小井眼钻井技术

引言1 引言小井眼钻井技术是继水平井之后，在上世纪八十年代后期兴起的又一热点技术。由于小井眼钻井技术具有良好的经济效益和社会效益，各国的钻井承包商和石油公司正对小井眼钻井技术进行进一步的研究和推广应用工作。当前，我国加入WTO，正逐步与世界市场接轨，石油企业失去国家的保障，不可避免的将受到国际石油市场油价的影响和冲击。一方面，我国油气资源丰富但勘探程度低，寻找新储量的勘探任务重，而一些老油田和主力油田相继进入了高含水开发的中后期阶段，产量处于下降趋势。小井眼钻井技术的出现，为新区的勘探提供了一种经济而又方便的勘探手段，同时，小井眼对于老井的侧钻和老井的再钻以及油田区块的滚动开发来说，都不失为一种经济有效的手段。另一方面，我国现今的探明储量中有大量的低渗油田和较小的边际油藏，例如长庆油田发现的许多油田区块的渗透率很低，大庆油田的周边地区也存在这许多的小型的油藏，这些区块以常规钻井开发不能取得预期的经济效益，由于小井眼钻井成本的降低，使得这些地区的开发成为可能，大大的增加了我国石油的可采储量。最后一方面，由于国际油价的竞争而进口的石油品种和数量越来越多，冲击了国内的石油市场，使得我国的石油工业面临着严峻的考验。面对这些挑战，就要求我们以最低的投入获得最高的利润，降低勘探成本，降低开发成本，降低钻井成本，提高探井成功率，提高油气井的产量，提高采收率，这是我们提高竞争力的唯一出路。借鉴国外石油公司在小井眼钻井方面的成功经验，结合我国的具体情况，积极的开展小井眼技术的研究并逐步推广应用，大幅度降低钻井成本，这样才可能使得我国石油工业的勘探开发取得突破性的进展，并在国际市场上具备较强的竞争能力。此外，我国人口众多，土地资源贫乏，钻井占地和环境污染问题日益突出，小井眼钻井无疑会缓解这方面的矛盾。因此小井眼钻井在我国将会有广阔的应用前景。目前我国的小井眼钻井还处在试验阶段，仅是在大庆油田、吉林油田、长庆油田几个地方进行，并没有展开推广应用，制约我国小井眼钻井技术的主要因素是没有与小井眼钻井相配套的专门钻机、钻头、等井下工具以及与小井眼钻井相配套的固井、完井、测井等工艺、工具，进行小井眼钻井往往采用常规钻机或是改装的钻机，这些设备由于与小井眼钻井并不配套，所以并没有收到较好的经济效益。小井眼钻井是一个系统工程，需要钻井、修井、测井、固井、完井、石油设备等一系列的专家进行相关的配套研究，才能收到较好的效果，才能促进我国小井眼钻井的技术进步。一方面石油、石化两大公司应该组织相关的专家进行小井眼钻井的设备及工艺、方法研究。另一方面总公司应从国外进口相应的小井眼钻机、测井、完井、固井等设备，组建一个小井眼钻井勘探公司，进行小井眼钻井作业。同时可以组织相关的专家对设备进行研究，从中获得宝贵的资料信息，借以了解国外小井眼钻井设备的进展，促进我国的小井眼技术发展。 第1页 （共 37 页）小井眼钻井装备与工具2 小井眼钻井装备与工具2.1小井眼钻机小井眼钻机还没有形成配套系列，各国、各钻井承包商、油公司根据自己实际情况，自行设计小型钻机或将现有钻机改造成适用于小井眼钻井的钻机。下面介绍几种国内外小型钻机2.1.1 国外钻机系列1. Longyear Rig系列连续取心钻机Longyear Rig连续取心钻机是由Longyear公司制造。其主要特色是具有液压控制系统，钻杆的旋转及起下钻作业全部由液压控制，它可以保证钻头上的液压均匀、机械钻速平稳。如Longyear Rig PM603型钻机有以下特点：（1）绞车提升能力：833kN。（2）顶部驱动：转速0600r/min；扭矩10.839kNm。（3）钻井泵：2台。1#泵：最大泵压17.23MPa、排量01000L/min；用于正常钻进。 2#泵：最大泵压13.78MPa、排量0200L/min；用于取心钻进。（4）注水泥泵：单独驱动，工作压力41.34MPa、流量0300L/min，具有6m3们循环混合水泥的能力，可满足固井需要。（5）防喷器：三闸板、环形防喷器，通径179.4mm，工作压力34.5MPa。（6）钻深：215.9mm井径，1000m；137.97mm井径，1400m；107.95mm井径，2600m；76.2mm井径，3200m。2.Nabors Rig170钻机Nabors Rig170钻机是由阿莫科公司和Nabors公司联合研制的小井眼钻机。它的主要特点是在钻机上配有数控系统（DCS）和专家井控系统（XWC）。 （1）DCS收集钻机上液压传感器、压力传感器、应变仪、位置传感器、磁性流量仪、热点偶转速仪、钻井液池面高度传感器、温度传感器的数据。DCS系统还包括数据收集计算机和检测器、司钻控制台、司钻检测器、人机联作系统数据控制软件。（2）XWC专家井控系统能够判断是否发生了井涌，是否通知司钻，以便采取合适的措施。如果司钻在预定的时间内没有做出反应，井控专家系统会自动采取净空措施。3.MD系列钻机MD系列钻机是由Swedens Microdrill公司研制。MD系列钻机是采用液压系统上卸扣、驱动、进给、旋转钻具，有些钻机上加装了电动水龙头。MD-1500钻机，可钻井深1500m，钻机重量140kN；MD-1700钻机，可钻井深1700m；MD-2000钻机，可钻井深2000m；MD-800钻机，可钻井深800m。4.Diamec系列钻机Diamec系列钻机是由瑞典一家公司研制的微型小井眼钻机。Diamec-700型钻机：重量50kN，操作高度6.5m，提升能力35kN，钻井井眼直径151152mm，井深700m，地面钻井液系统容积2.25m3井队人员2人。Diamec-1000型钻机：重量50kN，操作高度6.5m，提升能力50kN，钻井井眼直径151152mm，井深1100m。5.W-N Apach钻机图1 W-N Apach钻机总成第3页 （共 37 页）图中： 1-伸缩式井架；2-顶部驱动；3-挡砂滚筒；4-液压动力总成；5-液压油罐；6-半拖车； 7-具有机械安全锁紧的液压水平千斤；8-钻台液压吊车；9-容器平台；10-钻杆(套管)； 11-储存钻铤；12-液压油冷却器；13-鼠洞上的液压卡；14-BOP小车；15-伸缩底座；16-动力大钳；17-值班表 W-N Apach钻机是一种拖车装钻机，法国钻井承包商Forsol采用这种钻机钻小井眼井。这种钻机自动化程度高，由一个19.5m高的桅杆式井架，一个简式操作系统和408kW顶部驱动装置，钻机可钻井深2438m，只需要常规钻井1/3的工作人员，整部钻机及井下设备仅需要15辆卡车便可搬用。2.1.2 国内钻机系列国内钻机系列可分为钻深能力1000m左右钻机和钻深能力大于1200m钻机两大类。1. 钻深能力1000m左右钻机这种类型的钻机没有形成系列，各油田根据自己的实际情况用修井机或车载钻机改造而成。（1） XJ-450钻机是长庆油田用车装修井机改造而成，最大提升能力784kN，转盘扭矩39.2kNm，配备F-500钻井泵，可钻井深1200m。（2） XJ-350钻机是长庆油田用车装修井机改造而成，最大提升能力670kN，转盘扭矩39.2kNm，配备F-500钻井泵，可钻井深1000m。（3） TB50钻机是长庆油田用车装钻机改造而成，最大提升能力490kN，转盘扭矩28.3kNm，配备NB-350钻井泵，可钻井深800m。（4） K61钻机是吉林油田机械厂制造的车载小井眼钻机，最大提升能力300kN，配3NC350钻井泵，可钻井深700m。2.钻深能力大于1200m钻机系列国内能够制造小型钻机的厂家比较多，其中宝鸡石油机械厂、南阳石油机械厂、第四石油机械厂生产的ZJ系列小型钻机种类比较齐全，这些小型钻机可以用于小井眼钻井。1） 宝鸡石油机械厂钻机系列宝鸡石油机械厂生产的小型钻机结构形式以传统的模块式为主，开发了电动钻机和使用于丛式井组钻井的钻机（底座带轨道），见表1。表1 宝鸡石油机械厂ZJ型小钻机基本性能参数钻机型号最大钩载（kN）钻井泵型号及参数转盘转速（r/min）钻井深度（m）（114mm/88.9mm钻杆备注ZJ15/585585F-500 1台29.62871000/1260ZJ15/900900NB1-350 2台排量24.8L/s泵压12.7MPa622761500/1930ZJ15/900DB-1900F-1000 1台1500/1930电动钻机，绞车无级变速ZJ20/1350ZDB1350F-1300 1台01361362772000/2500电动钻机，绞车无级变速ZJ20/1350Z1350F-800 2台2000/2500车载钻机ZJ30/1700B1700F-1300 1台3000/3850底座带轨道ZJ30/1700DZ1700F-1300 1台01361362773000/3850电动钻机，绞车无级变速ZJ30/1700JD1700F-1300 1台3000/3850电动钻机，绞车四正一倒ZJ30/17001700F-800 2台3000/3850 2）南阳石油机械厂小井眼钻机系列南阳石油机械厂生产车载式和橇装模块式轻型钻机，这两种系列的钻机共同特点是结构紧凑，占地面积小，特别适应小井眼钻井。（1）车载轻型钻机（表2）的特点：整机布置结构紧凑，装有绞车、井架、液压绞车、柴油机、液力变速箱、辅助刹车、角（并）传动箱、转盘传动箱、液气控制系统，集装化程度高，占地面积小。底盘为重载86、108、128、148常驱动自走底盘，采用动力转向系统，钻机的通过性，越野性好。井架为前开口、双节套装，液压起放及伸缩。车装钻机及配套部件集装化程度高，占地面积小。第5页 （共 37 页）表2 南阳石油机械厂ZJ型车载钻机系列序号产品型号ZJ10ZJ15ZJ20ZJ301结构型式自走式2钻井深度（127/88.9）（m）1000/15001500/23002000/30003000/45003最大钩载（kN）9001125158018004发动机型号CAT3406BCAT3408BDITACAT3412BDITACAT3408BDITA25发动机功率（kW）268.539448539426传动型式液力+机械7转盘型号ZP175ZP175ZP175ZP2058移动时外形尺寸（mm）16.72.84.318.82.84.320.52.84.4522.52.854.459钻井泵型号F500F800F1000F100010柴油机（配钻井泵）12V183TE32(407kW)CAT3412(530kW)CAT3412(735kW)CAT3412(735kW)第7页 （共 37 页）（2） 橇装模块式轻型钻机（表3）的特点：表3 南阳石油机械厂ZJ型橇装模块式钻机系列序号产品型号ZJ10ZJ20ZJ301结构形式橇装模块式2钻井深度（127/88.9）（m）1000/15002000/30003000/45003最大钩载（kN）6751200/15801800/22504发动机型号CAT3406BCAT3408DITACAT3412DITACAT3408BDITA25发动机功率（kW）268.5394+48539426转盘型号ZP175ZP175ZP2057钻井泵型号F500F800F10008钻井泵柴油机12V183TE32(407kW)CAT3412(530kW)CAT3412(735kW)9搬迁车次91212141820 主机橇由绞车、井架、液压绞车、柴油机（或电动机）、液力变速箱、辅助刹车、角（并）传动箱、转盘传动箱、液、气控系统组成。转盘传动箱可实现正、倒挡，可适应各种钻杆螺纹的旋转作业；配备反扭矩释放装置，保证钻井过程钻杆变形能安全释放。 井架采用、前开口无绷绳、双节或三节伸缩形式，机械起放、伸缩形式，也可采用液压缸起放、伸缩。整机运输方便，搬迁车次少，拆装准备时间短。钻机集装化程度高，每班只需56人操作，占地面积小。3） 第四石油机械厂小井眼钻机系列第四石油机械厂生产的车装钻机（表4）是一种自走式轻型钻机，采用自走底盘、形伸缩井架，具有越野性好，移运方便等特点。车载柴油机输出动力，双发动机并车作业，适用于3000m以内的中浅井作业。动力传动系统采用ALLISON液力传动箱，传动平稳。发动机油门、换挡采用远程气控装置。表4 第四石油机械厂车装钻机系列型号钻井深度(m)（114/88.9钻杆）井架高度（m）最大载荷（kN）最大钻柱重力（kN）移运底盘ZJ07700/90012.8226.8二类底盘/64ZJ202000/2500351350705自走底盘/128ZJ303000/360036800882自走底盘/1482.2小井眼钻井工具2.2.1 钻头 1. 国外小井眼钻头 （1）Bakar Hughes公司研制的小直径钻头是改进的碳化物合金镶齿（TCI）牙轮钻头，具有较厚的锥形外壳和直径较小的牙轮轴，适应转速200r/min的98.5mm牙轮钻头，钻头长度由常规的146mm减小到121mm，增强了侧钻能力，寿命提高了30%40%。 （2）克里斯坦森和DBS公司研制的小尺寸PDC（聚晶金刚石）、TSD（热稳定聚晶金刚石）、天然金刚石钻头具有抗偏转、适应高转速特点。在深层、中硬地层钻井及扩眼效果比较好。穹形设计在耐磨结构上更紧凑，更适用于钻较硬岩石。 （3）阿莫科公司开发出了避免小型聚晶金刚石（PDC）过早损坏的抗涡旋钻头，具有较强的穿透能力，钻速高。 （4）美国Maurer工程公司研制的混合型PDC/TSD高效钻头特别是用于钻软硬交错地层。其结构特点是：PDC切削齿置于齿前排上，以高速度钻软地层；而TSD切削齿置于PDC切削齿的后排上，用于钻易损坏PDC切削齿的硬夹层。 （5）在连续取心作业中，10003000m的井，59%使用金刚石取心钻头。2.国内小井眼钻头国内许多专业钻头厂、各油田科研单位及石油院校都在进行小井眼钻头研究与开发。以江钻股份有限公司、成都钻头厂为代表的牙轮钻头专业生产厂家，小井眼钻头规格多，品种齐全，最小钻头直径117.5mm。以四川川石克锐达金刚石钻头专业生产厂家，小井眼金刚石钻头自成系列，不仅品种多而且规格齐全。大港中成机械制造有限公司为代表的油田生产厂家也开发小井眼金刚石钻头，及具有特殊用途的双心扩眼钻头。石油院校可以针对地层设计具有个性化的钻头及新型钻头，如西南石油学院研究设计的单牙轮钻头，石油大学可以针对特殊地层设计具有个性化的PDC钻头。1） 小井眼三牙轮钻头系列江钻股份有限公司小直径钻头系列比较齐全，牙轮钻头直径有149.2mm、152.4mm、155.6mm、165.21mm四种规格。成都钻头厂主要牙轮钻头生产的小直径牙轮钻头有Y系列和SH系列钻头。Y系列钻头为滚动轴承，有三种系列；SH系列钻头为滑动密封轴承保径，有四种系列。2） 以四川川石克锐达金刚石钻头有限公司、大港中成机械制造有限公司为代表，生产天然金刚石、聚晶金刚石（PDC）、热稳定聚晶金刚石（TSD）钻头。四川川石克锐达金刚石钻头有限公司专门针对小井眼研发的星系列（STR）金刚石钻头，有14个规格37种钻头。3） 特殊用途的双心扩眼钻头双心钻头可用于特殊钻井作业，如定向井专用定向造斜钻头；为了保证固井质量，对钻成的小井眼扩眼，或者用于开窗侧钻，能够获得较大直径的井眼。第9页 （共 37 页）小井眼钻井技术4） 新型钻头（1） 单牙轮钻头：由于小直径三牙轮钻头尺寸小、强度低，不能加较大的钻压来提高破岩效率。西南石油学院研制了单牙轮钻头，并在辽河油田和塔里木油田现场应用。单牙轮钻头直径在108152.4mm，使用与泥岩、砂岩、泥页岩、软花岗岩等岩石钻进。机械钻速比相同直径三牙轮钻头提高30%，单只钻头进尺比同尺寸三牙轮钻头提高20%。小直径单牙轮钻头之所以比同尺寸三牙轮钻头钻速高、可靠性高、寿命长，其主要原因是单牙轮钻头牙轮轴及轴承尺寸大于三牙轮钻头，钻头的强度、密封性能大大提高；牙轮尺寸比三牙轮大，使得切削齿增大，提高了钻头的破岩效率。（2） 个性化PDC转头设计： PDC钻头的特点是能够适应高转速、低钻压，具有提高机械钻速，防井斜的特点。但是应用PDC钻头抗冲击能力差，要求地层岩性要均匀，如果有；硬夹层很容易崩齿，使钻头早期失效。因此，必须根据现场情况对PDC钻头进行个性化设计。1999-2000年长庆油田与石油大学（北京）合作，针对安塞地区地层特点，进行了PDC钻头攻关研究，研制出了BM425系列PDC钻头。2.2.2 小井眼定向井钻井螺杆钻具及测量仪器1.螺杆钻具国内外螺杆钻具的生产技术都已成熟，国内生产螺杆钻具的厂家比较多，以北京石油机械厂为代表的小尺寸螺杆钻具参数见表5。螺杆钻具有各种特点，直条、螺旋、对称、非对称等不同形式的稳定器，使导向钻具具有较高的造斜率；单弯、双弯、三弯以及小偏移距、大偏移距等形式多样的弯表5 小尺寸螺杆钻具钻具型号马达流量范围（L/s）马达压降（Mpa）额定扭矩（Nm）最大扭矩（Nm）推荐钻压（kN）功率（kW）5LZ607.01.263.132.516028052.356.035LZ737.01.265.053.5275480123.513.825LZ897.0274.1560980185.619.355LZ957.04.7311.043.271012402110.423.79C5LZ957.0513.336.5149023845521.859.3角组合；使导向螺杆钻具能适用于各种不同的钻具组合；部分型号导向螺杆钻具可配置地面可调弯壳体和可换式稳定器，方便螺杆钻具的选型和使用。2.小井眼定向钻井测量仪器定向钻井的测量仪器有四大类：磁性单、多点测斜仪；电子单、多点测斜仪；有线随钻测量仪；无线随钻测量仪（MWD）。用于常规井眼的仪器规格45mm。随着小井眼钻井、开窗侧钻定向井、水平井钻井技术的不断发展，已开发出了适应于小井眼的有线随钻测量仪、无线随钻测量仪（MWD）。2.3小井眼井控设备华北油田机械厂开发的FZ系列和FH系列轻型井控设备主要用于小井眼钻井、开窗侧钻等作业。FZ系列有单闸板、双闸板、三闸板，采用长圆形闸板，结果紧凑，质量轻。结构形式分为：手动和液动。上下连接方式为：双法兰、上栽丝下法兰、上下栽丝式三种。FH系列从标准通径一直封到零，而且可封任何形状。结构形式有：筒状胶芯欢心防喷器、球形胶芯环形防喷器、锥形胶芯环形防喷器、组合胶芯环形防喷器四种，见表6。表6 小井眼防喷器型号通径（mm）工作压力（MPa）强度试压（MPa）闸板防喷器SFZ18-14179.51428SFZ18-21179.52142环形防喷器FH12-141251428FH12-211252142FH18-35179.535702.4 小井眼井下测量仪器2.4.1 小井眼测井工具以Schlumberger油田服务公司为代表开发的小井眼测井工具包括电阻率测量、核测量和声波测量小井眼测井工具。第10页 （共 37 页）小井眼钻井技术电阻率测量工具包括双侧向测井工具(MDLT)、小井眼微电阻率探头(SRMS)和感应电阻串工具(IRT)。MDLT工具可提供深的和浅的侧向测井曲线，SRMS探头可测量微电阻率，IRT工具可提供感应电阻率曲线、16in短正常曲线和自然电位(SP)。小井眼核测量工具包括地层伽马工具(FGT)、基岩密度工具(HLDT)和储层饱和度工具(RST)。PGT和HLDT工具可测量补偿体积密度、密度补偿值和井径。RST工具可穿过油管或套管进行地层评价。声波测量的小井眼工具包括声波测井工具(SLT)和两个检波器组合。2.4.2 小井眼测试工具Schlumberger油田服务公司开发的小井眼测试工具包括地层压力测量、地层流体采样和中途测试。该工具的外径为3 3/8 in，可用于4 1/88 in井中的有线地层测试。该公司开发的2 1/2 in机械式小井眼测试系统(MSTS)可用于34 1/2 in的裸眼或套管井中进行中途测试，通过膨胀跨隔式封隔器可以在一次起下作业时进行多个层位的测试。2.4.3 小井眼MWD工具英国Geolink有限公司开发的73mm Ultra-Life随钻测量系统可安装在带有接头的钻杆或连续油管上，用于小井眼重入钻井中的测井作业。该系统与外径较小的定向钻井装置匹配，在侧钻作业时，不必切割和起出套管与衬管，无论是使用带有接头的钻杆还是使用连续油管进行侧钻作业，采用这种新型随钻测量系统均可节省40的钻井费用。该系统采用模块化结构和传感器，耗电少，采用专利螺纹结构，工具长度短，可在现场维修，便于对井底动力钻具进行灵活设计，能满足短半径钻井及小井眼常规钻井的技术要求。Union Pacific Resources和Anadrill/Schlumberger开发的可回收带伽玛的小井眼MWD系统可在内径2.19in、外径3 1/2 in的钻杆中运行，适用4 3/412 1/4 in井眼中，并可在连续油管中应用。Anadrill公司开发了Sliml MWD，利用泥浆正脉冲遥测技术将信息实时传输到地面。Sperry-Sun开发了一套三轴MWD振动传感器以监测对BHA的井下振动和判断井下钻柱的动态。三轴加速度仪可测量横向、轴向和纵向振动，同时可用于测量钻头旋转、跳动等，然后进行一些校正以改善钻井效率和钻头寿命，从而减少BHA的机械失效。法国的一家公司Ceoservices SA开发了一套新的E.M.MWD系统，它是利用电磁波来传输信号。该工具包括二个部分：上部被称之为发射体短节，大约长ll.5ft；下部是承载钻铤或工具载体，长度大约为19.7ft，用来承载MWD(被称之为运载工具)的活动部件，并具有无线的作用，运载工具包括电路和传感器。第12页 （共 37 页）3小井眼钻井液技术小井眼钻井不同于常规井，主要是井眼小、环空间隙小、摩阻大、压力损失大、剪切速率大、井壁冲刷严重、激动压力大、易发生井下事故。针对小井眼钻井的特点，要求钻井液具有良好的剪切稀释特性、润滑性好、摩阻低、井壁稳定性好。3.1国内外在小井眼钻井液方面的研究1小井眼钻井对钻井液性能的要求由于小井眼井井径小，环空间隙小，压力损失大，对钻井液性能要求比较特殊。其要求如下：（1）低固相。在连续取心时，钻杆转速高，钻井液中的固体颗粒在离心力作用下被抛向并贴附在钻杆内壁上和井壁上。由于内筒及其中的岩心是用钢丝绳通过钻杆取出来的，固体颗粒在钻杆内壁的聚结要影响内筒的取出。而贴附在井壁上的固体颗粒会减小环空间隙，增大摩阻。为了消除这些影响，钻井液基本上是无固相的。这一要求还排除了使用普通非溶解性加重材料（重晶石或赤铁矿粉）来增大钻井液密度的可能性。（2）低粘度。由于环空间隙小，环空流速高，就井眼清洁而言，使用高粘度钻井液是没有必要的。使用高粘度钻井液还会导致过大的环空压力损耗和当量循环密度。（3）强抑制性。对水敏性泥页岩，钻井液应具有很强的抑制性以免井壁失稳。（4）低失水。为避免井壁钻井液增厚和压差卡钻，钻井液必须具有很低的失水量。（5）有利于岩心分析。钻井液不影响岩心分析，因此，一般优先选择水基钻井液。（6）对环境无害。（7）具有好的润滑性和剪切稀释性。2小井眼钻井对水力参数提出的主要要求（1）确保钻屑在环空中有效输送，即确保环空钻井液流速剖面尽可能均匀和环空钻井液平均流速大于钻屑沉降速度。（2）确保井壁稳定，要求：环空钻井液具有小的速度梯度，以最大限度地减小靠近井壁的剪切应力；环空压力低于地层破裂压力；钻井液与地层之间无化学反应；确保钻头最佳使用效果，为此需要确定冷却钻头和避免钻头泥包所需的最小排量。要成功地钻小井眼井，就必须同时满足上述要求。在小井眼钻井中，钻杆的高速旋转会引起一些新的水力效应，库艾特效应（与钻屑和钻井液中的固体颗粒的螺旋轨迹有关）和新月形效应（与钻杆在井眼中的偏心程度有关），还会影响水动力润滑能力。因此，为满足上述要求，需建立一个准确的钻井液流变模型。在常规钻井作业和小井眼作业中使用的许多钻井液都不严格遵循宾汉模型和幂律模型，而是介于两者之间，即三参数流变模型：式中 剪切应力，N/m2； 屈服应力，N/m2； K稠度系数； 剪切速率，s-1； n流变指数，无量纲。3.2小井眼钻井液体系国外小井眼钻井用于连续取心的较多，通常要求钻井液低固相、低粘度、强抑制性、低失水。1987年Amoco公司在俄克拉荷马州Cattoosa附近钻了一系列小井眼井和连续取心井，使用了阳离子聚合物/盐水钻井液作连续取心液，即CBF钻井液，取得了良好的效果。现在CBF钻井液已全面用于小井眼钻井作业。Amoco公司随后又研制出一种适合小井眼钻井液的加重材料：一种颜料级重晶石，降低高速旋转固相含量在钻杆壁上沉积现象。同年Shell公司开始研究小井眼技术，研制出甲酸盐盐水钻井液体系，因此钻井液体系成功地完成井深达5000m的小井眼探井和开发井。该体系易于维护，对金属无腐蚀，耐高温可达170。1992年Shell公司对甲酸盐复配的钻井液进行了现场实验。1991年Total公司在加蓬小井眼探井Nyanyoul连续取心阶第14页 （共 37 页）段用K2CO3/乙二醇制成的水基钻井液满足了小井眼钻井和取心的要求。BP公司也研制出一种SH7X钻井液。它们都具有良好的润滑性和页岩抑制性。1993年Elf公司在巴黎钻了两口超小井眼井（钻头4 1/2in）LTR1、LTR2，分别采用水解聚丙烯酰胺和表7 国内一些油田钻小井眼井使用的钻井液的组成与配方井况区块特点钻井液体系配方深井尾管中原文72块防卡漏抗高温相对密度大3%QS-2（超细CaCO3）+1.5%FL+1.2%SMP（液体）+0.5%LV-CMC+2.5%腐殖酸钾+2%C-8501深井尾管胜利坨71块高相对密度淡水+5%6%膨润土+2%3%无荧光防塌剂+3%4%正电胶（浓度13%）+0.5%1%PHP+1%NH4-NPAN老井侧钻水平井辽河稳定井壁防粘卡漏XC生物聚合物钻井液+氧化沥青+固体润滑剂老井开窗侧钻中原防卡漏4%膨润土基浆+0.3%MMH+2%SDX+1.5%SMP+0.5C9501+1%LFT-重晶石粉短半径水平井大庆低固相CBF钻井液低产井松南GSP-KHm聚合物泥浆体系，钻开油气层前转化为PKZ-型完井液实现屏蔽暂堵，主要处理剂为K-PANNH4-PANGSPRH65和891低产井吉林小阳离子聚合物钻井液侧钻小井眼水平井大港官3断块完井段：基浆+1%200目CaCO3+2%QS-2+2%3%D单向暂堵剂+3%EP-1深井尾管塔里木抗高温KCL HTPloyard钻井液体系：KCL+XCD+X-CID207+KLAGARD老井开窗华北钾胺基聚合物钻井液。4%膨润土+0.2%KPAM+0.5%NPAN+0.2%XY-27+1%ZFJ+2%RT9501浅油层小井眼丛式井长庆稳定井壁防粘卡无固相和低固相钻井液。无固相体系:水+0.1%0.2%PHP或KPAM+0.30.5%CSJ-1+提粘剂；低固相体系：2%4%膨润土+0.3PAC141+0.5%1.0%FL-1+0.3%CSJ-1+润滑剂等。PHPA钻井液。1996年HS能源公司在Deven-Julesburg Basin，Colorodo小井眼钻井中，用2%或稍多于2%KCL与聚合物、降失水剂配置的水基钻井液，该钻井液具有易剪切、高切力、低粘度（3040mPas）。Forasol公司在罗马尼亚三口探井使用KCL/PHPA钻井液，证明对确保优质的井眼条件非常有效的，钾含量保持30000mg/L以上，饱和盐水钻井液被用来钻盐层。同年法国Francais DU Petrole研究所与Fina Chemicals共同研制出一种生物降解脂基润滑剂，减少延伸井和小井眼井扭矩过大及压差卡钻风险。各油田使用的钻井液体系主要有：正电胶钻井液、小阳离子聚合物钻井液、钙基钻井液、CBF钻井液、XC生物聚合物钻井液、强抑制性聚合物钻井液。国内一些油田使用的钻井液的组成与配方如表7。3.2.1 钻井液设计的依据从概念上说，理想的小井眼钻井液应该由低粘度、无固相、高密度盐水组成，加入尽可能少的热稳定聚合物添加剂，但需要保证井下所要求的井眼清洁和滤失控制性能。这样的盐水应对使用者无危险，能与钻井设备和钻井液其他组分相容，并且不污染环境。就后者而言，要求是水溶性的，对陆生或水生有机物影响很小，这样不会造成生物聚集和容易被生物降解。为了便于维护和控制，要求加入的任何聚合物和添加剂都是单一功能的，能承受与盐水相同的影响，并且匹配性和环境限制因素与盐水相同。最后，由于认识到单用失水控制聚合物可能不能封堵高渗地层，盐水体系可能需要加入少量有用的颗粒（如白垩岩粉粗晶纤维素）形成有效的泥饼。所以，小井眼钻井液体系应具有以下特点：a由于钻井液中固体颗粒在钻杆内部有离心作用，要求钻井液中固体颗粒尽量少；b为了降低小井眼中压力降，钻井液流变性应较低；c具有密度达到1.5左右的可能性。d对水敏性页岩具有井壁稳定性；e对环境污染少；f具有最小旋转摩擦系数，以增大钻头上可用扭矩。3.2.2 盐水的选择和性能壳牌石油公司的研究人员发现，碱金属甲酸盐溶液具有独特的综合性能，能满足第16页 （共 37 页）小井眼深井钻井盐水钻井液的性能要求。甲酸钾和甲酸钠的密度与氯化钠的差不多，但它们在水中的溶解度比氯化钠高得多，能配置低粘度的弱碱性盐水溶液，密度可能达到1.6g/mL。使用甲酸铯可以使盐水溶液密度高达2.3g/mL，因此，能在不加入任何固相加重剂的情况下，满足盐水基钻井液的密度要求。试验结果也证明，甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯可以生物降解，对水生有机物毒性很低。对于甲酸盐水溶液呈弱碱性，对油田用铁基金属管线和设备的腐蚀很小。用饱和甲酸盐水溶液对AISI4145钢进行室内电化学腐蚀试验结果表明，在75搅动充气环境中，其腐蚀速度小于1mm/a，没有出现应力腐蚀。甲酸盐最突出的优点是降低钻井液中增粘剂和降失水剂在高温下水解和氧化降解的速度。3.2.3 增粘剂的选择和性能生物胶是一种微生物多聚糖，广泛地用作水基钻井液增粘剂，因此，小井眼钻井液也首先考虑选用生物胶。它是一种水溶性聚合物，能为钻井液提供剪切稀释流变性能。加入生物胶的钻井液具有稳定的假塑性流体特性，能有效地清洗井眼，同时能尽可能降低钻柱和环空压力损耗。生物胶具有较高的弹性模量，这是低剪切速率或禁止状态下悬浮岩屑所必须的。另外，生物胶钻井液比膨润土钻井液产生的立管压力低，可降低井中的沿程压力损失。以前的研究表明高密度甲酸钠盐有助于生物胶处于比较稳定状态，阻止生物胶高温水解和氧化过程。很明显，溶液中的甲酸盐浓度与生物胶热稳定性之间存在一定的关系，因此，用溶解度更高的甲酸盐进一步进行了热滚动试验，发现：a热滚动试验可以测定生物胶高温下的热稳定性，但无法知道在井底温度和压力下聚合物的流变性。b生物胶在甲酸钾溶液中只有很小的热稀释性，在高达175温度下还能保持优良的流动性能，而相同温度下，生物胶在甲酸钠溶液中表现出很严重的热稀释。3.2.4 降失水剂的选择甲酸盐水钻井液采用两种成分的组合降失水剂，在保持有效的高温性能的同时，尽量减小增粘作用。7.6g/L（2磅/桶）超低粘度聚阴离子纤维素聚合物和7.6g/L（2磅/桶）烷基丙稀酸盐AMPS（2丙烯酰胺2甲基丙烷磺酸）聚合物，能获得最佳的性能平衡，加入79.1g/L的磺酸钙颗粒（直径10m）能进一步提高高温性能。在高温高压滤失试验中产生韧而薄的泥饼，厚度小于0.5mm。第18页 （共 37 页）4小井眼钻井工艺技术4.1小井眼直井钻井工艺4.1.1 井身结构国外公司采用的典型小井眼井身结构如表8。表8 国外小井眼钻井技术发达国家典型小井眼井身机构BP公司1000m井常规井小井眼井井眼尺寸/mm套管尺寸/mm井眼尺寸/mm套管尺寸/mm444.5311.1215.9339.7244.5139.7158.8120.685.9139.798.073.9Amoco公司2400m井常规井小井眼井井眼尺寸/mm套管尺寸/mm井眼尺寸/mm套管尺寸/mm444.5311.1215.9339.7142.9114.3钻杆215.9152.4111.1177.7127.O93.9Nabors公司3000m小井眼井Texaco公司3000m小井眼井井眼尺寸/mm套管尺寸/mm井眼尺寸/mm套管尺寸/mm311.1209.6155.6104.8244.5177.8127.093.9钻杆311.1215.9139.7103.277.O244.5177.8127.093.969.94.1.2 钻井参数钻压：选择钻井参数既要考虑提高机械钻速，又要兼顾防斜打直。参考钻头厂家推荐的钻压值为0.351.05kN/mm，152mm钻头一般加钻压100160kN。转速：浅井（井深小于1000m）转速一般控制在60110r/min，深井控制在6085r/min。4.1.3 水力参数浅井选用的钻机功率有限，不能进行高压喷射钻井，因此，水力参数只要能够满足清洁井眼即可。对于深井小井眼，可以考虑高压喷射钻井，以提高机械钻速。水力参数可根据机泵功率条件、循环压力损耗确定。4.1.4 钻头选型及使用根据钻头选型原则，直井钻井主要以提高机械钻速为主，因此，要按照钻头结构特点与不同地区的岩性特点相结合来选择钻头。长庆油田通过在安塞地区及苏里格地区钻井实践，优选出了适应于这两个地区的钻头类型。安塞地区浅油层钻井选用XHP2、XHP3、SH22R比较号。单只钻头进尺达到443m，纯钻时4050h，价格比较便宜。苏里格地区井比较深，地层相对比较硬，上部地层选用HA517G系列钻头，下部选用HA537G系列钻头比较好（表9）。表9 苏里格地区钻头使用情况地层钻头型号平均纯钻时（h）钻井参数水力参数安定、直罗、延安、延长、纸坊、和尚沟、刘家沟组HA517GHA527G6070钻压：140160kN转速：56r/min泵压：1620MPa排量：18L/s石千峰、石盒子、山西组HA537G83112钻压：140160kN转速：56r/min泵压：1620MPa排量：18L/s4.1.5 复合钻井转盘+螺杆钻具的复合钻井用于直井钻井可以提高机械钻速，这在常规井眼钻井已得到证明。但是，在小井眼钻井中应用要特别注意，如果应用不当，机械钻速有可能比常规的钻具结构钻井还要低。如长庆油田在苏39-20井应用转盘+螺杆钻具的复第20页 （共 37 页）合钻井，由于泵排量过低，螺杆转速没有达到额定转速，而且由于泵压过低，高压喷射钻井的优势未能发挥，结果钻头破岩效率大打折扣，机械钻速只有5.39m/h，反而没有常规转盘钻井的钻速高。4.2小井眼水平井钻井系统4.2.1 小井眼水平井钻井系统SlimDril公司已研制出一套低成本小井眼水平钻井系统(如图2)，包括：(a)钻头。带有保径齿和天然金刚石基体的侧钻用钻头，用于直井初始造斜，造斜完毕使用天然金刚石或热稳定聚晶金刚石(TSD)基体的HT-1钻头钻水平井，钻速为2030ft/h；(b)容积式液压马达。一种专门用于小井眼水平井的高性能马达输出功率是常规小井眼马达的2倍，可提高使用寿命和机械钻速；(c)钻柱。由于该钻井系统采用高速马达(400800r/min)配合TSD钻头，可以使用光钻杆，而不必使用昂贵的抗压钻杆；此外还包括定向循环接头、地面记录陀螺、导向或随钻工具，蒙乃尔钻铤、旁通接头。图3为小井眼水平侧钻钻头图2 小井眼水平钻井系统 图3 小井眼水平侧钻钻头4.2.2 小井眼定向钻井导向工具可用于钻小井眼水平井的定向钻井导向系统包括导向马达、MWD和稳定器，利用该系统可在造斜段和直井段不需要起下钻的情况下控制钻头轨迹。该系统有两种类型来进行导向钻进，一是定向组合，二是转盘。在定向钻井情况下，钻柱不旋转，钻头通过井下马达来驱动。现在主要使用的导向系统是带有弯外壳的螺杆钻具和带稳定器的马达，见图4。图4 小井眼导向钻井系统4.3典型小井眼钻井系统目前，发展和采用的小井眼系统有三种基本形式，如图5所示。图5 小井眼钻井系统这些小井眼钻井系统的主要优点是采用小型钻机和高转速钻进，并减少了套管费用，所以，钻井成本仅为现用常规钻井系统的3060。然而，这几种小井眼钻井系统都有各自的优缺点。4.3.1 转盘钻进旋转取心小井眼钻井系统首先是由Microdrill公司发展的。该钻井系统采用小直径钻柱，在高转速下旋转金刚石钻头，钻速一般可达到6.1m /h。可在50.8mm(2in)井眼内取心并进行钻柱测试， 如果该层有生产能力，然后扩眼到0.33mm(2 3/8in),下套管（外径为54.1mm）进行酸化，并安装有杆泵生产。第22页 （共 37 页）该公司采用这种钻井系统钻了207口50.8mm(2in)的小井眼井，井深从200到2438m不等。这些小井眼井减少了75的钻井成本。Tri-State油井服务公司采用这种钻井系统来加深20口小井眼气井。他们在原200.03mm(7 7/8in)井眼固114.3mm。(4 1/2in)生产套管内，采用85.73mm(3in)钻头加深钻井，如图6所示。图6 Tri-state 公司小井眼加深钻井技术这些小井眼是采用空气钻井加深并进行测井，然后下73.03mm(2 3/8in)生产油管当套管，并固井到井口。这些小井眼加深钻井最终在费用方面节约5560。4.3.2 井下马达钻井系统小井眼国际钻井公司等是最早采用小型井下马达38.1mm(1 1/2in)85.73mm(3 3/8in)来快速钻小井眼井60.8mm(2in)14.3ram(4 1/2in)。这些井下马达一般是以转速5001000r/min钻进的，且在许多地层钻进比转盘钻进快35倍。图7为典型的马达钻井系统井下钻具组合示意图。在采用井下马达钻井系统代替转盘钻井系统钻小井眼时，为降低钻柱的纵向振动和减少井下钻具组合中所需的钻铤的数量，以及提高水力作用，准确控制钻压，近年来开发出了液力加压器。图8为单级和双级液力加压器示意图。除下入MWD仪器，液力加压器是接在MWD工具之上，以便MWD工具的传感器紧靠钻头外，该液力加压器应尽可能靠近钻头安装。图7 小井眼井下钻具给合 图8 液力加压器示意图液力加压器类似一个活塞，当钻井液循环通过该工具时，它可以保持一个加压力第24页 （共 37 页）量，其原理如图9所示。钻压与通过液力加压器的压力降成正比，并能通过改变流量、钻头的总流量(动)面积和使用的井下马达系统的类型来调节。当液力加压器中的活塞到达每级时，司钻可通过观察立管压力就能检测该液力加压器的工作状况。当钻柱下放到井底时，立管压力就上升，表明液力加压器内部压降增加，钻柱进一步下放，直到该压降等于钻压所需的循环压降为止。如进一步下放钻柱，会导致液力加压器处于完全闭合位置，这时液力加压器失去作用。为了避免出现这种情况，在液力加压器内部装有一个闭合位置定位器，当液力加压器中的活塞抵达该位置时，会产生急剧的压力下降，这时，司钻可上提钻柱，使液力加压器处于准确的工作位置。图9 液力加压器工作原理示意图双级液力加压器除进入第二级时产生辅加的钻压外，其工作原理同单级液力加压器完全相同。由于减少了所需钻铤的数量，因而使用液力加压器时的钻压不是钻柱压力的函数，同时钻铤的数量和重量的减少提高了系统的水力作用和降低钻井液当量循环密度。这样，在高压环境和易漏失的地区钻井，保持一个低的当量循环密度尤为重要。上述小井眼井下马达钻井系统也常与连续油管钻机配合使用，以提高起下钻速度，并维持井下马达起下井眼时的连续循环。图10为连续油管钻井示意图。使用这种井下马达钻井系统在许多地区钻井成本可降低50%75%。图10 连续油管钻井示意图4.3.3 连续取心钻井系统Amoco公司是最早采用薄壁钻杆和电缆可回收岩心筒的小井眼连续取心钻井系统。图11为Amoco公司小井眼取心钻井示意图。图11 Amoco公司小井眼取心钻井示意图该液力钻机采用顶部驱动来旋转外平钻杆，转速可达到2250r/min，钻压为13.3444.48kN。一般采用400800r/min的转速，环空间隙小于12.7mm以稳定小第26页 （共 37 页）直径、薄壁钻杆。采用电缆可回收岩心筒和111.13mm（4 3/8in）的取心钻头得到的连续岩心可达12.19m长。在打开发井中，平均取心率为98.3%。4.4小井眼钻井水力参数及循环压耗计算4.4.1 钻井液流变模型的建立由于小井眼的井径小、环空间隙小以及钻柱转速高等特点，水力参数对岩屑在环空中的输送、井壁稳定、钻头的清洗、环空压降以及钻柱与井壁之间的水力润滑至关重要。因此，要研究和优化小井眼钻井水力参数。小井眼钻井对水力参数提出的主要要求是：（1）确保钻屑在环空中有效输送，即确保环空钻井液流速剖面尽可能均匀，环空钻井液流速大于岩屑沉降速度。（2）确保井壁稳定，要求：环空钻井液具有小的速度梯度，最大限度地减小靠近井壁的剪切应力；环空压力低于地层破裂压力；减少钻井液对泥岩的水化作用。（3）确保钻头最佳使用效果，为此需要确定冷却钻头和避免钻头泥包所需的最小排量。（4）最大限度地减少压力循环损失，为此需要选择适当的钻井液流变性能和排量。在常规钻井作业和小井眼钻井作业中使用的许多钻井液都不是严格遵守宾汉模型和幂律模型，而是介于两者之间。在常规钻井作业中，因环空间隙比较大，用近似流变模型并不会对环空压降的预测产生多大影响。但是，在小井眼钻井作业中，因环空间隙很窄，钻井液流变模型的选择对环空压降的预测影响很大，环空间隙越窄，环空压降越难预测。国外一些公司综合考虑了钻井液流变性、钻柱旋转与偏心等情况，建立了一个比经典的二参数流变模型（宾汉模型和幂律模型）更准确的钻井液流变模型,即：式中 剪切应力，N/m2； 屈服应力，N/m2； K稠度系数； 剪切速率，s-1； n流变指数，无量纲。4.4.2 小井眼环空压耗模式的建立国内一些学者对影响小井眼环空压耗的众多因素进行了大量的室内试验研究，那么如何才能保证计算精度、又能方便现场应用的条件下求解小井眼中的环空压耗呢？一般来讲：建立小井眼压耗模式有两种途径：一是利用常规井压耗模式作为基础，把影响小井眼环空压耗的主要因素添加进来；二是基于复杂井的三维数值计算和试验结果而建立一个全新的压耗计算模型。这样可使得常规井中所使用的压耗计算模式、程序、图版、方法等在不必作较大调整的基础上，仍可以继续使用，现场也便于接受和使用。室内试验结果表明：小井眼环空压耗计算与常规井压耗计算最大差别在于钻柱偏心弯曲和钻柱的高速旋转对压力损失的影响，因此在计算小井眼的环空压力损失模型可由下式来表达：式中 环空压力损失，MPa； 钻柱旋转对小井眼中环空压耗的影响系数； 钻柱偏心弯曲对小井眼中压耗的影响系数； 常规摩擦系数； 钻井液密度，g/cm3； 环空返速，m/s； 井眼半径，m； 钻杆半径与井眼半径比； L井深，m。4.4.3 小井眼中环空钻井液流动状态的判别第28页 （共 37 页）小井眼钻井工艺技术小井眼中，钻井液流态不仅依赖于钻井液轴向流动雷诺数，而且还受到泰勒数的影响。在没有轴向流的情况下，临界泰数为常数。在环空中轴向流也存在的情况下，临界泰勒数随轴向雷诺数的增加反而减小；反之亦然，即临界雷诺数随泰勒数的增加而减小。由以上分析，结合试验中的有关数据，可得小井眼中钻井液流态判别的经验关系式：4.4.4 小井眼环空水力学模型现场应用表10是给定条件（当转速为