高德利， 黃文君， 李 鑫

（石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京）），北京 102249）

大位移井最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，美國(guó)首次在加利福尼亞州從陸地鉆大位移井以開(kāi)發(fā)海上油氣田[1]。隨后，挪威北海西Sleipneer、Statfjord和Oseberg，美國(guó)Pedernales和Dos Guadras，英國(guó)Wytch Farm和Gullbaks等油田都進(jìn)行了大位移井油氣開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐，初步形成了一套較為成熟的大位移井工程技術(shù)，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2-3]。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著鉆井技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和油氣勘探開(kāi)發(fā)需求的不斷增加，大位移井鉆井技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，大位移井井深或水平位移的世界紀(jì)錄也被不斷刷新[3-10]。目前，創(chuàng)世界紀(jì)錄的大位移井主要集中于英國(guó)的Wytch Farm油田、俄羅斯的薩哈林地區(qū)和美國(guó)的墨西哥灣地區(qū)等。我國(guó)大位移井鉆井完井技術(shù)研究也取得很大進(jìn)展[11-19]，并相繼在南海東部西江24-1油田和流花11-1油田鉆成了XJ24-3-A14大位移井（水平位移8 063 m，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)水平位移最大世界紀(jì)錄）[3]和B3ERW4大位移井（水垂比4.58，創(chuàng)造當(dāng)時(shí)水垂比最大國(guó)內(nèi)紀(jì)錄）[20-21]。

全球大位移井鉆井實(shí)踐表明，雖然大位移井井深、水平位移或水垂比的世界紀(jì)錄被不斷刷新，但是每一項(xiàng)大位移井世界紀(jì)錄都受當(dāng)時(shí)的主客觀約束條件影響，大位移井鉆井延伸極限仍難以預(yù)測(cè)和控制。在特定的主觀和客觀約束條件下，任何一口大位移井的鉆井作業(yè)井深（亦稱“測(cè)深”）都存著一個(gè)極限值，稱之為大位移井鉆井延伸極限。圖1所示為世界主要定向井的垂深和水平位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果[22]，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)的外包絡(luò)線（即圖中紅色曲線）為當(dāng)前約束條件下能夠達(dá)到的大位移井鉆井延伸極限，其中橫向極限（即水平位移）隨著垂深增大呈現(xiàn)出“迅速增大—穩(wěn)定—線性降低”的基本變化趨勢(shì)。實(shí)際上，隨著鉆井技術(shù)與裝備水平的不斷提高，外包絡(luò)線也在不斷拓展。

圖1 世界定向鉆井統(tǒng)計(jì)結(jié)果[22]Fig.1 Statistics data of directional drilling in the world[22]

隨著油氣資源勘探開(kāi)發(fā)約束條件的變化，對(duì)大位移井、特別是大位移水平井及叢式井的需求越來(lái)越大，所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。為了合理評(píng)估和降低大位移井的工程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大位移井鉆井延伸極限研究，以期在工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益合理的基礎(chǔ)上，盡可能提高大位移井鉆井延伸極限。為此，筆者在總結(jié)大位移井工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了大位移井鉆井延伸極限的理論研究進(jìn)展，以期為推動(dòng)我國(guó)大位移井鉆井技術(shù)發(fā)展提供指導(dǎo)和借鑒。

1 大位移井鉆井延伸極限研究概述

國(guó)外對(duì)大位移井鉆井延伸極限的相關(guān)研究與應(yīng)用比較早。1994年，R.Meertens等人[23]從井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆井風(fēng)險(xiǎn)的角度，對(duì)英國(guó)TA-05大位移井的延伸極限進(jìn)行了分析。1995年，J.Wu等人[24]研究了油管在下入過(guò)程中的屈曲行為，進(jìn)而推導(dǎo)出油管在水平段的下入極限，認(rèn)為螺旋屈曲是限制油管下入極限的首要因素。2003年，L.A.S.Rocha等人[25-26]指出，隨著井深的增加，所鉆地層破裂壓力的增加幅度不能與環(huán)空壓耗保持同步，因此大位移井鉆井存在一個(gè)延伸極限值。其他國(guó)外學(xué)者基于大位移井工程實(shí)例，分析了地層、鉆井裝備和水力條件等相關(guān)因素對(duì)延伸極限的影響[27-32]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了大量的大位移井鉆井延伸極限理論研究。高德利等人[1,9]首次系統(tǒng)提出了大位移井鉆井延伸極限的基本理論概念，指出在大位移井鉆井工程中需要考慮裸眼延伸極限、機(jī)械延伸極限和水力延伸極限等3種極限狀態(tài)，引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)大位移井鉆井延伸極限的理論研究。汪志明等人[33]建立了大位移井鉆井水力延伸極限的計(jì)算模型，分析了地層、鉆井泵、環(huán)空壓耗及巖屑床高度等因素對(duì)水力延伸極限的影響；閆鐵等人[34]應(yīng)用大位移水平井整體鉆柱摩阻分析的間隙元理論，給出了大位移水平井機(jī)械延伸極限的計(jì)算模型；Chen Xuyue和Gao Deli[35]給出了海洋超大位移井鉆井裸眼延伸極限的計(jì)算模型；其他學(xué)者也從不同的角度研究了不同因素對(duì)大位移井鉆井延伸極限的影響[36-41]。

2 大位移井鉆井延伸極限理論研究

大位移井鉆井延伸極限研究前期主要針對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行分析總結(jié)，近年來(lái)開(kāi)展了較多理論研究并取得了一些創(chuàng)新成果[1]。通過(guò)開(kāi)展大位移井鉆井延伸極限理論研究，可以定量預(yù)測(cè)大位移井鉆井延伸能力，以期規(guī)避工程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，防止鉆井惡性事故的發(fā)生；同時(shí)，可以對(duì)大位移井工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以提高定向鉆井的水平位移延伸作業(yè)能力。

2.1 大位移井鉆井延伸極限的概念

在特定的主觀和客觀約束條件下，任何一口大位移井的鉆井作業(yè)井深都存著一個(gè)極限值，稱之為大位移井鉆井延伸極限，包括裸眼延伸極限、機(jī)械延伸極限和水力延伸極限等3種極限。其中，裸眼延伸極限是指裸眼井底被壓破或滲漏時(shí)的大位移井井深，主要取決于實(shí)鉆地層的安全鉆井密度窗口及鉆井環(huán)空多相流循環(huán)壓耗；機(jī)械延伸極限包括大位移井鉆柱作業(yè)極限和下套管作業(yè)極限，主要取決于大位移井的導(dǎo)向控制模式（滑動(dòng)導(dǎo)向或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向）、管材強(qiáng)度、井眼約束、管柱載荷和鉆機(jī)功率等；水力延伸極限是指在能夠保持鉆井流體正常循環(huán)及井眼清潔的前提下，鉆井水力允許的井深，主要取決于鉆井機(jī)泵、鉆柱、地面管匯、水力參數(shù)和機(jī)械鉆速等。在大位移井鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)控制時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體的主觀和客觀約束條件定量評(píng)估大位移井鉆井的裸眼、機(jī)械及水力等延伸極限值，取其最小值作為大位移井鉆井延伸極限。

2.2 大位移井鉆井延伸極限預(yù)測(cè)模型

2.2.1 大位移井鉆井裸眼延伸極限

2009年，筆者考慮實(shí)鉆地層和鉆井環(huán)空多相流的綜合影響，建立了大位移井鉆井裸眼延伸極限預(yù)測(cè)模型[9]：

式中：DM為大位移井鉆井裸眼延伸極限，m；k為測(cè)垂比（即測(cè)深與垂深之比）；Dv為大位移井垂深，m；Δρfm為所鉆地層的安全密度窗口，g/cm3；ρdp為環(huán)空多相流循環(huán)壓耗的當(dāng)量密度，g/cm3。

2013年，考慮環(huán)空巖屑濃度、安全余量及環(huán)空波動(dòng)壓力等參數(shù)的影響，分別建立了破巖、管柱上提和下放時(shí)的大位移井鉆井裸眼延伸極限預(yù)測(cè)模型，使預(yù)測(cè)結(jié)果更符合實(shí)際工況[42-43]，并取三者最小值作為許用值。其中，破巖鉆進(jìn)過(guò)程中裸眼延伸極限預(yù)測(cè)模型為：

式中：ρf為地層破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρm為鉆井液密度，g/cm3；ρs為巖屑密度，g/cm3；Cs為環(huán)空巖屑濃度；ΔE為安全余量，g/cm3。

2016年，基于上述預(yù)測(cè)模型，筆者通過(guò)引入水平段環(huán)空多相流循環(huán)壓耗梯度，得到了大位移水平井水平段裸眼延伸極限和井深延伸極限的預(yù)測(cè)模型[44-46]：

式中：DH為大位移水平井水平段延伸極限，m；Δpv為垂直段環(huán)空壓耗，MPa；Δpdi為若干斜井段環(huán)空壓耗，MPa；(Δp/ΔL)h為水平段環(huán)空壓耗梯度，MPa/m；Ddi為若干斜井段井深，m。

筆者利用式（3）中的裸眼延伸極限預(yù)測(cè)模型對(duì)鉆井安全密度窗口進(jìn)行了修正[47]，對(duì)比了不同鉆井液流變模式下大位移井鉆井裸眼延伸極限的變化情況[48]，并研究了連續(xù)油管鉆井裸眼延伸極限，擴(kuò)展了預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用范圍[49-50]。

2.2.2 大位移井鉆井機(jī)械延伸極限

筆者基于機(jī)械延伸極限的定義，綜合考慮地面和井下諸多約束因素的影響，并結(jié)合各種鉆井作業(yè)工況，建立了旋轉(zhuǎn)鉆井機(jī)械延伸極限的定量預(yù)測(cè)模型，并繪制了不同井眼鉆井機(jī)械延伸極限的預(yù)測(cè)圖版，并以擴(kuò)大鉆井機(jī)械延伸極限為宗旨，提出了相應(yīng)的鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和方法，主要包括井眼軌道、導(dǎo)向鉆具組合及井下減阻工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以改進(jìn)常規(guī)鉆井工程設(shè)計(jì)存在的不足[51-54]。大位移井鉆井機(jī)械延伸極限的目標(biāo)函數(shù)可表達(dá)為：

式中：L 為目標(biāo)井深函數(shù)，m；L(·)通常以隱函數(shù)的形式表達(dá)，具體為井下管柱整體力學(xué)模型；p為約束參數(shù)，包括大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩、鉆頭鉆壓和鉆頭扭矩等參數(shù)；d為設(shè)計(jì)參數(shù)，包括管柱組合、井眼軌道和減阻接頭等參數(shù)；P 為約束參數(shù)p的許用空間，以約束條件的形式給出；p?為最優(yōu)約束參數(shù)，在最優(yōu)約束參數(shù)下井深取得最大值；c為操作工況，包含滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式下的管柱上提和下入作業(yè)。

式（4）的數(shù)學(xué)含義是，對(duì)于某一特定的鉆井系統(tǒng)，在某一設(shè)計(jì)參數(shù)d 及操作工況c 下，約束參數(shù)p在其約束空間P內(nèi)所能取得的井眼長(zhǎng)度最大值。

鉆井作業(yè)過(guò)程中，鉆井管柱主要存在地面約束、鉆頭約束和管柱失效約束等3類約束條件。

1）地面約束條件。上提過(guò)程中大鉤軸向拉力不能高于額定提拉載荷，下放過(guò)程中大鉤載荷不小于零；鉆機(jī)扭矩不高于額定扭矩。

2）鉆頭約束條件。鉆頭破巖存在門(mén)限鉆壓和門(mén)限扭矩，管柱上提過(guò)程中可能存在卡鉆載荷。

3）管柱失效約束條件。管柱屈服強(qiáng)度與等效應(yīng)力之比不小于所要求的安全系數(shù)，管柱磨損小于所要求的允許量等。

井下管柱軸向運(yùn)動(dòng)按運(yùn)動(dòng)方向分為上提和下放，按管柱是否旋轉(zhuǎn)分成滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，這2種分類組合形成了4種作業(yè)工況：滑動(dòng)上提、滑動(dòng)下放、旋轉(zhuǎn)上提和旋轉(zhuǎn)下放。

結(jié)合目標(biāo)函數(shù)和約束條件，將每種作業(yè)工況下的機(jī)械延伸極限問(wèn)題轉(zhuǎn)換為約束優(yōu)化問(wèn)題，求解即可得到延伸極限的計(jì)算結(jié)果。滑動(dòng)鉆進(jìn)的延伸極限為滑動(dòng)上提和滑動(dòng)下入的最小值；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的延伸極限為旋轉(zhuǎn)上提和旋轉(zhuǎn)下入的最小值。

2.3 大位移井鉆井延伸極限分布規(guī)律

對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果[22]（見(jiàn)圖2）和圖1所示的統(tǒng)計(jì)資料可知，理論延伸極限（旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)）與統(tǒng)計(jì)延伸極限具有相似規(guī)律：橫向延伸極限隨著井眼垂深呈現(xiàn)出“迅速增大—穩(wěn)定—線性降低”的趨勢(shì)，分別對(duì)應(yīng)淺井、中深井和深井的情形。從圖2可以看出，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)模式下的橫向延伸極限明顯高于滑動(dòng)鉆進(jìn)模式下的橫向延伸極限。

圖2 不同摩阻系數(shù)下定向鉆井延伸極限Fig.2 Directional drilling extension limit under different friction coefficients

利用大位移井鉆井延伸極限預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析，可得到如下規(guī)律：

1）對(duì)于淺井（穩(wěn)斜角較大的定向井、水平井）而言，延伸極限對(duì)應(yīng)的作業(yè)工況是管柱下入?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)，大斜度井段管柱螺旋屈曲引起的高摩阻，是限制延伸極限的首要因素。對(duì)于水平井，單純?cè)龃笤煨秉c(diǎn)的深度對(duì)提高機(jī)械延伸極限的作用很?。粚?duì)于三段式定向井，隨著井斜角由90°逐漸減小，管柱的摩阻降低，導(dǎo)致橫向延伸極限隨著垂深增大而迅速增大。為了提高延伸極限，可以采取旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)、優(yōu)化穩(wěn)斜角、降低摩阻系數(shù)和抑制管柱屈曲等技術(shù)措施。

2）對(duì)于深井（穩(wěn)斜角較小的定向井、直井）而言，延伸極限對(duì)應(yīng)的作業(yè)工況是管柱上提，限制延伸極限的主要因素是上提載荷超過(guò)大鉤額定載荷或者過(guò)載導(dǎo)致管柱失效。隨著井斜角由0°逐漸增大，管柱上提阻力與穩(wěn)斜角密切相關(guān)，橫向延伸極限D(zhuǎn)H隨著垂深DV的增大，大致以1/μ1（μ1為平均滑動(dòng)摩阻系數(shù)）的速率線性降低。為了提高延伸極限，可提升大鉤額定載荷或者采用高抗拉強(qiáng)度管柱。

3）對(duì)于中深井（井深介于淺井和深井之間，井斜角的數(shù)值居中）而言，管柱下入或上提是延伸極限對(duì)應(yīng)的作業(yè)工況，隨著垂深的增大由管柱下入過(guò)渡到管柱上提。管柱上的高摩阻、管柱上提過(guò)載（超過(guò)大鉤額定載荷和管柱抗拉強(qiáng)度）及管柱旋轉(zhuǎn)過(guò)載（超過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)額定扭矩以及管柱抗扭強(qiáng)度），是限制延伸極限的因素。對(duì)于滑動(dòng)鉆進(jìn)而言，前兩者起主要作用；對(duì)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)而言，管柱旋轉(zhuǎn)過(guò)載不可忽略。在這些因素的綜合影響下，橫向延伸極限隨著垂深的增大呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，且穩(wěn)斜角在臨界值αh=arctan(1/μ1)附近時(shí)達(dá)到橫向延伸極限。為了提高機(jī)械延伸極限，首先需要利用機(jī)械延伸極限預(yù)測(cè)模型分析主要限制因素，然后從優(yōu)選穩(wěn)斜角、抑制管柱屈曲、降低摩阻、提高鉆機(jī)性能和管柱強(qiáng)度等方面進(jìn)行優(yōu)化。

3 基于延伸極限的鉆井工程設(shè)計(jì)方法

為了延長(zhǎng)油氣儲(chǔ)層中水平段長(zhǎng)度以提高單井產(chǎn)量及最終采收率，或?yàn)榱算@達(dá)更遠(yuǎn)處的地下目標(biāo)，需要進(jìn)一步提高大位移井的延伸極限，因而需要建立基于大位移井延伸極限的鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3.1 鉆井液密度和排量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法

鉆井液密度優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則：一是最優(yōu)鉆井液密度必須滿足修正的安全密度窗口；二是大位移水平井可以在該最優(yōu)鉆井液密度下獲得最大延伸極限。任意鉆井液密度下都存在一個(gè)大位移水平井水平段延伸極限Lh(ρ)，它是該井水平段裸眼延伸極限Lh-op和水力延伸極限Lh-hy的最小值：

以獲得最大水平段延伸極限Lhmax為目標(biāo)，確定最優(yōu)鉆井液密度ρopt。圖3列出了幾種可能的情形，其中Lh-op利用式（3）得到，Lh-hy利用文獻(xiàn)[50]中方法求解。具體步驟如下：

圖3 不同情形下的水平段延伸極限Fig.3 Horizontal extending limits in different cases

1）若Lh-op曲線和Lh-hy曲線有交點(diǎn)（見(jiàn)圖3（a）），則交點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值為最優(yōu)鉆井液密度ρopt，交點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值為水平段延伸極限的最大值Lhmax。

2）若Lh-op曲線和Lh-hy曲線無(wú)交點(diǎn)且Lh-hy一直大于Lh-op（見(jiàn)圖3（b）），則Lh-hy的最大值為水平段延伸極限的最大值Lhmax，該點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值為最優(yōu)鉆井液密度ρopt。

3）若Lh-op曲線和Lh-hy曲線無(wú)交點(diǎn)且Lh-op一直大于Lh-hy（見(jiàn)圖3（c）），則Lh-op最大值為水平段延伸極限的最大值Lhmax，該點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值為最優(yōu)鉆井液密度ρopt。

4）若Lh-op曲線和Lh-hy曲線無(wú)交點(diǎn)（見(jiàn)圖3（d）），且任意鉆井液密度下Lh-op為零或Lh-hy為零，則鉆井液安全密度窗口不存在，不存在最優(yōu)鉆井液密度ρopt。

最優(yōu)排量和最優(yōu)鉆井液密度的設(shè)計(jì)方法基本相同，只是將式（6）—式（9）中的ρ替換為Q即可。

3.2 大位移井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

筆者提出了一種將大位移井分成下部大斜度井段和上部常規(guī)井段進(jìn)行管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。下部大斜度井段的井斜角比較大，水平延伸距離長(zhǎng)，裸眼段長(zhǎng)，因此鉆進(jìn)該井段時(shí)管柱高摩阻和高扭矩問(wèn)題比較突出，是限制大位移井延伸極限的主要原因。同時(shí)，大斜度井段穿過(guò)油氣儲(chǔ)層，對(duì)固井質(zhì)量要求高，因此設(shè)計(jì)目標(biāo)中需要包含套管居中度約束。為此，采用加權(quán)目標(biāo)函數(shù)的方法，目標(biāo)函數(shù)中包括摩阻、扭矩和套管居中度等參數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：J 為總目標(biāo)函數(shù)；Jf，Jr和Jc為與管柱摩阻扭矩、套管居中度及成本相關(guān)的子目標(biāo)函數(shù)；λf，λr和λc為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；d為設(shè)計(jì)參數(shù)。

式（6）可采用先局部后整體的方法進(jìn)行求解[52]。其計(jì)算思路為：1）將大斜度井段的管柱分成若干局部井段；2）從靠近鉆頭的局部井段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到該井段管柱的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；3）沿著井深減小的方向依次對(duì)各個(gè)局部井段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；4）綜合各個(gè)局部井段的設(shè)計(jì)參數(shù)，得到大斜度井段管柱的整體最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。

上部常規(guī)井段與常規(guī)定向井的井眼軌跡參數(shù)類似，但下部大斜度井段的存在導(dǎo)致上部常規(guī)井段管柱受力狀況更加復(fù)雜，因此常規(guī)定向井管柱設(shè)計(jì)方法難以滿足大位移井上部常規(guī)井段的要求。為了同時(shí)考慮各種作業(yè)工況，可采用延伸極限作為目標(biāo)函數(shù)，即[52]：

式中：d*為最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；Llim為井眼延伸極限，m，利用式（4）計(jì)算。

通常而言，方程的求解耗時(shí)比較長(zhǎng)，可采用延伸極限的近似求解公式作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算[52]。

4 應(yīng)用實(shí)例

薩哈林地區(qū)Z-42井創(chuàng)造了井深（12 700 m）最深和水平位移（11 739 m）最長(zhǎng)的世界紀(jì)錄[19]，其垂深為2 338 m，水垂比高達(dá)5.02，屬于高難度大位移水平井，其設(shè)計(jì)井眼軌道如圖4所示。該井采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，水平段長(zhǎng)度約為3 500 m，完井周期約為70 d。分析Z-42井施工報(bào)告可知，四開(kāi)裸眼段鉆進(jìn)過(guò)程中的高扭矩和完井篩管在裸眼水平段內(nèi)滑動(dòng)下入的高摩阻是限制該井水平延伸的2個(gè)重要因素。針對(duì)這2種工況，利用本文的理論模型，分析不同技術(shù)措施對(duì)提高延伸極限的作用。

圖4 Z-42井設(shè)計(jì)井眼軌道Fig.4 Designed wellbore trajectory of Well Z-42

4.1 水平段旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)極限分析

Z-42井四開(kāi)φ215.9 mm水平段應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆進(jìn)，鉆具組合中包括φ149.2 mm加重鉆桿和普通鉆桿、φ168.3 mm鉆桿等。其中，φ149.2 mm鉆桿的上扣扭矩為96 kN·m，φ168.3 mm鉆桿的上扣扭矩為108 kN·m，鉆機(jī)額定扭矩為95 kN·m，可見(jiàn)，鉆機(jī)額定扭矩是限制φ215.9 mm井眼延伸極限的主要因素，因此，提升鉆機(jī)性能是提高井眼延伸極限的可行措施之一。利用式（4）進(jìn)行計(jì)算，得到了不同鉆機(jī)額定扭矩和摩阻系數(shù)下的井眼延伸極限（見(jiàn)圖5）。由圖5可以看出，在相同摩阻系數(shù)下，提升鉆機(jī)性能可大幅度提高井眼延伸極限，能滿足該井井深12 700 m的鉆井需求。

圖5 不同額定扭矩和摩阻系數(shù)下的井眼延伸極限Fig.5 Wellbore extension limit at different rated torques and friction coefficients

4.2 完井管柱下入極限分析

Z-42井完井管柱主要包括1 499 m的φ168.3 mm篩管和2 149 m的φ139.7 mm篩管，篩管上部與鉆柱連接，采用滑動(dòng)方式下入。完井管柱在超長(zhǎng)套管段和裸眼段內(nèi)將產(chǎn)生高摩阻，導(dǎo)致下入困難。為此，該井完井作業(yè)時(shí)在篩管與鉆柱之間安裝了旋轉(zhuǎn)接頭，保證管柱下入過(guò)程中上部鉆柱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而下部篩管處于不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而大幅度降低管柱在套管段的摩阻及篩管下入作業(yè)難度。

利用式（4）進(jìn)行計(jì)算，得到了安裝和不安裝旋轉(zhuǎn)接頭、安裝和不安裝減阻接頭條件下的完井管柱延伸極限（見(jiàn)圖6）。由圖6可以看出，如果摩阻系數(shù)偏大且不安裝旋轉(zhuǎn)接頭，完井管柱將無(wú)法下至井底；安裝旋轉(zhuǎn)接頭可明顯改善井下管柱的受力狀況，完井管柱可順利下到井底；同時(shí)安裝旋轉(zhuǎn)接頭和減阻接頭，可進(jìn)一步提高完井管柱的下入極限。

圖6 完井管柱旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)下入極限Fig.6 Entry limits of completion string in rotary and sliding RIH modes

5 結(jié)束語(yǔ)

大位移井廣泛應(yīng)用于海洋、灘海、湖泊及山地等復(fù)雜地區(qū)油氣資源的高效開(kāi)發(fā)，相關(guān)的科技進(jìn)步與工程實(shí)踐在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。大位移井鉆井延伸極限預(yù)測(cè)和控制與相應(yīng)的技術(shù)、裝備、作業(yè)環(huán)境及作業(yè)參數(shù)等諸多因素密切相關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的約束優(yōu)化問(wèn)題，需要不斷加強(qiáng)研究與實(shí)踐。顯然，大位移井鉆井延伸極限并不是固定值，將隨著大位移定向鉆井技術(shù)與裝備的創(chuàng)新發(fā)展而不斷提高。開(kāi)展大位移井鉆井延伸極限理論研究，力求實(shí)現(xiàn)工程作業(yè)極限的定量預(yù)測(cè)分析，揭示限制作業(yè)極限的主要因素及其影響規(guī)律，以便為工程作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全控制提供科學(xué)依據(jù)。