水平井钻井工程设计及轨迹控制技术PPT.ppt
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1、水平井钻井工程设计及轨迹控制技术,三、胜利油田水平井完成情况,一、水平井钻井工程设计,二、水平井轨迹控制技术,四、与国外先进水平的差距,目录,水平井钻井工程设计,水平井是:,井斜角大于86以上的定向井,水平井区适应性筛选评价技术;,一、地质及油藏工程设计技术,水平井区精细三维建模技术;,水平段优化设计技术;,水平井产能预测技术;,剩余油分布定量研究技术,基础,关键,重点,目的层及位置,合理布井方式,油藏工程参数优化设计,目标区水平井优化设计方案,方案经济评估,井身轨迹优化,水平井地质及油藏工程设计方案流程图,区块筛选,油藏类型,油藏地质条件,初步经济评估,适合水平井的目标区块,精细三维地质模型
2、,剩余油分布规率研究,1,2,3,4,二、水平井钻井工程设计技术,井身轨道和井身结构设计,钻具组合及钻井参数的设计,井眼轨迹测量方案的设计,磁参数和子午线收敛角计算,钻井液设计,完井固井设计,(一)井身轨道及井身结构设计1、设计要考虑的因素,(1)水平井类别:根据油藏特性和地质要求,综合分析确定,长半径:R 285m K 28586m K 5712m K 15/m,(2)基本剖面类型:四种,双增稳剖面:直-增-稳-增-平 双增剖面:直-增-增-平 三段制剖面:直-增-平 三增剖面:直-增-增-增-平,(3)选择切实可行的造斜率,水平段钻井方法。(4)合适的靶前位移,确定井口坐标、造斜点,初步计
3、算剖面参数。,2、井身结构设计,(1)设计原则:由内到外的设计原则。具体要考虑:,完井方法:在满足工程条件下,尽可能简化,钻机及设备能力,技套尺寸及下深:封固斜井段至适当井斜角,套管强度:安全经济性,第一阶段(初级)660mm井眼一开,508mm表层套管封固松软地层 444.5mm井眼二开,508mm技套管封固到井斜角40 311.1mm井眼三开,339.7mm技套管封固到井斜角90 215.9mm井眼四开,139.7mm油层套管完井。主要特点:适用于低造斜率、长增斜段的长半径水平井是一种非常安全的井身结构,但不经济,且大井眼造斜率难以控制,造成携岩困难,有时还会导致钻具事故。,(2)井身结构
4、模式及主要特点:,发展四阶段:,第二阶段(基本级)660mm井眼一开,508mm表层套管封固松软地层 444.5mm井眼二开,339.7mm技套管封固直井段 311.1mm井眼三开,244.5mm技套管封固到井斜角90 215.9mm井眼四开,139.7mm油层套管完井。主要特点:解决了大井眼携岩困难;定向造斜和转盘增斜时造斜率、方位漂移便于控制;技套封固了斜井段,可实现长水平段安全钻进。,发展四阶段:,第三阶段(定型)444.5mm井眼一开,339.7mm表层套管封固松软地层 311.1mm井眼三开,244.5mm技套管封固到井斜角90 215.9mm井眼四开,139.7mm油层套管完井。主
5、要特点:简化了井身结构,减少了套管层次,提高钻井速度,降低钻井成本小井眼代替了大井眼,定向造斜和转盘增斜机械钻速提高定向造斜时,排量相对较大,便于携岩,保证了施工安全,得到大面积推广应用。,发展四阶段:,第四阶段(改进的长裸眼性)444.5mm井眼一开,339.7mm表层套管封固松软地层 215.9mm井眼四开,139.7mm油层套管完井。主要特点:简化了井身结构,减少了套管层次,提高钻井速度,降低钻井成本小井眼代替了大井眼,定向造斜和转盘增斜机械钻速提高定向造斜时,排量相对较大,便于携岩,保证了施工安全,目前得到大面积推广应用。,发展四阶段:,3、水平井井眼轨道设计,根据地质提供的靶点三维坐
6、标,计算水平段长度,水 平段稳斜角,及方位角。确定井身剖面类型。确定水平井钻井方法及造斜率,选定合适的靶前位移。利用计算软件,初步计算井身剖面分段数据。对初定剖面进行摩阻、扭矩计算分析,通过调整设计 参数,选取摩阻扭矩最小的剖面。根据初定剖面的靶前位移及设计方位角,计算出井口 坐标,并到现场落实。根据复测井口坐标,对设计方位及剖面数据进行微调,完成剖面设计。,(1)基本数据计算,(2)水平井靶区的确定,确定靶区的依据有五个方面:油藏的边界条件 钻探目的 地质勘探 开发精度要求 钻井能力和手段。水平井的靶区类型:圆柱靶:即沿水平设计井眼轴线半径为R的圆柱体。矩形靶:即纵向为a米,横向为b米的长方
7、体。梯形靶:即纵向为a米,A靶横向为b、B靶横向 c米的空间几何柱状体。,(3)剖面数据设计方法 采用圆柱螺旋线法(曲率半径法)或最小曲率法进行计算。(4)设计剖面数据计算软件:SDDC98 Landmark。,(二)钻具组合及钻井参数的设计,1、要考虑的两大部分问题,钻柱的设计 目的是使水平井钻柱能够满足加压的要求,所受到的摩阻和扭矩 最小,并能满足钻机的水力要求。井底钻柱组合的设计 目的是设计出符合轨道剖面设计要求的井底钻具组合,来实现井身 剖面。包括直井段井底钻柱组合的设计,长半径水平井增斜段井底 钻具组合的设计,中半径水平井增斜段井底钻具组合的设计,短半 径水平井增斜段井底钻具组合的设
8、计和水平井水平段井底钻具组合 的设计。不难看出这部分是水平井钻井技术的核心所在,2、水平井钻柱设计的机理,基础:摩擦理论 计算模拟摩阻扭矩与实钻实测数据比较,经过长期的实践而确定的。F=N(1)正压力的确定 第一:钻柱重量引起的正压力N1 第二:井眼曲率引起的正压力N2 第三:钻具弯曲引起的正压力N3 第四:钻具内外压差引起的正压力N4(2)正压力计算:N=N1+N2+N3+N4,(3)摩擦扭矩及钻具受力分析 已知摩擦系数的前提下,可对摩阻扭矩进行钻前预测或实钻校正反推摩擦系数。(4)水平井钻柱的力学分析及设计 几种工作状态:起下钻工作状态 转盘钻进工作状态 动力钻具钻进工作状态钻具结构由六部
9、分组成:第一部分是由钻头、稳定器、动力钻具及无磁钻铤组成 井底钻具组合。主要作用是用于控制井眼轨迹,使之满足剖面设计要求。在满足井眼轨迹控制 要求的前提下,尽可能地缩短该部分的长度,对于减少摩阻和扭矩来说是非常必要的。,第二部分是钻压传递段:其作用是将钻压和旋转运动传递给井底钻具,对它的要求是在负荷传递过程中不受破坏,加压后不产生弯曲,且能使产生的摩阻和扭矩最小。第三部分增斜段下部:主要承受剪切负荷,轴向负荷及由于井眼曲率而产生的弯曲负荷,因而尽可能使用较轻的钻具。第四部分为增斜段上部:要求在加压时不发生失稳弯曲。第五部分是重量积累段:要求钻具能产生第四部分以外的钻压;第六部分为直井段:该段钻
10、具通常处于受拉状态,所承受的拉伸负荷及剪切负荷相对较大,要能满足其强度要求。概括起来讲就是抗拉、抗剪、抗弯与钻具重量间的平衡。,对于半径水平井:在井斜角tg(1/)时,钻柱设计与普通定向井一样,只是在井斜角tg(1/)或水平段时,主要要简化井底钻具组合使之满足井眼轨迹控制的要求即可,这在减少摩阻扭矩的同时,还减少了粘附卡钻的可能性。对于中半径水平井:由于造斜率高,增斜段短,用动力钻具进行滑动钻进的时间多,所受的摩阻大,因而简化钻具结构是必要的。对于短半径水平井:由于造斜率比中半径水平井还要高,考虑的首要问题是钻具的柔软性以及下部钻具组合能满足井眼轨迹控制的强度。,3、井底钻具组合的设计(1)直
11、井段钻具组合设计:通常采用:“塔式防斜钻 具”,既能打快,又能打直。(2)增斜段钻具组合设计:长半径水平井:与普通定向井相同;中半径水平井:主要用单、双弯壳体动力钻具完成 短半径水平井:主要用单、双弯壳体动力钻具完成;但尺寸短,度数高。(3)水平段钻具组合设计:转盘钻进钻具组合:与常规的稳斜、微增斜或降斜钻具组合相同。导向钻具组合:异向双弯动力钻具或小度数动力钻具。,4、水平井钻井参数、水力参数优选及确定(1)直井段:与普通定向井相同(2)增斜段:主要取决于动力钻具的工作特性,最大压差70 90%的所对应的钻压。(3)水平段:要求在加压后不产生弯曲。,(四)水平井井眼轨迹测量方案设计,技术关键
12、:(1)高造斜率大井斜和水平段条件下数据采集(2)测量数据精度的满足要求(3)在现有仪器设备条件下解决的几个难题:如何将有线随钻测斜仪送到井底,准确座键,并长时间连续实时监控井斜角、方位角的变化和动力钻具的工况。如何将电子多点测斜仪送到井底,准确测量井眼轨迹数据。如何经济有效的使用MWD随钻测斜仪,实时监测钻进效果和测量轨迹数据。影响测量精度的原因和提高测量精度的方法。,(五)水平井钻井液设计,设计钻井液的要求:能满足不同地区、不同油藏特性和不同类型的水平井钻井工艺,具有水平井的携岩洗井、井眼稳定防塌、润滑防卡、防漏堵漏及保护油气层。,取得的一些共识:在同一井眼条件和钻井液条件下,不论是紊流还
13、是层流,随着井斜角的增加,岩屑携带率随之下降,岩屑在环空的返速随之降低,能携带的岩屑颗粒直径随之下降。,在层流时,塑性流体的携岩能力明显优于假塑性流体。在0-90度范围内,提高流速可以提高岩屑的返速,但达到一定值后,流速的增加不再提高岩屑返速,反而降低输送能力。不同的斜井段对钻井液的性能有不同的要求,可通过现场试验确定最优的流变参数范围。稠油砾石层水平井,不宜使用油包水钻井液,应使用水包油钻井液。保证井眼平滑,增加钻具旋转机会和短起下钻对提高水平井井眼清洁程度有十分显著的作用。必须使用含离心机在内的钻井液设备,进行固相含量控制。,三套水平井钻井液体系:,SN-1聚合物水包油钻井液体系 SN-2
14、正电胶钻井液体系 SN-3低荧光钻井液体系 不仅用于淡水,亦可用于咸水或海水,具有性能易调整、润滑防卡、防塌能力强等优点。,(六)完井固井设计,完井方法主要取决于油藏地质采油。,造成水平井套管载荷剧增的主要原因是井眼曲率在三维空间的变化所导致的弯曲应力和下套管时产生的摩擦阻力所至。,水平井完井方法,1、水平井套管附件流线型的钢质引鞋:对付阻力全钢弹簧式自动回压凡尔:防止水平段水泥浆的倒流变径胶塞:解决复合套管串的碰压问题刚性螺旋扶正器:解决居中、下套阻力、顶替效率问题,2、固井液体系,多功能表面活性剂的破乳性能达到破坏油膜层清洗井效果SG-1型油井水泥自由水控制剂,达到了自由水为零、失水量低、
15、流变性好、稠度系数适中和强度高的优良性能,且具有较好的稳定性。G级高抗硫和D级高抗硫油井水泥,以粉煤灰为添加剂的水平井低密度水泥浆,解决了注水泥作业中易出现低返的难题。攻克了水泥石在高温下强度衰退的难题,研制出了稠油热采井固井水泥浆配方。,泥浆,悬挂器,水泥浆,套管,零自由水控制剂,套管附件及工具,3、提高注水泥顶替效率的几项强化措施:,(1)井眼准备:除了常规井措施外,还应对裸眼井段 封闭2%体积比的塑料小球,降低下套管的摩阻力。(2)强化套管柱设计,重点检查校核抗弯曲应力强度。(3)按设计计算的间距安装套管扶正器,并根据井径 曲线和油层位置适当加装螺旋刚性与弹簧扶正器。增加下套管的导向作用
16、。(4)采用大排量紊流固井(5)套管与环空内外蹩压候凝。,整口水平井设计流程图,采油厂地质所提出井位,报管理局开发部,组织地质、钻井、开发部门专家评审,总地质师审批,油藏工程设计,钻井地质设计,钻井、采油工程设计,总工程师审批,局主管领导批准,水平井轨迹控制技术,水平井轨迹控制技术,1、水平井轨迹控制的思路及认识:长半径水平井弯曲井段和水平段的井眼轨迹控制手段。中半径水平井弯曲井段和水平段的井眼轨迹控制手段。短半径水平井弯曲井段和水平段的井眼轨迹控制手段。,2、水平井轨迹控制模式的主要内容:(1)采用高压喷射、防斜打直技术,快速钻完直井段,严格地将造斜点前的靶前位移控制在允许的范围内。,(2)
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