水平井剖平面示意圖

(3)短半徑水平井(又稱大曲率水平井)：其造斜井段的設計造斜率K＝(3°～10°)／m，相應的曲率半徑R＝19.1～5.73m。上述3種根本類型水平井的丁藝特點和各自的主要優缺點分別列于表l—l和表1—2。第二節水平井在油氣勘探開發中的應用和效益大斜度井(井斜角大于60°的井)主要適用于層狀油藏。多井底井(在一個井眼內鉆幾口井)主要用于很厚的垂直滲透油層(具有低孔隙率和垂直裂縫的塊狀石灰巖)或者短半徑橫向引流類的井。1．天然垂直裂縫在垂直裂縫油藏中，油氣完全處在裂縫中，裂縫之間的非生產底層一般為6~60m厚，所以垂直井可能只鉆到一個產層．也可能一個產層也鉆不到，而水平井可以與產層垂直相交，橫向鉆穿假設干個產層裂縫．這樣就比垂直井的開采量要高得多。2．水錐和氣錐1)水錐水平井可以在油層的中上部造斜，然后在生產層中鉆一定長度的水平井段。水平井不僅減少水錐的可能性如圖1—4所示。2)氣錐水平井的井眼全部在油砂中有助于防止氣錐問題。并可以控制采收率，不致于使氣錐的壓力梯度過高。水平井成功地減少了水錐、氣錐等有害影響。3．低滲透性地層由于固井的影響，石灰巖油藏的孔隙度和滲透率即使在短距離內也可能有相當大的變化。與此相似．砂巖油藏中內部巖層構造傾角的變化也能造成孔隙度和滲透率的變化，這些油藏水平相交可以提高產量。4．薄油層對于薄油層．通過在油層的上下邊界之間鉆個水平井段可以大大地增加井與油層的接觸外表積。對于厚的油層那么可以優先選擇本錢較低的直井完井方法，或者考慮應用多底井的可能性(見圖1—5)。5．不規那么地層平鉆井已經成功地應用產開發不規那么油藏。這種含油地層互不關聯，孤立存在，地震測量也難以指定其準確位置．所以鉆直井或常規定向井很難鉆到這類油藏。然而短半徑水平井可以從現有直井中接近油藏的位置進行造斜．并且可以防止可能的水錐和氣錐問題。6．溶解采礦很多礦藏當今采用溶解采礦法進行開采，水平井可以提高這些礦藏開采的經濟效益。7．邊際構造、叢式井和加密井水平井可能適用于邊際構造，為了在短期內增加總的開采量可以鉆從式水平井組(見圖1—6)。第二章水平井設計第一節水平井設計中的幾個問題水平井的設計思路和根本方法是：目的層油藏地質設計—產量預測一完井方法選擇一水平段設計一目的層以上的剖面設計一套管程序設計一井下工具、測量方法選擇一水力參數設計與地面設備選擇一經濟評價。水平井設計是一個“先地下后地面，自下而上．綜合考慮，反復尋優〞的過程。圖2—1是國外某公司給出的水平井設計流程示意圖，大體反映了水平井設計過程的根本特征。3)確定水平段方向確定水平段方向的根本原那么就是如何獲得最大的產能。對于靠天然能量開采的油藏，水平段方向最好與天然裂縫方向垂直，盡量多地穿透裂縫；而對注水開發的低滲透砂巖油藏，應綜合考慮砂巖形態、天然裂縫方向、人工裂縫方向等因素，并結合油藏工程研究來確定水平段方向，二、水平井完井方法的選擇目前的水平井完井可分為如下4種根本方法：(1)裸眼完井。(2)篩孔/割縫襯管完井。(3)篩孔/割縫襯管帶管外封隔器完井。(4)襯(套)管注水泥固井射孔完井。此外還有礫石預充填完井、礫石充填完井和其他可進行選擇性洗井及增產措施的選擇性完井方法。⒈4種完井方法的比較1)裸眼完井法(1)費用低。(2)沒有產量損失。(3)使用裸眼封隔器可以進行增產作業。其缺點是：(1)可能造成井眼堵塞．甚至造成局部乃至全部井段報廢。(2)生產控制性差。(3)修井作業困難。(4)廢棄局部生產段困難。2)篩孔/割縫襯管完井法

其優點是：(1)割縫或篩孔可保持油層與井眼間的可靠通道。(2)假設割縫或篩孔尺寸適當可局部控制出砂。(3)在松軟地層常用繞絲篩管控制出砂。(4)礫石充填篩管可以有效進行砂控。其缺點是：(1)不能控制生產。(2)廢棄局部生產段困難。(3)不能進行生產測井。3)篩管/割縫襯管帶管外封隔器完井法其優點是：(1)可在石灰巖裂縫地層中實現層段的隔離。(2)可隔絕水層和氣層。(3)可到達局部準確的生產測井。(4)可完成局部選擇性的增產作業。其缺點是由于管外封隔器同割縫襯管一道在裸眼井中使用，很難預測和保證密封效果。

4)襯(套)管注水泥固井射孔完井法其優點是：(1)在任何油層都可以有效地到達封隔作用。(2)在整個生產期間．任何時候都可以到達對原生水和氣的封隔。(3)可以進行準確的生產測井。(4)能夠完成選擇性的增產作業或選擇性生產。其缺點是水平井襯(套)管固井和射孔費用高，固井質量也較難保證。2.水平井完井方法的選擇原那么選擇水平井的完井方法時必須考慮以下幾點：(1)生產(包括產量、生產模式)。(2)生產測井。(3)生產控制。(4)預期的修井要求。(5)生產井注水、注氣量的控制。(6)生產層段的廢棄。(7)曲率半徑對完井方法的限制。從曲率半徑方面而言，短半徑水平井一般只能用裸眼或篩孔劇縫襯管的完井方法，而中、長半徑水平井那么對4種完井方法并無限制。三、水平井靶區參數設計水平井的靶區一般是一個包含水平段井眼軌道的長方體或擬柱體。靶區參數主要包括水平段的井徑、方位、長度、水平段井斜角、水平段在油層中的垂向位置以及水平井的靶區形狀和尺寸即水平段的允許偏差范圍。1．水平段長度設計設計方法是：根據油井產量要求，按照所期望的產量比值(即水平井日產量是鄰近直井日產是的幾倍)，來求解滿足鉆井工藝方面的約束條件的最正確水平段長度值。這些約束主要是指包括鉆柱摩阻、鉆機能力、井眼穩定周期及油層污染狀況等因素的限制。⒉水平段井斜角確定確定水平段井斜角的設計值一般應綜合考慮地層傾角、地層走向、油層厚度以及具體的勘探或開發要求。我國對石油水平井的水平段井斜角設計值的要求一般是不小于86°。在通常情況下，水平段與油層面平行，其井斜角為式中水平段設計井斜角，(°)；β油層地層傾角，(°)；依井眼方向與地層傾向的關系而定：假設沿地層上傾方向，取“+〞；假設沿地層下傾方向，取“－〞。3．水平段的垂向位置確實定油藏性質決定了水平段的設計位置。對于無底水、無氣頂的泊藏，水平段宜置于油層中部；對于有底水或氣頂存在的油藏，設計原那么是水平段應盡量遠離油水或氣水界面；對于同時存在底水和氣頂的油藏，應以盡量減小水錐和氣錐速度為原那么來確定水平段位置；對于重油油藏，為提高采收率，水平段應在油層下部，以便使密度較大的稠油借助重力流入水平井眼。4．水平井靶體設計水平井的靶體設計實質上就是要確定水平段位置的允許偏差范圍，它將受兩方面的限制：其一．嚴格控制允許偏差有利于把井眼軌道控制在最有利的地質儲層內；第二節水平井的剖面設計1．剖面設計要求可行的最簡單造斜曲線是從造斜點井斜接近零度時開始，以單一連續的弧鉆進到90井斜的單一均勻曲線。如果馬達造斜鉆具增斜特性的變化小于水平目標區的容許誤差、那么這一設計便是最正確設計。但是，大多數馬達造斜鉆具增斜特性的變化性和誤差都大大地超過水平目標區的允許誤差。為了補償這些變化性和誤差，就有必要在造斜井段設計沖加一段調節用的斜直井段。設計造斜曲線首先要確定水平目標區。水平目標區有兩種根本類型：①確定垂直深度的目標區；②確定在油藏中所在構造位置的目標區。按照水平井段靶區設計的不同要求，水平井井段的形狀可分為以下幾類〔見圖2—3〕：①傾斜靶區剖面；②垂直靶區剖面；③蛇形剖面；④造位置靶區剖面。造斜曲線設計必須考慮到以下問題：①避開復雜地層造斜；②曲線末端即造斜結束時的位移最小；③造斜井段的長度最短；④有一個調節井段以應付不理想造斜率的情況；⑤利用造斜井段的構造標記調整最終目標區的深度；⑥在目標區的容限之內；⑦軌跡要能夠保證完成全部水平井段的鉆進；⑧必須是允許使用所有必需的采油工具和設備的可完成井眼。某—些特定水平井的最正確造斜率取決于鉆到目標區所需要的方向控制能力，以及避開在復雜地層造斜的造斜井段高度。如果只考慮造斜井段的鉆進．那么最正確井眼曲率是可以到達的最高曲率。由于井眼曲率還影響著所有的后續作業，所以需要對高曲率的優點和其對以后作業的影響做出平衡。表2—1為應該考慮的假設干曲率極限。剖面設計根本上是簡單的幾何計算。造斜曲率可以分為以下三種根本劉面類型：

①單曲率—斜直剖面；

②變曲率—斜直剖面；

③理想剖面。2.單曲率—斜直剖面的設計單曲率—斜直剖面是最老、應用最為廣泛的造斜曲線．見圖2—4。這]類剖面的特點是，整個曲線由三段組成，造斜由上、下兩個造斜率相同的造斜井段完成，中間為斜直的斜井段。這一造斜曲線的設計根底是，以工程方案中方案使用之造斜鉆具的最小預計造斜率和最短斜直井段來選擇造斜點和方案的造斜曲線末端的位置。在設汁中使用造斜鉆具可能的最小造斜率是個關鍵。

如果上部造斜井段的實際造斜率超過了預計的(最小)造斜率，可以調整斜直井段的長度來使下部造斜井段鉆到目標區。這樣就把鉆到目標區的誤差限制在下部造斜井段的實際與預計曲率的誤差上選擇適當的斜直井段長度是非常重要的．因為幾乎沒有能夠實際保持井斜角不變的穩斜鉆具組合。對高曲率井眼，更為復雜的做法是在鉆斜直井段的頭一到兩個單根時不采用轉盤鉆，以防止底部鉆具組合由于在高曲率的上部造斜井段內旋轉而損壞。單曲率—斜直造斜曲線設計的最后一項選擇是斜直井段的井斜角，最為普遍的選擇之一是取45圖2—5表示了斜直線井斜角對曲率終點總位移的影響。3．變曲率—斜直剖面的設計

變曲率—斜直造斜曲線的設計是為了進一步控制目標的垂直深度。典型的變曲率—斜直造斜曲線見圖２—６。變曲率—斜直造斜曲線的設計方法是用上部造斜井段確定的馬達造斜鉆具組合的實際造斜能力，但是并不根據這一造斜率，而是利用比實際造斜率要低的預計造斜率來選擇下部造斜井段的造斜點。變曲率一斜直剖面設計在垂直目標區的精度和目標區位置及方位之間提供了一個調整的范圍。這個調整包括：靶區垂直深度跟造斜曲率終點位置的方位和位置比照。造斜曲率終點位置與終點方位的比照。靶區垂直深度，曲率終點位置和方位精度與費用的對比。4．理想造斜曲率剖面設計理想造斜曲率剖面就是沒有斜立井段的彎曲率造斜剖面。圖２—７為理想造斜曲率剖面設計方法簡圖。5．水平井剖面設計舉例1)造斜及方位變化計算根本公式圖２—８為造斜及方位變化軌跡計算圖。⑵單曲率一斜直剖面設計計算舉例題意：選用其造斜率為～100ft，設計最小斜直段的長度為１２０ft，傾角為，靶區傾角，靶區總垂深為9000ft。使用最小的工具造斜率設計單曲率一斜直水平井剖面。２－９為設計簡圖。第一節水平井各種常用動力鉆具的分類與結構特征圖３-1表示了長、中半徑水平井和井眼軌道控制作業的幾種井下動力鉆具的結構型式。在常規的定向井中，—般采用直動力鉆具(螺桿鉆具或渦輪鉆具)加配小角度彎接頭(彎角多在2度以下)進行定向造斜，這種鉆具組合稱為彎接頭——井下動力鉆具組合。與此不同的是，圖３—1所給出的長、中半徑水平井常用的動力鉆具組合的結構特征是帶有特殊的導向結構，如穩定器、墊塊、彎殼體以及大角度彎接頭等。這些水平井常用動力鉆具可作如下分類。⒈按功能分類根據使用場合和主要作業功能，可分為造斜動力鉆具組合和穩斜動力鉆具組合，分別用于造斜井段鉆進(著陸控制)和水平段鉆進(水平控制)。對于長半徑水平井，因其造斜率較低(K＜6度/30m)，這兩種功能的鉆具可采用同樣的結構型式，或一臺鉆具組合只有兩種功能：當定向鉆進時，可鉆出小曲率井段；當開動轉盤導向鉆進時，又可鉆出穩斜井段和水平井段。相應的鉆具結構如圖３—1的D，F和B(當單彎殼休彎角較小時)；對于中半徑水平井，因其造斜率較高[K＝(6°～20°)／30m]．這兩種功能的鉆具一般不再具有相同的結構型式：用于造斜的鉆具組合都采用定向鉆進狀態，其彎角值較大(彎殼體彎角值一般在1度以上)，如圖３—l的B，C，E，G等。穩斜動力鉆具已如上所述。2．按主機種類分類根據主機是螺桿鉆具還是渦輪鉆具又可把水平井常用井下動力鉆具分為兩類，但使用最廣的是螺桿鉆具。這兩種鉆具在導向結構方面往往差異較大：渦輪鉆具因自身結構特點一般不易形本錢體上的結構彎角，而且軸向結構尺寸長、故其導向部件常為偏心穩定器加同心穩定器(如圖３—1中F)或墊塊(圖３—1中G)，也有經特殊設計的帶有結構彎角短節的渦輪，但應用較少；螺桿鉆具因自身的萬向軸總成很容易產生彎角，故彎殼體、穩定器是其最常見的導向結構(如圖３—1中B,C，D，E)，在特殊情況下也采用墊塊作為導向結構(如圖３一l中G)。⒊按導向結構型式分類根據導向結構型式不同，水平井常用動力鉆具可分為彎殼體動力鉆具、彎接頭加短直動力鉆具(如圖３—l中A)及偏心穩定器加直動力鉆具(一般是渦輪鉆具)多種。這種導向結構旨在造成鉆具在井眼中的彈性變形，產生工具面和鉆頭側向力，以滿足定向相中、小曲率造斜的需要。圖３—1中A所示的彎接頭加短直鉆具結構，其彎接頭度數較大(一般在2°以上)，但其下的直動力鉆具那么要求很短(一般5m以下)，否那么會因鉆頭偏移量(offset)過大而難于入井，同時也會降低造斜率。據資料介紹，國外某公司曾用2.5°彎接頭加配3m長的短螺桿，鉆出曲率為14°／30m的中半徑井眼。第一節螺桿鉆具的工作特性一、螺桿鉆具的構成和工作原理如圖３-3所示，螺桿鉆具由4個部件組成，從上至下依次是：旁通閥總成；馬達總成；萬向軸總成；傳動軸總成；其作用是把鉆井液的水力能轉化為機械能供給鉆頭，螺桿鉆具是一臺容積式井下動力機械⒈旁通閥旁通閥是螺桿鉆具的輔助部件，它的作用是在停泵時使鉆柱內空間與環空溝通，以防止起下鉆和接換單根時鉆柱內鉆井液溢出，污染鉆臺，影響正常工作。旁通閥由閥體、閥芯、彈簧、篩板和閥座組成．如圖３—4所示。2.馬達總成馬達是螺桿鉆具的動力部件，馬達總成實際上是由轉子和定子兩個根本局部組成的單螺桿容積式動力機，如圖３—5所示

⒊萬向軸總成萬向軸總成由兩個元件組成：殼體和萬向軸，萬向袖的作用是把馬達轉子的平面行星運動轉化為傳動軸的定軸轉動，同時把馬達的工作轉矩傳遞給傳動軸和鉆頭。⒋傳動軸總成傳動鈾總成的結構如圖3—7所示。它由殼體、傳動軸、上部推力軸承、下部推力軸承、徑向軸承組及其他輔助零件總裝組成。

第三節著陸控制三、進靶分析1．確定起始點的井斜角和方位角在進靶鉆進過程中要采取的措施之—就是要保持方位不致產生不希望的變化，而最好不要在進靶鉆進過程中再去扭方位。2．進靶鉆進的長度和所需的造斜率設進靶井段的起始點T的井斜角為如圖3—8所示，靶窗高度為2h，著陸點A的井斜角(亦即水平井段的設汁井斜角)為。T點至靶中的垂增為，那么進靶井段的長度⒊著陸點的靶心縱距、平差和造斜率如圖3—8所示．.第四節水平控制由于進靶既是著陸控制的結果，又是水平控制的開端，因此在制定方案時應使著陸點盡量小要靠近靶區的上限和下限，以免在水平控制的初期就可能被迫進行降斜或增斜操作。當然，對著陸點的橫距也有類似要求，即不敗太靠近靶窗的左方邊界，以免在水中控制的初期就可能被迫進行扭方位作業。在進靶鉆進中，最好不要使鉆具組合的造斜率過高，這對后續的水平鉆進及其他作業會帶來不良影響，應當予以重視。另外需要說明，從經濟方面看，在制訂制方案時要盡量減少起下鉆次數，盡量以較少的組合更換次數到達著陸控制要求。實現的方法可以有幾種，例如設置調整段(短穩斜段)，以補償造斜率誤差；在鉆進過程中調整工具面角來調整造斜率，這種對造斜率的改變實質上也屬于“變更鉆具組合〞的廣義內涵。3．多開轉盤開轉盤的導向鉆進狀態與不開轉盤的定向鉆進狀態相比有如下顯著優點：減少摩阻，易加鉆壓；破壞巖屑床，清潔井眼；提高機械鉆速；提高井限質量；可增加水平段的鉆進長度。因此在水平段鉆進少應盡量多地采用導向鉆進狀態方式，即應多開轉盤，在水平段開轉盤的進尺應不小于水平段總進尺的75%。但轉盤轉速應不大于60r/min為宜。4．注意短起為保證井壁質量，減少庫阻和防止發生井下復雜情況，在水平段中每鉆進一段距離約50m左右，尤其是對定向糾斜井段)，應進行一次短程起下鉆。⒌動態監控就是要對已鉆井段進行計算，井和設計軌道進行比照和偏差認定；對鉆具組合和穩平能力(導向狀態)和糾斜能力(定向狀態)進行過后分析和評價；隨時分析鉆頭位置距上、下、左、右4個邊界的距離，并對長距離待鉆井眼(如靶底或水平段中某一位置)做出是否需要調整井斜(上下)和調整方位(左右)、何時進行調整(時機選擇)的判斷和決策等。除了在計算機上進行水平段的跟蹤監控外，軌道控制人員應隨時關注鉆進過程，進行抽檢，把握開展動態，及時作出判斷和決策。6．留有余地如圖3—9所示，水平控制的實鉆井眼軌道在豎直平面中是一條上、下起伏的波浪線，鉆頭位置距靶體上、下邊界的距離是控制的關鍵。對水平段的控制強調“留有余地〞，就是分析計算這種滯后現象帶來的增量，保證在轉折點(極限位置)也不出靶，以留出足夠的進尺來確定調整時機，實施調控。⒎少扭方位控制的方法是采用一定的工具面角定向鉆進扭方位。應盡量減少扭方位的次數，而且宜盡早把方位調整好，這樣即可利用靶底寬度造成的方仿允差直接鉆完水平段。否那么，后期的方位調整會顯著加大扭方位的度數。第五節井眼軌道控制應注意的一些問題一、測量儀器的選型及本卷須知1．測量儀器造型及要求在水平鉆井的著陸控制與水平控制中，一般選取無線隨鉆測斜儀(MWD)，以便使鉆具可實現導向鉆進(定向/轉動兩種方式)，增加可控性。在著陸控制的上部井段，也可以選用有線隨鉆測斜儀(如SST)，但只能以定向方式鉆進。一般情況下要盡量防止采用單點測斜儀，因為一旦失控將會給后續的軌道控制作業帶來很不利的影響，甚至會付出高昂的代價。2．有錢隨鉆測斜儀的工作原理、功能和性能有線隨鉆測斜儀土要有井下測量系統、地面計算機系統和絞車3局部組成。探管是井下測量系統的心臟，它主要由兩套傳感器(三軸磁通門和三軸加速計)、其他傳感器及電子線路組成。探管的功能是測量井眼的各種參數，電戶線路把各種參數變成電信號，通過單心電纜把信號輸給地面計算機系統。計算機把各種電信號進行放大、譯碼處理，分別以數字形式直觀顯示在顯示屏、司鉆讀數器和輸入打印機，然后出打印機把各種井眼參數的測量結果打印出來。而計算機系統是有線隨鉆的控制中心．為井下儀器提供電源，監測井下儀器的工作狀況，選擇儀器的工作方式，測量所需的井眼參數。絞車用于起下電線(井下儀器)，電纜通過旁通接頭利高壓循環頭進入鉆桿內。表3—1示出了斯派里森公司(Sperry—Sun)SST系列有線隨鉆測斜儀的結構與性能指標，供讀者參考。

3．無線隨鉆測斜儀〔MWD〕的類型、原理與特性1)MWD的分類無線隨鉆測斜儀，簡稱MWD，由井下儀器總成、地面裝備總成(接收儀表和處理系統)兩部分組成。信號傳輸通道實現井下與井上兩局部的聯系與溝通。信號的傳輸方式可分為泥漿壓力脈沖和電磁波。鑒于電磁波方式目前傳輸的距離受到一定的限制，所以當前用于現場作業的通常是泥漿壓力脈沖方式。

鉆井液壓力脈沖分為正脈沖、負脈沖、連續波3種。井下儀器局部有可回收式和不可回收式兩種。在我國陸上、海洋鉆井使用最多的有4種MWD產品：其中采用正脈沖方式的有斯派里森公司的MWD(井下儀器不可回收)和安納聚爾(從Anadrill)公司的MWD(SLIM—1)型，井下儀器可以回收；采用負脈沖方式的有哈里伯頓(HallibMrtm)公司的MWD(BGI型，井下儀器不可回收)和原東方人—克里斯坦森(Eastman—Chistensen)公司的MWD(ACCU—TRAK)。對井下儀器的供電方式有兩種：采用電池組供電(ACCU—TRAK)和采用泥漿渦輪發電機供電(如斯派里森公司的MWD))。井下電源局部組裝在井下儀器總成內。2)結構、工作原理與特性以ACCU—TRAK)。為例，MWD的井下儀器總成由頂部短節、脈沖發送器和測量傳感短節、減壓閥和信號傳送短節、電池組和底部短節組成，組裝在專用的無磁鉆鋌內，隨鉆具組合一起下井。在下井之前．測量工程師要根據軌道控制所要求的測量數據，對井下儀器總成進行特定的模式設置。在工作時，井下儀器總成將測量信號通過傳輸通道(對鉆井液脈沖方式，傳輸通道就是鉆柱中的鉆井液流柱)發送到地面裝備總成的接收局部。地面裝備總成由接收儀表和計算機處理系統組成。安裝在鉆柱立管上的接收儀表(壓電傳感器)將井下傳來的鉆井液壓力脈沖信號轉化為電信號，內電纜送至控制箱內的計算機系統．進行放大、處理、譯碼，分別以數字形式直觀顯示在顯示屏、司鉆讀數器和打印機，也可遠程輸送到基地數據中心。在立管上還裝有詢問閥(實際上是一個阻流閥)。現場工程師根據特定的時控程序，氣控或手控該閥開關，發送負壓脈沖至井下總成內的接收壓力傳感器，開始測斜工作。表3—2、表3—3分別給出了東方人—克里斯坦森MWD(AACCU—TRAK)系統的傳感器性能和井下儀器的系列規格與性能；表6—7給出了斯派里森MWD系統性能數據。４．有關施工操作的本卷須知為保證測量工作的正常進行，軌道控制人員應注意如下事項：(1)向測量工程師提供所需的各方面數據與參數。(2)認真了解和掌握所用的MWD的性能、特點及本卷須知。(3)學習和掌握測量的操作規程、步聚、方法，能熟練地讀取測量數據(如安裝在司鉆附近的顯示儀)，以便及時判斷控制狀況。(4)當儀器出現不正常情況或測量信號失常時，配合測量工程師分析和尋求原因。二、鉆頭選型1.水平井鉆頭選型特點以以下出水平井在鉆頭選型方面的特點，也就是選擇鉆頭時應考慮的幾個特殊問題：(1)水平井的著陸控制和水平控制井段，較多地采用并下動力鉆具〔其鉆壓值一般較低，而鉆頭轉速—般相對于轉盤鉆鉆井為高)。(2)在中曲率造斜井段，要求鉆頭有較好的造斜性能。三、鉆井參數選擇本卷須知1、鉆壓(1)鉆壓選擇與鉆頭有關(2)鉆壓選擇與轉速有關。(3)螺桿鉆具的推薦鉆壓值與最大鉆壓值對鉆壓選擇提出了限制，最好選擇推薦鉆壓值。(4)控制要求影響鉆壓選擇2.轉速(1)轉速選擇與鉆頭有關。(2)轉速選擇與鉆壓有關(3)井下動力鉆具的特性根本上決定了轉速。(4)在導向鉆進方式下，轉盤轉速選最低擋速3、排量(1)水平井的排量主要取決于工藝需要。(2)井下動力鉆具的額定排量根本上決定了工作排量。

第四章短半徑水平井的并眼軌道控制通常人們把中短半徑、短半徑和超短半徑水平井粗略地統稱為短半徑水平井。

第一節短半徑水平井的幾種常用工具一、短半徑水平井的常用工具常用的短半徑水平井鉆井工具根本上可以分為兩大類，即地面驅動式柔性鉆井系統和井下驅動的鉸接肘鏈式馬達系統。1．EastmanChistensen公司的地面驅動型柔性鉆具組合系統這一組合系統由如下4局部組成：(1)柔性鉸接鉆桿總成。(2)柔性彎曲造斜器總成。(3)斜向器總成。(4)鉸接穩定器穩斜總成。

如圖4—1所示，這種柔性鉆具組合由地面動力水龍頭驅動柔性鉸接鉆桿旋轉。柔性彎曲造斜器總成接在柔性鉸接鉆桿的下端，它由一個不旋轉的柔性彎曲外殼、—個可旋轉的內驅動軸及聯接二考的軸承裝置組成。柔性彎曲外殼是在一個預制彎曲的彎管內側，切割成三分之二圓周的特殊形狀割縫，以便具有一定的柔性以通過上部直井段，并在定向造斜時能使其下方的鉆頭對井壁施加—定的造斜力。內驅動軸將上部柔性鉸接鉆桿的施轉和鈾力傳遞給鉆頭，產生鉆壓和轉矩，同時鉆井液將從鉸接鉆柱、內驅動軸內部形成的通道流向鉆頭水眼。彎曲外殼外側下方的兩個墊塊可形成支點并有助于產生較強的造斜力。安裝在井底的斜向器起導向和輔助初始造斜作用；該系統采用螺桿鉆具作為井下動力部件。PDC 鉆頭接在馬達傳動軸的下端。螺桿鉆具的傳動軸短節殼體上有一個近鉆頭穩定器。萬向軸殼體為彎殼體，向上依次為螺桿馬達、旁通閥和定向短節。在這些部件間裝有特殊設計的鉸鏈接頭。定向短節以上是鉸接式柔性鉆桿(鉆鋌)或油管。它們的柔性可以使后續鉆柱順利通過前方造斜馬達鉆出的短半徑彎曲井段。鉸接式柔性鉆桿(鉆鋌)將要進行特殊的設計和裝配，以保證它們在下方馬達助工具面內產生彎曲。造斜馬達組合與穩斜馬達組合在結構上的區別之處主要在于：前者配用造斜強的PDC鉆頭，采用一個螺桿馬達短節，萬向軸彎殼體上的彎角大；后者配用穩斜性強的PDC鉆頭，采用兩個螺桿馬達短節，萬向軸殼體上的彎角小。

目前這種鉸接肘鏈式馬達組合有120mm(4in)和95mm(3in)兩種尺寸規格。相應的參數與尺寸如表４—1所示。3．PreMmg公司的井下驅動型餃接馬達系統(ADM)德國PKuLW公司在其產品ADS的根底上，推出了改進型的井下驅動型鉸接馬達側系統，其結構如圖４—3所示。

ADM系統的根本結構與上述井下驅動型鉸接肘鏈式馬達系統相近，除采用鉸接鉆柱外，螺桿鉆具局部也采用分段鏈接的方式．并配置偏心穩定器和側鉆鉆頭，從而構成短半徑水平井造斜組合。目前這種工具主要有3種尺寸系列：120mm(4in螺桿馬達)，17lmm(6in螺馬達)和203mm(8in螺桿馬達)；分別可鉆的井眼直徑：146—171mm(5—6in)，213一251mm(86一96in)．和248一311mm(9in一12in)；相應的曲率半徑可達20m、35m和65m左右。4．SperrySun公司的井下驅動型短半徑工具系統圖4—4是SpcrrySun公司的短半徑工具系統，其設計類似于上述提到的Preussag公司的ADS系統：該系統是用螺桿馬達作為井下動力部件(其上接常規鉆桿，不旋轉)；馬達以下是彎曲的鉸接式傳動軸，可在一個平面內產生彎曲；傳動軸外殼不旋轉，其中通過軸承組合裝有旋轉的心軸，它把軸力、馬達轉矩傳遞給鉆頭。鉆井液是通過心軸內孔進行循環的。5．中國研制的JLZl20型井下驅動鉸接肘鏈式短半徑井下馬達系統圖４—5示出了由原中國石油天然氣總公司石油勘探開發科學研究院研制的JLZl20型短半徑馬達系統。該系統包括：井下鉸接造斜馬達、穩斜馬達以及由柔性圖４—5接頭與短鉆鋌組成的鉸接鉆桿組合。在馬達組合的傳動軸和萬向鈾殼體中間，有—個可調角度的鉸鏈接頭，可根據造斜率要求調整為不同單彎角度。當彎曲鉆進時，用較大角度；當水平鉆進時，采用較小角度，并通過調整和控制工具面，以鉆出小幅度起伏的波浪式“水平井〞井段。二.中短半徑水平井的常用工具中短半徑水平井，通常是指井眼曲率K＞(20°一70°)/30m(相應曲率半徑約為85～24m)的水平井。它介于中半徑水平井與短半徑水平井之間，因此所采用的工具類型是二者兼而有之：有井眼曲率較小的中短半徑水平井中，可用造斜率較高的中半徑型工具(如大角度同向雙彎或三彎造斜馬達)；在井眼曲率較大的中短半徑水平井中，可采用造斜率較低的短半徑工具(如ADM系統)。在實踐中遇到較多的是K＝l°／m左右的中短半徑井段的造斜問題，對此可用如圖４—6所示的常用工具，即同向雙彎造斜馬達及同向三彎造斜馬達。它們的結構特征是：同向雙彎馬達有一個大角度單彎殼體(萬向軸殼體)和與之共面的彎接頭(在馬達上端)，不用穩定器(為防目自三彎造斜馬達止造斜時抵上井壁而阻礙造斜〕或采用偏心穩定器，也可采用墊塊；同向三彎馬達與上述同向雙彎馬達的區別在于把大角度彎殼體換成同向雙彎殼體(即DKO)。三、超段半徑水平井的常用工具超短半徑水平井是曲率半徑在1m左右甚至接近于零的特殊水平井。圖４—7給出了Petrolphysics公司與Bechtel公司聯合研制的超短半徑水平井鉆井系統的示意圖。其中(a)圖為1980年推出的第一代產品，(b)圖為1986年改進推出的第二代產品。此類超短半徑鉆井系統主要有如下局部組成：(1)鉆頭(射流噴嘴)。該系統采用高壓水射流來破碎巖層。由地面機泵組提供的壓力高達70MPa的清水，經管柱系統并最終從裝在生產管前端的射流噴嘴射出，形成錐狀射流切割巖石。(2)生產管。它是一個外徑31．75mm(1in)、內徑26.2mm的鋼管，前端裝有射流噴嘴。它在送鉆裝置(鋼繩控制系統)的作用下向前推進，并在完井射孔后作為生產油管。(3)斜向器。其功能是使生產管在井內彎轉90。，為此，斜向器裝在井底被擴大的空間內。第一代超短半徑鉆井系統采用I型斜向器，它由彎曲導管和支撐液壓缸組成(見圖４—7(a))，因而需要較大直徑(1．22m)的擴眼空間。第二代短半徑鉆井系統采用Ⅲ型斜向器，它由彎曲導管、側向板和轉換連接裝置組成，可使彎曲導管對橫向鉆進方位產生反向彎曲，因而僅需要相對較小直徑(0．6lm)的擴眼空間。這是第二代產品比第一代產品的重大改進之一。(4)送鉆裝置(速度控制系統)。它由地面的纜繩車與井下控制機構組成，其作用在于保持送鉆井控制鉆速。第二代產品較第一代產品在井下控制機構方面做了較大改進。(5)方向控制系統。第一代產品不能進行較精確的軌道控制，而第二代產品那么研制了專門的側噴射系統用來控制鉆進方向。(6)測量裝置。第一代產品采用I型井斜儀。第二代產品采用V型測斜儀，這是一個外徑為22．9mm(0．9in)的柔性專用測量儀器，具有較高的井斜、方位測量精度(當通過直徑為31．75mm撓性管時即可測出井眼曲率)，并打印出井斜、方位、井深數據。(7)地面機泵組。超短半徑水平井鉆井系統采用的鉆機為普通修井機。高壓泵采用壓裂泵(1177kw，約70MPa)。(8)完井系統．它包括完井管柱(生產管及柔性割縫襯管)和特殊電化學切割射孔裝置。一般常把生產管切割，射孔留在井內，采用裸眼完井或礫石充填完井。第二節短半徑水平井井眼軌道控制工藝要點一、套管開窗工藝要點套管開窗方法主要有斜向器開窗法和段銑套管開窗法兩種。這兩種方法的優、缺點比照如表４—2所示。1．斜向器開窗法斜向器開窗工藝分為前期準備、坐斜向器、開始磨銑、修整窗口和加長窗口等幾個階段。如圖４—8所示。所用工具有：斜向器(固定錨、封隔器)，系列碳化鎢磨銑工具(啟始銑、窗口銑鞋、西瓜銑、管校銑、銑錐等)。前期準備工作應注意：(1)查閱套管記錄表，以確定斜向器和磨銑工具。(2)根據開窗點的井斜方位確定測斜儀器種類。(3)開窗側鉆點選擇(應在砂巖層，盡量避開膨脹性頁巖或鹽層)。(4)確定開窗所用鉆井液密度(和原用密度相同)。(5)了解開窗井段的水泥膠結質量(假設固井質量不高，應在開窗前進行擠水泥作業)(6)在下封隔器前進行刮管(以利下入和坐封)。(7)用電纜下封隔器坐封并用陀螺測量儀確定斜向器方位。2．段銑套管開窗法段銑套管開窗法是用段銑工具(一種可控的水力切割工具)銑削掉一段套管，并在該井段擴眼打水泥塞以備定向側鉆的工藝過程。圖４—８是一種段銑工具的結構示意圖。開泵后，鉆井液流經噴嘴產生的壓降和水壓力推動限位器活塞下行，從而使刀片伸出；停泵后活塞復位，刀片收回。段銑套管開窗工藝分為前期準備、打水泥塞(在套管內懸空打水泥塞)、段銑套管、擴眼、注水泥等幾個階段。如圖４—９所示。段銑開窗長度一般在20m左右。注水泥的井段長度一般在80m左右，封固井段為自開窗段以下10一20m至以上20—40m，并要求水泥塞強度較高。前期準備工作應注意幾個問題：(1)開窗點的選擇。查閱地層剖面圖，CBL(即cementbondlog，水泥膠結測井)圖和下入套管記錄單，初步選一開窗點的位置。在滿足地質和鉆井部門對開窗側鉆井剖面要求的前提下，選擇厚度在20m以上的穩定地層作為開窗井段。開窗點最好選擇在套管接箍以下3m左右，開窗段要盡量避開套管接箍和扶正器，開窗段的固井質量必須是優質的。(2)最好選用敞開式泥漿槽，防止鐵屑進人泥漿室。(3)選用高粘切鉆井液，粘度達85—100s，切力大于45，以保證鉆井液攜帶鐵屑的能力。二、定向側鉆工藝要點(1)鉆水泥塞。水泥塞凝固后要鉆水泥塞至造斜點，側鉆造斜點位置通常在開窗點以下1m左右。(2)下斜向器。當用常規組合進行側鉆時，須下斜向器(有可收回式與不可回收式兩種)。當用造斜率很高的彎殼體馬達組合時，可以不下斜向器而直接側鉆。(3)定向。當側鉆處的井斜較小時，一般要采用陀螺儀進行定向；當井斜值大于5°，可用隨鉆測量儀進行高邊定向(但也有在2°井斜時采用SST有線測斜儀進行定向的施工實例，這要視所用儀器的具體性能指標說明慎用)。(4)側鉆。下入鉆具組合，采用輕壓慢進方式進行，以防止由于水泥、巖石硬度差異造成側鉆不出去的情況發生。圖4—10給出了下斜向器側鉆的示意圖。三、造斜過程控制要點造斜過程控制的首要關鍵在于正確選擇工具類型和工具造斜能力。對中短半徑水平井，一般應選用同向雙彎或同向三彎螺桿造斜馬達。對中短半徑范圍內的較低造斜率段(K＜1°／m)，也可采用大角度單彎殼體馬達組合。但要核算工具在套管內的通過能力，以免造成過大的鉆頭側向力導致磨損鉆頭和刮傷套管。對短半徑水平井，可選用鉸接肘鏈式井下驅動螺桿馬達組合，或地面驅動式柔性鉆具組合系統。但目前的現狀和開展趨勢是采用前者，下部鉆具組合以上的鉆柱局部采用柔性鉆柱或油管(詳見表4—1)。要保證工具造斜率略高于井身設計造斜率．以彌補因工具面對正不準、方位調整等干擾因素造成的造斜能力誤差。在整個造斜段中，還要堅持造斜率“先高后低〞的原那么，以防止在造斜段后期因工具造斜能力累積誤差形成“工具空白區〞，最終造成脫靶。對短半徑(亦包括中短半徑)水平井，在著陸控制過程中有兩點值得注意：(1)短半徑水平井放寬了工具造斜率的相對誤差范圍。在同樣的靶窗尺寸(±ｈ)條件下，短半徑水平井允許的工具相對誤差值遠大于長、中半徑水平。以實例分析會更為直觀。設有3口水平井A(短半徑，R＝15m，h＝3m)、B(中短半徑，R＝57.3m，h＝3m)和C(長半徑R=573m，h＝3m)，相應的工具設計造斜率、允許誤差及許用造斜率范圍見表4—3。由表4—3可知，短(中短)半徑水平井大大放寬了工具造斜率的允許誤差范圍，從而有利于進行軌道控制。這是問題的一個方面。(2)造斜井段的縮短減小了著陸控制過程中的調控余地和時機。長、中半徑水平井著陸控制過程的調控余地和時機遠大于中短和短半徑水平井。由于短半徑水平并著陸過程井段太短，致使測量儀器傳感器距鉆頭距離顯得明顯偏大，從而加大了測量信息滯后的影響程度，因此從總體上加大了短(中短)半徑水平井著陸控制的難度。四、水平鉆進過程控制要點一般多采用小角度單彎殼體的導向螺桿鉆具，或其他具有一定穩平能力的BHA。水平段控制實際上是不斷調整井斜值的增斜、降斜作業的交替過程。井眼軌跡是一條在靶體內的上下起伏的波浪線。控制的主要手段是要調整工具面。因此，這種“穩平〞組合實際上是具有一定造斜能力的組合。為了使穩平組合具有可靠的力學支點，這種組合應帶穩定器(而不像造斜組合那樣采用偏心墊塊、偏心穩定器，甚至取消這些構件)。為了使后續的鉆柱順利通過曲率較大的造斜段。應采用鉸接式柔性鉆柱或柔度較大的油管鉆柱。這與造斜組合相同。

五、測量方法要點井眼軌道參數的測量對短半徑水平井至關重要。在斜向器開窗或段銑套管定向側鉆工藝中，要用陀螺測量儀進行定向(在井斜值不小于5°時可以考慮用隨鉆測斜儀進行高邊定向)；在造斜鉆進和水平段鉆進時．那么要用隨鉆測斜儀進行測量。由于短半徑水平井曲率較大，一般采用柔性MWD作測量儀器。圖4—11示出了國外某公司的柔性MWD測斜儀的結構示意圖，其特點是在該測量儀器各組成短節的連接局部，采用特制的柔性連接。在曲率相對不大(如1°／m左右)的小井眼中短半徑水平井中．采用鈾向尺寸較短、徑向尺寸較小(如外徑38mm以下)的MWD隨鉆測斜儀即可滿足要求。這是因為該儀器本身剛度相對較小，因而不必采用專門的柔性MWD。在不具備上述測量儀器的情況下，要考慮采用多點測量儀。4-11第五章水平井的鉆井液工藝一、大斜度井的井眼穩定性1．井眼傾斜角對穩定性的影響隨著井斜角的加大，給巖屑輸送、套管下放、注水泥、鉆柱阻力等方面都帶來新的問題。假設井眼發生坍塌，常常引起井眼擴大．這將影響水泥漿頂替效率，對鉆井和生產階段都有影響。當鉆一口井時，井眼周圍的巖石，必須承受已掉下的巖石先前所承受的載荷，其結果是，井壁周圍地層的應力增加而產生應力集中。假設巖石強度不夠，井眼就會坍塌。井眼不穩定主要有兩種類型：井眼破裂和坍塌。如果井筒壓力過大，井眼將發生張性破裂。假設井筒壓力過小，井眼將由于剪切破壞發生坍塌。井眼的破裂主要是巖石張性破壞所造成的。一般來說，巖石的破裂梯度隨井眼傾斜角的增加而減少。由于油基鉆井液的優點，在大斜度并和水平井的應用越來越多，防止井眼破裂對油基鉆井液來說，顯得特別重要。公式(5—1)和公式(5—2)表示垂直地層破裂梯度與斜井破裂梯度的關系。當垂直井的破裂梯度和孔隙壓力時，用相關數調整水平地層壓力，就可推導出任一井斜角的地層破裂梯度(見圖5—1和圖5—2)。

垂直井地層破裂梯度與斜井破裂梯度的關系如下：式中——單位深度地層壓力，kPa／m——直角坐標中垂直和平行于井眼軸線的單位深度的巖石正常壓力，kPa／m；——從垂直到水平位置單位深度地層的破裂壓力，kPa／m。2．水平井眼中流體壓力平衡的問題水平井常常要穿過不同滲透性的儲層(如裂縫性產層)，但仍將保持大致相等的壓力。如圖5-3所示，假設為儲層壓力，為鉆頭下方的鉆井液壓力．為水平局部的環空壓力，那么可看到在一個長的水平井眼內保持流體壓力平衡的困難性，當儲層的孔隙度和滲透率一定時，上述的所有壓力在儲層壓力和當量循環壓力之間都不能承受一個較大的差值。

二、井眼凈化國外對此做了大量研究試驗。主要集中在以下三個方面：①在洗井液靜止狀態下，巖屑在大斜度井內的沉降特性；②影響巖屑在斜度井輸送的因素分析；和③鉆具在井內運動時對井眼凈化的影響。1、巖屑在大斜度井中的沉降特性圖5—4表示了巖屑在垂直，傾斜和水平三種井眼中，在重力的作用下產生的沉降特性。在垂直井中，由于井眼軸線與重力方向一致，故巖屑沿井眼軸線下落。在斜井中，巖屑下落速度產生兩個分量：井眼軸向分量和井眼徑向分量。當井斜角小時、小，巖屑在作用下．沿井眼軸線下落。當井斜角大時，增加，減小甚至趨近于零，故巖屑在作用下，沿井眼徑向下落。這樣在井斜由0o~90o過程中，有兩個臨界角和。即在井斜角時，巖屑沿井眼軸向下落；當井斜角時巖屑沿井眼徑向下落。也就是說，當井斜角時，巖屑落向井底，不會在井壁堆積，當井斜角在～之間時，巖屑會沿井壁滑向井底；當井斜角時巖屑在井壁低邊堆積，不會滑向井底，即形成“巖屑床〞。根據大量試驗和現場資料統計說明，這兩個臨界角為：=25o～35o，＝55o～65o；2．鉆具在井眼中偏心對巖屑沉淀的影響驗指出，在傾斜井的環空中，鉆具與井眼同心和偏心情況相比較、同心狀態下形成的巖屑床是最低的，巖屑的濃度也最低。而偏心情況下巖屑床形成速度要快一些。在偏心情況下軸向的巖屑作輸也是最慢的。５—5表示在垂直井和各類傾斜井的偏小環空中的液體和顆粒動態關系三、大斜度井和水平井的壓差卡鉆問題防止壓差卡鉆的發生，從以下四力面著手：①盡可能減少鉆井液液柱壓力與地層壓力之間的差值，把鉆井濃密度降低到接近地層壓力梯度。②使枯竭的砂巖層(常常低于正常地層壓力)能夠承受較高的過平衡壓力。③控制鉆井液中固相類型(包括固相尺寸、形狀等)和分布，使之填充在易粘卡井段的泥餅中。④測定鉆井液在多孔性地層中的密閉效果，盡可能減小泥餅厚度。為減少大斜度井和水平井的壓差卡鉆，底部鉆具結構多用加重鉆桿或者常有螺旋糟的加重鉆桿以減少底部鉆具與井壁的接觸面積和底部鉆具的重量。另外，為有效地消除井筒低邊的巖屑床和減少鉆桿本體與井壁的接觸、減少壓差卡鉆的可能性，國外一些石油公司在大斜度井和水平井中使用了偏心接頭，如圖５—6所示。這種偏心接頭有一個圓形截面．但它的中心與鉆桿本體的中心軸線偏離。這個偏心接頭除了在公扣端偏心外，有與常規接頭一樣的幾何形狀韌性能。當鉆桿旋轉時，偏心率產生一個類似凸輪一樣的作用。鉆桿攪拌沉淀在井眼低邊上的巖屑．使巖屑離開巖屑床進入流動的鉆井液中，如圖５－7所示。由于管體是搭接在兩個偏心接頭之間，管柱本體并不與井壁接觸，消除了壓差卡鉆的可能性。四、關于水平井的堵漏問題在儲層中鉆水平井段碰到破裂產層時，要考慮防止出現井漏，同時有要考慮出現井漏后如何堵漏。要堵漏時，應注意以下問題：①要防止使用對儲層有害的堵漏材料，如鍬木粉、木屑、果殼皮等。②選擇的堵漏材料應不影響井下工具(如鉆井馬達和MWD)的正常工作。③對嚴重的漏失可以采用對儲層沒有損壞的軟堵漏的入法。對于裂縫性漏失層、采用單一形狀的堵漏材料效果差。如采用顆粒狀的碳酸鈣[40Am)，結果堵漏效果差。而采用片狀的、顆粒狀、纖維狀的混合物質堵漏效果好。尤其對于較大裂縫的堵漏，參加一些尺寸與裂縫大小差不多的物質在混合物中，使這些材料在裂縫或裂縫表面為其它堵漏材料起支承作用，使堵漏材料能覆蓋在裂縫的外表。由于堵漏材料較輕，在水平井段易漂浮在井筒的上部、往往造成堵漏失敗。遇到這種情況時，可以采取以下兩種方法：①調整鉆井液的流變性，增加鉆井液的攜帶能力。屈服值＞20lb/100ft2塑性黏度＞30cP。②增加堵漏材料在鉆井液中的濃度。濃度至少＞150kg／m3不管采用的方式如何，欲到達堵漏的目的，排量要低，使堵漏材料在漏失裂縫或外表有停滯時間。第五節鉆水平井的鉆井液性能圖5—8(a)指出了巖屑輸送、潤滑、井眼穩定、測井、失水等情況。圖5—8(b)說明了鉆井液的副作用，如環境、抽汲／壓力沖動、卡鉆、井眼沖蝕、水泥污染、外來污染等。鉆大斜度井和水平井所要求的鉆井液性能．應側重以下四個方面：①鉆井液密度與井眼穩定、井眼清潔和井漏有關。②流變性與井眼清潔、沉砂、固井、測井有關。③大水與卡鉆、地層損害、測井有關。④潤滑性與扭矩、阻力、卡鉆有關。對所有大斜度井和水平井而言，沒有理想的單一鉆井液體系。盡管油包水乳化鉆井液，純油基鉆井液大致可以滿足所需的要求，使用較多，然而，用膨潤土，水、聚合物．飽和鹽水和精選鹽等水基鉆井液也成功地鉆了好多大斜度井和水平井。鉆井液的選擇可根據在附近地區鉆直井和普通斜井的經驗進行考慮。為大斜度井選擇最好的鉆井液體系應考慮下面八個因素：本錢、環境管理、井底溫度、地層損害、外來污染、后勤供給、頁巖穩定及其它預測的井下問題。另外，此體系必須具有易于調整．以克服大斜度井和水平井特有問題之能力。選擇鉆井液性能應具體考慮以下四個方面的問題。⒈鉆井液密度鉆井液的一個根本特性是它的密度。鉆井液密度必須保持在特定的小范圍內，應該足以控制地層壓力和支撐裸眼井壁穩定，又足以防止壓裂地層。其它條件相同，如果密度需要增加，但因井眼傾角增大而使鉆井液密度可以增加的范圍變窄。如圖5—9(a)和圖5—9(b)所示，這是與原生巖石應力有關的井眼定向變化的結果。由于密度調節范圍變窄、必須特別注意壓力沖動和抽汲壓力。圖5—10是根據一些井的不同深度巖層的準確壓力分析得出的。該圖分穩定區和垮塌區兩個區域。在曲線之上、鉆井液密度足以防止在任何深度壓裂，曲線以下可能出現井塌。

圖5—11表示在井斜角為35o~64o之間的14口井的相似層段中，卡鉆占36％，沉砂和縮徑要求劃眼占79％，井漏占14％，側鉆占28％。而鉆井液密度在13ppg以上的井，沒有明顯的問題出現．如圖5—12所示。2．粘度和靜切力粘度、靜切力、流動狀態、環空速度和鉆井液密度都影響著井眼的凈化。通常增加環空速度和鉆井液密度可改善井眼的凈化能力。圖５－13是一個應用該設備比較兩個現場鉆井液的流變圖。一個是密度為12.7ppg的水基鉆井液和一個性能經處理與油基鉆井液性能相匹配、密度為12.7ppg的水基聚合物鉆井液。在100rpm范氏讀數以下．聚合物鉆井液顯示了稍高的剪切應力。但它們兩者是非常相似的。在100rpm以上那么相反。圖５－14是在斜度為60o的井，當環空速度降低時兩種鉆井液運移巖屑濃度的比較。在160ft／min以下，聚合物鉆井液比油基鉆井液稍為好一些。在160ft／min以上那么相反。油基鉆井液通常被選用于大斜度井。現已研制出一種新的油基鉆井液體系，其特點是：增加低剪切速率粘度和切力，不明顯影響鉆井液的全部粘度和水力特性。在大斜度井使用該鉆井液體系時，井眼凈化明顯改進。流動環路設備試驗得出的其它結果清晰地說明：在大斜度時，巖屑床易形成且不易除去。圖５－15表示靜止2h以上后，比較前面討淪的油基鉆井液和聚合物鉆井液的巖屑運移情況。研究和經驗表明，在巖屑床形成后，紊流可能是唯一的解決方法。要求在實際鉆井中，從垂直到水平段，在井下有大肚子、縮徑、狗腿、直井段等多種條件下，優化鉆井液流變性極為困難，甚至是不可能的。最好的解決方法是全面均衡利弊，選擇一種使困難盡量少的，該方案可通過試驗數據來確定。3．失水控制失水量的大小是由地層滲透率、礦物成分和壓差所決定的。控制失水可減少卡鉆的發生率，維持井眼穩定和最小的地層損害，這些都是在大斜度井中潛在的特別關鍵的問題。高的過平衡壓力，鉆桿和地層之間大的接觸面積以及厚而差的泥餅質量導致不同類型的卡鉆。因此動失水必須小心控制使其低于直井和常規定向井。同樣，泥餅應是薄和強韌的。最近研制出的在井場評價泥餅質量和動失水的方法及儀器有利于更好地滿足此需要。4．潤滑性在水平井中，高扭矩和阻力易使能到達井的水平位移受到限制。由于地面設備功率的限制，在設計一口井時，井眼軌跡、鉆柱設計和鉆井液潤滑性必須仔細地設計。準那么應包括以下四個方面：①旋轉驅動系統和鉆柱的旋轉扭矩必須在平安工作限制范圍內，具有一適宜的平安系數。②上下阻力必須在平安限制之間、并規定向下移動時，阻力不能使鉆柱任何部位處于臨界縱向彎曲的狀態。③接頭與套管或裸眼的接觸力必須在平安限度內。以減少鉆桿疲勞、套管磨損、和井眼問題。至于平安限度值到底是多少并無規定，但建議為15001b。④對于全部提供預計鉆壓的鉆柱要處于考慮了彎曲的穩定范圍內。鉆井設計中、可使用計算機扭矩和阻力模式來確定。該模式合成了鉆柱從外底開始各個組成局部所受的作用力。試驗已證明，如果管柱旋轉起鉆時，阻力會大大地減少，這就是為什么頂部驅動系統是有效的。許多研究證明，就潤滑性而言，油基鉆井液和水處于兩個極端位置。而水基鉆井液介乎兩者之間。表５－l總結了油基鉆井液和水基鉆井液在套管和裸眼中具有代表性的摩擦系數。

從表中很容易看出，為什么在大斜度井和水平井鉆進時經常使用油基鉆井液。

第六節水平井鉆井液體系的分類和實例根據鉆大斜度井和水平井的工藝特點，鉆井液體系的選樣必須滿足以下要求：①防止對油層的損害。進入油層的鉆井液必須防止儲層滲透率減少和可潤濕性的變化。②防止油層與所使用的鉆井液和射孔液的濾液的不相容性。③有利井眼穩定。④攜帶巖屑能力強。⑤提供潤滑，減少扭矩、阻力、防止卡鉆。目前，全世界鉆大斜度井和水平井根本上使用兩種體系。一種是水基鉆井液體系，另一種是油基鉆井液體系。根據1989年Enstaman~Christesen公司的統計，長半徑水平井中水基鉆井液占54％，油基鉆井液占41％。中半徑水平井中水基鉆井液占54％，油基鉆井液占45％；短半徑水平井中主要使用水基鉆井液。除以上主要的兩種體系外，還有使用氣體(3號井)和泡沫鉆井液(3口井)。1．水基鉆井液體系根據統計資料，在鉆水平井中，已使用過的水基鉆井液體系有：膨潤土鉆井液、淡水一氯化鉀一聚合物鉆井液、木質素碳酸鹽鉆井液、低固相不分散鉆井液、淡水和鹽水聚合物鉆井液等。其中局部鉆井液體系的優缺點及性能如下。1)氯化鉀——石灰鉆井液優點如下：①高抑制性——在大多數情況下提高頁巖穩定性，具有最小的沖蝕。②溫度穩定在300℉，假設參加特殊的添加劑能提高到350℉③可抗固相．水泥、酸性氣體污染。④相對地比較廉價。⑤在處理過程中，減少鉆井液容積和巖屑分散。缺點如下：①抗鹽能力低，僅在10.0~15.0mg／l范圍。②鉆井液固相含量高，將阻礙企硬地層使用。

④大多數井都可使用。缺點如下：①提高井眼穩定性是有限的。②抗溫325℉。③必須利用高濃度游離鉻稀釋劑，需維持在毒性界限內。④抗鹽能力在10.0mg／1以下。4)TENNEC0低pH—聚合物—分散型鉆井液優點如下：①在廣泛的含鹽濃度中使用。②低毒值Lc50。③好的固相包被。缺點如下：①低pH值．需要使用抑制劑阻止腐蝕。②使用有效的分散劑(Desco)，引起井眼沖蝕。③需要多種添加劑，所有的添加劑都必須是溶液狀。④在高鉆井液密度和溫度為200℉的情況下，由于大量化學添加劑的使用，使本錢升高。⑤不能抗固相和鈣污染。5)鹽水／淀粉／PAC鉆井液優點如下：①低固相，好的硬巖層鉆井液。②用于鉆巖鹽層和硬石膏層。③低本錢，低的維護費用。④抗各種污染能力強。缺點如下：①鉆井液密度受鹽飽和點限制。②對新地層和高活性頁巖，不能提供抑制作用。③低API失水，大大降低機械鉆速。鉆井液的主要性能如下：2．油基鉆井液體系油基鉆井液體系目前已成為世界各種類型的油田鉆大斜度井和水平井常用的最平安的一種體系。油基鉆井液體系由純油基鉆井液和油包水鉆井液兩種類型組成。純油基鉆井液是至今最先進的油基鉆井液。1)油包水乳化鉆井液優點如下：①抑制泥頁巖水化。

②保護生產層。③抗高溫。④潤滑性好，減少扭矩和阻力。⑤防腐蝕。⑥鉆可溶地層。缺點如下：①造價高。②易產生水堵和乳液堵。③污染環境。④鉆定向井井眼清潔有局限性。2)純油基鉆井液優點如下：①有較高的靈活性，比油包水乳化鉆井液易管理：水平井②具有高的屈服值和低的塑性粘度。③井眼穩定。④保護生產層．⑤流變性好。⑥鉆速高。⑦抗高溫高壓。⑧可配高密度鉆井液。第六章水平井固井第一節傾斜井固井質量的研究1．傾斜井固井實驗Haliburton固井公司和Exxon生產研究公司針對大斜度和水平井固井失敗的原因和如何提高它們的固井質量聯合進行了一系列的模擬試驗。實驗裝置用于傾斜井固井試驗的裝置是設計來模擬—個實際尺寸的傾斜井。這套裝置與早先直井試驗裝置相似，如圖6—1所示。圖中模擬裝置全長約22ft，模擬井筒為內徑6in的管子，長約21ft。在“井筒〞內是一截長約18ft，直徑5in鋼管代替的套管，套管的下端是敞開的，管端外側焊有三個爪子使套管在“井筒〞內居中、套管的上端接有一個特制的水泥頭。模擬井筒的外面包有一個可加熱或可過濾的套簡，它可以模擬實際的井下溫度和地層的滲透率等。這套裝置可以垂直也可以與垂線成60°、85°的傾斜。當模擬水泥封固不滲透地層時，“井筒〞的管子可以是內徑6in的套管。假設模擬水泥封固滲透性地層時、“井筒〞可換為只有滲透性的粘接砂粒的人造圓筒，它可以使鉆井液流過并產生滲透。模擬井溫是靠蒸氣經過套管定期循環，使溫度保持在要求的范圍內。2)試驗材料全部試驗都是使用水基加重鉆井液。其密度有兩種：一種是11～13lb/ga1。另一種是15～16lb／gal。基漿的配方列于表6—1中。試驗的鉆井液性能是通過稍微改變膨潤土和重晶石的濃度或參加少量的生物聚合物來改變的。每次都要測量實際鉆井液的物理性能，如密度、固相含量、屈服值、塑性粘度、切力和失水等。在全部的試驗中水泥漿的密度為16.8lb／gal．水泥漿的配方也同列于表6—l中。每次試驗也要測量水泥漿的密度、屈服值、塑性粘度和失水。3)試驗步驟用于這些試驗的實驗步驟是模擬固一口井時所采用的步驟。在一口典型井中,鉆井時循環鉆井液，測井和下套管時不循環鉆井液，然后在注水泥前又循環鉆井液。把環形面積中不含鉆井液局部的面積百分數定義為頂替效率。2．試驗結果上述試驗說明，在大斜度井的固井中存在以下問題：1)鉆井液竄槽幾乎每個傾斜井的試驗中,沿著環形空間下部的水泥環都存鉆井液竄槽。數據說明在大多數試驗中環形空間的下半局部頂替效率比上半部低。在許多實驗的下半局部和套管內的底邊上存在著鉆井液竄槽。形成鉆井液竄槽的主要因素有：①重晶石沉淀，說明了鉆井液中重晶石和巖屑沉淀是大斜度井固井中鉆井液竄槽形成的主要原因。顯然，重晶石沉淀、較高的顆粒濃度使得鉆井液的粘度增加，從而引起環空下部的鉆井液很難被頂替出來。表6—2中的第20項試驗結果更進—步地證明了這種現象。②鉆井液流變性能的影響表6—2的試驗說明：在60°傾角的試驗中，鉆井液竄槽要比85°傾角的試驗要明顯的小得多；然而我們都知道60°傾角中，鉆井液決不會完全地被頂替，甚至在直井也是如此。2)水竄槽從試驗結果還可以看到水竄槽大小程度隨井斜角增大而變大，傾角85°井的水竄槽60°的要大。水竄槽可能是從水泥漿脫水而來的自由水所形成的。通過上述試驗已經說明,造成大斜度井和水平固井失敗的原因是鉆井液中的固相顆粒沉淀在環形空間的下半局部形成鉆井液竄槽；來自水泥漿脫水的自由水聚集在井的上半部形成水竄槽。除了以上談到的影響固相顆粒沉淀的因素外，還有隔離液、預沖洗液、管柱的運動和環空流速。對水平管柱里的顆粒輸送的研究說明，高的平均流速對防止顆粒沉淀在管柱底邊上是重要的，比上述試驗中所采用的環空流速還要高的流速能減少由鉆井液中的固相顆粒沉淀所形成的竄糟的程度。現場的施工已經感到沉淀在大斜度井和水平井底邊上的固相是有礙于鉆井和完井的一個嚴重問題，排除這些沉淀是保證大斜度井和水平井固井質量的關鍵。第二節怎樣提高大斜度井及水平井的固井質量Haliburton固井公司和Exxon生產研究公司聯合進行了解決傾斜井固井質量的試驗，提出了提高大斜度井及水平井固井成功率的措施。1．試驗裝置和步驟圖6—4是用于傾斜井中循環各種不同流體的井口裝置。每個試驗局部包括—根長l5ft、內徑6in的帶孔管子．管子的外側包圍著有可滲透的人造固結砂片。在研究中要模擬兩個井下條件①上滲透性地層，可以形成泥餅②完全不滲透性地層。在非滲透性的地層試驗中，用內徑6in的鋼管做試驗部件。把5in外徑的套管裝在試驗井筒中、頂部和底部被扶正居中。2．提高頂替效率

提高鉆井液頂替效率的措施歸納出以下幾方面：①影響頂替效率的最關鍵的因素是鉆井液體系。在垂直井和適當傾斜的情況下，鉆井液性能建議表6—3。對于45°傾角到水平狀態的井，為了到達鉆井液懸浮巖屑的能力，建議修改上述性能。鉆井液的屈服值至少應該到達表6—4中所列的值。表6—5列舉于在井眼傾角為85°和60°情況下，不同屈服值對頂替效率的影響。

從試驗結果得出以下兩個結論：一是在一定的傾角下，鉆井液屈服值有一個臨界值，小于這個值，環空底局部出現連續的鉆井液竄槽；二是隨著井傾角的減小．防止鉆井液竄槽形成所要求的屈服值也減小。②對大斜度井和水平井，在固井前，循環的時間至少是3倍于井筒的鉆井液體積循環所需時間，或者循環到進出口鉆井液性能到達平衡為止。如果可能，循環時鉆井液流態到達紊流狀態，以幫助消除巖屑或鉆井液固相沉淀槽。另外，注水泥前的注水泥期間必須防止井內鉆井液處于靜止狀態，務必使其保持最充分的循環。③管柱的運動如轉動或往復(上，下)運動，產生—種促使鉆井液流動的驅動力，同時，管柱的運動有助于打碎鉆井液聚結的團塊和聚積在團塊中的疏松巖屑。如果在套管本體上附加有釘鋼絲井壁清潔器，那么將進一步提高管柱運動的效果。在80°的大斜度井中，即使管柱已扶正，也應該使其運動，管柱在井內的運動能夠去除固相沉淀槽，改善鉆井液頂替效率。試驗結果見表6—6。在表6—7中，對套管帶有井壁清潔器和不帶清潔器的試驗進行了比照，發現在滲透的情況下，管柱本體上帶有井壁清潔器能更有效地提高鉆井液頂替效率。④在水平井固井的扶正問題比垂直井更為關鍵。因為液柱壓力對井眼水平段的頂替過程不再產生作用，要使在環形空間狹窄局部中的膠凝鉆井液產生流動那么更加困難。因此建議套管的居中率至少60％。如居中率在70％那么更好。當沉淀槽出現時，扶正器能對頂替過程產生作用。以下是一組扶正器的居中率的試驗。研究人員在大斜度井的條件下對扶正器在固井的頂替效率進行了研究。表6—8是其試驗結果。⑤為了到達最大限度地頂替鉆井液，在斜度井和水平井中使用隔離液和沖洗劑尤其重要。從表6—9中可以看出，在可能出現固相沉淀的鉆井液時，泵入大量稀沖洗劑可以提高運移沉淀物的效率。6—10中的數據說明，無表論使用稀的(水)或稠的(A)沖洗劑都不能使頂替效率超過不使用沖洗劑的頂替效率。其原因是井內存在的是泥餅而不是沉淀物。對于油基鉆井液．我們在選擇沖洗劑和隔離液時，有其他幾個因素必須考慮：①相溶性是獲得好的頂替效率的根本條件。②采用外表活性劑提供這樣的相溶性和水的潤濕外表，使它能有效地消除管柱外表積和地層外表的油污、使水泥漿與管柱、地層外表到達較好的粘接。③對于鉆井液的頂替效率效果起決定作用的環空流速。不管什么流態，環空流速越高，頂替效果越好。最為理想的是用能獲得環空紊流的泵流速注入隔離液和水泥漿。④井眼和套管尺寸對頂替效率產生極大的影響。對垂直井來說最正確的環空間隙是3／4in。而在水平井，最正確的環空間隙至少是1in。這樣將提供充足的空間來進行頂替并使摩擦壓力降到最低限度.3．水泥漿的設計設計的水泥漿密度取決于地層的性質，并且包括考慮了固井作業時所產生的附加壓力，不能超過地層的破裂壓力。有幾種減少水泥漿密度的方法、如泡沫水泥、膨脹水泥。為了預防在注水泥期間水泥漿失水和替泥漿后過量的濾液漏失，在要封固的水平產層段的水泥漿中可用降失水劑。4．隔離液的設計油包水乳化液，油基鉆井液具有以下兩個特性、這兩個特性直接關系到固井的成功：①當鉆遇到滲透性地層時，所設計的鉆井液具有極