1、現代鉆井技術系列講座現代鉆井技術系列講座周廣陳周廣陳中國石油大學石油工程學院中國石油大學石油工程學院 大位移井是在定向井、水平井和深井鉆井技術的基礎上發展大位移井是在定向井、水平井和深井鉆井技術的基礎上發展起來的一種新型鉆井技術，它集中了定向井、水平井和超深井的起來的一種新型鉆井技術，它集中了定向井、水平井和超深井的所有技術難點。目前，大位移井在世界范圍內廣為應用。所有技術難點。目前，大位移井在世界范圍內廣為應用。主要內容主要內容大位移井的基本概念大位移井的基本概念大位移井的特點及用途大位移井的特點及用途大位移井的發展狀況大位移井的發展狀況大位移井的關鍵技術大位移井的關鍵技術結束語結束語一、大

2、位移井的概念一、大位移井的概念(Extended Reach Well ) 國際上普遍采用的定義：井的水平位移與垂深之比等于國際上普遍采用的定義：井的水平位移與垂深之比等于2 2 或大于或大于2 2的井稱為大位移井。的井稱為大位移井。水平位移水平位移造斜點造斜點水平位移水平位移/ /垂深垂深2 2垂垂深深二、大位移井的特點及用途二、大位移井的特點及用途 1 1、大位移井的主要特點、大位移井的主要特點 一是一是水平位移大水平位移大，能較大范圍地控制含油面積，開發相同面積的，能較大范圍地控制含油面積，開發相同面積的油田可以大量減少陸地及海上鉆井的平臺數量；油田可以大量減少陸地及海上鉆井的平臺數量；

3、 二是二是鉆穿油層的井段長鉆穿油層的井段長，可以使油藏的泄油面積增大，可以大幅，可以使油藏的泄油面積增大，可以大幅度提高單井產量。度提高單井產量。 2 2、大位移井的用途、大位移井的用途A A 、用大位移井開發海上油氣田從鉆井平臺上鉆大位移井，可減少布用大位移井開發海上油氣田從鉆井平臺上鉆大位移井，可減少布 井數量，減少井投資。井數量，減少井投資。B、用大位移井開發近海、用大位移井開發近海 油氣田油氣田 以前開發近海油氣田要求建人工島或固定式鉆井平臺，現在凡距以前開發近海油氣田要求建人工島或固定式鉆井平臺，現在凡距海岸海岸10公里左右油氣田均可從陸地鉆大位移井進行開發。公里左右油氣田均可從陸地

4、鉆大位移井進行開發。 灘涂油氣田灘涂油氣田海油陸探海油陸探海油陸采海油陸采不需要復雜的海底井不需要復雜的海底井不需要海底集輸管線不需要海底集輸管線C C、開發不同類型的油氣田、開發不同類型的油氣田* *幾個互不連通的小斷塊油氣田；幾個互不連通的小斷塊油氣田；* *幾個油氣田不在同一深度，方位也不一樣，可采用多目標三維大位移幾個油氣田不在同一深度，方位也不一樣，可采用多目標三維大位移 井開發。井開發。D D、保護環境、保護環境 可在環境保護要求低的地區用大位移井開發環境保護要求高的地可在環境保護要求低的地區用大位移井開發環境保護要求高的地區的油氣田。區的油氣田。 三、大位移井的發展狀況三、大位移

5、井的發展狀況 大位移井始于上世紀大位移井始于上世紀20年代，由于當時的技術限制大位移井鉆井技年代，由于當時的技術限制大位移井鉆井技術發展緩慢。進入術發展緩慢。進入80年代后半期，隨著相應的科學技術和其它鉆井年代后半期，隨著相應的科學技術和其它鉆井技術的發展，如水平井、超深井鉆井技術等，大位移井鉆井技術才技術的發展，如水平井、超深井鉆井技術等，大位移井鉆井技術才迅速發展起來。迅速發展起來。國外情況國外情況 （98年的記錄）年的記錄） 1）垂深與水平位移之比最大的是）垂深與水平位移之比最大的是C-30定向井，水平位移為定向井，水平位移為1485米，米，總垂深為總垂深為294米，垂深與水平位移之比達

6、米，垂深與水平位移之比達1：5.05。 2）水平位移最大的井）水平位移最大的井M-11井，水平位移井，水平位移10114米。米。 1999年年 英國北海的英國北海的全井井深世界第二全井井深世界第二(世界最深油氣井世界最深油氣井)，11278米；鉆井及固井，共米；鉆井及固井，共123天。天。西江西江24-324-3海上平臺海上平臺西江西江24-1邊際油田邊際油田一次性投資一次性投資2300萬美元，節約了萬美元，節約了1400萬美元。萬美元。國內情況國內情況 19971997年在我國的南年在我國的南海東部，菲利浦斯公海東部，菲利浦斯公司完成的西江司完成的西江24-3-24-3-A14A14井完鉆井

7、深達井完鉆井深達92389238米米, ,垂深垂深29852985米，水平米，水平位移位移8062.78062.7米，平垂米，平垂比比2.72.7。 我國進行大位移井鉆我國進行大位移井鉆井起步較晚井起步較晚,但發展速度但發展速度較快，已日趨成熟。較快，已日趨成熟。 1、管柱的摩阻和扭矩、管柱的摩阻和扭矩2、鉆柱設計、鉆柱設計3、軌道設計、軌道設計4、井壁穩定、井壁穩定5、井眼清洗、井眼清洗6、固井完井、固井完井7、軌跡控制、軌跡控制（一）管柱的摩阻和扭矩（一）管柱的摩阻和扭矩 鉆大位移井時，由于井斜角和水平位移的增加而鉆大位移井時，由于井斜角和水平位移的增加而摩阻和摩阻和扭矩增大扭矩增大是非常

8、突出的問題，它是限制位移是非常突出的問題，它是限制位移增加增加的主要因素。的主要因素。 減小管柱扭矩和摩阻的措施減小管柱扭矩和摩阻的措施 為減小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井為減小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井 的設計與施的設計與施工中要采取各種必要的措施。工中要采取各種必要的措施。 優化井身剖面優化井身剖面 選擇管柱摩阻最小的井身剖面。選擇管柱摩阻最小的井身剖面。(2) 增強鉆井液的潤滑性增強鉆井液的潤滑性 許多大位移井采用油基鉆井液，油水比越大，鉆井液的潤滑性越許多大位移井采用油基鉆井液，油水比越大，鉆井液的潤滑性越好。好。(3) 優化鉆柱設計優化鉆柱設計 底部鉆具組合

9、可少用鉆鋌，而使用高強度加重桿。底部鉆具組合可少用鉆鋌，而使用高強度加重桿。(4) 使用降扭矩工具使用降扭矩工具 使用不轉動的鉆桿護箍可有效地減小扭矩。使用不轉動的鉆桿護箍可有效地減小扭矩。（5）使用滾輪式套管扶正器）使用滾輪式套管扶正器 使常規的滑動摩擦變為滾動摩擦。使常規的滑動摩擦變為滾動摩擦。（6）漂浮法下套管）漂浮法下套管 國外應用漂浮法下套管技術，可降低套管的摩阻。這種技術的國外應用漂浮法下套管技術，可降低套管的摩阻。這種技術的原理是在套管內全部或部分地充滿空氣，通過降低套管在井內的原理是在套管內全部或部分地充滿空氣，通過降低套管在井內的重量來降低套管的摩阻。用的較多的是部分充氣，這

10、種方法可使重量來降低套管的摩阻。用的較多的是部分充氣，這種方法可使套管的法向力大大降低。套管的法向力大大降低。（7）提高地面設備的功率）提高地面設備的功率（8）使用頂部驅動系統）使用頂部驅動系統（二）鉆柱設計（二）鉆柱設計 鉆柱設計包括底部鉆具組合設計和鉆桿設計。在大位移井中鉆柱設計包括底部鉆具組合設計和鉆桿設計。在大位移井中一般使用高強度薄壁鉆桿，以減少扭矩和摩阻。對底部鉆具組合一般使用高強度薄壁鉆桿，以減少扭矩和摩阻。對底部鉆具組合（BHA），尺寸越大，鉆柱的扭矩和摩阻也越大，這并不利于），尺寸越大，鉆柱的扭矩和摩阻也越大，這并不利于大位移井的鉆進，所以在保證鉆壓需要的前提下應使底部鉆具組

11、大位移井的鉆進，所以在保證鉆壓需要的前提下應使底部鉆具組合的尺寸盡量減小。合的尺寸盡量減小。 鉆柱設計應考慮的因素鉆柱設計應考慮的因素 （1） 盡量減小壓差卡鉆的可能性；盡量減小壓差卡鉆的可能性； （2）使用螺旋鉆鋌和螺旋扶正器，以增大環空間隙和減小鉆）使用螺旋鉆鋌和螺旋扶正器，以增大環空間隙和減小鉆 柱與柱與 井壁之間的接觸面積；井壁之間的接觸面積； （3）盡量減少絲扣連接的數量；）盡量減少絲扣連接的數量；（4）采用井下可調穩定器；）采用井下可調穩定器；（5）盡量減少在大斜度井段使用加重鉆桿的數量）盡量減少在大斜度井段使用加重鉆桿的數量 ；（6）選用高強度鉆桿，使之具有足夠的抗扭轉力和抗磨能

12、力；）選用高強度鉆桿，使之具有足夠的抗扭轉力和抗磨能力；（7）給鉆頭施壓時盡量不使鉆桿發生彎曲）給鉆頭施壓時盡量不使鉆桿發生彎曲。 （三）大位移井軌道設計（三）大位移井軌道設計 1、 軌道設計的原則軌道設計的原則 大位移井軌道設計，要求對所有參數進行優化，盡量降低井眼對大位移井軌道設計，要求對所有參數進行優化，盡量降低井眼對管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和測量工具的下入能力，并能盡量增管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和測量工具的下入能力，并能盡量增大大位移井的延伸距離。大大位移井的延伸距離。 國外大位移井井身剖面的主要類型：國外大位移井井身剖面的主要類型： （1）增斜）增斜 穩斜剖面穩斜剖面 這種剖面的

13、造斜率低，井斜角及測深增這種剖面的造斜率低，井斜角及測深增幅緩慢，但可降低鉆柱的扭矩、摩阻和套管的磨損。幅緩慢，但可降低鉆柱的扭矩、摩阻和套管的磨損。 （2）小曲率造斜剖面）小曲率造斜剖面 這種剖面的特點是造斜點較深，井斜這種剖面的特點是造斜點較深，井斜角大，能降低角大，能降低 扭矩和摩阻，而且隨目標深度的增加，旋轉扭矩的增扭矩和摩阻，而且隨目標深度的增加，旋轉扭矩的增幅較小。幅較小。 （3）準懸鏈線剖面）準懸鏈線剖面 準懸鏈線剖面有許多優點，它不但對管柱的扭矩和摩阻準懸鏈線剖面有許多優點，它不但對管柱的扭矩和摩阻低（鉆柱與井壁之間的接觸力近似為零），而且使套管的下低（鉆柱與井壁之間的接觸力近

14、似為零），而且使套管的下入重量增加。目前這種剖面在大位移井中廣為應用。入重量增加。目前這種剖面在大位移井中廣為應用。 石油大學的韓志勇教授在準懸鏈線剖面的基礎上提出了石油大學的韓志勇教授在準懸鏈線剖面的基礎上提出了側位懸鏈線剖面的設計方法，這種剖面比準懸鏈線剖面的扭側位懸鏈線剖面的設計方法，這種剖面比準懸鏈線剖面的扭矩和摩阻小。矩和摩阻小。(四四)大位移井的井壁穩定問題大位移井的井壁穩定問題 大位移井的井壁不穩定性大位移井的井壁不穩定性 1、影響大位移井井壁穩定的因素、影響大位移井井壁穩定的因素 （1）狹窄的鉆井液密度范圍）狹窄的鉆井液密度范圍 一般來講，當井眼傾角增加時，鉆井液要提供足夠大的

15、壓力來防一般來講，當井眼傾角增加時，鉆井液要提供足夠大的壓力來防止井壁坍塌。與此同時，井壁出現裂縫的可能性也增加了。簡言止井壁坍塌。與此同時，井壁出現裂縫的可能性也增加了。簡言之，防止井壁坍塌的鉆井液密度范圍較小。之，防止井壁坍塌的鉆井液密度范圍較小。 （2）當量循環密度高（）當量循環密度高（ECD） 大位移井井眼長，鉆井液循環時環空壓降大，而鉆井液密度工作大位移井井眼長，鉆井液循環時環空壓降大，而鉆井液密度工作范圍窄，高的當量循環密度容易達到井壁的破裂壓力，而使井壁范圍窄，高的當量循環密度容易達到井壁的破裂壓力，而使井壁破裂。破裂。（3）抽吸壓力和激動壓力）抽吸壓力和激動壓力 在大位移井中，

16、由于狹窄的鉆井液密度范圍，井壁對抽吸在大位移井中，由于狹窄的鉆井液密度范圍，井壁對抽吸 壓力和激動壓力相當敏感，可能導至井壁坍塌或破裂。壓力和激動壓力相當敏感，可能導至井壁坍塌或破裂。（4）時間關系）時間關系 井壁在低密度泥漿中長期侵泡，特別是水基鉆井液的情況井壁在低密度泥漿中長期侵泡，特別是水基鉆井液的情況 下，非穩定性尤為明顯，常常會造成許多井下事故。下，非穩定性尤為明顯，常常會造成許多井下事故。（5）化學反應）化學反應 鉆井液和地層間的化學作用也影響井壁穩定性，水基鉆井鉆井液和地層間的化學作用也影響井壁穩定性，水基鉆井 液和油層上部的泥頁巖經常發生強化學反應，泥頁巖膨脹，液和油層上部的泥

17、頁巖經常發生強化學反應，泥頁巖膨脹， 造成縮徑或井壁坍塌。造成縮徑或井壁坍塌。2、井壁穩定性機理、井壁穩定性機理 （1）井眼（井壁）應力）井眼（井壁）應力 原始地應力分為三項主應力，即上復應力原始地應力分為三項主應力，即上復應力Sv（亦稱最大主應力）、（亦稱最大主應力）、最大水平應力最大水平應力SH和最小水平應力和最小水平應力Sh ，如下圖如下圖a。 打開井眼之后，原始地應力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井打開井眼之后，原始地應力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼軸線的應力眼軸線的應力SZ 、周向應力、周向應力S 和徑向應力和徑向應力S R ， 如下圖如下圖b。abSvShSHSZSRS（

18、2）巖石的破壞）巖石的破壞 1）壓縮破壞壓縮破壞 當作用于巖石上的壓力大于巖石的抗壓強度時當作用于巖石上的壓力大于巖石的抗壓強度時 產生產生 壓縮破壞。壓縮破壞。 2）拉伸破壞拉伸破壞 當作用于巖石的拉力大于巖石的抗拉強度時產當作用于巖石的拉力大于巖石的抗拉強度時產 生拉生拉 伸破伸破 壞。壞。 (巖石力學規定巖石力學規定 壓應力為正，拉伸應力為負。壓應力為正，拉伸應力為負。)（3）巖石的破壞在井筒內的表現形式）巖石的破壞在井筒內的表現形式 1）巖石的壓縮破壞在井筒內表現為井壁坍塌。）巖石的壓縮破壞在井筒內表現為井壁坍塌。 2）巖石的拉伸破壞在井筒內表現為井壁破裂。）巖石的拉伸破壞在井筒內表現

19、為井壁破裂。（4 4）大位移井井眼的不穩定性）大位移井井眼的不穩定性 隨著井斜的增加，井壁的不穩定性增加。井眼由垂直變為水隨著井斜的增加，井壁的不穩定性增加。井眼由垂直變為水平，其應力狀態的變化如下圖平，其應力狀態的變化如下圖在正常壓實地層，在正常壓實地層，SH= Sh ，Sv SH 。 SvShSHSvShSHS 在井眼某深度，原地應力是固定的，井壁的周向應力在井眼某深度，原地應力是固定的，井壁的周向應力 S沿周邊位沿周邊位置變化，其大小也發生變化，且必然存在置變化，其大小也發生變化，且必然存在Smin和和Smam，這就導致井壁，這就導致井壁有破裂和坍塌的可能。有破裂和坍塌的可能。 井壁破裂

20、（拉伸破壞）井壁破裂（拉伸破壞） 井壁破裂與井壁破裂與Smin有關。研究表明，在斜井中，隨著井斜的增加，有關。研究表明，在斜井中，隨著井斜的增加，Smin減小，并趨于拉應力狀態，當拉伸應力減小，并趨于拉應力狀態，當拉伸應力Smin超過巖石的抗張強度時，超過巖石的抗張強度時，巖石發生破裂。巖石發生破裂。 對直井對直井 Smin= 2 SH - PW - PP （1） 對水平井對水平井 Smin= 3SH SV - PW - PP （2） 式中式中 PW 鉆井液柱壓力；鉆井液柱壓力； PP 地層孔隙壓力。地層孔隙壓力。 對比式（對比式（1）和（）和（2），），3SH SV總是小于總是小于2 SH

21、，所以水平井中的，所以水平井中的Smin 總是小于直井中的總是小于直井中的Smin ，更具有拉伸性。，更具有拉伸性。 井壁坍塌（壓縮破壞）井壁坍塌（壓縮破壞） 井壁坍塌與井壁坍塌與Smax 有關。研究表明，在斜井中，隨著井斜的增加，有關。研究表明，在斜井中，隨著井斜的增加，Smax 也增加，且更趨于壓應力狀態，當也增加，且更趨于壓應力狀態，當Smax 的值超過巖石的抗壓的值超過巖石的抗壓強度時，巖石發生壓縮破壞，即井壁坍塌。強度時，巖石發生壓縮破壞，即井壁坍塌。 對直井對直井 Smax= 2 SH - PW - PP （3） 對水平井對水平井 Smax= 3Sv SH - PW - PP （4

22、） 同樣，水平井的同樣，水平井的Smax 總是大于直井的總是大于直井的Smax ，更容易發生井壁，更容易發生井壁坍塌。坍塌。（五）大位移井的井眼的清洗（五）大位移井的井眼的清洗 大位移井同其它類型大位移井同其它類型 井一樣，好的井眼清洗和凈化，有利井一樣，好的井眼清洗和凈化，有利于提高鉆速、降低摩阻和扭矩、縮短作業時間、節省鉆井費用于提高鉆速、降低摩阻和扭矩、縮短作業時間、節省鉆井費用等。等。 提高井眼清洗效率的措施提高井眼清洗效率的措施 （1） 高泵排量和環空返速都有利于井眼凈化高泵排量和環空返速都有利于井眼凈化 通常要用井眼凈化模型來計算井眼凈化的最小排量和最優鉆通常要用井眼凈化模型來計算

23、井眼凈化的最小排量和最優鉆井液流變性。大排量可以提高鉆井液的流速，增加攜巖能力。井液流變性。大排量可以提高鉆井液的流速，增加攜巖能力。然而，大排量需要高的泵壓，在大位移井中，泵壓可能會受到然而，大排量需要高的泵壓，在大位移井中，泵壓可能會受到限制。為使鉆井液以紊流循環，可以增大鉆桿尺寸來增加給定限制。為使鉆井液以紊流循環，可以增大鉆桿尺寸來增加給定泵壓下的環空返速。泵壓下的環空返速。 （2）鉆井液的流變性）鉆井液的流變性 良好的鉆井液流變性對任何類型的井都非常重要，對大位移井良好的鉆井液流變性對任何類型的井都非常重要，對大位移井更是如此。要保證鉆井液的流型為層流或紊流，避免過渡流，因為更是如此

24、。要保證鉆井液的流型為層流或紊流，避免過渡流，因為過渡流的攜巖能力差。在砂巖油層井段可能會發生漏失，鉆井液流過渡流的攜巖能力差。在砂巖油層井段可能會發生漏失，鉆井液流變性應保持較低值，以降低當量循環密度。變性應保持較低值，以降低當量循環密度。（3）鉆具轉動）鉆具轉動 由于大位移井的位移不斷增加，井眼的最優排量難以達到，這就由于大位移井的位移不斷增加，井眼的最優排量難以達到，這就需要其它的井眼凈化技術，如提高轉盤旋轉速度和倒劃眼。需要其它的井眼凈化技術，如提高轉盤旋轉速度和倒劃眼。（4）固相控制）固相控制 在大位移井中，鉆屑將在環空鉆井液中長期滯留，使鉆屑變的更在大位移井中，鉆屑將在環空鉆井液中

25、長期滯留，使鉆屑變的更細，更難以攜帶，如要鉆井液保持良好狀態，就必須有良好的固相細，更難以攜帶，如要鉆井液保持良好狀態，就必須有良好的固相控制設備。控制設備。 （六）大位移井的固井（六）大位移井的固井 、完井技術、完井技術 在大位移井的固井、完井中，套管的摩阻和磨損是個嚴重的問在大位移井的固井、完井中，套管的摩阻和磨損是個嚴重的問題。套管磨損使套管的強度降低，套管摩阻會使套管難以下入到設題。套管磨損使套管的強度降低，套管摩阻會使套管難以下入到設計井深、造成卡套管或井壁坍塌等問題。特別是在井眼曲率較小的計井深、造成卡套管或井壁坍塌等問題。特別是在井眼曲率較小的造斜段，套管的聯接部分需要有較高的抗

26、彎能力，而且在下套管作造斜段，套管的聯接部分需要有較高的抗彎能力，而且在下套管作業中，聯接部分要求有足夠的抗拉強度。業中，聯接部分要求有足夠的抗拉強度。 1、 井身結構設計井身結構設計 井身結構設計要考慮以下幾個問題井身結構設計要考慮以下幾個問題l 井身結構必須滿足完井設計要求。井身結構必須滿足完井設計要求。l 生產井段的井眼應盡可能大，以利于隨鉆測井工具的下入。生產井段的井眼應盡可能大，以利于隨鉆測井工具的下入。l 井身結構不能防礙優質固井。井身結構不能防礙優質固井。 2、套管柱的聯結、套管柱的聯結（1）套管絲扣接頭要相互楔牢，以防套管柱通過彎曲井段時脫扣。）套管絲扣接頭要相互楔牢，以防套管柱通過彎曲井段時脫扣。（2）生產管柱的接頭應有足夠的抗扭強度，以允許注水泥時套管柱）生產管柱的接頭應有足夠的抗扭強度，以允許注水泥時套管柱 旋轉。旋轉。 （3）如果生產管柱是原始壓力容器，其接頭應該是密封的。）如果生產管柱是原始壓力容器，其接頭應該是密封的。3、在大斜度井眼中下套管、在大斜度井眼中下套管