水平井鉆井技術(shù)在石油開發(fā)中的發(fā)展應(yīng)用

高文濤(中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井一公司長慶項目部，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

作為工業(yè)的血液——石油，依然在世界政治經(jīng)濟中扮演著極端重要的角色，對其的需求也與日俱增，促使各國將石油開發(fā)的目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)移到開發(fā)難度大的致密型油、發(fā)育較差的儲層中，也因此促使一些新興鉆井技術(shù)發(fā)展起來。水平井鉆井技術(shù)作為其中最具代表性的鉆井技術(shù)，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用開來，成為保障能源安全的重要開發(fā)技術(shù)。所以需要對其在石油能源勘探開發(fā)中的實際運用展開相關(guān)研究。本文從水平井鉆井的技術(shù)現(xiàn)狀入手，綜述了該項技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了該項技術(shù)實際應(yīng)用中存在的問題，提出了確保該項技術(shù)順利實施的應(yīng)用措施，并對其在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用效果進行了詳述，為該項技術(shù)的發(fā)展提供較為詳實的內(nèi)容。

1 水平井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 基本概念

自水平井的理論在石油開發(fā)中出現(xiàn)開始，對其的定義均限制在小于90°的水平傾角范圍內(nèi)的一定長度的井段。而在油層中保持長度超過1 000 m的水平井稱之為長水平段水平井[1]。該項技術(shù)與定向鉆井技術(shù)的發(fā)展基本同步，可以保證鉆頭在儲層中有效鉆進，提高施工效率。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

水平井鉆井技術(shù)具有定向鉆井技術(shù)和直徑鉆井技術(shù)的較多優(yōu)點，并且具備其他技術(shù)不能涉及到的技術(shù)優(yōu)點。一是該項技術(shù)能夠依據(jù)定向鉆井技術(shù)，有效控制鉆頭沿著儲層逐層鉆進，大大提高了鉆遇率，有效增加了泄油面積，最終能夠確保單井產(chǎn)量的提升；二是該項技術(shù)的應(yīng)用過程，也同樣是幫助技術(shù)人員進一步認識地層的過程，能夠更為全面地了解開發(fā)層段，收集更為詳細的資料，以便給出更為科學(xué)的開發(fā)方案；三是能夠極大帶動鉆井技術(shù)的集成化科技研發(fā)和應(yīng)用，在叢式水平井、智能化水平井工程模式等方面，推進了鉆井工程領(lǐng)域的科技進步，使得鉆井工程技術(shù)層面的工藝逐步多樣化、自動化、智能化、集成化和信息化；四是從總體成本上對比，水平井鉆井技術(shù)的成本相比于其他技術(shù)成本具有優(yōu)勢，產(chǎn)生的附帶污染也較低，避免過多的開發(fā)浪費情況發(fā)生。

1.3 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

水平井鉆井技術(shù)最初伴隨定向鉆井技術(shù)應(yīng)用在低滲透性、裂縫發(fā)育、氣頂與底水油藏等地質(zhì)條件的儲層中，取得了理想的效果，其優(yōu)點也逐漸被推廣應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為從裂縫性碳酸鹽巖到頁巖，從砂巖到煤層等寬領(lǐng)域的鉆井技術(shù)，能夠最大程度開發(fā)已經(jīng)處于開發(fā)末期的儲層、致密型油氣藏等類型，在注采兩端都發(fā)揮著極為重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)多層開發(fā)、精細化油藏再認識、科學(xué)調(diào)整注采剖面等多重目標(biāo)，成為現(xiàn)在能源開發(fā)行業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 水平井鉆井技術(shù)存在的問題

2.1 配套設(shè)備限制

與國際上水平井鉆井技術(shù)的成熟發(fā)展和應(yīng)用相比，我國在部分水平井鉆井方面還存在一些差距，尤其是水平井鉆井相關(guān)技術(shù)配套石油機械方面。國內(nèi)很多設(shè)備仍然是傳統(tǒng)的設(shè)備類型，維修維護較為頻繁，設(shè)備穩(wěn)定性不理想，而購買國外的進口設(shè)備，不僅價格昂貴，還容易影響國內(nèi)設(shè)備制造商的積極性，從而出現(xiàn)了設(shè)備與技術(shù)發(fā)展匹配的情況。這需要國內(nèi)石油機械行業(yè)從業(yè)者，加快技術(shù)革新步伐，迎頭趕上，打破設(shè)備卡脖子的瓶頸，推動國內(nèi)水平井鉆井技術(shù)再上新臺階。

2.2 地質(zhì)條件限制

影響水平井鉆井質(zhì)量和效率的限制條件，首先是地質(zhì)條件的發(fā)育優(yōu)劣程度。尤其是水平井多用于縱向和平面發(fā)育差異性較大的區(qū)塊，往往跨相發(fā)育的地層影響了效率，一方面需要針對復(fù)雜的地質(zhì)條件進行詳細的識別，另外不同類型的地層鉆進速度方案也不同，從而影響了水平井鉆井的速度。針對此類情況，一般采用直徑較大的鉆孔以提升鉆井速度。

2.3 摩阻扭矩限制

對水平井鉆井影響較大的另一個限制條件，就是摩阻扭矩對鉆進的限制阻礙。尤其是長水平段的水平井鉆井，當(dāng)超過1.2 km的距離后，水平井段的摩阻扭矩已經(jīng)出現(xiàn)影響軌跡前行的跡象。如果水平井鉆井的鉆具體系構(gòu)造極為繁瑣，容易導(dǎo)致鉆具橫臥在水平井井壁的最下端，一旦整個鉆具體系與井壁最下端處沉積的巖石碎屑攪在一起，容易卡住。此外，由于巖屑在鉆進軌跡中會一定程度地污染鉆井液，更容易降低鉆進所需的潤滑效果。

2.4 固井條件限制

水平井鉆井技術(shù)對固井的要求較高，尤其是在斜井段和水平段的高邊區(qū)域按照水袋的形式保障水泥與水平井壁的固井質(zhì)量達到理想效果，經(jīng)常會需要在鉆進過程中，在泥漿內(nèi)混入一定比例的原油液體，以降低摩阻?？墒牵?dāng)水泥凝結(jié)時由此會形成部分縫隙，影響了固井的整體效果和穩(wěn)定性。此外，還有在凝析油氣儲層中鉆進時，部分油氣也會摻入泥漿，影響固井質(zhì)量。一旦水泥凝結(jié)后帶有縫隙，在強大的振動下，輕則導(dǎo)致脆性裂紋，重則導(dǎo)致斷裂，嚴重影響水平井鉆井的質(zhì)量。

2.5 人力資源限制

由于水平井鉆井技術(shù)尚屬于較為先進的鉆井技術(shù)，與理論知識結(jié)合較為緊密，而國內(nèi)當(dāng)前該技術(shù)應(yīng)用方面的人員相關(guān)的培訓(xùn)較少，基本從實踐中摸索和掌握部分重要技術(shù)內(nèi)容，影響了基礎(chǔ)知識和技術(shù)的儲備厚度。而且鉆井隊伍的流動性較強，隊伍長期穩(wěn)定性較差，加之部分民營個體承包商為了成本而很少在培訓(xùn)方面投入資金，各類因素導(dǎo)致了在水平井鉆井技術(shù)方面的人力資源較為匱乏。

2.6 泥漿密度限制

鉆進過程中需要用到大量泥漿，如果泥漿的相對密度與鉆孔工作不匹配，出現(xiàn)過大或者過小的情況，會嚴重影響鉆孔的效率，過大的相對密度會導(dǎo)致鉆具被膨脹，出現(xiàn)較大摩阻扭矩；而過小則會出現(xiàn)反力損壞鉆柱，故泥漿相對密度問題需要高度重視。

2.7 過程穩(wěn)定限制

水平井鉆井過程不同于直井，其經(jīng)常存在彎曲造斜的情況，一旦水平井的井筒彎曲度沒有控制好，就極大考驗鉆柱的剛度和硬度。若是鉆柱質(zhì)量不佳，就容易出現(xiàn)脫離方案軌跡的情況。所以水平井鉆進過程中的穩(wěn)定對于整體質(zhì)量極為重要，一旦出現(xiàn)問題，嚴重影響水平井鉆井的施工效益。

3 水平井鉆井技術(shù)關(guān)鍵措施

3.1 精益套管管理

為了防止石油鉆井過程中的坍塌事故，避免井下壓差過大而導(dǎo)致摩阻引發(fā)鉆進故障，需要對下套管工作進行精益管理：一是詳細分析下入機械的重量總體與極限的具體量級；二是計算出下入后的摩阻損失；三是總體重力損失。通過全過程重力和摩阻的精益管理，簡化頂部驅(qū)動時循環(huán)鉆井液，整合優(yōu)化升級水平井鉆井整體項目。同時，依靠技術(shù)人員的精益管理和控制輔助作業(yè)單元，全力保障該技術(shù)鉆進功能的順利實施。

3.2 精確控制軌跡

在實施水平井鉆井技術(shù)時，應(yīng)對整體鉆井過程進行綜合研判和科學(xué)分析，提高整體項目的品控水準(zhǔn)，依托技術(shù)創(chuàng)新手段運用井底預(yù)測技術(shù)，精確把控井身軌跡。尤其是直井段的井身軌跡，避免出現(xiàn)偏移，完整保持整體的井身結(jié)構(gòu)控制。此時要采取必要的保障技術(shù)來精確控制井身軌跡。經(jīng)常采用的相關(guān)技術(shù)，包括軌跡跟蹤預(yù)測技術(shù)、隨鉆軌跡監(jiān)測和控制技術(shù)，以及導(dǎo)向鉆井技術(shù)。

一是采用軌跡跟蹤預(yù)測技術(shù)，在水平井鉆井過程中，運用科學(xué)的施工技術(shù)在保持流程完整的基礎(chǔ)上，維持造斜技術(shù)的鉆井效果，需要采用該項預(yù)測技術(shù)來綜合判斷和預(yù)測實際的井斜質(zhì)量，實時根據(jù)鉆進數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析和調(diào)整。二是在鉆進過程中，尤其是在深度鉆井項目，充分運用隨鉆軌跡監(jiān)測和控制技術(shù)，能夠準(zhǔn)確選擇隨鉆監(jiān)測設(shè)備和精確計算方法，按照流程和制度要求，滿足現(xiàn)場與方案的結(jié)合性。目前國內(nèi)采用的是MWD無線隨鉆測量設(shè)備，實時測量井眼的軌跡情況，提高軌跡控制的精確性。三是使用導(dǎo)向鉆井技術(shù)來實現(xiàn)水平井鉆井過程中造斜井段的精確控制，實時結(jié)合井下地質(zhì)參數(shù)變化情況，科學(xué)選擇轉(zhuǎn)盤鉆和定向造斜井結(jié)合部位，實現(xiàn)對井身軌跡的精確調(diào)整和控制，不僅能夠滿足施工要求，還能夠保障水平井鉆井全過程安全可靠。

3.3 精準(zhǔn)處理剖面

在水平井鉆井過程中，其剖面長半徑、中半徑和短半徑全系列的科學(xué)計算與統(tǒng)一處理對于水平井整體項目的安全極為重要。要精準(zhǔn)確保剖面半徑的處理水平達到方案標(biāo)準(zhǔn)，通常在水平井設(shè)計階段對半徑維護就要進行詳細分析。施工階段經(jīng)常使用長半維護和短半維護，而在過程中更多采用曲殼驅(qū)動法，有效規(guī)避滑動摩阻帶來的各類安全隱患風(fēng)險，結(jié)合無線隨鉆測量的軌跡監(jiān)測和控制技術(shù)，有效避免超過極限的拉力問題。

3.4 精細清理井眼

在水平井鉆井技術(shù)實施過程中，按照軌跡類型基本分為水平段和造斜段，在水平段的鉆進過程中，規(guī)模較多的水、泥漿混合物、巖屑等雜物會大量產(chǎn)生，需要及時地返排到地面，否則會長期積累影響鉆進，影響鉆井質(zhì)量，真實導(dǎo)致卡鉆發(fā)生。所以，為了順利保障水平井鉆井的精確實施，需要高度重視巖屑返排工作，特別是在造斜井段的過程中尤為需要注意，謹防沒有排出的巖屑進入后續(xù)開采的石油和注入水中，導(dǎo)致油品質(zhì)量和注入水質(zhì)量受到影響。在此過程中，一定要按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴謹?shù)膱?zhí)行，切不可大意導(dǎo)致問題發(fā)生。

3.5 精密控制范圍

水平井鉆井中的井下總體布局規(guī)劃需要在設(shè)計階段，結(jié)合前期資料落實有效的預(yù)判和分析，并在鉆井全流程中實時再分析和再認識。這對水平井鉆井的預(yù)前方案合理性提出了極高的要求，并依托于隨鉆監(jiān)測設(shè)備的精確應(yīng)用，能夠?qū)崟r反應(yīng)鉆進空間的邊界預(yù)判，以確保施工中鉆孔空間的邊界范圍可控，結(jié)構(gòu)能夠保持完整有效。除了方案和設(shè)備因素外，過程中液位和偏斜質(zhì)量的有效監(jiān)督到位，也是能夠確保隨鉆數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確的保障，由此來精密的控制鉆進空間的合理性，規(guī)避返工修整等不必要的后續(xù)工作。

3.6 精專鉆柱管理

水平井鉆井工程的全流程安全重要保障之一就是鉆柱的強度管理，在保證其抗壓強度的基礎(chǔ)上，才能滿足造斜結(jié)構(gòu)的精確目標(biāo)和方案要求。所以需要高度專注對鉆柱的強度管理，首先從方案源頭上確保能夠?qū)崿F(xiàn)的管柱水平與管理能力相匹配；二是專注于最大程度減少摩阻扭矩的影響，尤其是對長水平段水平井鉆井，要合理選用對口工具降低摩阻扭矩，也能極大降低水平井鉆井的事故發(fā)生率，確保項目的平穩(wěn)實施。

3.7 精湛技術(shù)工作

石油開發(fā)離不開科學(xué)技術(shù)的支持，而水平井鉆井作為技術(shù)綜合性較強的鉆井技術(shù)，同樣依賴于技術(shù)的支撐，故需要切實做好相關(guān)技術(shù)的保障措施。一是在鉆進傾角和造斜階段時，要科學(xué)計算和分析斜角的量級以合理選擇適當(dāng)?shù)你@具，尤其是在坡度極小的情況下，采用無磁鉆桿等鉆具；二是在水平井鉆井整體施工過程中，構(gòu)造學(xué)和機械設(shè)備的合理運用與質(zhì)量保證，對實時鉆進的監(jiān)測起著重要作用，確保鉆進力的合理控制；三是降低摩阻的專用工具質(zhì)量要高，避免過大摩阻扭矩影響水平井鉆井施工。此外，控壓鉆井技術(shù)的運用對確保水平井井下壓力保持平衡狀態(tài)也極為有效[2]。

4 水平井鉆井技術(shù)國外應(yīng)用效果概況

1929年美國第一口水平井的問世就獲得了高產(chǎn)[3]。目前在國內(nèi)外的各類油田中均能夠看到水平井鉆井技術(shù)的應(yīng)用，比較集中在致密型、豐度低、物性不佳、裂縫發(fā)育的油藏區(qū)域，以解決直井鉆井不能觸及的油藏范圍，極大地提高石油開發(fā)效率。

而我國近年來的水平井鉆井方面的技術(shù)實力也發(fā)展較快，大慶油田、長慶油田等各大油田逐年加大了水平井鉆井工程技術(shù)推廣的力度。目前國外每年大約2 000口水平井鉆井施工項目，國內(nèi)是200口左右，并呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢。得益于水平井的優(yōu)勢，尤其是長水平段水平井鉆井技術(shù)，能夠極大提高油藏的泄油面積，有效提高單井產(chǎn)量和采收率，經(jīng)濟效益較好，能夠鉆進貫穿較長的儲層。所以在非常規(guī)油氣藏和老油田增產(chǎn)方面廣泛運用[4]。從當(dāng)前情況看，水平井鉆井技術(shù)在促進石油能源產(chǎn)量方面已發(fā)揮出突出的功效，可以極大地促進石油產(chǎn)量的提高，遠景展望看好。

5 結(jié)語

雖然水平井鉆井技術(shù)得益于其優(yōu)勢，在國內(nèi)的推廣應(yīng)用較快，但是在配套設(shè)備和相關(guān)技術(shù)，以及人力資源方面還需要不斷地提升和完善，確保項目施工質(zhì)量和進度，最終完成石油開發(fā)的生產(chǎn)目標(biāo)。在此過程中，除了要及時汲取國外先進經(jīng)驗之外，獨立自主的創(chuàng)新發(fā)展更為重要，依靠技術(shù)的不斷發(fā)展，提升我國石油開發(fā)的綜合實力。