水平井鉆井技術進展研究

馮 飛

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

1 概述

水平井鉆井技術被認為是石油鉆井工程領域中最重要的創(chuàng)新技術之一。從20世紀80年代開始，歐洲和美洲大規(guī)模開展水平井鉆井作業(yè)，使水平井鉆井技術得到了快速發(fā)展，隨著鉆井技術的巨大進步，目前最長的水平井已經(jīng)達到15000m（俄羅斯石油公司，2017年）。但從油氣資源開采角度來說，大多數(shù)水平井只需要1000～3000m 的水平段即可。在2000 年以后，非常規(guī)資源的開采規(guī)模大幅度增加，三維多目標定向井數(shù)量也大幅度增加，先進的鉆井技術使一口水平井的油氣產(chǎn)量就可以相當于以前十幾口直井的效果，水平井鉆井技術的發(fā)展不但意味著鉆井成本的大幅度降低，還可以減少對空氣、水等自然環(huán)境的污染，同時在地面布井數(shù)量的減少，也降低了對土地資源的消耗，有利于對環(huán)境的保護。本文討論了目前水平井鉆井的類型和在鉆井工程領域取得的進展。

2 水平井鉆井技術進展

2.1 套管鉆井技術

最初的套管鉆井技術是將鉆頭直接連接到套管末端并鉆達目的層位的一種鉆井方式。早在1901 年，德克薩斯州博蒙特的Spindletop 油田就使用過套管鉆井技術。該鉆井技術使用旋轉(zhuǎn)鉆井工藝，該工藝將液壓膨脹鉆頭與套管連接在一起后鉆井，鉆井過程結(jié)束后取下鉆頭。1930 年以后，旋轉(zhuǎn)鉆井工藝逐步取代了沖擊鉆井工藝。

經(jīng)過近年來的發(fā)展，套管鉆井工藝已經(jīng)成為一種新型鉆井技術，該技術可以減少鉆井時間和計劃外鉆井事件的發(fā)生率。在常規(guī)鉆井中，每次更換鉆頭或更換井下設備時，必須將整個鉆柱從井眼中取出，拆卸并重新組合鉆具是一個十分耗時的過程，并且在等停過程中，會使井眼處于靜止和完全裸露狀態(tài)，從而使其面臨各種潛在的風險問題，在頁巖地層鉆井過程中，這個問題尤其嚴重。而套管鉆井技術，不使用鉆桿，而是使用與標準井下套管相同尺寸的特制套管進行鉆井。鉆頭和其他井下工具鎖定在套管的接頭上，具有隨時循環(huán)井筒的能力。由于套管保留在井中并始終保持循環(huán)，因此井筒完整性得到很好的保護，從而降低了坍塌、漏失和剝落掉塊等意外事故發(fā)生的可能性，也減少了地層中的石油或天然氣進入井中引起井涌或井噴的風險。

由于套管鉆井技術可以解決在水平井鉆井過程中面臨的許多問題。1990 年，鉆井承包商開始使用套管鉆井技術鉆探復雜的低壓力地層，因為這些地層極其容易發(fā)生井下漏失。套管鉆井與傳統(tǒng)的下套管作業(yè)相比，由于鉆進過程中連續(xù)旋轉(zhuǎn)，套管柱發(fā)生阻卡問題的可能性較小。而且在套管鉆井過程中，鉆井和下套管同時進行，減少了下套管等非生產(chǎn)時間，進一步提高了鉆井效率。

Tesco公司從1995年開始積極開展套管鉆井工藝的研發(fā)，并從1999年開始進行了多次現(xiàn)場試驗，驗證了套管鉆井工藝的有效性。2002年2月，Tesco公司與康菲石油公司在德克薩斯州南部的Lobo 油田簽訂了為期2年的鉆井合同，啟動套管鉆井服務的第一次重大商業(yè)應用。根據(jù)這份合同，Tesco公司使用三臺套管鉆井平臺進行了鉆井作業(yè)，這些鉆井平臺是在公司位于加拿大阿爾伯塔省卡爾加里的工廠設計和制造的，專門用于為康菲提供鉆井技術服務。Tesco 公司還在北美參與了其他套管鉆井項目，包括與加拿大一家石油和天然氣運營商合作的項目，以測試套管鉆井技術在連續(xù)取芯作業(yè)中的應用。此外，該公司正在與一些運營商討論套管鉆井技術在煤層氣等其他鉆井應用中的潛在用途。

2.2 旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術

旋轉(zhuǎn)導向技術在水平井鉆井技術進步中起著最為關鍵的作用。旋轉(zhuǎn)導向技術可以使水平井的井眼軌跡、鉆柱振動、井壁穩(wěn)定性和鉆具組合的耐久性得到不同程度的優(yōu)化和提高，水平井鉆井技術最顯著的特征就是旋轉(zhuǎn)導向技術的持續(xù)進步和創(chuàng)新。

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的開發(fā)和應用同時也是石油工業(yè)技術中最顯著的進步之一，該系統(tǒng)通過閉環(huán)轉(zhuǎn)向提供鉆頭的精確方向控制。與傳統(tǒng)的使用井下螺桿鉆具進行定向的井下組合工具相比，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)具有多項優(yōu)勢，其中主要技術優(yōu)勢包括：

可以減少螺桿鉆具在定向和維持工具面過程中為了抵抗反作用扭矩而消耗的大量非生產(chǎn)時間，可以通過頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤向鉆頭提供更大的鉆壓和扭矩，從而實現(xiàn)更高的機械鉆速；因為旋轉(zhuǎn)導向鉆井過程中，鉆柱整體是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的而不是滑動的，鉆柱的摩阻和拖壓顯著降低，可以大幅度延長所鉆井的水平井段總長度；與使用螺桿鉆具鉆井相比，使用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)所鉆井眼的平滑度更好，方便套管安全下入。

但旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的生產(chǎn)和使用成本均高于普通的隨鉆測量工具，其日費比隨鉆測量儀器（MWD）高3～4倍左右。對于大多數(shù)海上鉆井平臺來說，由于整體鉆井利潤較高，可以承受使用旋轉(zhuǎn)導向工具帶來的高服務費，但對于一些利潤率較低的陸上油氣田開采，旋轉(zhuǎn)導向工具的使用則受到了大幅度限制。行業(yè)專家指出，為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向工具在美國陸上鉆井項目中的廣泛使用，需要將日費率降低到PDM+MWD 成本的1.2～1.5倍。為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向工具的低成本應用，有必要進一步改變旋轉(zhuǎn)導向工具的結(jié)構(gòu)設計，從而進一步降低生產(chǎn)和使用旋轉(zhuǎn)導向工具的成本。

近幾十年來，旋轉(zhuǎn)導向技術發(fā)展非常迅速，在井下鉆進過程中能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)、恒定方位和更為平滑的鉆井方式。旋轉(zhuǎn)導向技術在垂直鉆進、定向鉆進和分支井鉆井中得到了很好的應用。并且隨著旋轉(zhuǎn)導向技術的應用規(guī)模的持續(xù)擴大，其使用成本也跟著不斷降低。但是，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)在陸上油井上使用的百分比仍然偏低，但未來，隨著該技術的進一步推廣，其在降低鉆井成本和資源的開發(fā)方面的優(yōu)勢更為顯著，其應用比例將進一步增大。

旋轉(zhuǎn)導向工具下一步將主要通過以下方式來降低成本：通過減少零件數(shù)量來簡化所需配件的加工數(shù)量并降低加工復雜性；通過減少消耗元件來進一步降低使用成本；隨著活動部件數(shù)量的減少，電子元件的耐用性增加，需要更換的彈性密封件和軸承的數(shù)量也會隨之減少，從而降低現(xiàn)場服務和維修成本；通過基于下行鏈路模式的通信結(jié)構(gòu)支持第三方隨鉆測量系統(tǒng)作業(yè)來降低隨鉆測量(LWD)的成本。

目前，低成本的旋轉(zhuǎn)導向工具已經(jīng)取得進展，與上一代的推入式旋轉(zhuǎn)導向工具相比，新產(chǎn)品的制造成本可以低55%左右，新一代低成本旋轉(zhuǎn)導向工具由70 個子組件構(gòu)成，約為上一代產(chǎn)品總零件數(shù)的25%。通過減少每次工作后需要更換的部件（○形圈、緊固件、軸承等），以及減少組裝步驟的數(shù)量和降低技術人員所需的維修時間，低成本旋轉(zhuǎn)導向工具的維修成本僅為上一代工具的25%。低成本旋轉(zhuǎn)導向工具最大的特點是，關鍵組件打包為“即插即用”模式：①一體式液壓系統(tǒng)；②一體式集成電子系統(tǒng)；③易于維修的轉(zhuǎn)向活塞；④使用WPSIG連接器，無需焊接。

迄今為止，斯倫貝謝的PowerDrive、貝克休斯的AutoTrak、哈里伯頓的GeoPilot 是主要的代表技術。其中PowerDrive 和AutoTrak 屬于“push-the-bit”，而GeoPilot屬于“pointthe-bit”類型。

2.3 長水平段鉆井技術

從20世紀90年代大規(guī)模開展水平井鉆井后，長水平段鉆井技術也得到了進一步發(fā)展，1992 年殼牌石油公司在稠油油藏中鉆出了水平段超過2000m 的水平井。通常情況下，隨水平段的增長，地面基礎設施和油氣資源采出方面的收益比例也隨之增加。卡塔爾的BD-04-A 井被視為目前水平段最長的井，其井深為40320 英尺，水平段為35770 英尺，它是2008 年5 月由馬士基石油卡塔爾公司和卡塔爾石油公司在卡塔爾海岸附近的Al-Shaheen海上油田完成的。

Sakhalin-1 平臺井是目前機械鉆速最快的井，該井將鉆井參數(shù)的高質(zhì)量建模與設計相結(jié)合，大幅度降低了建造海上平臺、管道和其他現(xiàn)場基礎設施的成本，同時還減輕了對環(huán)境的影響。該平臺自2013 年以來，已創(chuàng)造了五項井深紀錄，2015 年4 月P-14 井13500m，2014年鉆完的Z-40井13000m，2013年4月和6月鉆完Z-43和Z-42井，井深分別達到12450m和12700m。

當定向井或水平井的水平位移（HD）大于3000m，且水平位移與垂深（TVD）之比大于2.0 的向井斜或水平井被稱為大位移井(ERW)。大位移鉆井技術（ERD）是鉆井工程的前沿技術之一。在海上鉆井作業(yè)過程中，使用大位移鉆井技術可以從一個鉆井平臺鉆出多口大位移井，從而開發(fā)平臺周圍的油氣藏。此外，大位移鉆井技術還可用于開發(fā)一些不易開采的邊緣油氣藏，從而以較低的經(jīng)濟和環(huán)境成本從陸上開采海上或湖泊油氣資源。在大位移井的鉆井作業(yè)過程中，鉆柱和井壁之間的摩擦產(chǎn)生的扭矩和摩阻是制約鉆井施工成敗的關鍵，因此，在進行大位移井的鉆井設計時，需要重點關注扭矩和摩阻的計算模型。

2008 年Wang 和Guo 提出了水力延伸范圍理論的概念和計算模型：水平段不能無限制地延伸，當循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損失超過鉆井泵的額定壓力時，泥漿泵將停止循環(huán)鉆井液，這是一個臨界點，水力延伸范圍模型主要與循環(huán)系統(tǒng)總壓力損失和鉆井泵額定壓力有關，該理論可以從水力學角度預測水平井的最大測量深度和泥漿泵的承載能力。2009年Deli等建立了一套先進的鉆井力學和控制技術，并通過現(xiàn)場案例驗證了其實際效果，通過研究海上鉆井平臺水力延伸范圍，給出了井下裸眼極限擴展的預測與控制、套管磨損預測、套管阻力控制和導向鉆井模式。該理論的基本原理可以概括為：水平段不能無限制地向前延伸，當井底壓力超過地層破裂壓力時，地層將發(fā)生漏失。整個剖面的最大測量深度為延伸范圍極限，該極限主要取決于所鉆遇地層的破裂壓力和環(huán)空壓降。2013年Sun對該模型進行了擴展，他在模型中增加了巖屑濃度和巖屑床高度的影響因子，使計算結(jié)果變得更加準確和可靠。但是，上述模型仍然沒有考慮到起下鉆等非鉆進過程，會影響計算結(jié)果的準確性。此外，模型中沒有相應的公式來確定單位環(huán)空泥漿壓力損失等效密度的準確值。因此，有必要建立一個同時考慮鉆井過程（滑動鉆井模式和旋轉(zhuǎn)鉆井模式）以及起下鉆過程的更全面的裸眼延伸極限模型。

3 結(jié)論

（1）水平井鉆井技術被認為是石油鉆井工程領域中最重要的創(chuàng)新技術之一。目前最長的水平井已經(jīng)達到15000m。水平井鉆井技術的發(fā)展不但意味著鉆井成本的大幅度降低，還可以減少對空氣、水等自然環(huán)境的污染，同時地面布井數(shù)量的減少，也降低了對土地資源的消耗，有利于對環(huán)境的保護。

（2）套管鉆井工藝已經(jīng)成為一種新型鉆井技術，該技術可以減少鉆井時間和計劃外鉆井事件的發(fā)生率，已在易漏失的復雜地層得到了推廣應用。

（3）旋轉(zhuǎn)導向技術在水平井鉆井技術進步中起著最為關鍵的作用。旋轉(zhuǎn)導向技術使水平井的井眼軌跡、鉆柱振動、井壁穩(wěn)定性和鉆具組合的耐久性得到不同程度的優(yōu)化和提高。