长水平段水平井钻井技术难点分析及对策

吴臣

中海油能源发展股份有限公司工程技术公司中海油监督中心 天津 300450

随着全球石油和天然气资源的不断开发和能源需求的不断增长，石油工业对更高产量和更高效率的需求也在不断上升，长水平段水平井钻井技术在石油勘探和生产领域中的应用日益普及，这种技术可以提高产能、减少环境影响和改善勘探和生产效率，但是实施长水平段水平井钻井技术面临着一系列的技术难点和挑战[1]。因此，主要是根据长水平段水平井钻井技术难点问题出现的原因及类型，开展难点对策研究，以此推动长水平段水平井钻井技术领域的进一步发展。

1 长水平段水平井发展现状分析

长水平段水平井钻井技术在石油和天然气开采领域的应用范围不断扩大，除了常规油田它还被广泛应用于页岩气、页岩油、重油和超深层油藏等不同类型的油气田，该技术可以改善油气开采的采收率，特别是对于那些难以开采的油藏，通过增加接触面积，可以更有效地推动油气流向井口。长水平段水平井技术有助于减少环境影响，与传统垂直井相比，它通常需要更少的地表开采，减少了土地占用和生态破坏，能够在单井内采集更多的油气资源，因此可以降低生产成本，并提高生产效率，这对于石油和天然气公司来说是一个重要的竞争优势[2]。长水平段水平井技术方面的不断创新和改进使其更加可行，包括井筒导向、水力压裂技术、油藏模拟等在内的技术都在不断演进，以提高井的性能，随着长水平段水平井数量的增加，监测和维护成为一个挑战，技术进步使得远程监测和自动化维护成为可能。长水平段水平井的主要特点是井眼非常长，通常它们具有数千至数万英尺的井眼长度，而垂直井的井眼长度要短得多，这种长井眼使得钻井工程更加复杂，需要更多的时间和资源，长水平段水平井的井眼轨迹需要精确控制，以确保井眼能够穿越目标油气层[3]。

2 长水平段水平井钻井技术难点分析

（1）摩阻和扭矩大

钻井液在井筒壁上的摩擦会导致摩阻增大。井筒的尺寸和形状、地层的性质以及钻井液的黏度都会影响井筒摩阻，长水平段水平井的井筒长度较长，所以摩阻问题更加显著。地层中存在井壁陷阱或裂缝可能导致钻头卡住或卡死增加摩阻，钻井液的性能包括黏度、密度、润滑性等，会影响钻头的旋转和进度，不适当的钻井液性能可能导致摩阻和扭矩增大。井眼中可能存在各种附着物，如岩屑、泥浆固体、硬盘块等，这些附着物可能堵塞井眼，钻头和钻杆的磨损会增加扭矩，尤其是在长时间的钻井操作中。长水平段水平井通常有较大的井深和较大的井斜角度，这会导致更大的重力和摩擦扭矩[4]。

（2）井眼轨迹控制难度大

长水平段水平井可能穿越多个不同性质的地层，包括硬软交替、不均匀的地层、有陷落带或断层等，这些复杂的地质条件会导致井眼轨迹不稳定难以控制，长水平段水平井需要更高性能的钻头设计，以确保能够在复杂的地层中保持稳定的轨迹，不合适的钻头设计可能导致钻头偏离轨迹。长水平段水平井的井眼稳定性是一个挑战，井眼壁的崩塌、塌陷或侵蚀可能会导致井眼形状的变化，从而影响轨迹的控制，使用导向工具和技术来控制井眼轨迹是必要的，但这些工具的性能和准确性对于长水平段水平井尤为关键。技术人员需要不断改进导向工具和技术， 以提高井眼轨迹控制的精度。天气以及其他环境因素也可能影响井眼轨迹的控制，不稳定的环境条件可能使操作更加困难，长水平段水平井的钻井需要经验丰富的技术人员和操作人员，他们必须具备高水平的技术知识和培训，以应对井眼轨迹控制中的挑战。

（3）井眼清洁难度大

循环系统的设计和性能对于清洁工作至关重要，钻井液中的固体颗粒，如岩屑、泥浆固体等，可能会在井眼中沉积和堆积，这会增加泥浆循环的阻力，降低循环效率；而且泥浆中的成分可能发生化学反应，导致泥浆的稳定性问题，包括泥浆的黏度、密度和润滑性等性质的变化，可能导致井眼不稳定或出现井壁陷阱。在长水平段水平井中，井口液位控制是一个关键问题，如果井口液位不稳定或难以控制，可能会导致液压不足或过高，影响钻井液的循环，钻井液循环系统中的管道、接头和设备可能会发生泄漏，导致泥浆的损失和环境污染风险，泄漏问题需要迅速修复，以确保钻井的安全性，钻井液循环系统通常需要进行固液分离，以去除岩屑和固体颗粒[5]。如果固液分离设备失效或效率低下，会导致固体颗粒重新进入井眼，增加井眼清洁难度。钻井液循环系统中的设备，如泵、搅拌器、悬浮器和过滤器等，可能会出现故障，设备故障可能会导致泥浆循环中断，需要紧急维修或更换，长水平段水平井中由于地层条件复杂，可能会发生泥浆损失的情况。这会导致井眼清洁困难，并增加钻井成本。

（4）井壁稳定性问题突出

长水平段水平井的井深通常较大，井眼上方的岩石承受更大的地层压力，容易导致井壁稳定性问题。长水平段水平井通常要求较快的钻进速度，这可能导致井壁稳定性问题，因为快速的钻进可能不给井壁足够的时间来恢复稳定状态。低钻进速度可能会导致钻井进展缓慢，延长钻井时间，而高钻进速度可能会导致井眼稳定性问题、井壁崩塌或钻头损坏，高速钻进可能引发振动问题，如井下工具或设备的振动，这可能导致设备故障、疲劳和损坏，井眼形状的不规则或扭曲可能导致钻进速度不均匀，增加钻头磨损，钻井液的性能问题如黏度不稳定或泥浆稳定性问题，可能会影响钻头的效率和寿命，钻井设备的故障或停机可能会导致钻井速度下降。在长水平段水平井中，常常需要进行压裂作业以增加产能，压裂作业可能会对井壁稳定性产生不利影响，因为它会改变地层应力分布。

3 长水平段水平井钻井技术难点对策研究

（1）钻井设计优化

首先，进行详细的地质勘探和数据分析，了解井区的地质情况，包括地层性质、厚度、构造特征等，这有助于确定钻井液、钻具和钻头的选择以及井眼稳定性的评估，确定钻井的目标，包括井深、井斜角、井眼直径等，根据地质数据和目标，设计井眼的形状和尺寸，以满足生产需求和井眼稳定性。根据地质条件和井眼设计，选择合适的钻具和钻头，不同的地层和井眼形状可能需要不同类型的钻具和钻头，根据地质条件和井眼设计，设计合适的钻井液，包括液体密度、黏度、化学成分等。确保钻井液能够维持井壁稳定、减小摩阻、冷却和润滑钻头。进行井壁稳定性评估，以确定是否需要井壁支护或其他稳定措施。这可以通过数值模拟或工程计算来完成，根据地质条件和井眼设计，优化钻井参数，包括旋转速度、钻压、钻井液流量等，这有助于提高钻井效率和降低钻具磨损。在钻井过程中，实时监测钻井参数、井眼状况和钻井液性能，根据监测结果，及时调整钻井计划，以应对任何突发情况。确保钻井设计方案符合安全和环保标准，采取措施来减少事故和环境影响，最后对钻井设计方案进行综合经济评估，考虑成本、产能和井眼稳定性等因素，以确定最佳设计方案。

（2）引入井眼轨迹控制技术

常见的井眼轨迹控制技术包括导向钻井技术、自动井眼轨迹控制技术、导向钻头和钻具、井壁稳定性分析和控制以及实时井眼监测等。导向钻井技术使用导向工具，如测斜仪和磁传感器，可以实时测量井眼的方向和倾斜角度，从而控制井眼的轨迹，这使得钻井师能够实时调整钻进方向，以满足设计要求，该技术需要专业的测斜工具，成本较高，操作复杂，同时如果工具故障或失效，可能会导致井眼偏离轨迹。自动井眼轨迹控制技术使用自动化控制系统，可以根据预定的轨迹要求自动调整钻进方向，这减少了人为干预的需要，提高了钻进效率，自动控制系统的部署和维护可能较为复杂，需要高度的技术支持。特殊设计的导向钻头和钻具可以在钻进过程中控制井眼轨迹，减少漂移，这些工具通常具有改善钻进稳定性的功能，导向钻头和钻具的成本较高，而且在使用过程中可能会受到磨损和损坏。井壁稳定性分析可以帮助预测井眼稳定性问题，并采取措施来减少井壁崩塌或塌陷，这可以通过调整钻井液性能、井壁支护和施工计划来实现，井壁稳定性分析需要详细的地质和工程数据，并可能需要额外的工程计算。实时井眼监测技术可以提供井眼形状和稳定性的实时信息，以便钻井师及时调整钻进策略，实时监测系统的部署和维护可能较为复杂，成本较高。

（3）引入减阻降摩技术

改进钻井液性能，选择合适的钻井液，调整其密度、黏度和润滑性等性能，可以有效减小摩阻，提高钻进效率，需要对钻井液进行精确的配方和监测，可能会增加成本和复杂性。优化钻头设计，特殊设计的钻头可以降低钻头与井眼之间的摩擦，减小摩阻，高性能钻头通常成本较高，而且在使用过程中可能会受到磨损和损坏。降低旋转速度可以减小井眼摩阻，特别是在软土层中，但是降低旋转速度可能会导致钻进速度下降，增加钻井时间。合理使用钻井液添加剂，如润滑剂和分散剂，可以改善钻井液性能，减小摩阻，需要根据具体的地质条件和井眼形状选择适当的添加剂。改进井壁稳定性，减少井壁塌陷或崩塌，降低了钻头与井眼之间的摩阻，这需要详细的井壁稳定性分析和可能的支护措施。采用液气两相钻井技术，该技术可以通过将气体注入钻井液中来降低摩阻，提高钻进效率，但是需要专门的设备和技术支持成本较高。

（4）合理配置钻井液

根据地质条件和井眼稳定性需求，选择合适的钻井液类型，常见的钻井液类型包括水基钻井液、油基钻井液和液气两相钻井液，每种类型都有其适用的地质条件和性能特点，根据井眼的地质情况和井深，调整钻井液的密度，密度过大可能导致井壁稳定性问题，密度过小则可能发生井眼垮塌，密度的选择要综合考虑井眼稳定性和钻井液性能。钻井液的黏度会影响到井眼的清洁和润滑钻头，根据井眼的直径和地质条件，优化钻井液的黏度，以确保井眼的清洁和钻头的润滑，钻井液中添加润滑剂可以减小钻头与井眼之间的摩擦，提高钻进效率，分散剂可帮助分散和稳定固体颗粒，防止井眼壁塌陷。钻井液中的饱和度是指液体中溶解气体的浓度，合理控制饱和度可以减小井眼中气体的释放，降低井眼垮塌的风险，监测和控制钻井液中的化学物质，以确保其稳定性和性能，特别是钻井液中的钙、镁、钾等离子的浓度，可能会对井眼稳定性产生重要影响。在钻井过程中实时监测钻井液的性能和井眼情况。根据监测结果，及时调整钻井液的配方和性能，以应对任何问题或挑战，考虑环保因素，选择环保型的钻井液，减少对环境的不良影响。

4 结束语

长水平段水平井技术的应用可以大幅提高油气资源的开发效率，但是受到多方面因素的联合影响，导致该项技术在使用的过程中面临众多的难点问题，这些难点问题的存在对于油气资源开发领域的发展产生了重要影响，因此，需要根据难点问题出现的原因，采取多种类型的解决策略，进一步推广和使用长水平段水平井技术，间接推动我国油气资源开发领域的发展。