大位移钻井技术与分解
摘 要
大位移钻井技术是目前世界上最先进的钻井技术之一，它已成为海上和摊海油田勘探开发最有效的手段。它能够大范围的控制含油面积和提高油气采收率，降低油田开发成本，具有显著的经济效益和社会效益。文章介绍了国内外大位移钻井技术的现状，大位移井的关键技术和发展趋势，分析对比了国内大位移钻井技术存在的差距和应努力的方向，对其未来发展前景做了详细的预测与分析，并就其存在的问题也提出了一些解决的办法和意见。
关键词： 大位移井钻井技术；井眼剖面；扭矩；摩阻；旋转导向
目 录
第1章 大位移井的概况分析..............................................................................1
1.1 大位移井的基本概念.............................................................................1
1.2 大位移井的特点，难点及用途.............................................................1
1.2.1 大位移井的特点………………... …………………………………...1
1.2.2 大位移近水平井的钻井难点…………... ………………………... …1
1.2.3 大位移井的用途... …………………………………………………...2
第2章 大位移井的发展状况..............................................................................4
2.1 世界上钻大位移井成熟的配套技术主要表现在.................................4
2.2 国内大位移井的发展现状.....................................................................4
第3章 大位移井的关键技术..............................................................................6
3.1 管柱的摩阻和扭矩.................................................................................6
3.1.1钻柱扭矩和摩阻力的计算………………………………………... …6
3.1.2 减小管柱扭矩和摩阻的措施…………………………... …………...8
3.2 钻柱设计.................................................................................................9
3.3 轨道设计………………………………………………... ……………11
3.4 井壁稳定…………………………………………………... …………11
3.4.1 影响大位移井井壁不稳定的因素………………………... ……….11
3.4.2 井壁稳定性机理................................................................................12
3.5 井眼清洗………………………………………………………... ……13
3.6 固井完井…………………………………………………………... …14
3.7 轨迹控制……………………………………………………………...15
3.8 装备配套要求………………………………………………………...16
第4章 大位移井钻井工具与仪器....................................................................17
4.1 变径稳定器...........................................................................................17
4.2 旋转导向系统.......................................................................................17
4.3 加长/串联马达………………………………………………... ….......18
4.4 地质导向钻井系统…………………………………………………...18
4.5 随钻测量（井）与录井工具（MWD/LWD）……………………...19
4.6 减摩接头...............................................................................................19
4.7 钻压推加器...........................................................................................20
4.8 顶部驱动装置.......................................................................................20
第5章 结论........................................................................................................21
参考文献..............................................................................................................23
致 谢....................................................................................................................24
第1章 大位移井的概况分析
1.1 大位移井的基本概念
大位移井是在定向井、水平井技术之后又出现的一种特殊工艺井，英文名称ERW （ExtendedReachwell ），大位移钻井技术称ERD （ExtendedReachDrilling ），顺名思义，大位移井具有很大的水平位移和很长的高井斜稳斜井段。正是由于这一特征，即大井斜、长井段下的突出的重力效应，带来了大位移井的一系列难点和特点，具体表现在钻井工艺、固井工艺、井下工具和仪器等诸多方面。大位移井的定义一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井。水平位移与垂深之比的定义美国公司和英国公司用得较多，这种定义从垂直剖面上看较直观，也比较确定[1]，大位移井具有很长的大斜度稳斜段，大斜度稳斜角称稳航角（sailAngle ），稳航角大于60度。由于多种类型油气藏的需要，从不变方位角的大位移井，又发展了变方位角的大位移井，这种井称为多目标三维大位移井（Designerwel ）。
1.2 大位移井的特点，难点及用途
1.2.1 大位移井的特点
大位移井用来优化海上和浅海油田的开发，对与浅海油田，可以从海边或修建堤坝钻大位移井来开采油藏，这样可以减少开发这些油藏所需的平台数量及油井数量，增加储层裸露面积，从而增加油井的储量及采收率，主要有以下特点[3]：
1）水平位移大。因此能较大范围的控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少陆地及海上平台钻井的平台数量。
2）钻穿油层的井段长。可以使油藏的泄油面积增大，大幅度提高单井产量。基于这种巨大的经济利益，大位移井技术才得以迅速发展。
3）摩阻和扭矩大。由于大位移井位移较大，导致钻进过程中摩阻和扭矩较大，因此很有必要对打位移井进行优化设计。
1.2.2 大位移近水平井的钻井难点
1、区块复杂，着陆控制、稳斜段长控制难度大；
2、对钻井装备、钻井液设备要求高；
3、钻具、监测工具、仪器等针对性强，技术含量高；
4、要求钻井液有很强的润滑性、悬浮能力和携砂能力，并能保持井眼稳定；
5、对防喷、防漏和保护油气层、固井质量、完井技术的要求高；
6、井下恶劣条件与随钻测量仪器和动力钻具使用的矛盾十分突出；
7、井眼轨道的预测、控制难度大，需要有高质量的应用软件和高素质的工程技术人员。
1.2.3 大位移井的用途
大位移井应用是出于经济的考虑，如美国在加州享廷海滩，是从陆上钻大位移井开发海上油田。挪威北海西sleiPner 油田，用大位移井代替原来的开发方案，节约了10亿美元。美国Pedemales 油田，用大位移井代替原来建钻井平台的方案，节约1亿美元。英国的wytchFalm 油田，在岸上钻大位移井，代替原来的建人工岛方案，节约费用1.5亿美元。
钻大位移井的主要优点为：
（1）用大位移井开发海上油气田，大量节省费用。开发海上油气田，用常规定向井、水平井钻井，需要建的人工岛和固定平台的数量多，打井也多，花钱多，如果钻大位移井，就可少建人工岛或固定平台，少打井，可节省大量投资。
（2）靠近海岸的油田，可钻大位移井进行勘探、开发。过去开发这类油田，需要建造人工岛、固定钻井平台，或用活动钻井平台钻井。现在凡距海岸10km 左右的近海油田，均可使用大位移井进行勘探、开发。这样，可以不建人工岛和固定平台，也可以不用活动钻井平台设备，完全可以从陆上向海上钻大位移井勘探、开发油田，从而节省大量投资。
（3）不同类型油气田钻大位移井可提高经济效益。小断块的油气田，或几个不相连的小断块油气田，可钻1口或2口大位移井开发，少钻不少井，节省投资，便于管理；对于几个油田，油气层不在同一
深度，方位也不一样，这是可钻多目标三维大位移井，节省投资。
（4）使用大位移井可以代替复杂的海底井口开发油田，节省海底设备，节省大量投资。
（5）有些油气藏在环保要求高的地区，钻井困难。利用大位移井可以在环保要求不太高的地区钻井，以满足环保要求。
所以说大位移钻井技术的开发应用对我国石油事业的发展有重大意义。
第2章 大位移井的发展状况
2.1 世界上钻大位移井成熟的配套技术主要表现在
1、世界上每年钻成的大位移井数量成倍增加，并且钻井周期越来越短，钻井成本明显降。
2、控制实钻手段的轨迹更加先进，测量仪器录取数据也由单一的井身参数向地质参数和油藏特性描述等多方面发展。
3、研制成钻大位移井的多种井下工具系列。
4、已形成保持井壁稳定和井眼清洁的钻井液体系。
2.2 国内大位移井发展现状
我国在大位移井钻井技术方面，20世纪80年代中期开始钻井探索，20世纪90年代末期有了一定进展。中海石油有限公司深圳分公司南海西江边际油田开发，对大位移井关键技术进行了深入研究，形成了大位移井开发工程计算和工艺技术。针对XJ24-1油田的开发，已经成功的钻成了5口大位移井，其中A14井的水平位移达到了8063m ，创造了当时的世界纪录。截至2002年6月底，XJ24-1油田实际利润与政府税收综合已超过20多亿人民币。胜利油田从80年代末对大位移钻井进行了积极探索，2000年3月完成的埕北21-平-1井，完钻井深4837.40m 水平位移达到3167.34m ，是当时国内陆上油田完成的水平位移最大的一口井。我国的大位移井技术与国外先进水平相比，存在相当大的距离，钻一口水平位移10000m 的钻井速度相当。尤其是在钻井技术装备上：钻机、高强度钻具、专用井下工具、测量仪器，基本上依赖进口，我我国的大位移井技术还有很长的路要走[2]。
对井下工具、仪器和装备的要求，表现在10个方面：
（1）选好钻机，克服大摩阻，保证钻出长井段。
（2）选好钻井泵，保证排量，清洁井眼，降低摩阻。
（3）选好驱动装置，保证井眼质量。
（4）选好钻井方式，提高钻速，减小摩阻和井下作业时间。
（5）选好钻井工具，保证有足够扭矩克服摩阻钻出长井段。
（6）选好测控系统，保证测量传输导向能力，控制好轨迹。
（7）选好井下工具，保证钻头加上足够钻压，快速钻进。
（8）助选好井下工具，减少摩阻与套管磨损。
（9）选好钻井液，减少摩擦，增大携屑能力。
（10）选好下套管方法，保证顺利下入和居中。
总而言之，这一系列的要求的核心在于，用工程手段（工艺、工具、仪器、装备），克服大摩阻，提高钻速，减少作业时间，保证成功，兼顾成本。而我国的技术与国外技术差距很大[4]。
第3章 大位移井的关键技术
3.1 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，下套时套管的摩阻和扭矩。
3.1.1 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，钻柱和井壁的接触点连续，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，只要把这点一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。
（1）钻柱扭矩的计算
在斜井段中取出一钻柱单元，其受力状态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
（3-1）
式中
—钻柱单元的扭矩增量，N ·m ；
R —钻柱的半径，m ；
—钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N
该单元上端的扭矩为
（3-2）
式中
—从钻头算起，第j 个单元的上端的扭矩，N ·m ；
—从钻头扭矩（起下钻时为零），N ·m ；
—第i 段的扭矩增量，N ·m 。
（2）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3-1。图3-1中，V 为钻柱表面C 点的运动速度，V t 和V r 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；F t ，F r 分别为F 沿钻柱轴向和摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。
图3-1钻柱摩阻力
由图3-1可知：
式中
F s -钻柱单元的静摩擦力，N ；
f-摩擦系数；
N-钻柱单元对井壁的挤压力，N 。
3.1.2 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、优化井深剖面
选择管柱摩阻最小的井深剖面。 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
钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。对底部钻具组合（BHA ），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应是底部钻具组合的尺寸尽量减小。 4、使用降扭矩工具
使用不转动的钻杆护箍和减摩接头可有效地减小扭矩。 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
起下钻时可适当旋转钻柱，改变摩阻方向（倒划眼时要特别谨慎）[10]
。
3.2钻柱设计
钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。对底部钻具组合（BHA ），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应该使底部钻具组合的尺寸尽量减小[8]
。
1、钻柱设计应考虑的因素
(1)尽量减小压差卡钻的可能性；
(2)使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减少钻柱与井壁直接的接触面积；
(3)尽量减少丝扣连接的数量； (4)采用井下可调稳定器；
(5)尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量；
(6)选用高强度钻杆，使之具有足够的抗扭转力和抗磨能力； (7)给钻头施压时尽量不使钻杆发生弯曲。
2、钻压设计
大位移井的钻柱实际主要是钻压设计。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，
（3-7）
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，或跟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 ≤F CRIT +WBS （3-8） 式中
WOB—设计钻压； WBS —钻杆的浮重。
3.3 轨道设计
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，扭转扭矩的增幅较小。 （3）准悬链线剖面。准悬链线剖面有很多优点，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），而且是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[8]。
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。
3.4井壁稳定
3.4.1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，可能导致井壁坍塌或破裂。 4、时间关系井壁在低密度泥浆中长期浸泡，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表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强化学反应，泥液岩膨胀造成缩经或井壁坍塌[7]。
3.4.2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S H 和最小水平应力S h ，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S Z 、周向轴向应力S θ和径井向应力S R ，如下图3-2。
图3-2地应力变化图
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塌陷。 （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。其应力状态的变坏如下图3-3
图3-3应力变化图
3.5 井眼清洗
大位移井同其它类型井一样，好的井眼清洗和净化，有利于提高钻速、降低磨阻和扭矩、缩短作业时间。节省钻井费用等。
提高经验清洗效率的措施[5]
1、高泵排量和环空返速都有利于井眼净化
通常要用井眼净化模型来计算井眼净化的最小排量和最优钻井液流变性。大排量可以提高钻井液的流速，增加携岩能力。然而，大排量需要高的泵压，在大位移井中，泵压可能会受到限制。为使钻井液以紊流循环，可以增大钻杆尺寸来增加给定泵压下的环空反速。 2、钻井液的流变性
良好的钻井液流变性对任何类型的井都非常重要, 对大位移井更是如此。要保证钻井液的流型为层流货紊流，避免过渡流，因为过渡流的携岩能力差。在砂岩油层井段可能会发生漏失，钻井液流变性应保持最低值，以降低当量循环密度。 3、钻具转动
由于大位移井的位移不断增加，井眼的最优排量难以达到，这就需要其他的井眼净化技术，如提高转盘旋转速度和倒划眼。 4、固相控制
在大位移井中，钻屑将在环空钻井液中长期滞留，使钻屑变的更细，更难以携带，如要钻井液保持良好的状态，就必须有良好的固相控制设备。
3.6 固井完井
在大位移井的固井、完井中，套管的磨阻和磨损是个严重的问题。套管磨损使套管的强度降低，套管磨阻会使套管难以下入到设计井深、造成卡套管或井壁坍塌等问题。特别是在井眼曲率较小的造斜段，套管的联接部分需要有较高的抗弯能力，而且在下套管作业中，联接部分要求有足够的抗拉强度[5]。 1、井身结构设计[10]
井身结构设计要考虑以下几个问题 （1）井身结构必须满足完井设计要求。
（2）生产井段的井眼应尽可能大，以利于随钻测井工具的下入。 （3）井身结构不能妨碍优质固井。 2、套管柱的联结 （1） 套管丝扣接头要相互楔牢，以防套管柱通过弯曲并段时脱扣。 （2） 生产管柱的接头应有足够的抗扭强度，以允许注水泥时套管柱
旋转。 （3） 如果生产管柱是原始压力容器，其接头应该是密封的。 3、在大斜度井眼中下套管
在大斜度井眼中下套管，使套管下入的动力（套管自重）本来就很小，而且还要用来克服阻力，所以在地面采取有效措施，帮助管柱下入。采取的主要措施有：接钻铤，靠钻铤的重量将管柱推进；或靠顶驱的重量将管柱推进；用滚轮式套管扶正器；调整泥浆性能，减小摩阻；在套管内充填轻流体或气体，以减小摩阻。 4、注水泥考虑的问题
由于大位移井的井壁应力，使钻井液密度工作范围狭窄，下套管时的激动压力和注水泥时的循环压降容易引起井壁破裂，发生循环漏失，所以要特别注意钻井液、前置液和水泥浆的特性。
（1）下套管前要部分稀释钻井液，以防下套管引起过大的激动压力；注水泥前要彻底稀释钻井液，以防止注水泥时的循环压降过高。 （2）最好使用非加重前置液，这样可以降低ECD ，但要注意井壁稳定问题。
（3）要控制水泥浆的自由水含量（自由水含量最好为零）优化水泥浆的稠化时间，保证水泥浆的稳定性，防止固井窜槽[9]。
3.7 轨迹控制
保钻井液的净化效果
(1)大位移井要求旋转模式钻进。在大位移井作业中，要求滑动钻进的层段和次数要降到最少。如WF 油田在445mm 井眼，旋转钻进的进尺从60%增加到70%。
(2)井下可变径稳定器。使用可变径稳定器(HVGS)有助于旋转钻进。在南海西江24-3-A14井中的可变径稳定器，调节范围从12·7mm 到31·75mm 。它与MWD 系统配合使用，井下可变径稳定器接到地面指令后启动控制装置，使翼片外廓直径在设计调整范围内变动。
(3)旋转导向钻井系统。旋转导向钻井系统的应用已成为钻大位移井的关键技术[6]。
3.8 装备配套要求
根据国外成功的经验，大位移井适合海上和滩海油气田的勘探与开发，这样，钻井设备应选择负荷能力较大、操作性能较好的电动钻机，并安装顶部驱动系统，液力系统要配备打功率钻井液泵，保证大排量和高泵压的循环能力，固控设备应选用高性能设备，确旋转导向钻井系统是多种新技术新工艺的完美结合，是一种全新的钻井系统，已在大位移井中广泛应用。
国外大位移井的发展方向不在以增大位移与垂深比为主要目标，而是采用先进的导向钻井系统，优质钻井液，先进的工具和工艺技术，以提高施工速度和轨迹控制精度，减少事故，降低成本为主要发展方向。
由于我国在大位移井方面起步较晚，与世界先进水平相比还存在很大差距，根据内陆油田现有装备及技术水平，大位移井钻井技术试验可分为两个阶段。第一阶段利用现有装备、工具、仪器和技术增加少量的装备、工具配套进行4000m-5000m 位移井的试验研究，完成几口中国特色的大位移井；第二阶段引进包括顶驱在内的先进设备、工具、仪器和技术完成几口位移垂深比大于等于2的大位移井，形成一套自己的大位移井钻井技术[7]。
第四章 大位移井钻井工具与仪器
4.1 变径稳定器
1、功能
通过遥控（或井下自控）方式，调整稳定器的外径，从而调整BHA 的力学特性，达到不起下钻调整井斜角的目的，节约辅助时间。 2、控制方式
遥控：正排量，负排量，投球式，钻压式，时间-排量。 闭环：自动调整（反馈，比较，执行） 3、结构举例
（1）法国的VARISTAB
（2）我国自行研制的正排量可变径稳定器 （3）Halliburton 的TRACE 闭环变径稳定器 （4)Sperry-Sun 的AGS 可调变径稳定器
4.2 旋转导向系统
1、功能
是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的工具系统，以旋转钻进方式，可以自动调节井斜和方位，造斜能力一般为8°/30m以下（长半径范围），特别适合用来钻大位移井的长稳斜段。
2、典型产品介绍
BakerHughes:AutoTrack(RCLS)RotaryClosedLoopDrillingSystem
Shlumberger:PowerDriveSystem Sppery-Sun:Geopilot
特性和优点（以AutoTrak 为例）
①以旋转方式钻进，减少滑动摩阻，提高钻深能力 ②井眼光滑，减少事故因素
③稳定器的活塞按程序交替引缩，可较好的控制井眼方向 ④适于钻大位移井稳斜段，钻速较快
⑤不适于钻中曲率井段及应急调整导向。
4.3 加长/串联马达
1、串联马达
①用万向轴（钛连接杆）把两个马达连接，扭矩可成倍增加 ②马达结构尺寸不变，排量不变，转速不变 ③Δp 增加，立管压力增加 2、加长马达
不用连接轴连接两个马达，而是把马达的定/转子副尺子加长，级数加多，如由4级增大为6级，扭矩即可按比例增加。
4.4 地质导向钻井系统
（1）地质导向的定义
国际上目前对此尚无权威性定义
国外一种定义：用地质准则来设计经验的位置。
我们的定义：用近钻头地质，工程参数测量和随钻控制手段来保证实际井眼穿过储层并取得最佳位置。
（2）地质导向系统的组成（以IDEAL 为例）
用户图像显示屏、司钻屏、安全屏、远距离通讯、Anadrill 钻井制图中心制作的详细钻井图、深度和其他地面传感器（排量、泵压）、碎屑和泥浆气测知分析、补偿密度、中子、脉冲10 字节/秒随钻遥测、DWOB 钻压、扭矩、CDR 补偿双电阻率PowerPak 导向马达、GST 地质导向、GEOdrlling 地质钻井、近钻头电阻率。 （3）地质导向系统在国外的应用效益
有资料表明，地质导向钻井系统问世后，在1993—1995你上哪的3年中，已被13家公司用于欧洲和非洲6个国家的近50口井，累计进尺超过20英里（32187m ），取得了显著技术效果和重大经济效益。IDEAL 系统已在北海获得了成功应用，钻成几口复杂的水平井。
在墨西哥湾的某一油田，先前所钻8口井的总产量仅为923桶/天；后来，Anadrill 公司应用地质导向技术在该油田钻成一口高质量的水平井，日产原油达1793桶，使这一枯竭的油田得以重新复活。
在英国BP 公司WytchFam 油田，地质导向系统（测传马达）与变径稳定器（位于测传马达上部）配合使用钻大位移井，几乎全部实现了旋转钻进，提高钻速和并身质量，大大减少了井下事故和风险。
在英国北海Texaco 的一口开发井中使用地质导向工具（测传马达），至少避免了两次侧钻；井场地质师用近钻头方位伽玛射线确定井眼上下是否遇到泥岩，通过正确的导向控制将井眼扭回砂岩储层。 KerrMcGee所钻的一口井表明，由于地质导向系统的近钻头电阻率的作用，比原有技术（电阻率传感器在马达上部）多或得14%的产层进尺[7]。
4.5 随钻测量（井）与录井工具（MWD/LWD）
表4-1 测量工具与测量项目分类
脉冲检波和数据资料获取速度在快速钻井条件下平均每英尺取样2次，从脉冲信号取得数据资料可以达到与电测等效钻速达60m/hr时，资料数据校正速率需要10秒连续波检波。
4.6 减摩接头
1、功能
接入钻柱串中，使钻柱在其中旋转，而接头与套管无相对转动，避免了钻柱对套管的直接磨损，保护了套管和钻柱。由于大位移井摩阻大，井段长，作业时间长，磨损问题十分突出。
2、典型产品
非旋转钻杆护箍（NRDPP ） 钻杆轴承短节（DPBS ） 低扭矩短节 低扭矩短杆 DSTR短节
ROTOTECFRICTIONREDUCERS 3、应用效果以NRDPP 为例
要安装在弯曲井段的侧向接触点处，形成新支点，合理选型，工具接头外径要大于钻杆街头外径。如5"DP(接头6-5/8")，应选7-1/4"(NRDPP)。
套装在距钻杆公扣0.6m 处
实际温度限制
可使摩擦扭矩减少10~30%，减少套管/钻柱磨损 减少钻柱振动（装10%护箍，减少钻杆涡动10%）
4.7 钻压推加器
1、功能
通过液压机构，可保证钻头上能够加上钻压；减小冲击和振动；提高机械钻速。 2、结构原理
在开泵时逐步外伸，产生进尺，停泵时缩回。 3、效果
能使钻头加上较恒定的钻压，提高机械钻速（12%），减少冲击和振动井口扭矩，比较平稳增加BHA 工作寿命（包括钻头），减少起下钻。
4.8 顶部驱动装置
功能
可倒划眼作业，以立根方式接钻杆，起钻使可以循环泥浆，减少井下事故。
第
5章 结论
大位移井钻井技术代表可当今世界上最先进的钻井技术，它已成为海上和摊海油田勘探开发的重要手段，给油田的勘探开发带来了巨大的经济效益和社会效益。国外已形成钻大位移井的成熟配套技术，旋转导向钻井系统、地质导向钻井技术、新型钻井液体系等钻井高新技术普遍得到推广应用，大位移井的水平位移已达到10000m 以上。 我国的大位移井技术与国外先进水平相比，还存在相当大的差距，主要是在钻井技术装备上，旋转导向钻井系统等先进的井下专用工具、测量仪器基本上依赖进口，我国的大位移井技术还有很长的路要走。 大位移井的关键技术重点集中在扭矩/摩阻、轨道设计、轨道控制、水平力学和井眼净化、套管漂浮技术等方面，扭矩/摩阻是大位移井钻井工程问题的核心。大位移井钻井技术将向着进一步采用先进的导向钻井系统、优质钻井液、先进的工具和工艺技术，以提高施工速度和轨迹控制精度，减少事故，降低成本，减少风险和提高成功率的目标发展。
大位移井发展趋势[7]。
（1）向位移更大的方向发展，大位移钻井记录将不断刷新。目前世界上的大位移井记录是M16井，水平位移达到10728m ，近期有望突破15000m 。我国陆上油田近期的大位移井目标是水平位移达到5000-8000m 。
（2）现代高新技术的应用，将加快大位移井钻井速度，降低钻井成本，经济效益明显提高，同时，给油田勘探开发带来巨大的经济效益和社会效益。
（3）工具仪器更加先进。大位移井技术的发展，都是依靠先进的钻井装备和工具仪器实现的，先进的工具仪器是钻大位移井的有力保障。随钻测井、随钻地质导向钻井系统。旋转导向钻井系统，代表了当今世界先进水平。
（4）随着井下闭环钻井技术的发展与应用，大卫已经将实现自动化钻井。
我国的大位移钻井技术，还处于起步阶段，与世界先进技术相比还有一定的差距，为了迎头赶上世界先进水平，建议今后还应在以下方面再做进一步的工作[2]：
（1）加强对世界先进技术的跟踪，及时了解国外大位移井水平的技术发展动态，不断学习先进技术，缩短与世界同行们的技术上的差距。
（2）加快我国井下导向工具的研制。
（3）注重对钻机设备的投入，以使钻井装备与钻井技术发展相适应。随着水平位移的增加，钻机能力必然要增大，大的位移必然需求更强大的钻机功率。
（5）进一步的完善我国的大位移钻井扭矩摩阻预测分析软件，并且随着水平位移的增大，进一步提高预测精度，是预测的扭矩摩阻更好的为钻井设计和施工作业服务，为大位移井提供决策依据。
参考文献
[1] 李克向。国外大位移井钻井技术[M]。北京：石油工业出版社，1998.
[2] 蒋世全。大位移井发展现状及启示[J]。石油钻采工艺，1999。 [3] 周守为。大位移井钻井技术及其在渤海油田的应用[M]。北京石油工业出版社，2002。
[4] 张武辇。我国第一口创世界记录大位移井-江西24-2-A14井总结[J]。石油钻采工艺，1998。
[5] 李克向。我国滩海地区应加快发展大位移井钻井技术[J]。石油钻采工艺，1998。
[6] 刘长生，王雪，漆文远，等。裂缝性低渗透油气藏及某些复杂条件下的水平井技术，中国石油天然气总公司信息研究所。
[7] 石油工业钻井工艺科技情报协作组，国外石油工业水平调查。钻井工艺专集。1985。
[8] 韩志勇。定向井设计与计算[M]。北京:石油工业出版社。1989。 [9] 刘丰金，庞保军。定向井扭方位三维轨迹设计简易解析法[J]。石油钻采工艺，1996,18（3）：32-36。
[10] 苏义脑。井斜控制理论与实践[M]。北京：石油工业出版社，1990-04:311-317。
致谢
在我的论文完成之际，本人向导师**表示最真挚的敬意和真挚的感谢。*老师的严谨治学、教书育人的作风，使我深受教育和熏陶，同导师宽广的知识面以及在学术领域里极深的造诣。都是我终身追求的目标和学习的榜样。从论文的选题和论文的撰写都凝聚着导师的心血。同时我还要感谢在整个写作过程中给予了很多无私的帮助和重要指导意见的老师、同学，在此表示深深地敬意和衷心的感谢。 此外，我要感谢石油大学给了我这次学习的机会，通过四年的学习，我感到自己的理论水平有了很大提高，学到了许多新的东西。为我在以后的工作中打下了坚实的基础。
最后向论文中引到的学术论文、科研成果和科技书籍的作者们表示衷心的感谢！
大位移钻井技术与分解
摘 要
大位移钻井技术是目前世界上最先进的钻井技术之一，它已成为海上和摊海油田勘探开发最有效的手段。它能够大范围的控制含油面积和提高油气采收率，降低油田开发成本，具有显著的经济效益和社会效益。文章介绍了国内外大位移钻井技术的现状，大位移井的关键技术和发展趋势，分析对比了国内大位移钻井技术存在的差距和应努力的方向，对其未来发展前景做了详细的预测与分析，并就其存在的问题也提出了一些解决的办法和意见。
关键词： 大位移井钻井技术；井眼剖面；扭矩；摩阻；旋转导向
目 录
第1章 大位移井的概况分析..............................................................................1
1.1 大位移井的基本概念.............................................................................1
1.2 大位移井的特点，难点及用途.............................................................1
1.2.1 大位移井的特点………………... …………………………………...1
1.2.2 大位移近水平井的钻井难点…………... ………………………... …1
1.2.3 大位移井的用途... …………………………………………………...2
第2章 大位移井的发展状况..............................................................................4
2.1 世界上钻大位移井成熟的配套技术主要表现在.................................4
2.2 国内大位移井的发展现状.....................................................................4
第3章 大位移井的关键技术..............................................................................6
3.1 管柱的摩阻和扭矩.................................................................................6
3.1.1钻柱扭矩和摩阻力的计算………………………………………... …6
3.1.2 减小管柱扭矩和摩阻的措施…………………………... …………...8
3.2 钻柱设计.................................................................................................9
3.3 轨道设计………………………………………………... ……………11
3.4 井壁稳定…………………………………………………... …………11
3.4.1 影响大位移井井壁不稳定的因素………………………... ……….11
3.4.2 井壁稳定性机理................................................................................12
3.5 井眼清洗………………………………………………………... ……13
3.6 固井完井…………………………………………………………... …14
3.7 轨迹控制……………………………………………………………...15
3.8 装备配套要求………………………………………………………...16
第4章 大位移井钻井工具与仪器....................................................................17
4.1 变径稳定器...........................................................................................17
4.2 旋转导向系统.......................................................................................17
4.3 加长/串联马达………………………………………………... ….......18
4.4 地质导向钻井系统…………………………………………………...18
4.5 随钻测量（井）与录井工具（MWD/LWD）……………………...19
4.6 减摩接头...............................................................................................19
4.7 钻压推加器...........................................................................................20
4.8 顶部驱动装置.......................................................................................20
第5章 结论........................................................................................................21
参考文献..............................................................................................................23
致 谢....................................................................................................................24
第1章 大位移井的概况分析
1.1 大位移井的基本概念
大位移井是在定向井、水平井技术之后又出现的一种特殊工艺井，英文名称ERW （ExtendedReachwell ），大位移钻井技术称ERD （ExtendedReachDrilling ），顺名思义，大位移井具有很大的水平位移和很长的高井斜稳斜井段。正是由于这一特征，即大井斜、长井段下的突出的重力效应，带来了大位移井的一系列难点和特点，具体表现在钻井工艺、固井工艺、井下工具和仪器等诸多方面。大位移井的定义一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井。水平位移与垂深之比的定义美国公司和英国公司用得较多，这种定义从垂直剖面上看较直观，也比较确定[1]，大位移井具有很长的大斜度稳斜段，大斜度稳斜角称稳航角（sailAngle ），稳航角大于60度。由于多种类型油气藏的需要，从不变方位角的大位移井，又发展了变方位角的大位移井，这种井称为多目标三维大位移井（Designerwel ）。
1.2 大位移井的特点，难点及用途
1.2.1 大位移井的特点
大位移井用来优化海上和浅海油田的开发，对与浅海油田，可以从海边或修建堤坝钻大位移井来开采油藏，这样可以减少开发这些油藏所需的平台数量及油井数量，增加储层裸露面积，从而增加油井的储量及采收率，主要有以下特点[3]：
1）水平位移大。因此能较大范围的控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少陆地及海上平台钻井的平台数量。
2）钻穿油层的井段长。可以使油藏的泄油面积增大，大幅度提高单井产量。基于这种巨大的经济利益，大位移井技术才得以迅速发展。
3）摩阻和扭矩大。由于大位移井位移较大，导致钻进过程中摩阻和扭矩较大，因此很有必要对打位移井进行优化设计。
1.2.2 大位移近水平井的钻井难点
1、区块复杂，着陆控制、稳斜段长控制难度大；
2、对钻井装备、钻井液设备要求高；
3、钻具、监测工具、仪器等针对性强，技术含量高；
4、要求钻井液有很强的润滑性、悬浮能力和携砂能力，并能保持井眼稳定；
5、对防喷、防漏和保护油气层、固井质量、完井技术的要求高；
6、井下恶劣条件与随钻测量仪器和动力钻具使用的矛盾十分突出；
7、井眼轨道的预测、控制难度大，需要有高质量的应用软件和高素质的工程技术人员。
1.2.3 大位移井的用途
大位移井应用是出于经济的考虑，如美国在加州享廷海滩，是从陆上钻大位移井开发海上油田。挪威北海西sleiPner 油田，用大位移井代替原来的开发方案，节约了10亿美元。美国Pedemales 油田，用大位移井代替原来建钻井平台的方案，节约1亿美元。英国的wytchFalm 油田，在岸上钻大位移井，代替原来的建人工岛方案，节约费用1.5亿美元。
钻大位移井的主要优点为：
（1）用大位移井开发海上油气田，大量节省费用。开发海上油气田，用常规定向井、水平井钻井，需要建的人工岛和固定平台的数量多，打井也多，花钱多，如果钻大位移井，就可少建人工岛或固定平台，少打井，可节省大量投资。
（2）靠近海岸的油田，可钻大位移井进行勘探、开发。过去开发这类油田，需要建造人工岛、固定钻井平台，或用活动钻井平台钻井。现在凡距海岸10km 左右的近海油田，均可使用大位移井进行勘探、开发。这样，可以不建人工岛和固定平台，也可以不用活动钻井平台设备，完全可以从陆上向海上钻大位移井勘探、开发油田，从而节省大量投资。
（3）不同类型油气田钻大位移井可提高经济效益。小断块的油气田，或几个不相连的小断块油气田，可钻1口或2口大位移井开发，少钻不少井，节省投资，便于管理；对于几个油田，油气层不在同一
深度，方位也不一样，这是可钻多目标三维大位移井，节省投资。
（4）使用大位移井可以代替复杂的海底井口开发油田，节省海底设备，节省大量投资。
（5）有些油气藏在环保要求高的地区，钻井困难。利用大位移井可以在环保要求不太高的地区钻井，以满足环保要求。
所以说大位移钻井技术的开发应用对我国石油事业的发展有重大意义。
第2章 大位移井的发展状况
2.1 世界上钻大位移井成熟的配套技术主要表现在
1、世界上每年钻成的大位移井数量成倍增加，并且钻井周期越来越短，钻井成本明显降。
2、控制实钻手段的轨迹更加先进，测量仪器录取数据也由单一的井身参数向地质参数和油藏特性描述等多方面发展。
3、研制成钻大位移井的多种井下工具系列。
4、已形成保持井壁稳定和井眼清洁的钻井液体系。
2.2 国内大位移井发展现状
我国在大位移井钻井技术方面，20世纪80年代中期开始钻井探索，20世纪90年代末期有了一定进展。中海石油有限公司深圳分公司南海西江边际油田开发，对大位移井关键技术进行了深入研究，形成了大位移井开发工程计算和工艺技术。针对XJ24-1油田的开发，已经成功的钻成了5口大位移井，其中A14井的水平位移达到了8063m ，创造了当时的世界纪录。截至2002年6月底，XJ24-1油田实际利润与政府税收综合已超过20多亿人民币。胜利油田从80年代末对大位移钻井进行了积极探索，2000年3月完成的埕北21-平-1井，完钻井深4837.40m 水平位移达到3167.34m ，是当时国内陆上油田完成的水平位移最大的一口井。我国的大位移井技术与国外先进水平相比，存在相当大的距离，钻一口水平位移10000m 的钻井速度相当。尤其是在钻井技术装备上：钻机、高强度钻具、专用井下工具、测量仪器，基本上依赖进口，我我国的大位移井技术还有很长的路要走[2]。
对井下工具、仪器和装备的要求，表现在10个方面：
（1）选好钻机，克服大摩阻，保证钻出长井段。
（2）选好钻井泵，保证排量，清洁井眼，降低摩阻。
（3）选好驱动装置，保证井眼质量。
（4）选好钻井方式，提高钻速，减小摩阻和井下作业时间。
（5）选好钻井工具，保证有足够扭矩克服摩阻钻出长井段。
（6）选好测控系统，保证测量传输导向能力，控制好轨迹。
（7）选好井下工具，保证钻头加上足够钻压，快速钻进。
（8）助选好井下工具，减少摩阻与套管磨损。
（9）选好钻井液，减少摩擦，增大携屑能力。
（10）选好下套管方法，保证顺利下入和居中。
总而言之，这一系列的要求的核心在于，用工程手段（工艺、工具、仪器、装备），克服大摩阻，提高钻速，减少作业时间，保证成功，兼顾成本。而我国的技术与国外技术差距很大[4]。
第3章 大位移井的关键技术
3.1 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，下套时套管的摩阻和扭矩。
3.1.1 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，钻柱和井壁的接触点连续，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，只要把这点一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。
（1）钻柱扭矩的计算
在斜井段中取出一钻柱单元，其受力状态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
（3-1）
式中
—钻柱单元的扭矩增量，N ·m ；
R —钻柱的半径，m ；
—钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N
该单元上端的扭矩为
（3-2）
式中
—从钻头算起，第j 个单元的上端的扭矩，N ·m ；
—从钻头扭矩（起下钻时为零），N ·m ；
—第i 段的扭矩增量，N ·m 。
（2）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3-1。图3-1中，V 为钻柱表面C 点的运动速度，V t 和V r 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；F t ，F r 分别为F 沿钻柱轴向和摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。
图3-1钻柱摩阻力
由图3-1可知：
式中
F s -钻柱单元的静摩擦力，N ；
f-摩擦系数；
N-钻柱单元对井壁的挤压力，N 。
3.1.2 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、优化井深剖面
选择管柱摩阻最小的井深剖面。 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
钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。对底部钻具组合（BHA ），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应是底部钻具组合的尺寸尽量减小。 4、使用降扭矩工具
使用不转动的钻杆护箍和减摩接头可有效地减小扭矩。 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
起下钻时可适当旋转钻柱，改变摩阻方向（倒划眼时要特别谨慎）[10]
。
3.2钻柱设计
钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。对底部钻具组合（BHA ），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井的钻进，所以在保证钻压需要的前提下应该使底部钻具组合的尺寸尽量减小[8]
。
1、钻柱设计应考虑的因素
(1)尽量减小压差卡钻的可能性；
(2)使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减少钻柱与井壁直接的接触面积；
(3)尽量减少丝扣连接的数量； (4)采用井下可调稳定器；
(5)尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量；
(6)选用高强度钻杆，使之具有足够的抗扭转力和抗磨能力； (7)给钻头施压时尽量不使钻杆发生弯曲。
2、钻压设计
大位移井的钻柱实际主要是钻压设计。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，
（3-7）
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，或跟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 ≤F CRIT +WBS （3-8） 式中
WOB—设计钻压； WBS —钻杆的浮重。
3.3 轨道设计
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，扭转扭矩的增幅较小。 （3）准悬链线剖面。准悬链线剖面有很多优点，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），而且是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[8]。
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。
3.4井壁稳定
3.4.1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，可能导致井壁坍塌或破裂。 4、时间关系井壁在低密度泥浆中长期浸泡，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表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强化学反应，泥液岩膨胀造成缩经或井壁坍塌[7]。
3.4.2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S H 和最小水平应力S h ，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S Z 、周向轴向应力S θ和径井向应力S R ，如下图3-2。
图3-2地应力变化图
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塌陷。 （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。其应力状态的变坏如下图3-3
图3-3应力变化图
3.5 井眼清洗
大位移井同其它类型井一样，好的井眼清洗和净化，有利于提高钻速、降低磨阻和扭矩、缩短作业时间。节省钻井费用等。
提高经验清洗效率的措施[5]
1、高泵排量和环空返速都有利于井眼净化
通常要用井眼净化模型来计算井眼净化的最小排量和最优钻井液流变性。大排量可以提高钻井液的流速，增加携岩能力。然而，大排量需要高的泵压，在大位移井中，泵压可能会受到限制。为使钻井液以紊流循环，可以增大钻杆尺寸来增加给定泵压下的环空反速。 2、钻井液的流变性
良好的钻井液流变性对任何类型的井都非常重要, 对大位移井更是如此。要保证钻井液的流型为层流货紊流，避免过渡流，因为过渡流的携岩能力差。在砂岩油层井段可能会发生漏失，钻井液流变性应保持最低值，以降低当量循环密度。 3、钻具转动
由于大位移井的位移不断增加，井眼的最优排量难以达到，这就需要其他的井眼净化技术，如提高转盘旋转速度和倒划眼。 4、固相控制
在大位移井中，钻屑将在环空钻井液中长期滞留，使钻屑变的更细，更难以携带，如要钻井液保持良好的状态，就必须有良好的固相控制设备。
3.6 固井完井
在大位移井的固井、完井中，套管的磨阻和磨损是个严重的问题。套管磨损使套管的强度降低，套管磨阻会使套管难以下入到设计井深、造成卡套管或井壁坍塌等问题。特别是在井眼曲率较小的造斜段，套管的联接部分需要有较高的抗弯能力，而且在下套管作业中，联接部分要求有足够的抗拉强度[5]。 1、井身结构设计[10]
井身结构设计要考虑以下几个问题 （1）井身结构必须满足完井设计要求。
（2）生产井段的井眼应尽可能大，以利于随钻测井工具的下入。 （3）井身结构不能妨碍优质固井。 2、套管柱的联结 （1） 套管丝扣接头要相互楔牢，以防套管柱通过弯曲并段时脱扣。 （2） 生产管柱的接头应有足够的抗扭强度，以允许注水泥时套管柱
旋转。 （3） 如果生产管柱是原始压力容器，其接头应该是密封的。 3、在大斜度井眼中下套管
在大斜度井眼中下套管，使套管下入的动力（套管自重）本来就很小，而且还要用来克服阻力，所以在地面采取有效措施，帮助管柱下入。采取的主要措施有：接钻铤，靠钻铤的重量将管柱推进；或靠顶驱的重量将管柱推进；用滚轮式套管扶正器；调整泥浆性能，减小摩阻；在套管内充填轻流体或气体，以减小摩阻。 4、注水泥考虑的问题
由于大位移井的井壁应力，使钻井液密度工作范围狭窄，下套管时的激动压力和注水泥时的循环压降容易引起井壁破裂，发生循环漏失，所以要特别注意钻井液、前置液和水泥浆的特性。
（1）下套管前要部分稀释钻井液，以防下套管引起过大的激动压力；注水泥前要彻底稀释钻井液，以防止注水泥时的循环压降过高。 （2）最好使用非加重前置液，这样可以降低ECD ，但要注意井壁稳定问题。
（3）要控制水泥浆的自由水含量（自由水含量最好为零）优化水泥浆的稠化时间，保证水泥浆的稳定性，防止固井窜槽[9]。
3.7 轨迹控制
保钻井液的净化效果
(1)大位移井要求旋转模式钻进。在大位移井作业中，要求滑动钻进的层段和次数要降到最少。如WF 油田在445mm 井眼，旋转钻进的进尺从60%增加到70%。
(2)井下可变径稳定器。使用可变径稳定器(HVGS)有助于旋转钻进。在南海西江24-3-A14井中的可变径稳定器，调节范围从12·7mm 到31·75mm 。它与MWD 系统配合使用，井下可变径稳定器接到地面指令后启动控制装置，使翼片外廓直径在设计调整范围内变动。
(3)旋转导向钻井系统。旋转导向钻井系统的应用已成为钻大位移井的关键技术[6]。
3.8 装备配套要求
根据国外成功的经验，大位移井适合海上和滩海油气田的勘探与开发，这样，钻井设备应选择负荷能力较大、操作性能较好的电动钻机，并安装顶部驱动系统，液力系统要配备打功率钻井液泵，保证大排量和高泵压的循环能力，固控设备应选用高性能设备，确旋转导向钻井系统是多种新技术新工艺的完美结合，是一种全新的钻井系统，已在大位移井中广泛应用。
国外大位移井的发展方向不在以增大位移与垂深比为主要目标，而是采用先进的导向钻井系统，优质钻井液，先进的工具和工艺技术，以提高施工速度和轨迹控制精度，减少事故，降低成本为主要发展方向。
由于我国在大位移井方面起步较晚，与世界先进水平相比还存在很大差距，根据内陆油田现有装备及技术水平，大位移井钻井技术试验可分为两个阶段。第一阶段利用现有装备、工具、仪器和技术增加少量的装备、工具配套进行4000m-5000m 位移井的试验研究，完成几口中国特色的大位移井；第二阶段引进包括顶驱在内的先进设备、工具、仪器和技术完成几口位移垂深比大于等于2的大位移井，形成一套自己的大位移井钻井技术[7]。
第四章 大位移井钻井工具与仪器
4.1 变径稳定器
1、功能
通过遥控（或井下自控）方式，调整稳定器的外径，从而调整BHA 的力学特性，达到不起下钻调整井斜角的目的，节约辅助时间。 2、控制方式
遥控：正排量，负排量，投球式，钻压式，时间-排量。 闭环：自动调整（反馈，比较，执行） 3、结构举例
（1）法国的VARISTAB
（2）我国自行研制的正排量可变径稳定器 （3）Halliburton 的TRACE 闭环变径稳定器 （4)Sperry-Sun 的AGS 可调变径稳定器
4.2 旋转导向系统
1、功能
是一个井下闭环变径稳定器与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的工具系统，以旋转钻进方式，可以自动调节井斜和方位，造斜能力一般为8°/30m以下（长半径范围），特别适合用来钻大位移井的长稳斜段。
2、典型产品介绍
BakerHughes:AutoTrack(RCLS)RotaryClosedLoopDrillingSystem
Shlumberger:PowerDriveSystem Sppery-Sun:Geopilot
特性和优点（以AutoTrak 为例）
①以旋转方式钻进，减少滑动摩阻，提高钻深能力 ②井眼光滑，减少事故因素
③稳定器的活塞按程序交替引缩，可较好的控制井眼方向 ④适于钻大位移井稳斜段，钻速较快
⑤不适于钻中曲率井段及应急调整导向。
4.3 加长/串联马达
1、串联马达
①用万向轴（钛连接杆）把两个马达连接，扭矩可成倍增加 ②马达结构尺寸不变，排量不变，转速不变 ③Δp 增加，立管压力增加 2、加长马达
不用连接轴连接两个马达，而是把马达的定/转子副尺子加长，级数加多，如由4级增大为6级，扭矩即可按比例增加。
4.4 地质导向钻井系统
（1）地质导向的定义
国际上目前对此尚无权威性定义
国外一种定义：用地质准则来设计经验的位置。
我们的定义：用近钻头地质，工程参数测量和随钻控制手段来保证实际井眼穿过储层并取得最佳位置。
（2）地质导向系统的组成（以IDEAL 为例）
用户图像显示屏、司钻屏、安全屏、远距离通讯、Anadrill 钻井制图中心制作的详细钻井图、深度和其他地面传感器（排量、泵压）、碎屑和泥浆气测知分析、补偿密度、中子、脉冲10 字节/秒随钻遥测、DWOB 钻压、扭矩、CDR 补偿双电阻率PowerPak 导向马达、GST 地质导向、GEOdrlling 地质钻井、近钻头电阻率。 （3）地质导向系统在国外的应用效益
有资料表明，地质导向钻井系统问世后，在1993—1995你上哪的3年中，已被13家公司用于欧洲和非洲6个国家的近50口井，累计进尺超过20英里（32187m ），取得了显著技术效果和重大经济效益。IDEAL 系统已在北海获得了成功应用，钻成几口复杂的水平井。
在墨西哥湾的某一油田，先前所钻8口井的总产量仅为923桶/天；后来，Anadrill 公司应用地质导向技术在该油田钻成一口高质量的水平井，日产原油达1793桶，使这一枯竭的油田得以重新复活。
在英国BP 公司WytchFam 油田，地质导向系统（测传马达）与变径稳定器（位于测传马达上部）配合使用钻大位移井，几乎全部实现了旋转钻进，提高钻速和并身质量，大大减少了井下事故和风险。
在英国北海Texaco 的一口开发井中使用地质导向工具（测传马达），至少避免了两次侧钻；井场地质师用近钻头方位伽玛射线确定井眼上下是否遇到泥岩，通过正确的导向控制将井眼扭回砂岩储层。 KerrMcGee所钻的一口井表明，由于地质导向系统的近钻头电阻率的作用，比原有技术（电阻率传感器在马达上部）多或得14%的产层进尺[7]。
4.5 随钻测量（井）与录井工具（MWD/LWD）
表4-1 测量工具与测量项目分类
脉冲检波和数据资料获取速度在快速钻井条件下平均每英尺取样2次，从脉冲信号取得数据资料可以达到与电测等效钻速达60m/hr时，资料数据校正速率需要10秒连续波检波。
4.6 减摩接头
1、功能
接入钻柱串中，使钻柱在其中旋转，而接头与套管无相对转动，避免了钻柱对套管的直接磨损，保护了套管和钻柱。由于大位移井摩阻大，井段长，作业时间长，磨损问题十分突出。
2、典型产品
非旋转钻杆护箍（NRDPP ） 钻杆轴承短节（DPBS ） 低扭矩短节 低扭矩短杆 DSTR短节
ROTOTECFRICTIONREDUCERS 3、应用效果以NRDPP 为例
要安装在弯曲井段的侧向接触点处，形成新支点，合理选型，工具接头外径要大于钻杆街头外径。如5"DP(接头6-5/8")，应选7-1/4"(NRDPP)。
套装在距钻杆公扣0.6m 处
实际温度限制
可使摩擦扭矩减少10~30%，减少套管/钻柱磨损 减少钻柱振动（装10%护箍，减少钻杆涡动10%）
4.7 钻压推加器
1、功能
通过液压机构，可保证钻头上能够加上钻压；减小冲击和振动；提高机械钻速。 2、结构原理
在开泵时逐步外伸，产生进尺，停泵时缩回。 3、效果
能使钻头加上较恒定的钻压，提高机械钻速（12%），减少冲击和振动井口扭矩，比较平稳增加BHA 工作寿命（包括钻头），减少起下钻。
4.8 顶部驱动装置
功能
可倒划眼作业，以立根方式接钻杆，起钻使可以循环泥浆，减少井下事故。
第
5章 结论
大位移井钻井技术代表可当今世界上最先进的钻井技术，它已成为海上和摊海油田勘探开发的重要手段，给油田的勘探开发带来了巨大的经济效益和社会效益。国外已形成钻大位移井的成熟配套技术，旋转导向钻井系统、地质导向钻井技术、新型钻井液体系等钻井高新技术普遍得到推广应用，大位移井的水平位移已达到10000m 以上。 我国的大位移井技术与国外先进水平相比，还存在相当大的差距，主要是在钻井技术装备上，旋转导向钻井系统等先进的井下专用工具、测量仪器基本上依赖进口，我国的大位移井技术还有很长的路要走。 大位移井的关键技术重点集中在扭矩/摩阻、轨道设计、轨道控制、水平力学和井眼净化、套管漂浮技术等方面，扭矩/摩阻是大位移井钻井工程问题的核心。大位移井钻井技术将向着进一步采用先进的导向钻井系统、优质钻井液、先进的工具和工艺技术，以提高施工速度和轨迹控制精度，减少事故，降低成本，减少风险和提高成功率的目标发展。
大位移井发展趋势[7]。
（1）向位移更大的方向发展，大位移钻井记录将不断刷新。目前世界上的大位移井记录是M16井，水平位移达到10728m ，近期有望突破15000m 。我国陆上油田近期的大位移井目标是水平位移达到5000-8000m 。
（2）现代高新技术的应用，将加快大位移井钻井速度，降低钻井成本，经济效益明显提高，同时，给油田勘探开发带来巨大的经济效益和社会效益。
（3）工具仪器更加先进。大位移井技术的发展，都是依靠先进的钻井装备和工具仪器实现的，先进的工具仪器是钻大位移井的有力保障。随钻测井、随钻地质导向钻井系统。旋转导向钻井系统，代表了当今世界先进水平。
（4）随着井下闭环钻井技术的发展与应用，大卫已经将实现自动化钻井。
我国的大位移钻井技术，还处于起步阶段，与世界先进技术相比还有一定的差距，为了迎头赶上世界先进水平，建议今后还应在以下方面再做进一步的工作[2]：
（1）加强对世界先进技术的跟踪，及时了解国外大位移井水平的技术发展动态，不断学习先进技术，缩短与世界同行们的技术上的差距。
（2）加快我国井下导向工具的研制。
（3）注重对钻机设备的投入，以使钻井装备与钻井技术发展相适应。随着水平位移的增加，钻机能力必然要增大，大的位移必然需求更强大的钻机功率。
（5）进一步的完善我国的大位移钻井扭矩摩阻预测分析软件，并且随着水平位移的增大，进一步提高预测精度，是预测的扭矩摩阻更好的为钻井设计和施工作业服务，为大位移井提供决策依据。
参考文献
[1] 李克向。国外大位移井钻井技术[M]。北京：石油工业出版社，1998.
[2] 蒋世全。大位移井发展现状及启示[J]。石油钻采工艺，1999。 [3] 周守为。大位移井钻井技术及其在渤海油田的应用[M]。北京石油工业出版社，2002。
[4] 张武辇。我国第一口创世界记录大位移井-江西24-2-A14井总结[J]。石油钻采工艺，1998。
[5] 李克向。我国滩海地区应加快发展大位移井钻井技术[J]。石油钻采工艺，1998。
[6] 刘长生，王雪，漆文远，等。裂缝性低渗透油气藏及某些复杂条件下的水平井技术，中国石油天然气总公司信息研究所。
[7] 石油工业钻井工艺科技情报协作组，国外石油工业水平调查。钻井工艺专集。1985。
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[10] 苏义脑。井斜控制理论与实践[M]。北京：石油工业出版社，1990-04:311-317。
致谢
在我的论文完成之际，本人向导师**表示最真挚的敬意和真挚的感谢。*老师的严谨治学、教书育人的作风，使我深受教育和熏陶，同导师宽广的知识面以及在学术领域里极深的造诣。都是我终身追求的目标和学习的榜样。从论文的选题和论文的撰写都凝聚着导师的心血。同时我还要感谢在整个写作过程中给予了很多无私的帮助和重要指导意见的老师、同学，在此表示深深地敬意和衷心的感谢。 此外，我要感谢石油大学给了我这次学习的机会，通过四年的学习，我感到自己的理论水平有了很大提高，学到了许多新的东西。为我在以后的工作中打下了坚实的基础。
最后向论文中引到的学术论文、科研成果和科技书籍的作者们表示衷心的感谢！