大延伸水平井延伸能力技術探討

段 兵

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

水平井具有水平段位移大，可以鉆穿儲層長，最大限度增大井筒與儲層接觸面積的優點，因此水平井在低滲透性儲層、縫洞型儲層、孤立儲層和薄層等鉆工工程上，發揮了極其重要的作用，是目前較為先進的鉆井技術之一。水平段增大了與儲層接觸面積，從而有效增大了泄流面積，提高了采收率、產量和經濟效益[1]。

而水平井鉆井過程同樣存在著一些技術難點，例如摩阻和扭矩問題，井眼軌跡控制難度大，托壓現象嚴重，井眼凈化能力要求高，井壁穩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，評價水平井延伸能力對保證鉆井過程安全、指導鉆井作業具有非常重要的意義。

1 水平位移延伸影響因素及風險

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價的主要內容。在水平段鉆進過程中，水平井造斜以后井眼軌跡彎曲,使管柱入井時受到的阻力遠比直井大，有相當長度的鉆桿與井壁接觸，阻礙著鉆進。在造斜段、穩斜段、降斜段，鉆柱接觸在井壁上。在水平段，鉆柱平躺在井壁上，這樣會帶來更大的摩擦阻力。因此，找出摩阻水平井段長度的影響規律是分析與預測水平井段最大延伸長度的關鍵因素。在實踐中，鉆柱摩阻扭矩較大，就可能導致鉆具起不上來或發生斷鉆具事故，或者套管柱組合等儀器設備不能下入井下設計層位。在大延伸水平井中，采用滑動鉆進方式，鉆柱不旋轉，鉆柱與井壁間的摩阻完全有鉆柱軸向力克服，鉆柱發生屈曲，甚至自鎖，加不上鉆壓，鉆速低，鉆進困難，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價的基礎和重要內容[3]。

（2） 設備能力因素。大延伸水平井延伸能力評價是在現有鉆井裝備和技術條件下進行的，鉆井設備能力對大延伸水平井的延伸能力的影響主要表現在兩個方面：第一、按照設計軌跡，鉆出更光滑的井眼軌跡，有效地降低了鉆進過程的摩阻扭矩，提高水平井的延伸能力。比較典型的代表是導向鉆井技術，是由高效鉆頭、導向鉆具、CPU和 MWD組成的系統，它根據設計的空間幾何曲線井眼軌跡，使用單片機和專用軟件，高精度、高靈敏地調整導向工具進行實時控制鉆頭按照設計軌跡鉆進，使鉆井軌跡更光滑準確。第二、提高鉆柱的承載能力和設備的功率。鉆柱的安全評估是大延伸水平井延伸能力評價的主要內容之一。隨著勘探技術提高，大延伸水平井等鉆井新技術大量應用，鉆具失效情況時有發生。鉆柱的承載能力提高后，作業能力提高，鉆柱疲勞破壞事故較少，促進鉆井安全。

（3）對于碳酸鹽儲層，安全泥漿密度窗口窄，壓力敏感，井下復雜，井筒壓力系統的鉆井液安全密度窗口和環空壓秏的影響，大延伸水平井對裸眼要求高，鉆井液的液柱壓力不能超過井底破裂壓力，避免地層破裂而導致的井下事故和復雜情況，從而提高大延伸水平井的安全系數。即鉆頭裸眼壓力必須大于大于地層破裂壓力，才能繼續鉆進。裸眼延伸極限測垂比取決于地層壓力，鉆井液密度，環空壓秏，及實鉆井眼軌跡形狀。若已知地層破裂壓力和鉆井液密度，鉆井過程裸眼延伸極限隨環空壓秏當量密度增加而顯著下降，而隨安全密度窗口增大而增大。環空壓秏 是控制鉆進裸眼延伸極限的關鍵因素，在大延伸水平井鉆井中，采取合理措施降低環空壓秏，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，降低地層發生井漏事故的風險，減小處理溢流及井漏等井下復雜事故的非生產時間。

2 水平延伸能力風險評價方法

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是當今世界鉆井技術的一項綜合性技術。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、軌道設計、定向控制、裸眼學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價的最主要內容是保證不要超過鉆柱的扭矩極限，鉆柱自身安全的極限和水平井鉆井裸眼延伸極限，通過分析確定大延伸水平井延伸風險。

根據大延伸水平井延伸能力評價的主要內容特點，鉆柱順利鉆進需要滿足三個方面：鉆進摩阻扭矩小、鉆具設備能力高和在裸眼延伸極限范圍內。在現有鉆井裝備和技術條件下，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，井眼井壁才穩定安全，所以應該考慮鉆井裸眼延伸極限值。

在所有約束條件中，鉆井工藝對水平段長度的約束更為直接，這方面的約束可歸結為：

（1）鉆機負荷對水平段長度的限制，設其為L31；

（2）鉆柱摩阻、扭矩、曲屈變形與對水平段長度的限制，設其為L32；

（3）井壁穩定方面對可鉆水平段長度的限制。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，但隨著水平段長度的增加，井眼內的壓力波動在不斷增加。這樣，當水平段超過一定長度，則可能出現由于下鉆時波動壓力過大而壓漏地層，或由于超鉆時抽吸壓力過大而導致井壁坍塌。設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可鉆水平段長度的幾個主要制約因素，當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險主要指標是其延伸極限值，需要從鉆井的機械延伸極限，鉆柱安全極限和裸眼延伸極限三個方面考慮。從后面分析可以容易發現，鉆井的機械延伸極限和鉆柱安全極限都和摩阻扭矩分析密切相關。大延伸水平井延伸能力評價的三個主要內容如下：

（1）機械延伸極限分析，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。同時根據所求摩擦力、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合摩阻扭矩分析模型進行評估。首先要處理井眼軌跡數據，將整個井眼軌跡劃分成許多一定長度鉆柱單元，若為實測數據，則以測段具體長度為計算單元長度，然后計算全角變化值和該曲線段的曲率；接著計算中和點深度：

然后計算曲線井段曲率半徑：

則曲線井段長度

最后就可以計算水平井段長度：

（2）鉆柱安全極限評估。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、扭矩和剪應力，進一步確定截面上的最大正應力和最大剪應力，再根據第四強度理論校核鉆柱的強度。其中最大正應力為，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“±”是當軸力為正時取“+”，反之取“-”。截面上最主要的應力是正應力，其絕對值最大的截面視為危險截面，而危險截面的最大正應力所在危險點必在危險截面的外邊緣上。因此，大延伸水平井延伸能力評價時需要校核鉆柱各個截面的應力，任一處不滿足強度條件，該鉆具組合已超過安全極限范圍。

（3）眼延伸極限評估。設大延伸水平井的測深、垂深分別為SCE、SCH，那么 大延伸水平井的測深和垂深的比值k為，見式4：

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

3 結 語

（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，應盡量簡化軌跡設計，優選造斜率，以達降低摩阻和扭矩的目的。在實際鉆井過程中，水平井軌跡控制的難點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。對于縫洞型碳酸鹽巖儲層，精細控壓鉆井技術是提高水平井水平位移延伸水平重要技術，可極大降低井下的風險。

（2）探討了影響大延伸水平井水平段長度的幾個主要制約因素，鉆機負荷，鉆柱摩阻，扭矩，曲屈變形，以及井壁穩定性對水平段延伸的影響。總結了大延伸水平井延伸能力評價流程，提出了大延伸水平井水平位移延限值確定方法。從鉆井的機械延伸極限，鉆柱安全極限和裸眼延伸極限三個方面，評價了大延伸水平井延伸能力，推導出了大延伸水平井裸眼延伸極限值，可更為方便快捷地評價水平段延伸情況。

[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價與分析[J].西南石油大學學報（自然科學版），2012，34(6):101-106.

[4]郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長水平段水平井鉆井技術難點分析及對策[J].石油鉆采工藝，2013，35(1):14-18.