水平井技术发展的历程

■ 安飞

水平井技术是20世纪80年代石油界迅速发展并日臻完善的一项综合性配套技术，以提高油气产量和提高油气采收率为根本目标，近几十年国内外大量水平井案例充分证明了水平井技术是石油工业发展过程中的一项重大突破，为石油工业带来了巨大的经济效益。

Leo Ranney是水平钻井技术的先驱者，出生于1884年，是一名地质学者和工程师。1939年，Leo Ranney钻出了世界上第一口水平井。他首先钻了一口大半径的直井，然后安排人力和设备在井底进行水平钻井。他还向多个方向水平钻进，因此，他不仅钻了第一口水平井，还可能建立了第一口多分支水平井。

20世纪40～60年代，水平井技术整体上处于探索研究阶段。40年代，美国、苏联等国钻了一批水平试验井，因受当时技术水平所限，各项技术不配套，虽然能钻成水平井，但难以用于生产。50年代，水平井仍限于浅层非胶结地层的超短半径钻井（约15米），主要是在美国和苏联（43口）应用。60年代，美国ARCO公司钻水平井以解决油井产水问题，加拿大Esso公司钻水平井是为了开采重油油藏。

20世纪70年代，原油价格上涨，但反复动荡，石油已成为各国争夺的战略性资源。期间，计算机、无线随钻测量、适合多种地层的高效PDC钻头等技术工具的出现为水平井钻井创造了更便利的条件，水平井技术研究逐渐引起人们的重视。

20世纪80年代，世界油气新发现日益减少，边远低难资源所占比例越来越大；老油田提高采收率遇到技术瓶颈；一些特殊油藏利用直井已无法进行开发，或者开发效益很低；再加上国际油价低迷，因此石油行业需要大幅度降低经营成本。与此同时，导向螺杆钻具、可转向钻井液马达、随钻测量（MWD）仪器、井眼轨迹控制理论和井下摩阻/扭矩计算方法、VDS等技术的演化帮助水平井钻井技术从几何导向向地质导向阶段发展，水平井技术研究蓬勃发展，文献数量不断增多，水平钻井技术的效益也得到很大改善。现场应用中，1982年，法国Elf Aquitaine公司首先将水平井引入石油行业，开发意大利亚得里亚罗斯伯海上一个碳酸盐岩稠油油藏。1984年，英国石油和ARCO公司在印尼油田；1985～1987年，Oryx Mobil Amoco和联合太平洋资源公司在美国得克萨斯州白垩纪地层等一系列的水平井钻井先导性试验，均证明了水平井技术具有经济可行性。美国主要利用水平井解决得克萨斯州奥斯汀裂缝性白垩纪地层开采问题，实践表明，当水平井段垂直穿过裂缝时，会取得非常高的产量。Oryx、UPRC等公司钻水平井来贯穿天然裂缝获得高产。这些现场活动促进了水平井的大规模钻井，水平井的钻井长度也随着实践不断增大。1979年，Elf Aquitaine公司在井深700～2800米处钻成了四口水平井，水平井段长度为300～700米；1986～1987年，加拿大钻成长度为1223米的水平井。整个20世纪80年代，水平井在世界产油区的数量急剧上升，但在此期间主要处于单井采油阶段。

20世纪90年代，国际油价陷入低迷时期，石油公司大量裁员并压缩投资以适应世界石油市场的急剧变化，油气开发进入了依靠高新技术取胜的时代。此时的钻井观念正在经历重大转变——钻井不仅仅打开油气通道，更是提高油气勘探成功率和油气田采收率的手段。这一时期也涌现了很多优化钻井的新技术工具，不仅提高了钻井速度，还明显降低了油气勘探开发成本，如随钻测井LWD（不仅可顶部驱动装置）、电动全旋转导向工具、闭环导向钻井技术等，都可以提高复杂结构井控制井身轨迹。以上因素有力地推动了水平井、分支井、侧钻井、欠平衡井、小眼井以及大位移井等复杂结构井的发展。水平井技术在美国、加拿大、法国等国得到了工业化应用，成为一项成熟的提高采收率技术。截至1999年5月底，全球约钻了2万口水平井，其中美国8998口，加拿大8221口。

21世纪，世界油气面临众多新挑战，为油气开采技术的发展提出了新要求和新机遇。水平井已经成为世界产油国开发各类油气藏的重要手段，水平井技术更加完善，经济效益更高。截至2000年底，全球水平井达24000口。根据2001年世界商业数据库（包括72个国家34777口水平井记录），加拿大和美国的水平井钻井数量遥居世界前列，分别是18005口和11344口，除北美外，其他地区共钻了5400口水平井，包括俄罗斯、委内瑞拉、阿曼、阿联酋、尼日利亚、沙特阿拉伯和印尼。截至2003年底，全球水平井数量超过3万口，仍主要位于美国和加拿大。水平井在北海地区的钻井数量也不断上升，实现了与智能井系统的结合，特别是多分支和智能井系统的共同应用，大规模降本和提高采收率，已经成为油藏管理的重要手段。

图1 主要国家历年水平井文献数量变化曲线

在水平井技术研究方面，美国、中国和加拿大的研究成果始终保持世界前列（图1），尤其是自2007年以来的10年间，这三个国家的水平井技术文献呈飞跃式发展，研究内容集中在用水平井进行储层评价、水力压裂开发页岩等难采储量等方面，这与页岩气革命、页岩油和致密油等非常规资源的大量开发有着密切关系。

目前，水平井的研究方向可以分为12个主要领域，包括钻完井、产能研究、压裂等。水平井研究主要经历两个高峰期，分别为20世纪90年代和2007年以后。20世纪90年代主要是随着人们钻井观念发生了重大转变，把水平井作为提高油气勘探成功率和油气田采收率的有效手段；2007年后，随着美国页岩气的开发，又一次出现水平井研究热潮。水平井压裂是开发超低渗低孔储层的关键技术，也是当前水平井技术研究和应用的热点。水平井与水力压裂结合技术开发致密（页岩）油气在美、加的巴肯地区以及中国鄂尔多斯延长组、四川盆地页岩气藏已经得到了大规模应用，并帮助美国和加拿大的致密油产量取得大幅提升，逆转了该地区石油产量下降的趋势。