長水平段水平井鉆井技術難點分析及對策

吳臣

中海油能源發展股份有限公司工程技術公司中海油監督中心 天津 300450

隨著全球石油和天然氣資源的不斷開發和能源需求的不斷增長，石油工業對更高產量和更高效率的需求也在不斷上升，長水平段水平井鉆井技術在石油勘探和生產領域中的應用日益普及，這種技術可以提高產能、減少環境影響和改善勘探和生產效率，但是實施長水平段水平井鉆井技術面臨著一系列的技術難點和挑戰[1]。因此，主要是根據長水平段水平井鉆井技術難點問題出現的原因及類型，開展難點對策研究，以此推動長水平段水平井鉆井技術領域的進一步發展。

1 長水平段水平井發展現狀分析

長水平段水平井鉆井技術在石油和天然氣開采領域的應用范圍不斷擴大，除了常規油田它還被廣泛應用于頁巖氣、頁巖油、重油和超深層油藏等不同類型的油氣田，該技術可以改善油氣開采的采收率，特別是對于那些難以開采的油藏，通過增加接觸面積，可以更有效地推動油氣流向井口。長水平段水平井技術有助于減少環境影響，與傳統垂直井相比，它通常需要更少的地表開采，減少了土地占用和生態破壞，能夠在單井內采集更多的油氣資源，因此可以降低生產成本，并提高生產效率，這對于石油和天然氣公司來說是一個重要的競爭優勢[2]。長水平段水平井技術方面的不斷創新和改進使其更加可行，包括井筒導向、水力壓裂技術、油藏模擬等在內的技術都在不斷演進，以提高井的性能，隨著長水平段水平井數量的增加，監測和維護成為一個挑戰，技術進步使得遠程監測和自動化維護成為可能。長水平段水平井的主要特點是井眼非常長，通常它們具有數千至數萬英尺的井眼長度，而垂直井的井眼長度要短得多，這種長井眼使得鉆井工程更加復雜，需要更多的時間和資源，長水平段水平井的井眼軌跡需要精確控制，以確保井眼能夠穿越目標油氣層[3]。

2 長水平段水平井鉆井技術難點分析

（1）摩阻和扭矩大

鉆井液在井筒壁上的摩擦會導致摩阻增大。井筒的尺寸和形狀、地層的性質以及鉆井液的黏度都會影響井筒摩阻，長水平段水平井的井筒長度較長，所以摩阻問題更加顯著。地層中存在井壁陷阱或裂縫可能導致鉆頭卡住或卡死增加摩阻，鉆井液的性能包括黏度、密度、潤滑性等，會影響鉆頭的旋轉和進度，不適當的鉆井液性能可能導致摩阻和扭矩增大。井眼中可能存在各種附著物，如巖屑、泥漿固體、硬盤塊等，這些附著物可能堵塞井眼，鉆頭和鉆桿的磨損會增加扭矩，尤其是在長時間的鉆井操作中。長水平段水平井通常有較大的井深和較大的井斜角度，這會導致更大的重力和摩擦扭矩[4]。

（2）井眼軌跡控制難度大

長水平段水平井可能穿越多個不同性質的地層，包括硬軟交替、不均勻的地層、有陷落帶或斷層等，這些復雜的地質條件會導致井眼軌跡不穩定難以控制，長水平段水平井需要更高性能的鉆頭設計，以確保能夠在復雜的地層中保持穩定的軌跡，不合適的鉆頭設計可能導致鉆頭偏離軌跡。長水平段水平井的井眼穩定性是一個挑戰，井眼壁的崩塌、塌陷或侵蝕可能會導致井眼形狀的變化，從而影響軌跡的控制，使用導向工具和技術來控制井眼軌跡是必要的，但這些工具的性能和準確性對于長水平段水平井尤為關鍵。技術人員需要不斷改進導向工具和技術， 以提高井眼軌跡控制的精度。天氣以及其他環境因素也可能影響井眼軌跡的控制，不穩定的環境條件可能使操作更加困難，長水平段水平井的鉆井需要經驗豐富的技術人員和操作人員，他們必須具備高水平的技術知識和培訓，以應對井眼軌跡控制中的挑戰。

（3）井眼清潔難度大

循環系統的設計和性能對于清潔工作至關重要，鉆井液中的固體顆粒，如巖屑、泥漿固體等，可能會在井眼中沉積和堆積，這會增加泥漿循環的阻力，降低循環效率；而且泥漿中的成分可能發生化學反應，導致泥漿的穩定性問題，包括泥漿的黏度、密度和潤滑性等性質的變化，可能導致井眼不穩定或出現井壁陷阱。在長水平段水平井中，井口液位控制是一個關鍵問題，如果井口液位不穩定或難以控制，可能會導致液壓不足或過高，影響鉆井液的循環，鉆井液循環系統中的管道、接頭和設備可能會發生泄漏，導致泥漿的損失和環境污染風險，泄漏問題需要迅速修復，以確保鉆井的安全性，鉆井液循環系統通常需要進行固液分離，以去除巖屑和固體顆粒[5]。如果固液分離設備失效或效率低下，會導致固體顆粒重新進入井眼，增加井眼清潔難度。鉆井液循環系統中的設備，如泵、攪拌器、懸浮器和過濾器等，可能會出現故障，設備故障可能會導致泥漿循環中斷，需要緊急維修或更換，長水平段水平井中由于地層條件復雜，可能會發生泥漿損失的情況。這會導致井眼清潔困難，并增加鉆井成本。

（4）井壁穩定性問題突出

長水平段水平井的井深通常較大，井眼上方的巖石承受更大的地層壓力，容易導致井壁穩定性問題。長水平段水平井通常要求較快的鉆進速度，這可能導致井壁穩定性問題，因為快速的鉆進可能不給井壁足夠的時間來恢復穩定狀態。低鉆進速度可能會導致鉆井進展緩慢，延長鉆井時間，而高鉆進速度可能會導致井眼穩定性問題、井壁崩塌或鉆頭損壞，高速鉆進可能引發振動問題，如井下工具或設備的振動，這可能導致設備故障、疲勞和損壞，井眼形狀的不規則或扭曲可能導致鉆進速度不均勻，增加鉆頭磨損，鉆井液的性能問題如黏度不穩定或泥漿穩定性問題，可能會影響鉆頭的效率和壽命，鉆井設備的故障或停機可能會導致鉆井速度下降。在長水平段水平井中，常常需要進行壓裂作業以增加產能，壓裂作業可能會對井壁穩定性產生不利影響，因為它會改變地層應力分布。

3 長水平段水平井鉆井技術難點對策研究

（1）鉆井設計優化

首先，進行詳細的地質勘探和數據分析，了解井區的地質情況，包括地層性質、厚度、構造特征等，這有助于確定鉆井液、鉆具和鉆頭的選擇以及井眼穩定性的評估，確定鉆井的目標，包括井深、井斜角、井眼直徑等，根據地質數據和目標，設計井眼的形狀和尺寸，以滿足生產需求和井眼穩定性。根據地質條件和井眼設計，選擇合適的鉆具和鉆頭，不同的地層和井眼形狀可能需要不同類型的鉆具和鉆頭，根據地質條件和井眼設計，設計合適的鉆井液，包括液體密度、黏度、化學成分等。確保鉆井液能夠維持井壁穩定、減小摩阻、冷卻和潤滑鉆頭。進行井壁穩定性評估，以確定是否需要井壁支護或其他穩定措施。這可以通過數值模擬或工程計算來完成，根據地質條件和井眼設計，優化鉆井參數，包括旋轉速度、鉆壓、鉆井液流量等，這有助于提高鉆井效率和降低鉆具磨損。在鉆井過程中，實時監測鉆井參數、井眼狀況和鉆井液性能，根據監測結果，及時調整鉆井計劃，以應對任何突發情況。確保鉆井設計方案符合安全和環保標準，采取措施來減少事故和環境影響，最后對鉆井設計方案進行綜合經濟評估，考慮成本、產能和井眼穩定性等因素，以確定最佳設計方案。

（2）引入井眼軌跡控制技術

常見的井眼軌跡控制技術包括導向鉆井技術、自動井眼軌跡控制技術、導向鉆頭和鉆具、井壁穩定性分析和控制以及實時井眼監測等。導向鉆井技術使用導向工具，如測斜儀和磁傳感器，可以實時測量井眼的方向和傾斜角度，從而控制井眼的軌跡，這使得鉆井師能夠實時調整鉆進方向，以滿足設計要求，該技術需要專業的測斜工具，成本較高，操作復雜，同時如果工具故障或失效，可能會導致井眼偏離軌跡。自動井眼軌跡控制技術使用自動化控制系統，可以根據預定的軌跡要求自動調整鉆進方向，這減少了人為干預的需要，提高了鉆進效率，自動控制系統的部署和維護可能較為復雜，需要高度的技術支持。特殊設計的導向鉆頭和鉆具可以在鉆進過程中控制井眼軌跡，減少漂移，這些工具通常具有改善鉆進穩定性的功能，導向鉆頭和鉆具的成本較高，而且在使用過程中可能會受到磨損和損壞。井壁穩定性分析可以幫助預測井眼穩定性問題，并采取措施來減少井壁崩塌或塌陷，這可以通過調整鉆井液性能、井壁支護和施工計劃來實現，井壁穩定性分析需要詳細的地質和工程數據，并可能需要額外的工程計算。實時井眼監測技術可以提供井眼形狀和穩定性的實時信息，以便鉆井師及時調整鉆進策略，實時監測系統的部署和維護可能較為復雜，成本較高。

（3）引入減阻降摩技術

改進鉆井液性能，選擇合適的鉆井液，調整其密度、黏度和潤滑性等性能，可以有效減小摩阻，提高鉆進效率，需要對鉆井液進行精確的配方和監測，可能會增加成本和復雜性。優化鉆頭設計，特殊設計的鉆頭可以降低鉆頭與井眼之間的摩擦，減小摩阻，高性能鉆頭通常成本較高，而且在使用過程中可能會受到磨損和損壞。降低旋轉速度可以減小井眼摩阻，特別是在軟土層中，但是降低旋轉速度可能會導致鉆進速度下降，增加鉆井時間。合理使用鉆井液添加劑，如潤滑劑和分散劑，可以改善鉆井液性能，減小摩阻，需要根據具體的地質條件和井眼形狀選擇適當的添加劑。改進井壁穩定性，減少井壁塌陷或崩塌，降低了鉆頭與井眼之間的摩阻，這需要詳細的井壁穩定性分析和可能的支護措施。采用液氣兩相鉆井技術，該技術可以通過將氣體注入鉆井液中來降低摩阻，提高鉆進效率，但是需要專門的設備和技術支持成本較高。

（4）合理配置鉆井液

根據地質條件和井眼穩定性需求，選擇合適的鉆井液類型，常見的鉆井液類型包括水基鉆井液、油基鉆井液和液氣兩相鉆井液，每種類型都有其適用的地質條件和性能特點，根據井眼的地質情況和井深，調整鉆井液的密度，密度過大可能導致井壁穩定性問題，密度過小則可能發生井眼垮塌，密度的選擇要綜合考慮井眼穩定性和鉆井液性能。鉆井液的黏度會影響到井眼的清潔和潤滑鉆頭，根據井眼的直徑和地質條件，優化鉆井液的黏度，以確保井眼的清潔和鉆頭的潤滑，鉆井液中添加潤滑劑可以減小鉆頭與井眼之間的摩擦，提高鉆進效率，分散劑可幫助分散和穩定固體顆粒，防止井眼壁塌陷。鉆井液中的飽和度是指液體中溶解氣體的濃度，合理控制飽和度可以減小井眼中氣體的釋放，降低井眼垮塌的風險，監測和控制鉆井液中的化學物質，以確保其穩定性和性能，特別是鉆井液中的鈣、鎂、鉀等離子的濃度，可能會對井眼穩定性產生重要影響。在鉆井過程中實時監測鉆井液的性能和井眼情況。根據監測結果，及時調整鉆井液的配方和性能，以應對任何問題或挑戰，考慮環保因素，選擇環保型的鉆井液，減少對環境的不良影響。

4 結束語

長水平段水平井技術的應用可以大幅提高油氣資源的開發效率，但是受到多方面因素的聯合影響，導致該項技術在使用的過程中面臨眾多的難點問題，這些難點問題的存在對于油氣資源開發領域的發展產生了重要影響，因此，需要根據難點問題出現的原因，采取多種類型的解決策略，進一步推廣和使用長水平段水平井技術，間接推動我國油氣資源開發領域的發展。