大延伸水平井延伸能力技术探讨

段 兵

（1. 西安石油大学，陕西 西安 710065； 2. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710021）

水平井具有水平段位移大，可以钻穿储层长，最大限度增大井筒与储层接触面积的优点，因此水平井在低渗透性储层、缝洞型储层、孤立储层和薄层等钻工工程上，发挥了极其重要的作用，是目前较为先进的钻井技术之一。水平段增大了与储层接触面积，从而有效增大了泄流面积，提高了采收率、产量和经济效益[1]。

而水平井钻井过程同样存在着一些技术难点，例如摩阻和扭矩问题，井眼轨迹控制难度大，托压现象严重，井眼净化能力要求高，井壁稳定性控制难度大等各种难题[2]。因此探讨研究阻碍水平井延伸能力的影响因素，评价水平井延伸能力对保证钻井过程安全、指导钻井作业具有非常重要的意义。

1 水平位移延伸影响因素及风险

大延伸水平井延伸能力的影响因素决定着其延伸能力，主要影响因素如下。

（1） 摩阻扭矩因素。钻柱的摩阻扭矩问题是大延伸水平井技术的核心问题之一，它决定水平位移的最大延伸，是大延伸水平井延伸能力评价的主要内容。在水平段钻进过程中，水平井造斜以后井眼轨迹弯曲,使管柱入井时受到的阻力远比直井大，有相当长度的钻杆与井壁接触，阻碍着钻进。在造斜段、稳斜段、降斜段，钻柱接触在井壁上。在水平段，钻柱平躺在井壁上，这样会带来更大的摩擦阻力。因此，找出摩阻水平井段长度的影响规律是分析与预测水平井段最大延伸长度的关键因素。在实践中，钻柱摩阻扭矩较大，就可能导致钻具起不上来或发生断钻具事故，或者套管柱组合等仪器设备不能下入井下设计层位。在大延伸水平井中，采用滑动钻进方式，钻柱不旋转，钻柱与井壁间的摩阻完全有钻柱轴向力克服，钻柱发生屈曲，甚至自锁，加不上钻压，钻速低，钻进困难，还容易卡钻。摩阻扭矩分析是大延伸水平井延伸能力极限评价的基础和重要内容[3]。

（2） 设备能力因素。大延伸水平井延伸能力评价是在现有钻井装备和技术条件下进行的，钻井设备能力对大延伸水平井的延伸能力的影响主要表现在两个方面：第一、按照设计轨迹，钻出更光滑的井眼轨迹，有效地降低了钻进过程的摩阻扭矩，提高水平井的延伸能力。比较典型的代表是导向钻井技术，是由高效钻头、导向钻具、CPU和 MWD组成的系统，它根据设计的空间几何曲线井眼轨迹，使用单片机和专用软件，高精度、高灵敏地调整导向工具进行实时控制钻头按照设计轨迹钻进，使钻井轨迹更光滑准确。第二、提高钻柱的承载能力和设备的功率。钻柱的安全评估是大延伸水平井延伸能力评价的主要内容之一。随着勘探技术提高，大延伸水平井等钻井新技术大量应用，钻具失效情况时有发生。钻柱的承载能力提高后，作业能力提高，钻柱疲劳破坏事故较少，促进钻井安全。

（3）对于碳酸盐储层，安全泥浆密度窗口窄，压力敏感，井下复杂，井筒压力系统的钻井液安全密度窗口和环空压秏的影响，大延伸水平井对裸眼要求高，钻井液的液柱压力不能超过井底破裂压力，避免地层破裂而导致的井下事故和复杂情况，从而提高大延伸水平井的安全系数。即钻头裸眼压力必须大于大于地层破裂压力，才能继续钻进。裸眼延伸极限测垂比取决于地层压力，钻井液密度，环空压秏，及实钻井眼轨迹形状。若已知地层破裂压力和钻井液密度，钻井过程裸眼延伸极限随环空压秏当量密度增加而显著下降，而随安全密度窗口增大而增大。环空压秏 是控制钻进裸眼延伸极限的关键因素，在大延伸水平井钻井中，采取合理措施降低环空压秏，能有效增加大延伸水平井的裸眼延伸极限值，避免增加大延伸水平井套管层次，降低地层发生井漏事故的风险，减小处理溢流及井漏等井下复杂事故的非生产时间。

2 水平延伸能力风险评价方法

2.1 大延伸水平井水平位移延限值确定方法

大延伸水平井钻井技术是当今世界钻井技术的一项综合性技术。目前大延伸水平井钻井的极限延伸的问题主要集中在摩阻、扭矩、轨道设计、定向控制、裸眼学与井眼净化等方面综合研究。摩阻扭矩问题是大延伸水平井的核心问题之一，决定水平井的最大位移延伸能力[4]。大延伸水平井延伸能力评价的最主要内容是保证不要超过钻柱的扭矩极限，钻柱自身安全的极限和水平井钻井裸眼延伸极限，通过分析确定大延伸水平井延伸风险。

根据大延伸水平井延伸能力评价的主要内容特点，钻柱顺利钻进需要满足三个方面：钻进摩阻扭矩小、钻具设备能力高和在裸眼延伸极限范围内。在现有钻井装备和技术条件下，下套管的层次有限，地层的破裂压力值是有限的，也就是钻井必须在安全密度窗口内，井眼井壁才稳定安全，所以应该考虑钻井裸眼延伸极限值。

在所有约束条件中，钻井工艺对水平段长度的约束更为直接，这方面的约束可归结为：

（1）钻机负荷对水平段长度的限制，设其为L31；

（2）钻柱摩阻、扭矩、曲屈变形与对水平段长度的限制，设其为L32；

（3）井壁稳定方面对可钻水平段长度的限制。由于水平段垂深基本不变，因此其破裂压力与坍塌压力也基本不变，但随着水平段长度的增加，井眼内的压力波动在不断增加。这样，当水平段超过一定长度，则可能出现由于下钻时波动压力过大而压漏地层，或由于超钻时抽吸压力过大而导致井壁坍塌。设此方面制约因素限制水平段最多可钻L33。

以上是钻井工艺方面对可钻水平段长度的几个主要制约因素，当然在钻井工艺方面还有其它一些限制条件。总之，这方面约束可概括为式1：

2.2 大延伸水平井水平位伸极限值的确定

确定大延伸水平井水平位移延伸风险主要指标是其延伸极限值，需要从钻井的机械延伸极限，钻柱安全极限和裸眼延伸极限三个方面考虑。从后面分析可以容易发现，钻井的机械延伸极限和钻柱安全极限都和摩阻扭矩分析密切相关。大延伸水平井延伸能力评价的三个主要内容如下：

（1）机械延伸极限分析，主要分析摩阻扭矩和钻头压力。若知道地面装备提供的大钩和井下钻具自身重力值，再根据建立大延伸水平井摩阻扭矩模型求得井下摩阻扭矩和接触力，就能确定钻头钻压和扭矩，从而得知钻头的破岩能力，判断是否满足岩石破碎条件。同时根据所求摩擦力、接触力、重力判断是否满足摩阻条件。极限延伸极限分析主要是结合摩阻扭矩分析模型进行评估。首先要处理井眼轨迹数据，将整个井眼轨迹划分成许多一定长度钻柱单元，若为实测数据，则以测段具体长度为计算单元长度，然后计算全角变化值和该曲线段的曲率；接着计算中和点深度：

然后计算曲线井段曲率半径：

则曲线井段长度

最后就可以计算水平井段长度：

（2）钻柱安全极限评估。由钻柱的受力分析求出钻柱沿井深分布的轴向力P、接触力和扭矩M，然后求解钻柱任一截面上的轴力、弯矩、扭矩和剪应力，进一步确定截面上的最大正应力和最大剪应力，再根据第四强度理论校核钻柱的强度。其中最大正应力为，见式2、3：

式中：A—钻柱的横截面积，m2；

W—抗弯截面模量；

Wn—抗扭截面模量。

其中“±”是当轴力为正时取“+”，反之取“-”。截面上最主要的应力是正应力，其绝对值最大的截面视为危险截面，而危险截面的最大正应力所在危险点必在危险截面的外边缘上。因此，大延伸水平井延伸能力评价时需要校核钻柱各个截面的应力，任一处不满足强度条件，该钻具组合已超过安全极限范围。

（3）眼延伸极限评估。设大延伸水平井的测深、垂深分别为SCE、SCH，那么 大延伸水平井的测深和垂深的比值k为，见式4：

因此大延伸水平井钻井延伸极限能用其此时的测深和垂深的比值的kL表示，而且在现有钻井装备和技术条件下，kL是存在的。

3 结 语

（1）分析了制约大延伸水平井影响延伸能力的因素，其中井身轨迹是影响水平段延伸能力的重要因素，应尽量简化轨迹设计，优选造斜率，以达降低摩阻和扭矩的目的。在实际钻井过程中，水平井轨迹控制的难点在于水平段轨迹控制，采用合理的钻具组合将显著改善钻柱受力情况，提高水平段延伸能力。对于缝洞型碳酸盐岩储层，精细控压钻井技术是提高水平井水平位移延伸水平重要技术，可极大降低井下的风险。

（2）探讨了影响大延伸水平井水平段长度的几个主要制约因素，钻机负荷，钻柱摩阻，扭矩，曲屈变形，以及井壁稳定性对水平段延伸的影响。总结了大延伸水平井延伸能力评价流程，提出了大延伸水平井水平位移延限值确定方法。从钻井的机械延伸极限，钻柱安全极限和裸眼延伸极限三个方面，评价了大延伸水平井延伸能力，推导出了大延伸水平井裸眼延伸极限值，可更为方便快捷地评价水平段延伸情况。

[1]闫铁，张凤民，刘维凯，等.大位移井钻井极限延伸能力的研究[J].钻采工艺，2010，33(1):4-7.

[2]汪志明，郭晓乐.大位移井水力延伸极限研究[J].钻采工艺，2008，31(4):1-3.

[3]徐坤吉，熊继有，陈军，等.深井水平井水平段水力延伸能力评价与分析[J].西南石油大学学报（自然科学版），2012，34(6):101-106.

[4]郭元恒，何世明，刘忠飞，等.长水平段水平井钻井技术难点分析及对策[J].石油钻采工艺，2013，35(1):14-18.