一、小井眼水平井技术现状

关于小井眼钻井定义有多种讨论，国际石油工程师协会定义全井90%的套管尺寸小于7″的井为小井眼井；ISOR将小井眼井定义为最后一层套管尺寸小于6″的井，随着石油钻井技术的发展优化，目前最为常见的定义为井眼直径小于6″的井即可认定为小井眼井。20世纪40年代中期，井身结构“瘦身”技术开始进入到人们的视野，50年代中期，美国Carter公司开展100余口小尺寸眼井作业项目，50年代后期至60年代初，共有131家石油公司钻了3200余口小井眼井，平均井深约1300m。但随后由于原油价格相对可观以及小井眼钻井配套装备相对落后等原因，小井眼水平井受到一定的限制，到20世纪80年代开始，受国际油价的影响，小井眼水平井再次进入人们视野，并快速发展。英国石油公司（BP）研究发现与常规钻井作业相比，小井眼水平井的施工运输成本降低了60%，钻井产生的岩屑更少，降低了钻井液处理成本。Oryx能源公司在德克萨斯州南部的Pearsall油田钻探了三口小井眼水平井，水平段成本节约16%。在美国PrudhoeBay储层，小井眼水平井使得平均钻井成本从220万美元/口降至100万美元/口。

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渐成熟，在提高钻速的基础上实现了钻井降本增效。Haynesville页岩水平段井眼尺寸由?215.9mm调整为?171.5mm，单井成本降低超过25%，平均机械钻速提升今3倍。Marcellus页岩小井眼水平井三开尺寸?114.3mm，水平段长度超过4200m的井占比达18%。加拿大白桦地致密气区2015年前水平段井眼尺寸以?200mm为主，2015年之后水平段井眼尺寸“瘦身”至?159mm，小尺寸井眼平均机械钻速提高了20%以上。

我国小井眼水平井起步较晚，“八五”期间开始对小井眼水平井进行攻关研究，经过20余年的技术发展，小井眼水平井已成为油气资源开发的重要方式。“十一五”期间，我国小井眼水平井主要应用在稠油、中高渗和边底水等常规油藏开发，以辽河、新疆、冀东等油田完钻井数居多，“十二五”以来小井眼水平井主要应用于页岩油气、致密油气非常规油气资源开发，2020年完成小井眼水平井数占比达到20.5%，为我国石油产量稳中上升、天然气产量快速增长提供了重要技术保障。富顺—永川区块水平段采用小井眼井身结构，三开主要使用Smith的MDi513钻头+斯伦贝谢Archer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集成配套形成?152.4mm小井眼优快钻井技术，水平段采用?114.3mm生产套管进行完井。2019年完钻小井眼水平井56口，平均机械钻速较2018年23.1%，钻井周期缩短23.7%。目前，我国已经基本掌握了小井眼水平井钻井设计、装备与钻具组合、施工操作、井眼质量控制等配套技术，但与国际先进水平还存在一定差距，仍有较大的进步空间。

二、小井眼水平井理论研究

1、小井眼水平井的优势与局限性

小井眼水平井可以降低钻井成本，具体成本节约体现在：节省设备运输成本；减小套管尺寸，降低钢材用量成本；钻井液岩屑量减少，提高钻井液清洗效率，降低废物处理成本；提高机械钻速，延长钻头寿命，减少钻井时间；降低固井、水泥、燃料成本等。另一方面，由于小井眼的井径小、环空小以及管柱转速高，导致小井眼与常规井相比，环空压耗特别大，井筒携岩困难。另外，小井眼的管柱尺寸小，管壁薄，管柱摩阻扭矩大，钻头粘滑托压风险高，这些都是制约小井眼钻井技术发展亟需解决的问题。

2、小井眼水平井降摩携岩效率

小井眼水平井的环空间隙较小，钻柱偏心、旋转和钻杆接头等因素对小井眼环空压耗的影响远远大于常规井眼，其压耗分布与常规井眼明显不同。同时，井筒环空小使得岩屑在重力的作用下非常容易沉降，沉降后又不易启动，容易沉积形成岩屑床，进而增大管柱滑动摩阻，直接增加了钻井成本和风险，降低了钻井速度。汪海阁通过大量实验，分析了90°井斜角井段的岩屑运移规律，并基于大量实验数据，利用多元参数统计回归出岩屑床厚度分布经验模型，模型简单且误差较小。宋洵成考虑钻杆接头、钻柱旋转和钻柱偏心影响，提出了适用于幂律流体和赫巴流体的小井眼环空压耗计算模型，计算误差小于10%。Zhang分析了小井眼岩屑运移的临界条件，建立了小井眼岩屑运移模型。Kim通过实验测定小井眼岩屑运移中摩擦系数、压力损失、颗粒输送比和颗粒体积分数。Zhu提出了一种脉冲钻井液输送方法，建立了小井眼水平井岩屑运移数值模拟模型。

3、小井眼水平井钻柱延伸极限

在钻柱延伸极限方面，目前主要以软杆模型和刚杆模型为主，且在此基础上学者们针对不同情况建立了修正的摩阻扭矩模型。在使用摩阻扭矩模型时主要是通过给定井底钻压、井底扭矩以及摩阻系数作为初始条件，带入摩阻扭矩模型计算地面大钩载荷与转盘扭矩，并与实际测量值对比，用以推断井眼是否清洁、是否存在严重狗腿角度、是否有卡钻风险等。在小井眼水平井钻井作业现场，井底钻压扭矩多为现场估算值，摩阻系数在0.2~0.4之间。钻柱旋转可有效携带岩屑，有利于清孔，最大延伸率随钻柱旋转速度的增加而增加。考虑到旋转因素，在小环空条件下，钻柱旋转会增加环空压力损失，随着钻柱旋转速度的增加，延伸极限会先增大后减小。

三、小井眼水平井工艺工具研发

1、小井眼水平井提速工具

随着小井眼水平井逐渐受到重视，随之而来的配套装备及工具的技术得到了大幅提高。小井眼水平井优化设计技术、井眼轨迹控制技术、下部钻具组合优选逐步完善，同时，导向钻井系统、随钻测量系统、低转速大扭矩泥浆马达、高效PDC钻头和欠平衡钻井等适配工具在小井眼水平井中广泛应用。针对小尺寸PDC钻头的抗回旋设计，杨迎新提出了采用横向力自平衡设计准则及其配套技术防止钻头回旋的技术思路，并成功地在小井眼钻头设计中付诸实施，设计出具有优良抗回旋性能的PDC钻头。陈炼针对深层小井眼钻井，设计了旋转齿单牙轮PDC钻头，提出大倾角切削的压溃预破碎损伤－碾切耦合模式破岩理论，建立大倾角刮切破岩的切削力计算模型。塔里木油田针对超深井小井眼钻井，采用推力串轴承结构设计优化螺杆钻具，设计具有特殊减振装置的改进能够满足超小尺寸MWD仪器，钻井轨迹控制取得良好效果。

2、小井眼水平井钻井液体系研究

由于小井眼钻井存在环空压耗高，井壁稳定性差，易发生漏失，易形成岩屑床，且形成岩屑床后更难以清除等问题，因此也发展出了特有的钻井液体系。小井眼钻井液体系为低固相或无固相体系居多，这是由于小井眼循环压力损失较大，钻井液中的固相含量过高会导致环空流动阻力升高，导致当量循环密度升高，并伴随井壁失稳等风险。另外，小井眼钻井液还需控制好流变性能，来满足环空携岩的要求；为保证井壁稳定，小井眼钻井液体系还需有一定的抑制性，降低滤失量；小井眼钻井液还需要有良好的润滑性，以防止钻具出现粘卡等事故。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醇钻井完井液体系，解决了鄂尔多斯盆地直罗组大段泥页岩地层易膨胀分散、剥落掉块、起下钻困难、岩屑床阻卡等难题，大牛地气田DP19井采用氮气泡沫钻井液侧钻长水平段小井眼井，该钻井液体系具有较强的携岩和携水能力，能够防止泥页岩因吸水膨胀垮塌造成的井壁失稳。长庆气田针对小井眼水平井易漏、井壁失稳、携岩困难、电测成功率低等问题，优选出复合抑制剂CQFY作为主抑制剂、天然高分子降滤失剂NAT20作为降滤失剂、无荧光白沥青NFA-25作为封堵剂的水基钻井液体系。

四、小井眼水平井发展趋势

1、小井眼水平井侧钻开窗工艺

随着油田生产井年限的不断增长，可以在老井井筒基础上，通过小井眼侧钻开窗技术制造出新井眼，在不破坏原有井网结构的前提下更新老井，使死井复活。一方面可以缩短钻井周期，减少钻井成本；另一方面可以强化采油，进行有效的剩余油挖掘，增长油藏开采时间，提高油藏的最终采收率。现在国外对侧钻技术研究应用主要集中在多侧向井技术、短半径水平井钻井技术，以及将膨胀管技术引入到侧钻井钻完井等方面。许多学者认为，通过侧钻水平井开发技术，可以降低费用，并显著薄油层、低压油层、渗透性差裂缝的泄油面积，提高油井产量。另外，侧钻井的开窗方式也在不断发展，由原始的斜向器式套管开窗，逐步发展到段铣式套管开窗，到目前的一体式开窗侧钻技术，大大提高了开窗效率。

2、小井眼水平井地质工程一体化

地质工程一体化是缩短油气井建井周期、降低综合作业成本的新思路，是针对非常规油气资源降本增效的前沿技术。在复杂地质条件下油气井钻井中，地质力学属性是影响钻井轨道优化、可钻性评估、井壁稳定性、完井防砂控砂和储层改造等方面的关键参数。目前国内勘探开发逐步向复杂地层探索，随之而来的是面临复杂的地下构造，钻井过程中地质设计与实钻地层差异较大，在同一层位存在多套孔隙压力体系，地层非均质性强，岩性复杂，多种岩性交错互层发育，地层可钻性差。小井眼钻井周期短，机械钻速高，综合成本低，结合施工前的地质力学分析及复杂事故预警等，能够在短时间内钻至目的层，规避井壁垮塌周期。根据实时钻井与录井信息重构地质力学模型，在钻井作业时提供实时风险预警，以应对由于构造、地层或地质力学参数变化引起的工程响应，实现复杂地层安全高效的提速增产。

3、小井眼水平井“一趟钻”技术

一趟钻是指用一只钻头和一套井下钻具组合，一次性入井钻完一个开次或井段全部进尺的钻井技术，降低了起下钻次数，节省钻头，钻井周期和钻井成本得到明显的降低。“一趟钻”要求钻具单趟入井时间较高，因此对钻头、螺杆、MWD等钻具的单趟入井使用寿命及它们匹配性提出了更高要求。特别是针对小井眼钻井，需要设计优化非标钻头、螺杆，以及小尺寸MWD等井下工具，以满足环空间隙相对较小带来的压耗高、井漏风险大等一系列问题。同时，“一趟钻”技术要求钻头需同时钻穿多个地层，因此优化高钻压、高转速和高水马力的激进钻井参数，来实现进一步提高机械钻速。由于“一趟钻”技术中途无法更换钻具，钻进后期存在钻头偏磨、磨损、钻压增大、钻速降低等原因，实际井眼轨迹可能会与偏离预定的钻井设计，因此在钻井作业过程中还需摸索井斜变化规律，对井眼轨迹进行合理控制。

五、展望与结语

1、小井眼水平井优势明显，基础理论研究、钻井工艺技术及配套装备研究进展迅速，为侧钻井、多分支水平井、丛式井、井工厂等技术的发展和应用提供了支持与保障，可有效提高储层产量，降低生产成本，应用前景广阔。

2、随着我国油气勘探开发不断向深层、深水和非常规等油气领域发展，油气开采所面临的地质条件和环境日趋复杂，小井眼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业发展的大趋势。随着我国钻井工具的研发与进步，小井眼水平井将会在未来更多复杂钻井工况中发挥越来越重要的作用。