水平井或大位移水平井的定向钻井技术,是当今油气工程领域的前沿技术之一,其大位移钻井裸眼延伸极限的定量预测和优化控制在国内外备受关注。所谓大位移水平井裸眼延伸极限,是指在所有钻井作业过程中保持裸眼稳定性的前提下可安全钻达的最大井深。基于井底压力的动态平衡原则,通过分析全井段水力参数特性及裸眼井段的稳定性等主客观约束条件,建立了一套大位移水平井裸眼延伸极限预测和控制的理论模型,可为大位移钻井作业风险控制和优化设计提供科学依据。引入环空压耗梯度以代替原预测模型中的单位长度环空压耗当量密度,重点研究大位移水平井裸眼延伸极限的主客观约束条件,建立了环空单相流和两相流、多工况和基于漏失压力的裸眼延伸极限预测模型,提高了模型的预测精度。基于上述基本预测模型,考虑页岩地层水化应力和海洋大位移钻井中双梯度钻井模式的影响,依次建立了页岩气水平井和海洋大位移水平井的裸眼延伸极限预测模型,扩展了预测模型的应用范围。对大位移水平井裸眼延伸极限预测模型的参数进行分析研究。基于上述裸眼延伸极限预测模型,进一步考虑地面机泵条件和井眼清洁等因素的影响,分别对钻井液安全密度窗口和安全排量窗口进行了修正,并给出了水平段最大机械钻速的约束条件和计算模型。以提高大位移水平井裸眼延伸极限为目标,提出了针对裸眼延伸极限主客观约束条件的优化设计原则和控制方法,主要包括最优钻井液密度和最优钻井液排量的确定,以及基于页岩气水平井“有效延伸极限”的井眼轨道优化设计等。基于大位移水平井裸眼延伸极限预测模型,对中石化涪陵页岩气焦页2-5HF井和萨哈林大位移井Z-42井进行了实例分析。