非常規(guī)油氣井工程技術(shù)若干研究進(jìn)展

高 德 利

中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

我國(guó)擁有豐富的非常規(guī)油氣資源[1]，特別是頁(yè)巖氣可開采資源量位居全球第二（僅次于美國(guó)），頁(yè)巖油開發(fā)潛力也很大。同時(shí)，我國(guó)石油和天然氣的對(duì)外依存度逐年攀升，2020年石油對(duì)外依存度超過了73%，天然氣對(duì)外依存度也超過了43%，已成為全球最大的石油和天然氣進(jìn)口國(guó)。因此，亟需加大國(guó)內(nèi)油氣資源的勘探開發(fā)力度，力求大幅度增加油氣儲(chǔ)量并提高油氣產(chǎn)量（亦即油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)），必然對(duì)非常規(guī)油氣資源高效開發(fā)問題更加關(guān)注。我國(guó)受北美“頁(yè)巖革命”的影響較大，相關(guān)研究與實(shí)踐在國(guó)內(nèi)也搞了10多年，雖然取得了良好的進(jìn)展和成效，但相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國(guó)際領(lǐng)先水平相比仍存在著較大的差距。事實(shí)上，我國(guó)頁(yè)巖油氣產(chǎn)量與美國(guó)相差甚遠(yuǎn)，“頁(yè)巖革命”發(fā)展現(xiàn)狀仍不容樂觀。因此，在加大國(guó)內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)力度的新形勢(shì)下，有必要大力推進(jìn)我國(guó)的“頁(yè)巖革命”，以期大幅度提升頁(yè)巖、致密砂巖、煤層及重油等非常規(guī)油氣資源在國(guó)內(nèi)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)中的接替比例。

所謂“頁(yè)巖革命”，實(shí)質(zhì)上是石油與天然氣工程領(lǐng)域的一場(chǎng)技術(shù)革命，使原本沒有開采價(jià)值的頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等非常規(guī)油氣資源得以經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)。以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式水平井，是高效開發(fā)非常規(guī)、低滲透等難開采油氣田的先進(jìn)井型技術(shù)，相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新研究與進(jìn)步在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。事實(shí)上，北美的“頁(yè)巖革命”主要依賴于水平井與叢式水平井工程，其關(guān)鍵核心技術(shù)包括：水平井目標(biāo)段和叢式井網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，水平井定向鉆井，水平目標(biāo)井段分級(jí)壓裂完井，以及先進(jìn)的“井工廠”作業(yè)模式等。所謂“井工廠”，是指在同一個(gè)井場(chǎng)里集中布置和建設(shè)多口甚至一大批相似井（如定向井、水平井等井型），形成以叢式井為基本特征的一個(gè)“井工廠”，雖然在井場(chǎng)地面諸多井口之間相距很近，但每口井欲鉆達(dá)的地下油氣藏目標(biāo)則相互偏離井場(chǎng)較遠(yuǎn)，從而有效擴(kuò)大了油氣田的開發(fā)控制范圍。所謂“井工廠”作業(yè)模式，就是圍繞同一井場(chǎng)里眾多相似井的建設(shè)目標(biāo)任務(wù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的工程裝備與技術(shù)服務(wù)，以流水線方式（批量）實(shí)施鉆井、完井、壓裂等主要工程環(huán)節(jié)的一種高效作業(yè)模式，由此可以節(jié)約大量的工程作業(yè)時(shí)間和成本。

筆者針對(duì)叢式水平井大型化設(shè)計(jì)、定向鉆井“一趟鉆”高效作業(yè)、井下電加熱開采及煤層氣高效開發(fā)等非常規(guī)油氣井工程技術(shù)問題，簡(jiǎn)要綜述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹筆者團(tuán)隊(duì)的相關(guān)創(chuàng)新研究成果，供廣大同行學(xué)者和相關(guān)工程技術(shù)人員參考并指正。

1 頁(yè)巖氣井工廠大型化設(shè)計(jì)研究

“井工廠”作業(yè)模式有利于滿足節(jié)省土地資源、降本增效和安全環(huán)保等重大需求。如何有效增加單個(gè)井場(chǎng)布井?dāng)?shù)量，使頁(yè)巖氣叢式水平井大型化，能夠基于同一個(gè)鉆井平臺(tái)增大頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的開發(fā)控制半徑，是推進(jìn)我國(guó)“頁(yè)巖革命”迫切需要解決的重大科技難題。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

以叢式水平井為基本特征的“井工廠”作業(yè)模式應(yīng)用于頁(yè)巖油氣開采始于21世紀(jì)初的美國(guó)[2]，隨后該作業(yè)模式被廣泛應(yīng)用于美國(guó)與加拿大頁(yè)巖油氣區(qū)塊[3]。2011年中國(guó)石化在大牛地氣田和勝利油田頁(yè)巖區(qū)塊應(yīng)用了“井工廠”作業(yè)模式，實(shí)施了6井式叢式水平井工程[4]；2012年，中國(guó)石油在威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧區(qū)塊以及蘇里格氣田應(yīng)用了“井工廠”作業(yè)模式，開發(fā)了9井式叢式水平井工程[5]。通過“井工廠”作業(yè)模式在國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣田開發(fā)中的不斷試驗(yàn)與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者積極探索了適合“井工廠”作業(yè)模式的布井方式[6]。

2014年油價(jià)下行后，美國(guó)石油公司通過對(duì)“井工廠”作業(yè)模式進(jìn)行優(yōu)化等措施[7]，有效提高了基于叢式水平井的頁(yè)巖油氣田綜合開發(fā)效率。我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層條件不同于美國(guó)，如美國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深一般介于1 500～3 500 m，且儲(chǔ)層厚度較大，而我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深則大部分超過了3 500 m，儲(chǔ)層厚度較薄，因此不宜照搬美國(guó)頁(yè)巖開采的理論方法與工藝技術(shù)。2018年，筆者[8]指出大型叢式水平井工程模式及其技術(shù)支撐體系的創(chuàng)新突破，是推進(jìn)我國(guó)“頁(yè)巖革命”的關(guān)鍵所在，并提出了地質(zhì)與工程一體化的設(shè)計(jì)控制理念，其中大位移鉆井是創(chuàng)建大型“井工廠”的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。大位移鉆井受到機(jī)械、地層和水力等約束條件的影響[9]，并建立了大位移鉆井延伸極限計(jì)算模型[9]。

大型“井工廠”設(shè)計(jì)建設(shè)的另一個(gè)限制因素是定向鉆井繞障防碰問題。周大千等[10]對(duì)障礙物進(jìn)行了分類并建立了數(shù)學(xué)模型以描述直井、定向井和礦床障礙物，在此基礎(chǔ)上建立了斜平面試算法來設(shè)計(jì)繞障軌道；筆者團(tuán)隊(duì)[11]提出了頁(yè)巖氣側(cè)鉆井繞障設(shè)計(jì)新方法，通過矢量代數(shù)法直接對(duì)三維空間內(nèi)的障礙物進(jìn)行繞障設(shè)計(jì)。

筆者團(tuán)隊(duì)考慮了山區(qū)頁(yè)巖氣叢式水平井的布井模式，提出了定向鉆井延伸極限模型來量化叢式水平井的大型化程度[12-13]；考慮了水平井壓裂裂縫的影響，建立了適合頁(yè)巖氣加密調(diào)整井的防碰繞障軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型[14]。

1.2 叢式水平井定向鉆井延伸極限設(shè)計(jì)研究

如圖1所示，均勻布井模式因其能在同面積的區(qū)域內(nèi)開采最大面積的儲(chǔ)層，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)山區(qū)頁(yè)巖氣的開采。在均勻布井模式下，水平段的長(zhǎng)度、深度和空間朝向等參數(shù)在進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)前，已經(jīng)被氣藏工程優(yōu)化好。制約山區(qū)頁(yè)巖氣叢式水平井大型化的關(guān)鍵參數(shù)不再是傳統(tǒng)延伸極限模型中的水平段長(zhǎng)度（圖2-a中的p—q段長(zhǎng)度），而是定向鉆井延伸極限值（圖2-b中的CL）。如圖2-b所示，如果CL值越大，則叢式水平井對(duì)儲(chǔ)層的開發(fā)控制面積就越大。

圖1 山區(qū)頁(yè)巖氣均勻布井模型圖

圖2 傳統(tǒng)延伸極限模型與定向鉆井延伸極限模型的優(yōu)化目標(biāo)圖

筆者團(tuán)隊(duì)建立了考慮機(jī)械約束條件的定向鉆井延伸極限計(jì)算模型，其目標(biāo)函數(shù)為：

式中CL表示叢式水平井定向鉆井延伸極限值（圖2-b），m；p表示幾何約束參數(shù)，如水平井造斜點(diǎn)深度范圍、造斜曲率半徑范圍等；d表示機(jī)械約束參數(shù)，如鉆機(jī)能力、管柱強(qiáng)度等；c表示定向鉆井作業(yè)工況。

1.3 叢式水平井定向鉆井防碰繞障軌道設(shè)計(jì)研究

前人所建立的防碰繞障軌道設(shè)計(jì)模型，其中的障礙物模型只考慮井眼軌跡誤差。然而在頁(yè)巖氣壓裂區(qū)，設(shè)計(jì)井的壓裂井段影響域要避開已鉆水平井的壓裂井段影響域，否則兩口水平井的產(chǎn)能和井壁穩(wěn)定性會(huì)受到影響，因此障礙物不僅要考慮實(shí)鉆井眼軌跡測(cè)控誤差的影響，而且還要考慮水平井壓裂井段裂縫影響域的干擾作用。筆者團(tuán)隊(duì)建立了頁(yè)巖氣水平井壓裂井段耦合障礙物模型[14]，它既考慮了井眼軌跡測(cè)控誤差的影響，又考慮了壓裂井段的壓裂裂縫影響。根據(jù)所建立的耦合障礙物模型，給出了兩口水平井壓裂井段防干擾的幾何安全校核標(biāo)準(zhǔn)：

式中dⅢ表示兩口水平井壓裂段軸心線之間的最短距離，m；a1和a1表示兩口井水平壓裂段耦合障礙物的幾何特征參數(shù)，m。如果校核結(jié)果滿足式（2），則兩口水平井壓裂段互不干擾，否則需要重新設(shè)計(jì)新井壓裂段的井眼軌道。

2 “一趟鉆”作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究

以叢式水平井為基本特征的“井工廠”，是國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣高效開發(fā)的主流工程模式[9]。要?jiǎng)?chuàng)建大型“井工廠”，就必然挑戰(zhàn)大位移水平井工程作業(yè)極限，除了環(huán)保約束以外，關(guān)鍵是如何不斷提高水平鉆井的安全高效作業(yè)能力，即不斷提高大位移水平井延伸極限的預(yù)測(cè)精度和安全控制技術(shù)水平，同時(shí)還要持續(xù)推動(dòng)“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步。所謂“一趟鉆”技術(shù)，是指使用1只鉆頭、1套導(dǎo)向鉆具組合及1種鉆井液體系，實(shí)現(xiàn)一次下井就連續(xù)鉆完同一尺寸井眼的全部進(jìn)尺，是一種理想的安全高效破巖與導(dǎo)向鉆井技術(shù)。以水平井為例，其水平段一般長(zhǎng)達(dá)上千米甚至更長(zhǎng)，用“一趟鉆”打完整個(gè)水平段井眼并非易事。假設(shè)將水平井的水平段井眼長(zhǎng)度在1 000～5 000 m范圍內(nèi)平均劃分為9個(gè)等級(jí)，每個(gè)級(jí)差都是500 m，則其水平鉆井的“一趟鉆”作業(yè)能力可由低到高分成1～9級(jí)來評(píng)價(jià)。迄今，在頁(yè)巖氣工程中，國(guó)內(nèi)規(guī)?；姐@井的“一趟鉆”作業(yè)能力已達(dá)到2級(jí)（1 500 m）左右，個(gè)別水平井超過了3級(jí)（2 000 m）；相應(yīng)的國(guó)際先進(jìn)水平已達(dá)到5級(jí)以上，最好紀(jì)錄超過了9級(jí)（5 000 m）。為了不斷提高水平鉆井的“一趟鉆”作業(yè)能力，有必要在高效PDC鉆頭、導(dǎo)向鉆具組合、鉆井液體系及鉆井參數(shù)等方面加強(qiáng)交叉學(xué)科研究，既要打造“一趟鉆”技術(shù)利器，又要針對(duì)所鉆地層進(jìn)行個(gè)性化工程設(shè)計(jì)。

2.1 高效PDC鉆頭研究與應(yīng)用

高效鉆頭對(duì)于鉆井提速提效作用不可或缺，是實(shí)現(xiàn)油氣工程“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國(guó)在高效PDC鉆頭關(guān)鍵技術(shù)，如聚晶金剛石復(fù)合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡(jiǎn)稱 PDC）、動(dòng)態(tài)數(shù)值分析等方面取得了長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)鉆頭已經(jīng)能夠滿足常規(guī)鉆井作業(yè)的基本需求。但是，在極硬、強(qiáng)研磨、非均質(zhì)等難鉆地層，國(guó)產(chǎn)鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)仍與進(jìn)口的國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品存在較大差距，亟需在PDC鉆頭的超硬耐磨材料、個(gè)性化設(shè)計(jì)制造及鉆井提速等方面尋求技術(shù)突破，相關(guān)研究涉及力學(xué)、材料、高壓物理、機(jī)械、地質(zhì)及鉆井等諸多學(xué)科領(lǐng)域。

筆者團(tuán)隊(duì)通過“政、產(chǎn)、學(xué)”建立了高效PDC鉆頭研發(fā)中心，形成了PDC齒和PDC鉆頭的設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試及應(yīng)用一體化的基礎(chǔ)平臺(tái)條件。其中，PDC齒檢測(cè)平臺(tái)的軟硬件與國(guó)際油服公司（如NOV、Schlumberger等技術(shù)服務(wù)公司）相一致，達(dá)到了相應(yīng)的國(guó)際一流水平。通過分析評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外各類型PDC齒，逐步建立了PDC耐磨性、熱穩(wěn)定性和沖擊韌性的性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為高效PDC鉆頭選齒決策和新齒研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。研發(fā)中心還建立了單齒破巖和全尺寸鉆頭破巖的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖3），擁有多功能鉆井模擬實(shí)驗(yàn)、鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、高精密切削力測(cè)量、超高速同步攝像及三維（3D）形貌測(cè)量分析等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于研究PDC齒及其鉆頭與地層的相互作用機(jī)理，進(jìn)而提出高效破巖的PDC齒形和鉆頭設(shè)計(jì)方案。另外，研發(fā)中心還初步建立了PDC鉆頭設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)模擬分析平臺(tái)，針對(duì)難鉆地層提出多功能個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)方法，再基于動(dòng)態(tài)分析結(jié)果實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆頭布齒和水力設(shè)計(jì)，從而增強(qiáng)PDC鉆頭的適應(yīng)性和耐用性。

圖3 PDC齒熱穩(wěn)耐磨測(cè)試系統(tǒng)（VTL立車）照片

在鉆頭材料方面，筆者團(tuán)隊(duì)提出了超硬耐磨材料多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路，從而在宏觀上滿足PDC鉆頭多重應(yīng)用需求。其中，成功研制耐研磨孕鑲胎體材料，延長(zhǎng)了孕鑲金剛石鉆頭在強(qiáng)研磨性地層的使用壽命[15]；找到了影響PDC胎體鉆頭強(qiáng)度的決定性因素，結(jié)合顆粒多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功解決了PDC鉆頭刀翼的斷裂問題[16]；針對(duì)PDC鉆頭的沖蝕問題，研究了鉆頭材料在鉆井工況下的沖蝕磨損機(jī)理，研發(fā)了新型耐沖蝕材料，并設(shè)計(jì)建造了一套新型沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置[17]。在破巖機(jī)理方面，筆者團(tuán)隊(duì)通過單齒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（圖4），齒形對(duì)于PDC齒的破巖效率影響很大，材料對(duì)PDC齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性影響很大[18]；裝有平面圓形PDC齒的PDC鉆頭主要適用于軟到中硬巖層，而裝有異形PDC齒的PDC鉆頭，可應(yīng)用于非均質(zhì)和研磨性地層，并取得較高的鉆進(jìn)效率和進(jìn)尺[19]。

圖4 PDC齒破巖能耗分析與齒耐磨性測(cè)試圖

自2020年7月以來，筆者自主研制的高效PDC鉆頭陸續(xù)在勝利、新疆塔河等油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試用，已為43口井提供了個(gè)性化設(shè)計(jì)的PDC鉆頭，總進(jìn)尺超過了80 000 m，最快機(jī)械鉆速達(dá)到71.71 m/h。其中，在勝利油田羅176-斜3井沙四段硬塑性泥巖地層，平均提速達(dá)到84%；在塔河油田TK280井，進(jìn)尺4 277 m，機(jī)械鉆速26.48 m/h，與鄰井同開次相比，平均提速達(dá)到86%；在塔河油田TK352井，進(jìn)尺3 172 m，機(jī)械鉆速55.49 m/h，與鄰井同開次相比，平均提速達(dá)到159%。

2.2 導(dǎo)向鉆具組合技術(shù)研究

如何控制鉆頭定向鉆進(jìn)，按預(yù)定軌道或地質(zhì)導(dǎo)向鉆達(dá)目標(biāo)，直接關(guān)系到定向鉆井的質(zhì)量[20-21]。相應(yīng)的技術(shù)被稱為“井眼軌跡控制技術(shù)”，未來的發(fā)展目標(biāo)是井下智能鉆井系統(tǒng)，涉及力學(xué)、地質(zhì)、機(jī)電、測(cè)量、控制、通訊、人工智能及油氣工程等諸多學(xué)科領(lǐng)域。導(dǎo)向鉆具組合就是井眼軌跡控制的硬核技術(shù)，主要由導(dǎo)向工具、隨鉆測(cè)量?jī)x器及控制系統(tǒng)組成，相應(yīng)的技術(shù)裝備已達(dá)到較高的水平?，F(xiàn)場(chǎng)使用的導(dǎo)向工具主要是井下導(dǎo)向馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，隨鉆測(cè)量?jī)x器已普遍具備井斜、方位、導(dǎo)向工具面角及相關(guān)地質(zhì)和力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，而控制系統(tǒng)方面的先進(jìn)性則參差不齊，其中領(lǐng)先者已具備“機(jī)、電、液”一體化控制功能。我國(guó)在導(dǎo)向鉆具組合方面也取得了很大的技術(shù)進(jìn)步，但一直是以跟蹤為主，與國(guó)際領(lǐng)先水平仍存在較大差距，特別是最先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及其全球市場(chǎng)，幾乎都被美國(guó)的相關(guān)技術(shù)公司所壟斷，需要進(jìn)一步加大相關(guān)理論創(chuàng)新與技術(shù)自主研發(fā)的力度[21]。

磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)，是導(dǎo)向鉆井成套技術(shù)的重要組成部分，是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式井鄰井距離測(cè)控或精準(zhǔn)中靶隨鉆測(cè)控的關(guān)鍵核心技術(shù)，在U形水平井對(duì)接、雙水平井平行間距與方位隨鉆測(cè)控、救援井連通及叢式井隨鉆防碰等導(dǎo)向鉆井中具有不可或缺的重要作用，需要通過交叉學(xué)科研究實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。磁導(dǎo)向鉆井的技術(shù)關(guān)鍵包括井下磁信標(biāo)、微弱磁場(chǎng)高精度探測(cè)儀、測(cè)控算法與軟件系統(tǒng)等軟硬件技術(shù)，筆者團(tuán)隊(duì)15年前啟動(dòng)相關(guān)研究，已取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的豐碩研究成果[9,22]，并在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程中獲得現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與良好應(yīng)用實(shí)效，如筆者牽頭項(xiàng)目“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鄰井距離隨鉆探測(cè)與控制技術(shù)研究及應(yīng)用”獲2014年度中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

2.3 基于機(jī)械比能理論的鉆井參數(shù)優(yōu)化研究

基于室內(nèi)大量的鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)，Teale[23]于1965年率先提出了機(jī)械比能理論，并建立了機(jī)械比能原始模型。機(jī)械比能為破碎單位體積巖石所消耗的機(jī)械能量，它克服了地層的差異性，可以較好地表征鉆頭的破巖性能，并可以用來隨鉆評(píng)價(jià)鉆井效率?；跈C(jī)械比能理論的隨鉆優(yōu)化控制技術(shù)可望大幅度提高機(jī)械鉆速并減少不必要的起下鉆，為“一趟鉆”高效鉆井作業(yè)提供必要的技術(shù)支持。然而，機(jī)械比能原始模型是基于地面的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出來的，在缺乏近鉆頭鉆壓及扭矩的真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，利用此模型得出的機(jī)械比能值與實(shí)際情況往往存在較大誤差，特別是在水平井和大位移井鉆井工程中，地面輸入的機(jī)械能量一般存在較多的損耗，導(dǎo)致原始模型計(jì)算所得到的機(jī)械比能數(shù)據(jù)通常不可用。鑒于此，筆者團(tuán)隊(duì)考慮定向鉆井中機(jī)械破巖能量的損耗，建立了一套比較適用于定向鉆井機(jī)械比能的計(jì)算模型，并提出了一種定向鉆井鉆頭工作狀態(tài)判別與鉆井參數(shù)隨鉆優(yōu)化方法[24]。在此基礎(chǔ)上，又建立了定向鉆井螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的機(jī)械比能計(jì)算模型，提出了相應(yīng)的鉆井參數(shù)隨鉆優(yōu)化方法[25]，并在實(shí)際鉆井工程中獲得了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與良好應(yīng)用實(shí)效[9]。

實(shí)際上，由于在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式井工程中涉及諸多復(fù)雜影響因素，目前還無法完全做到對(duì)鉆頭機(jī)械比能進(jìn)行精確計(jì)算，因而難以對(duì)鉆井參數(shù)實(shí)現(xiàn)隨鉆定量?jī)?yōu)化與智能控制。展望未來，伴隨井下隨鉆精確測(cè)量技術(shù)與深地測(cè)量信息傳輸技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，可望推動(dòng)基于機(jī)械比能理論的鉆井參數(shù)隨鉆優(yōu)化控制技術(shù)向著更貼近井底實(shí)際工況、優(yōu)化計(jì)算和控制精度更高的方向發(fā)展。此外，將機(jī)器學(xué)習(xí)算法與機(jī)械比能理論融合進(jìn)行智能建模，研發(fā)與人工智能融合的叢式井隨鉆優(yōu)化與控制系統(tǒng)，可望實(shí)現(xiàn)鉆頭工作狀態(tài)隨鉆識(shí)別、鉆頭磨損狀態(tài)隨鉆監(jiān)測(cè)、鉆井參數(shù)隨鉆尋優(yōu)、井下鉆井復(fù)雜事故隨鉆診斷與控制等智能控制目標(biāo)，從而可大幅提高定向鉆井的作業(yè)時(shí)效。

2.4 鉆井液技術(shù)研究

鉆井液被俗稱為鉆井的“血液”，主要分為水基鉆井液、油基鉆井液兩大類，均在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用。根據(jù)所鉆地層的理化特性、井壁巖石的穩(wěn)定性、井下溫度和壓力分布等，科學(xué)調(diào)制一種先進(jìn)適用的鉆井液體系，是保證“一趟鉆”安全環(huán)保作業(yè)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外在頁(yè)巖氣水平井工程中，為了有效保持井壁穩(wěn)定、減少工程作業(yè)阻力等目的，主要采用油基鉆井液體系進(jìn)行洗井，但同時(shí)也油污了鉆屑，為此要付出較大的環(huán)保處理代價(jià)。若使用水基鉆井液體系，雖然避免了油污問題，但其性能又難以保持井壁穩(wěn)定和減少阻力的基本要求，甚至導(dǎo)致工程報(bào)廢的嚴(yán)重安全事故。因此，油氣行業(yè)希望在高性能水基鉆井液體系方面能夠逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，要求使其接近甚至超過油基鉆井液體系的優(yōu)良性能。國(guó)內(nèi)在高性能水基鉆井液體系研究方面取得了重要進(jìn)展，例如：筆者參與完成的項(xiàng)目“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井特種鉆井液及工業(yè)化應(yīng)用”獲2016年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。然而，要想在頁(yè)巖油氣工程中大規(guī)模替代油基鉆井液體系，仍需要深入開展相關(guān)交叉學(xué)科研究。

3 井下電加熱開采技術(shù)研究

重油、油砂、頁(yè)巖油、油頁(yè)巖等非常規(guī)石油資源十分豐富，亟待高效綠色開發(fā)。研發(fā)并應(yīng)用井下電加熱系統(tǒng)與開采技術(shù)，同時(shí)借助于風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源電力，可望高效綠色開發(fā)這些資源。目前，非常規(guī)石油主要通過熱力開采[26-28]，如蒸汽驅(qū)、蒸汽吞吐等，但在開采過程中仍存在低效、高成本等問題，以及深層、薄層和裂縫性儲(chǔ)層等石油資源的難開采問題[29-31]，并且由此引發(fā)的大量溫室氣體排放污染也不符合低碳、綠色開發(fā)的環(huán)保要求。近年來，筆者團(tuán)隊(duì)關(guān)注并研究井下電加熱系統(tǒng)與開采技術(shù)問題，本文特對(duì)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

井下電加熱開采技術(shù)是一種原位轉(zhuǎn)化開采方法，最早是由國(guó)外學(xué)者提出[32-33]，目前以殼牌的ICP（In-situ Conversion Process）技術(shù)最為成熟[34-35]，主要通過井下電加熱高效開采非常規(guī)石油資源。重油、油砂可通過增溫降粘作用實(shí)現(xiàn)原位流化開采；固態(tài)天然氣水合物在電加熱作用下可分解為易于開采的天然氣和液態(tài)水。中低成熟度的頁(yè)巖油通過電加熱原位轉(zhuǎn)化可產(chǎn)出輕質(zhì)油和天然氣，并把廢氣廢渣留在地下，達(dá)到綠色開采的理想目標(biāo)，這種熱采方法被稱為井下電加熱原位轉(zhuǎn)化技術(shù)[36]，其工藝特點(diǎn)是完全將地面的礦物加工設(shè)備轉(zhuǎn)移到地下，建立“地下煉廠”進(jìn)行煉油與開采。根據(jù)不同加熱機(jī)理，井下電加熱技術(shù)可分為傳導(dǎo)加熱和輻射加熱兩大類[37]。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于初步探索階段。

傳導(dǎo)加熱包括電阻加熱、電加熱器加熱和感應(yīng)加熱等不同形式，其中：電阻加熱技術(shù)將儲(chǔ)層作為電阻，流經(jīng)其內(nèi)的電流轉(zhuǎn)化為焦耳熱；電加熱器加熱是加熱器內(nèi)電阻元件發(fā)熱，再通過熱傳導(dǎo)作用對(duì)周圍儲(chǔ)層加熱，其技術(shù)難點(diǎn)在于研發(fā)具有小尺寸外形且滿足大功率輸出的電加熱器難度較大；感應(yīng)加熱技術(shù)是將感應(yīng)加熱裝置放入井眼內(nèi)，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在金屬套管內(nèi)形成渦電流，最終產(chǎn)生的熱能從套管傳遞至周圍的儲(chǔ)層[38]，但該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度較大，套管的電絕緣性、耐溫性及由套管高溫造成的井筒穩(wěn)定性等技術(shù)難題難以解決。

輻射加熱是一種非接觸加熱，具有體積加熱的特性，主要包括微波加熱和射頻加熱。其中，微波頻率較高，加熱距離較短；射頻加熱采用天線等部件向儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)射射頻電磁波，其在目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁損耗，最終電磁能在儲(chǔ)層內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。射頻加熱技術(shù)的頻譜范圍較寬，從3 kHz到300 GHz[39]，可靈活調(diào)節(jié)加熱頻率以滿足不同性質(zhì)儲(chǔ)層的加熱要求。

3.2 井下射頻加熱技術(shù)概念設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)研究

通過對(duì)不同井下電加熱技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)優(yōu)勢(shì)較為明顯的射頻加熱技術(shù)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)研究。井下射頻加熱技術(shù)的工藝流程包括：①井下射頻加熱器置于目標(biāo)層位的井眼內(nèi)；②電纜將地面電能傳輸至井下射頻加熱器；③射頻加熱器向周圍儲(chǔ)層輻射電磁波，電磁能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)層內(nèi)熱能；④原油流入井眼被采出。

在射頻加熱工藝實(shí)施前，需要在地面安裝電纜、電柜等與供電相關(guān)的配套設(shè)備，部分風(fēng)電、光伏發(fā)電可并入局域電網(wǎng)，為井下加熱器供電。該技術(shù)占地面積小，適合陸地、偏遠(yuǎn)山區(qū)和海上等不同地區(qū)的石油資源高效開發(fā)，也為風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源的就地消納提供了一條可能的途徑。

在井下射頻加熱特性數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上[40-45]，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套井下射頻加熱模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括波源、傳輸裝置、腔體和數(shù)據(jù)采集裝置（圖5）。這套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，而且所具有的20 kW輸出功率已接近國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試時(shí)的功率值。利用這套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以評(píng)估射頻加熱性能，驗(yàn)證射頻加熱設(shè)備的可行性，分析影響射頻加熱效果的諸多因素，也可以為非常規(guī)石油原位轉(zhuǎn)化技術(shù)研究提供一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖5 井下射頻加熱模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

目前對(duì)油砂進(jìn)行了射頻加熱模擬實(shí)驗(yàn)（915 MHz），得到的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括：①石英砂內(nèi)水組分可影響油砂溫度分布；②水吸收電磁波的能力大于油砂，油砂吸收電磁波的能力大于石英砂；③2小時(shí)內(nèi)油砂樣品溫度升高100 ℃；④油砂樣品的升溫速率和最高溫度隨著加熱功率的增大而提高；⑤油砂內(nèi)水含量可影響油砂溫度分布，當(dāng)持續(xù)加熱導(dǎo)致水分變?yōu)樗魵鈺r(shí)，水對(duì)油砂溫度分布的影響將會(huì)逐漸減弱。

4 煤層氣田高效鉆采技術(shù)研究

煤層氣，又稱煤礦瓦斯，是賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣。我國(guó)煤層氣資源量大，與常規(guī)天然氣相當(dāng)，其高效開發(fā)對(duì)于提高我國(guó)天然氣自供能力、降低煤礦瓦斯災(zāi)害及保護(hù)大氣環(huán)境等都具有重要意義。然而，我國(guó)煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造煤、低滲低壓、大傾角等復(fù)雜煤儲(chǔ)層廣泛分布，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)技術(shù)難度大、有氣難采出、單井產(chǎn)量低等問題。筆者團(tuán)隊(duì)參與了相關(guān)校企合作項(xiàng)目，通過項(xiàng)目實(shí)施攻克了選區(qū)評(píng)價(jià)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井與完井及增產(chǎn)改造等關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜儲(chǔ)層煤層氣田的高效開發(fā)目標(biāo)，其代表性成果“復(fù)雜地質(zhì)條件儲(chǔ)層煤層氣高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”獲2020年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

4.1 建立了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤儲(chǔ)層的綜合選區(qū)與分類評(píng)價(jià)方法[46]

揭示了構(gòu)造煤時(shí)空分布規(guī)律及其構(gòu)造控制機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造煤分布的分區(qū)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)；發(fā)明了煤層氣井套管試井技術(shù)，保證了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤儲(chǔ)層壓力、滲透率等關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試結(jié)果的可靠性，建立了煤層氣高效開發(fā)綜合選區(qū)與分類評(píng)價(jià)方法，并在煤層氣開發(fā)中獲得良好應(yīng)用效果。

4.2 發(fā)明了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井導(dǎo)向鉆井隨鉆測(cè)控技術(shù)[9,22]

主要發(fā)明了新型近鉆頭磁短節(jié)工具、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)高精度探測(cè)儀、隨鉆測(cè)控算法等關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建了“U”形水平井、雙水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井隨鉆測(cè)控成套軟硬件技術(shù)，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鄰井距離和方位的精確探測(cè)與導(dǎo)向鉆井控制難題，為煤層氣田復(fù)雜結(jié)構(gòu)井高效開發(fā)工程提供了核心技術(shù)支撐。

4.3 發(fā)明了雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)一體化技術(shù)[47-48]

為解決構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)水平井易塌易堵、儲(chǔ)層易傷害及單井產(chǎn)量低等技術(shù)難題，提出了水平井篩管孔縫組合結(jié)構(gòu)及其幾何尺寸的設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了篩管內(nèi)置高壓水力沖洗管的雙管柱系統(tǒng)，形成了水平井篩管完井與洗井增產(chǎn)一體化技術(shù)，使沁水盆地15#煤平均日產(chǎn)氣量提高了10倍以上，為煤層氣高效開發(fā)開辟了新的技術(shù)途徑。

4.4 研發(fā)了低滲低壓和大傾角儲(chǔ)層氣儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造成套技術(shù)[49]

發(fā)明了適用于低壓儲(chǔ)層保護(hù)和增能的前置氮?dú)馀c活性水復(fù)合壓裂液，研發(fā)了低滲煤層水平井密集壓裂強(qiáng)化增滲技術(shù)及大傾角厚煤層直井垂向多段壓裂技術(shù)，并在新疆和山西相關(guān)煤礦區(qū)得以成功應(yīng)用，從而大幅度提高了這類難開采煤層氣田的單井產(chǎn)量。

歷經(jīng)多年研究與實(shí)踐，我國(guó)煤層氣高效開發(fā)理論與工程技術(shù)取得了重大進(jìn)展，為進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)煤層氣大規(guī)模開發(fā)利用奠定了良好基礎(chǔ)。同時(shí)也應(yīng)該注意到，我國(guó)埋深超過800 m的深層煤炭和煤層氣資源豐富，如何實(shí)現(xiàn)高效綠色開發(fā)利用，仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。顯然，傳統(tǒng)的井下采煤模式及其技術(shù)裝備體系將難以奏效，有必要積極探索深層煤炭與煤層氣一體化地面開發(fā)模式及其工程技術(shù)裝備支撐體系，可望先期對(duì)煤層氣進(jìn)行地面開采，然后對(duì)煤炭進(jìn)行地下原位氣化開采，力求形成綠色開發(fā)與安全高效作業(yè)綜合協(xié)調(diào)的工程優(yōu)化方案，同時(shí)應(yīng)不斷創(chuàng)新研究與設(shè)計(jì)建設(shè)一體化地面開發(fā)“井工廠”及其配套設(shè)施，助力我國(guó)煤層氣、氫氣等氣態(tài)能源的高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）定向鉆井延伸極限模型可以更有針對(duì)性地量化叢式水平井的大型化程度，但迄今相關(guān)研究成果還比較少，本文只是從井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)、井下管柱約束等角度對(duì)定向鉆井延伸極限計(jì)算模型進(jìn)行了探討，今后還有必要探討該模型與其他定向鉆井約束條件的關(guān)系。

2）定向鉆井“一趟鉆”技術(shù)與大位移水平井工程，是創(chuàng)建大型“井工廠”的硬核技術(shù)與關(guān)鍵工程環(huán)節(jié)，通過交叉學(xué)科研究不斷突破技術(shù)瓶頸與工程作業(yè)極限，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)“頁(yè)巖革命”至關(guān)重要，有必要進(jìn)一步加大相關(guān)支持力度。高效PDC鉆頭、導(dǎo)向鉆具組合、鉆井液體系及鉆井參數(shù)等技術(shù)內(nèi)容，是制約定向鉆井“一趟鉆”技術(shù)水平的關(guān)鍵可控因素，需要不斷開展創(chuàng)新研究與試驗(yàn)，既要打造“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)利器，又要針對(duì)所鉆地層進(jìn)行個(gè)性化工程設(shè)計(jì)。

3）井下電加熱系統(tǒng)與原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)，可望是成為未來非常規(guī)油田高效開發(fā)的主要技術(shù)手段之一，但該技術(shù)在我國(guó)仍處于探索階段，需要加強(qiáng)相關(guān)交叉學(xué)科研究與國(guó)際合作，力求早日實(shí)現(xiàn)突破。在前期研究工作的基礎(chǔ)上，今后應(yīng)自主研發(fā)井下射頻加熱技術(shù)裝備，積極推動(dòng)該技術(shù)在我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化。

4）基于水平井或復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程，也可以對(duì)煤層氣進(jìn)行安全高效開發(fā)，相關(guān)研究與實(shí)踐不斷取得新進(jìn)展。今后應(yīng)該特別關(guān)注深層煤炭與煤層氣資源的綠色開發(fā)利用與安全高效作業(yè)，有必要積極探索深層煤炭（地下原位氣化）與煤層氣一體化地面開發(fā)模式及其工程技術(shù)裝備支撐體系。