國(guó)外水平井鉆井技術(shù)的成本與效益

1、國(guó)外水平井鉆井技術(shù)的成本與效益編者：水平井最早鉆于1927年，但是直到1980年才得以大規(guī)模應(yīng)用。早期的水平井只限于短半徑井（250英尺長(zhǎng)）。1985年利用井下馬達(dá)鉆成第一口中半徑水平井。從此水平井被廣泛應(yīng)用。目前，中半徑井仍是最常見的水平井鉆井技術(shù)。美國(guó)的水平井多用在低滲透，天然裂縫性和碳酸鹽巖油藏。加拿大、阿拉斯加和墨西哥灣的水平井多用于開發(fā)致密低滲透油藏。世界除美國(guó)以外其他地區(qū)的水平井也主要用于致密油藏開發(fā)。水平井可以開發(fā)薄層、裂縫性油藏、水氣錐進(jìn)、注水油藏、稠油油藏和氣藏，并可與熱力采油、二氧化碳驅(qū)等三采技術(shù)結(jié)合。作者在這篇文章中從成本利潤(rùn)角度介紹了水平井在北美油田的應(yīng)用。 

2、1、前言水平井最早的鉆井時(shí)間可追溯到1927年。二次世界大戰(zhàn)后噴嘴射孔出現(xiàn)，石油行業(yè)主要應(yīng)用套管鉆井和目標(biāo)層射孔技術(shù)。由于射孔技術(shù)油田取得成功，因此水平井技術(shù)很長(zhǎng)時(shí)間沒有被人們重視。20世紀(jì)70年代末80年代初，原油價(jià)格上漲到35美元/桶，高油價(jià)引發(fā)了人們?cè)俅侮P(guān)注水平井鉆井技術(shù)。水平井能夠提高油井產(chǎn)能、減少水氣錐進(jìn)、連通天然裂縫，從而改善油井的最終經(jīng)濟(jì)效益。80年代初，法國(guó)公司Elf Aquitaine將水平井概念引入石油行業(yè)，利用水平井開發(fā)一個(gè)碳酸鹽巖稠油油藏。油藏位于意大利亞得里亞海上Rospo Mare油田。與此同時(shí)，一些美國(guó)公司也開始鉆水平井來緩解新墨西哥州Abo Reef油藏中的水氣

3、錐進(jìn)，并連通俄克拉何馬州、堪薩斯州和得克薩斯州裂縫碳酸鹽巖油藏中的天然裂縫。法國(guó)EIF Aquaitain公司的水平井技術(shù)與美國(guó)公司差別很大。前者鉆井技術(shù)是指井身剖面很長(zhǎng)（幾千英尺）的長(zhǎng)半徑水平鉆井（曲率半徑1000英尺，圖1）。它還采用井下馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆井。長(zhǎng)半徑水平鉆井技術(shù)目前仍適于海上油田開發(fā)。美國(guó)早期集中研究了曲率半徑約30英尺的短半徑水平井,采用穩(wěn)定器、萬向節(jié)頭和撓性接箍進(jìn)行鉆井,使用一個(gè)蘑菇狀的螺旋接箍接口。螺旋接箍接口允許鉆桿短距離內(nèi)很靈活地從垂直狀轉(zhuǎn)為水平狀，完井采用裸眼完井或割縫襯管完井，井身長(zhǎng)100300英尺。然而短半徑水平鉆井的最大缺點(diǎn)是可選擇的完井方法不多，鉆井成本也較

4、高。20世紀(jì)80年代中期鉆一口30英尺長(zhǎng)的短半徑水平井需20003000美元/英尺。為降低鉆井成本并獲得較長(zhǎng)的井身剖面，又研究了中半徑水平鉆井技術(shù)。第一口中半徑水平井鉆于1985年，曲率半徑300600英尺，用井下馬達(dá)鉆成。中半徑水平井是目前應(yīng)用最為廣泛的水平井鉆井技術(shù)，它可以采用多種完井方式和人工舉升選擇，井身一般長(zhǎng)10005000英尺。鑒于短半徑水平井隨時(shí)間增長(zhǎng)而不斷改進(jìn)，鉆井成本大幅度下降，該技術(shù)對(duì)美國(guó)和中國(guó)一些地區(qū)的低產(chǎn)井具有很大吸引力。美國(guó)一些小規(guī)模的石油公司（產(chǎn)量低于10桶/天的枯竭井）仍采用低成本的短半徑水平井來提高油井產(chǎn)量。2、最新進(jìn)展在過去幾年里已經(jīng)取得很多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，包括隨

5、鉆測(cè)井（LWD）、隨鉆測(cè)量（MWD）和地質(zhì)導(dǎo)向工具。這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多分支井的鉆井與完井、撓性油管鉆井、欠平衡鉆井及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置鉆直井眼。完井時(shí)在低滲透地層使用水泥對(duì)水平井增產(chǎn)；在高滲透地層用礫石充填對(duì)長(zhǎng)半徑水平井完井。多分支井的鉆井技術(shù)不斷發(fā)展。多分支井形狀多樣，因此可以采用不同完井方式隔離和控制分支產(chǎn)量（圖2）。2002年，多分支井被廣泛用于開發(fā)稠油油藏（割縫襯管完井）和碳酸鹽巖油藏（裸眼完井）。加拿大、委內(nèi)瑞拉的稠油油藏和中東的碳酸鹽巖油藏都大規(guī)模應(yīng)用了多分支井技術(shù)。欠平衡鉆井是水平井另外一個(gè)發(fā)展方向。欠平衡鉆井可使地層損害降到最低，尤其適用于低滲透地層。該技術(shù)在加拿大應(yīng)用十分廣泛。由于

6、枯竭氣藏的現(xiàn)有壓力明顯低于靜水壓力，因此除低滲透油藏外，欠平衡鉆井對(duì)枯竭氣藏也具有重要意義。如果使用了液態(tài)鉆井液，泥漿將大量漏失，使油井產(chǎn)量下降直至喪失商業(yè)開采價(jià)值。欠平衡鉆井可在枯竭氣藏內(nèi)鉆水平井和完井。水平井產(chǎn)量一般是直井的25倍。如果經(jīng)濟(jì)注氣量已定，那么水平井生產(chǎn)所需壓力僅為直井經(jīng)濟(jì)產(chǎn)油壓力的1/21/3。所需壓力小會(huì)極大地提高枯竭氣藏的可采儲(chǔ)量。得克薩斯州、俄克拉荷馬州和加拿大的枯竭氣藏都采用了水平井鉆井技術(shù)。通常一口重返井井的成本低于一口地面新鉆井的成本。采用撓性管鉆井可減小重入井的鉆井成本，這一點(diǎn)對(duì)于高成本的阿拉斯加地區(qū)有重要意義。鉆直水平井眼技術(shù)取得了重大進(jìn)展，它是進(jìn)行穩(wěn)定礫石充

7、填完井，清除堆積在水平井剖面凹點(diǎn)腐蝕酸的必要條件。腐蝕酸嚴(yán)重縮短了海上深水油田高產(chǎn)井篩管的使用壽命。導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)裝置可用于水平鉆井，該裝置尤其適用于深海油藏以獲取較直的鉆井井眼。北美地區(qū)的水平井多采用裸眼完井或割縫襯管完井。在低滲透層對(duì)水平井采取增產(chǎn)措施十分必要，可用液壓（水力壓裂或酸壓裂）使裸眼水平井增產(chǎn)。美國(guó)陸上油田的一些低滲透層，如西得克薩斯Devonian層（12,000英尺深，孔隙度0.05md）、加利福尼亞Belridge油田Diatomite層及阿拉斯加Kuparek油田，這些油田在水平井注水泥完井后采用壓裂措施增產(chǎn)。裸眼礫石充填水平井完井技術(shù)（尤其針對(duì)高滲透疏松深海油藏）也獲得很大

8、進(jìn)步，該技術(shù)在墨西哥灣應(yīng)用廣泛。3、水平井的成本與效益水平井的主要優(yōu)勢(shì)：（1）水平井的采油量和儲(chǔ)量均大于直井，桶發(fā)現(xiàn)成本和作業(yè)成本低于直井。在美國(guó)油田開發(fā)中，直井作業(yè)成本為7美元9美元/桶時(shí)，水平井成本僅為3美元4美元/桶。（2）很多水平井方案中的開發(fā)成本（油井儲(chǔ)量除油井成本）僅為34美元/桶，比探明動(dòng)用儲(chǔ)量的購(gòu)買成本少了25%50%。（3）總產(chǎn)量相等時(shí)，水平井鉆井?dāng)?shù)小于直井，降低了對(duì)地面油管和井位等因素的要求。水平井技術(shù)的主要缺點(diǎn)：（1）鉆井成本大于直井。美國(guó)一口地面新鉆水平井成本是一口直井的1.52.5倍。一口重返井的水平井成本約是一口直井的0.41.3倍。（2）一口水平井只能在某一期間開

9、采一個(gè)產(chǎn)層。如果油藏多層，尤其當(dāng)垂直深度或滲透率變動(dòng)大時(shí)，一口水平井很難開采所有產(chǎn)層儲(chǔ)量。（3）水平井在美國(guó)的商業(yè)成功率為65%（鉆在一個(gè)特殊區(qū)塊既定產(chǎn)層上的成功率更大）。這意味著，2/3水平井取得商業(yè)成功，存在一定的項(xiàng)目早期風(fēng)險(xiǎn)。4、油田應(yīng)用水平井已被應(yīng)用在各類油田，如薄層、天然裂縫性油藏、水氣錐進(jìn)油藏、低滲透性油藏、氣藏、稠油油藏、水驅(qū)油藏和三次采油驅(qū)替油藏。表1列出了水平井在北美地區(qū)的一些油田名稱和油藏特征。趨勢(shì)表明，水平井多用于水驅(qū)油藏、氣藏和天然裂縫性油藏。美國(guó)境內(nèi)的水平井多鉆在碳酸鹽巖油藏。北海、加拿大、中東、印度和亞洲少數(shù)國(guó)家也在碳酸鹽巖地層鉆了水平井。美國(guó)水平鉆井?dāng)?shù)最多地區(qū)是低

10、滲透、天然裂縫性油藏的奧斯汀白堊統(tǒng)和得克薩斯Buda層，目的是為了連通天然裂縫。其他國(guó)家多采用水平井開發(fā)致密油藏，如墨西哥海上油田、美國(guó)加利福尼亞、加拿大、南美、北海、俄羅斯、中國(guó)、尼日利亞、馬來西亞和印尼，主要目的減少水氣錐進(jìn)。2002年12月，美國(guó)已鉆17,267口水平井。圖2表明得克薩斯州奧斯汀白堊紀(jì)有7,428口水平井，約占整個(gè)美國(guó)的45%。北達(dá)科他州紅河層的水平鉆井?dāng)?shù)排名第二。加利福尼亞州的大多數(shù)水平井鉆在Tulare砂巖油藏。4.1稠油油藏加拿大一些地區(qū)通過小井距的長(zhǎng)水平井開采稠油油藏，如薩斯喀徹溫省Senlac、Cactus lake和阿爾伯特Pelican lake區(qū)，水平井的

11、井段長(zhǎng)30006000英尺。由于油層淺、砂巖均質(zhì)，水平鉆井速度快且成本低。一口在1500英尺深處完井，長(zhǎng)20003000英尺的水平井成本約27.535萬加元（18.523.5萬美元）。主要采用割縫襯管完井，縫隙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是盡量避免砂粒進(jìn)入井眼。一般來說，經(jīng)濟(jì)地開發(fā)稠油油藏的難度很大，薄油層（25米）使直井產(chǎn)能很低。當(dāng)油藏有底水層時(shí)，液體會(huì)先流到底水層，從而增大開采難度。Pelican Lake（1315°API）有近23億桶的稠油原始地質(zhì)儲(chǔ)量，預(yù)計(jì)450口水平井可采出5%。平均單井累計(jì)產(chǎn)油為25萬桶，鉆井成本約23萬美元，水平井成本僅1美元/桶。在一次采油率低、地層有大量井筒的條件下，

12、可考慮采用水平井注水。一個(gè)采用三個(gè)井對(duì)的先導(dǎo)性試驗(yàn)已獲得商業(yè)成功。當(dāng)水平井注水采收率僅提高1個(gè)百分點(diǎn)，也將多產(chǎn)出2億桶原油，唯一的問題就是需要很大量的注入水。 4.2低滲透油藏以美國(guó)北達(dá)科州Mission Canyon層為例。Mission Canyon層屬密西西比年代的薄石灰?guī)r油藏，埋深9,700英尺，產(chǎn)層厚1030英尺，孔隙度5.7%12.9%。采用直井采油，鉆水平井的目的是提高單井產(chǎn)量和儲(chǔ)量，降低桶作業(yè)成本。N.D.McKenzi縣的Poe油田已經(jīng)鉆了4口水平井。油藏滲透率0.20.9md。油田初期用直井開發(fā)，但是產(chǎn)層薄使產(chǎn)量很少。一口直井的鉆井和完井約65萬美元，產(chǎn)量從204

13、0桶/日減少到10桶/日，因此無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性采油。當(dāng)油價(jià)低于20美元/桶時(shí)更是如此。在Poe油田進(jìn)行直井不穩(wěn)定試井，評(píng)估油藏壓力和滲透率。根據(jù)油藏厚度預(yù)計(jì)初始靜態(tài)壓力為4,400psi。10年里直井采油速度是1030桶/日。壓力恢復(fù)試井表明，目前油藏壓力約為3,600psi。計(jì)劃鉆一口長(zhǎng)25003000英尺的水平井，造斜半徑600英尺，在垂直段安放噴射泵。預(yù)計(jì)井底流動(dòng)壓力保持在600psi。水平井產(chǎn)量穩(wěn)定在60100桶/日，單井評(píng)估儲(chǔ)量為2540萬儲(chǔ)罐筒數(shù)（STB）。由于已鉆直井驅(qū)替了一定原油，估計(jì)鉆重返井的儲(chǔ)量低于新鉆水平井。分別在Poe油田鉆幾口重返井的水平井和從地面新鉆水平井。一口從老井

14、重鉆的水平井成本約67萬美元，而一口新鉆水平井約120萬美元。預(yù)計(jì)儲(chǔ)量開發(fā)成本是33.50美元/桶，經(jīng)濟(jì)投資期23年。附近一口水處理井的作業(yè)成本是4美元/桶。也就是說，即使油價(jià)下降為10美元/桶，水平井也有一定的經(jīng)濟(jì)效益。4.3邊緣油井一些小規(guī)模的石油公司采用水平井提高邊緣井產(chǎn)量。邊緣井的日產(chǎn)量一般低于10桶。許多邊緣井采用短半徑水平井，目的是降低鉆井成本。以美國(guó)俄克拉荷馬州Tulsa縣的一個(gè)油田為例。一家小公司從AMOCO公司購(gòu)買了短半徑鉆井工具，把水平井鉆在Tucker砂巖層。Tucker砂巖層埋深1300英尺，滲透率400md，孔隙度28%，產(chǎn)層厚30英尺，底水層厚50英尺。一口直井產(chǎn)油

15、速度是4桶/日，日產(chǎn)水50桶/日。主要的作業(yè)成本是泵抽油成本。通過附近一口水井處理原油的產(chǎn)出水。從地面新鉆了3口水平井。一口短半徑水平井（約400800英尺長(zhǎng)）的鉆井成本約12萬美元。在半徑長(zhǎng)70英尺的分支水平段內(nèi)采用裸眼完井。一口水平井日產(chǎn)油約1014桶。各井產(chǎn)水量互不相同，日產(chǎn)水0280桶。假如稅前利潤(rùn)是15美元，油井投資期小于2.5年，水平井月直井的每月作業(yè)成本均為1,000美元。因此，一口直井的作業(yè)成本是8.30美元/桶，而一口水平井的作業(yè)成本僅為3.33美元/桶。4.4存在水錐的碳酸鹽巖油藏美國(guó)伊利諾斯州馬里恩縣已經(jīng)利用水平井開采日內(nèi)瓦裂縫白云石層，該層是志留紀(jì)礁構(gòu)造的一部分。根據(jù)地

16、震圖發(fā)現(xiàn)了海德公園下的油田。受環(huán)境限制，需要從公園外鉆水平井進(jìn)入公園下方地層。日內(nèi)瓦白云石地層有兩個(gè)主力油層，上部的低滲透“A”層（滲透率約10md）和下部的高滲透多孔裂縫“B”層（滲透率約3000md）?！癇”層存在一個(gè)良好的含水層。“A”層和“B”層的孔隙度和油柱厚度分別是12.5%和20%，20英尺和25英尺。它們被一個(gè)超薄的頁巖隔開，但是水力互相連通。兩個(gè)層都鉆了2口水平井?！癆”層水平井長(zhǎng)50500英尺，“B”層水平井長(zhǎng)150450英尺。預(yù)計(jì)這4口水平井可產(chǎn)油300萬桶。一口水平井的鉆井成本約120萬美元，開發(fā)成本是1.60美元/桶，作業(yè)成本為0.25美元/桶。水平井早期產(chǎn)量從600桶/天增到最高（2,000桶/天），同時(shí)產(chǎn)水量很小。后期需對(duì)水平井加泵才能采油。一口水平井一年后的累計(jì)產(chǎn)油量達(dá)到了75萬儲(chǔ)罐筒數(shù)（STB）。4.5項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)上文介紹的油田應(yīng)用實(shí)例，水平井確實(shí)能夠有效降低碳酸鹽巖油藏的開發(fā)成本和作業(yè)成本。另外本文的水平井包括多分支井，多分支井為水平井實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的成功應(yīng)用發(fā)揮重要作用。實(shí)例也表明水平井鉆井方案同時(shí)存在成功與失敗的可能性。油藏、地質(zhì)或者機(jī)械都可能使水平井項(xiàng)目失敗，約2/3的水平井取得商業(yè)成功，需要全面評(píng)估成功率與失敗率對(duì)水平井項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響。總而言之，水平井可以應(yīng)用于各類油藏，但目前多用于氣頂薄層；