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浅探阶梯式水平井快速钻进
一 前言
所谓水平井，是指最大井斜角一般不小于86?且在产层内横向钻进的特殊形式的油气井。水平井技术是80年代钻井、完井技术的重大成就之一。随着水平井综合能力和工艺技术的发展并成熟化、多样化，在常规水平井的基础上发展了多种相关钻井新技术，比如：大位移井钻井技术；分支井钻井技术；小井眼钻井技术；设计师型（阶梯式）水平井钻井技术等，逐步成为新老油田开发的重要手段。
大港油田集团定向井技术服务公司通过加强科研力度，运用先进的工具、仪器和设备，进一步提高了水平井钻井的综合能力，在西部油田尝试并成功地完成了TZ406阶梯水平井、YX2P1阶梯水平井和LN61-H1阶梯水平井，总结了一套较完整的阶梯水平井眼轨迹设计和施工技术的模式，取得了非常显著的经济效益和社会效益，对今后的阶梯水平井技术发展有一定的指导意义。
阶梯水平井是在水平井完成第一水平靶区后，通过降斜、稳斜、增斜段的调整，进入并完成其他水平靶区井段的水平井钻井技术。从严格意义上讲，阶梯水平井（Staircased Well)是设计师型井眼轨迹水平井（Designer Well）的一种特例。设计师型水平井，是指满足下列条件之一的水平井的或者大位移井：（1）在水平面上有较大的拐弯。（2）左右、上下拐弯相互结合。（3）拐弯不受井斜限制。阶梯式水平井则是指利用普通水平井技术在一个井眼中连续完成具有一定高度差的两个或者多个水平井段，形成具有两个或多个台阶的井眼轨道，用一个井眼开采或者勘探两个或多个层叠状油藏、断区块油藏的水平井井型。利用阶梯式水平井连续在这两个油层中水平延伸一定长度，节约了重复钻井的投资，增加了单井产量，能取得最佳的开发效果。
二 阶梯式水平井的特点
随着水平井钻井技术在国内的开展，水平井轨迹控制工艺技术也日益提高；阶梯式水平井如何准确命中目的层的靶窗和第一靶窗与第二靶窗之间的过渡，是阶梯水平井设计和施工技术的关键。
（一）阶梯式水平井目的层的特点
与常规中半径水平井相比，阶梯式水平井具有高难度、高投入、高风险的特点，但是一口成功的阶梯式水平井，能实现取代两口或多口水平井的开发目的，既节约投资，又能获得好的效益。
常用于阶梯式水平井，设计师型水平井开发的区块具有以下特点： 1、层叠式或连续薄油藏； 2、断区块组合油藏;
3、上部油层断失或尖灭，存在下部可供开采的油藏;
4、探区边界油藏。
（二）阶梯式水平井的钻井难点
1、区块复杂，着陆控制、阶梯过渡段控制难度大； 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、目的层活跃，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。
（三）影响钻井效益的主要因素。
1、钻进时扭矩大，钻具事故发生几率高；
2、容易发生传压困难，不易调整井眼轨道的井斜、方位； 3、使用动力钻具钻进软地层易出新眼，钻进硬地层划眼困难； 4、井眼的净化和携砂难度。
（四）钻井参数和钻井液参数的优选
水平井施工中钻井液排量小（28--35l/s），深井中泵压高（18—25MPa），造成导向马达的功率不能正常有效的发挥，也影响正常携砂和井下的净化。
实际施工时应尽可能优选能充分发挥每一部分优势的钻井参数和钻井液参数。
三 阶梯式水平井快速钻进技术
阶梯式水平井的快速钻进在排除了地层可钻性差异后，主要应从以下几个反面考虑：
（一）前期准备
在阶梯式水平井的钻进中，前期准备工作的好坏对快速钻进起着不可忽视的作用。
1、认真阅读和理解设计，掌握施工中所需的各种数据及相关要求，同时多方了解与施工井相关的邻井资料，制定出详细的施工方案。
2、根据制订出的施工方案向施工井队负责人和技术人员交底，主要包括：对井队设备、钻井液性能、测斜仪器使用的要求及施工中的注意事项；可能下井的钻具详细连接组合和钻井参数；需要提前准备好的配合接头。
3、对需要上井的所有仪器和钻具进行全面、细致的检查，对钻具要掌握全部外形尺寸及连接扣型，全部入井工具要有合格证且进行探伤并写出探伤报告。
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4、根据直井段的测斜情况及时对设计井眼轨道做必要的修改，在保证安全中靶的前提下，修改后的井眼轨道要有利于快速钻进。
（二）合理的钻具组合设计
井眼轨迹控制的好坏及是否能够安全快速钻进，取决于所采用的钻具组合能否达到设计要求并适合该井的具体情况，要避免频繁的倒换钻具。通过分析我公司近年来完成的数十口水平井资料，结合TZ406井、YX2P1井和LN61-H1三口阶梯水平井实践，总结了几套适合于常规水平井和阶梯水平井施工的钻具组合（以215.9mm井眼为例）。其共性是：优选钻具，倒装钻具，简化钻具，尽量避免刚度和外径有较大差别的钻具组合在一起，保证正常施工的前提下，用刚度小、外径小的钻具。
1、侧钻钻具组合
钻具结构：215.9mm钻头+165mm螺杆钻具+定向接头+165mm非磁钻铤+165mmMWD短节+158mm钻铤+127mm钻杆
该钻具组合常用于回填导眼后的侧钻井段和第一造斜井段的施工，侧钻成功率高，其平均造斜达10°～12°/30m。
2、简化导向钻具组合
钻具结构：215.9mm钻头+165mm导向马达+165mm非磁钻铤（或127mm非磁抗压缩钻杆）+MWD短节+165mm非磁钻铤（或127mm非磁抗压缩钻杆）+127mm斜坡钻杆+127mm加重钻杆+158mm随钻震击器+127mm加重钻杆+127mm钻杆。
该钻具组合常用于水平井第一靶窗前斜井段的施工，既能实现滑动钻进，又能转盘钻进；通过调整导向马达的角度，变换钻具的不同使用方法实现对井眼轨迹的调整。由于没有欠尺寸稳定器，既有利于钻压的传递，又便于摆放工具面，还可减少井下事故的发生。当井斜角大于40°后使用非磁抗压缩钻杆替代非磁钻铤。
3、导向钻具组合
钻具结构：215.9mm钻头+165mm导向马达+欠尺寸稳定器+127mm非磁抗压缩钻杆+MWD短节+127mm非磁抗压缩钻杆+127mm斜坡钻杆+127mm加重钻杆+158mm随钻震击器 +127mm加重钻杆+127mm钻杆。
该钻具组合，常用来钻进水平井段、调整井段和第二水平井段。通过选择导向马达角度的大小和不同弯曲点位置、调整欠尺寸稳定器外径、改变钻进方式等方法，控制造斜率，控制井斜方位的变化。
综上所述滑动方式钻进常用于方位井斜的调整，转盘方式钻进提高了钻进速度，调整井眼环境。增大转盘方式钻进的比例既能修整井壁减轻轴向摩阻，又能有效地提高钻进速度。简化的钻具结构，既有利于传压，又便于调整钻具工具面，更有利于携砂和井下安全。
导向马达配合MWD无线随钻测量仪跟踪监测，有效地提高了钻井速度和井眼轨迹的控制精度。
（三）摩阻、扭矩和钻具组合的受力分析应用
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根据摩阻、扭矩和钻具组合的受力分析，确定合理的钻具组合结构，有利于钻具、随钻设备的合理使用，有利于钻压的合理储备。
摩阻和扭矩是制约阶梯水平井施工的关键因素，根本的办法是在实际钻井作业中采取措施降低摩阻和扭矩。如：在油基钻井液中增加油水比例，在水基钻井液中使用润滑剂和玻璃微珠以增加钻井液的润滑性。
（四）钻头的优选和使用
采用高效的硬质合金轴承的高速钻头，根据地层情况配合不同的钻头齿形、牙轮部置和保径设计，可大幅度地减少起下钻时间。塔里木地区使用HJ517、HJ517L、HJT517L均取得了理想的效果。
（五）优质合理的钻井液体系
水平井钻井液必须满足水平井对井眼稳定、井底清洁净化、降低摩阻和保护油气层的要求，阶梯水平井由于增加了水平井段和以后的更复杂的井段，钻井液的科学设计和严格管理更加重要。
西部油田现场使用较多，基本能满足水平井发展要求的钻井液体系主要有：正电胶SN-1混油体系，正电胶聚合物体系，阳离子聚合物体系和油基钻井液体系。
（六）精确的井眼轨迹预测
完钻井眼轨迹和设计井眼轨迹总是存在差异的，在实际施工中，由于具体条件的变化（如钻具组合，钻井参数，地层、岩性的变化等），经常造成已完成的井眼轨道偏离设计轨道，因此需要及时地对下部井段进行预测，进行二次剖面设计，选择最佳的施工方案。
近年来，我公司大量的水平井施工和近期的阶梯水平井施工，均应用了我公司“八五”攻关中研制开发的“水平井计算机软件包”和近年开发成功的“DDDC水平井计算机软件”，预测井眼轨迹，指导施工，取得了很好的效果。
（七）有效地消除岩屑床
在钻进到大斜度井段和水平井段时，由于各种原因，岩屑会沉降在下井壁形成岩屑床，可通过改善钻井液的流变性、增大钻井液排量，以较高的钻井液悬浮力，降低钻屑沉降速度；也可以通过使用加长喷嘴钻头以及采用定时间、定井段短程起下钻、分段循环、增加导向转盘钻进等机械的方法，清除岩屑。为清除大斜度井段和水平井段岩屑床提供有力的保证，保证了井眼清洁和钻进安全快速。
（八）阶梯过渡井段的施工是阶梯水平井的关键点，能否顺利施工，必须注意以下几点：增斜段、第一水平段力争实钻井身轨迹与设计井眼轨道相吻合；使用导向钻井系统时尽量减少滑动钻进，增加导向转盘钻进；加强短程起下钻作业；清除、破坏岩屑床。
四 施工举例
下表为我公司完成的三口阶梯水平井的部分数据，均为斜井段部分的统计。篇幅限制，文中只对LN61-H1水平井做详细介绍。
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