国内外水平井钻井技术及发展方向.docx
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国内外水平井钻井技术及发展方向
国内外水平井钻井技术及发展方向
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辽河石油勘探局工程技术研究院
2005年10月
目 录
1概述
水平井钻井技术起源于上个世纪的三十年代，发展于八十年代，特别是在八十年代后期，为了提高单井产量和原油采收率，降低开发生产成本，水平井技术更加广泛的用于开发各种油气藏，并先后取得了显著的经济效果，应用规模迅速扩大，全球每年钻各类水平井在2000口以上。
在国内，以胜利油田，塔里木油田等为代表的一些油田也广泛应用水平井技术开发各种油气藏，每年钻各类水平井200余口，并都见到较好的效果，取得较好的经济效益。
辽河油田各级领导也非常重视水平井这项技术的先进性和适用性，将油藏地质研究和钻完井技术、采油作业技术有机的结合起来，使该项技术具有综合配套性和广泛适用性。
几年来，完成各类水平井129口，见到明显的效果。
2国外水平井钻井技术现状
国外水平井钻井技术始于20世纪30年代，发展于80年代，特别是经过近10多年的迅速发展，使其水平井钻完井工艺技术较为完善，专用工具、仪器完善配套。
并将水平井技术作为开发油藏的常规技术广泛推广应用。
水平井钻井优化设计技术、井眼轨迹控制技术、下部钻具组合优选、确保施工安全和防止油层污染的钻井液完井液技术、组合完井工艺技术、大扭矩多级马达、可控弯接头、变径稳定器、水力加压器、高效PDC钻头、MWD和LWD仪器等一大批先进的工艺技术、工具和仪器在水平井钻井中广泛应用，创造多项水平井井深、水平位移、水平段长度和水平井施工周期等世界纪录。
同时，由于水平井的普遍应用，使原油产量和采收率得以提高，原油成本降低，取得显著的经济效益。
2.1水平井的基本概念
迄今为止，水平井定义未完全统一，从不同角度对水平井的定义不完全相同，但核心是井眼都必须在油层中延伸出较长距离。
水平井的定义为：
凡是井眼在油层中延伸较长距离，井斜角达到85°以上的井称为水平井。
2.2水平井的分类
2.2.1按曲率半径分类（通常的分类方法）
表1 水平井通用分类方法
类型
曲率半径（m）
造斜率（°/30m）
水平段长度（m）
长半径水平井
300～600
2～6
＞3000
中半径水平井
100～245
6～20
200＞1000
短半径水平井
6～60
24～300
＜300
超短半径水平井
＜1
图1 各类水平井示意图
2.2.2按照井的类型分类
—常规水平井；
—套管侧钻水平井；
—分支水平井。
2.2.3按照水平井的用途分类
—生产水平井；
—注入水平井；
—横向勘探水平井。
2.3国外水平井发展概况
1929年，在美国得克萨斯州从一直井中钻水平井并获得了高产。
1932年，美国的加利福尼亚州在圣巴拉的一口竖直井中侧钻分支水平井获得成功。
30年代，美国开始在垂直老井中用转盘挠性钻柱（ZublimTool）钻井的方法钻成短半径水平分支井。
1954年，前苏联钻成了第一口90°的分支水平井。
50～60年代中期，水平井钻井特别是分支水平井作为一种提高产量的方法曾在前苏联、美国、加拿大和意大利等国家受到重视，但是受当时技术条件的限制，其结论是水平井钻井技术可行，经济上不可取，尤其是与低成本的压裂相比更是如此。
因此，60年代后期至70年代末这十年间水平井钻井急剧减少。
20世纪80年代初，随着许多地区油气藏枯竭和石油价格的上涨，人们对水平井钻井重新产生浓厚的兴趣，对其钻井方法重新加以认识。
随着科学技术的发展，以及大斜度井和水平井钻井、完井工艺的不断改进，发展了一批先进的工具和仪器，重视水平井油藏研究，水平井成为勘探开发具有革命性变革意义的一项重要技术。
在水平井专用工具方面：
大扭矩、低转速多级马达、可控弯接头，可控稳定器、水力加压器、随钻扩孔工具、以及高效PDC钻头等广泛在水平井中的应用。
用连续油管钻水平井也应用的比较广泛。
大扭矩、低转速多级马达较普通动力马达的输出扭矩高出2倍以上，提高了机械钻速。
其中闭式轴承的动力马达工作在300个小时以内不用检修，降低了工具成本和钻井成本。
可控弯接头、可控稳定器和水力加压器等实现了随机控制，确保井眼轨迹达到设计要求，减少了起下钻次数，同时也实现了安全钻井。
在水平井仪器方面：
随钻测量内容越来越丰富，现有的MWD仪器不仅能够测量井斜、方位及工具面等参数，而且对钻头处钻压、扭矩、井底温度及井下振动等力学参数进行测量，同时还能够对地层的自然伽玛、密度、电阻率及孔隙度等地质参数进行测量，已发展成为具有随钻测量（简称LWD）和随钻地震（简称SWD）的功能。
测量传感器的位置也越来越靠近钻头，传感器从原来距离钻头12～20m缩短到距离钻头只有1～2m的距离。
在水平井完井方面：
能够根据不同油藏地质特点和采油作业要求，水平井完井具有多样化和可选性，既能够满足前期生产要求，又能适应今后修井作业和增产措施的需要，其技术较为成熟配套。
目前，国外常用的完井方法有：
裸眼完井、筛管完井、套管固井完井、砾石充填完井和组合完井。
图2 水平井裸眼完井示意图
图3 水平井砾石充填完井示意图
图4 水平井固井射孔完井示意图
图5 水平井筛管完井示意图
图6 水平井组合完井示意图
1984年以来，水平井钻井迅速增加，其中1988年和1989年就分别钻水平井200口和250口。
据不完全统计，80年代全世界共钻水平井1700余口。
1990年，美国、加拿大、中东、拉丁美洲等地区水平井钻井迅速增加，估计达到1500口。
1995年，全世界水平井已达到2700口，1996年可达到2800口。
到1996年全世界已有20多个国家累计钻成各类水平井达16000余口。
2000年全世界水平井完井总数26209口，涉及2322个油田，69个国家，这些水平井主要分布于美国、加拿大和前苏联等国家，其中美国和加拿大占大多数。
到2004年全世界水平井完井总数近4万口，并且每年以2000～3000口的速度增加。
表2 世界水平井数据统计表
国家
水平井数量
油田数量
10口水平井以上的油田
油公司
美国
13998
1235
94
994
加拿大
12221
394
69
300
世界其它地区
4211
639
84
306
69个国家
30430
2268
247
1600
图7 世界水平井增长情况图
目前，美国水平井占总数的6%，加拿大水平井占总井数的10%，而中国水平井占总井数的0.62%。
国外水平井主要技术指标：
全世界已完成各类水平井近4万口，最大水平位移为10668m，最大水平井段长6118m，双分支水平井总水平井段长度达到4550m，多分支水平井总水平井段长度达到8318.9m，可实现在1m以内的薄油层中进行轨迹控制而不脱靶。
国外水平井钻井技术正向着集成系统发展，既以提高成功率和综合经济效益为目的。
国外水平井钻井一些纪录实例：
●水平井钻井速度纪录－2001年5月29日，Ptrozuata公司在委内瑞拉Zuata油田打破了自己保持的记录，在FG25-4井，钻完1895m长的水平井井眼，仅用20.5小时。
●最大井斜记录——在Zuata油田，PrecisionDrilling732钻机在DE24-8井的分支井中，创造了139°井斜的世界纪录。
在1280m的测量深度和520m的垂直深度，井斜达到153.18°，方位角为269.11°。
●旋转导向钻井进尺纪录——2001年6月，挪威国家石油公司丹麦公司和斯伦贝谢公司使用旋转导向技术，钻121/4″井眼4200m仅用169小时。
●2000年HughesChristensen公司在委内瑞拉重油产区，应用121/4″MX－C1 Vltramax钻头实现单只钻头累积钻井最长水平段5130m（钻了9个侧向水平井段）的纪录。
●2000年BakerHughesinteq公司应用81/4″AutoTrak系统和CCN/Map系统，在挪威snorre油田，实现LWD仪器单次应用3626m的最长记录。
●水基泥浆钻水平井测深世界记录－Maersk油气公司应用SperryDrill泥浆马达和可调式稳定器工具，在Dan油田MFF－19C井，实现测深达9031.5m（水平段长6117.03m）的世界记录。
●水基泥浆钻水平井水平段长度世界纪录－1999年3月，Maersk油气公司应用Ensco-97钻机，Sperry-sun的定向钻井马达和可调稳定器，在卡塔尔Alshaheen海上油田的CA－14A，实现水平段长6377.9m（测深7909.56m，垂深1005.84m）的世界纪录。
●割缝筛管过水平井产层长度世界纪录－在委内瑞拉Petrozuata油田，割缝筛管过水平产层达2137.9米。
目前，国外水平井钻井技术的应用向综合应用发展，如小井眼水平井钻井、横向分支水平井钻井、大位移水平井钻井技术等都已投入实际应用。
采用的技术包括：
导向钻井系统、随钻测量系统、低转速大扭矩串接泥浆马达、PDC钻头和欠平衡钻井等。
国外在水平井钻井中广泛使用地质导向钻井和旋转导向钻井，借助先进的设备、工具、仪器、软件和可视化系统，实现信息化、智能化及自动化钻井。
3国内水平井钻井技术现状
国内水平井技术最早开始于60年代中期，先后在四川油田完成了磨3和巴24两口水平井，但限于当时的技术水平，未能取得应有的经济效益。
我国主要是在“八五”和“九五”期间开始水平井、侧钻水平井技术的研究与攻关，在此期间在不同类型油藏中开展了先导试验或推广，并形成了多项研究成果和配套技术，引进相当数量的水平井专用工具和仪器，水平井钻井技术有了较大的发展，工具、仪器的初步配套，基本能够进行各类水平井、侧钻水平井的钻完井施工。
到2002年为止，国内共完成各类水平井1114口，其中水平井705口、侧钻水平井372口、分支井31口、成对水平井6口。
水平井最大垂深不超过5600米，水平段长度不超过2000米，与国外相比还有较大的差距，特别是在钻井设备、工具和仪器、自动化钻井以及水平井技术的集成系统和综合应用方面的差距较大。
国内的胜利油田和塔里木油田在水平井技术的研究和应用上领先于其他油田，特别是胜利油田最具代表性。
胜利油田于1990年完成第一口科学试验水平井――埕科1井，到2004年12月，累计完成各类水平井459口，累计产油474.5x104t。
2004年完成投产水平井60口，年生产能力达108万吨。
图8 1991～2002年中国石油与胜利油田水平井数对比
水平井技术已经成为塔里木油田“少井高产”重要的技术支撑，在原油上产中发挥着越来越重要的作用。
截止2003年12月底，塔里木油田共完成各类水平井133口，占全油田总井数的34%，日产油6582.76t，占全油田产量的45.4%，平均单井日产油86t，是直井的3.5倍，已累计生产原油1297.84万吨。
截止2005年10月，塔里木油田共钻各类水平井160口，平均井深5000米。
水平井已经成为塔里木油田开发的有效手段。
表3 截止至2002年，我国水平井数量统计表
类型
水平井
侧钻水平井
分支井
成对水平井
大位移井
数量（口）
705
372
31
6
698
表4 国内水平井仪器数量统计表
仪器类型
LWD
MWD
有线随钻仪
陀螺仪
数量（套）
21
65
127
85
目前，国内有为水平井施工提供服务的各种仪器有近900套，基本能够满足国内水平井施工的需要，但适应薄油层、边部断块油藏的LWD和SWD仪器数量有较大的缺口需要引进。
国内有代表性的水平井、侧钻水平井钻井实施情况见以下4个实例。
图9 阶梯水平井示意图
图10 多靶点水平井示意图
图11 最深中半径水平井示意图
100.00m
图12 侧钻水平井示意图
辽河油田从二十世纪九十年代开始从事水平井、侧钻水平井技术的研究与试验工作，1992年在冷家堡油田冷43块S1＋2油藏完成第一口水平井——冷平1井，1996年在沈阳油田沈95静17块完成第一口套管侧钻短半径水平井——静31-71CP井，1997年在杜84块完成国内第一对水平井——杜84平1-1井和杜84平1-2井。
经过“八五”和“九五”期间的深入研究与推广，截止2005年9月底，辽河油田共完成水平井、侧钻水平井129口，其中水平井103口，侧钻水平井22口、分支井4口。
图13 辽河油田历年水平井施工数量
表3 辽河油田水平井侧钻水平井应用类型
序号
类型
井数
备注
1
中半径水平井
85
2
套管侧钻水平井
22
其中短半径14口
3
侧钻分支水平井
4
双分支
表4 辽河油田水平井侧钻水平井在不同油藏的应用情况
序号
油藏类型
井数
备注
1
稠油油藏
85
杜84块、锦45块、欢127块、齐40块、冷41块等
2
高凝油油藏
11
静17块
3
裂缝油藏
4
古潜山
4
其它油藏
5
薄油层、低渗透油层
辽河油田水平井侧钻水平井主要技术指标：
●最大井深：
4016m
●最大水平段长：
657m
●最大水平位移：
937m
●最大井斜角：
117°
●最大造斜率：
1.38°/m（短半径）
●最小曲率半径：
41.52m（短半径）
表5 辽河油田水平井侧钻水平井采油完井方式统计表
序号
完井方法
井数
备注
1
TBS筛管完井
11
2
金属棉筛管完井
15
3
割缝筛管完井
72
4
固井完井
5
5
砾石充填完井
１
冷平3井
6
打孔衬管完井
１
曙古11sp井
水平井应用实例：
于1996年完成了国内第一组成对水平井——杜84块成对水平井。
图13 杜84块成对水平井井身结构示意图
图14 齐108－9－11CP井井眼轨迹图
图15 海平3井井眼轨迹图
图16 杜84－馆平12井井眼轨迹图
图17 洼60－H2井眼轨迹示意图
我国水平井钻井技术目前处于快速发展阶段，其钻井技术水平已处于国际先进地位，但与美国、加拿大等发达国家相比，仍有一定的差距。
特别是在水平井钻井专用工具、仪器方面的研发与应用上存在较大差距。
4国内与国外水平井技术存在的差距
国外从事水平井技术研究与应用已有几十年的历史，工艺技术完善配套、工具仪器先进可靠，而且功能齐全。
国内与之相比工艺技术配套性差、缺乏专业的技术人员和施工队伍，设备不配套而且性能差、不稳定；工具、仪器不配套，性能也不稳定。
4.1工艺技术配套性差
辽河油田虽然从事水平井技术研究与推广应用已有十多年的时间，在水平井钻井优化设计、井眼轨道控制等方面有较大的进步和提高，但在水平井下部钻具组合受力分析、水平井安全钻井、提高钻井速度、水平井采油、作业及增产措施等方面的研究还不够深入，不能适应油田大规模应用水平井的需要，影响了水平井应用效果、规模实施和经济效益的提高。
4.2缺乏专业的技术人员和施工队伍
辽河油田缺乏专业的水平井技术服务公司和专业的技术人员，水平井施工队伍和现场服务人员流动性大，随意性大。
造成施工不熟练，掌握专业技能不够，给水平井施工带来安全隐患并影响水平井钻井施工速度。
4.3设备不配套，性能差、不稳定
辽河油田大部分性能好的钻机在国外或外油田服务，现有的设备陈旧、老化、性能差，有部分水平井施工队伍的设备不配套，适合水平井施工的顶驱设备更是无从谈起，造成设备修理时间长、施工周期长和存在安全隐患。
4.4工具、仪器不配套，性能不稳定
目前，水平井施工所用的工具、仪器大部分为国内生产，寿命短、性能差，与水平井施工相配套的减震器、螺旋无磁钻挺、抗压无磁钻杆等工具严重缺乏和不足，适应薄油层开发的LWD仪器和性能稳定的MWD仪器（进口）严重不足，不能适应辽河油田水平井快速发展的需要。
5水平井钻井技术应用效果及存在的问题
水平井广泛应用于稠油油藏、裂缝油藏、低渗透油藏、薄油层和井间剩余油的开发，能够有效解决底（顶）水、气锥进而影响油井生产周期等问题。
由于水平井钻井技术的成熟与配套，国内外各油田广泛应用水平井开发各类油气藏。
国外每年钻水平井在2000口以上，国内钻水平井也在200口以上，其产量也是直井的4～8倍。
水平井在各种油藏开发应用中都见到明显的效果。
水平井在辽河油田的底水油藏、稠油油藏、低渗透油藏、薄油层和井间剩余油的开发中都见到明显的效果。
特别是应用井眼轨迹控制技术，解决了由于受地面条件制约而造成靶前位移不够的“L”型井身剖面，为了提高固井质量，防止顶水下窜的双靶点“S”型井身剖面，以及各种三维井眼轨迹和防碰绕障问题。
在杜84-平45、46两口稠油水平井钻井施工中，确定现场地质跟踪导向实施原则：
◆根据地质设计要求，钻井轨迹既井眼轨迹纵向摆动幅度距设计轨迹误差±1m，左右平面摆动距设计轨迹误差±2m，现场地质人员进行随钻监测。
◆地质导向跟踪人员通过随钻γ、岩屑、钻时、钻压等综合信息，运用随钻地质导向跟踪技术监测储层岩性、含油性变化等。
随钻绘制自然γ、钻时、钻压曲线。
及时向甲方汇报。
◆要求录井人员从Ng组底部650m，开始岩屑录井，每2m取一包，岩屑要求在泥浆高架槽口录取。
◆钻至水平段入口前，根据现场地质人员要求，进行中途电测，测井项目为：
2.5Ωm底部梯度视电阻率、自然电位SP。
◆钻至入口点时，要求进行电测，测井项目：
2.5Ωm底部梯度视电阻率，自然电位SP、井斜。
◆入口电测后，下套管，固井候凝24小时后进行固井质量检测，测试项目：
变密度、声幅。
◆钻至水平段末端点，完井电测，测井项目为：
自然电位SP、自然γ、感应深浅、八测向、声波时差、密度、补偿中子等。
◆要求测井派一名测井解释人员跟随测试队伍到现场，在完井电测后与地质人员在现场共同研究确定完井事宜。
◆现场地质人员与工程人员密切配合，根据油层变化特点，共同研究确定钻具组合，为最大限度降低轨迹偏差，做到提高纠正预测。
◆待两口井实施后，地质研究人员根据录井、测井以及现场跟踪参数资料，形成综合地质实施总结报告。
杜84-平46井实钻轨迹控制过程实例：
◆杜84-平46井3月22日开钻，井深484m开始造斜，钻井过程中，实录地层界面与预计剖面相符，4月2日按设计钻井进入入口点，井深915.46m，垂深774.96m。
二开完钻深度920.68m。
完井后4月5日，三开钻进，钻进过程中岩屑含油显示良好，4月6日，钻至井深1292.83m，垂深775.02m，水平段377m，比方案延长12米。
经甲方特油公司批准完钻。
在甲方领导的监督和指导下顺利完成杜84—平46井地质跟踪任务。
轨迹符合方案的规定的水平段平面波动小于±2m，纵向垂深最大775.11m，最小774.12m波动小于±1m。
通过录井、测井资料显示水平段全段油层阻值较高，本井阻值偏低，主要原因在于油层经过吞吐，含水率上升，导致阻值下降。
含油性较好。
水平段长度377m，油层段长度377m，油层钻遇率100%。
符合水平井钻井要求。
图18 杜84－馆平46井地质跟踪图
LWD无线随钻测量仪器在薄油层水平井中的应用情况
辽河油田有大量的薄油层和构造边部油藏需要用水平井进行开发，但目前现有的常规工具和仪器很难满足井眼轨迹控制的要求，使油层钻遇率得不到保证，严重影响水平井及侧钻水平井的开发效果。
随着LWD无线随钻测量仪的引进并在水平井中应用，水平井﹑侧钻水平井在薄油层中将得到广泛应用，使水平井段能够在油层中有效地延伸，而不脱靶，保证井眼轨迹在油层的钻遇率，确保水平井的开发效果。
杜813-兴平51井是一口构造边部、油层厚度在7～9m的一口薄油层水平井，用常规仪器进行井眼轨迹控制并保证油层的钻遇率有很大的难度。
该井采用LWD无线随钻测量仪进行井眼轨迹控制和地质跟踪，根据电阻率和伽玛曲线，随时调整井眼轨迹，确保井眼轨迹在油层穿行。
该井水平井段399m，油层钻遇率在93%以上，控制效果良好。
冀东油田的蚕2-3水平井是构造边部的一口水平井，该井采用LWD无线随钻测量仪进行井眼轨迹控制和地质跟踪。
在水平段钻进中，及时发现断层、及时变更方位，最终实现油层的钻遇率100%。
通过在杜813-兴平51井和蚕2-3水平井中的应用可以看出，电阻率和伽玛曲线测量系统所测得的参数能够反映地层的岩性变化，指导了水平井的施工，应用效果良好。
完井后与测井曲线对比，基本相近，为今后的薄油层得以有效开发，开辟一条新路。
图19 冀东油田蚕2－3水平井测井曲线对比图
图20 杜813－兴平51井测井曲线对比图
在水平井钻井施工中，主要存在以下问题：
●针对各种油藏类型的工艺技术不配套；
●工具、仪器不配套，技术性能落后；
●绕障、防碰手段不多，防碰问题突出；
●工程与地质需进一步有效结合，提高油层钻遇率；
●完井方法单一，后期改造困难；
●设备陈旧、不配套，修理时间长，给施工带来风险；
●提高钻井速度的办法不多。
6水平井钻井技术攻关目标及研究方向
水平井钻井攻关目标：
通过水平井钻井技术配套研究和工具、仪器的完善配套，能够满足各种油藏类型的水平井施工需要，提高水平井施工质量，提高油层钻遇率，加快水平井施工速度，最终实现提高单井产量和经济效益的目的。
钻井技术研究方向：
针对不同类型油藏完善工艺技术配套，特别是低压、低渗油藏的油层保护、井眼轨迹控制和安全钻井问题。
薄油层、特松散油层的井眼轨迹控制技术，水平井专用工具、仪器的配套研究，LWD仪器在薄油层中的应用研究，针对不同类型油藏的泥浆配伍性研究，不同类型油藏完井方法研究和后期改造方法研究，以及深层、特殊岩性水平井提高钻井速度有效途径研究。
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