國內外水平井鉆井技術及發(fā)展方向

1、中國石油水平井工作會議材料匯編之七國內外水平井鉆井技術及發(fā)展方向編寫人：喬忠明審核人：李永和遼河石油勘探局工程技術研究院2005年10月1 概述12 國外水平井鉆井技術現狀12. 1水平井的基本概念12. 2水平井的分類22.3國外水平井發(fā)展概況33國內水平井鉆井技術現狀84 國內與國外水平井鉆井技術存在的差距174. 1 工藝技術配套性差174.2缺乏專業(yè)的技術人員和施工隊伍184.3設備不配套，性能差、不穩(wěn)定184.4工具、儀器不配套，性能不穩(wěn)定185 水平井鉆井技術應用效果及存在的問題18水平井鉆井技術攻關目標及研丸方向221概述水平井鉆井技術起源于上個世紀的三十年代，發(fā)展于八十年代，特

2、別是在八十年代 后期，為了提高單井產最和原油采收率，降低開發(fā)生產成本，水平井技術更加廣泛的用 于開發(fā)各種油氣藏，并先后取得了顯苦的經濟效果，應用規(guī)模迅速擴大，全球每年鉆各 類水平井在2000 口以上。在國內，以勝利油田，塔里木油IB等為代表的一些油田也廣 泛應用水平井技術開發(fā)各種油氣藏，每年鉆各類水半井200余口，并都見到較好的效果, 取得較好的經濟效益。遼河油田各級領導也非常重視水平井這項技術的先進性和適用 性，將油藏地質研究和鉆完井技術、采油作業(yè)技術有機的結合起來，使該項技術具有綜 合配套性和廣泛適用性。兒年來，完成各類水半井129 口，見到明顯的效果。2國外水平井鉆井技術現狀國外水平井鉆

3、井技術始于20世紀30年代，發(fā)展于80年代，特別是經過近10多年 的迅速發(fā)展，使其水平井鉆完井工藝技術較為完善，專用工具、儀器完善配套。并將水 平井技術作為開發(fā)油藏的常規(guī)技術廣泛推廣應用。水平井鉆井優(yōu)化設計技術、井眼軌跡 控制技術、下部鉆具組合優(yōu)選、確保施工安全和防止油層污染的鉆井液完井液技術、組 合完井工藝技術、大扭矩多級馬達、可控彎接頭、變徑穩(wěn)定器、水力加壓器、高效PDC 鉆頭、MWD和LWD儀器等一大批先進的工藝技術、工具和儀器在水平井鉆井中廣泛應用， 創(chuàng)造多項水平井井深、水半位移、水平段長度和水平井施工周期等世界紀錄。同時，由 于水平井的普遍應用，使原油產量和采收率得以提高，原油成本降

4、低，取得顯著的經濟 效益。2. 1水平井的基本概念迄今為止，水平井定義未完全統一，從不同角度對水平井的定義不完全相同，但核 心是井眼都必須在油層中延伸出較長距離。水平井的定義為：凡是井眼在油層中延伸較 長距離，井斜角達到85°以上的井稱為水平井。2. 2水平井的分類2. 2.1按曲率半徑分類(通常的分類方法)表1水半井通用分類方法類型曲率半徑(m)造斜率(。/30m)水平段長度(m)長半徑水平井30060026>3000中半徑水半井1002456202001000短半徑水平井66024 300<300超短半徑水半井<1圖1各類水平井示意圖2. 2. 2按照井的類型分

5、類 常規(guī)水平井； 套管側鉆水平井; 分支水平井。2.2.3按照水平井的用途分類 生產水平井； 注入水平井； 橫向勘探水平井。2. 3國外水平井發(fā)展概況1929年，在美國得克薩斯州從一直井中鉆水平井并獲得了高產。1932年，美國的加利福尼亞州在圣巴拉的一口豎直井屮側鉆分支水平井獲得成功。30年代，美國開始在垂直老井中用轉盤撓性鉆柱（Zublim Tool）鉆井的方法鉆成短 半徑水平分支井。1954年，前蘇聯鉆成了第一口 90。的分支水平井。5060年代中期，水平井鉆井特別是分支水平井作為一種提高產最的方法曾在前蘇 聯、美國、加拿大和意大利等國家受到重視，但是受當時技術條件的限制，其結論是水 平井

6、鉆井技術可行，經濟上不可取，尤其是與低成本的壓裂相比更是如此。因此，60 年代后期至70年代末這十年間水半井鉆井急劇減少。20世紀80年代初，隨著許多地區(qū)油氣藏枯竭和石汕價格的上漲，人們對水平井鉆 井重新產生濃厚的興趣，對其鉆井方法重新加以認識。隨著科學技術的發(fā)展，以及大斜 度井和水平井鉆井、完井工藝的不斷改進，發(fā)展了一批先進的工具和儀器，重視水平井 油藏研究，水平井成為勘探開發(fā)具有革命性變革意義的一項重要技術。在水平井專用工具方面：大扭矩、低轉速多級馬達、可控彎接頭，可控穩(wěn)定器、水 力加斥器、隨鉆擴孔工具、以及高效PDC鉆頭等廣泛在水平井中的應用。用連續(xù)油管鉆 水平井也應用的比較廣泛。大扭琢

7、、低轉速名級馬達較普通動力馬達的輸出扭矩高岀2 倍以上，提高了機械鉆速。其中閉式軸承的動力馬達工作在300個小時以內不用檢修， 降低了工具成本和鉆井成本?？煽貜澖宇^、可控穩(wěn)定器和水力加圧器等實現了隨機控制, 確保井眼軌跡達到設計要求，減少了起下鉆次數，同時也實現了安全鉆井。在水平井儀器方面：隨鉆測量內容越來越豐富，現有的MWD儀器不僅能夠測量井斜、 方位及工具面等參數，而且對鉆頭處鉆壓、扭矩、井底溫度及井下振動等力學參數進行 測量，同時還能夠對地層的白然伽瑪、密度、電阻率及孔隙度等地質參數進行測量，已 發(fā)展成為具有隨鉆測量（簡稱LWD）和隨鉆地震（簡稱SWD）的功能。測量傳感器的位置也 越來越

8、幕近鉆頭，傳感器從原來距離鉆頭1220n.縮短到距離鉆頭只有12m的距離。在水平井完井方面，能夠根據不同油藏地質特點和采油作業(yè)要求，水平井完井具有 多樣化和可選性，既能夠滿足前期生產要求，乂能適應今后修井作業(yè)和增產措施的需要,其技術較為成熟配套。目前，國外常用的完井方法有：裸眼完井、篩管完井、套管固井完井、礫石充填完井和組合完井。一水平井裸眼完井圖2水半井裸眼完井示意圖一水平井礫石充填完井宜管懸掛器水平井礫石充填老茅不意圖-5 -# -圖3水平井礫石充填完井示意圖-# -圖4水平井固井射孔完井示意圖“水平井固井射孔完井水丈井篩管主井管柱示竟圖一水平井篩管完井一圖5水平井篩管完井示意圖 7 -#

9、 -X.,» 懸掛器套省妾頭循環(huán)建頭篩管管外封 / / ;水平井組合完井管柱示意圖水平井組合完井n-# -圖6水平井組合完井示意圖1984年以來，水平井鉆井迅速增加，其中1988年和1989年就分別鉆水平井200 口和250 口。據不完全統計，80年代全世界共鉆水半井1700余口。1990年，美國、加 拿大、中東、拉丁美洲等地區(qū)水平井鉆井迅速增加，估計達到1500 口。1995年，全世界水平井已達到2700 口，1996年可達到2800 口。到1996年全世界 已有20多個國家累計鉆成各類水平井達16000余口。2000年全世界水平井完井總數 26209 口，涉及2322個油田，69

10、個國家，這些水平井主要分布于美國、加拿大和前蘇 聯等國家，其中美國和加拿大占大多數。到2004年全世界水平井完井總數近4萬口， 并且每年以20003000 口的速度增加。表2世界水平井數據統計表國家水平井數量油田數量10 口水平井以上 的油田油公司美國13998123594994加拿大1222139169300世界其它地區(qū)42116398430669個國家3043022682471600圖7世界水平井增長情況圖冃前，美國水平井占總數的6%,加拿大水平井占總井數的10%,而中國水平井占總 井數的0. 62%o國外水平井主要技術指標：全世界已完成各類水平井近4萬口，最大水平位移為 10668m,最

11、大水平井段長6118m,雙分支水平井總水平井段長度達到4550m,多分支水 平井總水平井段長度達到8318.9m,可實現在lm以內的薄油層中進行軌跡控制而不脫 靶。國外水半井鉆井技術正向育集成系統發(fā)展，既以提高成功率和綜合經濟效益為目的。國外水平井鉆井一些紀錄實例：水平井鉆井速度紀錄一2001年5月29 口，Ptrozuata公司在委內瑞拉Zuata油 田打破了自己保持的記錄,在FG25-4井，鉆完1895m長的水平井井眼,僅用20. 5小時。 最大井斜記錄在Zuata油田，Precision Drilling732鉆機在DE24-8井的 分支井中,創(chuàng)造了 139°井斜的世界紀錄。在

12、1280m的測量深度和520m的垂直深度,井 斜達到153. 18° ,方位角為269. 11° o旋轉導向鉆井進尺紀錄一一2001年6月，挪威國家石油公司丹麥公司和斯倫貝 謝公司使用旋轉導向技術，鉆12 1/4井眼4200m僅用169小時。 2000年Hughes Christensen公司在委內瑞拉重汕產區(qū)，應用127/ MXC1 Vltramax鉆頭實現單只鉆頭累枳鉆井最長水半段5130m（鉆了 9個側向水平井段）的紀 錄。 2000 年 Baker Hughes inteq 公司應用 8匕"Auto Trak 系統和 CCN/Map 系統， 在挪威snor

13、re油田,實現LTO儀器單次應用3626m的最長記錄。水基泥漿鉆水T：井測深世界記錄一Maersk油氣公司應用Sperry Drill泥漿馬 達和可調式穩(wěn)定器工具，在Dan油田MFF-19C井，實現測深達9031.5m （水平段長 6117. 03m）的世界記錄。水基泥漿鉆水平井水平段長度世界紀錄一1999年3月，Maersk油氣公司應用 Ensco-97鉆機，Sperry-sun的定向鉆丿I：馬達和可調穩(wěn)定器，在卡塔爾Al shaheen海上 油田的CA-14A,實現水平段長6377. 9m （測深7909.56m,垂深1005. 84m）的世界紀錄。割縫篩管過水平井產層長度世界紀錄一在委內

14、瑞拉Petrozuata油田，割縫篩管 過水平產層達2137.9米。目前，國外水平井鉆井技術的應用向綜合應用發(fā)展，如小井眼水平井鉆井、橫向分 支水平井鉆井、大位移水平井鉆井技術等都己投入實際應用。采用的技術包括：導向鉆 井系統、隨鉆測童系統、低轉速大扭矩串接泥漿馬達、PDC鉆頭和欠平衡鉆井等。國外 在水平井鉆井中廣泛使用地質導向鉆井和旋轉導向鉆井，借助先進的設備、工具、儀器、 軟件和可視化系統，實現信息化、智能化及自動化鉆井。3國內水平井鉆井技術現狀國內水平井技術最早開始于60年代中期，先后在四川油田完成了磨3和巴24兩口 水平井，但限于當時的技術水平，未能取得應有的經濟效益。我國主要是在“八

15、五”和 “九五”期間開始水平井、側鉆水平井技術的研究與攻關，在此期間在不同類型油藏中 開展了先導試驗或推廣，并形成了多項研究成果和配套技術，引進相當數最的水平井專 用工具和儀器，水平井鉆井技術有了較大的發(fā)展，工具、儀器的初步配套，基本能夠進 行各類水平井、側鉆水平井的鉆完井施工。到2002年為止，國內共完成各類水平井1114 口，其中水平井705 口、側鉆水平井372 口、分支井31 口、成對水平井6 口。水平井 最大垂深不超過5600米，水平段長度不超過2000米，與國外相比還有較大的差距，特 別是在鉆井設備、工具和儀器、H動化鉆井以及水半井技術的集成系統和綜合應用方面 的差距較大。國內的勝

16、利油IH和塔電木油田在水半井技術的研究和應用匕領先于其他油田，特別是勝利油田最具代表性。勝利油田于1990年完成第一口科學試驗水半井一一埋科1井，到2004年12月,累計完成各類水平井459 口,累計產油474. 5x10" t。2004年完成投產水平井60 口, 年生產能力達108萬噸。圖8 19912002年中國石油與勝利油田水半井數對比水平井技術己經成為塔里木油田“少井高產”重要的技術支撐，在原油上產中發(fā)揮 著越來越重要的作用。截止2003年12月底，塔里木油田共完成各類水半井133 口，占 全油田總井數的34%,日產油6582. 76t,占全油田產量的45. 4%,平均單井日

17、產油86t, 是直井的3. 5倍,已累計生產原油1297. 84萬噸。截止2005年10月，塔里木油田共鉆 各類水平井160 口，平均井深5000米。水半井已經成為塔里木油田開發(fā)的有效手段。表3截上至2002年，我國水平井數量統計表類型水平井側鉆水平井分支井成對水平井大位移井數最（口）705372316698表4國內水平井儀器數最統計表儀器類型LWDMWD有線隨鉆儀陀螺儀數量（套）216512785目前，國內有為水平井施匸提供服務的各種儀器有近900套，基本能夠滿足國內水 平井施工的需要，但適應薄汕層、邊部斷塊油藏的LWD和SWD儀器數量有較大的缺口需 要引進.國內有代表性的水平井、側鉆水平井

18、鉆井實施情況見以下4個實例。爭例1階梯水平井（TZ406）圖9階梯水平井示意圖-13 -爭例2 多冃標水平井-14事例4側鉆水平井圖12側鉆水平井示意圖遼河油田從二十世紀九十年代開始從事水平井、側鉆水平井技術的研究與試驗工 作，1992年在冷家堡油田冷43塊S+油藏完成第一口水平井冷平1井，1996年在 沈陽油田沈95靜17塊完成第一口套管側鉆短半徑水平井靜31-71CP井，1997年在 杜84塊完成國內第一對水平井一一杜84平1-1井和杜84平1-2井。經過“八五”和 “九五”期間的深入研究與推廣，截止2005年9月底，遼河油田共完成水平井、側鉆 水平井129 口，其中水平井103 口，側鉆

19、水平井22 口、分支井4 口。-15 -40-16 -40-# -40-# -40年份（2005年水平井口數截止至同年9月底）圖13遼河油田歷年水平井施工數量表3遼河油田水半井側鉆水半井應用類型序號類型井數備注1中半徑水平井852套管側鉆水平井22其中短半徑14 口3側鉆分支水平井4雙分支表4遼河油川水半井側鉆水半井在不同油藏的應用情況序號油藏類型井數備注1稠油油藏85杜84塊、錦45塊、歡127塊、 齊40塊、冷41塊等2高凝油油藏11靜17塊3裂縫油藏4古潛山4其它油藏5薄油層、低滲透油層-# -遼河油田水平井側鉆水平井主要技術指標：最大井深：4016m最大水半段長：657m最大水平位移：

20、937m最大井斜角：117°最大造斜率：1.38 ° /m（短半徑）最小曲率半徑：41. 52m （短半徑）表5遼河油田水平井側鉆水平井采油完井方式統計表序號完井方法井數備注1TBS篩管完井112金屈棉篩管完井153割縫篩管完井724固井完井55礫石充填完井I冷平3井6打孔襯管完井1曙古lisp井水平井應用實例：于1996年完成了國內第一組成對水半井一一杜84塊成對水平井。-17 -(P 339111111表層套管-18 "(P 339111111表層套管-# "(P 339111111表層套管-# "(P 339111111表層套管圖13杜8

21、4塊成對水平井井身結構示意圖-1601-150 -140 430 420 -110 -100開窗點：鬻：Section Angle at 226.75?-70 -0 -50 U0 >30 -20-# "(P 339111111表層套管-# "(P 339111111表層套管水平段軌跡-00-# "(P 339111111表層套管-# "(P 339111111表層套管入靶點：L=9426£H=905m'0=226n終靶點:L = 1O24. 73mH=918ma =80. 88°West (-)/east (+) m-#

22、 "(P 339111111表層套管-# "(P 339111111表層套管圖14 齊108-9-11CP井井眼軌跡圖-# "eilicaln Angle at «O.OO?100-1000(13001400-19 "eilicaln Angle at «O.OO?-# "eilicaln Angle at «O.OO?1500-A靶點-# "eilicaln Angle at «O.OO?-# "eilicaln Angle at «O.OO?圖15 海平3井井眼軌跡圖-#

23、 "eilicaln Angle at «O.OO?-# "eilicaln Angle at «O.OO?；4 一館平12井）.00?-# "eilicaln Angle at «O.OO?-# "eilicaln Angle at «O.OO?/ VU-圖16杜84館半12井井眼軌跡圖-20 "圖17洼60-H2井眼軌跡示意圖(lu)£d<Dp <Dnl-21 -我國水半井鉆井技術目前處于快速發(fā)展階段，其鉆井技術水半已處于國際先進地 位，但與美國、加拿大等發(fā)達國家和比，仍有一定的

24、差距。特別是在水平井鉆井專用工 具、儀器方面的研發(fā)與應用上存在較大差距。4國內與國外水平井技術存在的差距國外從事水平井技術研究與應用己有幾十年的歷史，工藝技術完善配套、工具儀器 先進可靠，而且功能齊全。國內與之相比工藝技術配套性差、缺乏專業(yè)的技術人員和施 工隊伍，設備不配套而且性能差、不穩(wěn)定：工具、儀器不配套，性能也不穩(wěn)定。4. 1工藝技術配套性差遼河汕IB雖然從事水平井技術研究與推廣應用己有十多年的時間，在水平井鉆井優(yōu) 化設計、井眼軌道控制等方面有較大的進步和提高，但在水平井下部鉆具組合受力分析、 水平井安全鉆井、提高鉆井速度、水平井采油、作業(yè)及增產措施等方面的研究還不夠深 入，不能適應油田

25、大規(guī)模應用水平井的需要，影響了水平井應用效果、規(guī)模實施和經濟 效益的提高。4. 2缺乏專業(yè)的技術人員和施工隊伍遼河油田缺乏專業(yè)的水平井技術服務公司和專業(yè)的技術人員，水平井施工隊伍和現 場服務人員流動性大，隨意性大。造成施工不熟練，掌握專業(yè)技能不夠，給水平井施工 帶來安全隱患并影響水半井鉆井施工速度。4. 3設備不配套，性能差、不穩(wěn)定遼河油田大部分性能好的鉆機在國外或外油田服務，現有的設備陳舊、老化、性能 差，有部分水平井施工隊伍的設備不配套，適合水平井施工的頂驅設備更是無從談起， 造成設備修理時間長、施工周期長和存在安全隱患。4.4工具、儀器不配套，性能不穩(wěn)定目前，水平井施工所用的工具、儀器大

26、部分為國內生產，壽命短、性能差，與水平 井施工相配套的減震器、螺旋無磁鉆挺、抗壓無磁鉆桿等工具嚴重缺乏和不足，適應薄 油層開發(fā)的LWD儀器和性能穩(wěn)定的MWD儀器（進口）嚴重不足，不能適應遼河油田水平 井快速發(fā)展的需要。5水平井鉆井技術應用效果及存在的問題水平井廣泛應用于稠油油藏、裂縫油藏、低滲透油藏、薄油層和井間剩余油的開發(fā), 能夠有效解決底（頂）水、氣錐進而影響汕井生產周期等問題。由于水平井鉆井技術的 成熟與配套，國內外各油田廣泛應用水半井開發(fā)各類油氣藏。國外每年鉆水平井在2000 口以上，國內鉆水平井也在200 口以上，其產量也是百井的48倍。水平井在各種油 藏開發(fā)應用中都見到明顯的效果。

27、水平井在遼河油田的底水油藏、稠汕汕藏、低滲透汕藏、薄油層和井間剩余油的開 發(fā)中都見到明顯的效果。特別是應用井眼軌跡控制技術，解決了由于受地面條件制約而 造成靶前位移不夠的“L”型井身剖面，為了提高固井質星，防止頂水下竄的雙靶點“S” 型井身剖面，以及各種三維井眼軌跡和防碰繞障問題。在杜84-平45、46兩口稠油水平井鉆井施工中，確定現場地質跟蹤導向實施原則：根據地質設計要求，鉆井軌跡既井眼軌跡縱向擺動幅度距設計軌跡誤差±lm, 左右平面擺動距設計軌跡誤差±2m,現場地質人員進行隨鉆監(jiān)測。地質導向跟蹤人員通過隨鉆丫、巖屑、鉆時、鉆床等綜合信息，運用隨鉆地質 導向跟蹤技術監(jiān)測儲

28、層巖性、含汕性變化等。隨鉆繪制自然Y、鉆時、鉆壓曲線。及時 向甲方匯報。 要求錄井人員從Ng組底部650m,開始巖屑錄井，每2m取一包，巖屑要求在泥 漿高架槽口錄取。鉆至水平段入口前，根據現場地質人員要求，進行中途電測，測井項目為：2.5 Qm底部梯度視電阻率、自然電位SP。鉆至入口點時，要求進行電測，測井項目：2. 5Q m底部梯度視電阻率，自然電 位SP、井斜。入口電測后，下套管，固井候凝24小時后進行固井質量檢測，測試項目：變密 度、聲幅。鉆至水平段末端點，完井電測，測井項目為：自然電位SP、自然丫、感應深淺、 八測向、聲波時差、密度、補償中子等。要求測井派一名測井解釋人員跟隨測試隊伍到

29、現場，在完井電測后與地質人員 在現場共同研究確定完井事宜?，F場地質人員與工程人員密切配合，根據汕層變化特點，共同研究確定鉆具組 合，為最大限度降低軌跡偏差，做到提高糾正預測。待兩口井實施后，地質研究人員根據錄井、測井以及現場跟蹤參數資料，形成 綜合地質實施總結報告。杜84-平46井實鉆軌跡控制過程實例：杜84-平46井3月22 口開鉆，井深484m開始造斜，鉆井過程中，實錄地層界面與預計剖面相符,4月2日按設計鉆井進入入口點,井深915. 46m,垂深774.96m。二 開完鉆深度920.68m。完井后4刀5 口，三開鉆進，鉆進過程中巖屑含汕顯示良好，4 月6FI,鉆至井深1292. 83m

30、,垂深775. 02 m ,水平段377m,比方案延長12米。經甲 方特油公司批準完鉆。在甲方領導的監(jiān)督和指導下順利完成杜84平46井地質跟蹤任 務。軌跡符合方案的規(guī)定的水平段平面波動小于±2m,縱向垂深最大775.11m,最小 774.12m波動小于±lm。通過錄井、測井資料顯示水平段全段油層阻值較高，本井阻值 偏低，主要原因在于汕層經過吞吐，含水率上升，導致阻值下降。含油性較好。水平段 長度377m,油層段長度377m,油層鉆遇率100%。符合水半井鉆井要求。昭一區(qū)杜84塊一平46井機透，剖而CS圖18杜84館平46井地質跟蹤圖LWD無線隨鉆測量儀器在薄油層水平井中的應用情況遼河汕IB有大量的薄油層和構造邊部汕藏需要用水平井進行開發(fā)，但目前現有的常 規(guī)工具和儀器很難滿足井眼軌跡控制的要求，使油層鉆遇率得不到保證，嚴重影響水平 井及側鉆水平井