1 河南油田水平井钻井技术

汤清会 刘炳 郑延斌 王毓震

(中国石化河南石油勘探局钻井工程公司，河南南阳 473132)

摘要：近几年，水平井钻井技术在我油田得到了快速发展，施工技术逐步完善和成熟，已成为油田实现高效勘探开发的重要技术手段，特别是在薄油气藏和浅层油气藏开发方面取得了较好的经济效益，本文对河南油田水平井钻井技术从合作、试验探索、发展到逐步走向成熟的过程进行了分析总结，汲取施工过程中的经验与教训，从水平井的设计、现场轨迹控制、井下复杂情况的预防等方面进行总结，对水平井技术的进一步发展和完善提供有益的经验。

关键词：水平井、MWD、LWD、轨迹控制、薄油气层、经验与教训

概 述

水平井一般是指井斜大于85º且在产层内钻进一段“水平”井段的特殊形式的油气井，水平井技术于20世纪20年代提出，40年代付诸实施，80年代相继在美国、加拿大、法国等国家得到广泛工业化应用，并由此形成一股研究、应用水平井技术的高潮。如今，水平井钻井技术已日趋完善，由单个水平井向整体井组开发转变，并以此为基础发展了水平井各项配套技术，与欠平衡等钻井技术、多分支等完井技术相结合，形成了多样化的水平井技术。

近年来，水平井总数几乎成指数增长，全世界的水平井井数为4.5万口左右，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等69个国家，其中美国和加拿大占88.4%。在国内，水平井钻井技术日益受到重视，在多个油田得以迅速发展，其油藏有低压低渗透砂岩油藏、稠油油藏、火山喷发岩油藏、不整合屋脊式砂 岩油藏等多种类型，石油剩余资源和低渗、超薄、稠油和超稠油等特殊经济边际油藏开发的低本高效，是水平井技术发展的直接动力。

目前，国外水平井钻井成本已降至直井的1.5至2倍，甚至有的水平井成本只是直井的1.2倍，而水平井产量是直井的4至8倍。国内塔中4、塔中 16油田水平井钻井成本为同区直井的2倍多，大港油田水平井投资平均为直井的2.3倍。近年来，随着技术的成熟和钻井数量的增加，国内的水平井钻井、完井成本呈降低趋势；有效提高采收率，助推难采难动用储量升级，使水平井技术成为各类油气藏转换开发方式的有效手段。

自1996年以来，河南油田相继在新疆宝浪油田和河南油田东部实施了48口水平井，施工过程从坎坷不平走向顺利，水平井技术从学习合作逐步走向成熟（其中浅层大位移水平井钻井技术在国内处于领先水平），取得了较好的勘探开发效果与经济效益。但在施工中曾发生过断钻具、起下钻阻卡等复杂情况，因而，对水平井钻井技术进行分析总结显得十分的必要。

一、水平井的关键技术

水平井的施工与常规定向井的施工有完全不同的特点，技术含量高，施工难度大，只有认识与掌握其特殊性才能够对症下药，保证水平井的安全快速钻井，水平井的关键技术有以下几方面：

1、 剖面设计与井眼轨迹优化

井身剖面设计是否科学是水平井施工的关键点，水平井的剖面分为三种：长半径（造斜率小于6°/30m）、中半径（造斜率为6°～20°/30m）和短半径（造斜率大于30°/30m），我油田大部分水平井为中半径水平井，利用定向软件模拟某一特定钻柱设计的扭矩和摩阻对比结果如下：短半径剖面中产生扭矩最低而摩阻最大，加剧钻杆和套管的磨损；中半径剖面产生的摩阻和扭矩适中；长半径剖面由于斜井段较长，会产生较大的下放载荷，即下滑的阻力较大，而且旋转扭矩也比较大，对钻柱强度的要求比较高。因此水平井剖面一般介于中长半径之间，用常规的弯壳动力钻具即能实现，扭矩和摩阻比较小，井下安全风险小；水平井剖面设计的原则一是工程上容易实现，用常规螺杆加无线随钻跟踪即可实施，井下不易产生键槽和磨损套管，轨迹控制难度小；二是剖面设计按悬链线设计，其拉力、扭矩、摩阻较小，有利于安全施工。

2、 摩阻与扭矩 2 水平井大井斜井段较长，钻进时钻具基本上是躺在井眼的下井壁上，钻具的“重力效应”非常显著，致使钻具在上提下放和旋转时表现出较大的阻力和扭矩。影响阻力与扭矩的因素很多，诸如：井眼弯曲、钻柱结构、钻进参数、钻井液润滑性能、地层、井眼稳定、岩屑床等等，在实际施工中主要采取选择最优的井身剖面（近悬链式剖面）、增强钻井液的悬浮、携带与润滑性能等措施减小阻力与扭矩。

3、 钻柱设计

水平井中钻柱设计应同时满足钻柱强度要求和井眼轨迹对钻柱的要求，并考虑简单实用的原则，尽量减少井下接头的数量，井斜越过45°以后使用无磁承压钻杆代替无磁钻铤，并进行钻具倒装，以地降低摩阻扭矩，保证钻具向前推进与钻进作业的进行，若水平段较长考虑选择使用高扭矩接头和加入减摩工具等来预防钻具事故。

4、井壁稳定

水平井中大井斜井段比较长，地层的层面暴露较大，造成井眼不稳定，在钻进施工中应根据地层的特性确定合适的比重来平衡地层，同时处理好钻井液的其它性能来抑制地层与钻井液之间的相互化学作用引起的井壁垮塌。

5、井眼净化

在水平井中45°～60º的井段易形成岩屑床，严重影响钻进速度和井下安全，如何有效净化井眼关系到钻井作业能否安全顺利的进行，井眼净化主要采取以下措施：

1）、增大排量，保持环空适当的流速分布，最好使钻井液产生紊流。

2）、钻井液有较好的流变性能，有效地悬浮和携带岩屑。

3）、提高转速和采取倒划眼措施（需要顶驱配合）。

4）、起钻前充分循环钻井液（国外经验：循环4周）。

5）、进行短程起下钻与分段接力循环。

6）、固相控制，用发四级固控。

在水平井中钻屑在井下的停留时间要比常规的井长得多，这些岩屑将在钻具与井壁之间或钻具与套管之间长时间地停留而被研磨得更细，只有用良好的固控设备才能保证良好的钻井液性能，以满足井下安全的需要。

6、套管问题

水平井下套管必须考虑三个主要条件：设备能下入的最大重量，下入重量的摩阻损失和下入重量的机械损失。机械损失是指由井下岩屑、坍塌、台阶、压差、卡钻、扶正器嵌入地层等引起的重力损失，也能减少套管的下入量，因而，在位移较大的水平井下套管中应多方考虑减小下套管的阻力的措施。另外，可考虑使用顶部驱动系统实现循环钻井液、上下活动套管、旋转套管及下压套管以及漂浮下套管技术等操作，以利于套管的顺利下入。

7、随钻测量

随钻测量技术是水平井施工的重要组成部分，在施工时选择性能可靠的MWD或LWD测量系统，完善测量工艺，提高测量确度，使用短无磁钻铤或钻杆、较短的动力钻具或使用近钻头测量系统来缩短到钻头的测量距离，提高轨迹的控制精度。

二．水平井发展状况

（一）、试验与探索阶段（2000年以前）

1996年以前的定向井技术服务现场施工基本上照相式单多点、弯接头加直螺杆、计算器现场计算、手工坐标纸绘图施工，所有螺杆钻具一般是单头或双头的高转速螺杆，钻头常是滚动轴承的钢齿钻头，施工效率较低，施工的井一般都是井斜小于30°的常规定向井。先进的工具仪器是高难度定向井与水平施工的保证，必须有可靠的工具仪器才能保证大难度井安全高效施工。96年以后定向井工具仪器均取得了较大的进步，使定向井施工技术快速提升，逐步施工了多目标井、大斜度井和水平井。

1、定向井仪器设备情况 3 2000年以前主要定向井仪器设备与软件情况如下表所示：

序号 名称 型号 购置时间 生产厂家 数量

1 电子单多点测斜仪 YSS－45 1996 北京海蓝 2

2 电子单多点测斜仪 YSS－32 1996 北京海蓝 8

3 有线随钻 MS3 1993 美国SPERRYSUN 1

4 有线随钻 YST35 2000以前 北京海蓝 5

5 无线随钻MWD 无

6 无线随钻LWD 无

7 软件情况 现场使用计算器，设计与后勤数据处理使用DOS系统版本软件

2、技术状况

（1）、定向井技术

1996年以前施工的定向井主要是常规定向井、丛式井、多目标井和少量的大斜度井，定向井、丛式井技术已成熟，大斜度多目标技术已经起步，1996～2000年完成各类型情况如下表所示。从完成井的数量与技术含量上可以看出定向井技术的进步。

1996～2000年完成各类型情况对比表

年份 常规定向井数量 多目标井数量 大斜度井数量 水平井数量

1996 59 1

1997 67 12 1

1998 60 5 1

1999 58 5 1

2000 60 5 11

2000年以前在新疆宝浪油田共施工了3口水平井，依次是H2、H3和H4，第二口H3井为自主施工，H4是阶梯状水平井。H2和H4的设计与施工均为技术合作完成，技术合作方是胜利定向井公司。在设计与施工中，合理的井身结构是水平井成功的重要环节，根据宝浪油田的地层特点采用的井身结构如下：Φ445mm钻头×Φ340mm表层套管＋Φ311mm钻头×Φ244.5mm技术套管＋Φ216mm钻头×Φ139.7mm油层套管；下入技术套管是为了防止上部煤层段坍塌和掉块，保证下部水平段的安全施工；剖面设计以中半径（造斜率为6°～20°/30m）为主，3口水平井水平段长度都大于400m；其中H4为阶梯状水平井，分2个水平段，第一水平段长340m，第二水平段长310m，有7m的垂深落差，全井水平位移1160m，且H4水平井剖面设计比较复杂，为直-增-增-增-稳（平）-降-增-稳（平）剖面，施工难度很大，实际钻井周期共162.92天，最后顺利完成本井施工。

试验探索阶段完成水平井情况表

井 号 完成时间 设计造斜率

(°/30m) 实际造斜率(°/30m) 最大井斜

(°) 水平段长

(m) 靶区要求

(m) 完钻井深

(m)

H2 1997.4.1 12.44～25 13～24.7 92 417.99 6*20*20 2903.64

H3 1997.10.9 12～25 11～27 95.39 502.2 6*20*20 2982

H4 2000.3.9 22～30 20～30 93.7 771 3*20*20 3308

（2）、钻井液技术

我油田水平井钻井液技术主要是在吸收国内各大油田水平井钻井液技术经验基础上发展起来的， 2000年前主要采取正电胶聚磺加柴油钻井液，高粘切、高动塑比、携带能力强，适合在不稳定地层钻进。同时正电胶钻井液具有较好的剪切稀释性能，流动时具有较低的粘度，静止时又具有较强的结构，具有良好的悬浮性能，防止岩屑沉降有利于井下安全。

（3）、固完井技术

早期完成的水平井相对较深，直井段较长，套管的下入前充分地清洁井眼、加入足量的固流体润滑剂，套管顺利下入无太大问题。分析造成大斜度井和水平井固井失败的主要原因是井眼高边出现游离水形成的“水窜 4 槽”和井筒冲洗不彻底造成固相颗粒在井眼低边沉淀形成的“固相窜槽”，同时要改善水泥浆顶替效率和解决套管居中问题。为此，需要在现场作业中采用特殊的水平井固井工艺和工具，提高大斜度井和水平井固井质量。主要通过以下措施保证固井质量。①、下套管前充分通井分段接力循环有效清除岩屑床，防止“固相窜槽”；②、针对实钻井身剖面不同井段使用不同类型的扶正器确保套管居中度；③、科学配制隔离液与合适的洗井排量；④、优化水泥浆添加剂保证水泥浆有较好的沉降稳定性，有效控制自由水的析出形成，防止“水窜槽”；⑤、确定合理的顶替排量，提高顶替效率。

总之，经过宝浪油田3口水平井的施工技术历练，通过技术引进与合作方式解决施工中的技术难题，学习和积累了水平井设计与施工经验，培训出了水平井施工技术人员，对水平井设计、造斜工具的特性、井壁稳性、摩阻扭矩情况及钻井液与固井技术等有了初步的认识，为以后河南油田水平井施工奠定了基础。

（二）、水平井技术的发展阶段（2001年～2007年）

1、设备状况

2000年以后定向井仪器设备与软件进步较快，为水平井技术发展和进一步推广应用提供了有力的保障。截止2007年12月主要定向井仪器设备与软件如下表所示，仪器装备的进步为大斜度井水平井技术的发展提供了保障。：

2007年12月主要定向井仪器设备与软件情况表

序号 名称 型号 购置时间 生产厂家 数量

1 电子单多点测斜仪 YSS－32 2001～2007 北京海蓝 16

2 有线随钻 YST35 2007年以前 北京海蓝 8

3 无线随钻MWD QDT 2001.3 美国 2

4 无线随钻MWD YST48X 2004 北京海蓝 2

5 无线随钻MWD YST48R 2006 北京海蓝 1

6 无线随钻MWD YST48R 2007 北京海蓝 3

7 无线随钻MWD YST38R 2007 北京海蓝 1

8 无线随钻LWD Geolink-CPR 2008 英国 1

9 软件情况 现场使用笔记本计算机，定向软件有自编的“钻井现场辅助决策系统”、胜利钻井院“特殊工艺井设计与计算”与进口美国哈里伯顿公司的LANDMARK定向井软件。

2、技术状况

（1）、定向井技术

随着水平井软硬件配置的快速提升，水平井技术也快速成长起来。2002年在新疆宝浪油田打了一口水平井TH302，在钻进过程中由于设计变更,改为三维大斜度井。该井井场位于博斯腾湖岸边，由于当地环保要求比较高，井场利用图301井老井场，而目的层在湖中央，即靶区和井口不在同一方向上，因此在施工中需要三维变方位。TH302井于2002年1月3日一开钻进，2002年5月20日完钻；完钻井深3854m，井底水平位移1585.6m，是我油田井底水平位移最大的一口井，井斜角50°以上井段1363.06m，最大井斜角87.82°，本井在后期施工时摩阻和扭矩都很大，同时因大井斜段过长，极易形成岩屑床，这对井眼净化提出了很高要求，该井在施工中与工程院结合，用LandMark钻井软件逐步优化设计与实钻井眼轨迹，优选出了满足井眼轨迹控制需要的下部钻具结合，同时也进行了水平井的摩阻、扭矩模拟和测量试验工作，对影响摩阻、扭矩的各种因素有了更全面的了解，通过大家的共同努力，该井最后顺利完成，为我油田后期的大斜度井和水平井施工积累了宝贵的施工经验

2006～2007两年在河南油田东部共施工了8口水平井，施工技术逐步走向成熟，特别是井楼4口浅层大位移水平井成功实施创中石化多项新指标，为河南油田争了光，也为我油田培养了一批高技术人才，使河南油田的水平井技术迈向一个新台阶。