水平井關鍵鉆井技術

1、1沈沈 忠忠 厚厚 中國石油大學中國石油大學2005-122一、水平井技術發(fā)展簡述一、水平井技術發(fā)展簡述二、水平井綜合設計問題二、水平井綜合設計問題三、水平井的效益問題三、水平井的效益問題四、幾點建議四、幾點建議3u 水平井的高效益激發(fā)了相關技術的發(fā)展水平井的高效益激發(fā)了相關技術的發(fā)展記載的第一口水平油井鉆于記載的第一口水平油井鉆于1929年，在年，在Texas。另一口鉆于另一口鉆于1944年，在年，在Pennsylvania州州 Venango縣縣 Franklin 油田油田, 井深井深 500英尺。英尺。1980 s，高經(jīng)濟效益激發(fā)了水平井測量和控制，高經(jīng)濟效益激發(fā)了水平井測量和控制等相關

2、技術的快速發(fā)展和應用。等相關技術的快速發(fā)展和應用。4u 1990至今，鉆井成本的大幅度下降使水平至今，鉆井成本的大幅度下降使水平井成為高效開發(fā)油氣藏的主要手段井成為高效開發(fā)油氣藏的主要手段成本：成本：80年代初期，美國鉆水平井的附加費用年代初期，美國鉆水平井的附加費用相對于直井費用的相對于直井費用的3倍左右。倍左右。1990年年-今，今，附加費用已經(jīng)降到附加費用已經(jīng)降到17%以下。以下。應用：應用：穿越多個不同裂縫的各向異性油藏或多穿越多個不同裂縫的各向異性油藏或多個小油藏；克服早期水脊或氣脊；枯竭油個小油藏；克服早期水脊或氣脊；枯竭油藏等。藏等。5 美國美國 HIS能源集團統(tǒng)計能源集團統(tǒng)計6

3、淺或枯竭油藏淺或枯竭油藏夾層油藏夾層油藏裂縫油藏裂縫油藏目前，水平井目前，水平井技術在國外已技術在國外已經(jīng)成為開發(fā)各經(jīng)成為開發(fā)各類油藏的常規(guī)類油藏的常規(guī)技術技術778 口井中共鉆口井中共鉆 535主分支（主分支（legs），鉆出，鉆出100萬英尺分萬英尺分支井支井 主支井中最多達主支井中最多達 12 個分支個分支(lateral)地點：地點：Galveston, Texas 公司：公司：Larry Comeau and Curtis Cheatham Larry Precision Drillingleglateral8u 國內(nèi)水平井發(fā)展回顧國內(nèi)水平井發(fā)展回顧國內(nèi)水平井鉆井最早出現(xiàn)于國內(nèi)水平井

4、鉆井最早出現(xiàn)于1957年。年。1992年年12完成了第一口礫石予充填水平井完成了第一口礫石予充填水平井-“南南潿潿 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,水平井段長水平井段長454m，篩管完井。，篩管完井。局川局川60136鉆井隊于鉆井隊于1992年年1月月17日至日至1993年年5月月16日采用旋轉鉆機鉆成水平井日采用旋轉鉆機鉆成水平井-“丹丹21水平井水平井”。最大井斜最大井斜94，水平段長，水平段長311m。9 u經(jīng)過經(jīng)過90s攻關，近年來，逐漸形成規(guī)模應

5、用攻關，近年來，逐漸形成規(guī)模應用10u國內(nèi)水平井技術應用的特點：國內(nèi)水平井技術應用的特點：水平井的效果得到了體現(xiàn)。從水平井類別上講，水平井的效果得到了體現(xiàn)。從水平井類別上講， 我國目前所鉆水平井基本上屬于單一水平井和我國目前所鉆水平井基本上屬于單一水平井和雙臺肩水平井，分支水平井和多分支水平井尚雙臺肩水平井，分支水平井和多分支水平井尚未開發(fā)和應用，發(fā)展?jié)摿^大。未開發(fā)和應用，發(fā)展?jié)摿^大。各油田發(fā)展不均衡。各油田發(fā)展不均衡。技術水平相對國外有差距。技術水平相對國外有差距。11u國外水平井鉆井成本降低得益于信息化、智能國外水平井鉆井成本降低得益于信息化、智能化相關技術的發(fā)展和普遍應用化相關技術的

6、發(fā)展和普遍應用MWD、LWD、SWD、DDS、GST、FEWD等隨鉆等隨鉆測量技術測量技術井下動力鉆具、旋轉導向等控制技術井下動力鉆具、旋轉導向等控制技術u國外水平井的高效益得益于其多學科的鉆井綜國外水平井的高效益得益于其多學科的鉆井綜合設計和施工合設計和施工121. 信息化和智能化相關技術：信息化和智能化相關技術：（1）信息化）信息化 MWD （隨鉆測量）（隨鉆測量） LWD （隨鉆測井）（隨鉆測井）井斜角井斜角方位角方位角地層電阻率地層電阻率體積密度體積密度中子空隙度中子空隙度自然伽馬自然伽馬實時獲得所鉆地實時獲得所鉆地層巖性及所含流層巖性及所含流體狀況體狀況 SWD （隨鉆地震）（隨鉆地

7、震）鉆頭前向待鉆地層巖石類型鉆頭前向待鉆地層巖石類型巖石孔隙度、孔隙壓力巖石孔隙度、孔隙壓力與其它聲學敏感的巖石參數(shù)與其它聲學敏感的巖石參數(shù)13 FEWD（隨鉆地層評價）（隨鉆地層評價） GST （地質(zhì)導向技術）（地質(zhì)導向技術）a. 與與MWD、LWD結合使用，組成了一結合使用，組成了一個集成鉆井信息系統(tǒng)（個集成鉆井信息系統(tǒng)（IDIS）b. 獲得方位角、井斜角、鉆壓、扭矩、獲得方位角、井斜角、鉆壓、扭矩、應力狀況、流體壓力、泥漿密度應力狀況、流體壓力、泥漿密度c. 地層空隙度、巖石密度等地層參數(shù)地層空隙度、巖石密度等地層參數(shù) 根據(jù)隨鉆測量和隨鉆地質(zhì)評價測井數(shù)根據(jù)隨鉆測量和隨鉆地質(zhì)評價測井數(shù)據(jù)，

8、通過人機對話控制井眼軌跡。據(jù)，通過人機對話控制井眼軌跡。 使鉆頭始終沿油層鉆進，自動避開地使鉆頭始終沿油層鉆進，自動避開地層和地層流體界面。層和地層流體界面。 DDS （鉆井動態(tài)數(shù)據(jù)采（鉆井動態(tài)數(shù)據(jù)采集，測得集，測得8種參數(shù)、種參數(shù)、12個數(shù)據(jù)）個數(shù)據(jù)） 4個橋式應變片組，測得井底鉆壓、扭個橋式應變片組，測得井底鉆壓、扭矩和矩和2個正負方向彎矩個正負方向彎矩 測量井眼壓力和環(huán)空壓力測量井眼壓力和環(huán)空壓力 測量鉆頭軸向加速度和測量鉆頭軸向加速度和2個橫向加速度個橫向加速度 測量井下旋轉速度測量井下旋轉速度 測量井下溫度測量井下溫度14（2）智能化方向）智能化方向 井下導向工具、測試工具和作業(yè)控制

9、日趨智能化。井下導向工具、測試工具和作業(yè)控制日趨智能化。 1990年由數(shù)家大石油公司及相關公司共同合作，歷年由數(shù)家大石油公司及相關公司共同合作，歷時時5年，耗資近年，耗資近1000萬美元，開發(fā)成功的集成鉆井系統(tǒng)萬美元，開發(fā)成功的集成鉆井系統(tǒng)（IDS）和集成鉆井作業(yè)系統(tǒng)（）和集成鉆井作業(yè)系統(tǒng)（IDO），是鉆井系統(tǒng)及），是鉆井系統(tǒng)及作業(yè)智能化的體現(xiàn)。作業(yè)智能化的體現(xiàn)。 近年來，在地面自動控制井下導向工具和隨鉆地層評近年來，在地面自動控制井下導向工具和隨鉆地層評價測試系統(tǒng)（價測試系統(tǒng)（FEWD）開發(fā)成功，更體現(xiàn)了工具和作）開發(fā)成功，更體現(xiàn)了工具和作業(yè)智能化。業(yè)智能化。15 傳統(tǒng)設計步驟：傳統(tǒng)設計步驟

10、： 主要在地質(zhì)設計基礎上，進行鉆井設計。主要在地質(zhì)設計基礎上，進行鉆井設計。其特點：其特點： 各專業(yè)學科相互分離各專業(yè)學科相互分離 2. 定量化程度低定量化程度低2. 多學科綜合設計多學科綜合設計-水平井綜合設計平臺水平井綜合設計平臺 162. 多學科綜合設計多學科綜合設計-水平井綜合設計平臺水平井綜合設計平臺 水平井、分支水平井、多分支井的設計涉及整個油田水平井、分支水平井、多分支井的設計涉及整個油田布井方案和油田開發(fā)方案，最終目標要達到成本布井方案和油田開發(fā)方案，最終目標要達到成本/噸油噸油最低，最終采收率最高。最低，最終采收率最高。 該水平井綜合設計不可能只由鉆井工程師一家完成，該水平井

11、綜合設計不可能只由鉆井工程師一家完成，或者鉆井和地質(zhì)兩家完成，而是鉆井、地質(zhì)、測井、或者鉆井和地質(zhì)兩家完成，而是鉆井、地質(zhì)、測井、采油、油藏工程和成本核算員協(xié)同工作，共同完成。采油、油藏工程和成本核算員協(xié)同工作，共同完成。1992年年11月由美國石油工程協(xié)會和地質(zhì)協(xié)會、地球物月由美國石油工程協(xié)會和地質(zhì)協(xié)會、地球物理家協(xié)會和測井分析家協(xié)會共同開會約定：理家協(xié)會和測井分析家協(xié)會共同開會約定： 17詳細設計詳細設計完井試油后回顧總結完井試油后回顧總結鉆鉆 井井完井對策完井對策增產(chǎn)措施增產(chǎn)措施修井修井生產(chǎn)戰(zhàn)略生產(chǎn)戰(zhàn)略詳細油氣藏分析詳細油氣藏分析市場預測市場預測租賃約束租賃約束經(jīng)濟評價預測經(jīng)濟評價預測規(guī)

12、則條例規(guī)則條例油氣藏篩選油氣藏篩選候選目標油氣藏候選目標油氣藏地質(zhì)依據(jù)地質(zhì)依據(jù)經(jīng)營戰(zhàn)略經(jīng)營戰(zhàn)略法法 律律水平井鉆井綜合設計程序和框圖水平井鉆井綜合設計程序和框圖18設計步驟設計步驟:第一步第一步：提出候選：提出候選目標油氣藏。由作業(yè)公司提出目標油氣藏。由作業(yè)公司提出候選候選目標目標油氣藏油氣藏第二步第二步：地質(zhì)評價。審查油氣藏條件是否適合鉆水平井。地質(zhì)評價。審查油氣藏條件是否適合鉆水平井。是否有法律爭議，是否符合公司經(jīng)營戰(zhàn)略。是否有法律爭議，是否符合公司經(jīng)營戰(zhàn)略。第三步第三步：初步油氣藏篩選初步油氣藏篩選 初步進行產(chǎn)量遞減和現(xiàn)值研究，儲量分析。初步進行產(chǎn)量遞減和現(xiàn)值研究，儲量分析。第四步第四步

13、：經(jīng)濟效益分析。經(jīng)濟效益分析。 初步經(jīng)濟分析和初步成本預測。初步經(jīng)濟分析和初步成本預測。是否受土地租賃和規(guī)劃條例限制。是否受土地租賃和規(guī)劃條例限制。19第五步第五步：詳細油氣藏分析。詳細油氣藏分析。 用分析模型或大型主機數(shù)值模用分析模型或大型主機數(shù)值模擬程序進行詳細的油氣藏分析。擬程序進行詳細的油氣藏分析。第六步第六步：生產(chǎn)戰(zhàn)略。生產(chǎn)戰(zhàn)略。 與詳細油氣藏分析相結合，進行油氣藏與詳細油氣藏分析相結合，進行油氣藏生產(chǎn)特性分析，確定水平段長度，距流體接觸面距離。生產(chǎn)特性分析，確定水平段長度，距流體接觸面距離。第七步第七步：增產(chǎn)措施及完井對策。增產(chǎn)措施及完井對策。 是否需要下套管、固井、是否需要下套管

14、、固井、射孔和壓裂，這些環(huán)節(jié)將耗費作業(yè)費用，需要認真進行射孔和壓裂，這些環(huán)節(jié)將耗費作業(yè)費用，需要認真進行投入與產(chǎn)出預算，作出經(jīng)濟預測評價，再作出完井方法投入與產(chǎn)出預算，作出經(jīng)濟預測評價，再作出完井方法及相關設計。及相關設計。第八步第八步：詳細設計。：詳細設計。 又稱油井設計，由油公司鉆井部完成。又稱油井設計，由油公司鉆井部完成。內(nèi)容包括：內(nèi)容包括：（1）井眼剖面；（）井眼剖面；（2）水平段長度；（）水平段長度；（3）井）井徑；徑； （4）套管程序；（）套管程序；（5）套管柱設計；（）套管柱設計；（6）注水泥設）注水泥設計；（計；（7）井控；（）井控；（8）保護儲層設計及泥漿密度。）保護儲層設計

15、及泥漿密度。20第九步第九步：鉆井施工設計。：鉆井施工設計。 包括包括（1）鉆頭類型；（）鉆頭類型；（2）鉆）鉆井液設計；（井液設計；（3）鉆井參數(shù)設計；（）鉆井參數(shù)設計；（4）鉆柱設計；（）鉆柱設計；（5）鉆柱下部結構設計；（）鉆柱下部結構設計；（6）鉆井設備選擇。在以上）鉆井設備選擇。在以上基礎上，進行詳細成本預測和費用核算。重做經(jīng)濟分基礎上，進行詳細成本預測和費用核算。重做經(jīng)濟分析，以確定水平井是經(jīng)濟有效的。析，以確定水平井是經(jīng)濟有效的。第十步第十步：完井試油后評價，進行回顧總結，以便總結經(jīng)驗完井試油后評價，進行回顧總結，以便總結經(jīng)驗和教訓。和教訓。 以上設計程序和框圖稱水平井綜合設計平

16、臺。它將地以上設計程序和框圖稱水平井綜合設計平臺。它將地質(zhì)模型、鉆井模型、采油油藏模型、成本和費用核算質(zhì)模型、鉆井模型、采油油藏模型、成本和費用核算模型四種模型放在一起，而且可以兼容，以便考證水模型四種模型放在一起，而且可以兼容，以便考證水平井的有效性和經(jīng)濟性。國外各石油公司都有自己的平井的有效性和經(jīng)濟性。國外各石油公司都有自己的綜合設計平臺和軟件，十分保密?，F(xiàn)在我們還缺少這綜合設計平臺和軟件，十分保密。現(xiàn)在我們還缺少這樣的模型。樣的模型。21傳統(tǒng)的鉆井任務，是建造一個由地下流至地面的油氣通道。傳統(tǒng)的鉆井任務，是建造一個由地下流至地面的油氣通道。為了提高油田可采儲量和采收率，采油上出現(xiàn)二次采油

17、為了提高油田可采儲量和采收率，采油上出現(xiàn)二次采油（注水、注氣）、三次采油（注聚合物、生物采油）。（注水、注氣）、三次采油（注聚合物、生物采油）。90年代末水平井在美國的廣泛應用表明，它不僅能提高年代末水平井在美國的廣泛應用表明，它不僅能提高油井單井產(chǎn)量，而且可提高采收率。特別出現(xiàn)了分支水油井單井產(chǎn)量，而且可提高采收率。特別出現(xiàn)了分支水平井和多分支井（側鉆水平井）后，用水平井、分支水平井和多分支井（側鉆水平井）后，用水平井、分支水平井開發(fā)整裝油田的效果越來越明顯。平井開發(fā)整裝油田的效果越來越明顯。22（1）水平井的成本和產(chǎn)能）水平井的成本和產(chǎn)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。（以每米成本計算）倍。（以每米成本計算）效益：水平井產(chǎn)量一般為直井的效益：水平井產(chǎn)量一般為直井的48倍。倍。 下圖下圖 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/天天成本比較成本比較23年度年度單位產(chǎn)能的成本單位產(chǎn)能的成本u 各種水平井與直井的成本比較各種水平井與直井的成本比較24（2） 水平井提高采收率問題水平井提高采收率問題應用水平井技術開發(fā)整裝油氣田，是應用水平井技術開發(fā)整裝油氣田，是90年代水平井應用年代水平井應用發(fā)展的主要趨勢之一，它不僅可顯著提高油井產(chǎn)量，更發(fā)展的主要趨勢之一，它不僅可顯著提高油井產(chǎn)量，更可以有效

19、的提高油田采收率?？梢杂行У奶岣哂吞锊墒章省Ｖ饕颍褐饕颍? 1）增加油藏裸露面積和輸油通道，采油波及系數(shù)提高）增加油藏裸露面積和輸油通道，采油波及系數(shù)提高2 2）改善油氣藏流場的壓力分布，有效控制底水和邊水）改善油氣藏流場的壓力分布，有效控制底水和邊水25 砂巖砂壩隆起：重油砂巖砂壩隆起：重油 / 水水低壓差：降低水脊；低壓差：降低水脊； 高壓差：嚴重水脊；高壓差：嚴重水脊； 油油 ；水水 ；油流方向油流方向26水平井底水脊進等飽和度曲線水平井底水脊進等飽和度曲線 井井橫截面水脊圖橫截面水脊圖 井軸向垂直剖面水脊圖井軸向垂直剖面水脊圖-底水底水；-油井油井 27礁體礁體氣氣 / 油油

20、/ 水水 天然氣；天然氣； 氣脊進；氣脊進； 油；油； 水脊進；水脊進； 水；水； 油流油流有效控制底有效控制底水和凝析氣水和凝析氣的脊進的脊進 水平井穿越油藏的橫斷面流場圖水平井穿越油藏的橫斷面流場圖28（3） 舉例舉例u 美國美國ElkHills 26R油藏：油藏：美國能源部建議用水平井來減緩美國能源部建議用水平井來減緩ElkHills 26油藏原油油藏原油遞減速度和延長油藏經(jīng)濟壽命。遞減速度和延長油藏經(jīng)濟壽命。從從19881995年共鉆年共鉆14口水平井，獲得良好經(jīng)濟效（口水平井，獲得良好經(jīng)濟效（這些井在壽命期間扣除成本，獲純收入這些井在壽命期間扣除成本，獲純收入2.37億美元）成億美元

21、）成功地控制了產(chǎn)量遞減，并使該油藏最大可采儲量提高功地控制了產(chǎn)量遞減，并使該油藏最大可采儲量提高18.7% 。29u 我國塔里木油田我國塔里木油田 塔里木油田從塔里木油田從1994年開始用水平井開發(fā)了塔中年開始用水平井開發(fā)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個整裝油田，共和沙漠腹地的串珠油田等四個整裝油田，共鉆水平井鉆水平井134口?？凇，F(xiàn)以塔中現(xiàn)以塔中4油田為例說明有關情況：油田為例說明有關情況：油藏特點：油藏特點： 具有凝析具有凝析氣頂和底水層的塊狀油藏。氣頂和底水層的塊狀油藏。產(chǎn)量和收入產(chǎn)量和收入：a a、產(chǎn)量：水平井最高單產(chǎn)、產(chǎn)量：水平井最高單產(chǎn)1175117

22、5噸噸/ /天每井，水天每井，水平井累積采油平井累積采油678.0678.0萬噸，占油田累積產(chǎn)量萬噸，占油田累積產(chǎn)量62%62% b b、收入：銷售收入、收入：銷售收入140.0140.0億元。億元。30產(chǎn)能：產(chǎn)能： a a、水平井產(chǎn)量是直井的、水平井產(chǎn)量是直井的3.53.5倍。倍。 b b、水平井采油指數(shù)是直井的、水平井采油指數(shù)是直井的3.2倍。倍。有效控制水脊：有效控制水脊： a a、水平井無水采油期、水平井無水采油期17271727天，是直井的天，是直井的2.52.5倍。倍。 b b、水平井無水采油量、水平井無水采油量9191萬噸，是直井的萬噸，是直井的9.339.33倍。倍。 采收率：

23、采收率： a a、預計采收率可達、預計采收率可達54.3%( (標定標定46.6%) )。 b b、目前地質(zhì)儲量采出程度已達、目前地質(zhì)儲量采出程度已達37.8537.85%。 c、估計直井采油平均、估計直井采油平均30%。31塔中塔中16油田水平井和直井試采對比評估：油田水平井和直井試采對比評估： 指指 標標 井井 類類平均采油指數(shù)平均采油指數(shù) T/d.MPa.m平均采油指數(shù)平均采油指數(shù)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冀東油田冀東油田 2004年投產(chǎn)水平井年投產(chǎn)水平井63口，利用水平井建成產(chǎn)能口，利用水平井建成產(chǎn)能30萬噸以上，日產(chǎn)油量萬噸以上，日產(chǎn)油量1130噸，占