第七章----水平井技术

第七章水平井技术7.1 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。

7.2 水平井的分类及其特点目前，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7-1)和超短半径水平井。

①长半径水平井系统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中半径水平钻井系统从广义上讲，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。

虽然油层的自然性质对于中半径水平井系统的使用性有着某些影响，但是比长半径系统少多了。

尽管钻井液的漏失使得作业复杂化，但钻裂缝性油层的最经济方法在目前来说还是首推中半径水平井。

中半径弯曲井段所需要的垂直深度比长半径系统的深度小得多，许多复杂的井段能够在中曲率半径水平井的垂直井段顺利通过。

并且能在钻弯曲井段和水平井段之前下入套管将其封固。

当然，这样做可能因为增加下套管井深而多一些费用，但是在比较短的弯曲井眼中钻进能够节省时间和减少潜在的井眼复杂情况。

但是与长半径相比，中半径水平井也有一些缺点。

这主要是中半径水平井造斜率较大，所以接头的弯曲力矩、管串本体的材料应力必须引起工程作业的重视；并且在比较松软的地层中钻进，中半径水平井的大曲率所造成的侧向力在井壁上产生键槽并可能钻出新井眼。

通常我们谈到水平井时，会见到一种“双增剖面”的水平井。

它就是水平井在第二个增斜井段进入水平，而在二个增斜段之间加一个斜直段，这一段通常被放在井斜角45°～75°之间，其位置安排在钻达靶区总垂深的70～85%以下。

这个井深调节段，主要是针对目的层浓度的不确定性。

另外，不稳定或复杂的地层使第一增斜段的造斜率可能产生较大变化，通过斜直段的调节，使井眼在通过第二次增斜在预定的垂深进入水平。

实际上，双增剖面同时在大半径和中半径水平井中使用。

从经济方面考虑，与长半径水平井相比较，中半径水平井垂直井段要长这段费用较低；虽然中半径水平井自造斜后开始，其单位费用率高，但它减少了弯曲井段的进尺。

国外有资料说明了这方面的比较，认为总的费用大致与长半径水平井相当。

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。

由于短曲率半径水平井的位移小，弯曲段要求的垂深也小，因此，这一系统特别适用于那些目的层覆盖层为复杂油层的井。

它能在钻弯曲井眼段之前把上部井眼封起来，从而进一步减少了钻进面临的复杂情况，保证下一阶段关键井段的顺利进行。

由于短曲率半径水平井弯曲段所需的垂直浓度小，这就使得泵油设备可以被下到垂直井段的深部接近产油层的位置，而且无需过量的弯曲或油泵抽油杆。

另外，由于短半径造斜率大，与长半径和中半径水平井相比，短半径水平井中靶的总垂深误差要相对小。

但是，短半径系统也有一些缺点，它的工具不像其它系统那样牢固，并且不完全符合API 标准。

按照目前一些钻机的设计来说，短半径系统所使用的工具在井场维修和处理比较困难，必须对钻机以及井场的其它装置作适当的调整才能工作。

从经济上讲，短曲率半径系统与其它方法比较，由于种种原因很难进行作业。

例如，目前短半径系统的水平段长度只是中半径或长半径系统水平段的10～30%左右。

并且由于机械钻速低，短半径的单位费用是长半径和中半径的10倍。

虽然在同一目的层，完成一口短半径水平井，其总费用可能与长半径系统和中半径系统相当，但是它的水平段长度小得多，因此在采收率方面肯定是不及长半径和中半径水平井。

短半径造斜工具如图7-2所示④超短半径钻井系统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。

尽管在硬地层也可以喷射出一个井眼，但很显然，这一系统更适用于松软地层、浅油砾层和沥青砾油层。

而这些松软地层中作业，井眼稳定同样是一个需考虑的主要因素。

7.3 水平井的应用7.3.1 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。

7.3.2 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。

7.3.3 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。

7.3.4 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。

7.3.5 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。

7.3.6 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。

7.3.7 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。

7.3.8 老井重钻7.4 水平井的剖面设计水平钻井技术与常规定向钻井技术最为不同的两个特点是使用特别的造斜钻具及特别的剖面设计。

单位井身长度的成本最低时，水平井的长度为最佳长度。

为了达到可能达到的最大长度，必须使扭矩和上提拉力(摩阻)为最小。

7.4.1 影响水平井剖面设计的因素影响水平井剖面设计的因素，归纳起来，有以下几个：①套管程序②井眼尺寸③油层厚度④油层(地层)特性⑤租赁限制⑥完井技术具体地讲，造斜曲线设计必须考虑到以下问题：①避开复杂地层造斜；②曲线末端即造斜结束时的位移最小；③造斜井段的长度最短；④有一个调节井段以应付不理想造斜率的情况；⑤利用造斜井段的构造标记调整最终目标区的深度；⑥必须允许使用所有必需的完井设备和采油工具。

7.4.2 水平井的剖面类型根据油藏特性的不同，从水平段的几何形状看，水平井剖面类型，可分为以下几类，如图7-3所示。

图7-3中给出了8种水平井剖面的示意图。

①为水平段平缓的剖面。

这是一种最简单、最经济的一种剖面设计，这种剖面的水平井较容易完成。

该剖面应用于各向同性的油藏以及解决气/水锥等问题。

②波浪型井底的水平井。

这种剖面应用于那些被不渗透性障碍隔开的几个单个油藏。

③井底水平段上倾的水平井。

这种水平井应用于解决气锥的问题。

当油气界面下移，进入水平段远端时，这时可以将水平段远端封死，但整个井还能继续生产。

④井底水平段下倾的水平井。

这种水平井应用于解决水锥的问题。

当油水界面上移，进入水平段远端时，这时，可以将水平段远端封死，但整个井还能继续生产。

⑤阶梯状井底水平井。

这种水平井同样应用于被不渗透性障碍分割的几个油层。

这种水平井风险大，轨迹控制很难。

⑥多分支的水平井。

多分支短曲率水平井已得到广泛应用。

多分支中、长曲率水平井的应用正在开始，随着作业费用的降低以及驱油面积的增加，多分支中、长半径水平井的应用将进一步推广。

⑦重力驱油水平井。

这种水平井应用于那些只能用重力驱油开采的油藏。

这种水平井将在热采中得到广泛应用。

⑧复杂水平段剖面的水平井。

这种剖面综合上述几种水平段剖面形式，它应用于那些水平段上油层地质结构变化很大的油藏的开发。

在7.2节中，我们知道，中、长半径的水平井应用最广。

因此，下面主要介绍中、长半径水平井的剖面设计。

具体从几何上讲，水平井剖面最基本、最常用的三种类型，即：A：单曲率—斜直段剖面；B：变曲率—斜直段剖面；C：理想剖面。

下面在7、4、3、7、4、4、7、4、5中分别介绍这三种类型的剖面的设计。

剖面设计基本上是简单的几何计算。

7.4.3单曲率—斜直剖面的设计单曲率—斜直剖面是最老、应用最为广泛的造斜曲线，这类剖面的特点是，整个曲线由三段组成，造斜由上、下两个造斜率相同的造斜井段完成，中间为斜直的稳斜井段。

这一造斜曲线的设计基础是，以工程计划中计划使用之造斜钻具的最小预计造斜率和最短斜直井段来选择造斜点和计划的造斜曲线末端的位置。

见图7-4。

如果上部造斜井段的实际造斜率超过了预计的(最小)造斜率，可以调整斜直井段的长度来使下部造斜井段钻到目标区。

这样就把钻到目标区的误差限制在下部造斜井段的实际与预计曲率的误差上。

单曲率—斜直剖面设计的最后一项选择是斜直井段的井斜角，最为普遍的选择之一是取45°，这样，无论造斜井段的曲率是多少，两个造斜井段的深度和位移都是一样的。