大延伸水平井延伸能力技術(shù)探討

段 兵

（1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西 西安 710021）

水平井具有水平段位移大，可以鉆穿儲(chǔ)層長(zhǎng)，最大限度增大井筒與儲(chǔ)層接觸面積的優(yōu)點(diǎn)，因此水平井在低滲透性儲(chǔ)層、縫洞型儲(chǔ)層、孤立儲(chǔ)層和薄層等鉆工工程上，發(fā)揮了極其重要的作用，是目前較為先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一。水平段增大了與儲(chǔ)層接觸面積，從而有效增大了泄流面積，提高了采收率、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

而水平井鉆井過(guò)程同樣存在著一些技術(shù)難點(diǎn)，例如摩阻和扭矩問題，井眼軌跡控制難度大，托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，井眼凈化能力要求高，井壁穩(wěn)定性控制難度大等各種難題[2]。因此探討研究阻礙水平井延伸能力的影響因素，評(píng)價(jià)水平井延伸能力對(duì)保證鉆井過(guò)程安全、指導(dǎo)鉆井作業(yè)具有非常重要的意義。

1 水平位移延伸影響因素及風(fēng)險(xiǎn)

大延伸水平井延伸能力的影響因素決定著其延伸能力，主要影響因素如下。

（1） 摩阻扭矩因素。鉆柱的摩阻扭矩問題是大延伸水平井技術(shù)的核心問題之一，它決定水平位移的最大延伸，是大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容。在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，水平井造斜以后井眼軌跡彎曲,使管柱入井時(shí)受到的阻力遠(yuǎn)比直井大，有相當(dāng)長(zhǎng)度的鉆桿與井壁接觸，阻礙著鉆進(jìn)。在造斜段、穩(wěn)斜段、降斜段，鉆柱接觸在井壁上。在水平段，鉆柱平躺在井壁上，這樣會(huì)帶來(lái)更大的摩擦阻力。因此，找出摩阻水平井段長(zhǎng)度的影響規(guī)律是分析與預(yù)測(cè)水平井段最大延伸長(zhǎng)度的關(guān)鍵因素。在實(shí)踐中，鉆柱摩阻扭矩較大，就可能導(dǎo)致鉆具起不上來(lái)或發(fā)生斷鉆具事故，或者套管柱組合等儀器設(shè)備不能下入井下設(shè)計(jì)層位。在大延伸水平井中，采用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式，鉆柱不旋轉(zhuǎn)，鉆柱與井壁間的摩阻完全有鉆柱軸向力克服，鉆柱發(fā)生屈曲，甚至自鎖，加不上鉆壓，鉆速低，鉆進(jìn)困難，還容易卡鉆。摩阻扭矩分析是大延伸水平井延伸能力極限評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容[3]。

（2） 設(shè)備能力因素。大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)是在現(xiàn)有鉆井裝備和技術(shù)條件下進(jìn)行的，鉆井設(shè)備能力對(duì)大延伸水平井的延伸能力的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一、按照設(shè)計(jì)軌跡，鉆出更光滑的井眼軌跡，有效地降低了鉆進(jìn)過(guò)程的摩阻扭矩，提高水平井的延伸能力。比較典型的代表是導(dǎo)向鉆井技術(shù)，是由高效鉆頭、導(dǎo)向鉆具、CPU和 MWD組成的系統(tǒng)，它根據(jù)設(shè)計(jì)的空間幾何曲線井眼軌跡，使用單片機(jī)和專用軟件，高精度、高靈敏地調(diào)整導(dǎo)向工具進(jìn)行實(shí)時(shí)控制鉆頭按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，使鉆井軌跡更光滑準(zhǔn)確。第二、提高鉆柱的承載能力和設(shè)備的功率。鉆柱的安全評(píng)估是大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容之一。隨著勘探技術(shù)提高，大延伸水平井等鉆井新技術(shù)大量應(yīng)用，鉆具失效情況時(shí)有發(fā)生。鉆柱的承載能力提高后，作業(yè)能力提高，鉆柱疲勞破壞事故較少，促進(jìn)鉆井安全。

（3）對(duì)于碳酸鹽儲(chǔ)層，安全泥漿密度窗口窄，壓力敏感，井下復(fù)雜，井筒壓力系統(tǒng)的鉆井液安全密度窗口和環(huán)空壓秏的影響，大延伸水平井對(duì)裸眼要求高，鉆井液的液柱壓力不能超過(guò)井底破裂壓力，避免地層破裂而導(dǎo)致的井下事故和復(fù)雜情況，從而提高大延伸水平井的安全系數(shù)。即鉆頭裸眼壓力必須大于大于地層破裂壓力，才能繼續(xù)鉆進(jìn)。裸眼延伸極限測(cè)垂比取決于地層壓力，鉆井液密度，環(huán)空壓秏，及實(shí)鉆井眼軌跡形狀。若已知地層破裂壓力和鉆井液密度，鉆井過(guò)程裸眼延伸極限隨環(huán)空壓秏當(dāng)量密度增加而顯著下降，而隨安全密度窗口增大而增大。環(huán)空壓秏 是控制鉆進(jìn)裸眼延伸極限的關(guān)鍵因素，在大延伸水平井鉆井中，采取合理措施降低環(huán)空壓秏，能有效增加大延伸水平井的裸眼延伸極限值，避免增加大延伸水平井套管層次，降低地層發(fā)生井漏事故的風(fēng)險(xiǎn)，減小處理溢流及井漏等井下復(fù)雜事故的非生產(chǎn)時(shí)間。

2 水平延伸能力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.1 大延伸水平井水平位移延限值確定方法

大延伸水平井鉆井技術(shù)是當(dāng)今世界鉆井技術(shù)的一項(xiàng)綜合性技術(shù)。目前大延伸水平井鉆井的極限延伸的問題主要集中在摩阻、扭矩、軌道設(shè)計(jì)、定向控制、裸眼學(xué)與井眼凈化等方面綜合研究。摩阻扭矩問題是大延伸水平井的核心問題之一，決定水平井的最大位移延伸能力[4]。大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)的最主要內(nèi)容是保證不要超過(guò)鉆柱的扭矩極限，鉆柱自身安全的極限和水平井鉆井裸眼延伸極限，通過(guò)分析確定大延伸水平井延伸風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容特點(diǎn)，鉆柱順利鉆進(jìn)需要滿足三個(gè)方面：鉆進(jìn)摩阻扭矩小、鉆具設(shè)備能力高和在裸眼延伸極限范圍內(nèi)。在現(xiàn)有鉆井裝備和技術(shù)條件下，下套管的層次有限，地層的破裂壓力值是有限的，也就是鉆井必須在安全密度窗口內(nèi)，井眼井壁才穩(wěn)定安全，所以應(yīng)該考慮鉆井裸眼延伸極限值。

在所有約束條件中，鉆井工藝對(duì)水平段長(zhǎng)度的約束更為直接，這方面的約束可歸結(jié)為：

（1）鉆機(jī)負(fù)荷對(duì)水平段長(zhǎng)度的限制，設(shè)其為L(zhǎng)31；

（2）鉆柱摩阻、扭矩、曲屈變形與對(duì)水平段長(zhǎng)度的限制，設(shè)其為L(zhǎng)32；

（3）井壁穩(wěn)定方面對(duì)可鉆水平段長(zhǎng)度的限制。由于水平段垂深基本不變，因此其破裂壓力與坍塌壓力也基本不變，但隨著水平段長(zhǎng)度的增加，井眼內(nèi)的壓力波動(dòng)在不斷增加。這樣，當(dāng)水平段超過(guò)一定長(zhǎng)度，則可能出現(xiàn)由于下鉆時(shí)波動(dòng)壓力過(guò)大而壓漏地層，或由于超鉆時(shí)抽吸壓力過(guò)大而導(dǎo)致井壁坍塌。設(shè)此方面制約因素限制水平段最多可鉆L33。

以上是鉆井工藝方面對(duì)可鉆水平段長(zhǎng)度的幾個(gè)主要制約因素，當(dāng)然在鉆井工藝方面還有其它一些限制條件。總之，這方面約束可概括為式1：

2.2 大延伸水平井水平位伸極限值的確定

確定大延伸水平井水平位移延伸風(fēng)險(xiǎn)主要指標(biāo)是其延伸極限值，需要從鉆井的機(jī)械延伸極限，鉆柱安全極限和裸眼延伸極限三個(gè)方面考慮。從后面分析可以容易發(fā)現(xiàn)，鉆井的機(jī)械延伸極限和鉆柱安全極限都和摩阻扭矩分析密切相關(guān)。大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)的三個(gè)主要內(nèi)容如下：

（1）機(jī)械延伸極限分析，主要分析摩阻扭矩和鉆頭壓力。若知道地面裝備提供的大鉤和井下鉆具自身重力值，再根據(jù)建立大延伸水平井摩阻扭矩模型求得井下摩阻扭矩和接觸力，就能確定鉆頭鉆壓和扭矩，從而得知鉆頭的破巖能力，判斷是否滿足巖石破碎條件。同時(shí)根據(jù)所求摩擦力、接觸力、重力判斷是否滿足摩阻條件。極限延伸極限分析主要是結(jié)合摩阻扭矩分析模型進(jìn)行評(píng)估。首先要處理井眼軌跡數(shù)據(jù)，將整個(gè)井眼軌跡劃分成許多一定長(zhǎng)度鉆柱單元，若為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則以測(cè)段具體長(zhǎng)度為計(jì)算單元長(zhǎng)度，然后計(jì)算全角變化值和該曲線段的曲率；接著計(jì)算中和點(diǎn)深度：

然后計(jì)算曲線井段曲率半徑：

則曲線井段長(zhǎng)度

最后就可以計(jì)算水平井段長(zhǎng)度：

（2）鉆柱安全極限評(píng)估。由鉆柱的受力分析求出鉆柱沿井深分布的軸向力P、接觸力和扭矩M，然后求解鉆柱任一截面上的軸力、彎矩、扭矩和剪應(yīng)力，進(jìn)一步確定截面上的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，再根據(jù)第四強(qiáng)度理論校核鉆柱的強(qiáng)度。其中最大正應(yīng)力為，見式2、3：

式中：A—鉆柱的橫截面積，m2；

W—抗彎截面模量；

Wn—抗扭截面模量。

其中“±”是當(dāng)軸力為正時(shí)取“+”，反之取“-”。截面上最主要的應(yīng)力是正應(yīng)力，其絕對(duì)值最大的截面視為危險(xiǎn)截面，而危險(xiǎn)截面的最大正應(yīng)力所在危險(xiǎn)點(diǎn)必在危險(xiǎn)截面的外邊緣上。因此，大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)時(shí)需要校核鉆柱各個(gè)截面的應(yīng)力，任一處不滿足強(qiáng)度條件，該鉆具組合已超過(guò)安全極限范圍。

（3）眼延伸極限評(píng)估。設(shè)大延伸水平井的測(cè)深、垂深分別為SCE、SCH，那么 大延伸水平井的測(cè)深和垂深的比值k為，見式4：

因此大延伸水平井鉆井延伸極限能用其此時(shí)的測(cè)深和垂深的比值的kL表示，而且在現(xiàn)有鉆井裝備和技術(shù)條件下，kL是存在的。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）分析了制約大延伸水平井影響延伸能力的因素，其中井身軌跡是影響水平段延伸能力的重要因素，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化軌跡設(shè)計(jì)，優(yōu)選造斜率，以達(dá)降低摩阻和扭矩的目的。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，水平井軌跡控制的難點(diǎn)在于水平段軌跡控制，采用合理的鉆具組合將顯著改善鉆柱受力情況，提高水平段延伸能力。對(duì)于縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)是提高水平井水平位移延伸水平重要技術(shù)，可極大降低井下的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）探討了影響大延伸水平井水平段長(zhǎng)度的幾個(gè)主要制約因素，鉆機(jī)負(fù)荷，鉆柱摩阻，扭矩，曲屈變形，以及井壁穩(wěn)定性對(duì)水平段延伸的影響。總結(jié)了大延伸水平井延伸能力評(píng)價(jià)流程，提出了大延伸水平井水平位移延限值確定方法。從鉆井的機(jī)械延伸極限，鉆柱安全極限和裸眼延伸極限三個(gè)方面，評(píng)價(jià)了大延伸水平井延伸能力，推導(dǎo)出了大延伸水平井裸眼延伸極限值，可更為方便快捷地評(píng)價(jià)水平段延伸情況。

[1]閆鐵，張鳳民，劉維凱，等.大位移井鉆井極限延伸能力的研究[J].鉆采工藝，2010，33(1):4-7.

[2]汪志明，郭曉樂.大位移井水力延伸極限研究[J].鉆采工藝，2008，31(4):1-3.

[3]徐坤吉，熊繼有，陳軍，等.深井水平井水平段水力延伸能力評(píng)價(jià)與分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，34(6):101-106.

[4]郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策[J].石油鉆采工藝，2013，35(1):14-18.