石油工程專升本畢業(yè)設計（論文）-大位移鉆井技術與分析

中國石油大學（華東） 現(xiàn)代遠程 教育 畢業(yè)設計（論文） 題目 ： 大位移鉆井技術與分析 年級專業(yè)層次： 中原 07秋石油工程專升本 學生姓名： XXX 學 號： XXXXXX 指導教師 ： XXX 職 稱： 教授 導師單位 ： 中國石油大學（華東）石油工程學院 中國石油大學（華東）遠程與繼續(xù)教育學院 論文完成時間： 2006 年 6 月 10 日 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 1 中國石油大學遠程與繼續(xù)教育學院 畢業(yè)設計（論文）任務書 發(fā)給學員 XX 1設計 (論文 )題目： 大位移鉆井技術與分析 2學生完成設計 (論文 )期限： 2009 年 6 月 15 日 3設計 (論文 )課題要求： 1）調研分析國內外大位移鉆井技術的差距 2）分析大位移鉆井技術的難點 3）研究大位移鉆井技術所需的工具與儀器 4實驗（上機、調研）部分要求內容： 無。 5文獻查閱要求： 1）查閱 大位移鉆井技術開發(fā)的相關資料 2） 查閱大位移鉆井技術的設備與與相關技術的各種資料 6發(fā)出日期： 2009 年 2 月 19 日 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 2 7學員完成日期： 2009 年 6 月 10 日 指導教師簽名： 學 生 簽 名： XXX 附注 1、任務書應附于完成的設計（論文）中，并與設計（論文）一并提交答 辯委員會； 2、除任務書外，學生應從指導教師處領取整個設計（論文）期間的工作 進度日程安排表（包括各階段的工作量及完成日期）； 3、任務書須由指導教師填寫。 審批意見： 系主任簽名： 年 月 日 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 i 摘 要 大位移鉆井技術 是 目前世界上最先進的鉆井技術 之一 ,它已成為海上和灘海油田勘探開發(fā)最有效的手段。它能夠大范圍地控制含油面積和提高油氣采收率 ,降低油田開發(fā)成本 ,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。文章介紹了國內外大位移鉆井技術的現(xiàn)狀 ,大位移井的關鍵技術和發(fā)展趨勢 ,分析對比了國內大位移鉆井技術存在的差距和應努力的方向。 關鍵詞 :大位移井鉆井技術 ； 井眼剖面 ； 扭矩 ； 摩阻 ； 旋轉導向 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 ii 目 錄 前 言 . 1 第 1 章 大位移井的概況分析 . 3 1.1 大位移井的基本概念 . 3 1.2 大位移井的特點 ,難點及用途 . 3 1.2.1 大位移井的特點 . 3 1.2.2 大位移近水平井的鉆井難點 . 4 1.2.3 大位移井的用途 . 4 第 2 章 大位移井的發(fā)展狀況 . 6 2.1 世界上鉆大位移井成熟的配套技術主要表現(xiàn)在 . 6 2.2 國內大位移井發(fā)展現(xiàn)狀 . 6 第 3 章 大位移井的關鍵技術 . 8 3.1 管柱的摩阻和扭矩 . 8 3.1.1 鉆柱扭矩和摩阻力的計算 . 8 3.1.2 減小管柱扭矩和摩阻的措施 . 10 3.2 鉆柱設計 . 11 3.3 軌道設計 . 13 3.4 井壁穩(wěn)定 . 13 3.4.1 影響大位移井井壁不穩(wěn)定的因素 . 13 3.5 井眼清洗 . 15 3.6 固井完井 . 16 3.7 軌跡控制 . 18 3.8 裝備配套要求 . 18 第 4 章 大位移井鉆井工具與儀器 . 20 4.1 變徑穩(wěn)定器 . 20 4.2 旋轉導向系統(tǒng) . 20 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 iii 4.3 加長 /串聯(lián)馬達 . 21 4.4 地質導向鉆井系統(tǒng) . 21 4.5 隨鉆測量 (井 )與錄井工具 (MWD/LWD) . 22 4.6 減摩接頭 . 23 4.7 鉆壓推加器 . 24 4.8 頂部驅動裝置 . 24 致 謝 . 28 參考文獻 . 29 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 1 前 言 隨著定向井、水平井鉆井技術的發(fā)展，出現(xiàn)了大位移井，大位移井一般是指井的 水平 位移與井的垂深之比等于或大于 2 的定向井。 大位移鉆井技術 在邊際油田的開發(fā)，特別是在海洋石油開發(fā) 中，具有廣闊的應用前景。在我國海上已 發(fā)現(xiàn)油田構造和油氣田 112 個，其中在 1000 萬噸以下的邊際小油氣田 67 個，因此利用已有海上生產裝置，運用大位移鉆井技術，可以有效地 對周邊油田實施開發(fā)，從而節(jié)省昂貴的海上油田開發(fā)費用，為有效益地開發(fā)一些小的斷塊油田、邊際油田開辟了一條嶄新的途徑，并具有極為廣闊的應用。 所以大位移井實際上是定向井、水平井、深井、超深井技術的綜合體現(xiàn)，因此大位移井鉆井技術實際上體現(xiàn)了目前世界上各個方面的最先進鉆井技術。 研究大位移鉆井的目的和意義 ： 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術發(fā)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技術的發(fā)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(fā)展起來。 國內 先后在勝利、中原 、大港等油田鉆成數(shù)口位移超千米的定向井。進入 20 世紀 九十年代后，隨著鉆井技術的提高，大位移井發(fā)展的更為迅速。大位移井最早應用是出于經(jīng)濟上的考慮，主要思想是利用現(xiàn)有平臺或陸地開發(fā)邊際油田，使原先不具備商業(yè)開采價值的小油田通過大位移技術能夠達到有效地開發(fā)和利用。推動大位移 井向前發(fā)展的主要動力來自于高效開發(fā)邊際油田。 可以發(fā)現(xiàn)采用大位移鉆井技術可以大大降低開發(fā)成本 .中國海洋石油總公司在其所屬的勘探開發(fā)范圍內，已發(fā)現(xiàn) 109 個油氣田，其中大油田 4 個，中型油田 40 個，小型油田 65 個 。 局部構造是成群成帶分布 :渤西、渤南、南 海的涸西南。這些局部的小構造有望通過大位移井鉆井技術得到開發(fā) 。 勝利油田和大港油田在淺海區(qū)域己經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個有利的含油氣圈閉，并且也已經(jīng)成功鉆成水平位移為 2km 左右的定向井、水平中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 2 井 .由此可見，在 我國海灘、淺海及中深海域，采用大位移井進行勘探和開發(fā)具有十分廣 闊的應用前景。大位移鉆井技術是定向井水平井技術的延續(xù)，但又在很多方面對鉆井完井技術提出了更高的要求。其關鍵技術包括井壁穩(wěn)定技術、軌跡及鉆柱的優(yōu)化設計技術 、摩阻扭矩預測與監(jiān)測技術、旋轉導向鉆井技術 、數(shù)據(jù)的測量及采集技術、完井工藝技術。一些技術代表了當今世界上最先 進的鉆井技術水平。跟蹤和研究這些技術對提高我國鉆井技術的整體水平具有極其重要的意義 。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 3 第 1 章 大位移井的概況分析 1.1 大位移井的基本概念 大位移井是在定向井、水平井技術之后又出現(xiàn)的一種特殊工藝井，英文 名稱 為 ERw(ExtendedReachwell) ， 大 位移 鉆 井 技術 稱ERD(ExtendedReachDrilling)。顧名思義，大位移井具有很大的水平位移和很長的高井斜穩(wěn)斜井段。正是由于這一特征，即大井斜、長井段下的突出的重力效應，帶來了大位移井的一系列技術難點和特點，具體 表現(xiàn)在鉆井工藝、固井工藝、井下工具和儀器等諸多方面。大位移井的定義一般是指井的水平位移與井的垂深之比等于或大于 2 的定向井。水平位移與垂深之比的定義美國公司和英國公司用得較多，這種定義從垂直剖面上看較直觀，也比較確定 1。大位移井具有很長的大斜度穩(wěn)斜段，大斜度穩(wěn)斜角稱穩(wěn)航角 (sailAngle)，穩(wěn)航角大于 60。由于多種類型油氣藏的需要，從不變方位角的大位移井，又發(fā)展了變方位角的大位移井，這種井稱為多目標三維大位移井 (DesignerWel)。 1.2 大位移井的特點 ,難點 及用途 1.2.1 大位移井的特點 大 位移井用于優(yōu)化海上和淺海油田的開發(fā)，對于淺海油田，可以從海邊或修建堤壩鉆大位移井來開采油藏，這樣可以減少開發(fā)這些油藏所需的平臺數(shù)量及油井數(shù)量，增加儲層裸露面積，從而增加油井的產量和采收率，主要有以下特點 3: 1）水平位移大。因此能較大范圍地控制含油面積，開發(fā)相同面積的油田可以大量減少陸地及海上鉆井的平臺數(shù)量 。 2)鉆穿油層的井段長?？梢允褂筒氐男褂兔娣e增大，大幅度提高單井產量?；谶@種巨大的經(jīng)濟利益，大位移井技術才得以迅速發(fā)展。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 4 3)摩阻和扭矩大。由于大位移井位移較大，導致鉆進過程中摩阻和扭矩較大，因此 很有必要對大位移井進行優(yōu)化設計。 1.2.2 大位移近水平井的鉆井難點 1)區(qū)塊復雜，著陸控制、穩(wěn)斜段長控制難度大； 2)對鉆井裝備、鉆井液設備要求高； 3)鉆具、監(jiān)測工具、儀器等針對性強，技術含量高； 4)要求鉆井液有很強的潤滑性、懸浮能力和攜砂能力，并能保持井眼穩(wěn)定； 5)對防噴、防漏和保護油氣層、固井質量、完井技術的要求高； 6)井下惡劣條件與隨鉆測量儀器和動力鉆具使用的矛盾十分突出； 7)井眼軌道的預測、控制難度大，需要有高質量的應用軟件和高素質的工程技術人員。 1.2.3 大位移井的用途 大位移井應用 是出于經(jīng)濟的考慮，如美國在加州享廷海灘，是從陸上鉆大位移井開發(fā)海上油田。挪威北海西 sleiPner 油田，用大位移井代替原來的開發(fā)方案，節(jié)約了 10 億美元。美國 Pedemales 油田，用大位移井代替原來建鉆井平臺的方案，節(jié)約 1 億美元。英國的 wytchFaIm 油田，在岸上鉆大位移井，代替原來的建人工島方案，節(jié)約費用 1.5 億美元。 鉆大位移井的主要優(yōu)點為 : (1)用大位移井開發(fā)海上油氣田，大量節(jié)省費用。開發(fā)海上油氣田，用常規(guī)定向井、水平井鉆井，需要建的人工島或固定平臺的數(shù)量多，打井也多，花錢多，如果鉆大位移井，就可 少建人工島或固定平臺，少打井，可節(jié)省大量投資。 (2)靠近海岸的油田，可鉆大位移井進行勘探、開發(fā)。過去開發(fā)這類油田，需要建造人工島、固定鉆井平臺，或用活動鉆井平臺鉆井?，F(xiàn)在凡距海岸 IOkm 左右的近海油田，均可使用大位移井進行勘探、開發(fā)。這樣，中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 5 可以不建人工島或固定平臺，也可以不用活動鉆井平臺設備，完全可以從陸上向海上鉆大位移井勘探、開發(fā)油田，從而節(jié)省大量投資。 (3)不同類型油氣田鉆大位移井可提高經(jīng)濟效益 .小斷塊的油氣田，或幾個不相連的小斷塊油氣田，可鉆 1 口或 2 口大位移井開發(fā)，少鉆不少井，節(jié)省投資，便于管理 ;對于幾個油田，油氣層不在同一深度，方位也不一樣，這時可鉆多目標三維大位移井，節(jié)省投資。 (4)使用大位移井可以代替復雜的海底井口開發(fā)油田，節(jié)省海底設備，節(jié)省大量投資。 （ 5）有些油氣藏在環(huán)保要求高的地區(qū)，鉆井困難。利用大位移井可以在環(huán)保要求不太高的地區(qū)鉆井，以滿足環(huán)保要求。 所以說大位移鉆井技術的開發(fā)應用對我過石油事業(yè)的發(fā)展有重大意義 。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 6 第 2 章 大位移井的發(fā)展狀況 2.1 世界上鉆大位移井成熟的配套技術主要表現(xiàn)在 (1)世界上每年鉆成的大位移井數(shù)量成倍增加 ,并且鉆井周期越來越短 ,鉆井成本明顯降 低。 (2)控制實鉆軌跡的手段更加先進 ,測量儀器錄取數(shù)據(jù)也由單一的井身參數(shù)向地質參數(shù)和油藏特性描述等多方面發(fā)展。 (3)研制成鉆大位移井的多種井下工具系列。 (4)已形成保持井壁穩(wěn)定和井眼清潔的鉆井液體系。 2.2 國內大位移井發(fā)展現(xiàn)狀 我國在大位移井鉆井技術方面 ， 20 世紀 80 年代中期開始鉆井探索 ,20世紀 90 年代末期有了一定進展。中海石油有限公司深圳分公司南海西江邊際油田開發(fā) ,對大位移井關鍵技術進行了深入研究 ,形成了大位移井開發(fā)工程計算和工藝技術。針對 XJ24-1 油田的開發(fā) ,已成功地鉆成了 5 口大位移井 ,其 中 A14 井的水平位移達到了 8063m,創(chuàng)造了當時的世界記錄。截至 2002 年 6 月底 ,XJ24-1 油田實際利潤與政府稅收綜合已超過 20 多億人民幣。勝利油田從 80 年代 末 對大位移鉆井進行了積極探索 ,2000 年 3 月完成的埕北 21-平 -1井 ,完鉆井深 4837.40m,水平位移達到 3167.34m,是當時國內陸上油田完成的水平位移最大的一口井。我國的大位移井技術與國外先進水平相比 ,存在相當大的差距 ,鉆一口水平位移 3000m 左右的大位移井 ,與國外鉆一口水平位移 10000m 的鉆井速度相當。尤其是在鉆井技術裝備上 :鉆機、高強度 鉆具、專用井下工具、測量儀器 ,基本上依賴進口 ,我國的大位移井技術還有很長的路要走 2。 對井下工具、儀器和裝備的要求，表現(xiàn)在 10 個方面 : (1)選好鉆機，克服大摩阻，保證鉆出長井段。 (2)選好鉆井泵，保證排量，清潔井眼，降低摩阻。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 7 (3)選好驅動裝置，保證井眼質量。 (4)選好鉆井方式，提高鉆速，減小摩阻和井下作業(yè)時間。 (5)選好鉆井工具，保證有足夠扭矩克服摩阻鉆出長井段。 (6)選好測控系統(tǒng)，保證測量傳輸導向能力，控制好軌跡。 (7)選好井下工具，保證鉆頭加上足夠鉆壓，快速鉆進。 (8)助選好井下工 具，減少摩阻與套管磨損。 (9)選好鉆井液，減少摩擦，增大攜屑能力。 (10)選好下套管方法，保證順利下入和居中。 總而言之，這一系列要求的核心在于，用工程手段 (工藝、工具、儀器、裝備 )，克服大摩阻，提高鉆速，減少作業(yè)時間，保證成功，兼顧成本。而我國的技術與國外技術差距很大 4。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 8 第 3 章 大位移井的關鍵技術 3.1 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摩阻和扭矩增大是非常突出的問題，它是限制位移增加的主要因素。管柱的摩阻和扭矩是指鉆進時鉆柱的摩阻和扭矩，下套管時 套管的摩阻和扭矩。 3.1.1 鉆柱扭矩和摩阻力的計算 為簡化計算，作如下假設： 在垂直井段，鉆柱和井壁無接觸；鉆柱與鉆井液之間的摩擦力忽略不計； 在斜井段，鉆柱與井壁的接觸點連續(xù)，且不發(fā)生失穩(wěn)彎曲。計算時，將鉆柱劃分為若干個小單元，從鉆柱底部的已知力開始逐步向上計算。若要知道鉆柱上某點的扭矩或摩阻力，只要把這點以下各單元的扭矩和摩阻力分別疊加，再分別加上鉆柱底部的已知力。 鉆柱扭矩的計算 在斜井段中取一鉆柱單元，其受力狀態(tài)單元所處的井斜角和方位角分別為和，單元鉆柱底部的扭矩為 M，拉力 T。 該單元的扭矩 增量為 rRFM （ 3-1） 式中 M 鉆柱單元的扭矩增量， N m; R 鉆柱的半徑， m; rF 鉆柱單元與井壁間的周向摩檫力， N 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 9 該單元上端的扭矩為 （ 3-2） 式中 jM 從鉆頭算起，第 j 個單元的上端的扭矩， N m; oM 鉆頭扭矩（起下鉆時為零）， N m； iM 第 i 段的扭矩增量， N m。 鉆柱摩阻力的計算（轉盤鉆） 轉盤鉆進時，鉆柱既有旋轉運動，又有沿井眼軸向運動，因此，鉆柱表面某點的運動軌跡實為螺線運動。在斜井段中 取一鉆柱單元，如圖 3-1。圖 3-1 中， V 為鉆柱表面 C 點的運動速度， Vt 和 Vr 分別為 V 沿鉆柱軸向和周向的速度分量； F 為 C 點處鉆柱所受井壁的摩擦力，其方向與 V 相反；Ft， Fr 分別為 F 沿鉆柱軸向和周向的摩擦力的分量，即鉆柱的軸向摩擦力和周向摩擦力。 圖 3-1 鉆柱摩阻力 由圖 3-1 可知： C Fr F Ft Vr Vt V ji ioj MMM 1中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 10 VVFVF rtstt 22/ (3-3) VVFVF rtsrr 22/ (3-4) 22 rt FFF (3-5) fNFS (3-6) 式中 SF 鉆柱單元的靜摩擦力， N； f 摩擦系數(shù)； N 鉆柱單元對井壁的擠壓力， N。 3.1.2 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，在大位移井的設計與施工中要采取各種必要的措施。 (1)優(yōu)化井身剖面 選擇管柱摩阻最小的井身剖面。 (2)增強鉆井液的潤滑性 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。 (3)優(yōu)化鉆柱設計 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。 (4)使用降扭矩工具 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 11 使用不轉動的鉆桿護箍 和減摩接頭 可有效地減小扭矩。 （ 5） 使用滾輪式套管扶正器 使常規(guī)的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。 （ 6）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，這種方法可使套管的法向力大大降低。 （ 7）提高地面設備的功率 （ 8）使用頂部驅動系統(tǒng) 起下鉆時可適當旋轉鉆柱，改變摩阻方向 (倒劃眼時要特別謹慎 ) 10. 3.2 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 8。 1、 鉆柱設計應考慮的因素 （ 1）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(huán)空間隙和減少鉆柱與井壁直接的接觸面積 （ 3）盡量減少絲扣連接的數(shù)量； （ 4）采用井下可調穩(wěn)定器； （ 5）盡量減少在大斜度井段使用加重鉆桿的數(shù)量 ； （ 6）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(fā)生彎曲。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 12 2、鉆壓設計 大位移井的鉆柱設計主要是鉆壓設計。在直井段底部和彎曲井段，鉆柱的彎曲是不可避免的。在斜井段，可通過底部鉆具的足夠重量給鉆頭施加足夠的鉆壓來避免鉆柱的彎曲。為減少鉆柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部鉆具組合可部分的或全部 的使用加重鉆桿施加鉆壓。 若用常規(guī)鉆桿對鉆頭施加鉆壓，要考慮鉆桿的彎曲問題。設計的原則是鉆桿某點受到的壓力載荷，不應超過鉆桿的臨界彎曲載荷。在大斜度井中，井斜角有利于鉆桿的穩(wěn)定性，所以鉆桿在直井中的臨界彎曲載荷適用于大斜度井。在直井中，鉆桿的臨界彎曲載荷用下式計算， （ 3-7） 式中 FCRIT 臨界彎曲載荷 ， lb； E 楊氏模量 ， psi； I 慣性矩 ， in4； W 鉆桿在空氣中的重量 ， lb/ft； BK 浮力系數(shù)，無因次 ； 井斜角 ，度； R 鉆桿和井眼間的徑向間隙 ， in 上式提供了加重 鉆桿在直井中施加鉆壓 的限制范圍。鉆桿所受的壓力與上式計算的臨界彎曲載荷相比，可以確定鉆桿是否發(fā)生彎曲，如果發(fā)生彎曲，則要降低鉆壓，或更換具有更大的臨界彎曲載荷的鉆桿。 如上所述，鉆桿所能施加的鉆壓可由下式確定， RE I W KF BC RI Ts in2中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 13 BSCR IT WFWOB (3-8) 式中 WOB 設計鉆壓； BSW 鉆桿的浮重。 3.3 軌道設計 軌道設計的原則 ： 大位移井軌道設計，要求對所有參數(shù)進行優(yōu)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，并能盡量增大大位移井的延伸距離 8。 國外大位移井 井身剖面的主要類型： （ 1）增斜 穩(wěn)斜剖面 。 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。 （ 2）小曲率造斜剖面 。 這種剖面的特點是造斜點較深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且隨目標深度的增加，旋轉扭矩的增幅較小。 （ 3）準懸鏈線剖面 。 準懸鏈線剖面有許多優(yōu)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），而且使套管的下入重量增加。目前這種剖面在大位移井中廣為應用 8。 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 線剖面的扭矩和摩阻小 。 3.4 井壁穩(wěn)定 3.4.1 影響大位移井井壁不穩(wěn)定的因素 （ 1）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壓力來防止井壁坍塌。與此同時，井壁出現(xiàn)裂縫的可能性也增加了。簡言之，防止井壁中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 14 坍塌的鉆井液密度范圍較小。 （ 2）當量循環(huán)密度高（ ECD） 大位移井井眼長，鉆井液循環(huán)時環(huán)空壓降大，而鉆井液密度工作范圍窄，高的當量循環(huán)密度容易達到井壁的破裂壓力，而使井壁破裂。 （ 3）抽吸壓力和激動壓力在大位移井中，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。 （ 4）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 下，非穩(wěn)定性尤為明顯，常常會造成許多井下事故 （ 5）化學反應鉆井液和地層間的化學作用也影響井壁穩(wěn)定性，水基鉆井 液和油層上部的泥頁巖經(jīng)常發(fā)生強化學反應，泥頁巖膨脹 造成縮徑或井壁坍塌 7。 3.4.2 井壁穩(wěn)定性機理 （ 1）井眼（井壁）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）、最大水平應力 SH 和最小水平應力 Sh， 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 SZ、周向應力 S和 徑向應力SR,如下圖 3-2。 圖 3-2 地應力變化圖 （ 2）巖石的破壞 Sv SH SZ SR S Sh 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 15 1）壓縮破壞當作用于巖石上的壓力大于巖石的抗壓強度時產生壓縮破壞。 2）拉伸破壞當作用于巖石的拉力大于巖石的抗拉強度時產生拉伸破壞 .(巖石力學規(guī)定壓應力為正，拉伸應力為負。 ) （ 3）巖石的破壞在井筒內的表現(xiàn)形式 1）巖石的壓縮破壞在井筒內表現(xiàn)為井壁坍塌。 2）巖石的拉伸破壞在井筒內表現(xiàn)為井壁破裂。 （ 4）大位移井眼的不穩(wěn)定性。 隨著井斜的增加，井壁的不穩(wěn)定性增加。井眼由 垂直變?yōu)樗健?其應力狀態(tài)的變化如下圖 3-3 圖 3-3 應力變化圖 3.5 井眼清洗 大位移井同其它類型井一樣，好的井眼清洗和凈化，有利于提高鉆速、中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 16 降低摩阻和扭矩、縮短作業(yè)時間、節(jié)省鉆井費用等。 提高井眼清洗效率的措施 5 （ 1）高泵排量和環(huán)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(yōu)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。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(huán)，可以增大鉆桿尺寸來增加給定泵壓下的環(huán)空 返速 。 （ 2）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，因為過渡流的攜巖能力差。在砂巖油層井段可能會發(fā)生漏失，鉆井液流變性應保持較低值，以降低當量循環(huán)密度。 （ 3）鉆具轉動 由于大位移井的位移不斷增加，井眼的最優(yōu)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。 （ 4）固相控制 在大位移井中，鉆屑將在環(huán)空鉆井液中長期滯留，使鉆屑變的更細，更難以攜帶，如要鉆井液保持良好狀態(tài)，就必須有良好的固相控制設備。 3.6 固井完井 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(lián)接部分需要有較高的抗彎能力，而且在下套管作業(yè)中，聯(lián)接部分要求有足夠中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 17 的抗拉強度 5。 1、井身結構設計 10 井身結構設計要考慮以下幾個問題 井身結構必須滿足完井設計要求。 生產井段的井眼應盡可能大，以利于隨鉆測井工具的下入。 井身結構不能防礙優(yōu)質固井。 2、套管柱的聯(lián)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。 （ 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。 3、在大斜度井眼中下套管 在大斜度井中下套管，使套管下入的動力（套管自重）本來就很小，而且還要用來克服阻力，所以要在地面采取有效措施，幫助管柱下入。 采取的主要措施有： 接鉆鋌，靠鉆鋌的重量將管柱推進；或靠頂驅的重量將管柱推進；用滾輪式套管扶正器；調整泥漿性能，減小摩阻；在套管內充填輕流體或氣體，以減小摩阻。 4、注水泥考慮的問題 由于大位移井的井壁應力，使鉆 井液密度工作范圍狹窄，下套管時的激動壓力和注水泥時的循環(huán)壓降容易引起井壁破裂，發(fā)生循環(huán)漏失，所以要特別注意鉆井液、前置液和水泥漿的特性。 下套管前要部分地稀釋鉆井液，以防下套管引起過大的激動壓力；注水泥前要徹底稀釋鉆井液，以防注水泥時的循環(huán)壓降過高。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 18 最好使用非加重前置液，這樣可降低 ECD，但要注意井壁穩(wěn)定問題。在保證井內靜液柱壓力的前提下，應盡量增大非加重前置液的用量。 要控制水泥漿的自由水含量（自由水含量最好為零），優(yōu)化水泥漿的稠化時間，保證水泥漿的穩(wěn)定性，防止固井竄槽 9。 3.7 軌跡控制 保 鉆井液的凈化效果。 (1)大位移井要求旋轉模式鉆進。在大位移井鉆進作業(yè)中 ,要求滑動鉆進的層段和次數(shù)要降到最少。如 WF 油田在 445mm 井眼 ,旋轉鉆進的進尺從60%增加到 70%。 (2)井下可變徑穩(wěn)定器。使用可變徑穩(wěn)定器 (HVGS)有助于旋轉鉆進。在南海西江 24-3-A14井中用的可變徑穩(wěn)定器 ,調節(jié)范圍從 12 7mm到 31 75mm。它與 MWD 系統(tǒng)配合使用 ,井下可變徑穩(wěn)定器接到地面指令后啟動控制裝置 ,使翼片外廓直徑在設計調整范圍內變動。 (3)旋轉導向鉆井系統(tǒng)。旋轉導向鉆井系統(tǒng)的應用已成為鉆大位移井的關鍵技術 6。 3.8 裝備配套要求 根據(jù)國外成功的經(jīng)驗 ,大位移井適合海上和灘海油氣田的勘探與開發(fā) ,這樣 ,鉆井設備應選擇負荷能力較大、操作性能較好的電動鉆機 ,并安裝頂部驅動系統(tǒng) ,液力系統(tǒng)要配備大功率鉆井液泵 ,保證大排量和高泵壓的循環(huán)能力 ,固控設備應選用高性能設備 ,確 旋轉導向鉆井系統(tǒng)是多種新技術新工藝的完美結合 ,是一種全新的鉆井系統(tǒng) ,已在大位移井中廣泛應用。 國外大位移井的發(fā)展方向不再以增大位移與垂深比為主要目標 ,而是采用先進的導向鉆井系統(tǒng)、優(yōu)質鉆井液、先進的工具和工藝技術 ,以提高施工速度和軌跡控制精度 ,減少事故 ,降低 成本為主要發(fā)展方向。 由于我國在大位移井方面起步較晚 ,與世界先進水平相比還存在很大中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 19 差距 ,根據(jù)內陸油田現(xiàn)有裝備及技術水平 ,大位移井鉆井技術試驗可分為兩個階段。第一階段利用現(xiàn)有裝備、工具、儀器和技術增加少量的裝備、工具配套進行 4000m-5000m 位移井的試驗研究 ,完成幾口中國特色的大位移井 ;第二階段引進包括頂驅在內的先進設備、工具、儀器和技術完成幾口位移垂深比大于等于 2 的大位移井 ,形成一 套自己的大位移井鉆井技術 7。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 20 第 4 章 大位移井鉆井工具與儀器 4.1 變徑穩(wěn)定器 (1)功能 通過遙控 (或井下自控 )方式，調整穩(wěn)定器的外徑，從而調整 BHA 的力學特性，達到不起下鉆調整井斜角的目的，節(jié)約輔助時間。 (2)控制方式 遙控：正排量，負排量，投球式，鉆壓式，時間 排量， 閉環(huán)：自動調整 (反饋，比較，執(zhí)行 ) (3)結構舉例 1)法國的 VARISTAB 2)我國自行研制的正排量可變徑穩(wěn)定器 3)Halliburton 的 TRACE 閉環(huán)變徑穩(wěn)定器 4)Sperry-Sun 的 AGS 可調變徑穩(wěn)定器 4.2 旋轉導向系統(tǒng) (1)功能 是一個井下閉環(huán)變徑穩(wěn)定器與測量傳輸儀器 (MWD/LWD)聯(lián)合組成 的工具系統(tǒng)，以旋轉鉆進方式，可以自動調節(jié)井斜和方位，造斜能力一般為8/30m 以下 (長半徑范圍 )，特別適合用來鉆大位移井的長穩(wěn)斜段。 (2)典型產品介紹 BakerHughes： AutoTrack(RCLS)RotaryClosedLoopDrillingSystem Shlumberger： PowerDriveSystem Sppery-Sun:Geopilot 特性和優(yōu)點 (以 AutoTrak 為例 ) 以旋轉方式鉆進，減少滑動摩阻，提高鉆深能力 井眼光滑，減少事故因素 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 21 穩(wěn)定器的活塞按程序交替引縮，可較 好地控制井眼方向 適于鉆大位移井穩(wěn)斜段，鉆速較快 不適于鉆中曲率井段及應急調整導向 。 4.3 加長 /串聯(lián)馬達 (1)串聯(lián)馬達 用萬向軸 (鈦連接桿 )把兩個馬達連接，扭矩可成倍增加 馬達結構尺寸不變，排量不變，轉速不變 p 增加，立管壓力增加 (2)加長馬達 不用連接軸連接兩個馬達，而是把馬達的定 /轉子副尺寸加長，級數(shù)加多，如由 4 級增大為 6 級，扭矩即可按比例增加。 4.4 地質導向鉆井系統(tǒng) (1)地質導向的定義 國際上目前對此尚無權威性定義 國外一種定義 :用地質準則來設計井眼的位置。 我們的定義 :用近鉆頭 地質、工程參數(shù)測量和隨鉆控制手段來保證實際井眼穿過儲層并取得最佳位置。 (2)地質導向系統(tǒng)的組成 (以 IDEAL 為例 ) 用戶圖像顯示屏 、 司鉆屏 、 安全屏 、 遠距離通訊 、 Anadrill 鉆井制圖中心制作的詳細鉆井圖 、 深度和其它地面?zhèn)鞲衅?(排量、泵壓 )、 碎屑和泥漿氣測值分析 、 補償密度、中子 、 脈沖 10 字節(jié) /秒隨鉆遙測 、 DWOB 鉆壓、扭矩 、 CDR 補償雙電阻率 、 PowerPak 導向馬達 、 GST 地質導向 、GEOdrilling 地質鉆井、近鉆頭電阻率 . (3)地質導向系統(tǒng)在國外的應用效益 有資料表明，地質導向鉆井系統(tǒng)問世后，在 19931995 年的 3 年中，已被 13 家公司用于歐洲和非洲 6 個國家的近 50 口井，累計進尺超過 20中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 22 英里 (32187m)，取得了顯著技術效果和重大經(jīng)濟效益。 IDEAL 系統(tǒng)已在北海獲得了成功應用，鉆成幾口復雜的水平井 . 在墨西哥灣的某一油田，先前所鉆 8 口井的總產量僅為 923 桶 /天；后來， Anadrill 公司應用地質導向技術在該油田鉆成一口高質量的水平井，日產原油達 1793 桶，使這一枯竭的油田得 以 重新復活 。 在英國 BP 公司 WytchFam 油田，地質導向系統(tǒng) (測傳馬達 )與變徑穩(wěn)定器 (位于測傳馬達上部 )配合使用鉆大位移 井，幾乎全部實現(xiàn)了旋轉鉆進，提高鉆速和井身質量，大大減少了井下事故和風險 。 在英國北海 Texaco 的一口開發(fā)井中使用地質導向工具 (測傳馬達 )，至少避免了兩次側鉆：井場地質師用近鉆頭方位伽瑪射線確定井眼上下是否遇到泥巖，通過正確的導向控制將井眼扭回砂巖儲層 。 KerrMcGee 所鉆的一口井表明，由于地質導向系統(tǒng)的近鉆頭電阻率的作用，比原有技術 (電阻率傳感器在馬達上部 )多獲得 14%的產層進尺 7。 4.5 隨鉆測量 (井 )與錄井工具 (MWD/LWD) 表 4-1 測量工具與測量項目分類 MWD(隨鉆測量 ) 井斜，方 位，工具面角，鉆壓，扭矩， 射線，振動，管柱每分轉速 CDR(雙側向補償電阻率 ) 淺層電阻率 RFS，深層電阻率 RAD， 射線，環(huán)空壓 ARC(陣列式補償電阻率 ) 測量項目類似 CD ADN(方位密度中 子 )/CDN(補償密度中子 ) 中子，孔隙度，密度，方位，成像測井 ISONIC(聲波 ) 聲波 GST(地層導向測井 ) 鉆頭傾斜角，鉆頭電阻率，環(huán)形電阻率，射線，液馬達轉速 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 23 續(xù)表 4-1 RAB(近鉆頭電阻率 ) 側向電阻率， 射線，成像測井 AIM(鉆頭傾角測量 ) 可配合 GST 使用 脈沖檢波和數(shù)據(jù)資 料獲取速度在快速鉆井條件下平均每英尺取樣 2次，從脈沖信號取得數(shù)據(jù)資料可以達到與電測等效鉆速達 60m/hr 時，資料數(shù)據(jù)校正速率需要 10 秒連續(xù)波檢波 4.6 減摩接頭 (1)功能 接入鉆柱串中，使鉆柱在其中旋轉，而接頭與套管無相對轉動，避免了鉆柱對套管的直接磨損，保護了套管和鉆柱。由于大位移井摩阻大，井段長，作業(yè)時間長，磨損問題十分突出。 (2)典型產品 非旋轉鉆桿護箍 (NRDPP) 鉆桿軸承短節(jié) (DPBS) 低扭矩短節(jié) 低扭矩鉆桿 DSTR 短節(jié) ROTOTECFRICTIONREDUCERS (3)應用效果 (以 NRDPP 為例 要安裝在彎曲井段的側向接觸點處，形成新支點 ， 合理選型，工具接頭外徑要大于鉆桿接頭外徑。如 5DP(接頭 6-5/8)，應選 7-1/4(NRDPP) 套裝在距鉆桿公扣 0.61m 處 實際溫度限制 350F(176.7C) 標準側向載荷 2000lb(8.9kN) 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 24 可使摩擦扭矩減少 1030%，減少套管 /鉆柱磨損 減少鉆柱振動 (裝 10%護箍，減少鉆桿渦動 10%) 4.7 鉆壓推加器 (1)功能 通過液壓機構，可保證鉆頭上能夠加上鉆壓；減小沖擊和振動；提高機械鉆速。 (2)結構原理 在開泵時逐步 外伸，產生進尺，停泵時縮回。 (3)效果 能使鉆頭加上較恒定的鉆壓，提高機械鉆速 (12%)， 減少沖擊和振動井口扭矩 ， 比較平穩(wěn)增加 BHA 工作壽命 (包括鉆頭 )，減少起下鉆 。 4.8 頂部驅動裝置 功能 可倒劃眼作業(yè) ， 以立根方式接鉆桿 ， 起鉆時可以循環(huán)泥漿，減少井下事故 。 中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 25 結 論 (1)大位移井鉆井技術代表了當今世界上最先進的鉆井技術 ,它已成為海上和灘海油田勘探開發(fā)的重要手段 ,給油田的勘探開發(fā)帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 (2)國外已形成鉆大位移井的成熟配套技術 ,旋轉導向鉆井系統(tǒng)、地質導向鉆井技 術、新型鉆井液體系等鉆井高新技術普遍得到推廣應用 ,大位移井的水平位移已達到 10000m 以上。 (3)我國的大位移井技術與國外先進水平相比 ,還存在相當大的差距 ,主要是在鉆井技術裝備上 ,旋轉導向鉆井系統(tǒng)等先進的井下專用工具、測量儀器基本上依賴進口 ,我國的大位移井技術還有很長的路要走。 (4)大位移井的關鍵技術重點集中在扭矩 /摩阻、軌道設計、軌跡控制、水力學和井眼凈化、套管漂浮技術等方面 ,扭矩 /摩阻是大位移井鉆井工程問題的核心。 (5)大位移井鉆井技術將向著進一步采用先進的導向鉆井系統(tǒng)、優(yōu)質鉆井液、先進的工具和工 藝技術 ,以提高施工速度和軌跡控制精度 ,減少事故 ,降低成本 ,減少風險和提高成功率的目標而發(fā)展。 大位移井發(fā)展趨勢 7 (1)向位移更大方向發(fā)展 ,大位移鉆井記錄將不斷刷新。目前世界上的大位移井記錄是 M16 井 ,水平位移達到 10728m,近期有望突破 15000m。我國陸上油田近期的大位移井目標是水平位移達到 5000-8000m。 (2)現(xiàn)代高新技術的應用 ,將加快大位移井鉆井速度 ,降低鉆井成本 ,經(jīng)濟效益明顯提高 ,同時 ,給油田的勘探開發(fā)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 (3)工具儀器更加先進。大位移井技術的發(fā)展 ,都是依 靠先進的鉆井裝備和工具儀器實現(xiàn)的 ,先進的工具儀器是鉆大位移井的有力保障。隨鉆測井、隨鉆地質導向鉆井系統(tǒng)。旋轉導向鉆井系統(tǒng) ,代表了當今世界先進水中國石油大學（華東）成人 (網(wǎng)絡 )教育畢業(yè)論文 26 平。 (4)隨著井下閉環(huán)鉆井技術的發(fā)展與應用 ,大位移井將實現(xiàn)自動化鉆井。 我國的大位移鉆井技術，還處于起步階段，與世界先進技術相比還有一定的差距，為了迎頭趕上世界先進水平，建議今后還應在以下方面再做進一步的工作 2: 1）加強對世界先進技術的跟蹤，及時了解國外大位移井水平的技術發(fā)展動態(tài)，不斷學習先進技術，縮短與世界同行們的技術上的