科研项目论证报告-水平井快速安全钻井技术-2

岩屑床影响的情况下，如果扭矩、摩阻得不到改善，采用实测钻井液的摩擦系数的方法来判断判断是否需要加入润滑剂。

根据钻井液的体系及相应的地层情况，选择相应的固体润滑剂和液体润滑剂；并对所加入的润滑剂的效果进行评估。

钻井液要实行四级净化，降低固相含量。同时调整好泥浆性能，控制总的固相含量和摩阻。

由于长水平段水平井井斜大，水平段岩屑携带到48～70°井段，在钻井液润滑不佳的情况下，故形成粘卡的机率很大，同时应采用的措施有：①减少钻具向下的阻力，尽可能减少钻具与井壁的接触面积。用加重钻杆代替钻铤，用无磁抗压缩钻杆代替无磁钻铤，用欠尺寸稳定器代替足尺寸的稳定器，减少下部稳定器数量，降低钻具刚性。②短起下钻，如井斜超过50°开始定期短起下钻。③为了防止粘卡，造斜时，每钻进一段时间要大幅度活动钻具一次。④用18°锥度钻杆打斜井段，防止直台阶钻杆吃入地层而容易形成键槽。

(3)预期达到的技术目标

通过加强小井眼、长水平段井段的钻井液润滑研究，可以使该井的钻井液的润滑性处于一种良好状态；从而避免粘吸卡钻等类似事故的发生，降低了转盘扭矩和起下钻摩阻，提高了井下安全性。

3、水平井井壁稳定技术研究 (1)主要研究内容及技术难点分析

由于小井眼长水平段水平井机械钻速慢、泥页岩地层在钻井液中长期浸泡下，由于水化作用造成岩石强度降低，容易引起井壁不稳定。通过合理调整钻井液性能，降低滤失量，提高滤液的抑制性，防止泥页岩水花。同时合理控制钻井液的密度和粘度，在保证井下安全的情况下，尽量降低钻井液密度和粘度，为充分发挥水力能量，降低井底压差，提高破岩效率创造有利条件。

钻开地层形成井眼以后，井眼周围产生应力集中，若钻井液密度不足以有效地平衡井壁应力，则常常会出现井壁不稳定现象。井壁不稳定分为两种情况：一是钻井液密度过低，即井内钻井液液柱压力过低，井壁发生剪切破坏(坍塌)；另一种是钻井液密度过高，即井内钻井液液柱压力过高，井壁发生张性破坏(压裂地层)。因此，钻井液存在于一个安全窗口，其上限对应于破裂压力，下限对应

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于坍塌应力。

井眼稳定力学研究要解决的主要问题就是确定合理的钻井液密度，该钻井液密度既能保证地层流体不能侵入井内，又能保证井壁地层岩石不因拉伸破坏而发生压裂漏失，还需保证井壁地层岩石不因剪切破坏发生失稳垮塌。对于一口井来讲，就是要确定合理的安全钻井液密度范围(控制范围)。

不考虑岩石水化应力的影响，而仅从岩石的力学作用出发，得出的井眼稳定安全钻井液密度下限(井眼坍塌时的临界钻井液密度)必然偏低，往往导致钻井过程中井壁稳定失败。

泥页岩中一般含有蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物，由于粘土矿物特殊的物理化学性质，当钻井液中水的活度大于地层水的活度时，钻井液中的水将向井壁渗透，使泥页岩吸水膨胀或裂解；反之，则地层水向井内移动，使泥页岩脱水而强度发生改变，两者都不利于井壁稳定。井内钻井液对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁地带岩石应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性质，使岩石强度降低，另一方面则发生水化膨胀，如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀压力，从而改变近井壁的应力分布状态。

该项研究内容可以细分为以下几个部分：①钻井液的抑制性研究，②泥饼质量控制研究，③钻井液密度窗口研究。

(2)拟采取的具体技术方案

在小井眼长水平段水平井水基钻井液类型中，选用钾钙基高密度聚磺钻井液体系来维护水基钻井液体系流变性的稳定。该体系从几方面来增强体系流变性的稳定性。①以控制固相粒子分散度为核心，体系中加入无机盐(CaO、KCl)；②通过钾、钙离子的协同抑制作用，使粘土离子处于适度絮凝的粗分散态，大幅度提高体系的固相容量限和抑制能力；③用CaO除掉沉淀碳酸氢根离子和碳酸根离子等化学污染源。

水平井的稳定性比直井的井眼稳定性更为突出，因而搞好钻井液的抑制性，维持井眼稳定就显得重要。主要从以下几方面做工作：①提高钻井液抗温能力，严格控制高温高压滤失量，改善滤饼质量；②使用防塌处理剂，提高防塌效果；③保持钻井液性能相对稳定，采用合理的钻井液密度。

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密度、抑制和封堵是钻井液防塌技术的三大法宝，往往相互结合共同起作用。其中，钻井液密度是最基本、最重要又是在钻探上最不允许随便调整的参数。因此，设计出合理的安全钻井液密度是防塌钻井液的基本任务。

考虑钻井液的水化作用时，可以将水化应力作为一种附加应力，叠加到井壁的有效应力中去。根据摩尔-库伯剪切准则和张性破裂准则，可以得到新的安全钻井液密。

稳定井壁的工艺技术措施是综合性的，可以采用以下措施：

①使用合适的钻井液密度使井壁保持力学稳定，利用径向支撑压力稳定井壁。

②通过有效封堵和形成致密泥饼的方法来维持这个径向支撑，同时，降低钻井液滤液的侵入。

③利用活度平衡理论，采用反渗透法，降低泥页岩近井壁的含水量和孔隙压力，增加泥页岩强度和有效应力。

④通过抑制性方法，使钻井液中的溶质扩散进入泥页岩，在粘土片中交换并有效降低膨胀压。

⑤使钻井液中的溶质扩散进入泥页岩，与泥页岩组分发生化学反应来增强泥页岩的胶结力。

(3)预期达到的技术目标

通过降低粘土矿物的水化能力，抑制其水化膨胀和水化分散以及采用合理的钻井液密度，进而使井壁处于一种良好的稳定状态；从而避免井下事故的发生，提高井下安全性。

4、水平井钻头优选技术研究 (1)主要研究内容及技术难点分析

钻头在油气钻井中起着很重要的作用，它是形成油气通道的重要工具。钻井实践表明，钻头的使用效果如何，对一口井的钻井速度等效益指标影响很大。而钻头的使用效果又首先取决于钻头类型选择得是否合理，就目前技术而言，钻头选型合理与否主要看地层与钻头是否相互匹配。因为不同的地层，岩性不同，破碎机理也不完全相同，各类钻头是根据破碎不同岩石的需要设计的，因而也就产生了地层与钻头相互匹配的问题。

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按照岩石力学对岩石软硬程度的划分，对应不同岩性的钻头也用相应的软硬程度予以标志。在钻头选型时，通常根据所钻地层岩性，选配软硬程度与之相对应的钻头。这是目前现场普遍采用的定性钻头选型方法。其缺点是当对应地层的钻头类型较多或地层岩性未知时，就很难确定合适的钻头类型。其他的方法包括用已钻井钻头的实际使用效果来衡量。即利用钻头的技术或经济指标：如钻头进尺、钻头寿命、平均机械钻速或钻头单位进尺成本等作为钻头选型的依据。由于钻头指标的优劣往往需现场人员凭借经验判断，而且各钻头使用的钻进参数不同，由此得到的钻头指标缺乏可比性，所以这些方法都是不完善的。

(2)拟采取的具体技术方案

钻井岩石力学特性参数是实现科学钻井的基础数据之一，它反映了岩石在各种外力作用下，从变形到破碎过程中所表现出来的物理力学性质。如岩石的硬度、塑性系数、抗压强度、抗剪强度、研磨性、可钻性级值等。因此，它对钻井工程中的钻头选型、参数优化及技术决策等都具有重要意义。

利用岩石声学测试方法测定岩石力学参数，不需要取心，而且声波测井可取得整个井深剖面的全部岩石力学参数。

钻进过程中所取得的录井资料是钻井资料中的重要组成部分，而钻时录井资料是其中不可缺少的组成部分，蕴含有大量的地层信息，体现着钻进过程的客观规律。钻时录井资料不仅能反映地层岩石特性的变化，而且还能反映钻头的工作状况、地层压力梯度的变化等，对钻时录井资料进行深度有效的处理可以提取更多的地层信息。由于不需要进行特别的现场岩心测试，并可利用实钻数据随时提供必要的数据。因此，可以节省大量的作业时间，提高工作效率，达到事半功倍的效果。

利用某区域已钻井的钻时录井资料及其他钻井资料，可建立区域微可钻性沿井深的变化规律，并针对每口井，根据地层分类和微可钻性系数大小，利用钻头记录数据库，按层段进行钻头分类，同一区块上多口井的数据经处理，可以得到相同层段综合使用成本最低的钻头类型。这种钻头即为对应层段的合理选型。

改进钻头设计，加强钻头合理选型，钻头作为直接破碎岩石的关键工具，对大直径井眼的机械钻速具有至关重要的影响。合理选择和使用与地层相适应，性能优良的钻头也是提高大直径井眼机械钻速的重要途径。目前大尺寸牙轮钻头品

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