1、浅谈国内外水平井钻井工艺技术张世见 1 成都石油翻译网（微信公众号：petrotrans）随着全球能源需求的不断增大，世界各国对石油天然气等自然资源的依存度越来越大。在市场需求的推动下，全球各大石油天然气公司和油服公司都在积极地进行技术的创新，在石油天然气勘探钻井方面，涌现出了许多与钻完井、压裂增产、储层改造、人工气举、地质勘探、岩性研究等相关的先进技术和工具装备。其中，在钻井勘探过程中，水平井钻井技术能够确保良好地穿透储层、最大化油气泄流面积以及提供优越的完井井况。本文将介绍水平井钻井工艺技术的基础知识、在国内外的应用；提出水平井钻井技术的优缺点；列举出四川盆地川中地区水平井技术的应用情况、
2、水平井钻井技术与其他完井技术的结合应用；并展望水平井钻井技术的发展趋势。关键词：石油天然气，水平井钻井，工艺技术1.张世见，男，汉族，1986 年生，获中国石油大学（华东）石油工程专业学士学位、四川外语学院英语翻译专业学士学位，石油天然气行业资深翻译、现场工程口译。http:/2目 录第 1 章 概述 .1第 2 章 水平井钻井工艺技术基础知识 .22.1 水平井的定义 .22.2 水平井发展历史 .22.3 水平井的分类 .32.3.1 超短半径水平井 .32.3.2 短半径水平井 .32.3.3 中半径水平井 .32.3.4 长半径水平井 .42.4 水平井钻井的优点和缺点 .42.4.1
3、 水平井钻井的优点 .42.4.2 水平井钻井的缺点 .5第 3 章 国内外水平井钻井技术的应用 .73.1 水平井钻井技术在国内的应用 .73.2 水平井钻井技术在国外的应用 .7第 4 章 水平井钻井技术在川中地区与完井工艺技术的结合 .24.1 水平井钻井技术在四川盆地川中地区的应用 .24.2 水平井钻井技术与加砂压裂技术的结合应用 .24.3 水平井钻井技术与微地震监测技术的结合应用 .3第 5 章 水平井钻井潜能巨大 .5参考文献 .6致谢 .71第 1 章 概述水平井钻井技术是当代钻井技术中使用较为广泛、经过无数项目实验和改进的成熟技术。在不断地技术革新和研发创新之后，水平井技术
4、更是与其他众多钻完井技术相结合，这样对挖掘油气储层的潜能、提高油气产量和增大投资者的回报起着至关重要的促进作用。笔者在进入石油天然气行业上游作业领域的六年时间里，参与了无数次的水平井钻井作业和大规模分段加砂压裂作业。通过工作过程中接触到的各大石油天然气公司和油服公司，或间接或直接地了解到了国内外水平井钻井技术的发展现状和应用情况，并切身体会地参与了水平井钻井技术在四川盆地川中地区的应用，通过查阅网络资料，了解了水平井钻井技术在国外的应用情况；根据水平井钻井技术在四川盆地川中地区与加砂压裂技术和微地震监测技术的结合应用情况，分析了水平井钻井技术的发展潜能。2第 2 章 水平井钻井工艺技术基础知识
5、2.1 水平井的定义世界上最大的油服公司斯伦贝谢（Schlumberger）在其官方网站上给“水平井”下的定义是：“水平井是定向井的一种，其井眼斜角大于 80 度。在进行水平井设计时，某些井可能会在井斜达到 90 度实现真正意义上的水平后，再将井眼轨迹钻成向上翘的形式。相比普通直井来说，水平井穿过储层，与储层的接触面积更大，油气泄流面积更大，产量就更高。”水平井钻井技术包括随钻测量技术、井眼轨迹控制技术、井壁稳定技术、钻井完井液技术等。从垂直井段转变为水平井段的曲率半径越小，施工难度越大。2.2 水平井发展历史1863 年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；1870 年，俄国工程师在勃良斯克市
6、钻成井斜角达 60的井；1888 年，继瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器后，俄罗斯也设计出了测斜仪器；1929 年，美国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；20 世纪 30 年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；1954 年，苏联钻成第一口水平位移井；1964 年1965 年，我国钻成两口水平井，磨3 井、巴24 井；几十年来，人们从地下开采石油天然气的唯一途径就是钻井。然而，在很多情况下，如果没有钻井的条件，无法从经济的角度实施钻井，或者无法有效地钻井，这又该怎么办呢？随着科技的进步，人们已经可以偏离“直线”有效地钻井，并将钻具引导至设定的点，而这个点
7、是偏离井口垂直线的，这种钻井技术被称为“斜井钻井”。经历了很多年的斜井钻井技术，一种新的钻井技术再次横空出世，这就是水平井钻井技术。水平井钻井技术允许地下的井眼轨迹有很大的弯曲率，甚至能够实现 90的角度。自 80 年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型 PDC 钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。 我国水平井钻井在 90 年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。3在美国，1985 年以前是很少有水平井钻井一说的，直到人们在 Austin Chalk 区块进行勘探时才广泛地使用了水平井钻井的技术。如今，经过论证，水平井
8、钻井是进行储层开发的一个非常有效的途径。不过，水平井钻井这个概念并不是近代才提出的。事实上，早在 1891 年，罗伯特李（Robert E. Lee）就提交了水平井钻井的专利申请，用于为一口直井钻水平泄流井。2.3 水平井的分类一般情况下，水平井的主要特点是在直井的基础上，在到达造斜点后，以设计的造斜率造出近乎直角的角度，使井眼轨迹弯曲。因此，水平井按照曲率半径可分为三类。见表 2-1。表 2-1 水平井的分类类型 造斜率（/10 米） 曲率半径（米） 水平位移（米）超短半径水平井 - 0.30.6 3060短半径水平井 9146 612 30240中半径水平井 62.3 90240 3001
9、200长半径水平井 2 300 30012002.3.1 超短半径水平井超短半径水平井一般也叫做“泄流井”。井眼由专用工具钻出，下 1.25”2.5”油管，然后进行油管射孔。此类水平井不需要随钻测量、随钻测井工具。2.3.2 短半径水平井短半径水平井在进入水平段之前，直井段是否先下套管影响不大。在井斜小于90的井段，下入钻铤，保证一定的推压力，下面接具有较好扶正性的井底钻具组合，完成水平段的钻进。此类水平井的水平段一般为 4-3/4”或 6-3/4”井眼，不需要随钻测量、随钻测井工具。短半径水平井钻井技术可用于钻探非常规地层，包括煤层气、致密砂岩气藏等。然而，有一些油服公司正着手研发随钻测量工
10、具，用于 12 米曲率半径或 4.6/米造斜率的水平井，其包括螺杆、井斜和方位角感应器等工具。2.3.3 中半径水平井中半径水平井的造斜率为 62.3/10 米，曲率半径为 90240 米，水平段可长达 1200 米。该技术对目的层远离井场位置或储层较为分散的井非常有效，可使用常规4钻具、随钻测量、随钻测井工具、井底马达（螺杆），这样可以避免井底钻具组合的疲劳；采用双弯钻具组合可实现 2.3/10 米的造斜率，然后用常规可转向马达钻水平段。在使用 API（美国石油协会）标准的管具钻中半径上端时，由于受管具的弯曲度和扭矩限制，造斜角度也会受限。这种情况下，就需要设计小一点的井眼尺寸，保证管具的柔
11、韧度，进而实现最大狗腿度。2.3.4 长半径水平井长半径水平井的曲率半径一般大于 300 米，可水平方向远距离延伸，常用于延伸至海上储层。在一个平台上进行丛式钻井，多口井从一个平台向不同方向的储层延伸。在长半径水平井的钻井作业中，井底马达和旋转导向工具都比较适用。图2-1 不同水平井示意图（a、超短半径水平井；b、短半径水平井；c、中半径水平井；d、长半径水平井）2.4 水平井钻井的优点和缺点2.4.1 水平井钻井的优点传统的定向钻井或斜井钻井工艺与当代的水平井钻井工艺的不同之处在于：使用传统的定向钻井技术实现由垂直到水平的过程，需要 600 多米长曲率半径，但当代水平井钻井工艺实现水平所需的
12、曲率半径要小很多。而且，斜井适用于透镜状油气藏，而水平井更适用于网毯式油气藏。见图 2-2。5图 2-2 斜井和水平井示意图水平井钻井的有点包括但不限于：（1） 可降低底水锥进，省去后续修井作业的麻烦；（2） 以一定角度进入储层，增大井眼与储层的接触长度，井眼与产层的接触面积增大，可保证更高的油气产量；（3） 井眼周围的压力降低幅度更小，井眼周围的流体返速更慢，因此产砂量更低；（4） 泄流面积更大，泄流效果更有效，从而保证了更高的整体采收率；（5） 有些储层位于直井很难或者无法到达的位置，比如：位于城镇、湖泊或很难钻穿的地层下方，采用水平井钻井技术，可以在一个井场上，钻出多口井眼，向不同方位延
13、伸，这样可以减少钻机搬迁、井场建设、完井和生产设备的动复员成本。例如，在一个海上石油钻井平台上，可以钻出 40 口乃至更多的井眼。（6） 在油气井发生井喷，无法实施井控时，可以通过定向钻井法或水平井钻井技术在发生井喷的井附近钻一口泄压井，将发生井喷井内的高压引入到泄压井，然后通过地面泥浆泵向泄压井内泵注重浆（或压井液）实施压井。2.4.2 水平井钻井的缺点在石油天然气行业研发出井下马达和井斜、方位角测量工具之前，钻一口定向井或水平井的工期要比钻一口直井的时间长很多，因为在钻定向井或水平井时，每钻进一定深度就需要测斜，而且水平井钻井的机械钻速一般都非常的慢，从而导致井下马达的入井时间也受到影响，
14、不得不在马达的规定时间内进行起钻并更换马达或钻头。测斜时，不同井深和井斜对测斜工具的要求也不同，进而造成施工成本的增加。井斜小于 40时，测斜工具或其他测井工具可在重力作用下送至预定井深；井斜更大6时，需要特殊设备将测斜、测井工具推送至预定井深，而这些设备的动员费和作业费往往都是很高的。大斜度井的另一个缺点是：大斜度井在井斜较大的井段容易形成砂床，对钻具和其它入井工具容易造成较大的卡钻风险。一旦出现卡钻问题，就需要进行解卡或打捞。如果打捞不成功，就会造成炸掉钻具、倒灰弃井的严重后果。为了避免上述问题的发生，在做施工设计时，还需要考虑控砂设备的投入，这无形中也增大了工作量和施工成本。水平井钻井的
15、工艺流程是：从地面钻至“造斜点”（位于目的储层上方），然后偏离垂直轨迹，以特定半径钻出曲线形井眼与储层相交并进入储层，并保持近乎垂直的角度在储层内穿过，直到钻头到达设计井底方位。大部分的油气储层在水平方向的分布要比垂直方向（厚度）的分布广很多。所以，在平行于储层分布较广的水平方向钻出的井眼与储层岩石接触的面积要比从垂直方向钻穿储层的井眼与储层岩石的接触面积要大很多。通过水平井钻井能够很好地解决钻井上的技术难题，不过这种技术的开销非常大。以相同深度的相同地层为目的层，钻水平井的成本要比钻直井的成本高三倍。出于这个高成本的原因，水平井钻井技术目前只在直井无法带来巨大经济回报的前提下使用。如果油藏渗
16、透性好、油藏上方无气顶、无水驱，这种情况下就不需要采用水平井技术，因为直井同样能带来相同的采收率，而且成本远低于水平井。如果储层岩石渗透性差（尤其在水平方向），或者存在严重的底水锥进，这种情况下就推荐采用水平井技术，其带来的油气产量将是直井钻井的 2.57 倍，也就代表了更高的投资回报。7第 3 章 国内外水平井钻井技术的应用3.1 水平井钻井技术在国内的应用2012 年，中国石化大约完成 1000 口左右水平井，中国石油共完成水平井 1701 口，全年国内约新增水平井 2300 口。在中国石油完钻的水平井中，国内 1351 口，国外 350口，创历史之最。国内油井水平井单井平均日产 7.7
17、吨，用占国内油井总数 2.2%的水平井产出中国石油 7%的原油，攀上效益高峰。图 3-1 中国水平井数量变化示意图水平井被誉为提高单井产量的“金钥匙”。虽然技术复杂度高、实施难度大，但水平井单井日产量平均为直井的 4 倍以上，投入产出比在多种井型中可谓鹤立鸡群。2012 年，面对老油田开发程度高、新资源低品位、单井日产不断降低等挑战，中国石油将水平井作为转变发展方式、提升勘探开发质量的突破口和切入点，强力推进水平井规模应用上台阶。这一年，水平井应用领域不断开拓，贯穿油气勘探、油藏评价和产能建设全过程。在开发方面，水平井在不同类型油气藏及油气田不同开发阶段均取得显著成效。水平井实施方阵不断壮大，
18、已经从个别油气田发展为集团公司整体行动，从被动变主动。辽河油田实施水平井，“复活了”濒临废弃的油田；大庆油田利用水平井对综合含水率 92%以上的油田深入挖潜；苏里格地区水平井新建产能比例超过 50%。3.2 水平井钻井技术在国外的应用最新数据显示，2012 年加拿大所钻油气井中，有 55%是水平井，相比 2007 年增加了 50%；水平段平均长度是 5960 英尺。截止到 2013 年 8 月，加拿大共钻了 4837 口水平井，这个数字不包括实验井和测试井，相比 2012 年前八个月的水平井总数 4541 口8增加了 6.52%。加拿大还计划在未来的十年里以逐年递增的速度加快打水平井的步伐。由
19、此可以看出，非常规水平井钻井技术正演绎为一种进入油气储层的常规手段。图 3-2 加拿大完钻水平井数量统计图如表 3-1 所示，截止到 2013 年 7 月 26 日，美国有 1776 台钻机在油气田进行石油天然气开采作业。其中，进行水平井钻井的钻机有 1067 台；定向井作业钻机有 287 台；直井作业钻机有 422 台，相比 2012 年同期减少了 111 台。在美国主要的石油天然气产区进行钻探作业的钻机数量分别为：奥克拉荷马州 176 台、德克萨斯州 848 台、科罗拉多州 70 台、加利福尼亚州 42 台、西佛吉尼亚州 27 台、路易斯安那州 103 台、怀俄明州 53 台、俄亥俄州 3
20、4 台、犹他州 31 台、阿肯色州 13 台、新墨西哥州 79 台、宾夕法尼亚州 53 台、阿拉斯加州 7 台、北达科他州 171 台、堪萨斯州 25 台。表 3-1 2012、2013 年美国钻机数量统计表 （数据来源：美国能源信息署）日期2012 年钻机总数（台）2013 年钻机总数（周统计数）油井钻机总数（周统计数）气井钻机总数（周统计数）油/气/其他井钻井比例（%）11/08/2013 1,806 +12 1,754 +7 (1,383) +5 (365) 79 / 20 / 111/01/2013 1,800 +4 1,742 +19 (1,376) -16 (360) 79 / 2
21、0 / 110/25/2013 1,826 -1 1,738 -4 (1,357) +4 (376) 78 / 21 / 110/18/2013 1,839 -4 1,739 -6 (1,361) +3 (372) 78 / 21 / 110/11/2013 1,835 -13 1,743 -5 (1,367) -9 (369) 78 / 21 / 110/04/2013 1,837 +12 1,756 +10 (1,372) +2 (378) 78 / 21 / 109/27/2013 1,848 -17 1,744 -7 (1,362) -10 (376) 78 / 21 / 109/20/2013 1,859 -7 1,761 +8 (1,369) -15 (386) 77 / 22 / 1
