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(shù)被認(rèn)為是石油鉆井工程領(lǐng)域中最重要的創(chuàng)新技術(shù)之一。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，歐洲和美洲大規(guī)模開(kāi)展水平井鉆井作業(yè)，使水平井鉆井技術(shù)得到了快速發(fā)展，隨著鉆井技術(shù)的巨大進(jìn)步，目前最長(zhǎng)的水平井已經(jīng)達(dá)到15000m（俄羅斯石油公司，2017年）。但從油氣資源開(kāi)采角度來(lái)說(shuō)，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(kāi)采規(guī)模大幅度增加，三維多目標(biāo)定向井?dāng)?shù)量也大幅度增加，先進(jìn)的鉆井技術(shù)使一口水平井的油氣產(chǎn)量就可以相當(dāng)于以前十幾口直井的效果，水平井鉆井技術(shù)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(duì)空氣、水等自然環(huán)境的污染，同時(shí)在地面布井?dāng)?shù)量的減少，也降低了對(duì)土地資源的消耗，有利于對(duì)環(huán)境的保護(hù)。本文討論了目前水平井鉆井的類型和在鉆井工程領(lǐng)域取得的進(jìn)展。

2 水平井鉆井技術(shù)進(jìn)展

2.1 套管鉆井技術(shù)

最初的套管鉆井技術(shù)是將鉆頭直接連接到套管末端并鉆達(dá)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(guò)套管鉆井技術(shù)。該鉆井技術(shù)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(guò)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(guò)近年來(lái)的發(fā)展，套管鉆井工藝已經(jīng)成為一種新型鉆井技術(shù)，該技術(shù)可以減少鉆井時(shí)間和計(jì)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(shè)備時(shí)，必須將整個(gè)鉆柱從井眼中取出，拆卸并重新組合鉆具是一個(gè)十分耗時(shí)的過(guò)程，并且在等停過(guò)程中，會(huì)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(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，在頁(yè)巖地層鉆井過(guò)程中，這個(gè)問(wèn)題尤其嚴(yán)重。而套管鉆井技術(shù)，不使用鉆桿，而是使用與標(biāo)準(zhǔn)井下套管相同尺寸的特制套管進(jìn)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(shí)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(hù)，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(jìn)入井中引起井涌或井噴的風(fēng)險(xiǎn)。

由于套管鉆井技術(shù)可以解決在水平井鉆井過(guò)程中面臨的許多問(wèn)題。1990 年，鉆井承包商開(kāi)始使用套管鉆井技術(shù)鉆探復(fù)雜的低壓力地層，因?yàn)檫@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(jìn)過(guò)程中連續(xù)旋轉(zhuǎn)，套管柱發(fā)生阻卡問(wèn)題的可能性較小。而且在套管鉆井過(guò)程中，鉆井和下套管同時(shí)進(jìn)行，減少了下套管等非生產(chǎn)時(shí)間，進(jìn)一步提高了鉆井效率。

Tesco公司從1995年開(kāi)始積極開(kāi)展套管鉆井工藝的研發(fā)，并從1999年開(kāi)始進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)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(dòng)套管鉆井服務(wù)的第一次重大商業(yè)應(yīng)用。根據(jù)這份合同，Tesco公司使用三臺(tái)套管鉆井平臺(tái)進(jìn)行了鉆井作業(yè)，這些鉆井平臺(tái)是在公司位于加拿大阿爾伯塔省卡爾加里的工廠設(shè)計(jì)和制造的，專門用于為康菲提供鉆井技術(shù)服務(wù)。Tesco 公司還在北美參與了其他套管鉆井項(xiàng)目，包括與加拿大一家石油和天然氣運(yùn)營(yíng)商合作的項(xiàng)目，以測(cè)試套管鉆井技術(shù)在連續(xù)取芯作業(yè)中的應(yīng)用。此外，該公司正在與一些運(yùn)營(yíng)商討論套管鉆井技術(shù)在煤層氣等其他鉆井應(yīng)用中的潛在用途。

2.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在水平井鉆井技術(shù)進(jìn)步中起著最為關(guān)鍵的作用。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)可以使水平井的井眼軌跡、鉆柱振動(dòng)、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(shù)最顯著的特征就是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和創(chuàng)新。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用同時(shí)也是石油工業(yè)技術(shù)中最顯著的進(jìn)步之一，該系統(tǒng)通過(guò)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(jìn)行定向的井下組合工具相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，其中主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：

可以減少螺桿鉆具在定向和維持工具面過(guò)程中為了抵抗反作用扭矩而消耗的大量非生產(chǎn)時(shí)間，可以通過(guò)頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤向鉆頭提供更大的鉆壓和扭矩，從而實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械鉆速；因?yàn)樾D(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井過(guò)程中，鉆柱整體是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的而不是滑動(dòng)的，鉆柱的摩阻和拖壓顯著降低，可以大幅度延長(zhǎng)所鉆井的水平井段總長(zhǎng)度；與使用螺桿鉆具鉆井相比，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dǎo)向系統(tǒng)的生產(chǎn)和使用成本均高于普通的隨鉆測(cè)量工具，其日費(fèi)比隨鉆測(cè)量?jī)x器（MWD）高3～4倍左右。對(duì)于大多數(shù)海上鉆井平臺(tái)來(lái)說(shuō)，由于整體鉆井利潤(rùn)較高，可以承受使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具帶來(lái)的高服務(wù)費(fèi)，但對(duì)于一些利潤(rùn)率較低的陸上油氣田開(kāi)采，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用則受到了大幅度限制。行業(yè)專家指出，為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在美國(guó)陸上鉆井項(xiàng)目中的廣泛使用，需要將日費(fèi)率降低到PDM+MWD 成本的1.2～1.5倍。為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的低成本應(yīng)用，有必要進(jìn)一步改變旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步降低生產(chǎn)和使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的成本。

近幾十年來(lái)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展非常迅速，在井下鉆進(jìn)過(guò)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(dǎo)向技術(shù)在垂直鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)和分支井鉆井中得到了很好的應(yīng)用。并且隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，其使用成本也跟著不斷降低。但是，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在陸上油井上使用的百分比仍然偏低，但未來(lái)，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步推廣，其在降低鉆井成本和資源的開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)更為顯著，其應(yīng)用比例將進(jìn)一步增大。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具下一步將主要通過(guò)以下方式來(lái)降低成本：通過(guò)減少零件數(shù)量來(lái)簡(jiǎn)化所需配件的加工數(shù)量并降低加工復(fù)雜性；通過(guò)減少消耗元件來(lái)進(jìn)一步降低使用成本；隨著活動(dòng)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(huì)隨之減少，從而降低現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)和維修成本；通過(guò)基于下行鏈路模式的通信結(jié)構(gòu)支持第三方隨鉆測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)來(lái)降低隨鉆測(cè)量(LWD)的成本。

目前，低成本的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具已經(jīng)取得進(jìn)展，與上一代的推入式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(dǎo)向工具由70 個(gè)子組件構(gòu)成，約為上一代產(chǎn)品總零件數(shù)的25%。通過(guò)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(shù)人員所需的維修時(shí)間，低成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的維修成本僅為上一代工具的25%。低成本旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具最大的特點(diǎn)是，關(guān)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(wú)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(shù)。其中PowerDrive 和AutoTrak 屬于“push-the-bit”，而GeoPilot屬于“pointthe-bit”類型。

2.3 長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)

從20世紀(jì)90年代大規(guī)模開(kāi)展水平井鉆井后，長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)也得到了進(jìn)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(guò)2000m 的水平井。通常情況下，隨水平段的增長(zhǎng)，地面基礎(chǔ)設(shè)施和油氣資源采出方面的收益比例也隨之增加?？ㄋ柕腂D-04-A 井被視為目前水平段最長(zhǎng)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(tái)井是目前機(jī)械鉆速最快的井，該井將鉆井參數(shù)的高質(zhì)量建模與設(shè)計(jì)相結(jié)合，大幅度降低了建造海上平臺(tái)、管道和其他現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的成本，同時(shí)還減輕了對(duì)環(huán)境的影響。該平臺(tái)自2013 年以來(lái)，已創(chuàng)造了五項(xiàng)井深紀(jì)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(dá)到12450m和12700m。

當(dāng)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(shù)（ERD）是鉆井工程的前沿技術(shù)之一。在海上鉆井作業(yè)過(guò)程中，使用大位移鉆井技術(shù)可以從一個(gè)鉆井平臺(tái)鉆出多口大位移井，從而開(kāi)發(fā)平臺(tái)周圍的油氣藏。此外，大位移鉆井技術(shù)還可用于開(kāi)發(fā)一些不易開(kāi)采的邊緣油氣藏，從而以較低的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本從陸上開(kāi)采海上或湖泊油氣資源。在大位移井的鉆井作業(yè)過(guò)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(guān)鍵，因此，在進(jìn)行大位移井的鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注扭矩和摩阻的計(jì)算模型。

2008 年Wang 和Guo 提出了水力延伸范圍理論的概念和計(jì)算模型：水平段不能無(wú)限制地延伸，當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損失超過(guò)鉆井泵的額定壓力時(shí)，泥漿泵將停止循環(huán)鉆井液，這是一個(gè)臨界點(diǎn)，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(guān)，該理論可以從水力學(xué)角度預(yù)測(cè)水平井的最大測(cè)量深度和泥漿泵的承載能力。2009年Deli等建立了一套先進(jìn)的鉆井力學(xué)和控制技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)案例驗(yàn)證了其實(shí)際效果，通過(guò)研究海上鉆井平臺(tái)水力延伸范圍，給出了井下裸眼極限擴(kuò)展的預(yù)測(cè)與控制、套管磨損預(yù)測(cè)、套管阻力控制和導(dǎo)向鉆井模式。該理論的基本原理可以概括為：水平段不能無(wú)限制地向前延伸，當(dāng)井底壓力超過(guò)地層破裂壓力時(shí)，地層將發(fā)生漏失。整個(gè)剖面的最大測(cè)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(duì)該模型進(jìn)行了擴(kuò)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(jì)算結(jié)果變得更加準(zhǔn)確和可靠。但是，上述模型仍然沒(méi)有考慮到起下鉆等非鉆進(jìn)過(guò)程，會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，模型中沒(méi)有相應(yīng)的公式來(lái)確定單位環(huán)空泥漿壓力損失等效密度的準(zhǔn)確值。因此，有必要建立一個(gè)同時(shí)考慮鉆井過(guò)程（滑動(dòng)鉆井模式和旋轉(zhuǎn)鉆井模式）以及起下鉆過(guò)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(shù)被認(rèn)為是石油鉆井工程領(lǐng)域中最重要的創(chuàng)新技術(shù)之一。目前最長(zhǎng)的水平井已經(jīng)達(dá)到15000m。水平井鉆井技術(shù)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(duì)空氣、水等自然環(huán)境的污染，同時(shí)地面布井?dāng)?shù)量的減少，也降低了對(duì)土地資源的消耗，有利于對(duì)環(huán)境的保護(hù)。

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

（3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在水平井鉆井技術(shù)進(jìn)步中起著最為關(guān)鍵的作用。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)使水平井的井眼軌跡、鉆柱振動(dòng)、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。