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摘 要：分析了大位移井钻井的关键技术，以及国内外研究和应用水平，包括降低摩阻和扭矩技术，井眼清洗技术，井身剖面和钻柱优化设计，井壁稳定技术，套管磨损预测与防治技术等。并分析我国大位移井钻井技术研究所面临的机遇与挑战。
关键词：大位移井 导向钻井 井眼稳定 钻井液
大位移井始于20世纪20年代，随着水平井钻井技术的不断发展，大位移井已经在油气勘探和开发中显示出其巨大的潜力。美国、挪威、澳大利亚、英国等几个国家先后钻成了一批有代表性的大位移井，并取得了很好的经济效益。目前世界上应用最成功的大位移井是英国BP石油公司和斯伦贝谢公司在北海合作开发的Wytch Farm油田，它开创了利用大位移井技术勘探开发整装油田的范例。
一、大位移井技术的优势
目前世界上许多国家利用大位移井技术来勘探开发海上、滨海、岛屿和地面条件恶劣地区的油气田。老油气田可利用原有的基础设施钻大位移井，加速油田探边和开发，缩短产油周期，扩大泄油半径，提高单井产量和延长井的寿命；增加整个油田的产量和最终采收率，还大大节约投资。利用钻大位移井还有机会勘探开发费用高、环境和井位受限制的油气资源。虽然这项技术还正在发展和完善之中，但已在世界各地取得了重大成效。
二、大位移井的关键技术
国外在大位移井钻井施工作业中，应用了以下特种工具和高新钻井计术：
1）可变径扶正器、多刃滚柱式套管扶正器；2）非旋转钻杆保护器（NRDPP）；
3）套管漂浮接箍和套管漂浮技术；4）旋转式尾管悬挂器及旋转固井技术；5）高精度微分陀螺仪；6）软扭矩旋转系统；7）高效率线性高速振动筛；8）液力加压器；9）MWD/LWD/GST综合测量系统；10）扭矩和摩阻监测软件。
1.大位移井井眼轨迹优化设计
此优化设计包含两个方面：1） 靶点和入靶方位的确定。考虑地质因素，根据油藏数值模拟结果，确定最优的靶点和入靶方向，并确保入靶方位垂直于最大主应力方向；2）井眼轨迹的几何最优化设计。设计轨迹时，必须满足常规钻具组合造斜率要求、特定套管柱和井眼轨迹的互适应性、管柱的摩阻扭矩相对最小、井眼轨迹光滑过渡、均匀的井眼曲率和相对较短的井深。相同的工具和施工工艺技术，不同的井身剖面可实现的水平位移延伸是大不相同的。这是国外许多实践所证实的结论，成功的井身剖面设计是大位移井顺利施工的第一步。
2.摩阻扭矩预测与减摩技术
管柱的摩阻扭矩问题是大位移井技术的核心问题之一，它决定水平位移的最
大延伸。影响大位移井管柱摩阻扭矩的因素很多，如井身剖面、管柱结构、钻井液性能、钻遇地层性质等。在施工中，管柱的摩阻扭矩太大，可能出现以下情况：钻具起不上来或发生断钻具事故；套管柱和漏失等破坏的原因。大位移井技术已基本成为开发滩海和海上油气资源的最重要手段。
目前，国外已经钻成了水平位移超万米的大位移井，而国内依靠自身力量只能完成水平位移近5000m的大位移井。究竟什么是阻碍水平位移延伸的主要原因？实施大位移井技术，究竟需要解决哪些关键技术？组合不能下入合适的层位，不能顺利实现完井；测井仪器、采油设备不能顺利下入井下某一位置，导致井眼不能顺利采油从而报废等。由此可见，大位移井管柱摩阻扭矩预测与分析始终贯穿于大位移井的设计、钻井施工、完井、测井、采油等后续作业的全过程。摩阻扭矩预测可通过建立管柱与井壁摩阻扭矩模型，并求解计算管柱与井壁间的摩阻扭矩值。减摩技术主要是优化井下工具，以有效地减小管柱与井壁之间的摩阻扭矩[1]。
3.井眼稳定力学分析
当钻头钻穿岩层后，地应力被释放，如果井眼围岩具有足够的强度和井内合适的液柱压力，则井壁保持稳定。否则井眼可能发生拉伸或剪切破坏，导致井眼缩径坍塌。若井内液柱压力超过地层破裂压力，会引起漏失等井下复杂事故。因此，有必要进行井眼稳定力学研究，确定钻井液安全密度窗口。钻开井眼后，井壁围岩的应力重新分布。在垂直井中，重新分布的应力为径向、切向和垂向主应力，而在大位移井中，除三个主应力外，井壁岩石还承受剪切应力的作用。此外，井眼还承受液柱压力和井眼温度的变化、钻井液与围岩地层的物理化学作用引起的附加压力的影响。因此，进行井眼稳定性研究时，首先必须找出井眼坍塌和漏失等破坏的原因；另外一个非常重要的任务就是确定井眼稳定与时间的变化关系曲线，为钻井施工方案提供直接指导[2]。
4.钻井液及井眼净化技术
钻井液技术关系到井眼稳定、井眼净化、管柱的摩阻扭矩、井下安全、下套管、固井质量等多个环节，开展钻井液技术的研究是相当重要的。要较好地解决摩阻扭矩问题，井眼净化问题是不可忽视的。井眼净化问题涉及：1）井眼净化的监测问题，即如何准确判别岩屑，实时判断井下是否发生复杂情况，确定是否存在井眼净化问题；2）如何实现井眼有效净化问题，主要是如何实时有效地消除可能存在的岩屑床，保证管柱与井壁的接触不发生“潜入”现象，避免导致管柱摩阻扭矩大幅度增加。
5.钻柱强度匹配和校核
管柱强度研究的重点是管柱承载分析和强度校核。大位移井的最大特点是位移大，意味着管柱的摩阻扭矩大，要求管柱的强度高，尤其是抗扭强度。管柱由本体和接头组成，管柱本体的抗扭强度也必须考虑。对于管柱接头，更是应当十分关注的部位。如何实现接头螺纹的平衡连接和实现接头高抗扭矩特性是管柱强度研究的重点之一。
三、胜利油田大位移井技术进展及现状
在我国东部沿海有着丰富的石油资源，海上原油年产量已突破千万吨，在这些海上油田每年要钻数百口油井，若推广大位移井技术，可以减少大量的海上平台，获得巨大的社会经济效益。胜利油田的飞雁滩、桩西、大王北、埕北、垦东、八面河、羊角沟等环渤海230余公里的灘涂油田，大部分采用的是位移4000m以内的定向井开发，若水平位移达到4000米以上，可以在不建浅海人工平台的情况下增加控制面积1600余平方公里，大大降低了开采成本。
我国在大位移钻井技术方面起步较晚，八十年代中期开始大位移井的钻井探索，但水平位移大都没有超过5000m。胜利油田在埕北21- 平1井上首次采用了大位移延伸井悬链线轨道剖面设计方法、准确地实现了轨迹控制，完善了大位移延伸井的轨迹控制技术；成功地应用大位移延伸井的地质导向无线测量系统。
国内大位移钻井技术与国外相比差距较大，并且这种差距还有进一步拉大的趋势。对于大位移水平井，制约我们进一步发展的瓶颈主要是工具问题，传统的滑动钻进方式已经无法解决加压困难、岩屑床无法清除等问题，严重限制了大位移井位移进一步的向前延伸，自行研制或引进旋转导向工具进行大位移井的施工势在必行。可以说传统的滑动钻进方式是制约我国大位移水平井的“瓶颈”。
四、结束语
大位移井是提高油田整体开发效果的重要途径，已显示出良好的经济效益和社会效益。合理的工程设计和有效的井眼轨迹控制技术是成功施工大位移井的关键。性能良好的钻井液和井眼的净化清洁，是确保大位移井井下安全和提高钻井时效的重要前提。下一步应加强位移在5000m以上大位移井钻井技术的研究，逐步向世界大位移井钻井技术水平迈进。
参考文献：
[1]徐云英.大位移井钻井经验.[J].世界石油工业.1998.8.2
[2]焦勇.突破10km障碍的大位移井钻井技术.[J].钻采工艺1999.6.3
作者简介：王平，2000年毕业于石油大学（华东）机械设计及制造专业，工程师，现主要从事石油钻井工艺和信息技术研究工作。
关键词：大位移井 导向钻井 井眼稳定 钻井液
大位移井始于20世纪20年代，随着水平井钻井技术的不断发展，大位移井已经在油气勘探和开发中显示出其巨大的潜力。美国、挪威、澳大利亚、英国等几个国家先后钻成了一批有代表性的大位移井，并取得了很好的经济效益。目前世界上应用最成功的大位移井是英国BP石油公司和斯伦贝谢公司在北海合作开发的Wytch Farm油田，它开创了利用大位移井技术勘探开发整装油田的范例。
一、大位移井技术的优势
目前世界上许多国家利用大位移井技术来勘探开发海上、滨海、岛屿和地面条件恶劣地区的油气田。老油气田可利用原有的基础设施钻大位移井，加速油田探边和开发，缩短产油周期，扩大泄油半径，提高单井产量和延长井的寿命；增加整个油田的产量和最终采收率，还大大节约投资。利用钻大位移井还有机会勘探开发费用高、环境和井位受限制的油气资源。虽然这项技术还正在发展和完善之中，但已在世界各地取得了重大成效。
二、大位移井的关键技术
国外在大位移井钻井施工作业中，应用了以下特种工具和高新钻井计术：
1）可变径扶正器、多刃滚柱式套管扶正器；2）非旋转钻杆保护器（NRDPP）；
3）套管漂浮接箍和套管漂浮技术；4）旋转式尾管悬挂器及旋转固井技术；5）高精度微分陀螺仪；6）软扭矩旋转系统；7）高效率线性高速振动筛；8）液力加压器；9）MWD/LWD/GST综合测量系统；10）扭矩和摩阻监测软件。
1.大位移井井眼轨迹优化设计
此优化设计包含两个方面：1） 靶点和入靶方位的确定。考虑地质因素，根据油藏数值模拟结果，确定最优的靶点和入靶方向，并确保入靶方位垂直于最大主应力方向；2）井眼轨迹的几何最优化设计。设计轨迹时，必须满足常规钻具组合造斜率要求、特定套管柱和井眼轨迹的互适应性、管柱的摩阻扭矩相对最小、井眼轨迹光滑过渡、均匀的井眼曲率和相对较短的井深。相同的工具和施工工艺技术，不同的井身剖面可实现的水平位移延伸是大不相同的。这是国外许多实践所证实的结论，成功的井身剖面设计是大位移井顺利施工的第一步。
2.摩阻扭矩预测与减摩技术
管柱的摩阻扭矩问题是大位移井技术的核心问题之一，它决定水平位移的最
大延伸。影响大位移井管柱摩阻扭矩的因素很多，如井身剖面、管柱结构、钻井液性能、钻遇地层性质等。在施工中，管柱的摩阻扭矩太大，可能出现以下情况：钻具起不上来或发生断钻具事故；套管柱和漏失等破坏的原因。大位移井技术已基本成为开发滩海和海上油气资源的最重要手段。
目前，国外已经钻成了水平位移超万米的大位移井，而国内依靠自身力量只能完成水平位移近5000m的大位移井。究竟什么是阻碍水平位移延伸的主要原因？实施大位移井技术，究竟需要解决哪些关键技术？组合不能下入合适的层位，不能顺利实现完井；测井仪器、采油设备不能顺利下入井下某一位置，导致井眼不能顺利采油从而报废等。由此可见，大位移井管柱摩阻扭矩预测与分析始终贯穿于大位移井的设计、钻井施工、完井、测井、采油等后续作业的全过程。摩阻扭矩预测可通过建立管柱与井壁摩阻扭矩模型，并求解计算管柱与井壁间的摩阻扭矩值。减摩技术主要是优化井下工具，以有效地减小管柱与井壁之间的摩阻扭矩[1]。
3.井眼稳定力学分析
当钻头钻穿岩层后，地应力被释放，如果井眼围岩具有足够的强度和井内合适的液柱压力，则井壁保持稳定。否则井眼可能发生拉伸或剪切破坏，导致井眼缩径坍塌。若井内液柱压力超过地层破裂压力，会引起漏失等井下复杂事故。因此，有必要进行井眼稳定力学研究，确定钻井液安全密度窗口。钻开井眼后，井壁围岩的应力重新分布。在垂直井中，重新分布的应力为径向、切向和垂向主应力，而在大位移井中，除三个主应力外，井壁岩石还承受剪切应力的作用。此外，井眼还承受液柱压力和井眼温度的变化、钻井液与围岩地层的物理化学作用引起的附加压力的影响。因此，进行井眼稳定性研究时，首先必须找出井眼坍塌和漏失等破坏的原因；另外一个非常重要的任务就是确定井眼稳定与时间的变化关系曲线，为钻井施工方案提供直接指导[2]。
4.钻井液及井眼净化技术
钻井液技术关系到井眼稳定、井眼净化、管柱的摩阻扭矩、井下安全、下套管、固井质量等多个环节，开展钻井液技术的研究是相当重要的。要较好地解决摩阻扭矩问题，井眼净化问题是不可忽视的。井眼净化问题涉及：1）井眼净化的监测问题，即如何准确判别岩屑，实时判断井下是否发生复杂情况，确定是否存在井眼净化问题；2）如何实现井眼有效净化问题，主要是如何实时有效地消除可能存在的岩屑床，保证管柱与井壁的接触不发生“潜入”现象，避免导致管柱摩阻扭矩大幅度增加。
5.钻柱强度匹配和校核
管柱强度研究的重点是管柱承载分析和强度校核。大位移井的最大特点是位移大，意味着管柱的摩阻扭矩大，要求管柱的强度高，尤其是抗扭强度。管柱由本体和接头组成，管柱本体的抗扭强度也必须考虑。对于管柱接头，更是应当十分关注的部位。如何实现接头螺纹的平衡连接和实现接头高抗扭矩特性是管柱强度研究的重点之一。
三、胜利油田大位移井技术进展及现状
在我国东部沿海有着丰富的石油资源，海上原油年产量已突破千万吨，在这些海上油田每年要钻数百口油井，若推广大位移井技术，可以减少大量的海上平台，获得巨大的社会经济效益。胜利油田的飞雁滩、桩西、大王北、埕北、垦东、八面河、羊角沟等环渤海230余公里的灘涂油田，大部分采用的是位移4000m以内的定向井开发，若水平位移达到4000米以上，可以在不建浅海人工平台的情况下增加控制面积1600余平方公里，大大降低了开采成本。
我国在大位移钻井技术方面起步较晚，八十年代中期开始大位移井的钻井探索，但水平位移大都没有超过5000m。胜利油田在埕北21- 平1井上首次采用了大位移延伸井悬链线轨道剖面设计方法、准确地实现了轨迹控制，完善了大位移延伸井的轨迹控制技术；成功地应用大位移延伸井的地质导向无线测量系统。
国内大位移钻井技术与国外相比差距较大，并且这种差距还有进一步拉大的趋势。对于大位移水平井，制约我们进一步发展的瓶颈主要是工具问题，传统的滑动钻进方式已经无法解决加压困难、岩屑床无法清除等问题，严重限制了大位移井位移进一步的向前延伸，自行研制或引进旋转导向工具进行大位移井的施工势在必行。可以说传统的滑动钻进方式是制约我国大位移水平井的“瓶颈”。
四、结束语
大位移井是提高油田整体开发效果的重要途径，已显示出良好的经济效益和社会效益。合理的工程设计和有效的井眼轨迹控制技术是成功施工大位移井的关键。性能良好的钻井液和井眼的净化清洁，是确保大位移井井下安全和提高钻井时效的重要前提。下一步应加强位移在5000m以上大位移井钻井技术的研究，逐步向世界大位移井钻井技术水平迈进。
参考文献：
[1]徐云英.大位移井钻井经验.[J].世界石油工业.1998.8.2
[2]焦勇.突破10km障碍的大位移井钻井技术.[J].钻采工艺1999.6.3
作者简介：王平，2000年毕业于石油大学（华东）机械设计及制造专业，工程师，现主要从事石油钻井工艺和信息技术研究工作。