国外水平井钻井技术的成本与效益
水平井最早钻于1927年，但是直到1980年才得以大规模应用。早期的水平井只限于短半径井（250英尺长）。1985年利用井下马达钻成第一口中半径水平井。从此水平井被广泛应用。目前，中半径井仍是最常见的水平井钻井技术。美国的水平井多用在低渗透，天然裂缝性和碳酸盐岩油藏。加拿大、阿拉斯加和墨西哥湾的水平井多用于开发致密低渗透油藏。世界除美国以外其他地区的水平井也主要用于致密油藏开发。水平井可以开发薄层、裂缝性油藏、水气锥进、注水油藏、稠油油藏和气藏，并可与热力采油、二氧化碳驱等三采技术结合。作者在这篇文章中从成本利润角度介绍了水平井在北美油田的应用。
1、前言
水平井最早的钻井时间可追溯到1927年。二次世界大战后喷嘴射孔出现，石油行业主要应用套管钻井和目标层射孔技术。由于射孔技术油田取得成功，因此水平井技术很长时间没有被人们重视。
20世纪70年代末80年代初，原油价格上涨到35美元/桶，高油价引发了人们再次关注水平井钻井技术。水平井能够提高油井产能、减少水气锥进、连通天然裂缝，从而改善油井的最终经济效益。
80年代初，法国公司—Elf Aquitaine将水平井概念引入石油行业，利用水平井开发一个碳酸盐岩稠油油藏。油藏位于意大利亚得里亚海上Rospo Mare油田。与此同时，一些美国公司也开始钻水平井来缓解新墨西哥州Abo Reef油藏中的水气锥进，并连通俄克拉何马州、堪萨斯州和得克萨斯州裂缝碳酸盐岩油藏中的天然裂缝。
法国EIF Aquaitain公司的水平井技术与美国公司差别很大。前者钻井技术是指井身剖面很长（几千英尺）的长半径水平钻井。它还采用井下马达旋转钻头钻井。长半径水平钻井技术目前仍适于海上油田开发。美国早期集中研究了曲率半径约30英尺的短半径水平井,采用稳定器、万向节头和挠性接箍进行钻井,使用一个蘑菇状的螺旋接箍接口。螺旋接箍接口允许钻杆短距离内很灵活地从垂直状转为水平状，完井采用裸眼完井或割缝衬管完井，井身长100～300英尺。然而短半径水平钻井的最大缺点是可选择的完井方法不多，钻井成本也较高。20世纪80年代中期钻一口30英尺长的短半径水平井需2000～3000美元/英尺。为降低钻井成本并获得较长的井身剖面，又研究了中半径水平钻井技术。
第一口中半径水平井钻于1985年，曲率半径300～600英尺，用井下马达钻成。中半径水平井是目前应用最为广泛的水平井钻井技术，它可以采用多种完井方式和人工举升选择，井身一般长1000～5000英尺。
鉴于短半径水平井随时间增长而不断改进，钻井成本大幅度下降，该技术对美国和中国一些地区的低产井具有很大吸引力。美国一些小规模的石油公司（产量低于10桶/天的枯竭井）仍采用低成本的短半径水平井来提高油井产量。
2、最新进展
在过去几年里已经取得很多项技术进步，包括随钻测井（LWD）、随钻测量（MWD）和地质导向工具。这些技术可以实现多分支井的钻井与完井、挠性油管钻井、欠平衡钻井及旋转导向装置钻直井眼。完井时在低渗透地层使用水泥对水平井增产；在高渗透地层用砾石充填对长半径水平井完井。
多分支井的钻井技术不断发展。多分支井形状多样，因此可以采用不同完井方式隔离和控制分支产量。2002年，多分支井被广泛用于开发稠油油藏（割缝衬管完井）和碳酸盐岩油藏（裸眼完井）。加拿大、委内瑞拉的稠油油藏和中东的碳酸盐岩油藏都大规模应用了多分支井技术。
欠平衡钻井是水平井另外一个发展方向。欠平衡钻井可使地层损害降到最低，尤其适用于低渗透地层。该技术在加拿大应用十分广泛。由于枯竭气藏的现有压力明显低于静水压力，因此除低渗透油藏外，欠平衡钻井对枯竭气藏也具有重要意义。如果使用了液态钻井液，泥浆将大量漏失，使油井产量下降直至丧失商业开采价值。欠平衡钻井可在枯竭气藏内钻水平井和完井。水平井产量一般是直井的2～5倍。如果经济注气量已定，那么水平井生产所需压力仅为直井经济产油压力的1/2～1/3。所需压力小会极大地提高枯竭气藏的可采储量。得克萨斯州、俄克拉荷马州和加拿大的枯竭气藏都采用了水平井钻井技术。
通常一口重返井井的成本低于一口地面新钻井的成本。采用挠性管钻井可减小重入井的钻井成本，这一点对于高成本的阿拉斯加地区有重要意义。
钻直水平井眼技术取得了重大进展，它是进行稳定砾石充填完井，清除堆积在水平井剖面凹点腐蚀酸的必要条件。腐蚀酸严重缩短了海上深水油田高产井筛管的使用寿命。导向旋转装置可用于水平钻井，该装置尤其适用于深海油藏以获取较直的钻井井眼。
北美地区的水平井多采用裸眼完井或割缝衬管完井。在低渗透层对水平井采取增产措施十分必要，可用液压（水力压裂或酸压裂）使裸眼水平井增产。美国陆上油田的一些低渗透层，如西得克萨斯Devonian层（12,000英尺深，孔隙度0.05md）、加利福尼亚Belridge油田Diatomite层及阿拉斯加Kuparek油田，这些油田在水平井注水泥完井后采用压裂措施增产。
裸眼砾石充填水平井完井技术（尤其针对高渗透疏松深海油藏）也获得很大进步，该技术在墨西哥湾应用广泛。
3、水平井的成本与效益
水平井的主要优势：（1）水平井的采油量和储量均大于直井，桶发现成本和作业成本低于直井。在美国油田开发中，直井作业成本为7美元～9美元/桶时，水平井成本仅为3美元～4美元/桶。（2）很多水平井方案中的开发成本（油井储量除油井成本）仅为3～4美元/桶，比探明动用储量的购买成本少了25%～50%。（3）总产量相等时，水平井钻井数小于直井，降低了对地面油管和井位等因素的要求。
水平井技术的主要缺点：（1）钻井成本大于直井。美国一口地面新钻水平井成本是一口直井的1.5～2.5倍。一口重返井的水平井成本约是一口直井的0.4～1.3倍。（2）一口水平井只能在某一期间开采一个产层。如果油藏多层，尤其当垂直深度或渗透率变动大时，一口水平井很难开采所有产层储量。（3）水平井在美国的商业成功率为65%（钻在一个特殊区块既定产层上的成功率更大）。这意味着，2/3水平井取得商业成功，存在一定的项目早期风险。
4、油田应用
水平井已被应用在各类油田，如薄层、天然裂缝性油藏、水气锥进油藏、低渗透性油藏、气藏、稠油油藏、水驱油藏和三次采油驱替油藏。表1列出了水平井在北美地区的一些油田名称和油藏特征。趋势表明，水平井多用于水驱油藏、气藏和天然裂缝性油藏。
美国境内的水平井多钻在碳酸盐岩油藏。北海、加拿大、中东、印度和亚洲少数国家也在碳酸盐岩地层钻了水平井。美国水平钻井数最多地区是低渗透、天然裂缝性油藏的奥斯汀白垩统和得克萨斯Buda层，目的是为了连通天然裂缝。其他国家多采用水平井开发致密油藏，如墨西哥海上油田、美国加利福尼亚、加拿大、南美、北海、俄罗斯、中国、尼日利亚、马来西亚和印尼，主要目的减少水气锥进。
2002年12月，美国已钻17,267口水平井。得克萨斯州奥斯汀白垩纪有7,428口水平井，约占整个美国的45%。北达科他州红河层的水平钻井数排名第二。加利福尼亚州的大多数水平井钻在Tulare砂岩油藏。
4.1稠油油藏
加拿大一些地区通过小井距的长水平井开采稠油油藏，如萨斯喀彻温省Senlac、Cactus lake和阿尔伯特Pelican lake区，水平井的井段长3000～6000英尺。由于油层浅、砂岩均质，水平钻井速度快且成本低。一口在1500英尺深处完井，长2000～3000英尺的水平井成本约27.5～35万加元（18.5～23.5万美元）。主要采用割缝衬管完井，缝隙设计标准是尽量避免砂粒进入井眼。
一般来说，经济地开发稠油油藏的难度很大，薄油层（2～5米）使直井产能很低。当油藏有底水层时，液体会先流到底水层，从而增大开采难度。Pelican Lake（13～15°API）有近23亿桶的稠油原始地质储量，预计450口水平井可采出5%。平均单井累计产油为25万桶，钻井成本约23万美元，水平井成本仅1美元/桶。
在一次采油率低、地层有大量井筒的条件下，可考虑采用水平井注水。一个采用三个井对的先导性试验已获得商业成功。当水平井注水采收率仅提高1个百分点，也将多产出2亿桶原油，唯一的问题就是需要很大量的注入水。
4.2低渗透油藏
以美国北达科州Mission Canyon层为例。Mission Canyon层属密西西比年代的薄石灰岩油藏，埋深9,700英尺，产层厚10～30英尺，孔隙度5.7%～12.9%。采用直井采油，钻水平井的目的是提高单井产量和储量，降低桶作业成本。
N.D.McKenzi县的Poe油田已经钻了4口水平井。油藏渗透率0.2～0.9md。油田初期用直井开发，但是产层薄使产量很少。一口直井的钻井和完井约65万美元，产量从20～40桶/日减少到10桶/日，因此无法实现经济性采油。当油价低于20美元/桶时更是如此。在Poe油田进行直井不稳定试井，评估油藏压力和渗透率。根据油藏厚度预计初始静态压力为4,400psi。10年里直井采油速度是10～30桶/日。压力恢复试井表明，目前油藏压力约为3,600psi。计划钻一口长2500～3000英尺的水平井，造斜半径600英尺，在垂直段安放喷射泵。预计井底流动压力保持在600psi。水平井产量稳定在60～100桶/日，单井评估储量为25～40万储罐筒数（STB）。由于已钻直井驱替了一定原油，估计钻重返井的储量低于新钻水平井。分别在Poe油田钻几口重返井的水平井和从地面新钻水平井。一口从老井重钻的水平井成本约67万美元，而一口新钻水平井约120万美元。预计储量开发成本是3～3.50美元/桶，经济投资期2～3年。附近一口水处理井的作业成本是4美元/桶。也就是说，即使油价下降为10美元/桶，水平井也有一定的经济效益。
4.3边缘油井
一些小规模的石油公司采用水平井提高边缘井产量。边缘井的日产量一般低于10桶。许多边缘井采用短半径水平井，目的是降低钻井成本。
以美国俄克拉荷马州Tulsa县的一个油田为例。一家小公司从AMOCO公司购买了短半径钻井工具，把水平井钻在Tucker砂岩层。Tucker砂岩层埋深1300英尺，渗透率400md，孔隙度28%，产层厚30英尺，底水层厚50英尺。一口直井产油速度是4桶/日，日产水50桶/日。主要的作业成本是泵抽油成本。通过附近一口水井处理原油的产出水。
从地面新钻了3口水平井。一口短半径水平井（约400～800英尺长）的钻井成本约12万美元。在半径长70英尺的分支水平段内采用裸眼完井。一口水平井日产油约10～14桶。各井产水量互不相同，日产水0～280桶。假如税前利润是15美元，油井投资期小于2.5年，水平井月直井的每月作业成本均为1,000美元。因此，一口直井的作业成本是8.30美元/桶，而一口水平井的作业成本仅为3.33美元/桶。
4.4存在水锥的碳酸盐岩油藏
美国伊利诺斯州马里恩县已经利用水平井开采日内瓦裂缝白云石层，该层是志留纪礁构造的一部分。
根据地震图发现了海德公园下的油田。受环境限制，需要从公园外钻水平井进入公园下方地层。日内瓦白云石地层有两个主力油层，上部的低渗透“A”层（渗透率约10md）和下部的高渗透多孔裂缝“B”层（渗透率约3000md）。“B”层存在一个良好的含水层。“A”层和“B”层的孔隙度和油柱厚度分别是12.5%和20%，20英尺和25英尺。它们被一个超薄的页岩隔开，但是水力互相连通。两个层都钻了2口水平井。“A”层水平井长50～500英尺，“B”层水平井长150～450英尺。
预计这4口水平井可产油300万桶。一口水平井的钻井成本约120万美元，开发成本是1.60美元/桶，作业成本为0.25美元/桶。水平井早期产量从600桶/天增到最高（2,000桶/天），同时产水量很小。后期需对水平井加泵才能采油。一口水平井一年后的累计产油量达到了75万储罐筒数（STB）。
4.5项目的经济效益
根据上文介绍的油田应用实例，水平井确实能够有效降低碳酸盐岩油藏的开发成本和作业成本。另外本文的水平井包括多分支井，多分支井为水平井实现工业上的成功应用发挥重要作用。实例也表明水平井钻井方案同时存在成功与失败的可能性。油藏、地质或者机械都可能使水平井项目失败，约2/3的水平井取得商业成功，需要全面评估成功率与失败率对水平井项目经济性的影响。
总而言之，水平井可以应用于各类油藏，但目前多用于气顶薄层；而且有的水平井产生经济效益，有的却没有经济性。表2示出一口多分支井的经济效益，清楚表明该井取得了商业成功。表2还显示在25口已钻水平井中，5口成功，11口没有商业价值，4口干井。但是即便如此，水平井钻井项目仍具有商业吸引力，表明多分支水平井可以降低项目风险性，使经济效益最大化。
5、结束语
（1）经过实践证明，水平井钻井技术是一项能够提高油田开发效率的可靠技术；
（2）目前，水平井钻井技术已经用于一次采油、二次注水开发以及三次采油开发方案中。
（3）通过调查北美地区水平井应用实例，证明水平井能够降低油气藏的开发成本和作业成本。
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