小井眼水平井技術現狀及趨勢探討

付 利，吳申尭，孫鈺淇，李雪松，何愛國

（1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206；2.四川長寧天然氣開發有限責任公司，四川 宜賓 644399；3.四川寶石花鑫盛油氣運營服務有限公司，四川 成都 610000）

1 小井眼水平井技術現狀

關于小井眼鉆井定義有多種討論，國際石油工程師協會定義全井90%的套管尺寸小于7″的井為小井眼井；ISOR 將小井眼井定義為最后一層套管尺寸小于6″的井，隨著石油鉆井技術的發展優化，目前最為常見的定義為井眼直徑小于6″的井即可認定為小井眼井[1]。20世紀40年代中期，井身結構“瘦身”技術開始進入到人們的視野，50 年代中期，美國Carter 公司開展100 余口小尺寸眼井作業項目，50 年代后期至60 年代初，共有131 家石油公司鉆了3200 余口小井眼井，平均井深約1300m。但隨后由于原油價格相對可觀以及小井眼鉆井配套裝備相對落后等原因，小井眼水平井受到一定的限制，到20世紀80年代開始，受國際油價的影響，小井眼水平井再次進入人們視野，并快速發展。英國石油公司（BP）研究發現與常規鉆井作業相比，小井眼水平井的施工運輸成本降低了60%，鉆井產生的巖屑更少，降低了鉆井液處理成本。Oryx 能源公司在德克薩斯州南部的Pearsall 油田鉆探了三口小井眼水平井，水平段成本節約16%。在美國Prudhoe Bay 儲層，小井眼水平井使得平均鉆井成本從220 萬美元/口降至100萬美元/口。

進入21世紀，隨著美國頁巖氣革命的成功，北美頁巖氣小井眼水平井技術日漸成熟，在提高鉆速的基礎上實現了鉆井降本增效。Haynesville 頁巖水平段井眼尺寸由?215.9mm調整為?171.5mm，單井成本降低超過25%，平均機械鉆速提升今3倍。Marcellus頁巖小井眼水平井三開尺寸?114.3mm，水平段長度超過4200m的井占比達18%。加拿大白樺地致密氣區2015年前水平段井眼尺寸以?200mm 為主，2015 年之后水平段井眼尺寸“瘦身”至?159mm，小尺寸井眼平均機械鉆速提高了20%以上。

我國小井眼水平井起步較晚，“八五”期間開始對小井眼水平井進行攻關研究，經過20余年的技術發展，小井眼水平井已成為油氣資源開發的重要方式。“十一五”期間，我國小井眼水平井主要應用在稠油、中高滲和邊底水等常規油藏開發，以遼河、新疆、冀東等油田完鉆井數居多，“十二五”以來小井眼水平井主要應用于頁巖油氣、致密油氣非常規油氣資源開發，2020年完成小井眼水平井數占比達到20.5%，為我國石油產量穩中上升、天然氣產量快速增長提供了重要技術保障。富順—永川區塊水平段采用小井眼井身結構，三開主要使用Smith 的MDi513 鉆頭+斯倫貝謝Archer 鉆進，?165.1mm井段平均長度1999m，平均機械鉆速7.6m/h。蘇里格致密氣區采用集成配套形成?152.4mm 小井眼優快鉆井技術，水平段采用?114.3mm 生產套管進行完井。2019年完鉆小井眼水平井56口，平均機械鉆速較2018 年23.1%，鉆井周期縮短23.7%。目前，我國已經基本掌握了小井眼水平井鉆井設計、裝備與鉆具組合、施工操作、井眼質量控制等配套技術，但與國際先進水平還存在一定差距，仍有較大的進步空間。

2 小井眼水平井理論研究

2.1 小井眼水平井的優勢與局限性

小井眼水平井可以降低鉆井成本，具體成本節約體現在：節省設備運輸成本；減小套管尺寸，降低鋼材用量成本；鉆井液巖屑量減少，提高鉆井液清洗效率，降低廢物處理成本；提高機械鉆速，延長鉆頭壽命，減少鉆井時間；降低固井、水泥、燃料成本等。另一方面，由于小井眼的井徑小、環空小以及管柱轉速高，導致小井眼與常規井相比，環空壓耗特別大，井筒攜巖困難。另外，小井眼的管柱尺寸小，管壁薄，管柱摩阻扭矩大，鉆頭粘滑托壓風險高，這些都是制約小井眼鉆井技術發展亟需解決的問題。

2.2 小井眼水平井降摩攜巖效率

小井眼水平井的環空間隙較小，鉆柱偏心、旋轉和鉆桿接頭等因素對小井眼環空壓耗的影響遠遠大于常規井眼，其壓耗分布與常規井眼明顯不同。同時，井筒環空小使得巖屑在重力的作用下非常容易沉降，沉降后又不易啟動，容易沉積形成巖屑床，進而增大管柱滑動摩阻，直接增加了鉆井成本和風險，降低了鉆井速度。汪海閣[2]通過大量實驗，分析了90°井斜角井段的巖屑運移規律，并基于大量實驗數據，利用多元參數統計回歸出巖屑床厚度分布經驗模型，模型簡單且誤差較小。宋洵成[3]考慮鉆桿接頭、鉆柱旋轉和鉆柱偏心影響，提出了適用于冪律流體和赫巴流體的小井眼環空壓耗計算模型，計算誤差小于10%。Zhang[4]分析了小井眼巖屑運移的臨界條件，建立了小井眼巖屑運移模型。Kim[5]通過實驗測定小井眼巖屑運移中摩擦系數、壓力損失、顆粒輸送比和顆粒體積分數。Zhu[6]提出了一種脈沖鉆井液輸送方法，建立了小井眼水平井巖屑運移數值模擬模型。

2.3 小井眼水平井鉆柱延伸極限

在鉆柱延伸極限方面，目前主要以軟桿模型和剛桿模型為主，且在此基礎上學者們針對不同情況建立了修正的摩阻扭矩模型。在使用摩阻扭矩模型時主要是通過給定井底鉆壓、井底扭矩以及摩阻系數作為初始條件，帶入摩阻扭矩模型計算地面大鉤載荷與轉盤扭矩，并與實際測量值對比，用以推斷井眼是否清潔、是否存在嚴重狗腿角度、是否有卡鉆風險等。在小井眼水平井鉆井作業現場，井底鉆壓扭矩多為現場估算值，摩阻系數在0.2～0.4之間。鉆柱旋轉可有效攜帶巖屑，有利于清孔，最大延伸率隨鉆柱旋轉速度的增加而增加。考慮到旋轉因素，在小環空條件下，鉆柱旋轉會增加環空壓力損失，隨著鉆柱旋轉速度的增加，延伸極限會先增大后減小。

3 小井眼水平井工藝工具研發

3.1 小井眼水平井提速工具

隨著小井眼水平井逐漸受到重視，隨之而來的配套裝備及工具的技術得到了大幅提高。小井眼水平井優化設計技術、井眼軌跡控制技術、下部鉆具組合優選逐步完善，同時，導向鉆井系統、隨鉆測量系統、低轉速大扭矩泥漿馬達、高效PDC 鉆頭和欠平衡鉆井等適配工具在小井眼水平井中廣泛應用。針對小尺寸PDC鉆頭的抗回旋設計，楊迎新[7]提出了采用橫向力自平衡設計準則及其配套技術防止鉆頭回旋的技術思路，并成功地在小井眼鉆頭設計中付諸實施，設計出具有優良抗回旋性能的PDC鉆頭。陳煉[8]針對深層小井眼鉆井，設計了旋轉齒單牙輪PDC 鉆頭，提出大傾角切削的壓潰預破碎損傷－碾切耦合模式破巖理論，建立大傾角刮切破巖的切削力計算模型。塔里木油田針對超深井小井眼鉆井，采用推力串軸承結構設計優化螺桿鉆具，設計具有特殊減振裝置的改進能夠滿足超小尺寸MWD儀器，鉆井軌跡控制取得良好效果[9]。

3.2 小井眼水平井鉆井液體系研究

由于小井眼鉆井存在環空壓耗高，井壁穩定性差，易發生漏失，易形成巖屑床，且形成巖屑床后更難以清除等問題，因此也發展出了特有的鉆井液體系。小井眼鉆井液體系為低固相或無固相體系居多，這是由于小井眼循環壓力損失較大，鉆井液中的固相含量過高會導致環空流動阻力升高，導致當量循環密度升高，并伴隨井壁失穩等風險。另外，小井眼鉆井液還需控制好流變性能，來滿足環空攜巖的要求；為保證井壁穩定，小井眼鉆井液體系還需有一定的抑制性，降低濾失量；小井眼鉆井液還需要有良好的潤滑性，以防止鉆具出現粘卡等事故。寧東油田設計了鉀銨基聚合物鉆井液、鉀銨基瀝青復合防塌鉆井液和低固相鉀銨基硅醇鉆井完井液體系，解決了鄂爾多斯盆地直羅組大段泥頁巖地層易膨脹分散、剝落掉塊、起下鉆困難、巖屑床阻卡等難題，大牛地氣田DP19井采用氮氣泡沫鉆井液側鉆長水平段小井眼井，該鉆井液體系具有較強的攜巖和攜水能力，能夠防止泥頁巖因吸水膨脹垮塌造成的井壁失穩[10]。長慶氣田針對小井眼水平井易漏、井壁失穩、攜巖困難、電測成功率低等問題，優選出復合抑制劑CQFY作為主抑制劑、天然高分子降濾失劑NAT20作為降濾失劑、無熒光白瀝青NFA-25作為封堵劑的水基鉆井液體系[11]。

4 小井眼水平井發展趨勢

4.1 小井眼水平井側鉆開窗工藝

隨著油田生產井年限的不斷增長，可以在老井井筒基礎上，通過小井眼側鉆開窗技術制造出新井眼，在不破壞原有井網結構的前提下更新老井，使死井復活。一方面可以縮短鉆井周期，減少鉆井成本；另一方面可以強化采油，進行有效的剩余油挖掘，增長油藏開采時間，提高油藏的最終采收率?，F在國外對側鉆技術研究應用主要集中在多側向井技術、短半徑水平井鉆井技術，以及將膨脹管技術引入到側鉆井鉆完井等方面。許多學者認為，通過側鉆水平井開發技術，可以降低費用，并顯著薄油層、低壓油層、滲透性差裂縫的泄油面積，提高油井產量。另外，側鉆井的開窗方式也在不斷發展，由原始的斜向器式套管開窗，逐步發展到段銑式套管開窗，到目前的一體式開窗側鉆技術，大大提高了開窗效率。

4.2 小井眼水平井地質工程一體化

地質工程一體化是縮短油氣井建井周期、降低綜合作業成本的新思路，是針對非常規油氣資源降本增效的前沿技術。在復雜地質條件下油氣井鉆井中，地質力學屬性是影響鉆井軌道優化、可鉆性評估、井壁穩定性、完井防砂控砂和儲層改造等方面的關鍵參數。目前國內勘探開發逐步向復雜地層探索，隨之而來的是面臨復雜的地下構造，鉆井過程中地質設計與實鉆地層差異較大，在同一層位存在多套孔隙壓力體系，地層非均質性強，巖性復雜，多種巖性交錯互層發育，地層可鉆性差。小井眼鉆井周期短，機械鉆速高，綜合成本低，結合施工前的地質力學分析及復雜事故預警等，能夠在短時間內鉆至目的層，規避井壁垮塌周期。根據實時鉆井與錄井信息重構地質力學模型，在鉆井作業時提供實時風險預警，以應對由于構造、地層或地質力學參數變化引起的工程響應，實現復雜地層安全高效的提速增產。

4.3 小井眼水平井“一趟鉆”技術

一趟鉆是指用一只鉆頭和一套井下鉆具組合，一次性入井鉆完一個開次或井段全部進尺的鉆井技術，降低了起下鉆次數，節省鉆頭，鉆井周期和鉆井成本得到明顯的降低。“一趟鉆”要求鉆具單趟入井時間較高，因此對鉆頭、螺桿、MWD 等鉆具的單趟入井使用壽命及它們匹配性提出了更高要求。特別是針對小井眼鉆井，需要設計優化非標鉆頭、螺桿，以及小尺寸MWD等井下工具，以滿足環空間隙相對較小帶來的壓耗高、井漏風險大等一系列問題。同時，“一趟鉆”技術要求鉆頭需同時鉆穿多個地層，因此優化高鉆壓、高轉速和高水馬力的激進鉆井參數，來實現進一步提高機械鉆速。由于“一趟鉆”技術中途無法更換鉆具，鉆進后期存在鉆頭偏磨、磨損、鉆壓增大、鉆速降低等原因，實際井眼軌跡可能會與偏離預定的鉆井設計，因此在鉆井作業過程中還需摸索井斜變化規律，對井眼軌跡進行合理控制。

5 展望與結束語

（1）小井眼水平井優勢明顯，基礎理論研究、鉆井工藝技術及配套裝備研究進展迅速，為側鉆井、多分支水平井、叢式井、井工廠等技術的發展和應用提供了支持與保障，可有效提高儲層產量，降低生產成本，應用前景廣闊。

（2）隨著我國油氣勘探開發不斷向深層、深水和非常規等油氣領域發展，油氣開采所面臨的地質條件和環境日趨復雜，小井眼水平井以其安全高效、環保、低成本的技術優勢，已成為未來國際鉆井業發展的大趨勢。隨著我國鉆井工具的研發與進步，小井眼水平井將會在未來更多復雜鉆井工況中發揮越來越重要的作用。