小井眼水平井国内外发展现状分析与探讨

1 小井眼钻井始于50年代，到90年代发展至顶峰。美国、英国、加拿大等国已钻成了一定数量的小井眼油井，取得了非常可观的经济效益。截至目前，世界上己钻成小井眼井上万口，最大垂直井深超过6000m。小井眼井有诸多的优点，如井场占地面积小，钻井设备小、重量轻，利于偏远地区的钻井，钻机和其他辅助设备不足，钻井作业人数少，钻井井场的费用低等优势。小井眼钻井技术是一项综合性、技术密集型的钻井配套技术，它包含许多先进的生产工艺，如侧钻水平井、分支水平井、径向水平井、欠平衡钻井及连续油管钻井等，这些钻井方法大都采用小井眼钻成，是先进工艺技术、新型工具的集成技术。小井眼开窗侧钻技术作为一种充分利用油田废弃、闲置井挖掘老油田现有油气藏潜力、对老油田进行二次或三次采油、提高原油采收率较为经济和有效的方法，正越来越受到国内外油田的重视。近十年，随着油气勘探开发生产成本的提高，特别是油气资源不断向边远地区扩展和钻井工艺技术的不断提高，钻小井眼井开采油气的优越性更加明显，使得小井眼钻井技术成了继水平井之后的又一钻井工艺研究热点。 随着国内主要油田逐渐进入开发中后期，由于套管变形或损坏，井下落物事故不易处理，以及井下水锥或气锥等多种原因的影响，陆续有部分油水井己不能维持正常生产，造成原油及天然气产量逐年下降，越来越多的油(气、注水)井成为废弃、闲置井，严重制约了油田的持续发展。为了降低钻井综合成本，特别是发挥老井潜力，国内外油田正在开展小井眼开窗侧钻技术的研究与应用。小井眼开窗侧钻技术就是利用老井井身对油藏开发再挖潜，并充分利用老井的井身和原有的一些采输设备，延长老井使用寿命，提高原油产量，同时大幅度降低施工成本，缩短施工周期，使老井的生产潜力得以充分发挥的新技术、新工艺。 国内外大力发展小井眼水平井技术的主要原因：1经济因素：钻小井眼可节省钻井费用25%—50%，在个别边远地区甚至可使钻井费用降低75%。2技术进步：钻头、钻井液及钻井液马达和井控等钻井技术与设备均取得了重大发展。3勘探开发的需要：可用于边远地区、地面条件恶劣、和运输困难的地区；可减少勘探风险，缩短勘探时间，提高勘探效率和准确性，降低勘探成本。4环保压力：小井眼较之常规井眼，井径缩小大约一半，废泥浆及钻屑处理量可减少大约75%，同时占用场地少，作业费用减少。 钻小井眼水平井比钻常规水平井所需要的设备小，井场占面积小。因此井场准备和建筑成本就少。另外，井眼越小，消耗材料越少，可用更小更轻的套管，所用的水泥量和钻井液量也更少，采油设备的尺寸也相应的减小。可节约大量钢材。侧钻水平井技术主要用于老油井的改造挖潜。与新钻井相比，可节约已有井段的钻井费用。通过钻小井眼水平井和侧钻水平井，可以获得新的可采储量、提高采收率和开发低渗透和非均质油气藏。 小井眼水平井钻井设备现状 1、 钻机 目前，我国小井眼钻机系列可分为钻深能力1000m左右钻机和钻深能力大于1200m钻机两大类。国内能够制造小型钻机的厂家比较多，对于钻深能力1000m左右钻机，主要是长庆油田用车装修井机改造而得，如：XJ-450、XJ-350等，对于钻深能力大于1200m钻机，主要是宝鸡石油机械厂、南阳石油机械厂、第四石油机械厂生产的ZJ系列小型钻机种类比较齐全。宝鸡石油机械厂生产的小型钻机结构形式以传统的模块式为主，开发了电动钻机和适用于丛式井组钻井的钻机。如:ZJ15/900DB-1、ZJ30/1700B、ZJ30/1700JD等型号。南阳石油机械厂主要生产车载式和撬装模块式轻型钻机。如:ZJ15、JZ20、ZJ30等，第四石油机械厂生产一种自走式轻型钻机采用自走底盘。II型伸缩井架，具有越野性好，运移方便等特点。 2、 钻头 国内许多专业钻头厂、油田科研单位及石油院校都进行小井眼钻头研究与开发。目前，以江汉钻头厂、成都钻头厂为代表的雅伦钻头生产厂家，研制的小井眼钻头规格多，品种齐全，最小钻头直径117.5mm。以川石·克里斯坦森公司、大港中成机械制造有限公司为代

表的生产小井眼金刚石钻头的厂商的钻头规格多样，品种齐全，如：钻头STR324直径为95.25 2

mm；41JM403直径为104.8 mm；45FX202直径为117.5 mm。虽然国内研制了各种牙轮、PDC、双心／偏心BDC 钻头、无活动件钻头及单牙轮钻头，但牙轮钻头寿命与国外同类产品相比有差距。小尺寸的PDC、TSD 及金刚石钻头已在我国大部分油田推广使用，特别是川石·克里斯坦森公司的偏心BDC 钻头，1990 年应用以来，已创造了多项国内小井眼钻井记录。这种钻头适合深井高研磨性硬地层，耐高温达120℃，偏心切削特性又为井眼扩大井径、提高固井质量创造了条件。国内152.4mm 的牙轮及无活动件钻头在现场比较常见，152.4mm 以下直径钻头多为无活动件钻头，主要生产厂家有：大港油田中成钻头厂、地矿部钻井研究所、胜利油田钻井所、江汉钻头厂、川克钻头厂等。其中大港中成钻头厂、胜利油田钻井所、江汉钻头厂和川克钻头厂研制的117.5mm 和152.4mm 双心PDC 和双心BDC 钻头由于所钻井径可比名义井径大12～25.4mm，所以基本能够满足目前小井眼钻井和固井的需要。 中原油田在文侧25-72 井小井眼定向侧钻中使用了江汉钻头厂生产的117.5mmYA437DC 单牙轮钻头，使用效果非常好，机械钻速明显提高。该钻头底部装有一个射流喷嘴，钻头侧部装有一个扩散清洗喷头，射流喷嘴可拆卸，选择喷嘴尺寸来调节钻头压降。该钻头牙轮镶装露齿高度加大的楔形齿，钻头体镶装小直径楔形齿和平头齿加强保径。轴承采用新型O型橡胶圈密封、钢球锁紧牙轮，牙掌轴颈表面强化处理，牙轮内镶焊减磨合金并镀银，抗咬合性好。采用可控压差的压力补充储油密封系统，密封及润滑更可靠，采用可耐高温250℃高温抗磨损的新型钻头润滑脂，适用于极软地层。 中原油田与川石·克里斯坦森金刚石钻头有限公司研制开发了用于深部小井眼直149.2mm 的S28-248 型偏心BDC 钻头。大港油田潜山小井眼钻头使用情况：大港油田钻潜山奥陶系灰岩小井眼井段一般在300m 左右，为了保证灰岩井段的固井质量，在板深702 井、板深703 井、千12-18 井等井中使用双心钻头钻进，在实际施工中，使用效果不好，进尺少、钻速低，后改用牙轮钻头钻进，进尺和机械钻速得到了明显的提高，而且在灰岩井段牙轮钻头由于自身公转造成的扩眼效果与双心PDC 钻头不相上下。因此在灰岩井段选用牙轮钻头既能加快钻井速度，而且可以满足固井施工要求。 3、小井眼定向井钻井螺杆钻具及测量仪器 国内外螺杆钻具生产技术都已成熟，国内生产螺杆钻具厂家较多，以北京石油机械厂为代表。螺杆钻具有各种特点，直条、螺旋、对称、非对称等不同形式的稳定器，使导向钻具具有较高的造斜率；单弯、双弯、三弯以及小偏移距、大偏移距等形式多样的弯角组合；使导向螺杆钻具能适用于各种不同的钻具组合；部分型号导向螺杆钻具可配置地面可调弯壳体和可换式稳定器。对于小井眼水平井的测量仪器有四大类：磁性单、多点测斜仪、电子单、多点测斜仪、有线随钻测量仪、无线随钻测量仪（MWD）等。 4、变径稳定器 稳定器对井眼轨迹控制起着非常重要的作用。在小井眼水平井造斜段中，井眼间隙比较小，为了减小起下钻作业时稳定器对井壁的摩擦阻力，以及防止井眼缩径引起钻具遇阻、卡，已研制开发了小尺寸变径稳定器。在小井眼水平井施工中，应用变径稳定器根据实际需要调整钻具组合的力学性能，以减少更换底部钻具组合次数。目前变径稳定器有机械式和业力式两种类型。 5、其他配套井筒工具 国内已研制成功多种尺寸的小井眼钻井马达。国内牡丹江、高峰等石油机械厂家开发了小井眼用打捞、震击工具，但工具材料还不过关。国内常规小井眼取心工具的研制主要以四川油田为主，如川6-3 等。此外，煤炭部完成了绳索式取心工具的研制。 小井眼水平井钻井工艺现状 1小井眼钻井系统 小井眼钻井技术取得长足发展是以先进的钻进设备和工具为前提，包括了转盘钻进、井下马达钻进、连续取心钻进三种钻井系统。这些小井眼钻井系统的主要优点是采用小型钻机和高转速钻进，并减少套管费用，所以，钻井成本仅为现用常规钻井系统的30%—60%。 3

（1）转盘钻进。旋转取心小井眼钻井系统采用小直径钻柱，配小直径金刚石钻头（钻头尺寸可小到50.8mm），金刚石钻头与牙轮钻头不同之处是能够在高转速下钻进。在高转速下金刚石钻头的钻速可达到6m/h以上。 （2）井下马达钻井系统。应用小型井下马达配套金刚石钻头可以代替转盘钻井，即井下马达钻井系统。应用外径38.1mm—85.73mm的小型井下马达（转速500—1000r/min）来快钻50.8—114.3 mm小井眼井。在许多地层钻井比转盘钻进快3—5倍。 （3）连续取心钻井系统。采用薄壁钻杆和电缆可回收岩心筒与矿用连续取心钻机配套，可实现小井眼连续取心钻井。 2、小井眼水平井井身结构及钻具组合 小井眼水平井井身结构设计考虑的主要问题：油层埋藏深、钻井周期长、井眼浸泡时间长；起下钻开停泵压力激动大；钻柱对井壁的作用大，包括碰撞、挤压特别稳定器和弯螺杆对井壁的作用力。一些复杂地层井眼轨迹控制难度大。 大港油田千米桥潜山凝析油气藏已经完钻的千12-18 井、千16-24 井完钻井眼尺寸为∮152.4mm，采用∮127.0mm 尾管完井，∮177.8mm+∮127.0mm 组合套管作为生产套管。在后期转为机械采油后，一般采油泵下深在4000m 以上，即∮177.8mm 套管内，对于油井稳产无不利影响。该结构既能满足开发要求又能显著节约钻井成本。为提高钻具强度，增加携砂能力，大港油田在千米桥油田小井眼钻井施工中采用复合钻具，使用双心钻头的钻具中不允许带随钻扶正器：∮152.4mm双心PDC(牙轮)钻头+∮121mm 钻铤+∮88.9mm 钻杆+∮127mm 钻杆。由于下部钻具直径小、重量轻，不仅施加钻压的范围受到限制，而且由于复合钻具本身刚度的不均一性，正常的钻井参数也受到很大限制，从而导致钻井效率降低。 3、 小井眼水平井轨迹控制技术 小井眼水平井和常规水平井一样也是由直井段、增斜段和水平段3部分组成。由直井段末端的造斜段（kop）到钻至靶窗的增斜井段，这一控制过程为着陆控制；在靶体内钻水平段这一控制过程称为水平控制。小井眼水平井的垂直段与常规直井及定向井的直井段控制没有根本区别。小井眼水平井井眼轨道控制的突出特点集中体现在着陆控制和水平控制，设计到一些新的概念指标和特殊的控制方法。目前国内小井眼水平井轨迹控制技术主要为钻具组合与钻进方法研究。 目前钻井方式研究：(1)转盘旋转钻井：采用常规稳定器组合成不同的下部钻具，转动转盘实现增斜、稳斜、降斜的目的，不能控制方位。(2)滑动导向钻井：采用井下马达加弯接头、弯壳体马达等导向工具，锁住转盘使钻柱不旋转，随着进尺的增加不断下放钻具，从而改变井眼轨迹的前进方向。滑动导向钻井技术是目前广泛应用的一项成熟技术。 (3)复合钻进技术：采用小角度弯壳体马达，低转速转动转盘钻进，主要用于水平段和微增段的井眼轨迹控制。(4)旋转导向钻井：采用可变径稳定器、偏心导向机构、可伸缩翼肋等导向工具，开动转盘使钻柱旋转，从而改变井眼轨迹的前进方向。旋转导向钻井方式下钻柱的摩阻和扭矩远小于滑动导向钻井，并且改善了井眼清洁状况，是大位移井中的必备技术，并在水平钻井中发挥了重要作用。 轨迹控制方法研究：(1)采用高压喷射、防斜打直技术，快速钻完直井段，严格地将造斜点前的靶前位移控制在允许的范围内。(2)对于入靶前地层较稳定性的水平井，以弯外壳体动力钻具组合为造斜段主要钻井方式，以转盘增斜钻具组合通井，铲除岩屑床和修理井壁，并钻完调整段。(3)对于入靶前地层稳定性较差的水平井，以弯外壳体动力钻具组合先打为造斜段，以转盘增斜钻具组合钻调整段，通井铲除岩屑床和修理井壁，再用高造斜率的弯外壳体动力钻具，钻设计造斜率较低的疏松入靶段。 (4)以转盘钻钻具组合为主要钻进方式，采用低度数弯外壳体动力钻具实现水平井水平段的井眼轨迹高精度控制。 4、小井眼水平井井控技术 由于井眼小，环空体积大大缩小，在小井眼水平井钻井过程中遇到的重要问题之一是井