在美國東北部地區，一場超長水平段大位移水平井鉆井會戰在不到20天的時間里持續打出了破紀錄的超位移水平井。為了達到這樣的績效水平，工程設計必須與作業實施緊密結合，以消除潛在的非生產時間（NPT），同時，還必須能預測鉆井風險。這種戰略已在整個Utica頁巖地層成功鉆了超過12口的超長水平段大位移水平井，水平段長度超過了4572m。
 
    Eclipse Resources公司的鉆井計劃瞄準了橫跨俄亥俄州（OH）、西弗吉尼亞州(WV)和賓夕法尼亞州(PA)整個的Utica和Marcellus頁巖地層，圖1展示了超長水平段大位移水平井歷史案例的主要作業區域。該公司確定了一口超長水平段的井，水平段長度4572m或更長。超長水平段（a super lateral）這一術語已被行業內的其他公司所采用，因為他們也在進行自己的大位移井鉆井會戰。在超長水平段大位移水平井會戰中形成的經過驗證的鉆完井方法已被許多瞄準美國非傳統油氣藏開發的石油公司所接受。這是一個明顯的跡象，表明其他地區采用這種超長水平段的鉆完井方法可能會持續下去。
 
 
從歷史上看，早期這一地區非傳統儲層所鉆水平井的水平段僅約610m。由于相鄰地區租約的合并與延續，以及非傳統油氣井鉆井技術的成熟，水平段的長度不斷在增加，從1830m逐漸延長至4268m，因為隨著水平段的延長，油氣產量似乎沒有下降的跡象。
 
    工程技術團隊認識到了延長水平段長度的潛力，因為成本決定了油氣井效率的提高，而地理條件支持部署較少的井位，特別是在美國的東北部地區。在美國東北部地區，平臺式井場的選擇受到復雜地形和更接近人口中心的限制。雖然超長水平段鉆井存在著更大的失敗風險，但井的優化和有效的施工提供了關鍵成本的降低，以及最終表現出的是每米更高的采收率。
 
    早期的大位移水平段鉆井，例如英國的Wytch Farm項目，很明顯，井下設備故障率以及起下鉆困難導致交井付出了巨大風險。更長的測量深度需要更可靠的處理這些風險的方法。經過驗證的設備、實踐與技術是鉆井效率及未來生產率最大化的基本要素。由于方法和技術的不斷成熟，Utica頁巖的鉆井作業打出了人們所知的世界非傳統儲層最長的水平段，總測量深度不斷逼近9144m。
 
井身結構
 
在符合技術和經濟效益需求的情況下考慮鉆超長水平段的井，即不是所有的井或應該是所有的井都需要打超長水平段。2017年，在Utica頁巖計劃打的24口井中有11口打了超長水平段，8口井的目標是凝析氣，3口井的目標是干氣。平臺式井場通常打2至6口井，平均打4口井。
    一口典型的超長水平段的井，鉆井設計為：表層導管 ＋ 3段套管結構，見圖2。預下的24”導管深度約36m；17 1/2”表層段采用空氣鉆井或霧化鉆井，接著下13 3/8”套管后固井，該層套管用來保護淡水沙巖層；12 1/4”技套井段也采用空氣鉆井或霧化鉆井，鉆至要求的井深，然后，該井段下9 5/8”套管至地面后固井；然后，采用逆乳化鉆井液打8 3/4”造斜段和8 1/2”水平段；期間，每個井段采用專門設計的井底鉆具完成各井段目標深度的鉆進。最后，全程下入5 1/2”套管至地面，固完井后這口井的全部鉆井施工作業就此已完成。
 
鉆機設備
 
一口超長水平段的水平井必須正確配置鉆機設備才能實現高指標鉆井。針對非傳統油氣藏設計采用的鉆機必須能打大位移水平井。鉆機須具備340t的鉤載能力；一部具備持續扭矩50m•kN（米•千牛）額定功率的頂驅系統。
 
    3臺支持額定功率52MPa泵壓的泥漿泵，一般情況下，泵壓約維持在45MPa左右。需要配備正確功率的泥漿泵，以確保足夠的循環排量來清除超長水平段井眼中的巖屑，因為水平段越長，產生摩擦壓耗就越大。從引進的52MPa泥漿泵使用中汲取的一個關鍵教訓是：深思熟慮選擇泥漿泵關鍵易損件與泥漿泵維護相結合是防止或減緩泵壓升高時普遍出現易損件損壞導致泥漿泵故障的有效手段。
 
表層和技套井段
 
    表層和技套井段采用空氣鉆井或霧化鉆井，最大限度地降低井漏風險，最大限度地提高鉆井速度。鉆表層和技套井段的風險包括井漏、水侵、井筒不穩定以及固井質量差等問題。鉆井設計提供了關鍵步驟來應對這些問題，當已知問題出現明顯征兆時，可以進行快速識別并做出響應。
 
17 1/2”井眼
    采用密封軸承馬達和鑲齒鉆頭 ＋ 空氣鉆井或霧化鉆井鉆17 1/2”井眼。這部分井段的深度因縣而異，但正好位于第一個商業可開采的碳氫化合物構造或層系之上，該層系包含的總計超過10000ppm（ppm百萬分之一）的溶解固體被混入空氣或霧化系統中。多數情況下，這部分井段垂深約457m，但實際深度各縣有所不同。
 
    鉆進期間，空氣或霧化以每小時50~70桶的排量進行循環。根據井下鉆井工況，調整注霧排量，打出最快機械鉆速。鉆完17 1/2”井段總深度，起鉆前進行循環除屑，將井筒凈化至最佳。接下來，下13 3/8”表層套管，必要的話固井前泵入清水洗井循環。17 1/2”井段一般沒有大問題；然而，這層套管保護的是極其敏感的淡水沙，需要完美無缺的水泥封固作業，以保護這部分井段周圍的環境。
 
12 1/4”井眼
    12 1/4”井眼也采用了類似于打17 1/2”井眼的密封軸承馬達和鑲齒鉆頭 ＋ 空氣或霧化鉆井液實施鉆進，但在鉆活性頁巖段之前，鉆井液組分轉為2%氯化鉀／聚合物的混合物流體。對于采用空氣或霧化鉆井液鉆12 1/4”井段，將井眼扭曲降至最低是鉆井作業中的最高優先指標，以應對所有目標井段因扭矩和摩阻帶來的鉆井挑戰。
 
    12 1/4”井眼總深度目標設定在至少進入Reedsville地層30m的深度，為鉆進油層段提供足夠的地層完整與銜接。循環凈化后開始起下鉆，用密度1.50g/cm³的逆乳化鉆井液替換井內的鉆井液。下9 5/8”套管，需要的話進行洗井，采用雙級固井作業進行套管固井，泵完水泥漿后，跟隨液采用加重的逆乳化鉆井液，為鉆造斜段做好準備。
 
造斜段
 
造斜段鉆進下井鉆具組合為一只PDC鉆頭、一個設計配有直馬達的旋轉導向工具。建議使用旋轉導向工具是因為已證明了這類工具能打出圓滑流暢的定向井眼，以及其鉆進期間始終旋轉且有助于清除巖屑的井眼凈化能力。
 
    按規定的間隔距離進行測量，驗證是否滿足防碰要求，以8°~10°/30m的造斜率造斜鉆進，造斜段目標著陸點的井斜略大于90°，方位角目標為南北方向15°至20°，為有效的壓裂布局保持垂直于最大的應力場。井眼凈化依然是整個造斜段的關鍵，盡量讓鉆具以最高的轉速旋轉，并以最大的排量將造斜鉆出的巖屑有效地循環至地面。一般排量保持在1890 l/min（升/分鐘）以上，同時，在6°至8°之間保持6-rev/min（轉/分鐘）的讀數。
 
    在總井段深度，實施循環凈化周，監視振動篩上的巖屑量，同時上提下放鉆具，盡可能將井內巖屑循環至地面。當振動篩上幾乎看不到什么巖屑時，起鉆前再進行一次循環凈化周。任何額外波次的巖屑征兆應延長循環周，直至看到一個無巖屑返出的干凈的井筒。
 
水平段
    通過最佳作業、工程管理與井場執行力的良好結合，水平段鉆進實現了最大鉆井效率。打出的平均日進尺超過了488m，某些天日進尺達到或超過了915m，許多超過4572m的水平段鉆進天數不足7天。
 
鉆具組合
    另一種配有直馬達的旋轉導向系統用來與一只8 1/2”、5刀翼PDC鉆頭匹配使用，旋轉能力對于井眼凈化至關重要，同時還要保持定向控制。因更換失效井下工具次數的減少而延長了起下鉆間隔，因此，系統的可靠性是另一項重要關注。所有的努力都是為了一次鉆頭下井能打更長的水平段，以避免費用高昂的停鉆時間。
 
    最后3048m至3962m的鉆桿是5 7/8”、從5”鉆桿以下向外逐漸變細，這樣會增大環空流速，有助于向井底鉆具施加重量。為了防止當量循環密度（ECD）過高導致流量受限，同時，為了有效清除巖屑還要確保良好的環空流速，需要適當平衡鉆具直徑、鉆井液流態和ECD這三個主要參數。
 
鉆井實踐
    鉆井實踐以任何井下工況的變化為重要關注點來平衡性能指標。隨著鉆井液性能的變化以及井眼額外加深導致的摩擦壓力增大，立管壓力每鉆進150m需測量一次，對立管壓力進行一下校準。如果數值偏離了預期的標準，為了迅速恢復到正常的操作參數，規定了具體步驟。
 
鉆井液特性
鉆井液特性針對的是為打出高指標而優化鉆井參數，同時還要保證ECD最小的變化。ECD是許多因素的一個函數，必須進行仔細監測和維護，以防止井漏并跟蹤井眼凈化指標。一種柴油基逆乳化鉆井液提供了必要的特性，需要時還可進行調整，以保持預調的標準。表1給出了柴油基鉆井液的典型特性，然后，對其特性進行了具體的討論。
 

表1：典型的柴油基逆乳化鉆井液特性
特性	典型值
泥漿比重（克／立方厘米）	1.34 ~ 1.44
6 rev/min（轉／分鐘），150°F時的度	6 ~ 10
塑性粘度，厘泊（cP）	18 ~ 22
高溫高壓失水，250°F時，mL/30min（毫升／30分鐘）	9 ~ 18
150°F時，電穩定性，伏特	400 ~ 600
水相鹽度，mg/L（毫克／升）	180,000 ~ 220,000
低重力固體顆粒，%	8 ~ 12

 
    泥漿比重約為1.34 ~1.44g/cm³，典型的總井深（TD）時的值為1.41g/cm³。油水比通常在80:20到90:10之間，最大限度地減小塑性粘度和與之有關摩擦力。結合油水比，將低重力固體顆粒保持在13%以下，使塑性粘度保持在28cP以下。多數情況下，塑性粘度值在18至22cP之間。對于巖屑懸浮／懸停，監測6 rev/min讀數，并使其保持在6 ~10度之間。監測凝膠強度，避免其值變得過高。高溫高壓失水在10 ~12 mL/30 min之間，但很少超過15 mL/30min。API標準承認，監測到的電穩定性的趨勢與一個特定值相反，但鉆井時看到的標準油水比，其數值趨勢在400與600伏特之間，隨著更高含油量和鉆頭切削力的增加而增加。
 
固相含量控制
 
    整個水平段鉆進水力參數優化是有效清除巖屑的關鍵，通常排量會超過2270 L/min，而轉速一般會高于150 rev/min。運送巖屑至地面無需任何類型的掃除。循環除屑程序按鉆井設計要求執行，具體來說，當參數顯現井眼凈化不佳時或在停工期間執行循環除屑程序。循環除屑期間保持最大排量和鉆具旋轉。
 
    通常，需要調整井眼凈化的征兆包括：立管壓力過高、鉆壓過大、振動篩上巖屑不多、或鉆井參數偏離規范值等。這種對細節的關注避免了起下鉆期間出現困難或復雜過程，將需要倒劃眼作業可能導致的風險工況降至最低。
 
扭矩和摩阻
    扭矩與摩阻的管控是大位移井鉆井作業一項與生俱來的挑戰。井眼軌跡圓滑流暢的定向控制是避免扭矩過高的關鍵所在。在不采取其它措施降低扭矩的情況下，鉆機的頂驅系統必須具有足夠的動力來管控扭矩。
 
    優質的逆乳化鉆井液在無需添加劑的情況下就可提供良好的潤滑效果。盡管只要有可能都希望較低的扭矩，但化學添加劑也有它的明顯缺陷。許多用于逆乳化鉆井液體系的化學潤滑劑大都無法維持扭矩降低，因為它們的化學成分與用作潤濕劑的表面活性劑的化學成分非常類似，這意味著潤滑劑會隨著時間的延續被混入鉆井液溶液中。其它潤滑劑無法滿足預期的要求，因為它們是在原始的實驗室環境中開發的，沒有考慮載有固體顆粒的鉆井液的復雜特性。
 
    堵漏材料如螺母殼、石墨和纖維材料是眾所周知的提供堵漏的補救材料，但這些產品尚未證明其在控制扭矩和摩阻方面的有效性。必要時，許多石油公司選擇采用機械方法控制扭矩和摩阻。經過驗證的選項包括：非旋轉鉆桿保護器、硬捆扎，以及改變鉆頭切削結構等。下套管出現高摩阻時，使用減阻珠予以應對，洗井旋轉時避開或繞過振動篩。
 
總井深
    與其它井段一樣，在鉆至總井深時也需執行最大排量循環州和鉆具旋轉，上提下放活動鉆具，每個循環周需上提一根立柱。當循環一周后振動篩上仍有巖屑出現時，起鉆前再循環兩周。振動篩上出現任何巖屑跡象都需追加循環除屑周，將井筒內的巖屑清除干凈。
 
    所有的努力都是為了用吊卡將鉆具起出井眼，盡可能的避免倒劃眼作業，以合適的鉆井方法和作業參數確保將鉆頭鉆出的巖屑循環遠離井底鉆具（BHA）。要細心監測扭矩。以幫助確定上提過載是否來自巖屑聚集、井眼扭曲、乃至溢流。鉆井設計中包含有具體步驟和每一種工況的處治方法。下套管前清晰掌握狹窄井眼的位置以及備有使套管順利通過這些狹窄位置的方法可以節省時間，也有助于下套管遇阻時找出問題。
 
    一旦井底鉆具起至造斜著陸點或水平段起點，需進行井涌檢查并執行循環一周的除屑作業，監測振動篩處的巖屑情況，當井底鉆具起至造斜段60°以內的深度時，起鉆做法轉為垂直井眼作業環境。
 
下套管固井
 
    大位移水平井下超長套管需要額外的工具助力才能將其下至總井深。某些情況下，包括采用套管漂浮法來減小總套管柱的重量。然而，石油公司通常按慣例下油層套管，然后，在套管下到井底時，從地面填充管子。其它方法包括下尾管回掛，這種方法會大幅增加成本。
 
    對于超長水平段大位移水平井的下套管作業，優質的套管絲扣允許下入過程中以充分的扭矩旋轉套管，使其能順利穿過鍵槽或壁架。必要時也允許循環沖洗套管，但這不是使用套管漂浮法的一種選項。
 
    5 1/2”套管帶有幾個測試／壓裂閥，以及相關的漂浮設備。仔細監測套管下入過程中的松弛重量，以確定是否需要旋轉套管。一旦套管下至井底，開始固井作業，固完井交井，進行下一步完井作業。
 
結論
 
各種地層的鉆井挑戰或許有所不同，但本文所討論的內容提供了一種以訓練有素的方法鉆超長水平段大位移水平井的途徑：超長水平段大位移水平井是一個趨勢，預計未來還會繼續打下去；超長水平段生產效率最大化的完井技術證明了這類井鉆井方法的實用性；隨著時間的推移，作業實踐會繼續發展；然而，超長水平段鉆井的成功實踐始于周密設計、綜合工程學、以及對所有階段最佳實踐的承諾；一項精心設計的包含應急行動在內的鉆井程序將潛在的停工時間縮減至最短，不斷打出創紀錄的超長水平段的大位移水平井。