水平井钻井技术在石油开发中的发展应用

高文涛(中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井一公司长庆项目部，辽宁 盘锦 124010)

0 引言

作为工业的血液——石油，依然在世界政治经济中扮演着极端重要的角色，对其的需求也与日俱增，促使各国将石油开发的目标逐渐转移到开发难度大的致密型油、发育较差的储层中，也因此促使一些新兴钻井技术发展起来。水平井钻井技术作为其中最具代表性的钻井技术，已经在世界范围内推广应用开来，成为保障能源安全的重要开发技术。所以需要对其在石油能源勘探开发中的实际运用展开相关研究。本文从水平井钻井的技术现状入手，综述了该项技术的优势和发展现状，分析了该项技术实际应用中存在的问题，提出了确保该项技术顺利实施的应用措施，并对其在世界范围内的应用效果进行了详述，为该项技术的发展提供较为详实的内容。

1 水平井钻井技术现状

1.1 基本概念

自水平井的理论在石油开发中出现开始，对其的定义均限制在小于90°的水平倾角范围内的一定长度的井段。而在油层中保持长度超过1 000 m的水平井称之为长水平段水平井[1]。该项技术与定向钻井技术的发展基本同步，可以保证钻头在储层中有效钻进，提高施工效率。

1.2 技术优势

水平井钻井技术具有定向钻井技术和直径钻井技术的较多优点，并且具备其他技术不能涉及到的技术优点。一是该项技术能够依据定向钻井技术，有效控制钻头沿着储层逐层钻进，大大提高了钻遇率，有效增加了泄油面积，最终能够确保单井产量的提升；二是该项技术的应用过程，也同样是帮助技术人员进一步认识地层的过程，能够更为全面地了解开发层段，收集更为详细的资料，以便给出更为科学的开发方案；三是能够极大带动钻井技术的集成化科技研发和应用，在丛式水平井、智能化水平井工程模式等方面，推进了钻井工程领域的科技进步，使得钻井工程技术层面的工艺逐步多样化、自动化、智能化、集成化和信息化；四是从总体成本上对比，水平井钻井技术的成本相比于其他技术成本具有优势，产生的附带污染也较低，避免过多的开发浪费情况发生。

1.3 技术应用现状

水平井钻井技术最初伴随定向钻井技术应用在低渗透性、裂缝发育、气顶与底水油藏等地质条件的储层中，取得了理想的效果，其优点也逐渐被推广应用，逐渐发展成为从裂缝性碳酸盐岩到页岩，从砂岩到煤层等宽领域的钻井技术，能够最大程度开发已经处于开发末期的储层、致密型油气藏等类型，在注采两端都发挥着极为重要的作用，能够实现多层开发、精细化油藏再认识、科学调整注采剖面等多重目标，成为现在能源开发行业中不可或缺的关键技术之一。

2 水平井钻井技术存在的问题

2.1 配套设备限制

与国际上水平井钻井技术的成熟发展和应用相比，我国在部分水平井钻井方面还存在一些差距，尤其是水平井钻井相关技术配套石油机械方面。国内很多设备仍然是传统的设备类型，维修维护较为频繁，设备稳定性不理想，而购买国外的进口设备，不仅价格昂贵，还容易影响国内设备制造商的积极性，从而出现了设备与技术发展匹配的情况。这需要国内石油机械行业从业者，加快技术革新步伐，迎头赶上，打破设备卡脖子的瓶颈，推动国内水平井钻井技术再上新台阶。

2.2 地质条件限制

影响水平井钻井质量和效率的限制条件，首先是地质条件的发育优劣程度。尤其是水平井多用于纵向和平面发育差异性较大的区块，往往跨相发育的地层影响了效率，一方面需要针对复杂的地质条件进行详细的识别，另外不同类型的地层钻进速度方案也不同，从而影响了水平井钻井的速度。针对此类情况，一般采用直径较大的钻孔以提升钻井速度。

2.3 摩阻扭矩限制

对水平井钻井影响较大的另一个限制条件，就是摩阻扭矩对钻进的限制阻碍。尤其是长水平段的水平井钻井，当超过1.2 km的距离后，水平井段的摩阻扭矩已经出现影响轨迹前行的迹象。如果水平井钻井的钻具体系构造极为繁琐，容易导致钻具横卧在水平井井壁的最下端，一旦整个钻具体系与井壁最下端处沉积的岩石碎屑搅在一起，容易卡住。此外，由于岩屑在钻进轨迹中会一定程度地污染钻井液，更容易降低钻进所需的润滑效果。

2.4 固井条件限制

水平井钻井技术对固井的要求较高，尤其是在斜井段和水平段的高边区域按照水袋的形式保障水泥与水平井壁的固井质量达到理想效果，经常会需要在钻进过程中，在泥浆内混入一定比例的原油液体，以降低摩阻。可是，当水泥凝结时由此会形成部分缝隙，影响了固井的整体效果和稳定性。此外，还有在凝析油气储层中钻进时，部分油气也会掺入泥浆，影响固井质量。一旦水泥凝结后带有缝隙，在强大的振动下，轻则导致脆性裂纹，重则导致断裂，严重影响水平井钻井的质量。

2.5 人力资源限制

由于水平井钻井技术尚属于较为先进的钻井技术，与理论知识结合较为紧密，而国内当前该技术应用方面的人员相关的培训较少，基本从实践中摸索和掌握部分重要技术内容，影响了基础知识和技术的储备厚度。而且钻井队伍的流动性较强，队伍长期稳定性较差，加之部分民营个体承包商为了成本而很少在培训方面投入资金，各类因素导致了在水平井钻井技术方面的人力资源较为匮乏。

2.6 泥浆密度限制

钻进过程中需要用到大量泥浆，如果泥浆的相对密度与钻孔工作不匹配，出现过大或者过小的情况，会严重影响钻孔的效率，过大的相对密度会导致钻具被膨胀，出现较大摩阻扭矩；而过小则会出现反力损坏钻柱，故泥浆相对密度问题需要高度重视。

2.7 过程稳定限制

水平井钻井过程不同于直井，其经常存在弯曲造斜的情况，一旦水平井的井筒弯曲度没有控制好，就极大考验钻柱的刚度和硬度。若是钻柱质量不佳，就容易出现脱离方案轨迹的情况。所以水平井钻进过程中的稳定对于整体质量极为重要，一旦出现问题，严重影响水平井钻井的施工效益。

3 水平井钻井技术关键措施

3.1 精益套管管理

为了防止石油钻井过程中的坍塌事故，避免井下压差过大而导致摩阻引发钻进故障，需要对下套管工作进行精益管理：一是详细分析下入机械的重量总体与极限的具体量级；二是计算出下入后的摩阻损失；三是总体重力损失。通过全过程重力和摩阻的精益管理，简化顶部驱动时循环钻井液，整合优化升级水平井钻井整体项目。同时，依靠技术人员的精益管理和控制辅助作业单元，全力保障该技术钻进功能的顺利实施。

3.2 精确控制轨迹

在实施水平井钻井技术时，应对整体钻井过程进行综合研判和科学分析，提高整体项目的品控水准，依托技术创新手段运用井底预测技术，精确把控井身轨迹。尤其是直井段的井身轨迹，避免出现偏移，完整保持整体的井身结构控制。此时要采取必要的保障技术来精确控制井身轨迹。经常采用的相关技术，包括轨迹跟踪预测技术、随钻轨迹监测和控制技术，以及导向钻井技术。

一是采用轨迹跟踪预测技术，在水平井钻井过程中，运用科学的施工技术在保持流程完整的基础上，维持造斜技术的钻井效果，需要采用该项预测技术来综合判断和预测实际的井斜质量，实时根据钻进数据进行系统分析和调整。二是在钻进过程中，尤其是在深度钻井项目，充分运用随钻轨迹监测和控制技术，能够准确选择随钻监测设备和精确计算方法，按照流程和制度要求，满足现场与方案的结合性。目前国内采用的是MWD无线随钻测量设备，实时测量井眼的轨迹情况，提高轨迹控制的精确性。三是使用导向钻井技术来实现水平井钻井过程中造斜井段的精确控制，实时结合井下地质参数变化情况，科学选择转盘钻和定向造斜井结合部位，实现对井身轨迹的精确调整和控制，不仅能够满足施工要求，还能够保障水平井钻井全过程安全可靠。

3.3 精准处理剖面

在水平井钻井过程中，其剖面长半径、中半径和短半径全系列的科学计算与统一处理对于水平井整体项目的安全极为重要。要精准确保剖面半径的处理水平达到方案标准，通常在水平井设计阶段对半径维护就要进行详细分析。施工阶段经常使用长半维护和短半维护，而在过程中更多采用曲壳驱动法，有效规避滑动摩阻带来的各类安全隐患风险，结合无线随钻测量的轨迹监测和控制技术，有效避免超过极限的拉力问题。

3.4 精细清理井眼

在水平井钻井技术实施过程中，按照轨迹类型基本分为水平段和造斜段，在水平段的钻进过程中，规模较多的水、泥浆混合物、岩屑等杂物会大量产生，需要及时地返排到地面，否则会长期积累影响钻进，影响钻井质量，真实导致卡钻发生。所以，为了顺利保障水平井钻井的精确实施，需要高度重视岩屑返排工作，特别是在造斜井段的过程中尤为需要注意，谨防没有排出的岩屑进入后续开采的石油和注入水中，导致油品质量和注入水质量受到影响。在此过程中，一定要按照相关的标准规范严谨的执行，切不可大意导致问题发生。

3.5 精密控制范围

水平井钻井中的井下总体布局规划需要在设计阶段，结合前期资料落实有效的预判和分析，并在钻井全流程中实时再分析和再认识。这对水平井钻井的预前方案合理性提出了极高的要求，并依托于随钻监测设备的精确应用，能够实时反应钻进空间的边界预判，以确保施工中钻孔空间的边界范围可控，结构能够保持完整有效。除了方案和设备因素外，过程中液位和偏斜质量的有效监督到位，也是能够确保随钻数据信息准确的保障，由此来精密的控制钻进空间的合理性，规避返工修整等不必要的后续工作。

3.6 精专钻柱管理

水平井钻井工程的全流程安全重要保障之一就是钻柱的强度管理，在保证其抗压强度的基础上，才能满足造斜结构的精确目标和方案要求。所以需要高度专注对钻柱的强度管理，首先从方案源头上确保能够实现的管柱水平与管理能力相匹配；二是专注于最大程度减少摩阻扭矩的影响，尤其是对长水平段水平井钻井，要合理选用对口工具降低摩阻扭矩，也能极大降低水平井钻井的事故发生率，确保项目的平稳实施。

3.7 精湛技术工作

石油开发离不开科学技术的支持，而水平井钻井作为技术综合性较强的钻井技术，同样依赖于技术的支撑，故需要切实做好相关技术的保障措施。一是在钻进倾角和造斜阶段时，要科学计算和分析斜角的量级以合理选择适当的钻具，尤其是在坡度极小的情况下，采用无磁钻杆等钻具；二是在水平井钻井整体施工过程中，构造学和机械设备的合理运用与质量保证，对实时钻进的监测起着重要作用，确保钻进力的合理控制；三是降低摩阻的专用工具质量要高，避免过大摩阻扭矩影响水平井钻井施工。此外，控压钻井技术的运用对确保水平井井下压力保持平衡状态也极为有效[2]。

4 水平井钻井技术国外应用效果概况

1929年美国第一口水平井的问世就获得了高产[3]。目前在国内外的各类油田中均能够看到水平井钻井技术的应用，比较集中在致密型、丰度低、物性不佳、裂缝发育的油藏区域，以解决直井钻井不能触及的油藏范围，极大地提高石油开发效率。

而我国近年来的水平井钻井方面的技术实力也发展较快，大庆油田、长庆油田等各大油田逐年加大了水平井钻井工程技术推广的力度。目前国外每年大约2 000口水平井钻井施工项目，国内是200口左右，并呈现逐年增加的态势。得益于水平井的优势，尤其是长水平段水平井钻井技术，能够极大提高油藏的泄油面积，有效提高单井产量和采收率，经济效益较好，能够钻进贯穿较长的储层。所以在非常规油气藏和老油田增产方面广泛运用[4]。从当前情况看，水平井钻井技术在促进石油能源产量方面已发挥出突出的功效，可以极大地促进石油产量的提高，远景展望看好。

5 结语

虽然水平井钻井技术得益于其优势，在国内的推广应用较快，但是在配套设备和相关技术，以及人力资源方面还需要不断地提升和完善，确保项目施工质量和进度，最终完成石油开发的生产目标。在此过程中，除了要及时汲取国外先进经验之外，独立自主的创新发展更为重要，依靠技术的不断发展，提升我国石油开发的综合实力。