地層變硬，方位調(diào)整工作越困難，形成的狗腿角也越大。 定向造斜段，方位不穩(wěn)定，需要及時作圖分析；方位出現(xiàn)偏差時及時調(diào)整非常重要，方位漂移的同時，井斜角較快增加，調(diào)整越晚，狗腿嚴重度越大，調(diào)整工作越困難，對井眼安全危害越大。 3、采用盡可能簡化的鉆具結構 (1)由于斜井鉆具承壓能力大大增加(一次彎曲的臨界值隨井斜的增大而大幅度提高)為定向井少用鉆鋌提供了有利條件。 (2)避免下部結構井中，最上扶正器以上光鉆鋌的使用，而用加重鉆桿代替(在大斜度

18、情況下可用光鉆桿代替)，可大大減少與井壁的接觸面積而有效防止粘卡。 (3)盡量避免在下部組合的最上端出現(xiàn)7鉆鋌，7鉆鋌往往是最容易鉆進鍵槽到起卡鉆的尺寸。 (4)使用隨鉆震擊器，一般放在鉆鋌的上面，其尺寸不大于鉆鋌的尺寸，上部常加510 加重鉆桿做為震擊的錘擊力量。 (5)只要能有效的控制住井斜，方位，盡可能少用扶正器，以減少鉆具組合的剛度。 (6) 只要能有效的控制住井斜,方位,盡可能少用扶正器,以減少鉆具組合的剛度.五、司鉆操作要求： 1、嚴格控制鉆具在斜井內(nèi)的靜止時間，防止粘卡的發(fā)生過去規(guī)定靜止時間不超過3 分鐘，隨著泥漿體系的進步和凈化工作的加強，靜止時間允許延長，為了養(yǎng)成及時活動的好

19、習慣，一般仍規(guī)定靜止時間限制。 2、為防止沉砂和粘卡事故的發(fā)生， 常規(guī)定三不接單根 (1) 泵壓不正常不接單根 (2) 懸重壓不正常不接單根 (3) 井口準備工作不好不接單根井口動作較慢的情況下， 中途應強調(diào)司鉆活動一下鉆具(或轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤) 3、要求在斜井段起鉆一律采用低速 ，避免快速起車迂阻拔死，一但迂卡后，嚴禁硬拔，而采用上提下砸加循環(huán)的辦法消除阻卡，必要時倒劃眼通過。 4、由于斜井鉆具走上井壁，常迂阻和碰到臺階(有時是扶正器受阻)，在劃眼方法上要講究，采用"點拔法"，即放一點，撥動幾圈轉(zhuǎn)盤，待懸重恢復后，再壓一點，再拔一下轉(zhuǎn)盤，示返流的加壓劃眼，造成出新眼。輕微的迂阻時

20、，可用"點剎下放"的辦法，克服井壁摩擦避免劃眼。 5、保護井眼的做法 (1)循環(huán)泥漿或停鉆時，活動鉆具應以上提下放為主，每次活動幅度大于3 米，避免在原地剎車轉(zhuǎn)動，防止劃出臺階，大肚子 (2) 起鉆正確判斷"拔活塞"及時循環(huán)消除， 防拔垮井眼 (3)保證軌跡控制的前提下，盡量提高機械鉆速，縮短鉆井周期，減少泥漿侵泡時間。穩(wěn)斜井段可采用高壓噴射和新型噴嘴技術。 (4) 減少一切不必要的劃眼。 (5)保持井眼液柱壓力的平衡，防止因液柱壓力大幅度變化，井壁壓力平衡破壞，帶來的塌垮和粘卡。 6、通過轉(zhuǎn)盤扭矩儀(或判斷轉(zhuǎn)盤，鉆機負荷)判斷井下扭矩大小，及時循環(huán)，劃眼處理防止扭斷鉆具。 7、深井，硬地層井段，經(jīng)常有計劃的倒換鉆柱位置，一般取上倒到最下，防止對鉆具的"偏磨"；定期對下部組合的鉆鋌，扶正器，震擊器，加重鉆桿進行探傷，防斷。 8、關于防止鍵槽卡鉆的要求 (1)造斜點高的井，下技套管前應對短起下鉆的間隔時間做明確規(guī)定，防止時間過長，形成鍵槽卡鉆，用短起下辦法，拉掉槽子。 (2) 短起下的行程規(guī)定： A、定向后第一趟轉(zhuǎn)盤鉆矩起下時必須起到表層套管內(nèi)