北美頁巖油氣長水平段水平井鉆井實踐與啟示

光新軍 葉海超 蔣海軍

中國石化石油工程技術研究院

長水平段水平井可在更大程度上提高儲層接觸面積，是提高單井產量和油氣最終采收率、降低鉆完井作業成本、提升經濟效益的重要手段。在低油價和新冠疫情疊加的背景下，北美頁巖油氣公司不斷開展長水平段水平井實踐優化，取得了諸多進展。目前，3048m(10000ft)長水平段鉆井已成為一項常規技術，6096m(20000ft)長水平段鉆井技術也在不斷成形。通過調研北美頁巖油氣長水平段水平井鉆井現狀，分析主要油氣公司采用的關鍵鉆井技術，結合我國頁巖油氣水平井鉆井現狀及技術需求，提出了長水平段水平井鉆井技術發展建議，助力我國頁巖油氣增儲上產和降本增效。

1 頁巖油氣長水平段水平井鉆井現狀

隨著鉆完井技術的不斷進步及對油氣勘探開發降本增效的迫切需要，北美頁巖油氣水平井水平段長度呈現不斷增加趨勢。以美國二疊盆地為例，2013年前，大部分井水平段長度在1524m (5000 ft)以下。自2014年以來，國際油價下跌對頁巖油氣開發產生了一定的影響，作業者開始嘗試使用更長的水平段提高開發效益，水平井鉆井轉向了2438.4 m(8000ft)以上水平段水平井。僅在2018年，就有超過30%水平井的水平段長度超過3048m (10000 ft)，圖1是2010—2018年二疊盆地水平井水平段長度演變過程［1］。Cimarex，Pioneer, Concho, Oxy, Devon等主要作業者在二疊盆地的水平井水平段平均長度分別為2758.44m(9050ft)、2743.2(9000ft)、2456.08 m(8058ft)、2403.04m(7884ft)、2286 m(7500ft)。得益于長水平段水平井鉆井技術，二疊盆地產量快速增長，2019年石油產量52.1×104t/d，占美國總產量的46.6%。2023年產量有望增加到76.7×104t/d，增幅將達47.3%［2］。

在Utica頁巖區，Eclipse資源公司不斷刷新長水平段水平井鉆井作業紀錄。2016年，該公司完鉆的第1口超級水平井PurpleHayes1H水平段長度5652.21 m (18544ft)，總井深8239.96 m (27034ft)，鉆井周期僅17.6d，采用124級射孔壓裂，鉆完井成本比鄰井作業成本降低30%以上，投產一年后油氣產量超出預期［3］。2017年完鉆的GreatScott3H超級水平井總井深8351.52m(27400ft),水平段長5 882.64m(19300ft)，鉆井周期18d。隨后又成功鉆成了第3口超級水平井C11H井，該井水平段長度5 943.6m(19500ft)，打破了該公司的新紀錄，且鉆井周期僅17d。水平長度不斷增加的同時，通過技術創新，作業效率也得到大幅提升，EQT公司利用貝克休斯公司旋轉導向系統和遠程專家決策系統等在該地區實現造斜段+水平段共6215 m一趟鉆鉆井紀錄，創造了日進尺2038m的快速鉆井紀錄［4］。

圖1 2010—2018年二疊盆地水平段長度變化Fig.1Length variation of thehorizontal sections in the Permian Basin in 2010—2018

2 頁巖油氣長水平段水平井鉆井實踐

2.1 Range資源公司Marcellus區塊

2018年，Range資源公司成功完鉆2口水平段分別為5448.3m (17875 ft)和5544.92m (18192 ft)的水平井，打破了Marcellus區塊水平井水平段長度的紀錄。2012—2018年，Range公司水平井水平段長度穩步增加，并通過提高機械鉆速(ROP)，減少非生產時間、接單根時間與起下鉆時間，使水平井段單位英尺的成本顯著降低。2012年水平井的平均水平段長度為951.89 m(3123ft)，2018年平均水平段長度達到3088.54 m (10 133ft)，提高了324%，如圖2所示。2018年，Range公司約有78%的井水平段長度超過2 438.4 m (8 000 ft)，其中超過4 267.2 m (14 000 ft)的井占比達18%。水平段長度增加的同時，通過不斷優化鉆機配置、定向工具、鉆井液、鉆井參數、下套管技術等，使鉆井作業效率不斷提高，作業成本大幅下降。2012—2018年，單位英尺水平段長度的施工成本降低了69%［5］。

2.1.1 鉆機及配套設備

圖2 Range公司2012—2018年水平井水平段平均長度變化情況Fig.2 Variation of the average length of the horizontal sections of Range Company in 2012—2018

隨著所開發目標儲層的多樣化，對鉆機的要求也不斷變化，鉆機的改進主要包括：移動系統、高性能泥漿泵、高功率頂驅系統以及鉆機排管能力。對于Marcellus區塊的井，1193.12kW (1600HP)泥漿泵是標準配置，但Range公司的兩臺鉆機卻使用了1491.4 kW (2000HP)的超大規格泥漿泵，泥漿泵的額定壓力由34.47 MPa (5 000 psi)增加至51.71 MPa(7 500 psi)，以滿足水平井段延伸的需要。增加泵壓可提高環空流速，實現井眼的清潔，同時可為旋轉導向工具提供額外的動力。頂驅載荷5 000 kN，能夠實現50 808.75 N · m(37 500 ft · lbs)最大連續扭矩。絞車1 118.55 kW (1 500 HP)，具備3 337.5 kN (750 000 lbs)起升能力，?127 mm(5 in)鉆桿起升長度達到6 553.2 m (21 500 ft)，同時鉆機具有全負重步進式井間或平臺間自主搬遷能力。鉆機的升級改進減少了現場所需鉆機數量，且提升了鉆機施工效率。

2.1.2 定向鉆井工具

隨著水平井長度的增加，定向鉆井工具也發生了相應的改變，2006—2016年，3 048 m(10 000 ft)以內水平段水平井主要采用PDC+彎螺桿和MWD工具，螺桿彎度1.5°~2.12°。當平均水平段長度達到1 828.8 m (6 000 ft)時，鉆具有效滑動和保持工具面一致的能力受到影響，使用了地面自動旋轉控制系統［6］，根據地面和井下環境自動施加扭矩，最大限度減少摩擦阻力；水平段長度超過2 133.6 m(7 000 ft)后采用水力振蕩器減少托壓［7］；2017年鉆井水平段長度增加到3 048 m(10 000 ft)以上后，使用旋轉導向工具代替傳統的定向工具，同時提升井下數據傳輸系統的性能，使定向鉆井工程師同時監控多口施工井，降低鉆井施工的成本。實踐證明，水平段長度超過3 048 m(10 000 ft)時，旋轉導向工具并不是唯一的定向控制工具，但其必須與合適的鉆機和鉆井液組合配合，才能充分發揮其潛力。

2.1.3 鉆井液

在超長水平段鉆井過程中，鉆柱摩阻明顯增加，需要對鉆井液體系進行適當改進。開始鉆水平段長達3 048 m(10 000 ft)的水平井時，Range公司利用較為昂貴的油基鉆井液替代低成本的水基鉆井液，相比先前使用的水基鉆井液，油基鉆井液具有極佳的潤滑性，可抑制黏土膨脹，并維持井壁穩定。采用油基鉆井液雖然帶來作業成本的增加，但降低了井下復雜事故，綜合效益得到提升。

2.1.4 鉆井參數優化

Range公司在Marcellus區塊鉆井施工中，采用高鉆壓、高轉速、大排量鉆井技術，將泥漿泵額定壓力由34.47 MPa (5 000 psi)增至51.71 MPa (7 500 psi)，平均鉆壓控制在120~200 kN，轉速控制110~200 r/min，排量控制在33 L/s，造斜率10~12(°)/30 m，泥漿泵泵壓控制在35 MPa左右，極大提高了鉆井速度。鉆井速度由2012年的79.25 m/d提高到2018年的329.18 m/d，提高了315.38%。同時，通過維持合理的鉆井液密度，監控泵的壓力與扭矩，實現井眼清潔，并持續觀察振動篩處的巖屑來化解潛在的問題，保持井眼穩定，減少非生產時間。

2.1.5 套管浮力系統

長水平段水平井完鉆后，需要將生產套管成功下入井底，固井后實施有效的增產作業。為了確保成功，Range公司在絕大多數井中使用了套管浮力系統。該系統通過密封閥隔離套管上下管柱，管柱垂直部分充滿液體，能夠為下套管提供推力；而水平段管柱充滿空氣，為套管柱提供浮力，減少下套管滑動摩擦50%以上。在下套管前，通過管柱摩阻分析確定密封閥的安裝位置，套管下入預定深度后，通過地面加壓，使密封閥剪切破碎，套管下部充滿流體，將密封閥碎片循環返回地面，其原理如圖3所示［8］。套管浮力系統在不影響下套管和固井作業的情況下，顯著縮短了固井時間，降低了作業成本，在Macellus頁巖區的長水平段水平井廣泛應用，成功率達100%。

圖3 套管浮力系統原理圖Fig.3 Principle diagram of casing buoyancy system

2.2 OXY公司二疊盆地Delaware區塊

2012—2017年，OXY公司在新墨西哥州二疊盆地Delaware區塊共鉆179口水平井，通過鉆井優化設計、鉆機配備、旋轉導向系統、鉆井液、鉆井參數優化等技術實踐，鉆井作業效率提高了149%。平均水平段長度由2016年的914.4 m (3 000 ft)增加到2018年的2 403.04 m (7 884 ft)，3 048 m (10 000 ft)水平段水平井已經非常普遍。

2.2.1 鉆井優化設計

Delaware區 塊 垂 深1 524~3 657.6 m (5 000~12 000 ft)分布多套儲層層系，OXY公司對每套儲層采用2種布井方式：1 609 m×1 609 m開發單元內布置6口水平段長1 524 m (5 000 ft)水平井，1 609 m×3 219 m開發單元內布置6口水平段長3 048 m (10 000 ft)水平井。相鄰水平段間距182.88~228.6 m (600~750 ft)，實際水平段長度914.4~3 048 m (3 000~10 000 ft)，井深5 181.6~6 096 m (17 000~20 000 ft)，每個開發單元內6口井鉆完井施工采用兩個叢式井場進行。以6套開發層系為例，在一個2.59 km2(1平方英里)地面開發單元內，最多可布置12個井場，36組井口。

水平井采用三開井身結構，一開用于保護淡水層，為了降低水平段鉆井的鉆井液循環壓力、摩阻和扭矩，當水平段大于2 286 m (7 500 ft)時，采用?444.5 mm井眼+?339.7 mm表層套管，當水平段小于2 286 m (7 500 ft)時，則 采 用?374.7 mm井眼+?273 mm套管；二開用于封隔多組風險層位，包括鹽層、高壓水層和衰竭儲層等，也對應如上采用2種設計：?311.1 mm井眼+?244.5 mm套管和?250.8 mm井眼+?193.7 mm套管，套管鞋下至造斜點上方305 m；三開造斜段和水平段對應如上采用2種設計：?215.9 mm井眼+?139.7 mm生產套管和?171.5 mm井眼+(?139.7 mm+?114.3 mm)復合生產套管，如圖4所示［9］。為了解決鄰近直井段防碰，造斜段采用側向增斜和反向增斜的三維軌跡設計，以實現水平段在單位開發單元內與儲層接觸面積最大化。

圖 4 Delaware區塊井身結構Fig. 4 Casing program of Delaware Block

2.2.2 鉆機及配套設備

鉆機采用先進、高規格、帶控制系統的電驅動鉆機，配備51.71 MPa (7 500 psi)循環系統，3臺泥漿泵。主要采用?127 mm鉆桿，在垂直井段也使用?139.7 mm鉆桿，?171.45 mm造斜段和水平段也使用?114.3 mm鉆桿，?139.7 mm鉆桿起升能力達7 010 m (23 000 ft)。采用頂驅系統以提高扭矩，安裝自動控制系統，包括黏滑控制、鉆柱搖擺控制等，鉆機安裝數據采集系統，采集的數據傳輸至作業中心并進行在線分析，定向鉆井咨詢系統在現場也進行了測試。所有鉆機配備撬裝系統，能夠在單一方向上移動305 m。

2.2.3 定向鉆井工具

2015—2016年，OXY公司嘗試采用旋轉導向工具一趟鉆完成三開鉆井，發現旋轉導向系統雖然可以小半徑造斜，但高造斜率旋轉導向系統可靠性不高。2017年改為在造斜段采用高性能2.12°~2.38°可調彎螺桿馬達+定向PDC鉆頭，通過優化螺桿工作壓差和鉆頭切深工作參數，來確保工具面在滑動造斜時保持穩定。目前螺桿馬達已實現了最快8 h內完成半徑10(°)/30 m的高曲率造斜段，與旋轉導向時效相當，但作業成本大幅下降。?215.9 mm井眼長水平段鉆井由于滑動摩阻太大，托壓成為螺桿鉆具滑動鉆進的最大問題，目前普遍采用旋轉導向，并配備螺桿馬達用于提高機械鉆速，基本上能實現3 048 m水平段一趟鉆。

2.2.4 鉆井液

鉆井液的使用可分為3個階段。2013—2015年，在垂直井段和水平段都使用飽和NaCl鹽水鉆井液，高壓水層和衰竭層段非生產時間較多；2015年底—2016年，垂直井段采用正電膠水基鉆井液(MMH)代替飽和NaCl鹽水鉆井液，水平段用逆乳化油基鉆井液。采用MMH的缺點是需要過多的稀釋來保持密度，產生的廢液需要處理，后又采用了乳化水基(DEWBM)鉆井液，DEWBM由飽和NaCl鹽水為外相，乳化柴油為內相［10］。2017年以后，直井段和水平段鉆井液都采用逆乳化油基鉆井液(OBM)，OBM減少摩擦阻力，降低了扭矩，從而實現了較高的機械鉆速，OBM對于3 048 m(10 000 ft)水平段水平井鉆井和下套管起著至關重要的作用。

2.2.5 下套管技術

對于1 524 m(5 000 ft)水平段水平井，多采用旋轉方式將套管下至井底。而3 048 m(10 000 ft)長水平段水平井，旋轉有可能損壞常規套管絲扣，多采用上提下放方式來克服靜摩擦，將套管下入預定井底。雖然下入最后609.6 m(2 000 ft)套管花費時間較長，但所有井套管最終下入預定深度，這也得益于油基鉆井液、優化的井眼軌跡、套管居中后摩阻較小等有利因素。

3 啟示與建議

3.1 啟示

(1)在低油價壓縮作業成本和提高油氣單井產量的雙重壓力下，通過提高水平段長度實現降本增效已經成為北美頁巖油氣行業的共識。目前，3 048 m(10 000 ft)水平段長度鉆井已成為一項常規技術，并不斷挑戰6 096 m(20 000 ft)長水平段水平井。未來北美頁巖油氣水平井水平段長度將會繼續增加，雖然還無法確定水平段長度最終會達到多大的極限，但作業者通過技術創新手段不斷降低單位進尺作業成本的目標是一致的。

(2)利用長水平段水平井實現頁巖油氣降本增效是一個不斷探索優化的過程。北美頁巖油氣水平井大體經歷了1 524 m(5 000 ft)、2 286 m(7 500 ft)和6 096 m(20 000 ft)等3個階段。隨著水平段長度的不斷增加，井下復雜環境給鉆井作業帶來了新的挑戰，為了實現低風險的大規模超長水平井鉆井，鉆井設計、鉆機配套、井下定向工具、鉆井液、下套管等技術裝備需要不斷優化與升級換代。

(3)長水平段水平井鉆井技術是一項系統工程，涉及到鉆井過程的各個工序，包括井身結構、鉆機性能、泥漿泵功率、定向工具、鉆井流體、下套管等，只有實現技術的優化組合，才能達到鉆井作業的最優化。鉆井的優化設計能為后續鉆井施工創造條件，減少井下復雜事故。鉆機配套高壓泥漿泵可提高環空流速，實現井眼的清潔，同時可為旋轉導向工具提供額外的動力。旋轉導向系統必須與合適的鉆機和鉆井液組合搭配，才能充分發揮其潛力。套管的成功下入又得益于油基鉆井液、優化的井眼軌跡等有利因素。

(4)高端鉆井技術裝備是實現長水平段鉆井的核心。借助于自動化高效鉆機，配備51.71 MPa(7 500 psi)循環系統、大扭矩頂驅、鉆柱黏滑振動控制系統，提高了破巖效率，減少了井下復雜事故，提高了鉆井機械鉆速；采用數據高速傳輸系統確保大量鉆井實時數據能遠程傳輸到后方進行在線分析，優化鉆井作業參數；采用旋轉導向系統等實現水平段一趟鉆鉆井，使鉆井作業能力和效率大幅提升。

3.2 建議

我國已經開展了頁巖油氣長水平段水平井鉆井技術研究與實踐，取得了諸多進展。2018年，中國石化江漢油田分公司焦頁2-5HF井創造了中國陸上和頁巖氣最長水平井兩項開發紀錄，井深5 965 m，水平段長3 065 m，鉆井周期72 d［11］。2020年，中國石油西南油氣田公司寧209H71-3井完鉆井深4 850 m，水平段長3 100 m，鉆井周期76 d，刷新中國頁巖氣井水平段最長紀錄?？傮w上，我國頁巖油氣長水平井水平段長度、鉆井作業周期和作業成本方面與國外指標還存在一定差距［12-13］，建議加快頁巖油氣長水平段水平井關鍵技術攻關研究與現場實踐，提升整體開發效益。

(1)開展水平井最優水平段長度評價。北美頁巖油氣開發實踐證明，長水平段水平井可以降低鉆完井綜合成本，提高油氣單井產能和最終采收率，但其受儲層特性、氣油比、含水率、人工舉升、鉆完井技術水平等多種因素影響，需要根據實際儲層對水平段長度進行經濟效益評估，優化水平段長度。

(2)強化關鍵技術攻關。長水平段水平井鉆井存在攜帶巖屑困難、鉆具受力復雜、井壁垮塌風險高、鉆井機械鉆速低等諸多技術難題。一是以井身結構優化為基礎，針對不同地層不同井段，開展井下工具、鉆井液等技術的優選與參數優化；二是開發高造斜率旋轉導向系統、高性能螺桿、井下動態參數控制工具、高效PDC鉆頭等高端工具，延長使用壽命，提高可靠性；三是以大數據等信息化技術為基礎，開發自動化智能化鉆井控制系統，實現地面裝備和井下工具智能控制。

(3)持續開展成熟技術的組合優化和現場推廣應用力度。在充分了解區塊地質特征的基礎上，不斷優化工程技術方案，加大成熟技術的集成與優化，充分發揮工程技術在提速提效的利器作用。積極推廣應用可移動交流變頻鉆機，配備52 MPa、1 193.12 kW(1 600 HP)高壓鉆井泵，滿足頁巖油氣長水平段鉆井提速和井下攜巖需要。加快大功率長壽命螺桿、旋轉導向系統的現場試驗和工程應用，實現水平段鉆井一趟鉆。加大鉆井咨詢系統和遠程決策系統的應用規模，實時優化鉆井作業參數，提高作業效率。通過不斷實踐，實現鉆機裝備、井下控制工具、破巖工具、鉆井液的協同，發揮單項技術的潛力，實現整體效應的提升。

(4)開展3 000 m以上長水平段水平井優快鉆井先導示范。在公司內部組建1~2支鉆井示范隊，集中力量配套自動化鉆機裝備，配備52 MPa泥漿泵、大扭矩頂驅、高功率螺桿、旋轉導向系統、高效鉆頭等系列裝備工具，采用全井筒、全參數強化施工，進行高鉆壓、高轉速、高泵壓、大排量、大扭矩的“三高二大”鉆井先導試驗，實現優快鉆進，并編制《頁巖油氣長水平段水平井施工推薦作法》，為其他作業隊伍提供操作依據。