長水平段水平井鉆井技術(shù)難點分析及對策

吳臣

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司中海油監(jiān)督中心 天津 300450

隨著全球石油和天然氣資源的不斷開發(fā)和能源需求的不斷增長，石油工業(yè)對更高產(chǎn)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(shù)在石油勘探和生產(chǎn)領(lǐng)域中的應用日益普及，這種技術(shù)可以提高產(chǎn)能、減少環(huán)境影響和改善勘探和生產(chǎn)效率，但是實施長水平段水平井鉆井技術(shù)面臨著一系列的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)[1]。因此，主要是根據(jù)長水平段水平井鉆井技術(shù)難點問題出現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

1 長水平段水平井發(fā)展現(xiàn)狀分析

長水平段水平井鉆井技術(shù)在石油和天然氣開采領(lǐng)域的應用范圍不斷擴大，除了常規(guī)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(shù)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(shù)有助于減少環(huán)境影響，與傳統(tǒng)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(tài)破壞，能夠在單井內(nèi)采集更多的油氣資源，因此可以降低生產(chǎn)成本，并提高生產(chǎn)效率，這對于石油和天然氣公司來說是一個重要的競爭優(yōu)勢[2]。長水平段水平井技術(shù)方面的不斷創(chuàng)新和改進使其更加可行，包括井筒導向、水力壓裂技術(shù)、油藏模擬等在內(nèi)的技術(shù)都在不斷演進，以提高井的性能，隨著長水平段水平井數(shù)量的增加，監(jiān)測和維護成為一個挑戰(zhàn)，技術(shù)進步使得遠程監(jiān)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(shù)千至數(shù)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(shù)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(zhì)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(zhuǎn)和進度，不適當?shù)你@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(zhì)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(zhì)條件會導致井眼軌跡不穩(wěn)定難以控制，長水平段水平井需要更高性能的鉆頭設(shè)計，以確保能夠在復雜的地層中保持穩(wěn)定的軌跡，不合適的鉆頭設(shè)計可能導致鉆頭偏離軌跡。長水平段水平井的井眼穩(wěn)定性是一個挑戰(zhàn)，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(shù)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(guān)鍵。技術(shù)人員需要不斷改進導向工具和技術(shù)， 以提高井眼軌跡控制的精度。天氣以及其他環(huán)境因素也可能影響井眼軌跡的控制，不穩(wěn)定的環(huán)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(jīng)驗豐富的技術(shù)人員和操作人員，他們必須具備高水平的技術(shù)知識和培訓，以應對井眼軌跡控制中的挑戰(zhàn)。

（3）井眼清潔難度大

循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和性能對于清潔工作至關(guān)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(huán)的阻力，降低循環(huán)效率；而且泥漿中的成分可能發(fā)生化學反應，導致泥漿的穩(wěn)定性問題，包括泥漿的黏度、密度和潤滑性等性質(zhì)的變化，可能導致井眼不穩(wěn)定或出現(xiàn)井壁陷阱。在長水平段水平井中，井口液位控制是一個關(guān)鍵問題，如果井口液位不穩(wěn)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(huán)，鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中的管道、接頭和設(shè)備可能會發(fā)生泄漏，導致泥漿的損失和環(huán)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(huán)系統(tǒng)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(shè)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(huán)系統(tǒng)中的設(shè)備，如泵、攪拌器、懸浮器和過濾器等，可能會出現(xiàn)故障，設(shè)備故障可能會導致泥漿循環(huán)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(fā)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定狀態(tài)。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(wěn)定性問題、井壁崩塌或鉆頭損壞，高速鉆進可能引發(fā)振動問題，如井下工具或設(shè)備的振動，這可能導致設(shè)備故障、疲勞和損壞，井眼形狀的不規(guī)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(wěn)定或泥漿穩(wěn)定性問題，可能會影響鉆頭的效率和壽命，鉆井設(shè)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(yè)以增加產(chǎn)能，壓裂作業(yè)可能會對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)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(shù)難點對策研究

（1）鉆井設(shè)計優(yōu)化

首先，進行詳細的地質(zhì)勘探和數(shù)據(jù)分析，了解井區(qū)的地質(zhì)情況，包括地層性質(zhì)、厚度、構(gòu)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(wěn)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(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)和目標，設(shè)計井眼的形狀和尺寸，以滿足生產(chǎn)需求和井眼穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)條件和井眼設(shè)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(jù)地質(zhì)條件和井眼設(shè)計，設(shè)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(wěn)定、減小摩阻、冷卻和潤滑鉆頭。進行井壁穩(wěn)定性評估，以確定是否需要井壁支護或其他穩(wěn)定措施。這可以通過數(shù)值模擬或工程計算來完成，根據(jù)地質(zhì)條件和井眼設(shè)計，優(yōu)化鉆井參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)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(jiān)測鉆井參數(shù)、井眼狀況和鉆井液性能，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整鉆井計劃，以應對任何突發(fā)情況。確保鉆井設(shè)計方案符合安全和環(huán)保標準，采取措施來減少事故和環(huán)境影響，最后對鉆井設(shè)計方案進行綜合經(jīng)濟評估，考慮成本、產(chǎn)能和井眼穩(wěn)定性等因素，以確定最佳設(shè)計方案。

（2）引入井眼軌跡控制技術(shù)

常見的井眼軌跡控制技術(shù)包括導向鉆井技術(shù)、自動井眼軌跡控制技術(shù)、導向鉆頭和鉆具、井壁穩(wěn)定性分析和控制以及實時井眼監(jiān)測等。導向鉆井技術(shù)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?qū)崟r調(diào)整鉆進方向，以滿足設(shè)計要求，該技術(shù)需要專業(yè)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(shù)使用自動化控制系統(tǒng)，可以根據(jù)預定的軌跡要求自動調(diào)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(tǒng)的部署和維護可能較為復雜，需要高度的技術(shù)支持。特殊設(shè)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(wěn)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(wěn)定性分析可以幫助預測井眼穩(wěn)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(diào)整鉆井液性能、井壁支護和施工計劃來實現(xiàn)，井壁穩(wěn)定性分析需要詳細的地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)，并可能需要額外的工程計算。實時井眼監(jiān)測技術(shù)可以提供井眼形狀和穩(wěn)定性的實時信息，以便鉆井師及時調(diào)整鉆進策略，實時監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)

改進鉆井液性能，選擇合適的鉆井液，調(diào)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(jiān)測，可能會增加成本和復雜性。優(yōu)化鉆頭設(shè)計，特殊設(shè)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(zhuǎn)速度可以減小井眼摩阻，特別是在軟土層中，但是降低旋轉(zhuǎn)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(jù)具體的地質(zhì)條件和井眼形狀選擇適當?shù)奶砑觿?。改進井壁穩(wěn)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(wěn)定性分析和可能的支護措施。采用液氣兩相鉆井技術(shù)，該技術(shù)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(shè)備和技術(shù)支持成本較高。

（4）合理配置鉆井液

根據(jù)地質(zhì)條件和井眼穩(wěn)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(zhì)條件和性能特點，根據(jù)井眼的地質(zhì)情況和井深，調(diào)整鉆井液的密度，密度過大可能導致井壁穩(wěn)定性問題，密度過小則可能發(fā)生井眼垮塌，密度的選擇要綜合考慮井眼穩(wěn)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(jù)井眼的直徑和地質(zhì)條件，優(yōu)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(wěn)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(jiān)測和控制鉆井液中的化學物質(zhì)，以確保其穩(wěn)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(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在鉆井過程中實時監(jiān)測鉆井液的性能和井眼情況。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整鉆井液的配方和性能，以應對任何問題或挑戰(zhàn)，考慮環(huán)保因素，選擇環(huán)保型的鉆井液，減少對環(huán)境的不良影響。

4 結(jié)束語

長水平段水平井技術(shù)的應用可以大幅提高油氣資源的開發(fā)效率，但是受到多方面因素的聯(lián)合影響，導致該項技術(shù)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(fā)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，因此，需要根據(jù)難點問題出現(xiàn)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(shù)，間接推動我國油氣資源開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展。