小井眼水平井技术现状及发展趋势分析

关于小孔钻削的定义有很多讨论。 国际石油工程师学会将90%套管尺寸小于7英寸的井定义为小孔井； ISOR将小孔井定义为尺寸小于6英寸的最后一层套管。 井，随着石油钻井技术的发展和优化，目前最常见的定义是孔径小于6英寸的井可以视为小钻孔井。 20世纪40年代中期，井筒结构“小型化”技术开始进入人们的视野。 从20世纪50年代中期来看，美国公司进行了100多口小型油井作业。 1950年代末至1960年代初，共有131家石油公司钻探了3200多口小井，平均井深约1300m。 但随后由于原油价格相对较高，以及小孔钻井配套设备相对落后，小孔水平井受到了一定的限制。 20世纪80年代以来，受国际油价影响，小孔水平井再次进入人们的视野并迅速发展。 英国石油公司（BP）研究发现，与常规钻井作业相比，小孔水平井施工和运输成本降低60%，钻井产生的岩屑更少，降低了钻井液处理成本。 德克萨斯州Oryx能源公司 在德克萨斯州南部油田钻探3口小孔水平井，水平段成本节省16%。 在美国油藏中，小孔水平井将平均钻井成本从每口井 220 万美元降低到每口井 100 万美元。

进入21世纪，随着美国页岩气革命的成功，北美页岩气小井眼水平井技术日趋成熟，在提高钻井量的基础上实现钻井成本降本增效。 页岩水平段井眼尺寸由215.9mm调整为171.5mm。 单井成本降低25%以上，平均机械钻速提高3倍。 页岩小型水平井三口尺寸为Ø114.3mm，水平段长度超过4200m的井比例占18%。 2015年之前，加拿大Birch Field致密气区水平段主井眼尺寸为Ø200mm。 2015年后，水平段井眼尺寸“缩小”至约159毫米。 小井筒平均机械钻速提高20%以上。

我国小口径水平井起步较晚。 小口径水平井研究始于“八五”期间。 经过20多年的技术发展，小口径水平井已成为开发油气资源的重要途径。 “十一五”期间，我国小井眼水平井主要用于稠油、中高渗透、边底水等常规油藏的开发。 大部分钻井分布在辽河、新疆、冀东等油田。 “十二五”以来小口径水平井主要用于页岩油气、致密油气、非常​​规油气资源开发。 2020年竣工小口径水平井比例达到20.5%，为我国石油产量稳定增长和天然气产量快速增长提供重要技术支撑。 。 抚顺-永川区块水平段采用小钻孔结构，第三孔主要采用史密斯钻头+斯伦贝谢钻进。 165.1mm井段平均长度1999m，平均机械钻速7.6m/h。 苏里格致密气区采用一体化配套技术形成152.4mm小井筒和高速钻井技术，水平段采用114.3mm生产套管完井。 2019年，完钻小孔水平井56口，平均机械钻速较2018年23.1%，钻井周期缩短23.7%。 目前，我国已基本掌握小孔径水平井钻井设计、装备及钻具装配、施工作业、井筒质量控制等配套技术。 但与国际先进水平还有一定差距，还有很大的改进空间。

2 小井眼水平井理论研究

1 小井眼水平井的优点和局限性

小孔径水平井可降低钻井成本。 具体成本节省体现在：节省设备运输费用； 减小套管尺寸，降低钢材消耗成本； 减少钻井液钻屑，提高钻井液清洗效率，降低废弃物处理成本； 提高机械钻孔速度，延长钻头寿命，减少钻孔时间； 减少固井、水泥、燃料成本等。另一方面，由于小井筒井径小、环空小、管柱转速高，与常规井相比，小井筒环空压力损失特别大，井筒携带岩石困难。 另外，小井眼管柱尺寸小、管壁薄，管柱摩擦扭矩大，钻头粘滑压力风险高。 这些都是制约小井眼钻井技术发展的问题，亟待解决。

2 小孔径水平井减摩及携岩效率

小水平井环空间隙小。 钻柱偏心、旋转、钻杆接头等因素对小井环空压力损失的影响比常规井大得多，其压力损失分布与常规井显着不同。 同时，井筒环空较小，使得岩屑在重力作用下极易沉降。 安顿下来之后，就很难开始了。 很容易沉积形成岩屑床，进而增加管柱的滑动摩擦力，直接增加钻井成本和风险，降低钻井成本。 钻孔速度。 王海歌通过大量实验，分析了90°井斜段岩屑运移规律。 他基于大量实验数据，利用多参数统计回归建立了岩屑床厚度分布的经验模型。 模型简单，误差小。 宋训成考虑了钻杆接头、钻柱旋转和钻柱偏心的影响，提出了适用于幂律流体和河巴流体的小井筒环空压力损失计算模型，计算误差小于10%。 张先生分析了小井筒岩屑运移的临界条件，建立了小井筒岩屑运移模型。 Kim通过实验测定了小井筒岩屑运移过程中的摩擦系数、压力损失、颗粒运移比和颗粒体积分数。 朱提出了脉冲钻井液输送方法，建立了小孔水平井岩屑运移数值模拟模型。

3 小井眼水平井钻柱伸出极限

在钻柱延伸极限方面，目前以软杆模型和刚性杆模型为主，在此基础上，学者们针对不同情况建立了修正的摩擦扭矩模型。 采用摩擦扭矩模型时，给定井底钻压、井底扭矩和摩擦系数作为初始条件，将摩擦扭矩模型带入摩擦扭矩模型计算地面大钩载荷和转盘扭矩，并进行比较与实际测量值。 用于推断井筒是否清洁、是否存在严重狗腿角、是否存在卡钻风险等。在小孔水平井钻井作业中，井底钻压扭矩大多为现场估算，摩擦系数在0.2~0.4之间。 钻柱的旋转可以有效携带岩屑，有利于清孔。 最大伸长率随着钻柱转速的增加而增加。 考虑旋转因素，在小环空条件下，钻柱的旋转会增加环空压力损失。 随着钻柱转速的增加，伸出极限先增大后减小。

3、小井眼水平井技术工具研发

1、小井眼水平井增速工具

随着小井眼水平井逐渐受到重视，配套设备和工具技术也得到了很大提高。 小井眼水平井优化设计技术、井眼轨迹控制技术、下部钻具组合优化等逐步完善。 同时采用导向钻井系统、随钻测量系统、低速大扭矩泥浆电机、高效PDC钻头、欠平衡钻井等。 该工具广泛应用于小孔径水平井。 针对小尺寸PDC钻头的防转设计，杨迎新提出了利用侧向力自平衡设计准则和配套技术来防止钻头转动的技术思路，并在小孔钻头的设计中成功实现钻头，设计了具有优异抗旋转性的钻头。 具有旋转性能的 PDC 钻头。 陈炼设计了深井钻孔旋齿单牙轮PDC钻头，提出了大角度切削破碎预破碎损伤-滚动切削耦合模式破岩理论，建立了大角度切削力计算模型刮削和切割岩石。 针对小井眼超深井，塔里木油田采用推力管柱轴承结构来设计和优化螺杆钻具。 该设计改进了特殊的减振装置，可以满足超小型MWD仪器的需求，并在钻井轨迹控制方面取得良好的效果。

2、小井眼水平井钻井液体系研究

针对小孔钻井中环空压力损失大、井壁稳定性差、易漏失、易形成岩屑床且形成后较难清除等问题，开发了独特的钻井液体系。 小井筒钻井液体系大多为低固相或无固相体系。 这是由于小井筒循环压力损失大。 钻井液中固相含量过高会导致环空流动阻力增大，导致等效循环密度增大。 高，并伴有井壁失稳等风险。 另外，小井眼钻井液的流变特性需要得到很好的控制，以满足环空携岩的要求； 为了保证井壁的稳定性，小井眼钻井液体系还需要具有一定的抑制作用，以减少滤失； 小井眼钻井液还需要具有良好的润滑性，以防止钻具卡钻等事故。 宁东油田设计了钾铵基聚合物钻井液、钾铵基沥青复合防塌钻井液和低固相钾铵基硅烷醇钻完井液体系，解决大面积泥页岩地层问题。鄂尔多斯盆地直罗组剖面. 易膨胀分散、剥片、脱出困难、插穗床被卡住。 大牛地气田DP19井采用氮气泡沫钻井液对小井筒长水平段进行侧钻。 该钻井液体系具有很强的便携性。 携岩、携水能力可防止泥页岩吸水塌陷而造成井壁失稳。 为解决长庆气田小水平井易漏失、井壁失稳、携岩困难、电测成功率低等问题，选用复合缓蚀剂CQFY为主缓蚀剂，天然聚合物作为缓蚀剂。选用滤失剂NAT20作为降滤失剂。 采用失失剂、非荧光白沥青NFA-25作为堵漏剂的水基钻井液体系。

4 小井眼水平井发展趋势

1、小井眼水平井侧钻开窗技术

随着油田生产井井龄不断增加，通过小井眼侧钻和开窗技术，可以在老井眼的基础上创造新井眼，在不破坏原有井网结构的情况下更新老井，使死井复活。 。 一方面可以缩短钻井周期，降低钻井成本； 另一方面可以强化采收率，有效挖掘剩余油，延长油藏动用时间，提高油藏最终采收率。 目前，国外侧钻技术的研究和应用主要集中在多分支井技术、短半径水平井钻井技术以及将膨胀管技术引入侧钻井钻完井中。 不少学者认为，通过侧钻水平井开发技术，可以降低成本，显着增加薄油层、低压油层、渗透性差裂缝的泄油面积，提高油井产量。 此外，侧钻井开窗方法也在不断发展。 从原来的斜向器套管开窗，到分段铣削套管开窗，再到现在的一体化开窗侧钻技术，极大地提高了侧钻效率。 开窗效率。

2、小井眼水平井地质与工程一体化

地质工程一体化是缩短油气井建设周期、降低综合运营成本的新思路。 它是非常规油气资源降本增效的前沿技术。 在复杂地质条件下的油气井钻井中，地质力学特性是影响钻井轨迹优化、可钻性评价、井壁稳定性、完井防砂和储层增产的关键参数。 目前国内勘探开发正逐步探索复杂地层，随之面临复杂的地下构造。 钻井过程中的地质设计与实际钻井地层有很大不同。 同一层位存在多套孔隙压力系统，地层具有非均质性。 岩性强、岩性复杂，多种岩性交错互层，地层可钻性差。 小钻孔钻进周期短、机械钻速高、综合成本低。 结合施工前地质力学分析和复杂事故预警，可以在短时间内钻至目标层，避免井壁塌陷周期。 基于实时钻井和测井信息重建地质力学模型，并在钻井作业过程中提供实时风险预警，以响应结构、地层或地质力学参数变化引起的工程响应，实现安全高效的提速。复杂地层的产量增加。

3、小井眼水平井“一次钻进”技术

一次钻井是指用钻头和井下钻具组合一次性钻完井段的一个开口或全部进尺的钻井技术。 减少起下钻次数，节省钻头，提高钻井周期和钻井成本。 显着减少。 “一次钻进”要求钻具单次入井时间较长，因此对单次钻头、螺杆、MWD等钻具的使用寿命及其配套提出了更高的要求。 特别是小井眼钻井，需要对非标钻头、螺杆、小尺寸MWD等井下工具进行设计和优化，以满足相对较小井眼造成的压力消耗大、井漏风险高等一系列问题。小的环形间隙。 同时，“一次钻进”技术要求钻头同时钻穿多个地层。 因此，优化了高钻压、高转速、高水马力的激进钻井参数，进一步提高机械钻速。 由于“一次钻进”技术中不能中途更换钻具，且钻井后期存在钻头偏磨、磨损、钻压增大、钻速降低等原因，实际井眼轨迹可能会发生变化。偏离预定的钻孔设计。 因此，在钻井作业过程中，还需要探索井斜的变化规律，合理控制井眼轨迹。

五、展望与结论

1、小孔径水平井优势明显。 基础理论研究、钻井技术和配套装备研究进展迅速，为侧钻井、多分支水平井、丛式井、井厂等技术的开发应用提供了支撑和保障。 可有效提高油藏产量，降低生产成本，具有广阔的应用前景。

2、随着我国油气勘探开发不断向深层、深水和非常规油气田发展，油气生产面临的地质条件和环境日益复杂。 小孔径水平井以其安全、高效、环保、低成本的技术优势，已成为未来国际钻井行业发展的一大趋势。 随着我国钻井工具的发展和进步，小孔水平井未来将在更加复杂的钻井条件中发挥越来越重要的作用。