一种三维水平井钻井施工方法

摘要

本发明公开了一种三维水平井钻井施工方法，属于石油天然气钻井技术领域。该方法定向斜井段采用四段制，第二段三维增斜变方位井段钻井造斜率、第一段二维增斜井段钻井造斜率、第四段二维增斜井段造斜率均相同，克服了传统施工方法过程中造斜率不断变化，必须经常调整工具造斜率，起下钻次数多的技术缺陷；同时，第二段增斜变方位井段扭方位工具面角始终保持常数，避免了摆工具面耗费的时间和施工工程量。本发明施工方法，钻井和定向施工方便，提高了非均质储层中靶概率，采用传统的钻井工具设备，相同情况可缩短施工时间25％以上，大幅度的提高了施工效率，降低了施工难度，且节约施工费用达到17％以上，大量节约了成本，适于实际生产使用。

说明书

技术领域

本发明属于石油天燃气钻井技术领域，具体涉及一种三维水平井钻井施工方法。

背景技术

在石油天然气技术领域，为了提高储层动用程度，节约井场征地面积、保护环境及 降低钻井成本，有时进行三维井眼轨道钻井施工，在平台丛式水平井部署过程中，为了 提高单井泄油(气)面积，各单井水平段相互平行，这就需要进行三维井眼轨道施工， 施工难度大。而对于像大牛地气田、红河油田和泾河油田这样由河流道沉积形成的油气 田，储层非均质性强，A靶点准确着陆困难，其施工难度更是难上加难。

目前对于非均质储层水平井三维井眼轨道还没有一套比较成功的施工方法，大多是 凭现场钻井工程师的经验，主要表现在几个方面：(1)井眼轨道一般是按照斜面法或圆 柱螺线法设计，工具面角实时在变化，摆工具面耗费了大量时间和精力；(2)工具造斜 率随着井斜角的变化而不断变化，必须经常调整工具造斜率，起下钻次数多、钻井时效 低，易发生井壁失稳；(3)由于储层的非均质性，在着陆过程中“心中无数”，施工过 程中具有盲目性，易导致脱靶；(4)自造斜点定向施工过程中，定向方位一般根据经验 值，给后续三维扭方位造成极大困难。

从华北分公司鄂尔多斯盆地钻井实践来看，目前采用传统的第三代造斜定向工具系 统完成非均质储层水平井三维井眼轨道的施工井深2500m左右，水平井段长600～800m， 大致需要30天以上，施工时间长，施工工程量大；采用第四代定向系统，即旋转导向 钻井系统，施工实现实时监测控制，施工时间短，但是仅此项每日施工耗费20余万元， 成本高，不利于国内油田石油(气)钻井实际使用，而采用第三代定相工具系统，每日 定向日耗费仅为2万元左右，仅为第四代定向系统的约十分之一，因此研究卡开发出一 种采用常规钻井装备。传统定向工具系统的三维水平井钻井施工方法，对我国石油天然 气的开采技术的发展具有重大的意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于常规钻井装备、传统定 向工具系统的三维水平井钻井施工方法，实现安全快速施工、节省施工工程量、提高时 间利用率，并大量节约成本，为后续套管下入、完井压裂和采油提供合格井眼。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种三维水平井钻井施工方法，包括以下操作步骤：

1)直井段钻井；

2)定向斜井段钻井，其施工顺序为：第一段二维增斜井段钻井，第二段三维增斜 变方位井段钻井，第三段二维稳斜井段钻井，第四段二维增斜井段钻井；其中第二段三 维增斜变方位井段钻井造斜率、第一段二维增斜井段钻井造斜率、第四段二维增斜井段 造斜率均相同；第二段增斜变方位井段扭方位工具面角始终保持常数；

3)定向水平段钻井。

所述直井段钻井施工采用的钻头外径尺寸为311.2mm。

所述定向斜井段钻井施工和定向水平段钻井施工采用的钻头外径尺寸为215.9mm。

所述定向斜井段钻井施工过程中每钻进100～150m短起下一次，循环钻井液，直至 返出岩屑含量低于0.2％。

所述定向水平段钻井施工过程中每钻进200～250m短起下一次，循环钻井液，直至 返出岩屑含量低于0.2％。

所述第一段二维增斜段钻井施工时，按照设计的初始井斜方位角和工具面角摆工具 面，控制钻头转速比螺杆转速大45～55r/min，排量为29～31L/s，加钻压2～4吨，钻进1 柱后，增大钻压为14～16吨，直至钻进至二维井眼轨道最大井斜角处停钻，最大井斜角 控制在10～45°之间。

所述第一段二维增斜段钻井施工采用定向滑动钻井与复合钻井相结合的方式。

所述第二段三维增斜变方位井段钻井施工时，按照设计工具面角摆工具面，控制钻 头转速比螺杆转速大35～45r/min，排量为28～30L/s，加钻压14～16吨，钻进至扭方位 结束，扭方位结束时最大井斜角在45～85°之间。

进一步的，所述第二段三维增斜变方位井段施工时，每钻进一根测斜一次。

所述第三段二维稳斜段钻井施工时，控制钻头转速比螺杆转速大50～60r/min，排量 为30～33L/s，加钻压14～16吨。

所述第三段二维稳斜段钻井施工时，根据录井数据实时预测井眼轨道的第一终点的 垂深变化，确定稳斜段段长，进行稳斜段钻井施工。

所述第四段二维增斜段钻井施工时，控制钻头转速比螺杆转速大45～55r/min，排量 为28～30L/s，加钻压6～8吨，直至井眼轨道A靶点处，误差控制在纵偏移0～1米，横 偏移0～10米。

所述A靶点为井眼轨道的水平段起点。

所述直井段钻井的包括以下操作步骤：

1)挖深2.5～3m、直径2～2.5m的圆井，下入一个圆形铁桶，环空封固；

2)进行直井段上部钻井；

3)进行直井段下部钻井。

所述圆形铁桶内径至少比井控装备外径大0.3m。

所述直井段上部钻井施工时，控制钻头转速为90～95r/min，排量为40L/s，加钻压 2～4吨，钻进至一开设计井深，停止钻进，洗井，下表层套管留0.5～1m口袋并进行固 井施工，固井施工结束后侯凝8～13h。

所述一开为直井段上部钻井。

上述洗井为加重水泥维持井壁稳定，循环洗井至无明显颗粒返出。

所述直井段下部钻井施工时，控制钻头转速比螺杆转速大55r/min，排量为 30～35L/s，钻水泥与地层交界面时钻压控制在2～3吨，待钻铤或加重钻杆全部进新地层 后钻压控制在6～8吨，直至造斜点。

进一步，上述直井段下部钻井施工时，每一柱倾斜一次，如果井斜和水平井位移在 设计要求范围内，继续钻井至造斜点，如果井斜和水平井位移不在设计要求范围内，进 行纠斜钻井至造斜点。

所述定向水平段钻井施工为从井眼轨道第一终点进行定向二维水平段钻井施工直 至井眼轨道第二终点，控制钻头转速比螺杆转速大40～45r/min，排量为28～30L/s，加钻 压6～8吨，井眼轨迹狗腿度不超过3°/30m；控制钻井液失水＜5ml，钻井液流性指数 为0.4～0.7，动塑比为0.36～0.55，粘滞系数＜0.06。

上述施工过程中所用的钻具组合为PDC钻头+单弯螺杆+无磁钻铤+随钻测量工具+ 扶正器+钻铤+加重钻杆+普通钻杆。

所述PDC钻头刀翼≥5；扶正器外径较钻头外径至少小3mm；钻杆及加重钻杆新 度为一级及以上。

本发明三维水平井钻井施工方法，定向斜井段采用四段制，第二段三维增斜变方位 井段钻井造斜率、第一段二维增斜井段钻井造斜率、第四段二维增斜井段造斜率均相同， 克服了传统施工方法过程中造斜率不断变化，必须经常调整工具造斜率，起下钻次数多 的技术缺陷；同时，第二段增斜变方位井段扭方位工具面角始终保持常数，避免了摆工 具面耗费的时间和施工工程量。本发明施工方法，钻井和定向施工方便，提高了非均质 储层中靶概率，采用传统的钻井工具设备，可在20天左右完成施工，大幅度的提高了 施工效率，降低了施工难度，可节约施工耗费70～90万元，大量节约了成本，适于实际 生产使用。

本发明三维水平井钻井施工方法，尤其适用于水平段采用Ф81/2″的二级井身结 构三维水平井施工。

附图说明

图1为实施例1井眼轨道的垂直刨面示意图；

图2为实施例1与常规二维水平井机械钻速对比图；

图3为实施例1与常规二维水平井钻井周期对比图；

图4为本实施例1钻井周期分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

本实施例以泾河油田一口非均质储层三维水平井为施工对象，采用ZJ40钻机，无 顶驱，井眼轨道的垂直刨面图如图1所示，其中A靶点为井眼轨道的水平段起点；B 靶点为井眼轨道的结束点，钻具组合为“PDC钻头+单弯螺杆+无磁钻铤+随钻测量工具 +扶正器+钻铤+加重钻杆+普通钻杆”。

本实施例三维水平井施工方法为：具体操作步骤为：

1)校正转盘、天车、井口三者中心点在同一铅垂线上，误差小于5毫米；

2)挖好一个深2.8米，直径3.2米的圆井，下入一个圆形铁桶，环空用水泥混凝土 进行封固；

3)进行一维直井段上部钻井施工，钻头外径尺寸为311.2mm，控制钻头转速为 90～95r/min，排量为40L/s，加钻压2～4吨，钻穿第四系黄土松软层进入成岩地层垂深 100米，井深351.6m，停止钻进并用加重泥浆维持井壁稳定，循环洗井直至振动筛无明 显固相颗粒返出为止，下套管并进行固井施工，固井用水泥泥浆22.1m³，替浆12.9m³， 水泥浆比重平均为1.83，水泥浆返出地面固井施工结束，侯凝13小时，试压合格；

4)进行一维直井段下部钻井施工，钻头外径尺寸为215.9mm，控制钻头转速比螺 杆转速大55r/min，排量为30～35L/s，钻水泥与地层交界面时钻压控制在2～3吨，待钻 铤全部进入新地层后钻压在6～8吨，每一根测斜一次，如果井斜和水平位移在设计要 求范围内，继续钻进至造斜点，如果井斜和水平井位移不在设计要求范围内，进行纠斜 钻进直至造斜点，造斜点处井斜角小于2度，造斜点井深929m；

5)进行定向斜井段的第一段二维增斜井段钻井施工，钻头外径尺寸为215.9mm， 按照初始定向井斜方位角和工具面角摆工具面，工具面角误差在±1度之内，然后锁定 转盘，开钻井泵，控制钻头转速比螺杆转速大45～55r/min，排量为29～31L/s，加钻压 2～4吨，钻井1柱后，增大钻压为14～16吨，采用定向滑动钻井与复合钻井相结合，直 至钻进至二维井眼轨道最大井斜角处停钻，垂深1183.01m，最大井斜角为37.75°。

6)进行定向斜井段的第二段为三维增斜变方位井段钻井施工，首先进行钻井液循 环清除岩屑，停泵后，按照设计工具面角摆工具面，工具面角误差在±1度之内，锁定 转盘滑动钻进，造斜率与第二段二维增斜井段相同，钻头外径尺寸为215.9mm，按照设 计工具面角摆工具面，锁定转盘滑动钻进，控制钻头转速比螺杆转速大35～45r/min，排 量为28～30L/s，加钻压14～16吨，每钻进一个单根停钻通过MWD测量井深、井斜角 和方位角，钻进至扭方位结束，扭方位结束时最大井斜角为65.13°，井深1522m。

7)进行定向斜井段的第三段为二维稳斜井段钻井施工，根据录井数据实时预测A 靶点的垂深变化进行，确定稳斜段段长136m，进行稳斜段施工，施工结束时井深 1658.2m；钻头外径尺寸为215.9mm，控制钻头转速比螺杆转速大50～60r/min，排量为 30～33L/s，加钻压14～16吨。

8)进行定向斜井段的第四段为二维增斜井段钻井施工，钻头外形尺寸为215.9mm， 控制钻头转速比螺杆转速大45～55r/min，排量为28～30L/s，加钻压6～8吨，直至A靶 点；误差控制在纵偏移0～1米，横偏移0～10米，A靶点斜深1845m，井斜90.24°，方 位角358.96°，垂深1476.84m，闭合距596.36m，闭合方位16.38m，横距3.70m，纵 距0.02m，靶心距3.70m。

9)进行二维水平段钻井施工，直至钻进至B靶点，，起钻，钻头外径尺寸为215.9mm， 控制钻头转速比螺杆转速大40～45r/min，排量为28～30L/s，加钻压6～8吨；B靶点斜 深2604m，垂深1466.23m，水平段长750m，井斜89.87°，方位角0°，闭合距1332.93m， 纵距0.72m，横距0.46m，靶心距0.86m；井眼轨迹的狗腿度不超过3°/30m。

实施例1钻井至B靶点整个施工过程耗时21天，如图4所示，而采用传统施工方 法施工的一口钻井深2280m，水平段长550m的三维水平井，施工时间需要28.5天，因 此相比传统的三维水平井钻井方法，本发明方法缩短钻井周期7.5天，提高了钻井施工 效率，钻机日费节约52.5万元，大幅降低了施工成本。

对比2014年径河二维水平井钻井数据，如图2和图3所示，2014年径河油田实施 二维水平井平均井深2160.01m，平均机械钻速8.87m/h，平均钻井周期30.26天，实施 例1在相比二维水平井多进尺443.99m，且三维水平井施工难度较二维水平井更加的情 况下，机械钻速为11.09m/h，提高了25.03％，钻井周期21天，缩短了30.60％。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上 述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发 明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。