水平井钻井优化设计技术

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摘要：水平井钻井技术适用范围广、油井产量大，目前已成为国内外开发油气能源使用的主要技术手段。本文对水平井及设计流程进行了简介，并在此基础上从油藏特点、井身剖面设计、钻具的选择和使用、钻井液的选择、水平井段长度的确定和水平井柱的设计等方面，探讨了水平井钻井优化设计技术。

关键字：水平井；钻井；油藏；井身剖面；井柱

石油、页岩气等能源产业的迅猛发展，促进了钻井、测井、完井以及能源开采技术的不断完善和成熟，同时提升了水平井、分支井等复杂结构井相关技术。水平井技术适用范围广、单井产量大，目前已成为国内外开发油气等能源时广泛使用的技术手段。水平井概念最早于上世纪二十年代提出，经过近百年的发展历程，目前已在多个国家得到广泛的研究和应用。本文将在对水平井进行简要阐述的基础上，论述水平井钻井优化技术。

1. 水平井简介

水平井是井斜角接近90°，且井眼在产层内横向衍生的油气井。水平井的独特构造可以增大油气层中石油等能源的面积，便于较薄的油气层和裂缝性油气藏的开发。井眼轨道控制、随钻测量、井壁稳定等技术是目前常用的水平井钻井技术。根据水平井的垂直段到水平段的曲率半径，可以分为长、中、中短、短、超短半径水平井，施工难度依次由易而难。

2. 水平井设计流程

与一般的定向井不同，水平井设计综合性强、涉及学科多，开发难度较大，主要体现在：轨道控制难度大、精度高，管柱受力复杂，钻井液选择范围小，井下作业困难，固井、完井困难等方面。

通常，水平井钻井过程自上而下依次为地面设置搭建、井下工具及仪器准备、套管、曲率半径计算、完井、储集层施工等，而水平井设计过程则于钻井过程顺序相反，按自下而上的顺序设计。

水平井的设计可以分为完井、水平井眼、造斜和垂直四个阶段。在完井阶段需要明确对完井工具、采油设备以及工业技术的要求，确定井眼尺寸和套管程序。水平井眼阶段需要完成钻井液的选择、钻具设计、钻头选择、水利参数的确定等工作。造斜阶段除了要考虑到上述各阶段的设计要求外，还要进行造斜点、增斜率的选择。在垂直阶段进行的设计工作要保持与前三个阶段工作的一致性和配套性，同时为以后的施工准备好条件。

3. 水平井设计优化要素

3.1 油藏特点

水平井适宜开发的油藏类型通常有薄层油藏、稠油、重油油藏、低渗透油藏、有垂直裂缝的油藏、有底水和气顶的油藏等。对于不同的油藏类型，在水平井钻井设计时需要考虑的侧重点和注意事项不同。

3.1.1 多层系油藏

在设计多层系油藏水平井时，应考虑在客观条件允许的情况下，水平井段应尽量能够钻穿多组油层。相关事实表明，钻穿油气层多的水平井具备更高的井产量。

3.1.2 有垂直裂缝的油藏

在对有垂直裂缝的油藏设计水平井时，应保证水平井段与垂直裂缝正交，尽量钻穿多组垂直裂缝。

3.1.3 有底水和气顶的油藏

水平井轨迹设计时应考虑到气锥和水锥的问题，同时水平井段应尽量远离油水交界面。

此外，在水平井眼轨迹的精度设计时，也需要考虑到油藏的具体特点，依油层厚度而制定。

3.2 井身剖面设计

3.2.1 井身剖面设计考虑因素

通常水平井钻井中存在井眼轨道较长、钻井困难等实际问题，因此在进行井身剖面设计时应特别考虑到以下几点：满足当地地质要求、尽可能避开复杂地层；尽量优化增斜率曲线、方便施工；便于井眼清洁；尽量减少下钻和钻进时的扭矩和磨阻。

3.2.2 井身剖面类型选择

水平井的剖面类型通常可分为小水平位移型和大水平位移型。

小水平位移型剖面又称“J”型剖面，仅由垂直、造斜、垂直延伸三个井段构成，剖面简单，适合于厚度较大的油层。

大水平位移型剖面则由垂直井段、第一、第二造斜段和水平段等构成，适合于中长半径的水平井。

3.3 钻具的选择和使用

造斜钻具通常采用弯接头和动力钻组合，造斜钻具弯接头的弯曲角越大、钻铤刚性越高，则钻具组合造斜能力越强、造斜率越大。通常弯接头弯曲角度在1°-2.5°之间的范围内进行选择，同时应根据井段的直径大小选择合适的动力钻。

增斜钻具一般为双稳定器钻具的组合，根据杠杆原理而设计。增斜钻具在选择时，应考虑到下部钻井规格以及双稳定器间距离要求。

稳斜钻具通常为钻头、稳定器（3个）、钻铤（含短钻铤和单根钻铤）的组合。

降斜钻具通常为钟摆钻具的组合，应根据井眼尺寸选择合适的钻压。

3.4 钻井液选择

在钻井液的选择上，要考虑到地质情况、工程情况和成本预算等三方面。目前，正电胶钻井液、各种聚合物钻井液、清洁盐水聚合物完井液得到了较广泛的应用。

3.5 水平井段长度的确定

水平井的水平井段长度并非越长越好，在实际中，应综合考虑多方面因素，确定水平井段的最佳长度。通常需要考虑的因素有：1）油层的构造；2）油层的产油能力；3）采油工艺的技术水平；4）操作者的个人能力；5）相关钻井设备的能力；6）摩阻、扭矩等方面的制约；7）井眼在钻进过程中的稳定性。

3.6 水平井钻柱的设计

通过钻柱设计，尽可能的减小在水平井施工过程中的摩阻和扭矩是水平井钻井成功的保证。因此，在钻柱设计时应考虑到如下因素：1）现有设备和材料的能力；2）钻柱应保证在井段施工过程中产生摩阻、扭矩及各种应力不能超过管材的极限值；3）合理减轻钻柱总重、设计好各构件的安装位置；4）井壁与接头间的接触力应保持在安全范围内；5）尽可能选择性价比高的管材。

4. 结束语

本文对水平井及其设计流程进行了简单介绍，并在此基础上，详细探讨了水平井钻井设计优化技术。总之，在进行水平井优化设计时应综合考虑各方面情况，同时积极学习借鉴国内外的先进经验，结合本地区的特点进行科学合理的设计，以提高水平井的钻进成功率和油井产量。

参考文献：

[1] 佘庆东. 水平井优化设计和开发指标预测方法[J]. 国外油田工程，2007（08）

[2] 唐志军，邵长明. 钻井工程设计优化与应用[J]. 石油地质与工程，2007（03）

作者简介：徐兵（1975-），男，汉族，湖北咸宁人，毕业于中国石油大学资源勘查专业，工程师，现主要从事钻井管理工作。