水平井钻井技术进展研究

2023-03-04冯飞

西部探矿工程 2023年7期

冯飞

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江大庆 163413）

1 概述

水平井钻井技术被认为是石油钻井工程领域中最重要的创新技术之一。从20世纪80年代开始，欧洲和美洲大规模开展水平井钻井作业，使水平井钻井技术得到了快速发展，随着钻井技术的巨大进步，目前最长的水平井已经达到15000m（俄罗斯石油公司，2017年）。但从油气资源开采角度来说，大多数水平井只需要1000～3000m 的水平段即可。在2000 年以后，非常规资源的开采规模大幅度增加，三维多目标定向井数量也大幅度增加，先进的钻井技术使一口水平井的油气产量就可以相当于以前十几口直井的效果，水平井钻井技术的发展不但意味着钻井成本的大幅度降低，还可以减少对空气、水等自然环境的污染，同时在地面布井数量的减少，也降低了对土地资源的消耗，有利于对环境的保护。本文讨论了目前水平井钻井的类型和在钻井工程领域取得的进展。

2 水平井钻井技术进展

2.1 套管钻井技术

最初的套管钻井技术是将钻头直接连接到套管末端并钻达目的层位的一种钻井方式。早在1901 年，德克萨斯州博蒙特的Spindletop 油田就使用过套管钻井技术。该钻井技术使用旋转钻井工艺，该工艺将液压膨胀钻头与套管连接在一起后钻井，钻井过程结束后取下钻头。1930 年以后，旋转钻井工艺逐步取代了冲击钻井工艺。

经过近年来的发展，套管钻井工艺已经成为一种新型钻井技术，该技术可以减少钻井时间和计划外钻井事件的发生率。在常规钻井中，每次更换钻头或更换井下设备时，必须将整个钻柱从井眼中取出，拆卸并重新组合钻具是一个十分耗时的过程，并且在等停过程中，会使井眼处于静止和完全裸露状态，从而使其面临各种潜在的风险问题，在页岩地层钻井过程中，这个问题尤其严重。而套管钻井技术，不使用钻杆，而是使用与标准井下套管相同尺寸的特制套管进行钻井。钻头和其他井下工具锁定在套管的接头上，具有随时循环井筒的能力。由于套管保留在井中并始终保持循环，因此井筒完整性得到很好的保护，从而降低了坍塌、漏失和剥落掉块等意外事故发生的可能性，也减少了地层中的石油或天然气进入井中引起井涌或井喷的风险。

由于套管钻井技术可以解决在水平井钻井过程中面临的许多问题。1990 年，钻井承包商开始使用套管钻井技术钻探复杂的低压力地层，因为这些地层极其容易发生井下漏失。套管钻井与传统的下套管作业相比，由于钻进过程中连续旋转，套管柱发生阻卡问题的可能性较小。而且在套管钻井过程中，钻井和下套管同时进行，减少了下套管等非生产时间，进一步提高了钻井效率。

Tesco公司从1995年开始积极开展套管钻井工艺的研发，并从1999年开始进行了多次现场试验，验证了套管钻井工艺的有效性。2002年2月，Tesco公司与康菲石油公司在德克萨斯州南部的Lobo 油田签订了为期2年的钻井合同，启动套管钻井服务的第一次重大商业应用。根据这份合同，Tesco公司使用三台套管钻井平台进行了钻井作业，这些钻井平台是在公司位于加拿大阿尔伯塔省卡尔加里的工厂设计和制造的，专门用于为康菲提供钻井技术服务。Tesco 公司还在北美参与了其他套管钻井项目，包括与加拿大一家石油和天然气运营商合作的项目，以测试套管钻井技术在连续取芯作业中的应用。此外，该公司正在与一些运营商讨论套管钻井技术在煤层气等其他钻井应用中的潜在用途。

2.2 旋转导向钻井技术

旋转导向技术在水平井钻井技术进步中起着最为关键的作用。旋转导向技术可以使水平井的井眼轨迹、钻柱振动、井壁稳定性和钻具组合的耐久性得到不同程度的优化和提高，水平井钻井技术最显着的特征就是旋转导向技术的持续进步和创新。

旋转导向系统的开发和应用同时也是石油工业技术中最显著的进步之一，该系统通过闭环转向提供钻头的精确方向控制。与传统的使用井下螺杆钻具进行定向的井下组合工具相比，旋转导向系统具有多项优势，其中主要技术优势包括：

可以减少螺杆钻具在定向和维持工具面过程中为了抵抗反作用扭矩而消耗的大量非生产时间，可以通过顶驱或转盘向钻头提供更大的钻压和扭矩，从而实现更高的机械钻速；因为旋转导向钻井过程中，钻柱整体是连续旋转的而不是滑动的，钻柱的摩阻和拖压显著降低，可以大幅度延长所钻井的水平井段总长度；与使用螺杆钻具钻井相比，使用旋转导向系统所钻井眼的平滑度更好，方便套管安全下入。

但旋转导向系统的生产和使用成本均高于普通的随钻测量工具，其日费比随钻测量仪器（MWD）高3～4倍左右。对于大多数海上钻井平台来说，由于整体钻井利润较高，可以承受使用旋转导向工具带来的高服务费，但对于一些利润率较低的陆上油气田开采，旋转导向工具的使用则受到了大幅度限制。行业专家指出，为实现旋转导向工具在美国陆上钻井项目中的广泛使用，需要将日费率降低到PDM+MWD 成本的1.2～1.5倍。为了实现旋转导向工具的低成本应用，有必要进一步改变旋转导向工具的结构设计，从而进一步降低生产和使用旋转导向工具的成本。

近几十年来，旋转导向技术发展非常迅速，在井下钻进过程中能够实现连续旋转、恒定方位和更为平滑的钻井方式。旋转导向技术在垂直钻进、定向钻进和分支井钻井中得到了很好的应用。并且随着旋转导向技术的应用规模的持续扩大，其使用成本也跟着不断降低。但是，旋转导向系统在陆上油井上使用的百分比仍然偏低，但未来，随着该技术的进一步推广，其在降低钻井成本和资源的开发方面的优势更为显著，其应用比例将进一步增大。

旋转导向工具下一步将主要通过以下方式来降低成本：通过减少零件数量来简化所需配件的加工数量并降低加工复杂性；通过减少消耗元件来进一步降低使用成本；随着活动部件数量的减少，电子元件的耐用性增加，需要更换的弹性密封件和轴承的数量也会随之减少，从而降低现场服务和维修成本；通过基于下行链路模式的通信结构支持第三方随钻测量系统作业来降低随钻测量(LWD)的成本。

目前，低成本的旋转导向工具已经取得进展，与上一代的推入式旋转导向工具相比，新产品的制造成本可以低55%左右，新一代低成本旋转导向工具由70 个子组件构成，约为上一代产品总零件数的25%。通过减少每次工作后需要更换的部件（○形圈、紧固件、轴承等），以及减少组装步骤的数量和降低技术人员所需的维修时间，低成本旋转导向工具的维修成本仅为上一代工具的25%。低成本旋转导向工具最大的特点是，关键组件打包为“即插即用”模式：①一体式液压系统；②一体式集成电子系统；③易于维修的转向活塞；④使用WPSIG连接器，无需焊接。

迄今为止，斯伦贝谢的PowerDrive、贝克休斯的AutoTrak、哈里伯顿的GeoPilot 是主要的代表技术。其中PowerDrive 和AutoTrak 属于“push-the-bit”，而GeoPilot属于“pointthe-bit”类型。

2.3 长水平段钻井技术

从20世纪90年代大规模开展水平井钻井后，长水平段钻井技术也得到了进一步发展，1992 年壳牌石油公司在稠油油藏中钻出了水平段超过2000m 的水平井。通常情况下，随水平段的增长，地面基础设施和油气资源采出方面的收益比例也随之增加。卡塔尔的BD-04-A 井被视为目前水平段最长的井，其井深为40320 英尺，水平段为35770 英尺，它是2008 年5 月由马士基石油卡塔尔公司和卡塔尔石油公司在卡塔尔海岸附近的Al-Shaheen海上油田完成的。

Sakhalin-1 平台井是目前机械钻速最快的井，该井将钻井参数的高质量建模与设计相结合，大幅度降低了建造海上平台、管道和其他现场基础设施的成本，同时还减轻了对环境的影响。该平台自2013 年以来，已创造了五项井深纪录，2015 年4 月P-14 井13500m，2014年钻完的Z-40井13000m，2013年4月和6月钻完Z-43和Z-42井，井深分别达到12450m和12700m。

当定向井或水平井的水平位移（HD）大于3000m，且水平位移与垂深（TVD）之比大于2.0 的向井斜或水平井被称为大位移井(ERW)。大位移钻井技术（ERD）是钻井工程的前沿技术之一。在海上钻井作业过程中，使用大位移钻井技术可以从一个钻井平台钻出多口大位移井，从而开发平台周围的油气藏。此外，大位移钻井技术还可用于开发一些不易开采的边缘油气藏，从而以较低的经济和环境成本从陆上开采海上或湖泊油气资源。在大位移井的钻井作业过程中，钻柱和井壁之间的摩擦产生的扭矩和摩阻是制约钻井施工成败的关键，因此，在进行大位移井的钻井设计时，需要重点关注扭矩和摩阻的计算模型。

2008 年Wang 和Guo 提出了水力延伸范围理论的概念和计算模型：水平段不能无限制地延伸，当循环系统的总压力损失超过钻井泵的额定压力时，泥浆泵将停止循环钻井液，这是一个临界点，水力延伸范围模型主要与循环系统总压力损失和钻井泵额定压力有关，该理论可以从水力学角度预测水平井的最大测量深度和泥浆泵的承载能力。2009年Deli等建立了一套先进的钻井力学和控制技术，并通过现场案例验证了其实际效果，通过研究海上钻井平台水力延伸范围，给出了井下裸眼极限扩展的预测与控制、套管磨损预测、套管阻力控制和导向钻井模式。该理论的基本原理可以概括为：水平段不能无限制地向前延伸，当井底压力超过地层破裂压力时，地层将发生漏失。整个剖面的最大测量深度为延伸范围极限，该极限主要取决于所钻遇地层的破裂压力和环空压降。2013年Sun对该模型进行了扩展，他在模型中增加了岩屑浓度和岩屑床高度的影响因子，使计算结果变得更加准确和可靠。但是，上述模型仍然没有考虑到起下钻等非钻进过程，会影响计算结果的准确性。此外，模型中没有相应的公式来确定单位环空泥浆压力损失等效密度的准确值。因此，有必要建立一个同时考虑钻井过程（滑动钻井模式和旋转钻井模式）以及起下钻过程的更全面的裸眼延伸极限模型。