對(duì)長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

韓來(lái)聚, 牛洪波

(1.中石化勝利石油工程有限公司，山東東營(yíng) 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017)

作為有效進(jìn)尺最大化的重要技術(shù)手段，長(zhǎng)水平段水平井在國(guó)內(nèi)外眾多油田得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為低滲透油藏、裂縫性油藏和非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)。然而，由于水平段較長(zhǎng)、鉆遇巖性復(fù)雜多樣、鉆井液和鉆具與地層接觸時(shí)間長(zhǎng)等原因，使其鉆進(jìn)和固井過(guò)程中存在很多技術(shù)難題[1]。比如：現(xiàn)有井眼軌道設(shè)計(jì)大多通過(guò)全井段摩阻分析對(duì)軌道設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，但摩阻分析受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響，分析結(jié)果的可靠性有待提高；長(zhǎng)水平段井眼軌跡控制技術(shù)單一，在使用水基鉆井液時(shí)水平段延伸能力受限嚴(yán)重；儲(chǔ)層物性平面變化較大，而國(guó)內(nèi)水平段地層評(píng)價(jià)分析技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，亟待開(kāi)發(fā)基于巖性、地層界面等地層屬性隨鉆識(shí)別的鉆井參數(shù)優(yōu)選和工程方案優(yōu)化技術(shù)；以保障完井為目標(biāo)的鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、鉆井液性能維護(hù)、完井井眼準(zhǔn)備等相關(guān)環(huán)節(jié)的技術(shù)協(xié)調(diào)性有待提高等。上述問(wèn)題均與“長(zhǎng)水平段”密切相關(guān)，也與現(xiàn)階段對(duì)長(zhǎng)水平段水平井、大位移井和常規(guī)水平井的不同認(rèn)識(shí)有一定程度的關(guān)系。因此，為進(jìn)一步明確長(zhǎng)水平段水平井與大位移井及常規(guī)水平井的區(qū)別，充分表征長(zhǎng)水平段水平井的形態(tài)特征，筆者初步提出了以水平段和斜井段長(zhǎng)度相對(duì)關(guān)系為指標(biāo)的長(zhǎng)水平段水平井定義，供業(yè)內(nèi)討論；詳細(xì)闡述了三者在鉆井關(guān)鍵技術(shù)、井眼形態(tài)方面的差異以及對(duì)工程設(shè)計(jì)和鉆井完井工藝的影響，并從完善基礎(chǔ)理論研究、推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)、提升長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)能力和探索經(jīng)濟(jì)鉆井模式等方面提出了相關(guān)鉆井技術(shù)的發(fā)展建議，以有助于推動(dòng)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展。

1 長(zhǎng)水平段水平井的定義

對(duì)長(zhǎng)水平段水平井而言，水平井的定義早已明確，但“長(zhǎng)水平段”如何界定？這一問(wèn)題一直沒(méi)有得到解決，甚至被忽略。這導(dǎo)致了對(duì)“長(zhǎng)水平段水平井”鉆井技術(shù)的認(rèn)識(shí)較為混亂。例如，2007年前后完鉆的躍西3井、臺(tái)H5-2 井等代表了澀北地區(qū)當(dāng)時(shí)的水平井技術(shù)水平，但其水平段長(zhǎng)度分別為493和625 m，該水平段長(zhǎng)度在很多地區(qū)較為常見(jiàn)，因此上述井稱之為長(zhǎng)水平段水平井很難得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)同；川西地區(qū)在介紹其相關(guān)鉆井技術(shù)時(shí)把水平段長(zhǎng)度600 m以上的井均納入了討論范圍[2]；而吉林、長(zhǎng)慶等油田在相關(guān)技術(shù)介紹中，把水平段長(zhǎng)度不小于1 000 m的井才劃為長(zhǎng)水平段水平井[3-4]。由此可見(jiàn)，不同地區(qū)對(duì)于長(zhǎng)水平段水平井的認(rèn)識(shí)存在較大差異；而且，由于沒(méi)有明確定義，相關(guān)表述用詞也多種多樣，缺乏規(guī)范。除了“長(zhǎng)水平段水平井”，“長(zhǎng)井段水平井”、“大跨度水平井”等非規(guī)范用詞也時(shí)常出現(xiàn)在石油行業(yè)技術(shù)交流中。上述問(wèn)題不僅妨礙了鉆井行業(yè)對(duì)相關(guān)技術(shù)的交流，也影響了長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展。因此，對(duì)于這類技術(shù)特點(diǎn)不同于以往、技術(shù)界限模糊的水平井，有必要對(duì)其定義進(jìn)行討論，以規(guī)范、明確并統(tǒng)一起來(lái)。

應(yīng)該說(shuō)，給出長(zhǎng)水平段水平井的定義不是一個(gè)純粹的技術(shù)問(wèn)題，而是一個(gè)需要普遍認(rèn)可的事件，因?yàn)椤伴L(zhǎng)水平段”只是一個(gè)相對(duì)概念。以川西地區(qū)為例，近期完成的 XP-1H 井水平段長(zhǎng)度為1 506 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該地區(qū)2010年以前平均水平段長(zhǎng)度(600 m左右)，且其關(guān)鍵技術(shù)集中表現(xiàn)在井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道設(shè)計(jì)、井眼軌跡控制、鉆井液潤(rùn)滑減阻、井眼凈化、套管下入等方面[2]，與以往水平井鉆井的技術(shù)要求有明顯區(qū)別。故單井水平段長(zhǎng)度達(dá)到該地區(qū)水平井平均水平段長(zhǎng)度的一定倍數(shù)，或者其水平段長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)量級(jí)，這樣的水平段就可以相對(duì)地稱之為長(zhǎng)水平段，相應(yīng)的井即可稱之為長(zhǎng)水平段水平井。這樣可以在一定程度上體現(xiàn)澀北、川西等地區(qū)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)。

因此，筆者建議：借鑒大位移井的定義方法，根據(jù)其形態(tài)特征給出定義。長(zhǎng)水平段水平井的形態(tài)特征是存在“相對(duì)較長(zhǎng)”的水平段，為了凸顯水平段長(zhǎng)這一重要特征，筆者給出如下定義：水平段長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m或水平段與斜井段的長(zhǎng)度比值大于2的井稱為長(zhǎng)水平段水平井。

2 對(duì)長(zhǎng)水平段水平井的具體認(rèn)識(shí)

自2007年以來(lái)，勝利油田針對(duì)長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)進(jìn)行了系列研究攻關(guān)和技術(shù)實(shí)踐，對(duì)長(zhǎng)水平段水平井的主要特點(diǎn)及相關(guān)鉆井技術(shù)的認(rèn)識(shí)不斷深入，可規(guī)納為以下5點(diǎn)：

1) 與常規(guī)水平井的技術(shù)要求有明顯區(qū)別。長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)理念的核心是，要在有限的水平位移范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平井眼長(zhǎng)度最大化[5]。摩阻扭矩過(guò)大是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最大障礙。因此，對(duì)井下摩阻、扭矩的分析和控制是貫穿長(zhǎng)水平段水平井鉆井全過(guò)程的主線。在鉆井工程設(shè)計(jì)階段,井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道設(shè)計(jì)的基本優(yōu)選指標(biāo)為井下摩阻扭矩最小[6-7]。長(zhǎng)水平段水平井所應(yīng)用的鉆井工藝技術(shù)也需要重點(diǎn)考慮井下摩阻扭矩的解決方案。使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)或提高復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺，減少水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺，從而提高水平井井眼軌跡的圓滑程度，已經(jīng)成為長(zhǎng)水平段水平井井眼軌跡控制的關(guān)鍵技術(shù)[8]。相應(yīng)的鉆井液以及完井技術(shù)要求，也同樣以減小井下摩阻扭矩為主要目標(biāo)。這些技術(shù)要求與大位移井的要求更接近，卻不是常規(guī)水平井需要著重考慮的問(wèn)題。

2) 不完全等同于大位移水平井。大位移井的定義為：水平位移超過(guò)3 000 m或水平位移與垂深的比值大于2的定向井[9]。盡管目前實(shí)施的很多水平井具有1 000 m以上長(zhǎng)度的水平段,但無(wú)論是水平位移還是水垂比均不符合大位移井的定義，不能劃歸大位移井的范疇(見(jiàn)表1)。

表1 部分長(zhǎng)水平段水平井的基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of some long horizontal section wells

3) 與大位移井的應(yīng)用目的存在明顯差異。大位移井用于海上、灘海油氣開(kāi)發(fā)，用以建立連接多個(gè)小斷塊、小圈閉的油氣通道，代替復(fù)雜海底井口等方面，可節(jié)省人工島、進(jìn)海路、海底設(shè)備等大量投資[10-11]。其關(guān)鍵技術(shù)主要是保障延伸作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)水平位移目標(biāo)。而長(zhǎng)水平段水平井作為MRC(最大儲(chǔ)層接觸)技術(shù)的一種重要形式，其主要目的是充分暴露儲(chǔ)層，重視打開(kāi)目的層后井筒水平延伸的長(zhǎng)度。比如，在相同垂深和位移條件下，位垂比超過(guò)2的井就可以稱為大位移井，存在井斜角大于86°井段的大位移井就可以稱為大位移水平井，至于目的層內(nèi)水平段的長(zhǎng)度則不作要求；而長(zhǎng)水平段水平井則需要在同等位移條件下盡可能增大目的層內(nèi)的水平段長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)最大限度暴露儲(chǔ)層的目的。

4) 軌道設(shè)計(jì)目標(biāo)及方法與大位移井存在較為明顯的區(qū)別。大位移井強(qiáng)調(diào)從井口到地質(zhì)靶區(qū)的鉆進(jìn)延伸能力，通常會(huì)有大于60°的穩(wěn)航角(sail angle)[10-11]，其井眼軌道設(shè)計(jì)目標(biāo)大多是通過(guò)不同設(shè)計(jì)方法使井眼軌道以穩(wěn)航角穩(wěn)斜鉆進(jìn)，從而克服摩阻、有效傳遞鉆壓和扭矩，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡控制和水平位移延伸。而長(zhǎng)水平段水平井要在既定水平位移內(nèi)最大限度地實(shí)現(xiàn)水平段延伸，最優(yōu)穩(wěn)斜角的應(yīng)用空間被大大壓縮，因此其軌道設(shè)計(jì)思想是追求更為簡(jiǎn)單的軌道參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)摩阻扭矩最小，而追求穩(wěn)航角或最優(yōu)穩(wěn)斜角的必要性已經(jīng)不是很大[5]。

5) 與大位移井相比關(guān)鍵井段有所不同。盡管長(zhǎng)水平段水平井與大位移井二者應(yīng)用了非常接近的工藝技術(shù)，但技術(shù)應(yīng)用的主要井段和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均存在顯著區(qū)別。比如在同等位移和垂深條件下，大位移井通常具有很長(zhǎng)的大斜度穩(wěn)斜段,大斜度穩(wěn)斜角稱為穩(wěn)航角，大于60°[11]。因此，其技術(shù)應(yīng)用大多集中在斜井段。而出于充分暴露產(chǎn)層的目的，長(zhǎng)水平段水平井的斜井段較短，相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在水平段。這種軌道形態(tài)的差異決定了長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集中在水平段著陸、水平延伸鉆進(jìn)和完井期間；而大位移井的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集中體現(xiàn)在如何在大斜度井段實(shí)現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)斜角，保障井底位移有效延伸和后期完井方面，這與長(zhǎng)水平段水平井的區(qū)別較大。

綜上所述，減小井下摩阻扭矩、保障水平段有效延伸和完井管柱下入是長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的主要目標(biāo)。該技術(shù)要求與大位移井的要求更接近，卻不是傳統(tǒng)水平井需要著重考慮的問(wèn)題。同時(shí)，大位移井強(qiáng)調(diào)從井口到地下靶點(diǎn)的鉆進(jìn)延伸能力，對(duì)靶區(qū)和井眼形態(tài)沒(méi)有特殊要求。而長(zhǎng)水平段水平井則更加注重靶區(qū)要求，特別是井斜角達(dá)到86°以上井段的長(zhǎng)度，強(qiáng)調(diào)井眼的水平延伸和后期作業(yè)能力，二者之間的差異顯而易見(jiàn)。

3 長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)發(fā)展建議

隨著各類低效油氣田高效開(kāi)發(fā)需求的日益迫切，長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)在今后較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)都是鉆井工程技術(shù)發(fā)展的重要方向。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)初步形成了長(zhǎng)水平段水平井的鉆井完井技術(shù)，但仍存在基礎(chǔ)理論薄弱、技術(shù)體系不完善、技術(shù)應(yīng)用綜合成本居高不下等方面的問(wèn)題。筆者基于相關(guān)技術(shù)前期研究、應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，對(duì)長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展提出以下3點(diǎn)建議：

1) 完善鉆井工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論，強(qiáng)化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的保障作用。長(zhǎng)水平段水平井最主要的目的是在有限的水平位移范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平井眼長(zhǎng)度最大化，但隨著水平段進(jìn)尺占全井進(jìn)尺比例的增大，井眼軌跡控制、完井管柱下入等問(wèn)題的難度和風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增大，這就要求鉆井工程設(shè)計(jì)，特別是井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)要更加科學(xué)、有效。而目前長(zhǎng)水平段水平井鉆井設(shè)計(jì)技術(shù)主要集中在軌道設(shè)計(jì)方案對(duì)比、鉆井液性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-15]等方面，尚未開(kāi)展水平段長(zhǎng)度與斜井段軌道設(shè)計(jì)參數(shù)同步優(yōu)化的理論方法研究，完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下入能力評(píng)價(jià)與井眼軌道設(shè)計(jì)協(xié)同優(yōu)化技術(shù)尚處于初步探索階段，基于井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)的井眼軌道設(shè)計(jì)技術(shù)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。因此，有必要以保障延伸鉆進(jìn)能力和完井管柱安全下入為目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)的井眼軌道優(yōu)化基礎(chǔ)理論研究，建立較為完善的長(zhǎng)水平段水平井井眼軌道設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選理論體系，進(jìn)而形成滿足長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)特性要求的鉆井工程設(shè)計(jì)技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的保障作用。

2) 加強(qiáng)工藝技術(shù)創(chuàng)新，提升長(zhǎng)水平段鉆井完井技術(shù)能力。國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備了較強(qiáng)的長(zhǎng)水平段鉆井完井技術(shù)能力，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：水平段長(zhǎng)度達(dá)到1 200 m后，隨著水平段的延伸，鉆井作業(yè)效率快速下降，完井準(zhǔn)備時(shí)間大幅增長(zhǎng)。其主要技術(shù)問(wèn)題集中在井下摩阻扭矩控制、長(zhǎng)水平段井眼軌跡控制、完井管柱下入及完井質(zhì)量保障等方面。因此，為了提升水平段長(zhǎng)度達(dá)1 500 m以上水平井的鉆井技術(shù)能力，需要開(kāi)展4項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)：a)開(kāi)展長(zhǎng)水平段水平井摩阻扭矩監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)摩阻扭矩監(jiān)測(cè)、解釋所需的軟件系統(tǒng)及處理井下復(fù)雜情況所需的配套工具；b)開(kāi)發(fā)長(zhǎng)水平段井眼軌跡高效控制技術(shù)，如長(zhǎng)水平段復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)等；c)強(qiáng)化鉆井液體系及配方優(yōu)化，結(jié)合具體區(qū)塊提升鉆井液應(yīng)用技術(shù)水平；d)加強(qiáng)智能完井技術(shù)研究，為提升低效油氣藏綜合開(kāi)發(fā)效益建立長(zhǎng)效井筒基礎(chǔ)。

3) 探索長(zhǎng)水平段水平井經(jīng)濟(jì)鉆進(jìn)模式。長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)大多應(yīng)用在物性條件較差的低效油氣藏，有效降低該類油氣藏開(kāi)發(fā)成本是技術(shù)應(yīng)用的基本前提。因此，建議首先開(kāi)展以下5方面的技術(shù)研究。一是積極探索長(zhǎng)水平段高效鉆井工藝技術(shù)。長(zhǎng)水平段機(jī)械鉆速低、周期長(zhǎng)是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)水平段鉆井普遍存在的問(wèn)題。建議結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊地層特點(diǎn)開(kāi)展高效破巖機(jī)理分析，在此基礎(chǔ)上探索應(yīng)用氣體鉆井、泡沫鉆井、高壓噴射鉆井等水平段高效鉆井工藝技術(shù)。二是加強(qiáng)多參數(shù)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究，以解決由于平面和垂向地層巖性、物性變化而造成的長(zhǎng)水平段無(wú)效進(jìn)尺，甚至是井眼損失問(wèn)題。三是開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的井眼軌跡控制輔助工具系統(tǒng)，首先要提升滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)復(fù)合鉆進(jìn)比例和滑動(dòng)鉆進(jìn)能力，這也是一定時(shí)期內(nèi)長(zhǎng)水平段水平井井眼軌跡控制技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)，如國(guó)外開(kāi)發(fā)出的導(dǎo)向工具自動(dòng)控制及定位系統(tǒng)[16]、裸眼井段減摩降扭工具、變徑穩(wěn)定器等配套工具系統(tǒng)，均有助于進(jìn)一步提升滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井工具的應(yīng)用空間；其次要開(kāi)發(fā)低成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、近鉆頭測(cè)量等先進(jìn)技術(shù)。四是進(jìn)行油基鉆井液循環(huán)再利用技術(shù)研究和應(yīng)用，降低油基鉆井液使用成本。五是配套開(kāi)發(fā)保障完井管柱安全下入的完井井眼準(zhǔn)備技術(shù)、完井管柱輔助下入工具、長(zhǎng)效固井工作液、配套工具及工藝。然后，在形成以上各單項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加快相關(guān)技術(shù)的集成應(yīng)用與規(guī)?；瘧?yīng)用，以逐步形成經(jīng)濟(jì)高效的長(zhǎng)水平段鉆井完井技術(shù)模式。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 長(zhǎng)水平段水平井與常規(guī)水平井、大位移井在形態(tài)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法、施工要點(diǎn)等方面存在諸多不同，為此提出了長(zhǎng)水平段水平井的初步定義，供業(yè)內(nèi)同行討論。

2) 以經(jīng)濟(jì)實(shí)用型鉆井裝備和技術(shù)為基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)初步形成了長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)，具備了實(shí)施3 000 m長(zhǎng)水平井段的技術(shù)能力，可通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)摸索改善低效油氣田綜合開(kāi)發(fā)效果的鉆井配套技術(shù)，促進(jìn)頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。

3) 國(guó)內(nèi)長(zhǎng)水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展迅速，但仍需加大研究攻關(guān)力度，建立較為完善的基礎(chǔ)理論體系，提高長(zhǎng)度達(dá)1 500 m以上長(zhǎng)水平段的鉆井完井技術(shù)能力，結(jié)合具體區(qū)塊特點(diǎn)探索更為經(jīng)濟(jì)有效的長(zhǎng)水平段水平井鉆進(jìn)模式，特別是需要加強(qiáng)鉆井工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、多參數(shù)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井、低成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、智能完井等先進(jìn)技術(shù)的攻關(guān)和應(yīng)用力度，提高國(guó)內(nèi)技術(shù)整體水平。

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