第一章绪论1.1水平井钻井技术发展概况1863年，瑞士工程师首先提出钻水平井的建议；1870年，俄国工程师在勃良斯克市钻成井斜角达60°的井；瑞典和美国研制出测量井眼空间位置的仪器，1888年俄国也设计出了测斜仪器；1929年，美国国加利福尼亚州钻成了几米长的水平分支井筒；30年代，美国开始用挠性钻具组合在垂直井内钻曲率半径小的水平井分支井眼；1954年苏联钻成第一口水平位移；1964年—1965年我国钻成两口水平井，磨—3井、巴—24井；自来80年代以来，随着先进的测量仪器、长寿命马达和新型PDC钻头等技术的发展，水平井钻井大规模高速度的发展起来。

我国水平井钻井在90年代以来也取得了很大发展，胜利油田已完成各种类型水平井百余口，水平井钻井水平和速度不断提高。

1.2 水平井的定义所谓水平井，是这样一种定向井，其最大井斜度达到90°左右(一般大于85°就叫水平井)，且在目的层内维持一定长度的水平的或近水平井段。

八十年代以来水平井钻井技术的不断成熟主要归功于整个定向钻井技术，它是定向钻井技术发展的重大进步。

在地质应用方面, 对层状储层、致密含气砂岩层、透镜状储层、低渗透储层、水驱储层、气顶驱储层、重力驱储层、垂直裂缝性储层、双重孔隙储层、双重渗透性储层、薄层以及流体排泄不畅的所有地层, 用水平井开采均有优势。

在开发方面, 水平井的开发优势是通过优化完井技术取得的, 水平井可提高储层的钻遇厚度及其井眼连通面积, 降低井底压差, 控制流体流人井底的速度, 从而防止地层砂运移、油气窜层、水气锥进、油管中流体承载等。

在强化采油阶段, 还能增加流体注人速度, 更均匀地驱油。

降低聚合物分解的风险。

水平井有许多领域中的应用是直井无可比拟的。

1.3 水平井的分类及其特点目前，根据水平段特性和功能可分为：阶梯水平井，分支水平井，鱼骨状水平井，多底水平井，双水平井，长水平段水平井等。

根据造斜井段的曲率半径，水平井可以分为四种类型：长半径、中半径、短半径水平井（见图1-1）和超短半径水平井。

小曲率半径中曲率半径常规曲率半径图 1-1 不同半径水平井剖面图①长半径水平井系统设计井眼曲率小于6°/30m的水平井.水平井钻井技术已经进入新的历史时期，但是长曲率半径系统仍然有着它的应用领域，在勘探和探明油田面积方面利用长半径系统成功地钻出了许多水平井。

对于海上钻井平台，大跨度或综合考虑障碍的井口位置和在城市下面的油田等，最好使用长半径。

通常来说，长曲率半径水平井是采用常规的井下工具。

这一类型的水平井的造斜点比较靠近井口；由于曲率半径大，能达到较大的水平位移。

②中半径水平井系统设计井眼曲率为(6°～20°)/30m的水平井；从广义上讲，这一钻井系统的水平井眼是根据API对钻柱的弯曲和扭转的复合应力所给出的极限值，进行有效的钻井作业。

经实践，最大的实际狗腿严重度在旋转钻方式中为20°/100ft，在定向钻方式中可达30°/100ft。

中半径水平井系统的适用范围很大，而且在北海、墨西哥湾、洛杉矾和阿拉斯加的北部作业中取得了巨大的成功。

它成功地应用于解决水锥、气锥、生物礁和裂缝地层的油层的开发。

③短曲率半径水平井系统短曲率半径系统是使用扰性或铰链工具钻出其狗腿率范围在60°～300°/30m水平井的钻井系统。

短半径水平是在6inT 4-3/4”in井眼中进行，其狗腿度在140°～280°/30m之间。

④超短半径水平井系统井眼从垂直转向水平的井眼曲率半径为1m～4m的水平井。

水平钻井的最新方法是超短半径钻井系统，这一方面是使用高压液体喷射出一段水平的井眼，其变化的曲率半径只有几英寸到一英尺左右。

目前使用该系统所钻的水平段长度还只限于200ft之内。

1.4 水平井的应用1.4.1 天然垂直裂缝同灰岩一样，与天然垂直裂缝相交错的油藏为水平井提供了理想的应用条件，这一类型的井身剖面可以使产量提高4～20倍。

在垂直裂缝油藏中，油气完全处在裂缝中，裂缝之间的非生产底层一般为6～60m厚，所以垂直井可能只钻到一个产层，也可能一个产层也钻不到，而水平井可以与产层垂直相交横向钻穿若干个产层裂缝，这样就比垂直井的开采量高得多。

1.4.2 水锥和气锥①水锥：如果产层为水驱动，尤其是当原油粘度比水高得多时，垂直井可能会遇到水锥的问题。

发生这一问题时，会连油带水一同生产。

水平井可以在油层的中上部造斜，然后在生产层中钻一定长度的水平井段。

水平井不仅减少水锥的可能性，而且每单位长度的产油段的压力降比垂直井产油段低，出水、出砂也比垂直井少。

②因为天然气的粘度远低于原油，通常气锥比水锥更为严重。

如果气锥不能控制，则油层必须以注气的方式来维持产量，否则压力必然过早地下降。

水平井的井眼全部在油砂中，所以有助于避免气锥问题，并可以控制采收率，不至于使气锥的压力梯度过高。

水平井成功地减少了水锥、气锥等有害影响。

因此，水平井可以显著提高产量。

1.4.3 低渗透性地层在低参透率油藏，由于生产能力低，提高油气流的方法之一就是对油井进行压裂，但是，更引人注意的解决办法是钻水平井。

一口水平井可以大大增加泄油面积。

1.4.4 薄油层对于薄油层，通过在油层的上下边界之间钻一个水平井段可以大大地增加井与油层的接触表面积。

1.4.5 不规则地层水平钻井已经成功地应用于开发不规则油藏。

这种含油地层互不关联，孤立存在，地震测量也难以指定其准确位置，所以钻直井或常规定向井很难钻到这类油藏。

然而短半径水平井可以从现有直井中接近油藏的位置进行造斜，并且可以避免可能的水锥和气锥问题。

1.4.6 重油产层在重油产层中，水平钻井具有提高产量的能力。

横穿油藏的水平井既可以作为生产井又可以作为注水井。

1.4.7 提高采收率采用水平井同样可以提高原油采收率。

在注蒸汽情况下，直井的低注入量常常呈现很差的热平衡，有部分能量消耗在地面管线、油井及相邻地层的热损失上，而水平井可以提高日注入量，直接加热更大的石油体积，将在很大程度上改善热平衡。

另外，为了有效注入混相段塞(CO2、液化石油气、表面活性剂)必须扩散更长的距离。

在这种情况下水平泄油无疑是一种改善。

1.4.8 老井重钻第二章 水平井产能的预测方法水平井产能预测方法的研究始于20世纪50年代，1958年前苏联学者首次发表了计算水平井产量的解析公式。

1964年前苏联另一位学者在他的专著中系统地总结了水平井的发展历程和生产原理，提出了水平井稳态产量计算方程，这些工作标志着水平井产能分析理论和分析方法的开始。

Giger 利用水电相似原理，推导出均质各向同性油藏水平井与直井的产能比方程，同时将视为均质性影响的各向异性引入到所推导的产能比方程中，获得了渗透率各向异性影响下水平井和直井的产能比方程。

Joshi 将水平井的三维渗流问题简化为垂直及水平面内的二维渗流问题，利用势能理论首先推导了均质各向同性油藏中水平井稳态的产能方程，利用平均渗透率的概念，引入渗透率的各向异性，将各向同性情形下的产能方程修正为各向异性影响的产能方程，该方程考虑了水平井偏离油层中部对产能的影响，同时提出水平井有效井筒半径的概念，研究了影响水平井产能的因素，指出了水平井开采油藏的优越性。

Karcher 论述了具有网状裂缝的油藏中水平井及压裂井拟稳定流动时的产能分析方法，并与直井的产能进行了对比。

Babu 针对任意盒型封闭油藏，建立了水平井三维不稳定渗流的数学模型，在获得解的基础上，结合物质平衡原理，推导出拟稳定流动情形下的产能方程，该方程形式比较复杂，考虑的影响因素较多，在实际应用中的效果不是很好。

KuChuk 及Goode 在水平井不稳定渗流解研究的基础上推导出定压及不渗流顶底边界条件下水平井的流入动态方程，简要分析了水平井长度和水平井在油藏中的位置对水平井流入动态的影响。

Renard 利用时能理论研究了地层损害情形下水平井的产能方程，在定义与直井相似的流动效率后导出了水平井的流动效率公式，比较了直井与水平井的流动效率。

郎兆新采用拟三维方法，获得了水平井在平面和剖面上解析解后，再运用等值渗流阻力法得到三维空间的解和二维空间中流场变化，导出了多井底水平井渗流问题产能的计算公式。

此外，王德民等人应用同样的方法，获得了水平井和直井七点法布井方式下的产能方程。

王伟宏等利用保角变换和等值渗流阻力法推导了分枝水平井的产能计算公式，并与Joshi 的产能公式进行比较，指出后者没有注意到均匀流和无限导流的区别。

综上所述，目前油田常用的不同类型油藏水平井产能预测公式归结如下： （1）顶、底封闭边界油藏水平井产能 Bahu 公式h Q =(2-1)Joshi 公式h w q =⎝⎭(2-2)（2）底水油藏水平井产能底水驱均质油藏中原油稳定渗流时，水平井的产能计算公式： 24/2w h w Z KL p hQ Ln Lntg r h ππμπ⎡⎤∆=+⎢⎥⎣⎦(2-3)（3）气顶油藏水平井产能气顶驱均质油藏中原油稳定渗流时，水平井的产能计算公式： ()24/2w h w h Z KL p hQ Ln Lntg r h ππμπ⎡⎤-∆=+⎢⎥⎣⎦(2-4)（4）边水油藏水平井产能各向同性地层（水平方向的渗透率Kh 与垂直方向的渗透率Kv 相等）情形下，边水驱油藏水平井稳定渗流的产能计算公式：2//sin 2()2h w wKL p Q Z h b h h Ln achLn h r L πμπππ∆=⎡⎤⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎣⎦(2-5)（5）溶解气驱油藏水平井产能溶解气驱油藏水平井产能以研究IPR 流入动态曲线为主，Cheng 在进行了数值模拟之后提出了类似于V ogel 方程的关系式：2max0.98850.2055 1.1818wfwf o o R R p p q q p p ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭(2-6)第三章Joshi公式3.1 Joshi公式的推导在诸多的水平井产能预测公式中，Joshi公式最具有代表性。

Joshi运用势能理论（如图3-1）推导水平井产能公式。

Fig.3-1 Sketch map of horizontal well potential flow(a is horizontal section and b is vertical section)图3-1（a）为直井泄油体，呈圆柱状。

图3-1（b）表示一口长度为L的水平井泄油体，呈椭圆形。

在油层厚度相同的情况下，因井的几何形态不同，泄油体积明显不同，从数学上计算这样一口水平井产量，必须用三维拉普拉斯方程求解。

为了简化Joshi 将三维流动变为两个互相联系的二维流动求解（如图3-2所示）。