油田水平钻井技术研究

冯铅玖(延长油田股份有限公司志丹采油厂，陕西 延安 717500)

1 水平钻井技术概况

成功的水平井该如何定义分为两种，短期内达成的目标及长期达成的目标：

短期内达成的目标包含以下：(1)钻进期间无工安意外、喷井、井塌、卡钻及顺利完井；(2)工程进度符合预期甚至超前；(3)工程款符合预算甚至低于预算；(4)碳氢化合物产量符合预期，且无突发出水情况。

长期达成的目标包含以下：(1)油田的总产能能维持或提升；(2)延缓水侵；(3)降低单位产量的开发成本；(4)增加采收率。

水平井的井程预期与实际上可能有发生的差异，实际上的地层可能受到断层影响造成油气层错动及偏移，因此油气储集层可能会被区分成数个彼此隔绝区块，理想上可依据水平井串连起来，而探勘阶段因距离及缺乏实际数据，较难清楚区分出断层的位置及隔绝的情形。因此，钻井过程可依据MWD及LWD实时修正井程并追踪油气储藏区，用以最佳化井程以增加接触目标区的面积，根据地层条件可能需要3口直井才能生产，而水平井则有机会钻1口即可取代。

一般情况钻键、MWD、LWD及钻头组合方式如图1所示，钻头衔接定向旋转工具，而其后的MWD及LWD工具依据泥浆或钻杆将量测到的数据传送到地表接收设备上，再由工程师或系统发送指令给定向旋转工具，借以控制井程的方向。

图1 旋转工具导向工具

2 地质导向

先期井程的决定主要根据地质资料而定，而地质资料对应到的实际状况可能不只一种情况。地层中的情况可用圆柱体代表定向旋转工具且橘色为目标层，交会时会因角度不同而呈现不同的影响，而实时判断定向旋转工具的偏移角度则可采用系统自动判断，但地层过于复杂或是目标层分岔，自动追踪无法准确判断，就可能往非预期方向前进，此时则需要借重工程师的专业判断[1]。

3 定向旋转工具功能

不同的钻头尺寸所搭配的MWD与LWD也会有所差异，因不同阶段需要获取的地层信息也有所差异。接续钻进8又1/2吋的井孔，搭配的LWD设备会更多元化，主要为因应后续目标层接触区的资料搜集、完井位置及后续可能的液裂工程的考量。LWD设备有MicroScope 、EcoScope及 SonicScope，以下简述各设备的功能及适用范围。

MicroScope主要功能有提供钻头电阻率、电阻率成像、侧向电阻率及方向性，可提供高分辨率电阻率成像，及用来做结构分析、裂缝识别和分析、薄层识别和评估、提高地层导向水平井钻遇率和决定套管/取岩心位置。

EcoScope主要功能有井径电测、岩性剖面、方位密度、中子孔隙度、感应电阻率和方向性，可用来做综合地层评估、最佳化钻井井程及监控环孔压力，在部分功能会与其他LWD设备重复，但因分辨率有差异或收集资料方式有差异，Ecoscope是采用PNG脉冲中子发射器，而一般重复的功能可用来做再次确认。

SonicScope随钻声波主要功能是纵横波速率比(Vp/Vs)、普松比、横波时间和纵波时间，可用来计算岩石力学、气层辨识、孔隙压力分析、孔隙率计算和地层标定，特点是可储存所有声波数据，对后续地层分析会有明显的帮助。

Underreaming-while-drilling(UWD)随钻扩井在中东碳酸盐层也成功与Rotary steerable system(RSS)定向旋转装置结合，扩井工具能提供清除被泥浆污损的泥壁，降低肤表因子(Skin)，进而达到增产的效果，而此工具也成为水平井可搭配的选项之一。

4 水平钻井合约要点

4.1 设备运输

合约中须注明租赁时间为设备离开至归回基地，或是以港口为准，以乙方来说，离井场越近租赁时间越短越有利，而如果有需要中途过夜的情况，乙方需要提供场地，因此货运时程，建议可直达井场，避免临时需要提供暂放区或是衍生的费用。

4.2 人员协助

人员协助部分主要分两种情况，主要的支出为固定每人日薪，在各阶段都需要MWD/LWD工程师及定向钻井工程师，以避免后续衔接水平钻进时有问题；另外一种情况是人员每隔固定时间需要做交替，而交替的部分会额外衍生费用。

4.3 操作费用

设备定位时间至搬迁的时间为主，但如果有其他工具，如电测工具，此时可争取暂停收费，另外有进尺费用，每钻进深度(测深)的费用及入井次数所衍生的保养费，此部分较为复杂包含时间、钻进深度及使用次数，故此部分费用变量较大，需视实际井况保留弹性空间。

4.4 检测费用

租赁设备如需做额外的检验工作，需要自行负担检验费用，此部分较为单纯。

4.5 追加费用

(1)操作环境条件(高压、高温)超乎预期设定的追加费用。

(2)泥浆固相含量较大(如大于15%)或含砂量较大(如大于1%)。

(3)泥浆中的氯离子含量(如大于4万mg/L)，或是硫酸根含量(如大于1%)导致管材腐蚀。

(4)地震强度、震动次数(如遇地层变动或是周围有震动)或是其他天灾等超过契约的规定，造成的设备损害。以上情况如有探勘井或其他资料做地层预测及对比，会较容易预测，而地震部分仍属于无法预测的天灾，建议保留弹性空间[2]。

5 旋转导向系统新技术

5.1 推位机制方式

推位机制方式，主要使用外部数个垫片并同时以泥浆阀控制垫片，使部分的垫片压在井壁上，藉此产生侧向压力，导致钻头在相反的一侧产生压力而导致方向改变，其实际位移显示于设定位移关系图。绿色线段为使用电测所得的实际位移，棕色线段为藉MWD设备所设定的位移，而使用电测量测所得的位移远比MWD设备设定的波幅为大，此种情况容易对于井程的平滑度过于乐观。

5.2 点位机制方式

点位机制方式，主要经由弯曲部分管串，使钻头的方向相对于工具的其余部分发生变化，并需要依据不旋转的螺杆以产生偏转，此法多用于调整大范围的角度如地层走势，其实际位移显示于设定位移关系中。红色线段为采用电测所得的实际位移，绿色线段为以MWD设备所设定的位移，而点位式也有类似于推位式的情况存在。

某新型态的导向工具“连续比例转向法”，类似推位方式，但将垫片改置于经过减速后的转轴上，并个别采用独立的水力控制系统控制垫片，以达到更精确控制的目的；其主要特点为可减少导向产生的急弯(Dog leg)与平均转向角度的幅度，亦为RSS设备优化的目标，其实际位移与设定位移关系。

在急弯、平均扭力与平均转向角在3种旋转导向设计下的差异，在优化井程的功能下，可减少卡钻问题，因水平区段会受到目标地层岩性所影响，而目标地层难以修改，但井2垫钻管串主要为因应页岩油气而开发的技术，在此技术也看到与前述Baker hughes的连续比例转向法相似之处，其设计概念为经由减速转轴、固态感应器及独立电控泥浆阀，以精确控制井程，达到井间的防碰撞设计。相较于连续比例转向法都具有减速转轴及独立控制阀，差异为泥浆在连续比例转向法置换成水；固体感应器为提升定位装置，对于不需要防碰撞或是井口数量较少的情况，作为选配或是省略应该是节省成本的做法，其中垫钻管串的垫片本身不旋转，而是靠泥浆阀控制定位(凸出)与井壁产生压力，进而达到转向的效果，而泥浆阀为依赖电力与泥浆压力，并搭配齿轮箱及位置感应器控制垫片位置，所需的泥浆压差约3.45～4.16 MPa、而电力采用低马力的马达[3]。

垫钻管串的主要设计方向为简单、可靠，同时减少必要的清洁及维修频率，4个垫片组的控制系统都是独立的，两两成对并朝向不同方向，在调整方向时可以使用1个或以上的垫片达成。垫钻管串的降低转速功能，对LWD电测也会有正向的帮助，降低转速主要对LWD的量测可以减少震幅与背景值，对判断上可以更为精确，避免误判。

6 结语

如地层对比表显示的目标上方有页岩层，其质地偏脆且吸水后强度会快速降低，造成破碎的现象，因此设计上会以直井或低角度定向井穿过该页岩层，再进行增角作业。因此区分成两种方案，其一为直井部分穿过页岩层后，接续到相对紧实的砂岩层进行快速增角，到达目标层的砂岩顶部，再转成水平钻井，其风险为如果目标地层提早出现则可能会错过，或是高增角率造成工程难度提升或无法采用较大的套管完井；另一种方案为以低角度定向角穿过页岩层，提前挑战危险性较高的页岩层，但也相对降低错过目标层及降低第2起斜点的增角率方式。