水平井关键钻井技术

1、1沈沈 忠忠 厚厚 中国石油大学中国石油大学2005-122一、水平井技术发展简述一、水平井技术发展简述二、水平井综合设计问题二、水平井综合设计问题三、水平井的效益问题三、水平井的效益问题四、几点建议四、几点建议3u 水平井的高效益激发了相关技术的发展水平井的高效益激发了相关技术的发展记载的第一口水平油井钻于记载的第一口水平油井钻于1929年，在年，在Texas。另一口钻于另一口钻于1944年，在年，在Pennsylvania州州 Venango县县 Franklin 油田油田, 井深井深 500英尺。英尺。1980 s，高经济效益激发了水平井测量和控制，高经济效益激发了水平井测量和控制等相关

2、技术的快速发展和应用。等相关技术的快速发展和应用。4u 1990至今，钻井成本的大幅度下降使水平至今，钻井成本的大幅度下降使水平井成为高效开发油气藏的主要手段井成为高效开发油气藏的主要手段成本：成本：80年代初期，美国钻水平井的附加费用年代初期，美国钻水平井的附加费用相对于直井费用的相对于直井费用的3倍左右。倍左右。1990年年-今，今，附加费用已经降到附加费用已经降到17%以下。以下。应用：应用：穿越多个不同裂缝的各向异性油藏或多穿越多个不同裂缝的各向异性油藏或多个小油藏；克服早期水脊或气脊；枯竭油个小油藏；克服早期水脊或气脊；枯竭油藏等。藏等。5 美国美国 HIS能源集团统计能源集团统计6

3、浅或枯竭油藏浅或枯竭油藏夹层油藏夹层油藏裂缝油藏裂缝油藏目前，水平井目前，水平井技术在国外已技术在国外已经成为开发各经成为开发各类油藏的常规类油藏的常规技术技术778 口井中共钻口井中共钻 535主分支（主分支（legs），钻出，钻出100万英尺分万英尺分支井支井 主支井中最多达主支井中最多达 12 个分支个分支(lateral)地点：地点：Galveston, Texas 公司：公司：Larry Comeau and Curtis Cheatham Larry Precision Drillingleglateral8u 国内水平井发展回顾国内水平井发展回顾国内水平井钻井最早出现于国内水平井

4、钻井最早出现于1957年。年。1992年年12完成了第一口砾石予充填水平井完成了第一口砾石予充填水平井-“南南涠涠 1-4-A13”水平井。井深水平井。井深1718m，垂深，垂深988m，水平位移水平位移1063m，最大造斜率，最大造斜率3.76/10m，最大，最大井斜角井斜角93.4,水平井段长水平井段长454m，筛管完井。，筛管完井。局川局川60136钻井队于钻井队于1992年年1月月17日至日至1993年年5月月16日采用旋转钻机钻成水平井日采用旋转钻机钻成水平井-“丹丹21水平井水平井”。最大井斜最大井斜94，水平段长，水平段长311m。9 u经过经过90s攻关，近年来，逐渐形成规模应

5、用攻关，近年来，逐渐形成规模应用10u国内水平井技术应用的特点：国内水平井技术应用的特点：水平井的效果得到了体现。从水平井类别上讲，水平井的效果得到了体现。从水平井类别上讲， 我国目前所钻水平井基本上属于单一水平井和我国目前所钻水平井基本上属于单一水平井和双台肩水平井，分支水平井和多分支水平井尚双台肩水平井，分支水平井和多分支水平井尚未开发和应用，发展潜力较大。未开发和应用，发展潜力较大。各油田发展不均衡。各油田发展不均衡。技术水平相对国外有差距。技术水平相对国外有差距。11u国外水平井钻井成本降低得益于信息化、智能国外水平井钻井成本降低得益于信息化、智能化相关技术的发展和普遍应用化相关技术的

6、发展和普遍应用MWD、LWD、SWD、DDS、GST、FEWD等随钻等随钻测量技术测量技术井下动力钻具、旋转导向等控制技术井下动力钻具、旋转导向等控制技术u国外水平井的高效益得益于其多学科的钻井综国外水平井的高效益得益于其多学科的钻井综合设计和施工合设计和施工121. 信息化和智能化相关技术：信息化和智能化相关技术：（1）信息化）信息化 MWD （随钻测量）（随钻测量） LWD （随钻测井）（随钻测井）井斜角井斜角方位角方位角地层电阻率地层电阻率体积密度体积密度中子空隙度中子空隙度自然伽马自然伽马实时获得所钻地实时获得所钻地层岩性及所含流层岩性及所含流体状况体状况 SWD （随钻地震）（随钻地

7、震）钻头前向待钻地层岩石类型钻头前向待钻地层岩石类型岩石孔隙度、孔隙压力岩石孔隙度、孔隙压力与其它声学敏感的岩石参数与其它声学敏感的岩石参数13 FEWD（随钻地层评价）（随钻地层评价） GST （地质导向技术）（地质导向技术）a. 与与MWD、LWD结合使用，组成了一结合使用，组成了一个集成钻井信息系统（个集成钻井信息系统（IDIS）b. 获得方位角、井斜角、钻压、扭矩、获得方位角、井斜角、钻压、扭矩、应力状况、流体压力、泥浆密度应力状况、流体压力、泥浆密度c. 地层空隙度、岩石密度等地层参数地层空隙度、岩石密度等地层参数 根据随钻测量和随钻地质评价测井数根据随钻测量和随钻地质评价测井数据，

8、通过人机对话控制井眼轨迹。据，通过人机对话控制井眼轨迹。 使钻头始终沿油层钻进，自动避开地使钻头始终沿油层钻进，自动避开地层和地层流体界面。层和地层流体界面。 DDS （钻井动态数据采（钻井动态数据采集，测得集，测得8种参数、种参数、12个数据）个数据） 4个桥式应变片组，测得井底钻压、扭个桥式应变片组，测得井底钻压、扭矩和矩和2个正负方向弯矩个正负方向弯矩 测量井眼压力和环空压力测量井眼压力和环空压力 测量钻头轴向加速度和测量钻头轴向加速度和2个横向加速度个横向加速度 测量井下旋转速度测量井下旋转速度 测量井下温度测量井下温度14（2）智能化方向）智能化方向 井下导向工具、测试工具和作业控制

9、日趋智能化。井下导向工具、测试工具和作业控制日趋智能化。 1990年由数家大石油公司及相关公司共同合作，历年由数家大石油公司及相关公司共同合作，历时时5年，耗资近年，耗资近1000万美元，开发成功的集成钻井系统万美元，开发成功的集成钻井系统（IDS）和集成钻井作业系统（）和集成钻井作业系统（IDO），是钻井系统及），是钻井系统及作业智能化的体现。作业智能化的体现。 近年来，在地面自动控制井下导向工具和随钻地层评近年来，在地面自动控制井下导向工具和随钻地层评价测试系统（价测试系统（FEWD）开发成功，更体现了工具和作）开发成功，更体现了工具和作业智能化。业智能化。15 传统设计步骤：传统设计步骤

10、： 主要在地质设计基础上，进行钻井设计。主要在地质设计基础上，进行钻井设计。其特点：其特点： 各专业学科相互分离各专业学科相互分离 2. 定量化程度低定量化程度低2. 多学科综合设计多学科综合设计-水平井综合设计平台水平井综合设计平台 162. 多学科综合设计多学科综合设计-水平井综合设计平台水平井综合设计平台 水平井、分支水平井、多分支井的设计涉及整个油田水平井、分支水平井、多分支井的设计涉及整个油田布井方案和油田开发方案，最终目标要达到成本布井方案和油田开发方案，最终目标要达到成本/吨油吨油最低，最终采收率最高。最低，最终采收率最高。 该水平井综合设计不可能只由钻井工程师一家完成，该水平井

11、综合设计不可能只由钻井工程师一家完成，或者钻井和地质两家完成，而是钻井、地质、测井、或者钻井和地质两家完成，而是钻井、地质、测井、采油、油藏工程和成本核算员协同工作，共同完成。采油、油藏工程和成本核算员协同工作，共同完成。1992年年11月由美国石油工程协会和地质协会、地球物月由美国石油工程协会和地质协会、地球物理家协会和测井分析家协会共同开会约定：理家协会和测井分析家协会共同开会约定： 17详细设计详细设计完井试油后回顾总结完井试油后回顾总结钻钻 井井完井对策完井对策增产措施增产措施修井修井生产战略生产战略详细油气藏分析详细油气藏分析市场预测市场预测租赁约束租赁约束经济评价预测经济评价预测规

12、则条例规则条例油气藏筛选油气藏筛选候选目标油气藏候选目标油气藏地质依据地质依据经营战略经营战略法法 律律水平井钻井综合设计程序和框图水平井钻井综合设计程序和框图18设计步骤设计步骤:第一步第一步：提出候选：提出候选目标油气藏。由作业公司提出目标油气藏。由作业公司提出候选候选目标目标油气藏油气藏第二步第二步：地质评价。审查油气藏条件是否适合钻水平井。地质评价。审查油气藏条件是否适合钻水平井。是否有法律争议，是否符合公司经营战略。是否有法律争议，是否符合公司经营战略。第三步第三步：初步油气藏筛选初步油气藏筛选 初步进行产量递减和现值研究，储量分析。初步进行产量递减和现值研究，储量分析。第四步第四步

13、：经济效益分析。经济效益分析。 初步经济分析和初步成本预测。初步经济分析和初步成本预测。是否受土地租赁和规划条例限制。是否受土地租赁和规划条例限制。19第五步第五步：详细油气藏分析。详细油气藏分析。 用分析模型或大型主机数值模用分析模型或大型主机数值模拟程序进行详细的油气藏分析。拟程序进行详细的油气藏分析。第六步第六步：生产战略。生产战略。 与详细油气藏分析相结合，进行油气藏与详细油气藏分析相结合，进行油气藏生产特性分析，确定水平段长度，距流体接触面距离。生产特性分析，确定水平段长度，距流体接触面距离。第七步第七步：增产措施及完井对策。增产措施及完井对策。 是否需要下套管、固井、是否需要下套管

14、、固井、射孔和压裂，这些环节将耗费作业费用，需要认真进行射孔和压裂，这些环节将耗费作业费用，需要认真进行投入与产出预算，作出经济预测评价，再作出完井方法投入与产出预算，作出经济预测评价，再作出完井方法及相关设计。及相关设计。第八步第八步：详细设计。：详细设计。 又称油井设计，由油公司钻井部完成。又称油井设计，由油公司钻井部完成。内容包括：内容包括：（1）井眼剖面；（）井眼剖面；（2）水平段长度；（）水平段长度；（3）井）井径；径； （4）套管程序；（）套管程序；（5）套管柱设计；（）套管柱设计；（6）注水泥设）注水泥设计；（计；（7）井控；（）井控；（8）保护储层设计及泥浆密度。）保护储层设计

15、及泥浆密度。20第九步第九步：钻井施工设计。：钻井施工设计。 包括包括（1）钻头类型；（）钻头类型；（2）钻）钻井液设计；（井液设计；（3）钻井参数设计；（）钻井参数设计；（4）钻柱设计；（）钻柱设计；（5）钻柱下部结构设计；（）钻柱下部结构设计；（6）钻井设备选择。在以上）钻井设备选择。在以上基础上，进行详细成本预测和费用核算。重做经济分基础上，进行详细成本预测和费用核算。重做经济分析，以确定水平井是经济有效的。析，以确定水平井是经济有效的。第十步第十步：完井试油后评价，进行回顾总结，以便总结经验完井试油后评价，进行回顾总结，以便总结经验和教训。和教训。 以上设计程序和框图称水平井综合设计平

16、台。它将地以上设计程序和框图称水平井综合设计平台。它将地质模型、钻井模型、采油油藏模型、成本和费用核算质模型、钻井模型、采油油藏模型、成本和费用核算模型四种模型放在一起，而且可以兼容，以便考证水模型四种模型放在一起，而且可以兼容，以便考证水平井的有效性和经济性。国外各石油公司都有自己的平井的有效性和经济性。国外各石油公司都有自己的综合设计平台和软件，十分保密。现在我们还缺少这综合设计平台和软件，十分保密。现在我们还缺少这样的模型。样的模型。21传统的钻井任务，是建造一个由地下流至地面的油气通道。传统的钻井任务，是建造一个由地下流至地面的油气通道。为了提高油田可采储量和采收率，采油上出现二次采油

17、为了提高油田可采储量和采收率，采油上出现二次采油（注水、注气）、三次采油（注聚合物、生物采油）。（注水、注气）、三次采油（注聚合物、生物采油）。90年代末水平井在美国的广泛应用表明，它不仅能提高年代末水平井在美国的广泛应用表明，它不仅能提高油井单井产量，而且可提高采收率。特别出现了分支水油井单井产量，而且可提高采收率。特别出现了分支水平井和多分支井（侧钻水平井）后，用水平井、分支水平井和多分支井（侧钻水平井）后，用水平井、分支水平井开发整装油田的效果越来越明显。平井开发整装油田的效果越来越明显。22（1）水平井的成本和产能）水平井的成本和产能成本：降至直井成本：降至直井1.52.0倍，甚至有的

18、已降至直井倍，甚至有的已降至直井的的1.2倍。（以每米成本计算）倍。（以每米成本计算）效益：水平井产量一般为直井的效益：水平井产量一般为直井的48倍。倍。 下图下图 是是shell公司在阿曼作出的以美元公司在阿曼作出的以美元/桶桶/天天成本比较成本比较23年度年度单位产能的成本单位产能的成本u 各种水平井与直井的成本比较各种水平井与直井的成本比较24（2） 水平井提高采收率问题水平井提高采收率问题应用水平井技术开发整装油气田，是应用水平井技术开发整装油气田，是90年代水平井应用年代水平井应用发展的主要趋势之一，它不仅可显著提高油井产量，更发展的主要趋势之一，它不仅可显著提高油井产量，更可以有效

19、的提高油田采收率。可以有效的提高油田采收率。主要原因：主要原因：1 1）增加油藏裸露面积和输油通道，采油波及系数提高）增加油藏裸露面积和输油通道，采油波及系数提高2 2）改善油气藏流场的压力分布，有效控制底水和边水）改善油气藏流场的压力分布，有效控制底水和边水25 砂岩砂坝隆起：重油砂岩砂坝隆起：重油 / 水水低压差：降低水脊；低压差：降低水脊； 高压差：严重水脊；高压差：严重水脊； 油油 ；水水 ；油流方向油流方向26水平井底水脊进等饱和度曲线水平井底水脊进等饱和度曲线 井井横截面水脊图横截面水脊图 井轴向垂直剖面水脊图井轴向垂直剖面水脊图-底水底水；-油井油井 27礁体礁体气气 / 油油

20、/ 水水 天然气；天然气； 气脊进；气脊进； 油；油； 水脊进；水脊进； 水；水； 油流油流有效控制底有效控制底水和凝析气水和凝析气的脊进的脊进 水平井穿越油藏的横断面流场图水平井穿越油藏的横断面流场图28（3） 举例举例u 美国美国ElkHills 26R油藏：油藏：美国能源部建议用水平井来减缓美国能源部建议用水平井来减缓ElkHills 26油藏原油油藏原油递减速度和延长油藏经济寿命。递减速度和延长油藏经济寿命。从从19881995年共钻年共钻14口水平井，获得良好经济效（口水平井，获得良好经济效（这些井在寿命期间扣除成本，获纯收入这些井在寿命期间扣除成本，获纯收入2.37亿美元）成亿美元

21、）成功地控制了产量递减，并使该油藏最大可采储量提高功地控制了产量递减，并使该油藏最大可采储量提高18.7% 。29u 我国塔里木油田我国塔里木油田 塔里木油田从塔里木油田从1994年开始用水平井开发了塔中年开始用水平井开发了塔中4、塔中、塔中16、哈得、哈得4和沙漠腹地的串珠油田等四个整装油田，共和沙漠腹地的串珠油田等四个整装油田，共钻水平井钻水平井134口。口。现以塔中现以塔中4油田为例说明有关情况：油田为例说明有关情况：油藏特点：油藏特点： 具有凝析具有凝析气顶和底水层的块状油藏。气顶和底水层的块状油藏。产量和收入产量和收入：a a、产量：水平井最高单产、产量：水平井最高单产1175117

22、5吨吨/ /天每井，水天每井，水平井累积采油平井累积采油678.0678.0万吨，占油田累积产量万吨，占油田累积产量62%62% b b、收入：销售收入、收入：销售收入140.0140.0亿元。亿元。30产能：产能： a a、水平井产量是直井的、水平井产量是直井的3.53.5倍。倍。 b b、水平井采油指数是直井的、水平井采油指数是直井的3.2倍。倍。有效控制水脊：有效控制水脊： a a、水平井无水采油期、水平井无水采油期17271727天，是直井的天，是直井的2.52.5倍。倍。 b b、水平井无水采油量、水平井无水采油量9191万吨，是直井的万吨，是直井的9.339.33倍。倍。 采收率：

23、采收率： a a、预计采收率可达、预计采收率可达54.3%( (标定标定46.6%) )。 b b、目前地质储量采出程度已达、目前地质储量采出程度已达37.8537.85%。 c、估计直井采油平均、估计直井采油平均30%。31塔中塔中16油田水平井和直井试采对比评估：油田水平井和直井试采对比评估： 指指 标标 井井 类类平均采油指数平均采油指数 T/d.MPa.m平均采油指数平均采油指数T/d.MPa.m水平井水平井75.111.65直井直井29.04.04水平井水平井/直井直井2.60倍倍2.88倍倍32u冀东油田冀东油田 2004年投产水平井年投产水平井63口，利用水平井建成产能口，利用水平井建成产能30万吨以上，日产油量万吨以上，日产油量1130吨，占