周志刚

（中海油服油田生产事业部钻修井作业中心，天津 300459）

对能源需求的增加进一步推动了石油资源开发，石油资源开发地质、地形复杂多样，传统的钻井施工技术应用具有一定局限性，可能会影响甚至限制石油开采工作的正常开展。在石油开采工程进行及发展过程中，水平井钻井提速技术衍生并发展，解决了目前地质地形复杂多样化的问题，同时利用该技术在减少井控难度的同时还实现对油气井流体特征的有效控制，从而保障石油开发工作的顺利开展。在当前大位移水平井钻井提速技术发展中，必须不断进行优化和发展。

1 大位移水平井钻井技术发展现状

提高单井产量的重要技术之一是不断提升水平井技术，以提升油气开采的质量和水平。以加拿大和美国为代表的发达国家在水平井技术的发展方面起源于20世纪中期，但是在其发展初期的时候因技术发展水平有限而一度发展缓慢，经过近半个世纪的发展之后，于20世纪90年代开始大规模应用发展这一技术。在经过十年的应用之后，大位移水平井技术被提出并被应用，但和水平井技术相比难度更大，该技术良好应用于湖泊以及沙漠等地，有效提升其单井产量，给石油开采工程带来较高的经济收益。我国和西方发达国家相比，大位移水平钻井技术发展和起步较晚，虽然经过多年发展但技术水平亟待提高，尤其是技术难点亟待突破。

2 大位移水平井钻井提速技术应用制约因素

2.1 岩质较差，岩石强度高

前面分析指出大位移水平井的应用环境主要是地形复杂的地区，包括湖泊以及沙漠地带，在石油开采过程中由于钻井深度的不断增加，岩质呈现多样化，硬度和密度也不断增加，石油开采的难度增加，钻井开采效率必将下降。以某大气油田深部潜山地层岩石下的石油开采工程为例进行分析，其抗压强度高达172～207MPa，属于典型的极硬地层，石油开采和可钻性极差（可钻性级值＞7），其开采内摩擦角达到40°，地层研磨性极强（研磨性＞5级）。面临这种岩质，进行石油开采难度极大，若采用常规钻井工艺，不仅周期长、钻速慢，而且成本高、效果差。

2.2 井内温度高

在石油开采和钻井深度不断加深的情况下，井下温度会随深度增加而不断提升，面临高温乃至超高温，钻井设备中的塑料及橡胶材料会不断老化，使用寿命大幅下降，影响钻井工作正常开展。某大气油田深部潜山地层大气田地温梯度为3.2～3.5℃/100m，呈现出梯度升高、局部异常高温的特征，高温位置超过150℃。在进行钻井和石油开采过程中，钻井液性能受外界环境影响极大，在高温及超高温下钻井液发生交联以及降解，可能影响其稳定性而发生失效。另外在某些地层的钻井中钻速较低，会导致钻井过程中产生的颗粒较小的岩屑，这些岩屑混入钻井液中影响钻井液的性能。除此之外，钻井液温度受到外界温度的影响可能对钻井设备及工具的密封性产生影响，进而影响破岩效率。

2.3 压持效应

在实际石油开采和钻井工程当中，随开采深度不断增加，钻井的钻头呈现出弯曲化特征，最终可能导致钻井过程中出现斜井，斜井的产生导致钻头无法正常实现加压。尤其是在地形相对复杂及斜度较大的地区，工程施工过程中会引入轻压吊的方法规避钻井井斜的现象，但是这种施工方法会影响钻头钻速。这种效应叫作压持效应，同时压持效应中还会产生一些细小微粒，这些微粒的产生必然也影响了钻井液性能。压持效应的存在也导致原本硬度较高的岩石强度增加，破岩难度也必将进一步提高。

3 大位移水平井钻井提速关键技术研究

3.1 钻头优化

面对当前复杂多样的地层，要求进行快速钻进，钻头在外界各种因素的影响下必然会导致其侧向力大小和方向呈现出不稳定的状态，可能引起钻头失效等各种问题，最终导致施工过程中需要频繁更换钻头以满足工程需求，因此在进行钻头优化过程中需要充分考虑其稳定性和攻击性。

3.1.1 非等圆周分割刀翼的设定

本文针对钻头稳定性优化提出了钻头的非等圆周分割刀翼设计，如图1所示。通过这种钻头设计能够有效解决井底产生的周期性振动问题，从而有效规避钻头回旋工况问题。通过这种设计还能够降低钻井钻头的侧向冲击载荷，提升钻井钻头稳定性。

图1 刀翼设计

3.1.2 切削结构的设定

钻井过程中部分地层存在破碎性较高的特征，从而导致PDC 切削齿出现吃入地层不均的现象，如果钻头中的某一刀翼过深切入地层，但是其他的刀翼吃入较浅，最终会导致钻头因不均反扭发生打滑，本文对其进行优化，如图2所示，PDC钻头设计中采用了较大的锥部圆弧，这样保障了地层和锥部之间具有较大的接触面积，从而有效规避切削齿受冲击过大而过早受损的问题。

图2 载荷示意图

3.2 提速工具

对于钻井设备中的减摩工具、电动机、减扭工具的优选原则而言，一般满足克服地层倾角、钻头高转速、降摩扭的要求，利用提速工具的不断优化最终选择最优钻具组合。

3.2.1 螺杆钻具优选

以某3000m 钻井提速段为例进行分析，作为深底层的代表，建议采用PDC 钻头进行钻进，但是该地层的地层倾角相对较大，超过15°，在井斜控制方面存在一定难度，传统钻井技术中采用改变钻具结构、降钻压吊打等方法实现钻井防斜，但是这种方法会对钻井速度产生一定影响，甚至面对井斜程度较大的情况需要利用相应钻具进行纠斜，钻井提速必然受到限制。对传统的钟摆钻具和塔式钻具进行优化，采用1.25°螺杆钻来有效规避地层倾角的不良影响，同时结合预弯曲动力防斜打快技术，两者协调配合保证钻井速度的同时，保障钻井质量。

3.2.2 水力振荡器

对于石油开采及钻井过程中沟组地层倾角较大的情况，极易出现严重井斜超标问题。而且某些工程当中岩层的岩性相对致密，导致直井稳斜的难度较大。为保障工具面的连续性和稳定性，建议引入水力振荡器，通过水力振荡器的纵向振动影响并提高钻进的有效性，同时还能够降低井眼之间存在的摩擦阻力。在以有螺杆钻具的定向滑动钻进施工为代表的众多钻进模式中，采用水力振荡器能够有效改善钻压传递，如图3所示，有效提升定向钻井的施工效率。

图3 水力振荡器

3.3 井眼轨迹控制

井眼轨迹控制是提高大位移水平井钻井提速的重要方式，基于全井使用 PDC（牙轮）+单弯螺杆+稳定器+MWD 钻具组合复合钻进的原则进行，分界线是中沟组，对于井底的位移和上部的井斜进行有效控制，基于此下部控制地层方位稳斜钻进。

实际的钻井和施工过程中，要保障2.5°以内的中沟组地层控制井斜，同时保障30～35m 的反向位移，对于钻进而言采用稳斜钻井的方式（下部地层控制方位），对于倾角较大的地层，在进行钻井施工过程中可能产生自然增斜问题，一般其倾斜角度超过60°，不能有效控制井斜方位，在这种情况下采用直螺杆“单 2”钟摆钻具，其主要原因是直螺杆“单 1”钟摆钻具在实际的钻井施工中其稳斜效果相对较差，不能满足实际施工需求。采用 PDC（牙轮）钻头单弯螺杆（1.25°）配合 NOV 水力振荡器，滑动钻进中工具面稳定，缓解了定向托压黏卡现象，井斜方位能得到有效控制，根据井斜情况及时调整钻井参数控制井眼轨迹，保证了后期井身质量，加快了钻井速度。

4 结论

对于大位移水平钻井施工而言，进行技术提速十分关键，采用更优的大位移水平井钻井提速技术，能够进一步提升我国油田开采的水平和质量。本文研究指出目前影响限制大位移水平井钻井提速的主要制约因素包括岩质较差、硬度较高，井内温度较高、压持效应等，在进行提取研究及优化当中需要充分考虑各个方面因素，不断发展、完善及优化。未来我国大位移水平井钻井提速将朝着体系完善化及设备优良化的方向发展。