光新軍 葉海超 蔣海軍

中國石化石油工程技術研究院

長水平段水平井可在更大程度上提高儲層接觸面積，是提高單井產(chǎn)量和油氣最終采收率、降低鉆完井作業(yè)成本、提升經(jīng)濟效益的重要手段。在低油價和新冠疫情疊加的背景下，北美頁巖油氣公司不斷開展長水平段水平井實踐優(yōu)化，取得了諸多進展。目前，3048m(10000ft)長水平段鉆井已成為一項常規(guī)技術，6096m(20000ft)長水平段鉆井技術也在不斷成形。通過調(diào)研北美頁巖油氣長水平段水平井鉆井現(xiàn)狀，分析主要油氣公司采用的關鍵鉆井技術，結合我國頁巖油氣水平井鉆井現(xiàn)狀及技術需求，提出了長水平段水平井鉆井技術發(fā)展建議，助力我國頁巖油氣增儲上產(chǎn)和降本增效。

1 頁巖油氣長水平段水平井鉆井現(xiàn)狀

隨著鉆完井技術的不斷進步及對油氣勘探開發(fā)降本增效的迫切需要，北美頁巖油氣水平井水平段長度呈現(xiàn)不斷增加趨勢。以美國二疊盆地為例，2013年前，大部分井水平段長度在1524m (5000 ft)以下。自2014年以來，國際油價下跌對頁巖油氣開發(fā)產(chǎn)生了一定的影響，作業(yè)者開始嘗試使用更長的水平段提高開發(fā)效益，水平井鉆井轉向了2438.4 m(8000ft)以上水平段水平井。僅在2018年，就有超過30%水平井的水平段長度超過3048m (10000 ft)，圖1是2010—2018年二疊盆地水平井水平段長度演變過程［1］。Cimarex，Pioneer, Concho, Oxy, Devon等主要作業(yè)者在二疊盆地的水平井水平段平均長度分別為2758.44m(9050ft)、2743.2(9000ft)、2456.08 m(8058ft)、2403.04m(7884ft)、2286 m(7500ft)。得益于長水平段水平井鉆井技術，二疊盆地產(chǎn)量快速增長，2019年石油產(chǎn)量52.1×104t/d，占美國總產(chǎn)量的46.6%。2023年產(chǎn)量有望增加到76.7×104t/d，增幅將達47.3%［2］。

在Utica頁巖區(qū)，Eclipse資源公司不斷刷新長水平段水平井鉆井作業(yè)紀錄。2016年，該公司完鉆的第1口超級水平井PurpleHayes1H水平段長度5652.21 m (18544ft)，總井深8239.96 m (27034ft)，鉆井周期僅17.6d，采用124級射孔壓裂，鉆完井成本比鄰井作業(yè)成本降低30%以上，投產(chǎn)一年后油氣產(chǎn)量超出預期［3］。2017年完鉆的GreatScott3H超級水平井總井深8351.52m(27400ft),水平段長5 882.64m(19300ft)，鉆井周期18d。隨后又成功鉆成了第3口超級水平井C11H井，該井水平段長度5 943.6m(19500ft)，打破了該公司的新紀錄，且鉆井周期僅17d。水平長度不斷增加的同時，通過技術創(chuàng)新，作業(yè)效率也得到大幅提升，EQT公司利用貝克休斯公司旋轉導向系統(tǒng)和遠程專家決策系統(tǒng)等在該地區(qū)實現(xiàn)造斜段+水平段共6215 m一趟鉆鉆井紀錄，創(chuàng)造了日進尺2038m的快速鉆井紀錄［4］。

圖1 2010—2018年二疊盆地水平段長度變化Fig.1Length variation of thehorizontal sections in the Permian Basin in 2010—2018

2 頁巖油氣長水平段水平井鉆井實踐

2.1 Range資源公司Marcellus區(qū)塊

2018年，Range資源公司成功完鉆2口水平段分別為5448.3m (17875 ft)和5544.92m (18192 ft)的水平井，打破了Marcellus區(qū)塊水平井水平段長度的紀錄。2012—2018年，Range公司水平井水平段長度穩(wěn)步增加，并通過提高機械鉆速(ROP)，減少非生產(chǎn)時間、接單根時間與起下鉆時間，使水平井段單位英尺的成本顯著降低。2012年水平井的平均水平段長度為951.89 m(3123ft)，2018年平均水平段長度達到3088.54 m (10 133ft)，提高了324%，如圖2所示。2018年，Range公司約有78%的井水平段長度超過2 438.4 m (8 000 ft)，其中超過4 267.2 m (14 000 ft)的井占比達18%。水平段長度增加的同時，通過不斷優(yōu)化鉆機配置、定向工具、鉆井液、鉆井參數(shù)、下套管技術等，使鉆井作業(yè)效率不斷提高，作業(yè)成本大幅下降。2012—2018年，單位英尺水平段長度的施工成本降低了69%［5］。

2.1.1 鉆機及配套設備

圖2 Range公司2012—2018年水平井水平段平均長度變化情況Fig.2 Variation of the average length of the horizontal sections of Range Company in 2012—2018

隨著所開發(fā)目標儲層的多樣化，對鉆機的要求也不斷變化，鉆機的改進主要包括：移動系統(tǒng)、高性能泥漿泵、高功率頂驅系統(tǒng)以及鉆機排管能力。對于Marcellus區(qū)塊的井，1193.12kW (1600HP)泥漿泵是標準配置，但Range公司的兩臺鉆機卻使用了1491.4 kW (2000HP)的超大規(guī)格泥漿泵，泥漿泵的額定壓力由34.47 MPa (5 000 psi)增加至51.71 MPa(7 500 psi)，以滿足水平井段延伸的需要。增加泵壓可提高環(huán)空流速，實現(xiàn)井眼的清潔，同時可為旋轉導向工具提供額外的動力。頂驅載荷5 000 kN，能夠實現(xiàn)50 808.75 N · m(37 500 ft · lbs)最大連續(xù)扭矩。絞車1 118.55 kW (1 500 HP)，具備3 337.5 kN (750 000 lbs)起升能力，?127 mm(5 in)鉆桿起升長度達到6 553.2 m (21 500 ft)，同時鉆機具有全負重步進式井間或平臺間自主搬遷能力。鉆機的升級改進減少了現(xiàn)場所需鉆機數(shù)量，且提升了鉆機施工效率。

2.1.2 定向鉆井工具

隨著水平井長度的增加，定向鉆井工具也發(fā)生了相應的改變，2006—2016年，3 048 m(10 000 ft)以內(nèi)水平段水平井主要采用PDC+彎螺桿和MWD工具，螺桿彎度1.5°~2.12°。當平均水平段長度達到1 828.8 m (6 000 ft)時，鉆具有效滑動和保持工具面一致的能力受到影響，使用了地面自動旋轉控制系統(tǒng)［6］，根據(jù)地面和井下環(huán)境自動施加扭矩，最大限度減少摩擦阻力；水平段長度超過2 133.6 m(7 000 ft)后采用水力振蕩器減少托壓［7］；2017年鉆井水平段長度增加到3 048 m(10 000 ft)以上后，使用旋轉導向工具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定向工具，同時提升井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能，使定向鉆井工程師同時監(jiān)控多口施工井，降低鉆井施工的成本。實踐證明，水平段長度超過3 048 m(10 000 ft)時，旋轉導向工具并不是唯一的定向控制工具，但其必須與合適的鉆機和鉆井液組合配合，才能充分發(fā)揮其潛力。

2.1.3 鉆井液

在超長水平段鉆井過程中，鉆柱摩阻明顯增加，需要對鉆井液體系進行適當改進。開始鉆水平段長達3 048 m(10 000 ft)的水平井時，Range公司利用較為昂貴的油基鉆井液替代低成本的水基鉆井液，相比先前使用的水基鉆井液，油基鉆井液具有極佳的潤滑性，可抑制黏土膨脹，并維持井壁穩(wěn)定。采用油基鉆井液雖然帶來作業(yè)成本的增加，但降低了井下復雜事故，綜合效益得到提升。

2.1.4 鉆井參數(shù)優(yōu)化

Range公司在Marcellus區(qū)塊鉆井施工中，采用高鉆壓、高轉速、大排量鉆井技術，將泥漿泵額定壓力由34.47 MPa (5 000 psi)增至51.71 MPa (7 500 psi)，平均鉆壓控制在120~200 kN，轉速控制110~200 r/min，排量控制在33 L/s，造斜率10~12(°)/30 m，泥漿泵泵壓控制在35 MPa左右，極大提高了鉆井速度。鉆井速度由2012年的79.25 m/d提高到2018年的329.18 m/d，提高了315.38%。同時，通過維持合理的鉆井液密度，監(jiān)控泵的壓力與扭矩，實現(xiàn)井眼清潔，并持續(xù)觀察振動篩處的巖屑來化解潛在的問題，保持井眼穩(wěn)定，減少非生產(chǎn)時間。

2.1.5 套管浮力系統(tǒng)

長水平段水平井完鉆后，需要將生產(chǎn)套管成功下入井底，固井后實施有效的增產(chǎn)作業(yè)。為了確保成功，Range公司在絕大多數(shù)井中使用了套管浮力系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過密封閥隔離套管上下管柱，管柱垂直部分充滿液體，能夠為下套管提供推力；而水平段管柱充滿空氣，為套管柱提供浮力，減少下套管滑動摩擦50%以上。在下套管前，通過管柱摩阻分析確定密封閥的安裝位置，套管下入預定深度后，通過地面加壓，使密封閥剪切破碎，套管下部充滿流體，將密封閥碎片循環(huán)返回地面，其原理如圖3所示［8］。套管浮力系統(tǒng)在不影響下套管和固井作業(yè)的情況下，顯著縮短了固井時間，降低了作業(yè)成本，在Macellus頁巖區(qū)的長水平段水平井廣泛應用，成功率達100%。

圖3 套管浮力系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of casing buoyancy system

2.2 OXY公司二疊盆地Delaware區(qū)塊

2012—2017年，OXY公司在新墨西哥州二疊盆地Delaware區(qū)塊共鉆179口水平井，通過鉆井優(yōu)化設計、鉆機配備、旋轉導向系統(tǒng)、鉆井液、鉆井參數(shù)優(yōu)化等技術實踐，鉆井作業(yè)效率提高了149%。平均水平段長度由2016年的914.4 m (3 000 ft)增加到2018年的2 403.04 m (7 884 ft)，3 048 m (10 000 ft)水平段水平井已經(jīng)非常普遍。

2.2.1 鉆井優(yōu)化設計

Delaware區(qū) 塊 垂 深1 524~3 657.6 m (5 000~12 000 ft)分布多套儲層層系，OXY公司對每套儲層采用2種布井方式：1 609 m×1 609 m開發(fā)單元內(nèi)布置6口水平段長1 524 m (5 000 ft)水平井，1 609 m×3 219 m開發(fā)單元內(nèi)布置6口水平段長3 048 m (10 000 ft)水平井。相鄰水平段間距182.88~228.6 m (600~750 ft)，實際水平段長度914.4~3 048 m (3 000~10 000 ft)，井深5 181.6~6 096 m (17 000~20 000 ft)，每個開發(fā)單元內(nèi)6口井鉆完井施工采用兩個叢式井場進行。以6套開發(fā)層系為例，在一個2.59 km2(1平方英里)地面開發(fā)單元內(nèi)，最多可布置12個井場，36組井口。

水平井采用三開井身結構，一開用于保護淡水層，為了降低水平段鉆井的鉆井液循環(huán)壓力、摩阻和扭矩，當水平段大于2 286 m (7 500 ft)時，采用?444.5 mm井眼+?339.7 mm表層套管，當水平段小于2 286 m (7 500 ft)時，則 采 用?374.7 mm井眼+?273 mm套管；二開用于封隔多組風險層位，包括鹽層、高壓水層和衰竭儲層等，也對應如上采用2種設計：?311.1 mm井眼+?244.5 mm套管和?250.8 mm井眼+?193.7 mm套管，套管鞋下至造斜點上方305 m；三開造斜段和水平段對應如上采用2種設計：?215.9 mm井眼+?139.7 mm生產(chǎn)套管和?171.5 mm井眼+(?139.7 mm+?114.3 mm)復合生產(chǎn)套管，如圖4所示［9］。為了解決鄰近直井段防碰，造斜段采用側向增斜和反向增斜的三維軌跡設計，以實現(xiàn)水平段在單位開發(fā)單元內(nèi)與儲層接觸面積最大化。

圖 4 Delaware區(qū)塊井身結構Fig. 4 Casing program of Delaware Block

2.2.2 鉆機及配套設備

鉆機采用先進、高規(guī)格、帶控制系統(tǒng)的電驅動鉆機，配備51.71 MPa (7 500 psi)循環(huán)系統(tǒng)，3臺泥漿泵。主要采用?127 mm鉆桿，在垂直井段也使用?139.7 mm鉆桿，?171.45 mm造斜段和水平段也使用?114.3 mm鉆桿，?139.7 mm鉆桿起升能力達7 010 m (23 000 ft)。采用頂驅系統(tǒng)以提高扭矩，安裝自動控制系統(tǒng)，包括黏滑控制、鉆柱搖擺控制等，鉆機安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)傳輸至作業(yè)中心并進行在線分析，定向鉆井咨詢系統(tǒng)在現(xiàn)場也進行了測試。所有鉆機配備撬裝系統(tǒng)，能夠在單一方向上移動305 m。

2.2.3 定向鉆井工具

2015—2016年，OXY公司嘗試采用旋轉導向工具一趟鉆完成三開鉆井，發(fā)現(xiàn)旋轉導向系統(tǒng)雖然可以小半徑造斜，但高造斜率旋轉導向系統(tǒng)可靠性不高。2017年改為在造斜段采用高性能2.12°~2.38°可調(diào)彎螺桿馬達+定向PDC鉆頭，通過優(yōu)化螺桿工作壓差和鉆頭切深工作參數(shù)，來確保工具面在滑動造斜時保持穩(wěn)定。目前螺桿馬達已實現(xiàn)了最快8 h內(nèi)完成半徑10(°)/30 m的高曲率造斜段，與旋轉導向時效相當，但作業(yè)成本大幅下降。?215.9 mm井眼長水平段鉆井由于滑動摩阻太大，托壓成為螺桿鉆具滑動鉆進的最大問題，目前普遍采用旋轉導向，并配備螺桿馬達用于提高機械鉆速，基本上能實現(xiàn)3 048 m水平段一趟鉆。

2.2.4 鉆井液

鉆井液的使用可分為3個階段。2013—2015年，在垂直井段和水平段都使用飽和NaCl鹽水鉆井液，高壓水層和衰竭層段非生產(chǎn)時間較多；2015年底—2016年，垂直井段采用正電膠水基鉆井液(MMH)代替飽和NaCl鹽水鉆井液，水平段用逆乳化油基鉆井液。采用MMH的缺點是需要過多的稀釋來保持密度，產(chǎn)生的廢液需要處理，后又采用了乳化水基(DEWBM)鉆井液，DEWBM由飽和NaCl鹽水為外相，乳化柴油為內(nèi)相［10］。2017年以后，直井段和水平段鉆井液都采用逆乳化油基鉆井液(OBM)，OBM減少摩擦阻力，降低了扭矩，從而實現(xiàn)了較高的機械鉆速，OBM對于3 048 m(10 000 ft)水平段水平井鉆井和下套管起著至關重要的作用。

2.2.5 下套管技術

對于1 524 m(5 000 ft)水平段水平井，多采用旋轉方式將套管下至井底。而3 048 m(10 000 ft)長水平段水平井，旋轉有可能損壞常規(guī)套管絲扣，多采用上提下放方式來克服靜摩擦，將套管下入預定井底。雖然下入最后609.6 m(2 000 ft)套管花費時間較長，但所有井套管最終下入預定深度，這也得益于油基鉆井液、優(yōu)化的井眼軌跡、套管居中后摩阻較小等有利因素。

3 啟示與建議

3.1 啟示

(1)在低油價壓縮作業(yè)成本和提高油氣單井產(chǎn)量的雙重壓力下，通過提高水平段長度實現(xiàn)降本增效已經(jīng)成為北美頁巖油氣行業(yè)的共識。目前，3 048 m(10 000 ft)水平段長度鉆井已成為一項常規(guī)技術，并不斷挑戰(zhàn)6 096 m(20 000 ft)長水平段水平井。未來北美頁巖油氣水平井水平段長度將會繼續(xù)增加，雖然還無法確定水平段長度最終會達到多大的極限，但作業(yè)者通過技術創(chuàng)新手段不斷降低單位進尺作業(yè)成本的目標是一致的。

(2)利用長水平段水平井實現(xiàn)頁巖油氣降本增效是一個不斷探索優(yōu)化的過程。北美頁巖油氣水平井大體經(jīng)歷了1 524 m(5 000 ft)、2 286 m(7 500 ft)和6 096 m(20 000 ft)等3個階段。隨著水平段長度的不斷增加，井下復雜環(huán)境給鉆井作業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，為了實現(xiàn)低風險的大規(guī)模超長水平井鉆井，鉆井設計、鉆機配套、井下定向工具、鉆井液、下套管等技術裝備需要不斷優(yōu)化與升級換代。

(3)長水平段水平井鉆井技術是一項系統(tǒng)工程，涉及到鉆井過程的各個工序，包括井身結構、鉆機性能、泥漿泵功率、定向工具、鉆井流體、下套管等，只有實現(xiàn)技術的優(yōu)化組合，才能達到鉆井作業(yè)的最優(yōu)化。鉆井的優(yōu)化設計能為后續(xù)鉆井施工創(chuàng)造條件，減少井下復雜事故。鉆機配套高壓泥漿泵可提高環(huán)空流速，實現(xiàn)井眼的清潔，同時可為旋轉導向工具提供額外的動力。旋轉導向系統(tǒng)必須與合適的鉆機和鉆井液組合搭配，才能充分發(fā)揮其潛力。套管的成功下入又得益于油基鉆井液、優(yōu)化的井眼軌跡等有利因素。

(4)高端鉆井技術裝備是實現(xiàn)長水平段鉆井的核心。借助于自動化高效鉆機，配備51.71 MPa(7 500 psi)循環(huán)系統(tǒng)、大扭矩頂驅、鉆柱黏滑振動控制系統(tǒng)，提高了破巖效率，減少了井下復雜事故，提高了鉆井機械鉆速；采用數(shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)確保大量鉆井實時數(shù)據(jù)能遠程傳輸?shù)胶蠓竭M行在線分析，優(yōu)化鉆井作業(yè)參數(shù)；采用旋轉導向系統(tǒng)等實現(xiàn)水平段一趟鉆鉆井，使鉆井作業(yè)能力和效率大幅提升。

3.2 建議

我國已經(jīng)開展了頁巖油氣長水平段水平井鉆井技術研究與實踐，取得了諸多進展。2018年，中國石化江漢油田分公司焦頁2-5HF井創(chuàng)造了中國陸上和頁巖氣最長水平井兩項開發(fā)紀錄，井深5 965 m，水平段長3 065 m，鉆井周期72 d［11］。2020年，中國石油西南油氣田公司寧209H71-3井完鉆井深4 850 m，水平段長3 100 m，鉆井周期76 d，刷新中國頁巖氣井水平段最長紀錄。總體上，我國頁巖油氣長水平井水平段長度、鉆井作業(yè)周期和作業(yè)成本方面與國外指標還存在一定差距［12-13］，建議加快頁巖油氣長水平段水平井關鍵技術攻關研究與現(xiàn)場實踐，提升整體開發(fā)效益。

(1)開展水平井最優(yōu)水平段長度評價。北美頁巖油氣開發(fā)實踐證明，長水平段水平井可以降低鉆完井綜合成本，提高油氣單井產(chǎn)能和最終采收率，但其受儲層特性、氣油比、含水率、人工舉升、鉆完井技術水平等多種因素影響，需要根據(jù)實際儲層對水平段長度進行經(jīng)濟效益評估，優(yōu)化水平段長度。

(2)強化關鍵技術攻關。長水平段水平井鉆井存在攜帶巖屑困難、鉆具受力復雜、井壁垮塌風險高、鉆井機械鉆速低等諸多技術難題。一是以井身結構優(yōu)化為基礎，針對不同地層不同井段，開展井下工具、鉆井液等技術的優(yōu)選與參數(shù)優(yōu)化；二是開發(fā)高造斜率旋轉導向系統(tǒng)、高性能螺桿、井下動態(tài)參數(shù)控制工具、高效PDC鉆頭等高端工具，延長使用壽命，提高可靠性；三是以大數(shù)據(jù)等信息化技術為基礎，開發(fā)自動化智能化鉆井控制系統(tǒng)，實現(xiàn)地面裝備和井下工具智能控制。

(3)持續(xù)開展成熟技術的組合優(yōu)化和現(xiàn)場推廣應用力度。在充分了解區(qū)塊地質(zhì)特征的基礎上，不斷優(yōu)化工程技術方案，加大成熟技術的集成與優(yōu)化，充分發(fā)揮工程技術在提速提效的利器作用。積極推廣應用可移動交流變頻鉆機，配備52 MPa、1 193.12 kW(1 600 HP)高壓鉆井泵，滿足頁巖油氣長水平段鉆井提速和井下攜巖需要。加快大功率長壽命螺桿、旋轉導向系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗和工程應用，實現(xiàn)水平段鉆井一趟鉆。加大鉆井咨詢系統(tǒng)和遠程決策系統(tǒng)的應用規(guī)模，實時優(yōu)化鉆井作業(yè)參數(shù)，提高作業(yè)效率。通過不斷實踐，實現(xiàn)鉆機裝備、井下控制工具、破巖工具、鉆井液的協(xié)同，發(fā)揮單項技術的潛力，實現(xiàn)整體效應的提升。

(4)開展3 000 m以上長水平段水平井優(yōu)快鉆井先導示范。在公司內(nèi)部組建1~2支鉆井示范隊，集中力量配套自動化鉆機裝備，配備52 MPa泥漿泵、大扭矩頂驅、高功率螺桿、旋轉導向系統(tǒng)、高效鉆頭等系列裝備工具，采用全井筒、全參數(shù)強化施工，進行高鉆壓、高轉速、高泵壓、大排量、大扭矩的“三高二大”鉆井先導試驗，實現(xiàn)優(yōu)快鉆進，并編制《頁巖油氣長水平段水平井施工推薦作法》，為其他作業(yè)隊伍提供操作依據(jù)。