大位移井

大位移井：大位移井的定义是测量深度与垂深之比（也有用水平位移与垂深之比）大于或者等于2，大位移井综合体现了当今最先进的钻井技术，它对于利用现有平台开发老油田的剩余油、开发滩海和极浅海油田实现海油陆等采具有巨大的经济价值。

该项技术自20世纪90年代开始得到发展，目前国外已经钻成数百口大位移井。

最大水平位移已经超过10000m。

大位移井分为浅层大位移井和深层大位移井，浅层大位移井是指垂深只有100～500m，水平位移与垂深之比较大的井，使用斜井钻机和修井机即可施工。

美国和加拿大这种井较多。

其中美国的B21井垂深只有206m，井深1353m，钻穿油层段1084m，水平位移970m，水平位移与垂深只比是5.66。

深层大位移井早期是指水平位移超过3000m，水平位移与垂深之比大于1；后来定义为水平位移超过3000m，水平位移与垂深之比大于2的井。

1982～1990年水平位移由4473m增大到7290m，1990～1999年水平位移增大到10728m。

它是由英国BPAmoco公司在英国Wytch Farm油田钻成的M-16Z井，水平位移10728m，井深11278m，钻井及固井时间共123天。

1998年创记录的M11井打了两个井眼：M-11Z，井深9688m，然后侧钻打了M-11Y，井深10658m，水平位移10114m，其中水平段的长度达4900m。

一、大位移井的概念(Extended Reach Well )（1）国际上普遍采用的定义：井的水平位移与垂深之比等于2 或大于2的井称为大位移井。

（2）另外的定义：水平位移等于3000米或大于3000米的井。

二、大位移井的特点及用途1、大位移井的主要特点• 一是水平位移大，能较大范围地控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少陆地及海上钻井的平台数量；二是钻穿油层的井段长，可以使油藏的泄油面积增大，可以大幅度提高单井产量。

2、大位移井的用途(1)用大位移井开发海上油气田从钻井平台上钻大位移井，可减少布井数量，减少井投资。

(B)用大位移井开发近海油气田以前开发近海油气田要求建人工岛或固定式钻井平台，现在凡距海岸10公里左右油气田均可从陆地钻大位移井进行开发。

(C)开发不同类型的油气田几个互不连通的小断块油气田；几个油气田不在同一深度，方位也不一样，可采用多目标三维大位移井开发。

(D)保护环境可在环境保护要求低的地区用大位移井开发环境保护要求高的地区的油气田。

三、大位移井的发展状况大位移井始于上世纪20年代，由于当时的技术限制大位移井钻井技术发展缓慢。

进入80年代后半期，随着相应的科学技术和其它钻井技术的发展，如水平井、超深井钻井技术等，大位移井钻井技术才迅速发展起来。

国外情况：（98年的记录）1）垂深与水平位移之比最大的是C-30定向井，水平位移为1485米，总垂深为294米，垂深与水平位移之比达1：5.05。

2）水平位移最大的井M-11井，水平位移10114米。

1999年英国北海的M-16SPZ井，其水平位移达到10728米,平垂比大6.7。

全井井深世界第二(世界最深油气井)，11278米；钻井及固井，共123天。

国内情况：1997年在我国的南海东部，菲利浦斯公司完成的西江24-3-A14井完钻井深达9238米,垂深2985米，水平位移8062.7米，平垂比2.7。

由我国自己的全套技术进行大位移井钻井较晚,目前可以打出了水平位移超过3000米的大位移井，但平垂比小于2。

四、大位移井的关键技术1、管柱的摩阻和扭矩2、钻柱设计3、轨道设计4、井壁稳定5、井眼清洗6、固井完井7、轨迹控制（一）管柱的摩阻和扭矩钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而摩阻和扭矩增大是非常突出的问题，它是限制位移增加的主要因素。

管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套管时套管的摩阻和扭矩。

1、钻柱扭矩和摩阻力的计算为简化计算，作如下假设：在垂直井段，钻柱和井壁无接触；钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计；在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯曲。

计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已知力开始逐步向上计算。

若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻力，只要把这点以下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分别加上钻柱底部的已知力。

钻柱扭矩的计算在斜井段中取一钻柱单元，其受力状态如图2—1。

该单元所处的井斜角和方位角分别为θ和φ，单元钻柱底部的扭矩为M，拉力T。

该单元的扭矩增量为ΔM = RFr （1）式中ΔM —钻柱单元的扭矩增量，N·m;R —钻柱的半径，m;Fr —钻柱单元与井壁间的周向摩檫力，N 。

该单元上端的扭矩为（2）式中 Mj —— 从钻头算起，第j 个单元的上端的扭矩，N ·m;Mo —— 钻头扭矩（起下钻时为零）， N·m ；ΔMi —— 第i 段的扭矩增量， N·m 。

钻柱摩阻力的计算（转盘钻）转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动，因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。

在斜井段中取一钻柱单元，如图2。

图2中，V 为钻柱表面C 点的运动速度，Vt 和Vr 分别为V 沿钻柱轴向和周向的速度分量；F 为C 点处钻柱 所受井壁的摩擦力，其方向与V 相反；Ft ，Fr 分别为F 沿钻柱轴向和周向的摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。

2、减小管柱扭矩和摩阻的措施为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井 的设计与施工中要采取各种必要的措施。

(1) 优化井身剖面选择管柱摩阻最小的井身剖面。

(2) 增强钻井液的润滑性许多大位移井采用油基钻井液，油水比越大，钻井液的润滑性越好。

(3) 优化钻柱设计底部钻具组合可少用钻铤，而使用高强度加重杆。

(4) 使用降扭矩工具使用不转动的钻杆护箍可有效地减小扭矩。

（5）使用滚轮式套管扶正器使常规的滑动摩擦变为滚动摩擦。

（6）漂浮法下套管国外应用漂浮法下套管技术，可降低套管的摩阻。

这种技术的原理是在套管内全部或部分地充满空气，通过降低套管在井内的重量来降低套管的摩阻。

用的较多的是部分充气，这种方法可使套管的法向力大大降低。

（7）提高地面设备的功率（8）使用顶部驱动系统2、钻压设计大位移井的钻柱设计主要是钻压设计。

在直井段底部和弯曲井段，钻柱的弯曲是不可避免的。

在斜井段，可通过底部钻具的足够重量给钻头施加足够的钻压来避免钻柱的弯曲。

为减少钻柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部钻具组合可部分的或全部的使用加重钻杆施加钻压。

若用常规钻杆对钻头施加钻压，要考虑钻杆的弯曲问题。

设计的原则是钻杆某点受到的压力载荷，不应超过钻杆的临界弯曲载荷。

在大斜度井中，井斜角有利于钻杆的稳定性，所以钻杆在直井中的临界弯曲载荷适用于大斜度井。

在直井中，钻杆的临界弯曲载荷用下式计算，ji i o j M M M 1REIW K F B CRIT sin 2式中FCRIT—临界弯曲载荷，lb；E —杨氏模量，psi；I —惯性矩，in4；W —钻杆在空气中的重量，lb/ft；Kb —浮力系数，无因次；θ—井斜角，度；R —钻杆和井眼间的径向间隙，in。

上式提供了加重钻杆在直井中施加钻压的限制范围。

钻杆所受的压力与上式计算的临界弯曲载荷相比，可以确定钻杆是否发生弯曲，如果发生弯曲，则要降低钻压，或更换具有更大的临界弯曲载荷的钻杆。

如上所述，钻杆所能施加的钻压可由下式确定，WOB≦FCRIT+WBS式中WOB —设计钻压；WBS —钻杆的浮重。

（三）大位移井轨道设计1、轨道设计的原则大位移井轨道设计，要求对所有参数进行优化，尽量降低井眼对管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和测量工具的下入能力，并能尽量增大大位移井的延伸距离。

国外大位移井井身剖面的主要类型：（1）增斜—稳斜剖面这种剖面的造斜率低，井斜角及测深增幅缓慢，但可降低钻柱的扭矩、摩阻和套管的磨损。

（2）小曲率造斜剖面这种剖面的特点是造斜点较深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且随目标深度的增加，旋转扭矩的增幅较小。

（3）准悬链线剖面准悬链线剖面有许多优点，它不但对管柱的扭矩和摩阻低（钻柱与井壁之间的接触力近似为零），而且使套管的下入重量增加。

目前这种剖面在大位移井中广为应用。

石油大学的韩志勇教授在准悬链线剖面的基础上提出了侧位悬链线剖面的设计方法，这种剖面比准悬链线剖面的扭矩和摩阻小。

(四)大位移井的井壁稳定问题大位移井的井壁不稳定性1、影响大位移井井壁不稳定的因素（1）狭窄的钻井液密度范围一般来讲，当井眼倾角增加时，钻井液要提供足够大的压力来防止井壁坍塌。

与此同时，井壁出现裂缝的可能性也增加了。

简言之，防止井壁坍塌的钻井液密度范围较小。

（2）当量循环密度高（ECD）大位移井井眼长，钻井液循环时环空压降大，而钻井液密度工作范围窄，高的当量循环密度容易达到井壁的破裂压力，而使井壁破裂。

（3）抽吸压力和激动压力在大位移井中，由于狭窄的钻井液密度范围，井壁对抽吸压力和激动压力相当敏感，可能导至井壁坍塌或破裂。

（4）时间关系井壁在低密度泥浆中长期侵泡，特别是水基钻井液的情况下，非稳定性尤为明显，常常会造成许多井下事故。

（5）化学反应钻井液和地层间的化学作用也影响井壁稳定性，水基钻井液和油层上部的泥页岩经常发生强化学反应，泥页岩膨胀，造成缩径或井壁坍塌。

2、井壁稳定性机理（1）井眼（井壁）应力原始地应力分为三项主应力，即上复应力Sv （亦称最大主应力）、最大水平应力SH 和最小水平应力Sh ，如下图a 。

打开井眼之后，原始地应力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼轴线的应力SZ 、周向应力S θ 和径向应力S R ， 如下图b 。

（2）岩石的破坏1）压缩破坏 当作用于岩石上的压力大于岩石的抗压强度时产生 压缩破坏。

2）拉伸破坏 当作用于岩石的拉力大于岩石的抗拉强度时产生拉 伸破 坏。

(岩石力学规定 压应力为正，拉伸应力为负。

)（3）岩石的破坏在井筒内的表现形式1）岩石的压缩破坏在井筒内表现为井壁坍塌。

2）岩石的拉伸破坏在井筒内表现为井壁破裂。

（4）大位移井眼的不稳定性随着井斜的增加，井壁的不稳定性增加。

井眼由垂直变为水平，其应力状态的变化如下图S S HSS S θ在正常压实地层，SH= Sh ，Sv > SH 。

在井眼某深度，原地应力是固定的，井壁的周向应力 S θ沿周边位置变化，其大小也发生变化，且必然存在S θmin 和S θmam ，这就导致井壁有破裂和坍塌的可能。

井壁破裂（拉伸破坏）井壁破裂与S θmin 有关。

研究表明，在斜井中，随着井斜的增加，S θmin 减小，并趋于拉应力状态，当拉伸应力S θmin 超过岩石的抗张强度时，岩石发生破裂。

对直井 S θmin= 2 SH - PW - PP （1） 对水平井 S θmin= 3SH – SV - PW - PP （2）式中 PW ——钻井液柱压力；PP —— 地层孔隙压力。