水平井技術發展的歷程

■ 安飛

水平井技術是20世紀80年代石油界迅速發展并日臻完善的一項綜合性配套技術，以提高油氣產量和提高油氣采收率為根本目標，近幾十年國內外大量水平井案例充分證明了水平井技術是石油工業發展過程中的一項重大突破，為石油工業帶來了巨大的經濟效益。

Leo Ranney是水平鉆井技術的先驅者，出生于1884年，是一名地質學者和工程師。1939年，Leo Ranney鉆出了世界上第一口水平井。他首先鉆了一口大半徑的直井，然后安排人力和設備在井底進行水平鉆井。他還向多個方向水平鉆進，因此，他不僅鉆了第一口水平井，還可能建立了第一口多分支水平井。

20世紀40～60年代，水平井技術整體上處于探索研究階段。40年代，美國、蘇聯等國鉆了一批水平試驗井，因受當時技術水平所限，各項技術不配套，雖然能鉆成水平井，但難以用于生產。50年代，水平井仍限于淺層非膠結地層的超短半徑鉆井（約15米），主要是在美國和蘇聯（43口）應用。60年代，美國ARCO公司鉆水平井以解決油井產水問題，加拿大Esso公司鉆水平井是為了開采重油油藏。

20世紀70年代，原油價格上漲，但反復動蕩，石油已成為各國爭奪的戰略性資源。期間，計算機、無線隨鉆測量、適合多種地層的高效PDC鉆頭等技術工具的出現為水平井鉆井創造了更便利的條件，水平井技術研究逐漸引起人們的重視。

20世紀80年代，世界油氣新發現日益減少，邊遠低難資源所占比例越來越大；老油田提高采收率遇到技術瓶頸；一些特殊油藏利用直井已無法進行開發，或者開發效益很低；再加上國際油價低迷，因此石油行業需要大幅度降低經營成本。與此同時，導向螺桿鉆具、可轉向鉆井液馬達、隨鉆測量（MWD）儀器、井眼軌跡控制理論和井下摩阻/扭矩計算方法、VDS等技術的演化幫助水平井鉆井技術從幾何導向向地質導向階段發展，水平井技術研究蓬勃發展，文獻數量不斷增多，水平鉆井技術的效益也得到很大改善。現場應用中，1982年，法國Elf Aquitaine公司首先將水平井引入石油行業，開發意大利亞得里亞羅斯伯海上一個碳酸鹽巖稠油油藏。1984年，英國石油和ARCO公司在印尼油田；1985～1987年，Oryx Mobil Amoco和聯合太平洋資源公司在美國得克薩斯州白堊紀地層等一系列的水平井鉆井先導性試驗，均證明了水平井技術具有經濟可行性。美國主要利用水平井解決得克薩斯州奧斯汀裂縫性白堊紀地層開采問題，實踐表明，當水平井段垂直穿過裂縫時，會取得非常高的產量。Oryx、UPRC等公司鉆水平井來貫穿天然裂縫獲得高產。這些現場活動促進了水平井的大規模鉆井，水平井的鉆井長度也隨著實踐不斷增大。1979年，Elf Aquitaine公司在井深700～2800米處鉆成了四口水平井，水平井段長度為300～700米；1986～1987年，加拿大鉆成長度為1223米的水平井。整個20世紀80年代，水平井在世界產油區的數量急劇上升，但在此期間主要處于單井采油階段。

20世紀90年代，國際油價陷入低迷時期，石油公司大量裁員并壓縮投資以適應世界石油市場的急劇變化，油氣開發進入了依靠高新技術取勝的時代。此時的鉆井觀念正在經歷重大轉變——鉆井不僅僅打開油氣通道，更是提高油氣勘探成功率和油氣田采收率的手段。這一時期也涌現了很多優化鉆井的新技術工具，不僅提高了鉆井速度，還明顯降低了油氣勘探開發成本，如隨鉆測井LWD（不僅可頂部驅動裝置）、電動全旋轉導向工具、閉環導向鉆井技術等，都可以提高復雜結構井控制井身軌跡。以上因素有力地推動了水平井、分支井、側鉆井、欠平衡井、小眼井以及大位移井等復雜結構井的發展。水平井技術在美國、加拿大、法國等國得到了工業化應用，成為一項成熟的提高采收率技術。截至1999年5月底，全球約鉆了2萬口水平井，其中美國8998口，加拿大8221口。

21世紀，世界油氣面臨眾多新挑戰，為油氣開采技術的發展提出了新要求和新機遇。水平井已經成為世界產油國開發各類油氣藏的重要手段，水平井技術更加完善，經濟效益更高。截至2000年底，全球水平井達24000口。根據2001年世界商業數據庫（包括72個國家34777口水平井記錄），加拿大和美國的水平井鉆井數量遙居世界前列，分別是18005口和11344口，除北美外，其他地區共鉆了5400口水平井，包括俄羅斯、委內瑞拉、阿曼、阿聯酋、尼日利亞、沙特阿拉伯和印尼。截至2003年底，全球水平井數量超過3萬口，仍主要位于美國和加拿大。水平井在北海地區的鉆井數量也不斷上升，實現了與智能井系統的結合，特別是多分支和智能井系統的共同應用，大規模降本和提高采收率，已經成為油藏管理的重要手段。

圖1 主要國家歷年水平井文獻數量變化曲線

在水平井技術研究方面，美國、中國和加拿大的研究成果始終保持世界前列（圖1），尤其是自2007年以來的10年間，這三個國家的水平井技術文獻呈飛躍式發展，研究內容集中在用水平井進行儲層評價、水力壓裂開發頁巖等難采儲量等方面，這與頁巖氣革命、頁巖油和致密油等非常規資源的大量開發有著密切關系。

目前，水平井的研究方向可以分為12個主要領域，包括鉆完井、產能研究、壓裂等。水平井研究主要經歷兩個高峰期，分別為20世紀90年代和2007年以后。20世紀90年代主要是隨著人們鉆井觀念發生了重大轉變，把水平井作為提高油氣勘探成功率和油氣田采收率的有效手段；2007年后，隨著美國頁巖氣的開發，又一次出現水平井研究熱潮。水平井壓裂是開發超低滲低孔儲層的關鍵技術，也是當前水平井技術研究和應用的熱點。水平井與水力壓裂結合技術開發致密（頁巖）油氣在美、加的巴肯地區以及中國鄂爾多斯延長組、四川盆地頁巖氣藏已經得到了大規模應用，并幫助美國和加拿大的致密油產量取得大幅提升，逆轉了該地區石油產量下降的趨勢。