地質(zhì)工程一體化鉆井技術(shù)研究進展及攻關(guān)方向
——以四川盆地深層頁巖氣儲層為例

劉清友 朱海燕 陳鵬舉

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學

0 引言

據(jù)美國能源信息署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國頁巖氣儲量為31.6×1012m3，全球排名第一。2020年，我國頁巖氣產(chǎn)量已達200×108m3，其中，四川盆地是我國頁巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場，頁巖氣產(chǎn)量占比超過90%，而該盆地65%以上的頁巖氣資源又埋藏在3 500 m以深的地層[1]。實現(xiàn)深層頁巖氣的高效勘探開發(fā)對于解決我國能源供需矛盾，具有重要的現(xiàn)實意義。與北美頁巖氣相比，四川盆地深層頁巖氣儲層地質(zhì)構(gòu)造更復雜、地層強度更高、橫向非均質(zhì)性更強、層理及裂隙更發(fā)育、水平兩向主應力更高且差異更大（達20 MPa）。例如，瀘州區(qū)塊瀘203井埋深近4 000 m，水平主應力差大于20 MPa，地層溫度大于140 ℃，微裂縫較發(fā)育[2]；丁山區(qū)塊丁頁2井垂深為4 417 m，水平主應力差達19 MPa，地層溫度達145 ℃[3]。因此，不能簡單復制北美頁巖氣開發(fā)的成熟經(jīng)驗，應建立適應四川盆地深層頁巖氣的高效開發(fā)技術(shù)。

針對四川盆地頁巖氣儲層復雜的地質(zhì)工程條件，要提高儲層鉆遇率、單井氣產(chǎn)量和估算最終開采量（EUR），必須采用地質(zhì)工程一體化技術(shù)，全方位動用高品質(zhì)儲層，實現(xiàn)高品質(zhì)鉆井和完井。長期以來，石油地質(zhì)與工程相結(jié)合一直是國內(nèi)外石油工程專家重視和持續(xù)攻關(guān)的熱點問題。2008年，Thararoop等[4]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡，將美國Wamsutter氣田真實地震屬性數(shù)據(jù)、完井數(shù)據(jù)、井身結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，優(yōu)選加密井位置，所鉆井投產(chǎn)后獲得高產(chǎn)，對該氣田天然氣產(chǎn)量的提升起到了極大的促進作用。近年來，國內(nèi)外石油公司紛紛推出了各自的地質(zhì)工程一體化解決策略以及配套專業(yè)軟件，并且取得了較好的現(xiàn)場應用效果，使地質(zhì)工程一體化技術(shù)成為非常規(guī)油氣開發(fā)領(lǐng)域關(guān)注的熱點。2016年，胡文瑞院士[5]高度概括了地質(zhì)工程一體化的理念、模式和主要內(nèi)容：其理念是以地質(zhì)、儲層綜合研究為基礎(chǔ)，配合高質(zhì)量鉆井、固井、壓裂、試采和生產(chǎn)等工程作業(yè)，在區(qū)塊、平臺和單井3種尺度動態(tài)優(yōu)化工程效率與開發(fā)效益，從而實現(xiàn)效益開發(fā)；其作業(yè)模式是以提高勘探開發(fā)效益為中心，以地質(zhì)—儲層綜合研究為基礎(chǔ)，優(yōu)化鉆完井設(shè)計，應用先進的鉆完井工藝技術(shù)，采用全方位項目管理機制組織施工，最大限度提高單井產(chǎn)量和降低工程成本，從而實現(xiàn)勘探開發(fā)效益最大化；其主要內(nèi)容是地質(zhì)—油藏工程—方案研究一體化，鉆井和完井設(shè)計—施工工藝一體化，質(zhì)量—安全—環(huán)?！u價全過程管理一體化。

地質(zhì)工程一體化理念落實在鉆井方面，是指以地質(zhì)研究為基礎(chǔ)，根據(jù)鉆遇地層的特征，有針對性地調(diào)整、優(yōu)化鉆井方案，包括井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆具組合、個性化鉆頭、鉆井液密度與性能、井壁穩(wěn)定與強化措施、人工智能輔助地質(zhì)導向策略等，通過將地質(zhì)模型與巖石破碎機理、鉆柱—井壁—鉆頭—巖石系統(tǒng)動力學行為、高效個性化鉆頭研發(fā)、鉆井參數(shù)智能控制及人工智能輔助地質(zhì)導向等相結(jié)合，實現(xiàn)高效鉆井；將地質(zhì)模型與儲層巖石力學特征、井眼軌跡、鉆柱—井壁系統(tǒng)動力學行為、井壁穩(wěn)定與強化措施、鉆井液密度與性能相融合，實現(xiàn)安全鉆井；同時，運用實鉆井的測井、錄井、鉆井參數(shù)等數(shù)據(jù)及時修正地質(zhì)模型，最終形成地質(zhì)工程一體化安全高效鉆井方案。

鑒于頁巖氣及其他非常規(guī)油氣資源儲層特征的復雜性，地質(zhì)工程一體化鉆井作業(yè)已成為近年來非常規(guī)油氣資源開發(fā)研究的熱點和難點。在南海西部鶯歌海盆地高溫高壓井鉆井作業(yè)中，基于地質(zhì)工程一體化理念，逐步形成了集合地震、鉆井、隨鉆測井、錄井、中途VSP、隨鉆前視技術(shù)于一體的異常高壓井的精確預測與監(jiān)測新模式，為該區(qū)域高效安全鉆井提供了技術(shù)保障[6]。在鄂爾多斯盆地致密油的開發(fā)中，基于三維精細地質(zhì)建模，對鉆井位置、鉆井作業(yè)實施和地質(zhì)導向方案進行優(yōu)化，科學合理設(shè)計井眼軌跡，提高儲層鉆遇率，獲得了較高的單井產(chǎn)能[7]。同樣，在長寧—威遠頁巖氣區(qū)塊的產(chǎn)能建設(shè)中，針對該區(qū)塊儲層特點，圍繞井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆井提速、鉆井液性能和地質(zhì)導向等方面進行了一系列優(yōu)化調(diào)整和技術(shù)創(chuàng)新，形成了適用于該區(qū)塊的水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)[8]。為了安全高效開發(fā)我國深層頁巖氣資源，筆者對國內(nèi)外在氣藏精細地質(zhì)建模、鉆柱系統(tǒng)動力學模型、鉆柱摩擦阻力（以下簡稱摩阻）預測與控制、高效個性化鉆頭、鉆井參數(shù)智能控制、井壁穩(wěn)定與強化、人工智能輔助地質(zhì)導向等方面取得的研究進展進行了系統(tǒng)總結(jié)，針對四川盆地深層頁巖氣儲層特征，提出地質(zhì)工程一體化鉆井技術(shù)未來的攻關(guān)方向，以期對四川盆地深層頁巖氣儲層的安全高效鉆井提供支撐。

1 四川盆地深層頁巖氣儲層鉆井工程主要技術(shù)難題

四川盆地頁巖氣儲層埋藏深（普遍為3 000 m左右，部分已達5 000 m）、地質(zhì)構(gòu)造復雜、褶皺強烈、儲層埋深變化大。相比之下，美國頁巖氣儲層埋深較淺（一般介于800～3 000 m），儲層沉積更穩(wěn)定、構(gòu)造更平緩，旋轉(zhuǎn)導向鉆具+高性能鉆頭的大位移水平井鉆井技術(shù)較為成熟。2016年8—9月，Schlumberger公司采用“激進鉆井”模式的12口井數(shù)據(jù)顯示，單只鉆頭鉆井進尺平均值約為3 000 m，機械鉆速介于37～89 m/h，平均機械鉆速超過60 m/h，鉆井周期在7 d之內(nèi)[9]。由于四川盆地頁巖氣藏儲層地質(zhì)條件復雜，頁巖氣井的鉆井難度和成本都遠遠高于美國。

由于我國頁巖氣開發(fā)起步較晚，與國外頁巖氣儲層鉆井技術(shù)相比，還有一定差距。近10年來，針對四川盆地頁巖氣儲層的實際情況，在借鑒國外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國在頁巖氣水平井鉆井理論與技術(shù)、生產(chǎn)應用上均取得了一些創(chuàng)新研究成果。目前，已基本形成儲層埋深在3 500 m以淺的頁巖氣水平井的鉆井技術(shù)，但該技術(shù)不能滿足深層頁巖氣水平井的安全高效鉆井需求。

1.1 機械鉆速低，鉆井周期長

深層頁巖儲層地層強度高、破巖效率低，鉆頭牙齒吃入地層困難，導致平均機械鉆速普遍偏低，進入水平段的復合機械鉆速低于4 m/h（如瀘203井）。此外，隨著深層頁巖氣井水平位移延長，摩阻加大，托壓問題變得更為突出，定向機械鉆速與復合機械鉆速均明顯降低，鉆井難度和成本遠高于中淺層頁巖氣井。

1.2 井眼軌跡控制困難，水平井極限延伸長度受限

以渝西、自貢等區(qū)塊為例，深層頁巖地層傾角最高可達9°，在鉆井過程中部分水平段會上傾，鉆頭在斜層理、硬塑性及硬脆性交錯的復雜地層中鉆進穩(wěn)定性差；同時，常規(guī)導向鉆具組合（包含鉆頭、螺桿、隨鉆測量系統(tǒng)，其中隨鉆測量系統(tǒng)的英文縮寫為MWD）因MWD到鉆頭的距離遠，不能及時監(jiān)測井底情況，致使水平段井眼軌跡控制難度大，重新定向鉆入產(chǎn)層引起井眼軌跡的局部曲率過大，再加上長水平段整體鉆柱與井壁接觸長度增大，加劇了鉆柱與井壁的碰撞摩擦，易導致鉆柱托壓，嚴重制約鉆井速度的提高，進而限制了水平段的極限延伸長度。

1.3 井壁垮塌掉塊嚴重、井下復雜事故多

以長寧、威遠區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲層為代表，深層頁巖儲層脆性高、橫向非均質(zhì)性強、層理與裂隙發(fā)育，存在未知的微褶皺、小斷層和小破碎帶，局部地質(zhì)力學參數(shù)差異大，鉆井過程中井壁水化破壞、周期性垮塌等問題突出，再加上鉆井液加重、泥餅質(zhì)量降低和大尺寸巖塊沉降等因素的影響，導致水平段鉆柱摩阻扭矩增大，井壁失穩(wěn)加劇，甚至發(fā)生塌漏、卡鉆和掩埋鉆具等復雜事故。由于深層頁巖儲層地質(zhì)情況復雜，加上旋轉(zhuǎn)導向工具的導向頭直徑較大、工具與井壁的環(huán)空狹窄，一旦發(fā)生井壁垮塌，將加劇卡鉆或埋鉆的發(fā)生頻次，增加鉆井風險，延長鉆井周期，進而限制水平段的極限延伸長度。由此可見，要實現(xiàn)四川盆地深層頁巖氣儲層安全高效鉆井，必須采取地質(zhì)工程一體化思路。

2 地質(zhì)工程一體化、安全高效鉆井技術(shù)研究進展

2.1 頁巖氣儲層地質(zhì)建模

綜合利用地震、測井和巖心數(shù)據(jù)，在三維模型中精確表征頁巖氣儲層的非均質(zhì)性，是頁巖氣儲層地質(zhì)建模的難點[10]。2008年，周文等[11]運用變形應力場模擬、構(gòu)造主曲率和構(gòu)造濾波等方法評價了四川盆地西部坳陷須家河組砂巖儲層構(gòu)造裂縫分布特征。2013年，Suarez-Rivera等[12]、Petriello等[13]針對非均質(zhì)非常規(guī)油氣藏，提出了多尺度一體化表征方法，并應用于北美Haynesville頁巖氣盆地的地質(zhì)建模。近年來，四川盆地長寧—威遠頁巖氣區(qū)塊運用地震預測、測井評價等綜合地質(zhì)評價技術(shù)，建立了涵蓋構(gòu)造、儲層、天然裂縫、地質(zhì)力學等特征的地質(zhì)模型，定量刻畫了地質(zhì)工程關(guān)鍵參數(shù)的三維展布情況，實現(xiàn)了頁巖氣藏的三維可視化[8]。歐成華等[14-18]針對四川盆地多期次構(gòu)造的復雜地質(zhì)條件，提出了擠壓構(gòu)造體系潛在斷裂（隱形破裂帶）的定量判識新方法、基于構(gòu)造面幾何恢復的構(gòu)造裂縫三維建模方法和頁巖儲層頁理縫三維建模方法，建立了頁巖儲層高、低角度構(gòu)造縫和頁理縫網(wǎng)格模型，并采用構(gòu)造建模方法（基于水平井三維可視化地層對比）修正所建立的網(wǎng)格模型，揭示構(gòu)造裂縫和頁理縫的空間展布特征。2020年，Zhu等[19]針對涪陵區(qū)塊某平臺井，根據(jù)巖心與露頭識別、成像測井等資料，建立頁巖氣儲層天然裂縫、頁理縫三維空間展布模型，進而用于該區(qū)塊加密井四維地應力演化及復雜裂縫擴展數(shù)值模擬研究。

精細地質(zhì)建模技術(shù)是地質(zhì)工程一體化鉆井技術(shù)的關(guān)鍵。在強烈的多期次構(gòu)造運動下，四川盆地深層頁巖氣儲層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，天然裂縫系統(tǒng)和層理裂隙發(fā)育，地震資料分辨率低，大量微褶皺、小斷層和小破碎帶無法被解釋出來[20]，頁巖巖石力學特征及地應力空間展布特征差異大，不同尺度天然裂縫系統(tǒng)、不同區(qū)域局部地應力和巖石力學特征參數(shù)的準確預測難度大，現(xiàn)有的研究成果仍難以精細描述頁巖儲層的三維空間展布特征。

2.2 鉆柱—井壁—鉆頭—巖石系統(tǒng)動力學

2.2.1 鉆柱系統(tǒng)動力學模型

1950年，Lubinski[21]首次對鉆柱靜力學（考慮底部鉆具組合和扶正器）進行了系統(tǒng)研究。1974年，F(xiàn)ischer等[22]運用鉆柱微分方程，對二維、靜態(tài)、常井眼曲率的底部鉆具組合的受力狀態(tài)進行了分析。1990年，Apostal等[23]首先使用達朗貝爾原理，在靜力學分析的基礎(chǔ)上，引入慣性力和摩擦力，建立了三維鉆柱動力學系統(tǒng)有限元模型。1995年，Gao等[24]建立了鉆頭與巖石互作用矢量模型，在此基礎(chǔ)上預測了水平井井眼軌跡。同年，李子豐等[25]針對鉆柱工作狀態(tài)，建立了非線性動力學基本方程，進而研究了導向鉆具組合的受力情況。2009年，Germay等[26]基于連續(xù)波動方程及鉆頭—巖石互作用經(jīng)驗模型，建立了鉆井系統(tǒng)動力學模型。2017年，Chen[27]研究了鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和底部鉆具組合構(gòu)型對鉆頭導向力的影響。

1994年以來，在馬德坤教授的指導下，劉清友等[28-30]首次將鉆頭與巖石互作用作為鉆柱系統(tǒng)動力學模型的下端邊界條件，率先建立了深井鉆柱—鉆頭—巖石系統(tǒng)動力學模型，揭示高速牙輪鉆頭動力學行為特征和破巖機理，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鉆頭與井底巖石互作用仿真軟件，并轉(zhuǎn)讓給國內(nèi)外知名鉆頭制造商（如美國Smith Tools公司）；隨后，針對復雜結(jié)構(gòu)井，考慮底部鉆具組合、扶正器、鉆頭—巖石互作用等因素的影響，持續(xù)開展了一系列鉆柱系統(tǒng)動力學研究，建立了復雜結(jié)構(gòu)井鉆柱—鉆頭—巖石系統(tǒng)動力學模型，揭示了三維井眼軌跡、鉆井參數(shù)、鉆具組合、地層性質(zhì)等因素對鉆柱整體受力和運動的影響規(guī)律，實現(xiàn)了對鉆柱—鉆頭—巖石系統(tǒng)力學關(guān)系的定量分析[31]。

現(xiàn)有鉆頭—巖石互作用模型大多假設(shè)地層為各向同性，而四川盆地頁巖儲層具有強非均質(zhì)性，牙齒切削徑向不平衡力易導致鉆頭在井底偏移，從而使鉆頭穩(wěn)定性變差，增加了鉆柱系統(tǒng)動力學行為的復雜性。頁巖儲層鉆柱系統(tǒng)動力學模型，必須考慮頁巖儲層的各向異性特征。

2.2.2 鉆柱摩阻預測與控制技術(shù)

1984年，Johancsik等[32]研究了鉆柱摩阻，首次提出微單元力軟桿模型。1988年，Lesage等[33]考慮鉆柱剛性、扶正器位置、環(huán)空間隙等因素，建立了摩阻計算模型，在此基礎(chǔ)上，研究了上述因素對鉆進摩阻的影響。1991年，劉延強等[34]基于鉆柱與井壁完全撞擊和連續(xù)接觸的情況，建立了鉆柱與井壁動態(tài)摩擦的接觸模型，并且編制相應程序，進而對鉆柱結(jié)構(gòu)靜力分析的局限性進行了分析。1997年，高德利等[35]研究了水平段管柱屈曲對鉆井摩阻的影響機理。2013年，陳勇等[36]應用有限元方法揭示了鉆柱屈曲行為、軌跡控制及鉆井液密度對水平井鉆井過程中摩阻的影響機理。2015年，Huang等[37]對管柱屈曲邊界條件進行了深入研究；2017年，劉清友等[38]通過理論與仿真研究，展示了實鉆水平井井眼接觸形態(tài)的變化過程，揭示了井眼接觸形態(tài)對鉆進摩阻的影響規(guī)律。

長寧區(qū)塊頁巖氣水平井水平段長普遍超過1 500 m，井斜角較大（高達103°），鉆柱與井壁摩擦碰撞嚴重，導致水平段鉆進摩阻與扭矩增大，托壓嚴重，發(fā)生鉆具屈曲失效的風險高，水平段延伸長度受到限制[39]；由于井壁垮塌問題嚴重，若采用常規(guī)機械減阻方法（水力振蕩器等），垮塌、卡鉆現(xiàn)象將更容易發(fā)生。因此，提升鉆井液潤滑性能和精準控制井眼軌跡是使鉆柱在水平段降摩減阻的關(guān)鍵。

2.3 個性化鉆頭與鉆井參數(shù)智能控制

2.3.1 高效破巖機理及個性化鉆頭設(shè)計方法

從20世紀50年代末開始，針對牙齒破碎巖石開展了大量研究，主要采用室內(nèi)實驗方法、經(jīng)驗法、有限元法、離散元法和數(shù)值仿真方法。1994年，馬德坤[40]、周德勝等[41]建立了反映牙輪鉆頭破巖特點的鉆頭牙齒與巖石垂向互作用仿真模型，為牙輪鉆頭優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。1994年，練章華[42]采用單齒圈牙輪鉆頭進行破巖實驗，對井底破碎坑進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，建立了破碎坑尺寸與齒面結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井參數(shù)、巖石特性參數(shù)的數(shù)學模型。1998—2003年，劉清友等[43]先后搭建了盤式單牙輪鉆頭臺架實驗系統(tǒng)，開展了盤式鉆頭的破巖機理研究。2003年，鄒德永等[44]研究了PDC鉆頭軌跡方程及切削參數(shù)計算方法。之后，劉清友等[45]、練章華等[46]、況雨春等[47-50]基于單齒刮切實驗、全鉆頭破巖實驗及巖石力學理論，研究了切削齒的齒形和齒徑、切削面積和深度、接觸弧長、側(cè)傾角、圍壓、切削齒磨損深度與鉆進參數(shù)之間的關(guān)系，以及上述因素對破巖效果的影響。目前，PDC鉆頭主要采用單軌螺旋線布齒方法，鉆頭破巖狀態(tài)穩(wěn)定，破巖效率高，并且該布齒方式加工制造成本低，因而被廣泛使用[49]。

然而，隨著鉆井逐漸向深層邁進，對鉆頭牙齒的破巖效率、耐磨與抗沖擊綜合性能提出了更高挑戰(zhàn)。PDC平面齒破巖以剪切應力為主，其在硬質(zhì)頁巖儲層的鉆井過程中吃入困難、破巖效率低，巖石的塑性特征加劇了鉆頭黏滑效應，復合片容易出現(xiàn)沖擊損傷問題，而牙輪—PDC復合鉆頭的沖擊刮切破巖方式在硬質(zhì)巖中鉆進效果較好，但其牙輪軸承極易損壞[51]。楊迎新等[52]提出了PDC鉆頭內(nèi)鑲式串行齒新技術(shù)，主切削齒和二級齒相組合，構(gòu)成串行齒復合切削結(jié)構(gòu)，打破了金剛石鉆頭不能鉆巨厚礫石層的禁區(qū)。2015年以來，圓錐齒[53]、屋脊齒[54]等非平面齒概念相繼被提出。Gumich等[55]以脊狀PDC切削齒為研究對象，開展了單齒切削室內(nèi)實驗，發(fā)現(xiàn)該新型齒具有耐久性好、重量輕、切削速度快等優(yōu)點。近年來，中石化江鉆石油機械有限公司研發(fā)了攻擊性、抗沖擊性及耐磨性均較強的斧形齒，在塔里木盆地深層致密砂巖難鉆地層和四川盆地頁巖氣儲層鉆井中已得到規(guī)?；瘧?。

與常規(guī)平面齒相比，非平面齒金剛石層表面的多維結(jié)構(gòu)使其破巖方式屬于擠壓、拉張、剪切混合模式，由于加工方式取得突破，非平面齒在外形設(shè)計上有較大發(fā)展空間，同時，不同的切削齒多維幾何外形、巖石類型差異將使其在破巖過程中的損傷模式研究變得更困難；另外，采用非平面切削結(jié)構(gòu)使單齒在圓周運動中受到的徑向不平衡力與切削齒布齒參數(shù)的關(guān)系更復雜，若設(shè)計參數(shù)不合理將導致不平衡力異常，出現(xiàn)鉆頭環(huán)切、定向困難等問題。目前，為了滿足深層復雜難鉆地層對高效鉆井的需求，雖然力推非平面齒，但是對其破巖機理，還未開展系統(tǒng)理論研究，導致在實踐中還存在諸多認識上的誤區(qū)。特別是對于硬塑性及硬脆性交錯、存在斜層理的深層頁巖儲層，適用于非平面齒、牙輪—PDC復合鉆頭等新型破巖方式的鉆頭設(shè)計理論仍然缺乏。針對復雜難鉆地層，劉清友等[56]提出了一種新的個性化鉆頭動態(tài)設(shè)計方法。該方法綜合考慮了地層巖性和井壁—鉆柱—鉆頭—巖石系統(tǒng)動力學特征，打破了單因素、靜態(tài)、批量化的傳統(tǒng)鉆頭設(shè)計方法，實現(xiàn)了從考慮地層單因素到地層巖石非均質(zhì)性、鉆井工況參數(shù)、鉆柱振動等多因素，從考慮鉆頭靜態(tài)破巖到井壁—鉆柱—鉆頭—巖石系統(tǒng)動態(tài)破巖，從考慮單個型號、批量化設(shè)計加工到根據(jù)地層巖性變化、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井工藝、鉆井液參數(shù)進行個性化鉆頭動態(tài)設(shè)計的新理論與新方法[51]。

2.3.2 鉆井參數(shù)智能控制技術(shù)

復雜結(jié)構(gòu)井在鉆井過程中，鉆進參數(shù)合理可以有效降低鉆柱振動、增強鉆頭穩(wěn)定性、延長鉆頭壽命、提高機械鉆速。早在1924年，蘇聯(lián)研制成功世界上首個鉆井參數(shù)自動控制裝置，該裝置主要基于鉆壓、鉆速、扭矩恒定條件下的鉆井參數(shù)自動控制原理[57]。由于上述3個參數(shù)從井底傳遞到地面的響應時間長，鉆井參數(shù)自動控制精度難以保證，且極易因為數(shù)據(jù)誤差導致鉆壓過載而損壞鉆頭。Beaufort等[58]、Moore[59]首次提出利用井下牽引機器人拖曳連續(xù)油管鉆井管串的概念，完成了鉆井機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及工程樣機研制，但未見公開的理論研究文獻及鉆井現(xiàn)場應用報道。2001年，Sigmund[60]提出了獾式鉆探機器人的概念，這是一種不能重復使用的勘探工具，因而不能用于常規(guī)油氣開發(fā)井的鉆井作業(yè)。在井壁—鉆柱—鉆頭—巖石系統(tǒng)動力學研究的基礎(chǔ)上，劉清友等[61-62]率先提出了未來智能鉆井系統(tǒng)的新概念，即根據(jù)鉆井參數(shù)、測井數(shù)據(jù)并且聯(lián)合地面全自動鉆機，通過機器人來實現(xiàn)閉環(huán)鉆井控制。之后，該研究團隊提出了主動螺旋驅(qū)動輪式井下鉆井機器人結(jié)構(gòu)方案，其驅(qū)動輪和管壁/井壁之間形成一個減速機構(gòu)，在不增加機器人零件的情況下，提高了機器人的減速比[63-65]。2019年，采用自鎖支撐原理，研制了雙斜塊大牽引力連續(xù)油管鉆井機器人，解決了由于支撐力不足導致的牽引力不足問題，有效提高了連續(xù)油管鉆井機器人的牽引力[66]；同時，基于常規(guī)井下牽引器，通過在其內(nèi)部設(shè)置鉆井液流動通道，研制出連續(xù)油管鉆井機器人，并且開展了動態(tài)破巖實驗研究（圖1）；然后，率先提出連續(xù)油管鉆井機器人牽引力、牽引速度聯(lián)合控制方法，通過電比例溢流閥與節(jié)流閥分別控制進入鉆井機器人的鉆井液壓力和流量，實現(xiàn)了對鉆壓、鉆速的精確智能控制，在此基礎(chǔ)上，建立了連續(xù)油管鉆井機器人牽引力、牽引速度聯(lián)合控制數(shù)學模型[67-69]。

圖1 井下機器人動態(tài)破巖測試實驗照片

為解決頁巖氣水平井鉆井存在的托壓難題，國外學者研發(fā)了水力加壓器、水力振蕩器等降摩減阻工具[70-72]，此類工具在一定程度上可以減輕由于托壓引起的鉆壓加載困難的情況，但隨著水平段段長增加，鉆井參數(shù)加載效果仍有待提升。目前，國內(nèi)外普遍使用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，以解決鉆柱托壓難題，但旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)只能控制井眼軌跡，無法進行鉆井參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。而井下機器人可以實現(xiàn)對鉆壓、鉆速的智能控制，有望成為解決水平段鉆進過程中拖壓問題的新方法。

2.4 頁巖氣水平井井壁安全與強化技術(shù)

井壁失穩(wěn)垮塌將增大鉆柱摩阻，甚至掩埋鉆具，同時垮塌掉落的巖屑清洗困難，導致鉆井風險明顯增大。井壁頻繁垮塌是制約頁巖氣井長水平段安全高效鉆井的主要問題。1940年，Westergaard[73]發(fā)表了第一篇關(guān)于井壁穩(wěn)定性研究的論文，之后國內(nèi)外學者從力學失穩(wěn)、化學失穩(wěn)，到進行力學—化學耦合，持續(xù)開展了大量實驗和理論研究。1990年，Yew等[74]通過頁巖浸泡實驗研究了頁巖吸水后力學強度的變化，分析了頁巖密度、屈服強度、吸水膨脹量、吸水量和離子類型、濃度間的關(guān)系。1995年，Chen等[75]建立了泥頁巖物理力學參數(shù)與含水量的非線性關(guān)系，以線彈性力學為基礎(chǔ)，采用有限差分法求解了井周圍巖水化應力。2001—2003年，Yu等[76-77]建立了基于熱、化學和孔隙彈性效應耦合的頁巖井壁穩(wěn)定性模擬三維模型。該模型能夠模擬鉆井過程中井周溫度場變化及鉆井液侵入地層的過程，并且對該過程中井周頁巖的強度下降進行了量化研究，可以較準確地預測頁巖井壁應力狀態(tài)及其破壞情況，對頁巖地層井壁穩(wěn)定性建模研究具有重要指導作用。2009年，Ghassemi等[78]、Zhou等[79]針對膨脹性頁巖，同樣基于力學—化學—熱耦合，建立線性與非線性有限元模型來研究井壁穩(wěn)定性，結(jié)果表明溫度升高、鹽度降低將明顯增大孔隙壓力、徑向應力和總應力，對井壁穩(wěn)定性影響大。2014年，程萬等[80]基于最小耗散能原理和損傷力學，建立了含頁巖損傷演化、損傷閾值應變、極限損傷變量的頁巖損傷力學模型，該模型可以用于頁巖地層坍塌壓力的預測。2018年，Yan等[81]針對裂縫摩擦系數(shù)的影響因素開展了進一步實驗研究?？梢钥闯?，目前關(guān)于頁巖儲層井壁失穩(wěn)的機理研究大多數(shù)集中于井周巖體的力學—化學耦合模型建立和數(shù)值模擬等方面，而對于頁巖裂縫/層理面的摩擦行為，及其對頁巖儲層井壁穩(wěn)定性的影響，尚缺乏實驗和理論研究。

在破碎性頁巖長水平段的鉆井過程中，由于儲層壓力系數(shù)高、易垮塌，往往將鉆井液密度加重至超過2.0 g/cm3；為了提升優(yōu)質(zhì)儲層段鉆遇率，常頻繁調(diào)整井眼軌跡；加上井壁掉塊/垮塌導致泥餅質(zhì)量降低、大尺寸巖塊沉降等因素，造成井筒水平段攜巖困難、摩阻扭矩增大，進一步增大了井下復雜情況發(fā)生的概率。為了防止頁巖氣水平井井壁垮塌，現(xiàn)場多采用油基鉆井液，但該難題仍難以完全克服。因此，開展井周巖體力學—化學破壞、頁巖微裂縫面摩擦行為和降摩減阻等因素對井壁穩(wěn)定性的影響研究，將是深層頁巖井壁失穩(wěn)機理研究的主要內(nèi)容。

2.5 頁巖氣鉆井地質(zhì)導向技術(shù)

2016年，范翔宇等[82]通過優(yōu)選的鄰井錄井、測井等資料，運用支持向量機算法，對頁巖氣地質(zhì)導向隨鉆測井曲線進行預測，通過對比實時隨鉆測井曲線和預測曲線，不斷優(yōu)化、調(diào)整鉆頭鉆進軌跡，提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率。2019年，顏磊等[83]采用巖心刻度、元素錄井、巖屑伽馬能譜錄井、隨鉆測量等方法建立了巖石組分含量、孔隙度、有機碳含量、含氣量及脆性隨鉆評價模型，形成了一套適用于川西南地區(qū)寒武系筇竹寺組頁巖氣儲層的復合地質(zhì)導向方法，并在現(xiàn)場取得了良好應用效果。自2011年以來，中國石油川慶鉆探工程有限公司逐步建立起水平井一體化地質(zhì)導向軟件平臺，應用該軟件平臺對三維地震、隨鉆測井、綜合錄井進行一體化處理解釋，通過巖屑識別和成分分析，精確控制水平井軌跡，從而形成了水平井一體化地質(zhì)導向技術(shù)[84]。該技術(shù)在長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)已推廣應用，通過優(yōu)化鉆井軌跡，縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本，并且優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率和單井氣產(chǎn)量顯著提高。對于深層頁巖而言，由于儲層靶體厚度更薄（優(yōu)質(zhì)儲層靶體厚度僅介于1～2 m）、地震資料分辨率低、隨鉆測井及元素錄井數(shù)據(jù)與實際地層偏差大，導致井眼軌跡控制難度大，嚴重影響水平段的極限延伸能力、套管完井質(zhì)量、壓裂改造效果和單井氣產(chǎn)量，人工智能輔助地質(zhì)導向技術(shù)與新型隨鉆測量工具的研發(fā)將是主要攻關(guān)方向。

3 四川盆地深層頁巖氣儲層地質(zhì)工程一體化鉆井的主要攻關(guān)方向

由于四川盆地深層頁巖氣儲層特征的復雜性屬世界罕見，要解決深層頁巖氣儲層鉆井的主要技術(shù)難題，必須從精細地質(zhì)建模、室內(nèi)實驗、基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬與新型提速工具研制等方面開展系統(tǒng)研究，為深層頁巖氣安全高效開發(fā)提供支撐。主要技術(shù)攻關(guān)方向涉及以下5個方面。

3.1 精細地質(zhì)建模和精確地質(zhì)導向

通過新技術(shù)與新裝備的研究來提高地震資料的分辨率，采用CT掃描、顯微設(shè)備觀察、巖心與露頭識別、地球物理識別與反演等多種手段，并且充分利用人工智能大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立能夠識別微褶皺、小斷層和小破碎帶的新模型、新算法，構(gòu)建更精確的地質(zhì)模型。研發(fā)新型高精度導向測量工具，開展人工智能輔助地質(zhì)導向技術(shù)研究，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件，實現(xiàn)井眼軌跡高精度控制，提升優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率，為后續(xù)完井、壓裂改造和生產(chǎn)提供高質(zhì)量井眼。

3.2 高溫高壓真三軸全尺寸破巖測試方法及高效長壽命個性化鉆頭

研發(fā)高溫高壓原位可鉆性評價系統(tǒng)、全尺寸鉆頭在高溫高壓條件下的真三軸破巖模擬實驗測試系統(tǒng)及測試方法，考慮不同齒形鉆頭和復合鉆頭處于擠壓—拉張—剪切混合、沖擊—刮切復雜破巖模式，揭示深層頁巖動態(tài)損傷及破碎特征。開展深層頁巖原位條件下的巖石力學與可鉆性實驗研究，建立不同齒形鉆頭與深層頁巖動力學相互作用模型，揭示復雜破巖方式下個性化鉆頭的動態(tài)破碎機理，研發(fā)高效長壽命個性化鉆頭，進而縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

3.3 長水平段鉆井參數(shù)智能控制機器人

現(xiàn)有連續(xù)油管牽引器和旋轉(zhuǎn)導向工具，均需要將信號傳輸?shù)降孛?，然后進行地面操作控制。然而，在鉆井過程中信號存在滯后并且精度不高，無法實現(xiàn)實時智能控制。同時，現(xiàn)有連續(xù)油管牽引器只能用于井下牽引作業(yè)，并且內(nèi)部未設(shè)置鉆井液流動通道，其牽引力也有限。對于深層頁巖氣儲層，在鉆井過程中為了避免黏滯效應造成的托壓、卡鉆事故，鉆柱應持續(xù)旋轉(zhuǎn)，但截至目前還未見隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的井下鉆井機器人的相關(guān)報道。因此，需要迫切研究深層頁巖氣儲層非均質(zhì)性與各向異性、水平段井眼曲率、鉆頭結(jié)構(gòu)、井壁泥餅性能等對鉆柱系統(tǒng)動力學特征、鉆頭軌跡的影響規(guī)律，找到鉆進托壓產(chǎn)生的原因，研制鉆井參數(shù)智能控制機器人，增大水平段延伸長度，從而提高深層頁巖氣開發(fā)經(jīng)濟效益。

3.4 綠色環(huán)保強封堵、強抑制、降阻防塌鉆井液

油基鉆井液對環(huán)境影響大，并且鉆屑處理成本高、難度大。因此，頁巖氣儲層鉆井越來越多地使用水基鉆井液。目前，國內(nèi)已有多種高性能水基鉆井液在頁巖氣水平井鉆井現(xiàn)場取得了較好應用效果，如中石化石油工程技術(shù)研究院研發(fā)的高性能水基鉆井液[85]，但從現(xiàn)場應用情況看，井壁坍塌、掉塊等問題仍未能完全解決，并且，由于水基鉆井液潤滑性能不理想，導致鉆柱摩阻與扭矩較大。因此，研制綠色環(huán)保、強封堵、強抑制、高潤滑性鉆井液體系迫在眉睫。同時，還需要研究天然裂縫亞臨界擴展和表面摩擦行為等對井壁失穩(wěn)的影響規(guī)律，揭示深層頁巖井壁失穩(wěn)坍塌機理，研發(fā)封堵—抑制—攜巖—潤滑協(xié)同增效的多級多尺度降阻防塌、綠色環(huán)保鉆井液處理劑，為提升深層頁巖氣水平井鉆井安全性提供支撐。

3.5 深層頁巖氣儲層地質(zhì)—工程—生態(tài)一體化鉆井技術(shù)

近年來，地質(zhì)工程一體化鉆井技術(shù)通過在現(xiàn)場應用，取得了一定成績，但對于該領(lǐng)域的研究對象與研究目的，還存在不同的意見，并且研究成果的應用效果差別也較大；由于在數(shù)據(jù)管理模式及數(shù)據(jù)共享制度上存在差異，導致油田的鉆井與地質(zhì)數(shù)據(jù)難以充分融合，存在“異化”現(xiàn)象，迫切需要規(guī)范地質(zhì)工程一體化的研究目的與研究內(nèi)容，與通常的油氣田開發(fā)地質(zhì)研究區(qū)別開來[86]。充分利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，基于地質(zhì)、地球物理、鉆完井及生產(chǎn)動態(tài)資料進行地質(zhì)—力學精細建模，研發(fā)涵蓋井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆具組合、個性化鉆頭、綠色環(huán)保高性能鉆井液、井壁穩(wěn)定與強化、人工智能輔助地質(zhì)導向等方面的鉆井參數(shù)人工智能優(yōu)化設(shè)計平臺，采用多學科融合來解決深層頁巖氣儲層鉆井工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，將成為地質(zhì)—工程—生態(tài)一體化鉆井技術(shù)的重要研究方向。

4 結(jié)束語

鉆井地質(zhì)工程一體化是以地質(zhì)研究為基礎(chǔ)，根據(jù)鉆遇的地層特征對鉆井方案進行優(yōu)化調(diào)整，以確保鉆井作業(yè)安全高效；同時，運用鉆井過程中獲取的地層數(shù)據(jù)，反過來修正、更新地質(zhì)模型，最終形成適用于某具體區(qū)塊的優(yōu)化鉆井方案設(shè)計模板。由于四川盆地深層頁巖氣地質(zhì)特征復雜，水平井鉆井面臨鉆速低、井壁掉塊垮塌嚴重、井眼軌跡控制難等技術(shù)難題，迫切需要開展鉆井地質(zhì)工程一體化研究，盡快實現(xiàn)該盆地深層頁巖氣儲層的安全高效鉆井作業(yè)。目前，我國地質(zhì)工程一體化鉆井技術(shù)研究雖取得了一定進展，但各學科還需要進一步融合，針對現(xiàn)場復雜地質(zhì)特征，重點開展高效破巖和井壁安全研究，結(jié)合考慮生態(tài)環(huán)保需求，建立地質(zhì)—工程—生態(tài)一體化的安全高效鉆井技術(shù)，以期為我國深層頁巖氣綠色開發(fā)提供理論與技術(shù)指導。