油气井是以勘探开发石油和天然气为目的,按油田开发规划,在地层中钻出的具有一定深度的圆柱形孔眼,是将地下油气资源提升到地上进而加以充分利用的必不可少的信息和物质通道。百余年来,钻井技术不断取得进步,钻出的油气井的作用、深度和井眼形状也是各有不同,形成了种类繁多的油气井家族。现在,就让我们一起造访这个家族,看看都有哪些成员吧。
1.各有小目标的“三大家族”
油气井的终极目标都是为了获取地下的石油和天然气。但是,不同的钻井也有各自的“小目标”,根据小目标的不同,可以把它们分为探井、生产井和救援井三大类。
探井主要是用来精确已经开采油田的油气层边缘和勘探这些油田中新的采矿层。探井之下,还有不同的成员,它们是预探井、详探井、探边井和基准井。
预探井俗称“野猫井”,是在一个区域或一个大的构造上钻的第一口井或第一批井,大多是在对地层毫不知情或知之甚少的情况下钻的。详探井是在预探井有所发现或取得重大突破的情况下,为了进一步了解地下情况而钻的探井。探边井则是为了了解油田的横向面积而钻的探井。基准井的主要目的是获取该区域从上到下的详细的地层资料,所以又称为“资料井”。基准井往往以钻取岩心为主,所以又称为取心井。当然,基准井如果发现油气显示,也可以中断取心任务,进行测试。例如,我国大庆油田的松基三井,原设计井深3200米,打到1000多米时连续发现油气显示,试油时喷出原油,从而发现了大庆油田。
生产井也称“开发井”,主要是指以生产开发为目的,为了给已经探明的地下油气提供输送通道,或为了采取各种措施使油气被开采出来所钻的井。一般情况下,生产井包括采油井、采气井、注气井、油水井、调整井和加密井等。采油井和采气井是根据气田开发方案钻出的生产井,是气藏开发的基本单元。注水井和注气井是油气生产井的好帮手,它通过向油气层注入水或气体驱动原油流向采油井。开发初期的井网井距可能较大,之后在原井网中增加的称为“加密井”,对原井网进行调整而钻的生产井称为“调整井”。
以上两个成员都有自己的众多成员,而第三大家族——救援井,虽然有些不大显眼,但其作用却不小。当某口井由于井喷着火无法控制时,可以在该井旁边安全范围内打一口定向井,打到井喷的喷发地层进行引流或压井,从而制服失控的井喷,这种井称为“救援井”。2010年4月,美国墨西哥湾发生震惊全球的钻井平台爆炸漏油事故,用尽各种手段均未奏效,最后还是依靠开钻救援井解决了问题。
2.井眼轴线形状不同的“两大家族”
按照设计的井眼轴线不同,油气井也可分为垂直井和定向井。这两大家族在石油钻井工程中都是声名显赫。
垂直井简称直井,其设计的目标点与井口处在同一条铅垂线上,因此井眼轴线是一条铅垂线。垂直井与定向井相对应,理论上其轨迹所有点的井斜角都为零,但在实际钻井中是做不到的,井眼轨迹总会多多少少偏离铅垂线,但这并不妨碍它们被称为垂直井。
最初的钻井活动都是从垂直井开始的。由于地层倾角等地质因素及钻具结构等原因,很多时候,垂直井的防斜问题十分突出。因此,垂直井的防斜打直技术成为现代钻井中一项十分重要的技术。目前,垂直井的防斜打直技术主要是通过改进钻具的结构组合来实现。
垂直井历史悠久,技术成熟,但人丁不旺,多年来一直是直上直下的一个品类。而定向井后来居上,不断发展变化,开枝散叶,繁衍后代,形成了种类繁多的局面。
定向井是指按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的油气井。它设计的目标点与井口不在同一条铅垂线上,从井口到目标点的井眼轴线形状也可能有很大的差别。定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一,它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹,使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术,可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发,有利于保护自然环境,具有显著的经济效益和社会效益。
定向井一出现就呈现出人丁兴旺的势头。技术上不断创新,在生产中的作用也越来越大。其成员主要有斜度井、水平井、大位移井、侧钻井、分支井和三维多目标井。
根据斜度的不同,斜度井可以分为大、中、小斜度井。小斜度定向井的最大井斜角在15°~35°,中斜度定向井的最大井斜角在35°~50°,最大井斜角超过50°则称为大斜度定向井。水平井是当井眼钻达目标层后,井斜角接近、达到或超过90度,并在目标层内延伸一定长度的井。这个“一定长度”,通常要求大于油层厚度的6倍。水平井又可细分为长半径、中半径、短半径和超短半径水平井,或径向水平井、侧钻水平井、分支水平井等。水平井钻井技术是20世纪80年代国际石油工业迅速发展并日臻完善的一项综合性配套技术,它包括水平井油藏工程和优化设计技术、水平井井眼轨道控制技术、水平井钻井液与油层保护技术、水平井测井技术和水平井完井技术等一系列重要技术环节,综合了多种学科的先进技术成果。目前,世界各国开采页岩气所用的技术多以水平井技术为主。
大位移井泛指水平位移很大的定向井。国际上认可的大位移井通常指平垂比(水平位移和垂深的比值)大于2的定向井。大位移井又可分为浅层大位移井、深层大位移井和大位移水平井等。应用大位移井技术可以显著节约钻井成本,如挪威北海西Sleipneer油田,用大位移井代替原来的开发方案,节约了10亿美元;美国peder-nales油田,用大位移井代替原来建钻井平台的方案,节约了2亿美元。
侧钻井是在原井套管基础上进行侧向钻井,以提高采收率的一项综合技术。该技术经过几十年的发展,已为世界各地裂缝性油藏、高含水油藏以及事故井、报废井等的开发利用提供了有效手段。侧钻出的新井眼如果符合水平井的条件,则称为侧钻水平井。
分支井又称为多底井,泛指具有一个井口、两个以上井底的一簇井。分支井通常是从定向井的某个深度进行侧钻并钻出新的井眼。分支井眼如果符合水平条件,则可称为分支水平井。如果主井眼是水平井,在水平井段向两侧分支钻出多个水平分支井眼,称为水平分支井,有人形象地称之为“鱼骨井”。
三维多目标井,是指井眼轴线在三维空间内有大幅度变化,并在进入目标层后继续延伸穿过多个目标点的井。
3.井眼深度不同的五大家族
这种分类通常是对垂直井而言的。在钻井术语中,井眼深度简称井深,是指井眼的长度。对于设计的垂直井,井深与垂深完全相等。按照这种分类,油井可分为五类:浅井、中深井、深井、超深井和特超深井。浅井是指井深小于2500米的井。中深井的井深在2500~4500米。
深井的井深在4500~6000米。井深超过6000米,称为超深井。井深超过9000米,称为特超深井。这种分类的意义在于根据井深选择钻机。例如,超深井必须选用9000米钻机,深井则应选用6000米钻机,中深井则可选择4500米或3500米钻机。
苏联时期曾经在科拉半岛钻探过一些超深井,钻探深度达到12262米。2019年2月,中国石化西北油田所属的顺北油气田再次创造新的历史,顺北鹰1井完钻井深8588米,创亚洲陆上钻井最深纪录,相当于从8844米的喜马拉雅山主峰峰顶打到山脚。