工廠化水平井鉆井關鍵技術研究

馬春芳

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

水平井鉆井是一種高效的油氣開采技術手段，雖然水平井的施工成本是直井的1.5～2.5倍，但其產量通常可以達到直井的4～6倍[1-2]。大慶外圍區塊具有較好的已探明油氣儲量，但該類區塊儲層物性較差，用常規水平井技術進行開采，其開采成本仍然相對較高。工廠化水平井通過對施工流程和平臺部署的優化，可以在同一井場實現水平井的批量鉆井作業施工，進一步節約鉆井施工成本和土地占用成本，從而提高了難采區塊的開采經濟效益。此外，通過對鉆井液的高效回收利用在降低成本的同時還降低了對環境的污染。

1 工廠化水平井的國內外技術現狀

21 世紀初，美國為了進一步降低非常規油氣資源的開發成本，最早開始了工廠化水平井的作業模式，大幅度提高了開采效益降低了作業時間，目前已成為非常規油氣儲層開采的主要技術手段之一。該類水平井通常采用三層井身結構；水平段長度通常在1200m 以上；為了減少鉆井空白區域的出現，通常采用小曲率的井眼軌道設計方案；根據實際情況選用裸眼篩管完井方式或者套管完井方式[3-4]。

根據施工情況同一施工平臺少則部署6口井，多則部署十幾口井，最高可實現一個平臺36口井的連續化施工作業，部分鉆機具有整體移動功能，鉆機自動化程度相對較高，大部分已經實現了數字化操作。

國內的工廠化水平井施工開展的相對較晚，相關配套設備尚未完全成熟，施工經驗相對較少，距離國外先進油服公司的技術水平仍有差距。

2 工廠化水平井鉆井技術難點分析

采用工廠化水平井的鉆井模式進行鉆井施工，需要從全盤考慮鉆井、完井、壓裂、試采和后期管網建設，相關的影響因素較多，需要多部門協同工作。進行工廠化水平井施工需要重點考慮如下情況：

（1）井口布置和井眼軌跡。在同一平臺上，如果井間距設計較大則不利于鉆機在完鉆后的搬遷作業，但如果設計的井間距過小，則井下防碰撞問題較為突出。

（2）滿足后續壓裂施工。使用工廠化水平井的施工方案，相關配套設備較多，占地面積較大，為了減少場地占用和節省資金，應該在進行場地布局設計時考慮為后期壓裂施工留下相應的壓裂場地。

（3）增大與儲層接觸面積，減少“死油區”。由于工廠化水平井的防碰撞要求，會產生一定的“死油區”，因此在進行鉆井設計和井場布局時，要充分考慮減少這些鉆井空白區域的出現，通常采用小曲率的井眼軌道設計方案。

3 工廠化水平井鉆井關鍵技術

3.1 平臺部署與作業優化

平臺部署過程中重點考慮鉆機的移動方式、鉆井管網的配套、基礎建設施工量、壓裂場地共用。在提高鉆井施工效率和鉆井液利用率的情況下實現整體施工的降本增效。

作業過程中采用批量施工流程，先統一進行一開和二開鉆井施工，最后統一進行三開鉆井施工。一開和二開共用鉆井液和鉆具組合，三開共用一套鉆井液體系和鉆具組合，這樣可以減少鉆具組合的變更和拆甩，節約鉆井液的配制量和維護費用，在降低施工成本的同時還降低了作業勞動強度。

3.2 鉆機配套改造

根據實際情況，給鉆機配套軌道式或步進式的滑軌式整體快速移動裝置，從而簡化鉆機搬遷流程，節約鉆機搬遷時間；給施工用鉆機配套相應型號的頂驅裝置，提高鉆井施工效率。

3.3 鉆具保障措施

根據地層不同情況和施工的井段，進行相應的鉆頭優選，在上部可鉆性較好的地層主要使用PDC鉆頭來提高機械鉆速。

在水平井段的后半段施工過程中，可以考慮使用旋轉導向工具來提高機械鉆速降低綜合使用成本。經推算，當使用LWD+馬達+螺桿的鉆具組合的實際機械鉆速低于使用使用旋轉導向工具的60%時，其總體費用已經不具備經濟性。

在水平段施工過程時，在鉆具組合中加入可以減小摩阻和扭矩的水力振蕩器，從而減少鉆具組合和井壁之間的摩擦和靜態接觸時間，使鉆壓可以更好地傳遞到鉆頭，提高機械鉆速并延長鉆頭的使用壽命[5-6]。水力振蕩器的使用效果統計見表1。

表1 水力振蕩器的使用效果統計

從表1 數據可以得知，使用水里振蕩器后，平均摩阻可將降低20kN 左右，與同區塊的臨井相比，提速效果明顯，最高提速可以達到30%以上，而且水力振蕩器的使用成本相對較低、后期維護也相對簡單，適宜進行全區塊的推廣應用。

3.4 鉆井液設計優化

早期在進行水平井的工廠化施工過程中為了提高機械鉆速、減小井下復雜情況的發生，三開井段通常使用油基鉆井液，并且通過優化利用，油基鉆井液的重復利用率達到了90%以上。隨著工廠化施工工藝的逐步成熟，三開井段主要使用水基高性能鉆井液，并且為了更好地滿足現場施工需要，對已有的高性能鉆井液進行了進一步優化設計，目前該套體系的各項性能已經與油基鉆井液類似，并且達到了國內外同類鉆井液的水平。表2 為優化后的水基高性能鉆井液和國外同類鉆井液的基礎性能對比；表3為優化后的水基高性能鉆井液和國外同類鉆井液的抑制性對比；表4為優化后的水基高性能鉆井液和國外同類鉆井液的潤滑性對比。

表2 高性能鉆井液與國外同類鉆井液流變性能對比表

表3 高性能鉆井液與國外同類鉆井液抑制性能對比表

從表2數據可知，大慶油田使用的高性能鉆井液體系具有較好的動塑比，API 失水和高溫高壓失水均較低，流變性能和國外的貝克休斯等公司相近。

從表3數據可知，大慶油田使用的高性能鉆井液體系具有較好的抑制性，滾動回收率已經接近油基鉆井液，和國外公司相近。

從表4數據可知，大慶油田使用的高性能鉆井液體系具有較好的潤滑性，和國外公司相近。

表4 高性能鉆井液與國外同類鉆井液潤滑性能對比表

4 結論和建議

（1）工廠化水平井通過平臺統一部署和施工作業優化，可以在同一井場實現水平井的批量鉆井作業施工，進一步節約了鉆井施工成本和土地占用成本，從而提高了難采區塊的開采經濟效益。

（2）通過鉆頭優選、水力振蕩器使用和旋轉導向工具的分井段使用，可以進一步提高鉆井施工效率，降低作業成本。

（3）鉆井液性能的好壞和成本的高低對工廠化水平井的綜合推廣效益有著重要的影響，經優化改進后的高性能鉆井液具有良好的性能，可以滿足工廠化水平井的施工需求。