小井眼水平井技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢探討

付 利，吳申尭，孫鈺淇，李雪松，何愛國

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 宜賓 644399；3.四川寶石花鑫盛油氣運(yùn)營服務(wù)有限公司，四川 成都 610000）

1 小井眼水平井技術(shù)現(xiàn)狀

關(guān)于小井眼鉆井定義有多種討論，國際石油工程師協(xié)會(huì)定義全井90%的套管尺寸小于7″的井為小井眼井；ISOR 將小井眼井定義為最后一層套管尺寸小于6″的井，隨著石油鉆井技術(shù)的發(fā)展優(yōu)化，目前最為常見的定義為井眼直徑小于6″的井即可認(rèn)定為小井眼井[1]。20世紀(jì)40年代中期，井身結(jié)構(gòu)“瘦身”技術(shù)開始進(jìn)入到人們的視野，50 年代中期，美國Carter 公司開展100 余口小尺寸眼井作業(yè)項(xiàng)目，50 年代后期至60 年代初，共有131 家石油公司鉆了3200 余口小井眼井，平均井深約1300m。但隨后由于原油價(jià)格相對(duì)可觀以及小井眼鉆井配套裝備相對(duì)落后等原因，小井眼水平井受到一定的限制，到20世紀(jì)80年代開始，受國際油價(jià)的影響，小井眼水平井再次進(jìn)入人們視野，并快速發(fā)展。英國石油公司（BP）研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)鉆井作業(yè)相比，小井眼水平井的施工運(yùn)輸成本降低了60%，鉆井產(chǎn)生的巖屑更少，降低了鉆井液處理成本。Oryx 能源公司在德克薩斯州南部的Pearsall 油田鉆探了三口小井眼水平井，水平段成本節(jié)約16%。在美國Prudhoe Bay 儲(chǔ)層，小井眼水平井使得平均鉆井成本從220 萬美元/口降至100萬美元/口。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著美國頁巖氣革命的成功，北美頁巖氣小井眼水平井技術(shù)日漸成熟，在提高鉆速的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了鉆井降本增效。Haynesville 頁巖水平段井眼尺寸由?215.9mm調(diào)整為?171.5mm，單井成本降低超過25%，平均機(jī)械鉆速提升今3倍。Marcellus頁巖小井眼水平井三開尺寸?114.3mm，水平段長度超過4200m的井占比達(dá)18%。加拿大白樺地致密氣區(qū)2015年前水平段井眼尺寸以?200mm 為主，2015 年之后水平段井眼尺寸“瘦身”至?159mm，小尺寸井眼平均機(jī)械鉆速提高了20%以上。

我國小井眼水平井起步較晚，“八五”期間開始對(duì)小井眼水平井進(jìn)行攻關(guān)研究，經(jīng)過20余年的技術(shù)發(fā)展，小井眼水平井已成為油氣資源開發(fā)的重要方式?！笆晃濉逼陂g，我國小井眼水平井主要應(yīng)用在稠油、中高滲和邊底水等常規(guī)油藏開發(fā)，以遼河、新疆、冀東等油田完鉆井?dāng)?shù)居多，“十二五”以來小井眼水平井主要應(yīng)用于頁巖油氣、致密油氣非常規(guī)油氣資源開發(fā)，2020年完成小井眼水平井?dāng)?shù)占比達(dá)到20.5%，為我國石油產(chǎn)量穩(wěn)中上升、天然氣產(chǎn)量快速增長提供了重要技術(shù)保障。富順—永川區(qū)塊水平段采用小井眼井身結(jié)構(gòu)，三開主要使用Smith 的MDi513 鉆頭+斯倫貝謝Archer 鉆進(jìn)，?165.1mm井段平均長度1999m，平均機(jī)械鉆速7.6m/h。蘇里格致密氣區(qū)采用集成配套形成?152.4mm 小井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)，水平段采用?114.3mm 生產(chǎn)套管進(jìn)行完井。2019年完鉆小井眼水平井56口，平均機(jī)械鉆速較2018 年23.1%，鉆井周期縮短23.7%。目前，我國已經(jīng)基本掌握了小井眼水平井鉆井設(shè)計(jì)、裝備與鉆具組合、施工操作、井眼質(zhì)量控制等配套技術(shù)，但與國際先進(jìn)水平還存在一定差距，仍有較大的進(jìn)步空間。

2 小井眼水平井理論研究

2.1 小井眼水平井的優(yōu)勢與局限性

小井眼水平井可以降低鉆井成本，具體成本節(jié)約體現(xiàn)在：節(jié)省設(shè)備運(yùn)輸成本；減小套管尺寸，降低鋼材用量成本；鉆井液巖屑量減少，提高鉆井液清洗效率，降低廢物處理成本；提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭壽命，減少鉆井時(shí)間；降低固井、水泥、燃料成本等。另一方面，由于小井眼的井徑小、環(huán)空小以及管柱轉(zhuǎn)速高，導(dǎo)致小井眼與常規(guī)井相比，環(huán)空壓耗特別大，井筒攜巖困難。另外，小井眼的管柱尺寸小，管壁薄，管柱摩阻扭矩大，鉆頭粘滑托壓風(fēng)險(xiǎn)高，這些都是制約小井眼鉆井技術(shù)發(fā)展亟需解決的問題。

2.2 小井眼水平井降摩攜巖效率

小井眼水平井的環(huán)空間隙較小，鉆柱偏心、旋轉(zhuǎn)和鉆桿接頭等因素對(duì)小井眼環(huán)空壓耗的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)井眼，其壓耗分布與常規(guī)井眼明顯不同。同時(shí)，井筒環(huán)空小使得巖屑在重力的作用下非常容易沉降，沉降后又不易啟動(dòng)，容易沉積形成巖屑床，進(jìn)而增大管柱滑動(dòng)摩阻，直接增加了鉆井成本和風(fēng)險(xiǎn)，降低了鉆井速度。汪海閣[2]通過大量實(shí)驗(yàn)，分析了90°井斜角井段的巖屑運(yùn)移規(guī)律，并基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用多元參數(shù)統(tǒng)計(jì)回歸出巖屑床厚度分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ秃唵吻艺`差較小。宋洵成[3]考慮鉆桿接頭、鉆柱旋轉(zhuǎn)和鉆柱偏心影響，提出了適用于冪律流體和赫巴流體的小井眼環(huán)空壓耗計(jì)算模型，計(jì)算誤差小于10%。Zhang[4]分析了小井眼巖屑運(yùn)移的臨界條件，建立了小井眼巖屑運(yùn)移模型。Kim[5]通過實(shí)驗(yàn)測定小井眼巖屑運(yùn)移中摩擦系數(shù)、壓力損失、顆粒輸送比和顆粒體積分?jǐn)?shù)。Zhu[6]提出了一種脈沖鉆井液輸送方法，建立了小井眼水平井巖屑運(yùn)移數(shù)值模擬模型。

2.3 小井眼水平井鉆柱延伸極限

在鉆柱延伸極限方面，目前主要以軟桿模型和剛桿模型為主，且在此基礎(chǔ)上學(xué)者們針對(duì)不同情況建立了修正的摩阻扭矩模型。在使用摩阻扭矩模型時(shí)主要是通過給定井底鉆壓、井底扭矩以及摩阻系數(shù)作為初始條件，帶入摩阻扭矩模型計(jì)算地面大鉤載荷與轉(zhuǎn)盤扭矩，并與實(shí)際測量值對(duì)比，用以推斷井眼是否清潔、是否存在嚴(yán)重狗腿角度、是否有卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等。在小井眼水平井鉆井作業(yè)現(xiàn)場，井底鉆壓扭矩多為現(xiàn)場估算值，摩阻系數(shù)在0.2～0.4之間。鉆柱旋轉(zhuǎn)可有效攜帶巖屑，有利于清孔，最大延伸率隨鉆柱旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加?？紤]到旋轉(zhuǎn)因素，在小環(huán)空條件下，鉆柱旋轉(zhuǎn)會(huì)增加環(huán)空壓力損失，隨著鉆柱旋轉(zhuǎn)速度的增加，延伸極限會(huì)先增大后減小。

3 小井眼水平井工藝工具研發(fā)

3.1 小井眼水平井提速工具

隨著小井眼水平井逐漸受到重視，隨之而來的配套裝備及工具的技術(shù)得到了大幅提高。小井眼水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、下部鉆具組合優(yōu)選逐步完善，同時(shí)，導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、隨鉆測量系統(tǒng)、低轉(zhuǎn)速大扭矩泥漿馬達(dá)、高效PDC 鉆頭和欠平衡鉆井等適配工具在小井眼水平井中廣泛應(yīng)用。針對(duì)小尺寸PDC鉆頭的抗回旋設(shè)計(jì)，楊迎新[7]提出了采用橫向力自平衡設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其配套技術(shù)防止鉆頭回旋的技術(shù)思路，并成功地在小井眼鉆頭設(shè)計(jì)中付諸實(shí)施，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良抗回旋性能的PDC鉆頭。陳煉[8]針對(duì)深層小井眼鉆井，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)齒單牙輪PDC 鉆頭，提出大傾角切削的壓潰預(yù)破碎損傷－碾切耦合模式破巖理論，建立大傾角刮切破巖的切削力計(jì)算模型。塔里木油田針對(duì)超深井小井眼鉆井，采用推力串軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化螺桿鉆具，設(shè)計(jì)具有特殊減振裝置的改進(jìn)能夠滿足超小尺寸MWD儀器，鉆井軌跡控制取得良好效果[9]。

3.2 小井眼水平井鉆井液體系研究

由于小井眼鉆井存在環(huán)空壓耗高，井壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生漏失，易形成巖屑床，且形成巖屑床后更難以清除等問題，因此也發(fā)展出了特有的鉆井液體系。小井眼鉆井液體系為低固相或無固相體系居多，這是由于小井眼循環(huán)壓力損失較大，鉆井液中的固相含量過高會(huì)導(dǎo)致環(huán)空流動(dòng)阻力升高，導(dǎo)致當(dāng)量循環(huán)密度升高，并伴隨井壁失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。另外，小井眼鉆井液還需控制好流變性能，來滿足環(huán)空攜巖的要求；為保證井壁穩(wěn)定，小井眼鉆井液體系還需有一定的抑制性，降低濾失量；小井眼鉆井液還需要有良好的潤滑性，以防止鉆具出現(xiàn)粘卡等事故。寧東油田設(shè)計(jì)了鉀銨基聚合物鉆井液、鉀銨基瀝青復(fù)合防塌鉆井液和低固相鉀銨基硅醇鉆井完井液體系，解決了鄂爾多斯盆地直羅組大段泥頁巖地層易膨脹分散、剝落掉塊、起下鉆困難、巖屑床阻卡等難題，大牛地氣田DP19井采用氮?dú)馀菽@井液側(cè)鉆長水平段小井眼井，該鉆井液體系具有較強(qiáng)的攜巖和攜水能力，能夠防止泥頁巖因吸水膨脹垮塌造成的井壁失穩(wěn)[10]。長慶氣田針對(duì)小井眼水平井易漏、井壁失穩(wěn)、攜巖困難、電測成功率低等問題，優(yōu)選出復(fù)合抑制劑CQFY作為主抑制劑、天然高分子降濾失劑NAT20作為降濾失劑、無熒光白瀝青NFA-25作為封堵劑的水基鉆井液體系[11]。

4 小井眼水平井發(fā)展趨勢

4.1 小井眼水平井側(cè)鉆開窗工藝

隨著油田生產(chǎn)井年限的不斷增長，可以在老井井筒基礎(chǔ)上，通過小井眼側(cè)鉆開窗技術(shù)制造出新井眼，在不破壞原有井網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下更新老井，使死井復(fù)活。一方面可以縮短鉆井周期，減少鉆井成本；另一方面可以強(qiáng)化采油，進(jìn)行有效的剩余油挖掘，增長油藏開采時(shí)間，提高油藏的最終采收率。現(xiàn)在國外對(duì)側(cè)鉆技術(shù)研究應(yīng)用主要集中在多側(cè)向井技術(shù)、短半徑水平井鉆井技術(shù)，以及將膨脹管技術(shù)引入到側(cè)鉆井鉆完井等方面。許多學(xué)者認(rèn)為，通過側(cè)鉆水平井開發(fā)技術(shù)，可以降低費(fèi)用，并顯著薄油層、低壓油層、滲透性差裂縫的泄油面積，提高油井產(chǎn)量。另外，側(cè)鉆井的開窗方式也在不斷發(fā)展，由原始的斜向器式套管開窗，逐步發(fā)展到段銑式套管開窗，到目前的一體式開窗側(cè)鉆技術(shù)，大大提高了開窗效率。

4.2 小井眼水平井地質(zhì)工程一體化

地質(zhì)工程一體化是縮短油氣井建井周期、降低綜合作業(yè)成本的新思路，是針對(duì)非常規(guī)油氣資源降本增效的前沿技術(shù)。在復(fù)雜地質(zhì)條件下油氣井鉆井中，地質(zhì)力學(xué)屬性是影響鉆井軌道優(yōu)化、可鉆性評(píng)估、井壁穩(wěn)定性、完井防砂控砂和儲(chǔ)層改造等方面的關(guān)鍵參數(shù)。目前國內(nèi)勘探開發(fā)逐步向復(fù)雜地層探索，隨之而來的是面臨復(fù)雜的地下構(gòu)造，鉆井過程中地質(zhì)設(shè)計(jì)與實(shí)鉆地層差異較大，在同一層位存在多套孔隙壓力體系，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，巖性復(fù)雜，多種巖性交錯(cuò)互層發(fā)育，地層可鉆性差。小井眼鉆井周期短，機(jī)械鉆速高，綜合成本低，結(jié)合施工前的地質(zhì)力學(xué)分析及復(fù)雜事故預(yù)警等，能夠在短時(shí)間內(nèi)鉆至目的層，規(guī)避井壁垮塌周期。根據(jù)實(shí)時(shí)鉆井與錄井信息重構(gòu)地質(zhì)力學(xué)模型，在鉆井作業(yè)時(shí)提供實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以應(yīng)對(duì)由于構(gòu)造、地層或地質(zhì)力學(xué)參數(shù)變化引起的工程響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層安全高效的提速增產(chǎn)。

4.3 小井眼水平井“一趟鉆”技術(shù)

一趟鉆是指用一只鉆頭和一套井下鉆具組合，一次性入井鉆完一個(gè)開次或井段全部進(jìn)尺的鉆井技術(shù)，降低了起下鉆次數(shù)，節(jié)省鉆頭，鉆井周期和鉆井成本得到明顯的降低?！耙惶算@”要求鉆具單趟入井時(shí)間較高，因此對(duì)鉆頭、螺桿、MWD 等鉆具的單趟入井使用壽命及它們匹配性提出了更高要求。特別是針對(duì)小井眼鉆井，需要設(shè)計(jì)優(yōu)化非標(biāo)鉆頭、螺桿，以及小尺寸MWD等井下工具，以滿足環(huán)空間隙相對(duì)較小帶來的壓耗高、井漏風(fēng)險(xiǎn)大等一系列問題。同時(shí)，“一趟鉆”技術(shù)要求鉆頭需同時(shí)鉆穿多個(gè)地層，因此優(yōu)化高鉆壓、高轉(zhuǎn)速和高水馬力的激進(jìn)鉆井參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。由于“一趟鉆”技術(shù)中途無法更換鉆具，鉆進(jìn)后期存在鉆頭偏磨、磨損、鉆壓增大、鉆速降低等原因，實(shí)際井眼軌跡可能會(huì)與偏離預(yù)定的鉆井設(shè)計(jì)，因此在鉆井作業(yè)過程中還需摸索井斜變化規(guī)律，對(duì)井眼軌跡進(jìn)行合理控制。

5 展望與結(jié)束語

（1）小井眼水平井優(yōu)勢明顯，基礎(chǔ)理論研究、鉆井工藝技術(shù)及配套裝備研究進(jìn)展迅速，為側(cè)鉆井、多分支水平井、叢式井、井工廠等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了支持與保障，可有效提高儲(chǔ)層產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，應(yīng)用前景廣闊。

（2）隨著我國油氣勘探開發(fā)不斷向深層、深水和非常規(guī)等油氣領(lǐng)域發(fā)展，油氣開采所面臨的地質(zhì)條件和環(huán)境日趨復(fù)雜，小井眼水平井以其安全高效、環(huán)保、低成本的技術(shù)優(yōu)勢，已成為未來國際鉆井業(yè)發(fā)展的大趨勢。隨著我國鉆井工具的研發(fā)與進(jìn)步，小井眼水平井將會(huì)在未來更多復(fù)雜鉆井工況中發(fā)揮越來越重要的作用。