水平井鉆井參數設計與工藝技術優化分析

袁紅光

摘要：在當前油氣資源勘探開發中，稠油、頁巖油、淺薄層油藏等非常規油藏開發程度加深，成為油田增儲上產的潛力所在。而油藏開發程度加深，是以鉆井技術的進步作為支撐的，特別是水平井鉆井的應用和普及。但隨著應用范圍和領域拓展，對水平井鉆井要求也逐步提高。因此，有必要結合水平井鉆井應用情況，對鉆井參數和工藝應用進行優化分析，提升水平井鉆井應用成效。

關鍵詞：水平井；鉆井參數；鉆井工藝

水平井井身軌跡的控制、井下安全、水平井成本控制等都與鉆井參數有關。水平井鉆井參數合理選擇在水平井施工中起十分重要的作用。所謂鉆井參數的合理選擇，指在依據固定鉆進參數基礎上，優選鉆壓、轉數、水力參數及鉆井液完井液參數，實現這些參數的合理匹配，以達到鉆井安全、快速、低成本的目的。眾所周知，水平井鉆井參數的選擇既不能套用常規鉆井參數優選的方法，也很難采用通用模式。因此，結合江蘇油田水平井的特點，分別就單項鉆井參數的選擇進行研究，并在選擇時考慮其它因素的影響。本文結合當前油氣資源開發對水平井鉆井技術應用要求提高的發展趨勢，對鉆井參數優化和工藝應用優化進行了探究。

1.水平井鉆井設計的基本流程

常規直井是井身軌跡垂直向下延伸，在鉆遇儲層后井筒在儲層中泄油面積較小，開發成效較差，特別是對儲層上部不適宜布置井場等區塊開發難以進行。水平井鉆井技術較好的解決了這些問題，該類油氣井一般包含直井段、斜井段和水平段等部分，井斜角接近或達到90°，可在油藏儲層中延伸一定距離，提升了油氣采收率，特別適用于淺薄層油藏、裂縫性油藏和稠油油藏開發[1]。根據鉆井設計深度以及井筒垂直段到水平段的曲率半徑，可以分為長中短等不同類型油井，鉆井難度隨著深度的增加而逐步加大。

水平井鉆井技術是在定向井技術基礎上發展的，但比定向井鉆井難度更高，涉及更多因素，存在井身軌跡難以控制、鉆井控制精度要求高、井下管柱受理狀況復雜、鉆井液性能要求較高、鉆井摩阻大等作業困難，需要對鉆井參數和工藝應用不斷優化。在具體鉆井中，常規情況下可依次進行地面井場搭建、井下鉆具設備和套管等輔助設備準備、井眼曲率半徑精確計算、完井作業和儲層施工等工序，設計過程反序進行。鉆井設計主要包括完井、水平段、造斜段和垂直段等階段，完井設計要突出工具設備的性能要求，確保在以適宜井眼尺寸開鉆、各項作業程序完善[2]。水平段設計重點是優選鉆井液、鉆具組合和鉆頭，并結合地層狀況確定水力參數。造斜段要綜合上述工作，根據鉆井中靶要求科學確定增斜率和造斜點。直井段要確保與前述三個環節的延續性，并為儲層施工提供準備。

2水平井鉆井參數和工藝應用的優化

2.1水平井鉆井參數的優化

水平井鉆井參數的優化，一是明確油藏類型和特點。要針對水平井適宜應用的油藏類型，在前期地質勘探基礎上，根據具體油藏類型和地質特點，突出不同的水平井設計要點，對層析較多的油藏要盡量在滿足開發要求的基礎上，一個井筒盡量鉆穿更多儲層；對具備垂直裂縫的裂縫性油藏，要確保水平井井身要與垂直裂縫呈現正交，同樣需要盡可能的鉆遇更多地裂縫；對底水油藏和氣頂油藏，要考慮鉆井和采油中的水錐、氣錐等問題，盡量使井筒與油水交界面隔離[3]。二是完善井身剖面設計。井身剖面是否符合地層特點和鉆井要求，直接關系到鉆井質量，在具體設計中要突出滿足地質特點、規避復雜地層、簡化優化增斜率曲線、確保井眼軌跡平滑和井眼清潔、降低鉆井摩阻和扭矩。要根據開發需要和地層特點優選長中短不同半徑，明確不同剖面類型摩阻、扭矩等參數差異。在各方面條件允許時，要優選長中型半徑確保鉆井摩阻和扭矩較小。同時，對厚儲層要采用小水平位移型剖面，通過直井段、造斜點和水平段的簡單結構實現儲層開發；對淺薄層油藏或常用中長半徑水平井，要選擇大水平位移型井身剖面，增加造斜段次數，確保更好地實現鉆井中靶目標。三是優選鉆具和優化鉆具組合。造斜和水平段鉆進是水平井鉆井關鍵，可采用彎接頭配合動力鉆進行造斜鉆具組合，根據造斜需要，造斜率越高則采用彎曲角更大、剛性更強的彎接頭，一般彎接頭彎曲角度多在1°-2.5°范圍內，動力鉆則要根據井眼尺寸選擇。增斜鉆具需要配套雙穩定器，通過杠桿原理進行鉆進，但要根據實際需要調整好下部鉆具規格和雙穩定器間距。降斜鉆進多采用鐘擺鉆具組合，并根據井眼尺寸要求確定合理鉆壓[4]。四是優選鉆井液。要結合鉆井工程情況、地質狀況，合理選擇應用聚合物鉆井液、正電膠鉆井液或清潔鹽水鉆井液。五是合理確定水平段長度。水平段要根據實際需要確定最佳長度，確保最經濟情況下最佳采油效果，具體要結合儲層構造、產能狀況、鉆井設備和工作人員狀況、井下鉆井扭矩和摩阻狀況等確定。六是優化鉆柱設計。合理的鉆具設計可以降低鉆井中的摩阻和扭矩，要根據采用設備性能，在滿足鉆井需要的基礎上，盡量降低鉆柱的重量、確定好構件安裝位置，并確保井壁與接頭接觸力安全可控、摩阻和扭矩應力值和在管柱承受極限范圍內。

2.2水平井鉆井工藝技術的優化

一是注意控制好鉆井中的應力。水平井的水平段和斜井段，鉆具在鉆進中可能會由于自身重力等原因與井壁下沿接觸，因為重力效應等造成鉆具和管柱的上提、下放和鉆進中可能存在較大的扭矩、摩阻等應力[5]。主要工藝控制措施是結合前文所述的合理確定鉆井參數，對井身剖面、井眼彎曲率等參數進行控制的基礎上，不斷改進工藝技術，選擇配套的鉆井泥漿、潤滑劑等輔助試劑進行鉆進，將摩阻、扭矩等非有利應力控制在規范要求范圍內。二是注意保持井眼的情節性。水平井鉆井中易產生巖屑堆積問題，特別是在水平段和彎曲度較大的井段易產生巖屑床，造成鉆具井下遇卡等事故，在井斜角45°-60°的井段產生巖屑卡鉆的可能性較高。因此，工藝應用優化重點是根據鉆井進程實時進行井眼清潔，在井眼清潔作業中通過大排量循環和保持適當的環空空間及流速，確保將巖屑盡可能多的返排出井筒。在起鉆作業前，要輔助鉆井液進行多次反復循環，通過短程起下鉆和井筒分段清洗的接力循環方式，確保井壁光滑、井眼清潔。三是維護井壁穩定性[6]。水平井鉆井重要安全隱患是井壁失穩坍塌問題，特別是在地層表面暴露較大的情況下，因此，要在鉆井中注意做好平衡地層應力等工作，根據待鉆地層選擇適宜的鉆井液類型和比重，對井壁的浸泡時間和地層與鉆井液反應進行控制，確保井壁穩定。

3.結論與認識

水平井鉆井技術適用范圍廣、油井產量大，目前已成為國內外開發油氣能源使用的主要技術手段。水平井鉆井技術應用范圍和領域不斷拓展，對技術發展水平也提出了更高要求，要結合當前水平井技術應用中存在的問題，積極采取措施改進鉆井參數和工藝舉措，提升技術應用水平。在油氣田開發中，水平井可以增加裸露出油面積，提高油氣產量和采收率，降低綜合成本。

參考文獻：

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[2]任文希；王煜；程純勇；聶秋露；何謙；長水平段水平井機械水力延伸能力研究[J]；石油化工應用；2014年05期

[3]張凱；大慶垣平1大位移井的鉆井技術[J]；石油鉆采工藝；2014年01期

[4]羅偉；付建紅；宋科熊；許超；大位移井水平井極限延伸長度預測研究[J]；科學技術與工程；2013年35期

[5]郭宗祿；高德利；張輝；單彎雙穩導向鉆具組合復合鉆進穩斜能力分析與優化[J]；石油鉆探技術；2013年06期

[6]王波；二維階梯形水平井段設計方法研究[J]；中外能源；2013年07期