我國頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

Bi Kaiyuan.Current status and trend of key technologies for shale gas well drilling and completion in China12-20，28

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，其開采對能源行業(yè)和全球供需格局有著深遠(yuǎn)影響，深入研究鉆完井技術(shù)體系是加快頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)的關(guān)鍵。在概述全球及國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出了我國在鉆完井技術(shù)方面存在的挑戰(zhàn)和提升空間；系統(tǒng)分析了我國在頁巖氣鉆完井領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展，包括地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井、叢式水平井鉆井、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提速工具和優(yōu)快鉆井、精細(xì)控壓鉆井和高效固井技術(shù)等，以及這些技術(shù)在實際應(yīng)用中取得的成效；討論了在“碳達(dá)峰”“碳中和”背景下，加快頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的重要性，提出了深化地質(zhì)工程一體化研究、持續(xù)發(fā)展“一趟鉆”鉆井技術(shù)、加快推廣叢式水平井鉆井技術(shù)、持續(xù)優(yōu)化低成本高性能鉆井液體系和發(fā)展安全高效的優(yōu)快鉆井技術(shù)等發(fā)展建議，以期對我國頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)水平的提高起到推動作用，提高我國在全球頁巖氣領(lǐng)域的競爭力。

頁巖氣；水平井；鉆完井；叢式水平井；導(dǎo)向鉆井；技術(shù)現(xiàn)狀；發(fā)展方向

中圖分類號：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.002

基金項目：中海石油（中國）有限公司科技項目“渤海油田3 000萬t持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究”之子課題“渤海邊際油田高效開發(fā)鉆完井配套技術(shù)”（CNOOC-KJ135 ZDXM 36 TJ06TJ）。

Current Status and Trend of Key Technologies for Shale

Gas Well Drilling and Completion in China

Bi Kaiyuan

（China Oilfield Services Limited）

The exploitation of shale gas，an important unconventional gas resource，has a profound impact on the energy industry and global supply and demand pattern.An in-depth study of drilling and completion technology system is critical to accelerating the extensive and beneficial development of shale gas.On the basis of reviewing shale gas exploration and development in China and the world，the challenges and deficiencies in drilling and completion technologies used in China were presented.The advancement of key shale gas well drilling and completion technologies in China，including geology-engineering integrated steering drilling，cluster horizontal well drilling，casing program optimization，ROP increase tools and optimal and fast drilling，fine managed pressure drilling and efficient cementing，and the application performances of these technologies were systematically analyzed.The importance of accelerating the research and development of key technologies for shale gas well drilling and completion under the background of “carbon peaking and carbon neutrality” was discussed.The suggestions such as deepening geology-engineering integration study，continuously developing the “one trip” drilling technology，accelerating the promotion of cluster horizontal well drilling technology，continuously optimizing low-cost high-performance drilling fluid system and developing safe and efficient optimal and fast drilling technology were presented，in the hope of driving the improvement of key shale gas well drilling and completion technologies in China and enhancing Chinas competitiveness in the global shale gas industry.

shale gas；horizontal well；drilling and completion；cluster horizontal well；steering drilling；current status；trend

0" 引" 言

在全球能源格局不斷演變的背景下，頁巖氣作為一種清潔能源，正逐漸嶄露頭角并成為我國能源戰(zhàn)略中的關(guān)鍵組成部分［1］。我國頁巖氣資源潛力巨大，然而，其規(guī)模效益開發(fā)依賴于先進(jìn)的鉆完井技術(shù)，這將是確保資源可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的決定性一環(huán)。隨著長寧和威遠(yuǎn)等地區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)取得重大突破，目前的頁巖氣開發(fā)逐步向深層、超深層邁進(jìn)［2］。這意味著地質(zhì)條件更加復(fù)雜多變，對鉆井裝備及工具的耐壓性、耐溫性提出更高的要求，頁巖氣的鉆完井作業(yè)成為一項復(fù)雜而且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為此，亟需對頁巖氣鉆完井技術(shù)體系進(jìn)行不斷的攻關(guān)研究，提高其技術(shù)水平，具體包括地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井、井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)、高效的鉆井液體系以及先進(jìn)的井壁穩(wěn)定技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了鉆井作業(yè)效率，還降低了建井成本及環(huán)境風(fēng)險，可為我國頁巖氣的效益開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。本文旨在通過深入研究我國頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供重要參考，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，提升我國在全球頁巖氣領(lǐng)域的競爭力。

畢開原：我國頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1" 頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

目前，全球范圍內(nèi)有40多個國家和地區(qū)正積極推進(jìn)頁巖氣的效益開采工作，其中北美地區(qū)的頁巖氣開發(fā)占據(jù)主導(dǎo)地位，歐洲、澳大利亞等其他地區(qū)緊隨其后［3］。中國的頁巖氣儲層普遍具有熱演化程度相對較低、儲層厚度較小的特點，在地質(zhì)認(rèn)識、關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面具有較大的提升空間。

1.1" 國外頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

美國作為頁巖氣產(chǎn)業(yè)的先驅(qū)者，在頁巖氣的勘探和開發(fā)方面擁有悠久的歷史，已形成許多成熟的鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了頁巖氣的大規(guī)模生產(chǎn)，并將頁巖氣作為其主要天然氣供應(yīng)來源［4］。美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要分為以下幾個階段：早在1821年，紐約的Chautauga縣成功鉆探出了首座頁巖氣井，這標(biāo)志著頁巖氣作為一種新型能源進(jìn)入人類視野，為未來頁巖氣的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，然而，當(dāng)時的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件限制了頁巖氣的規(guī)?；_發(fā)；自1920年起，美國逐步開啟現(xiàn)代化的頁巖氣開采進(jìn)程，并在該國的多個地區(qū)成功勘探出頁巖氣有利區(qū)塊；到了1970年，頁巖氣的勘探開發(fā)擴(kuò)展到美國中西部地區(qū)，并通過不斷的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，水平井鉆完井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)得以發(fā)展；21世紀(jì)初，美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)取得了重大突破，尤其在Barnett、Marcellus和Haynesville等頁巖氣田均獲得較大產(chǎn)量；2016年，美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到4 400多億m3，頁巖氣資源實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展［5］。

作為北美地區(qū)的重要能源合作伙伴，加拿大在頁巖氣的勘探開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅速。加拿大境內(nèi)的頁巖氣資源分布廣泛，依據(jù)加拿大非常規(guī)天然氣研究協(xié)會（CSUG）的評估數(shù)據(jù)，該國的頁巖氣儲量約為4.3×105億m3，可采資源量約為1.6×105億m3［6］。歐洲地區(qū)的頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對北美地區(qū)更為緩慢，目前處于初級階段。根據(jù)美國能源信息署（EIA）的統(tǒng)計，歐洲地區(qū)的可采資源量約為1.3×105億m3，這表明歐洲具備潛在的頁巖氣資源，但開發(fā)程度較低［7］。

1.2" 國內(nèi)頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

中國頁巖氣開發(fā)起步較晚，但發(fā)展迅速，在經(jīng)歷了10余年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用實踐后，實現(xiàn)了頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)。2020年中國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到200億m3，使其成為全球第二大頁巖氣生產(chǎn)國［8］。自2005年中國開始頁巖氣勘探開發(fā)及理論技術(shù)攻關(guān)起，主要經(jīng)歷了借鑒探索與評價選區(qū)階段、先導(dǎo)性試驗階段和工業(yè)化開發(fā)階段，目前已在四川盆地及其周緣實現(xiàn)了海相頁巖氣的效益開發(fā)。2008年以來，中國對四川盆地及其周邊地區(qū)古生界海相頁巖氣資源的形成和富集條件進(jìn)行了明確定位，并初步優(yōu)選了頁巖氣有利富集區(qū)。2009年以來，中國在川南、川東等地區(qū)鉆獲一批頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井，發(fā)現(xiàn)了威遠(yuǎn)、威榮、瀘州、長寧、昭通、涪陵等大型頁巖氣田（區(qū)）。截至2021年底，四川盆地累計生產(chǎn)頁巖氣9.24×1010 m3，并形成了威遠(yuǎn)、長寧、昭通、涪陵等氣藏埋深小于3 500 m的頁巖氣生產(chǎn)區(qū)，即將實現(xiàn)川南瀘州-渝西、川東南川-丁山等埋深為3 500～4 500 m的深層頁巖氣藏的全面突破。

2" 頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

我國擁有豐富的頁巖氣資源，主要分布在各大盆地和渤海灣地區(qū)，由于頁巖氣儲層厚度較大、埋藏較深，導(dǎo)致其開采難度較大。盡管我國在頁巖氣領(lǐng)域取得了較多突破，但鉆完井關(guān)鍵技術(shù)問題仍是制約我國頁巖氣快速發(fā)展的重要因素。

2.1" 地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井技術(shù)

我國頁巖氣的開發(fā)受到多重復(fù)雜因素的制約，這些因素共同導(dǎo)致了頁巖氣的開發(fā)效果未能達(dá)到預(yù)期水平。其中，較為突出的一個問題是地質(zhì)認(rèn)識和工程施工結(jié)合不夠緊密，甚至可能存在不協(xié)調(diào)的情況。為解決該問題，地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)對三維地質(zhì)工程模型進(jìn)行精細(xì)刻畫，結(jié)合使用了特殊錄井技術(shù)，實現(xiàn)對巖性和層位的精準(zhǔn)識別，確保井眼軌跡能夠準(zhǔn)確穿越目標(biāo)儲層，以最大程度地提高鉆完井的成功率［9］。同時，形成了一套綜合的水平井地質(zhì)導(dǎo)向軟件系統(tǒng)［10］，該軟件系統(tǒng)在鉆前、鉆中和鉆后對三維地質(zhì)模型進(jìn)行全過程的更新修正，實現(xiàn)三維模型與實鉆地質(zhì)構(gòu)造的不斷逼近匹配，結(jié)合隨鉆方位伽馬判斷井眼軌跡在地層中的穿行情況，優(yōu)選“地質(zhì)＋工程”雙甜點，實現(xiàn)對鉑金靶體優(yōu)質(zhì)儲層的實時跟蹤，確保箱體鉆遇率。地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井技術(shù)將基礎(chǔ)地質(zhì)研究、三維地質(zhì)建模、井眼軌跡設(shè)計和隨鉆監(jiān)測有機(jī)結(jié)合起來，從而達(dá)到準(zhǔn)確命中鉑金靶體和優(yōu)化地質(zhì)模型的目的。

目前地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井技術(shù)在長寧及威遠(yuǎn)等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，通過精確控制井眼軌跡大大縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，并顯著提高了優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率和單井頁巖氣產(chǎn)量。如L210井鉑金靶體鉆遇率達(dá)96.1%，N209H71-2井鉑金靶體鉆遇率達(dá)95.0%，L203H62-1井和N209H71-3井鉑金耙體鉆遇率均達(dá)到了100%［11］。

2.2" 叢式水平井鉆井技術(shù)

頁巖儲層地質(zhì)條件較為復(fù)雜，頁巖氣井場布置、設(shè)備運輸以及工程實施面臨著多重挑戰(zhàn)。為有效解決以上難題，提出了頁巖氣叢式水平井鉆井技術(shù)，其核心理念在于同一平臺上部署2口或更多水平井，或者在原有的叢式水平井組合中增加1口到多口大偏移距離的水平井，并采用流水線方式進(jìn)行鉆井、壓裂等現(xiàn)場作業(yè)，從而達(dá)到降本增效的目的［12］（見圖1）。該技術(shù)具有成本低、效率高、位移大、控油面積廣等優(yōu)點，目前已應(yīng)用于低滲、非常規(guī)油氣開發(fā)領(lǐng)域，能夠有效提高采收率。

cluster horizontal well

井眼軌道設(shè)計是叢式水平井鉆井技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)。在井眼軌道設(shè)計時，必須綜合考慮多個關(guān)鍵因素，包括井眼軌跡的防碰設(shè)計、水平段長度的確定、施工難度以及相應(yīng)的成本因素［13］。該技術(shù)的首要任務(wù)在于合理部署井位，遵循最短軌跡原則，確定井口位置以及水平段靶窗，確保井口與靶點間的連線在水平平面上無交叉，且水平位移的平方和最小，同時滿足所需的偏移距離。因此，為設(shè)計出最優(yōu)的井眼軌道，需重點考慮偏移距離對其產(chǎn)生的影響。在選擇井眼軌道剖面時，著眼于井深最淺和適宜的井斜角，以獲得最為簡潔的剖面。在整體設(shè)計中，需確保井組之間的防碰井段長度最小，同時要合理安排鉆井作業(yè)順序，以確保新井與老井的交叉不會發(fā)生碰撞。

東方1-1氣田應(yīng)用叢式水平井鉆井技術(shù)，對所有生產(chǎn)井進(jìn)行了綜合的優(yōu)化設(shè)計，涵蓋了井眼軌道、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合以及鉆井作業(yè)順序等方案的優(yōu)化［14］。該技術(shù)成功解決了大斜度長穩(wěn)斜裸眼井段的井斜控制難題，以及摩阻較大、滑動送鉆困難、井眼軌跡控制和方位漂移等問題，并高效完成了所有大位移水平井的鉆井作業(yè)。

2.3" 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計對鉆井作業(yè)的降本增效具有重要影響。在確保鉆井安全性和后續(xù)壓裂作業(yè)需求的前提下，可考慮一些優(yōu)化措施，如減小井眼直徑、縮短大直徑井段長度，以及避免在大直徑井段內(nèi)進(jìn)行定向增斜或扭轉(zhuǎn)操作，從而提高機(jī)械鉆速并降低鉆井成本［15］。

目前，國內(nèi)深層頁巖氣鉆井過程中通常采用四開井身結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在提高機(jī)械鉆速方面存在一定的局限，尤其是在上部井眼尺寸較大且套管設(shè)置復(fù)雜的情況下，導(dǎo)致了鉆井周期的延長。為克服這一問題，考慮到鉆井地質(zhì)條件，進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將原本的四開結(jié)構(gòu)改為三開結(jié)構(gòu)，并持續(xù)對套管和鉆頭尺寸進(jìn)行精細(xì)調(diào)整［16］。這一優(yōu)化措施有效減少了一個開次的作業(yè)需求，極大地提高了機(jī)械鉆速。

簡化后的三開井身結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于川東南等地區(qū)，以焦頁74-2HF井和焦頁187-2HF井為例［16］，使用水力振蕩器有效解決了定向井段托壓問題。2口井的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后對比情況見表1。由表1可知，焦頁74-2HF井使用優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)后，其機(jī)械鉆速較鄰井1提高了74%，鉆井周期縮短了43%；焦頁187-2HF井使用優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)后，其機(jī)械鉆速較鄰井提高了37%，鉆井周期縮短了26%。

2.4" 提速工具和優(yōu)快鉆井技術(shù)

根據(jù)地層條件選用合適的鉆井工具，對鉆井提速增效有著重要意義。對于提速工具的選擇，最常見的就是鉆頭優(yōu)選，此外還有短彎螺桿鉆具、沖擊鉆井工具等。傳統(tǒng)PDC鉆頭在定向井段的鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，導(dǎo)致井身偏離預(yù)期斜率。常見的高效鉆頭有超短保徑PDC鉆頭和混合鉆頭，前者的保徑長度更短，這有利于增強其側(cè)向切削特性，從而提高其在造斜方面的能力；后者融合了PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優(yōu)勢，具備卓越的耐磨能力和抗托壓性能［17］。以焦頁191-1HF井、焦頁89-1HF井為例［16］，鉆頭優(yōu)選情況如表2所示。由表2可知：焦頁191-1HF井使用超短保徑PDC鉆頭后，機(jī)械鉆速相較于鄰井3提高了25%，且鉆井過程中未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象；焦頁89-1HF井使用混合鉆頭后，機(jī)械鉆速相較于鄰井4提高了50%，提速效果顯著。

短彎螺桿屬于新型螺桿鉆具，主要特點是彎曲點距離轉(zhuǎn)子輸出端較傳統(tǒng)彎螺桿更短。因此，在相同彎角下，短彎螺桿可以實現(xiàn)更高的井眼造斜率，這意味著在滑動鉆進(jìn)過程中，可以減小鉆進(jìn)的長度，從而提高復(fù)合鉆進(jìn)效率［16］。短彎螺桿在焦頁184-4HF井的鉆進(jìn)中取得了良好的提速效果，平均每30 m造斜率為9.3°，平均機(jī)械鉆速為6.08 m/h，相較于常規(guī)的彎螺桿分別提高了105.49%與17.87%。

針對某些難鉆地層，在鉆進(jìn)過程中存在跳鉆嚴(yán)重、鉆頭損壞等問題，現(xiàn)場進(jìn)行了鉆井參數(shù)優(yōu)化和使用沖擊鉆井工具進(jìn)行提速［18］。常見的沖擊鉆井工具包括水力加壓器和射流沖擊器等，這些工具搭配高效鉆頭可使機(jī)械鉆速得到顯著提高。通過引入水力加壓器于鉆具系統(tǒng)中，加壓方式從傳統(tǒng)的剛性加壓轉(zhuǎn)為了水力柔性加壓，延長了高效鉆頭的使用壽命，為鉆頭提供了持續(xù)穩(wěn)定的鉆進(jìn)壓力，使鉆具在軸向上的振動顯著減輕，從而產(chǎn)生良好的減震效果并進(jìn)一步提高了機(jī)械鉆速。同時，當(dāng)鉆遇難鉆地層時，可以引入射流沖擊器來減小鉆柱摩擦，提升鉆頭的破巖效率。在焦石壩區(qū)塊的鉆井作業(yè)中，水力加壓器和射流沖擊器分別在21口井和16口井中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果顯示，平均機(jī)械鉆速分別提高了30%和38%。此外，僅需使用1只PDC鉆頭就能完成一個開次所需的鉆進(jìn)作業(yè)［16］。

在鉆井作業(yè)過程中，會鉆遇一些可鉆性較差的地層，這些地層具備軟硬交錯變化大、易發(fā)生掉塊或坍塌的特點，導(dǎo)致常規(guī)鉆井速度較慢、周期較長。氣體鉆井技術(shù)能有效解決上述問題，并成功應(yīng)用于川南地區(qū)的頁巖氣井鉆井作業(yè)中。川南某井區(qū)常規(guī)鉆井與氣體鉆井提速效果對比［18］如圖2所示。由圖2可知：L201-H1井導(dǎo)眼采用氣體鉆井，平均機(jī)械鉆速為6.62 m/h，較鄰井常規(guī)鉆井提高1.96倍；W201-H3井導(dǎo)眼采用氣體鉆井，平均機(jī)械鉆速為6.67 m/h，較鄰井常規(guī)鉆井提高3.25倍；LS2井導(dǎo)眼采用氣體鉆井，平均機(jī)械鉆速為2.92 m/h，較鄰井常規(guī)鉆井提高4.72倍［18］。由此可見，氣體鉆井技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了頁巖氣井的鉆井速度。

2.5" 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)是指在鉆進(jìn)、鉆井液循環(huán)、接單根等鉆井作業(yè)過程中，使用專用的精細(xì)控壓設(shè)備來控制不同工況下的環(huán)空壓力剖面，使得井底壓力相對地層壓力始終保持在近平衡、微過平衡、微欠平衡的一種狀態(tài)，實現(xiàn)對井底壓力的精確控制。該技術(shù)主要用來解決存在多壓力系統(tǒng)、窄安全密度窗口地層的安全鉆進(jìn)難題［19］。截至目前，國內(nèi)油田單位和鉆探公司在精細(xì)控壓設(shè)備的自主研發(fā)上已投入大量精力，形成了PCDS、CQMPD-I和XZMPD等典型的精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常包含旋轉(zhuǎn)防噴器、鉆具止回閥、環(huán)空壓力隨鉆測量系統(tǒng)、自動節(jié)流管匯系統(tǒng)、回壓補償系統(tǒng)等工具設(shè)備。通過對環(huán)空壓力等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測及分析，設(shè)計控制參數(shù)后完成相應(yīng)控壓指令，并智能化調(diào)整井口回壓，最終實現(xiàn)井底壓力精準(zhǔn)且迅速的閉環(huán)控制。

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)已在長寧、威遠(yuǎn)及焦石壩等多個頁巖氣區(qū)塊廣泛應(yīng)用，有效避免了因鉆遇復(fù)雜地層所帶來的井漏、井涌及氣侵等復(fù)雜情況。CQMPD-I型精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)在威遠(yuǎn)區(qū)塊的復(fù)雜井中實現(xiàn)了“零漏失、零復(fù)雜”，有效解決了井噴、井漏和井壁坍塌等問題。焦石壩區(qū)塊應(yīng)用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)前、后對比情況如表3所示。由表3可知，在焦頁49-3HF井中應(yīng)用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)后，鉆井液密度降低了60～130 kg/m3，機(jī)械鉆速得到顯著提高，復(fù)雜時效降為0，有效縮短了鉆井周期［16］。

2.6" 高性能鉆井液技術(shù)

頁巖地層發(fā)育大量層理且富含各種黏土礦物，盡管油基鉆井液能有效抑制黏土礦物的水化和膨脹［18］，但油基鉆井液的經(jīng)濟(jì)成本較高、污染較大。借鑒國內(nèi)外研發(fā)高性能鉆井液體系的成功經(jīng)驗，研發(fā)形成了強化封堵、適度抑制、高效潤滑的高性能水基鉆井液［19］。高性能水基鉆井液體系的懸砂能力較強，含有微納米級顆粒，能有效封堵微裂縫，防止出現(xiàn)井漏現(xiàn)象；同時該鉆井液體系可以在井壁上形成致密且疏水的濾餅，從而減小鉆具起下鉆過程中產(chǎn)生的摩阻與扭矩［20］。為實現(xiàn)頁巖氣井水平段的安全高效鉆進(jìn)，當(dāng)遇到頻繁的井壁掉塊時，可考慮轉(zhuǎn)用油基鉆井液，以保障鉆進(jìn)作業(yè)的順利進(jìn)行。因此，采用高性能水基鉆井液的主要優(yōu)勢在于能夠顯著降低油基鉆井液的需求量，并減少由此產(chǎn)生的油基巖屑量。

目前，高性能水基鉆井液已在威榮、永川及涪陵等多個區(qū)塊進(jìn)行了廣泛的試驗研究和實際應(yīng)用［19，21］。對W-3井和鄰井W-4井分別應(yīng)用高性能水基鉆井液和傳統(tǒng)油基鉆井液，性能對比情況如表4所示。在2口井的水平段鉆進(jìn)過程中，2種鉆井液體系表現(xiàn)出的各項性能參數(shù)相差不大，盡管高性能水基鉆井液的靜切力和高溫高壓濾失量略高于油基鉆井液，但仍在合理的設(shè)計范圍內(nèi)。在W-3井的水平段3 950～5 470 m鉆進(jìn)過程中，泵壓保持在19～23 MPa范圍內(nèi)，而起下鉆的平均摩阻未超過180 kN。這表明高性能水基鉆井液能有效減小摩阻，減小泵壓，確保井眼的規(guī)則性，使得鉆進(jìn)過程暢通無阻。同時，作業(yè)過程中未出現(xiàn)鉆具斷落、卡鉆、大量掉塊及井塌等問題，且鉆屑的懸浮能力較強，實現(xiàn)了鉆井、測井、下套管的一體化作業(yè)。因此，高性能水基鉆井液體系能滿足大多數(shù)區(qū)塊頁巖氣井的鉆井需求，表現(xiàn)出卓越的性能，有效支持了復(fù)雜井眼的安全鉆進(jìn)和高質(zhì)量儲層的開發(fā)。

2.7" 高效固井技術(shù)

在頁巖氣井鉆完井過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，包括井眼形狀不規(guī)則、鉆井液與水泥漿相溶性較差、水平井水平段長度較長，這些因素導(dǎo)致水泥漿頂替效率低。此外，后期進(jìn)行大型改造時容易出現(xiàn)套管變形和環(huán)空帶壓等問題，嚴(yán)重影響了井筒的完整性［22］。為攻克以上難點，通過深入研究和現(xiàn)場試驗，形成了套管安全高效下入、高效洗油沖洗隔離液、預(yù)應(yīng)力固井等一系列固井工藝技術(shù)，顯著提高了頁巖氣井的施工效率并確保了井筒的完整性。

2.7.1" 套管安全高效下入

對于頁巖氣井長水平井段，若采用傳統(tǒng)的套管下入方式，則容易導(dǎo)致套管在下放過程中遇阻，而一般的“上提下放”方式可能在套管下放時產(chǎn)生巨大的軸向載荷，導(dǎo)致套管變形。為解決這一問題，國內(nèi)研究人員引入了旋轉(zhuǎn)下套管和漂浮下套管技術(shù)［23-25］。

旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)的核心理念在于，當(dāng)套管下入受到阻力時，通過旋轉(zhuǎn)整個套管串來減小套管與井壁之間的摩擦力，以便更有效地進(jìn)行下套管操作；同時該技術(shù)也減小了對套管的沖擊載荷，降低了后期套管變形的風(fēng)險，提高了套管下入的順暢性和安全性。目前，以長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣為代表，已在200多口水平井上推廣應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)，這些井在后期壓裂作業(yè)中，套管變形丟段率和丟段長度比應(yīng)用常規(guī)套管下入方式的井降低了25%～75%［23］。

漂浮下套管技術(shù)是將漂浮接箍安裝在套管管柱上，套管下部與上部分別充滿空氣和鉆井液，由于套管下部較輕，減小了套管對井壁的正應(yīng)力，從而減小了套管下行過程中與井壁的摩擦，并降低了套管遇阻的風(fēng)險。在昭通地區(qū)的頁巖氣井鉆完井過程中，采用漂浮下套管技術(shù)，大大縮短了套管下放所需的時間，有效解決了套管下入過程中可能出現(xiàn)的問題，減小了套管損壞的潛在風(fēng)險。

2.7.2" 高效洗油沖洗隔離液技術(shù)

由于油基鉆井液與水泥漿相溶性較差，且會黏附在套管壁和水泥環(huán)上，使得油基鉆井液不易驅(qū)替，水泥環(huán)界面膠結(jié)性能變差以及固井頂替效率降低，導(dǎo)致后續(xù)壓裂施工作業(yè)無法正常進(jìn)行。為解決以上難題，開展了高效洗油沖洗隔離液技術(shù)研究，研發(fā)了CXJ、BCS、LWG等多種隔離液體系。隔離液體系主要由懸浮穩(wěn)定劑、沖洗劑及加重劑組成，體系內(nèi)所含的表面活性劑能夠起到清洗界面油污的作用。高效洗油沖洗隔離液技術(shù)已廣泛應(yīng)用于長寧、丁山及涪陵等地，固井優(yōu)質(zhì)率高，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益［26］。

2.7.3" 預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)

在頁巖氣井完成固井操作后，通常需進(jìn)行壓裂作業(yè)。然而，套管受到較高壓力易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致套管和水泥環(huán)之間出現(xiàn)擠壓，且這種破壞不可逆。因此，在套管與水泥環(huán)的界面區(qū)域會出現(xiàn)微小的間隙，為氣體提供了上竄通道，最終導(dǎo)致環(huán)空帶壓現(xiàn)象的發(fā)生。為避免上述問題，引入了預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，即在水泥漿凝固形成水泥環(huán)之前，通過增加套管內(nèi)外的壓差，使套管在水泥漿候凝過程中處于被擠壓的狀態(tài)，產(chǎn)生向內(nèi)的應(yīng)變。盡管凝固后的水泥環(huán)內(nèi)壁仍會出現(xiàn)塑性變形，但此時預(yù)應(yīng)力條件下的套管會趨向于恢復(fù)其原始狀態(tài)，水泥環(huán)收縮時產(chǎn)生的微裂縫也將閉合，保證了套管與水泥環(huán)之間的密封效果［27］。

目前預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)已在部分頁巖氣井中得到應(yīng)用，現(xiàn)場普遍采用清水或低密度水泥漿頂替，對于地層承壓能力較低的井，可以采取逐級憋壓的方式，從而有效控制套管內(nèi)部壓力，以實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力固井的目標(biāo)。

3" 頁巖氣鉆完井技術(shù)發(fā)展方向

在“碳達(dá)峰”“碳中和”的雙碳背景下，加快頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)對我國頁巖氣的安全高效開發(fā)至關(guān)重要。但目前還面臨著長水平段井眼軌跡控制困難、裝備自動化程度不夠、抗高溫高壓材料及配套工具裝備不成熟、井壁垮塌風(fēng)險高、巖屑攜帶困難等難題。針對降低建井成本、縮短鉆井周期和提高單井產(chǎn)量的生產(chǎn)需求，亟需進(jìn)一步加強頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，建議從以下幾個方面進(jìn)行改善。

3.1" 深化地質(zhì)工程一體化研究

地質(zhì)工程一體化開發(fā)理念是頁巖氣鉆完井技術(shù)發(fā)展過程中的一項重大突破，同時也是實現(xiàn)頁巖氣效益開發(fā)的關(guān)鍵。國內(nèi)大多數(shù)頁巖區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，力學(xué)性質(zhì)在橫向和縱向上差異較大，部分地層的頁巖較為破碎，導(dǎo)致頁巖優(yōu)質(zhì)儲層厚度減小，因此需深化地質(zhì)工程一體化的研究，以實現(xiàn)頁巖氣的綠色、高效開發(fā)。

針對地質(zhì)工程一體化的相關(guān)研究，需開展一系列的技術(shù)攻關(guān)［28］，具體表現(xiàn)在：①加深對頁巖儲層地質(zhì)特征的認(rèn)知，精確預(yù)測優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能區(qū)域，構(gòu)建更加精細(xì)的三維地質(zhì)模型，并基于該模型的地層參數(shù)進(jìn)行井眼軌道的精細(xì)優(yōu)化；②積極建立頁巖氣水平井多學(xué)科一體化平臺，組建跨學(xué)科、多專業(yè)技術(shù)人員的一體化協(xié)同研究團(tuán)隊，健全一體化運行機(jī)制以及多學(xué)科協(xié)同工作環(huán)境，指導(dǎo)地質(zhì)工程一體化施工；③整合地質(zhì)、鉆井、油藏、物探、測井等石油工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，建立完整且流暢的地質(zhì)工程一體化數(shù)據(jù)流，以消除數(shù)據(jù)孤島問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)同存儲和共享；④將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計算等新興技術(shù)引入地質(zhì)工程一體化研究中，深化其核心理念和內(nèi)涵。

3.2" 持續(xù)發(fā)展“一趟鉆”鉆井技術(shù)

目前，“一趟鉆”鉆井技術(shù)已成為頁巖氣鉆完井過程中降本增效的重要技術(shù)手段，并在國內(nèi)多口頁巖氣井中推廣應(yīng)用，但其技術(shù)與配套工具還需持續(xù)攻關(guān)。國外的“一趟鉆”鉆井技術(shù)發(fā)展較為成熟，部分氣田采用該技術(shù)實現(xiàn)了“一天一英里”的提速提效效果，極大地縮短了鉆井周期。國內(nèi)部分井區(qū)雖已實現(xiàn)開次“一趟鉆”，但與國外仍存在較大差距，主要原因還是PDC鉆頭、導(dǎo)向鉆具、長壽命螺桿、鉆井液體系等方面的限制。為此提出以下建議［29-30］：①進(jìn)一步研發(fā)綜合性能更高、使用壽命更長的高效PDC鉆頭，開展鉆頭與不同導(dǎo)向鉆井方式的適用性研究，并加強PDC鉆頭的個性化設(shè)計；②進(jìn)一步提高導(dǎo)向工具的可靠性，升級完善國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、地質(zhì)導(dǎo)向等系統(tǒng)，盡早實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；③國內(nèi)大部分地質(zhì)導(dǎo)向工具只適用于水基鉆井液環(huán)境，而國外的同類工具在水基和油基鉆井液環(huán)境中均有成熟應(yīng)用，因此應(yīng)深入研究高電阻率井內(nèi)介質(zhì)中電磁波傳輸?shù)臋C(jī)理，以實現(xiàn)在油基鉆井液環(huán)境下的高效無線短程通信；④國產(chǎn)常規(guī)螺桿與國外高端常規(guī)螺桿在長壽命、高性能等方面均存在較大差距，為打破國外產(chǎn)品壟斷，應(yīng)盡快開展等壁厚大扭矩螺桿的技術(shù)攻關(guān)，并搭配個性化PDC鉆頭以提高破巖效率，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。

3.3" 加快推廣叢式水平井鉆井技術(shù)

基于同一個鉆井平臺進(jìn)行叢式水平井鉆井作業(yè)，可以有效擴(kuò)大頁巖氣田的開發(fā)控制面積，并實現(xiàn)降本增效、節(jié)約用地、安全環(huán)保等良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益［12］。由于川渝頁巖氣富集區(qū)大多為山地、丘陵地貌，在川渝地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)中，叢式水平井鉆井技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，這對實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)過程中的降本增效具有重要意義。

為加快推廣叢式水平井鉆井技術(shù)的應(yīng)用，需要進(jìn)一步增加布井?dāng)?shù)量，擴(kuò)大頁巖氣的儲層開發(fā)范圍，提高作業(yè)效率并降低鉆井成本。此外，還需專注于優(yōu)化井位部署、井眼軌跡控制、井組碰撞預(yù)防等方面的技術(shù)攻關(guān)。

3.4" 持續(xù)優(yōu)化低成本高性能鉆井液體系

油基鉆井液較常規(guī)水基鉆井液有著更好的潤滑減阻能力和攜巖能力，在頁巖氣水平井中的應(yīng)用效果顯著。盡管近年來通過降低油水比、回收利用等措施對油基鉆井液的成本進(jìn)行控制，但其配制成本仍然較高且環(huán)保性較差，這對低成本高性能鉆井液的研發(fā)配制提出了更高的要求。目前，在頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)進(jìn)程中，低成本高性能鉆井液體系正向著水基鉆井液方向發(fā)展，亟需結(jié)合頁巖儲層自身特點，研發(fā)相適應(yīng)的高性能水基鉆井液體系，解決普適性難題，使其性能接近或超過油基鉆井液，以降低鉆井作業(yè)成本和環(huán)保處理費用。

3.5" 發(fā)展安全高效的優(yōu)快鉆井技術(shù)

目前，頁巖氣的勘探開發(fā)不斷朝著深層、超深層邁進(jìn)，意味著地質(zhì)條件更為復(fù)雜，鉆遇井下復(fù)雜情況更加頻繁，因此發(fā)展安全高效的優(yōu)快鉆井技術(shù)對于鉆井提速、縮短鉆井周期有著重要意義。為進(jìn)一步改善優(yōu)快鉆井技術(shù)的應(yīng)用效果，建議從以下3個方面開展技術(shù)攻關(guān)［11］：①優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等鉆井參數(shù)，開展頁巖氣水平井長水平段巖屑運移規(guī)律研究，進(jìn)一步研發(fā)巖屑床高效清除工具和可降解攜砂劑，提高井底攜巖效率；②進(jìn)一步攻關(guān)研制承壓能力較高的堵漏材料、優(yōu)化長水平段承壓堵漏工藝技術(shù)，開展封堵顆粒在裂縫動態(tài)變形空間內(nèi)的運移規(guī)律研究，制訂針對性防治措施，提高裂縫封堵效果，保證水平井的井壁穩(wěn)定；③進(jìn)一步研發(fā)改善高性能、長壽命的鉆井提速工具，針對地層特點優(yōu)選個性化高效鉆頭、低速大扭矩螺桿、水力振蕩器等工具，提高破巖效率及機(jī)械鉆速。

4" 結(jié)論及建議

（1）國外頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展較為成熟，已成為頁巖氣效益開發(fā)的重要支撐。國內(nèi)頁巖氣開發(fā)雖起步較晚，但通過技術(shù)引進(jìn)及自主研究，已取得諸多突破，并且在鉆井提速、降本增效、提高單井產(chǎn)量等方面具有較大提升空間。

（2）通過技術(shù)攻關(guān)，國內(nèi)已形成地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向鉆井、叢式水平井鉆井、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、優(yōu)快鉆井、精細(xì)控壓鉆井、高性能鉆井液、高效固井等一系列頁巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，均已在現(xiàn)場成功應(yīng)用，并取得良好效果，促進(jìn)了國內(nèi)頁巖氣的效益開發(fā)。

（3）為進(jìn)一步提高國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)量，加快頁巖氣的勘探開發(fā)進(jìn)程，建議深化地質(zhì)工程一體化研究、持續(xù)發(fā)展“一趟鉆”鉆井技術(shù)、加快推廣叢式水平井鉆井技術(shù)、持續(xù)優(yōu)化低成本高性能鉆井液體系、發(fā)展安全高效的優(yōu)快鉆井技術(shù)，為國內(nèi)頁巖氣資源的高效開發(fā)提供有力保障。

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畢開原，工程師，生于1982年，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井工藝相關(guān)技術(shù)研究工作。地址：（300459）天津市濱海新區(qū)。電話：（022）59555866。email：biky@cosl.com.cn。2024-01-07王剛慶