石油圈
21 世紀以來，美國通過以水平井鉆井和多級水力壓裂為代表的開發技術，掀起了“頁巖氣革命”，很快這股浪潮席卷全球，目前有約30個國家加入了頁巖氣勘探開發行列。我國也相繼在四川長寧、威遠，重慶涪陵、彭水，云南昭通等地開展了頁巖氣開發，并于2014年在重慶涪陵實現了頁巖氣商業化開發，但整體而言仍處于初級階段。目前頁巖氣在鉆井技術方面仍面臨許多挑戰，如頁巖地層的強水敏性和地應力變化，引起井壁失穩嚴重；三維長水平段水平井摩阻扭矩大，托壓嚴重，軌跡控制困難；儲層預測難度大，優質儲層鉆遇率制約單井產量再上水平；低油價環境下，降低投資成本急迫，倒逼現有提速技術手段和高效作業模式亟待優化升級等。為解決上述挑戰，近年來國外在頁巖氣等非常規油氣的鉆井方面取得了不少新進展，從一定程度上代表了今后非常規油氣乃至常規油氣鉆井的發展方向。
1 鉆井工具
水平井能降低費用、最大限度鉆遇油氣層，可使井數減少50%～80%，是頁巖氣開發的主力井型。近年來在水平井鉆井方面出現了以下幾種代表性新工具。
1.1 旋轉導向閉環系統（RCLS）
目前國外頁巖氣水平井軌跡控制多采用三維旋轉導向閉環系統，其核心為旋轉導向工具，結合隨鉆地質參數測量系統、地面井下雙向信息傳輸系統和地面監控系統組成的智能閉環鉆井系統。
旋轉導向工具具有獨立電動液壓模塊和控制系統，可通過精確控制3個轉向臂與井壁的連續作用力實現導向，同時利用閉環控制系統每秒自動測量套筒位置，及時修正摩擦與振動引起的套筒非正常轉動，確保導向矢量方向準確。最終實現在鉆柱旋轉的同時完成鉆進、監測和導向作業，從而解決了非常規油氣水平井在水平段滑動鉆井時間過長、控制井眼軌跡難度大、摩阻和扭矩高，以及鉆完井周期長、投資成本高的問題，實現了在變化的鉆井環境中保持相容性和一致性，保證井眼質量，實現高效鉆井。
目前在北美頁巖氣水平井中，常規旋轉導向工具讓單一井段“一趟鉆”漸成常態，而高造斜率旋轉導向工具（15°~18°/30m）則實現了雙井段甚至三井段的“一趟鉆”（圖1）。國內方面，由于國產旋轉導向工具還處于試驗階段，為控制成本多采用“優化井眼軌跡+常規導向動力鉆具+減摩減阻工具”的方式，其中減摩減阻工具多采用水力振蕩器，但該工具壓耗偏大、耐蝕損性能偏弱，同時影響MWD、LWD 等儀器的信號采集，這些也制約了水力振蕩器在頁巖氣水平井中的推廣。
1.2 電磁無線隨鉆測量裝置（EM-MWD）
目前傳統鉆井液脈沖無線隨鉆測量裝置（Pulser MWD），依靠鉆井液壓力脈沖波傳遞信號，無法在泡沫、充氣等非液體鉆井中應用，且傳輸速率較慢，而電磁無線隨鉆測量裝置通過低頻電磁波將信號從地下傳輸至地面，通過地面天線接收信號之后解碼、處理為可利用的參數。該裝置主要分為間隙接頭、著陸器接頭和發射機探測器3 個部分，其中間隙接頭主要負責分離兩個電極天線，向地層放射電磁波；著陸器接頭由卡箍接頭和壓力扶正器組成，后者位于著陸器接頭卡箍上，下端連接探針，配有井眼和環空傳感器；發射機探測器包括發射機傳到井口的電子系統、井眼的壓力電子數據及環空壓力測試器（井底鉆進問題早期檢測），高分辨率數據記錄的存儲器模塊，整個裝置以鋰電池組作為電源。
基于傳統電磁隨鉆測量裝置傳輸速率快，但也受制于地層、井深等因素，電阻率會過高或過低，造成信號缺失的情況，目前已研制出鉆井液脈沖發生器和電磁隨鉆測量系統合二為一的新型隨鉆測量裝置，當使用電磁模式時，快速傳輸數據，減少作業時間，降低作業成本，當出現傳輸問題時，啟動鉆井液脈沖模式，保證測量質量。兩種模式可自由切換，既可單獨工作，也可同時工作，切換時間僅為2min，同時可配合旋轉導向使用，從而達到操作更可靠、適用更廣泛、有效提高鉆進效率、極大減少鉆井成本，確保鉆探準確性的目的。
國內也自主研發了電磁無線隨鉆測量裝置，但由于測量深度受限和工作穩定性不夠等因素，還未實現推廣應用。目前國內多采用國外產品，在煤層氣井應用較多，這是由于煤層氣井水平段鉆時快、埋藏淺、井眼小、易垮塌、儲保要求高等特點，要求無線隨鉆測量裝置具備傳輸速度快、占用時間短、可打撈等特性。
1.3 新型裸眼側鉆斜向器
傳統的裸眼側鉆需要在導眼內注水泥塞，上方無其他固體，且由于頁巖對水泥中的水分敏感性強，另外由于流體外竄，可能需要多級水泥塞，側鉆風險較大。目前一種新型斜向器是帶有膨脹式鉸鏈封隔器的裸眼造斜器，能夠通過工作桿、造斜器和封隔器來傳遞壓力，封隔器的膨脹流體與鉆井流體一樣，可以實現在任意井深處造斜和一趟鉆多次造斜。
威德福公司在北美Fayetteville 頁巖區塊應用這種新型造斜器實現了無固井裸眼側鉆，避免了注水泥、候凝及鉆塞造斜等工序帶來的時間消耗和施工風險，解決了在裸眼導孔內進行側鉆的問題。
1.4 隨鉆測井成像工具
近年來，隨鉆測井系列不斷完善，在數據傳輸精度和探測深度方面都有顯著提高，優質儲層鉆遇率不斷提高，開發效益也不斷提升。
以往LWD電子成像工具受鉆井液信道限制，分辨率較差，為保證成像分辨率，必須降低機械鉆速。新一代LWD電子成像工具通過擴大發射頻率和增大色度譜識別能力等手段，使成像質量大幅提升。貝克休斯在北美Barnett頁巖研發出高分辨率LWD電子成像工具StarTrak，利用方位伽馬測量方法，實時識別斷層與裂縫，顯示裂縫形狀、交叉情況、連續性、協助壓裂改造位置選擇，評價層間邊界和地層傾角，展示井眼軌跡和裂縫交互作用，結合旋轉導向技術精確優化井眼軌跡。
傳統測繪工具探測深度有限（4.5~6m），在薄儲層或地質情況復雜井中不適用。由此斯倫貝謝推出Geosphere儲層隨鉆測繪系統，將多種復合接頭安裝在底部鉆具中，隨鉆進行深部定向電阻率測量，并對返回數據進行對比，完成儲層測繪。該系統由1個發射器和2個接收器組成，將儲層預測范圍提高至30m，可實時提供整體儲層規模，及時優化井眼軌跡，提高優質儲層的鉆遇率。目前該技術已在北美、北海、俄羅斯和中東等150個油田應用，在北海油田的兩口水平井中，儲層為富含海綠石的砂巖，厚度只有2~5m，且電阻率低，運用該儲層隨鉆測繪技術，結合地面地震數據，不斷校正油藏模型，最終兩口井實現了一趟鉆完鉆，儲層鉆遇率達到98%和96%，第一口井水平段進尺815m，較設計增加65m，后期試油達到1272m3/d，遠超預期。
國內隨鉆曾想技術在關鍵電路、機械部件制作等方面在國外技術的基礎上取得一定突破，但還整體處于起步階段，離商業應用上游不少距離。由于受地質導向技術限制，目前國內頁巖氣開發集成出一套“隨鉆伽馬+綜合錄井+巖屑快速分析、顯微放大識別”的地質工程一體化儲層跟蹤鉆進技術，相比租用國外先進地質導向服務，可降低成本30%以上。
2 鉆頭
優質高效鉆頭是鉆井提速將本的重要利器，近年來國外鉆頭廠商針對頁巖地層設計出的個性化PDC鉆頭在攻擊性、穩定性和持久性等方面取得了長足進步，促使在頁巖氣鉆井中單井段的一趟鉆漸成常態，雙井段的一趟鉆層出不窮，多井段的一趟鉆已不再是個案。
2.1 ONYX ⅡSpear鋼體PDC鉆頭
斯倫貝謝Smith公司IDEAS綜合鉆頭設計實驗平臺，專為頁巖地層推出ONYX鉆頭系列新產品—ONYX ⅡSpear PDC鉆頭，通過改變刀翼尺寸，增大巖屑槽的過流面積，提高鉆屑進入環空的效率；鉆頭表面電鍍“防泥包涂層”，將鉆頭表面帶負電性，排斥鉆井液中負電固體顆粒，降低鉆頭泥包風險；采用高溫高壓合成的優質切削齒，提高耐沖擊性和耐研磨性；縮小切削齒尺寸、優化切削齒布齒和減小刀翼高度，減小了鉆頭黏滑現象，提高工具面控制能力。
該鉆頭在造斜段和水平段均適用，目前已成功用于Bakken、Barnett、Marcellus、Haynesville和Eagle Ford等頁巖氣田。2011年初，在Haynesville一口頁巖氣水平井中，一只φ171.45mm（6-3/4in）Spear SDi611 PDC鉆頭配合可調萬都螺桿，實現“造斜段+水平段”1848m進尺一趟鉆完成，用時122h，平均機械鉆速為15.15m/h，節省鉆井周期124h，節約鉆井成本36.5萬美元。2013年初，在Eagle Ford一口頁巖氣水平井，一只φ215.9mm（8-1/2in）Spear SDi513 PDC鉆頭配合斯倫貝謝高造斜率旋轉導向系統Powe Drive Archer，實現了二開“直井段+造斜段+水平段”3277.8m進尺一趟鉆完成，平均機械鉆速為16.76m/h，鉆進周期8d，較鄰井節約4d。
2.2 Talon 3D系列PDC鉆頭
貝克休斯在Talon鉆頭基礎上增強了定向能力，升級研發出Talon 3D矢量系列PDC鉆頭。該類型鉆頭具有發散式排屑槽，更有利于提高排屑效率；更短的彎曲半徑，增強了導向能力和早些能力；采用一體式剛體結構，表面經StayTough表面敷焊特殊耐磨材料，延長了鉆頭壽命，PDC復合片經特殊拋光處理，減少切削齒泥包現象；特殊的鉆頭中心破巖工藝，提高了鉆頭攻擊性。這種個性化PDC鉆頭適合鉆垂直井段、造斜井段和水平井段，與高造斜率旋轉導向鉆井系統一起使用有可能實現頁巖氣水平井二開“垂直段+造斜段+水平井段”一趟鉆完鉆。
在Haynesville一口頁巖氣井中，一只φ171.45mm的Talon 3D PDC鉆頭配合彎螺桿鉆具，實現了造斜段和水平段共1727.9m進尺一趟鉆完成，用時162h，平均機械鉆速為10.67m/h，較鄰井提高41%，單只鉆頭進尺較鄰井增加181%，周期縮短67h，節省鉆井投資10.1萬美元。
3 鉆井液
頁巖氣井壁失穩一種是由強水敏性地層（蒙皂石含量高達80%以上）及鈣、膏泥巖的水敏性坍塌造成；另一種是由地應力引起的層理發育的泥頁巖地層的硬脆性坍塌造成的。雖然油基鉆井液一直是頁巖氣水平井首選使用的鉆井液，但隨著對地層認識的逐漸深入和鉆井液技術的不斷進步，國外技術人員在開發頁巖氣高性能水基鉆井液方面進行了大量探索。
3.1 SHALEDRIL系列水基鉆井液
哈里伯頓公司針對部分頁巖鉆井研發出SHALEDRIL系列水基鉆井液，它具有超低的固相含量，可降低固相侵入和空隙堵塞，具有較好的儲保作用；其專有的凝膠結構有效地提升了鉆井液攜巖和密度控制能力；還研發了適用于高溫高壓井高黏隔熱鉆井液，可減小地層傷害、提高生產能力、保護套管。
3.2 LATIDRILL水基鉆井液
貝克休斯公司研發的LATIDRILL頁巖水基鉆井液體系，可與其他常規水基鉆井液配合來抑制黏土水花，可在高溫高壓條件下附著在鉆具和鉆屑表面來提高鉆速，其整體性能及穩定性可媲美油基鉆井液體系，還大幅降低了清理附油鉆屑的時間。
3.3 HydraGlyd水基鉆井液
M-I SWACO公司為敏感性頁巖區研發HydraGlyde水基鉆井液體系，該體系采用HydrSpeed低成本潤滑劑，可達油基鉆井液潤滑水平，其獨有的化學特性能可形成高質量濾餅，可減小井壁失穩風險；HydrHib聚胺類頁巖抑制劑，通過調節濃度來調節井壁穩定性；HydraCap包被劑，可替代水解聚丙烯酰胺，抑制黏土膨脹及分散，保持井筒完整性，與PHPA相比，用量更小、分散能力更強、剪切黏度更低。
在Mildlan盆地一口頁巖氣井中，采用HydraGlyde高性能水基鉆井液在含有頁巖、石灰巖交互夾層的水平段鉆進1900m，鉆進時間3.5d，較鄰井使用強抑制性水基鉆井液相比，平均機械鉆速提高16%，扭矩降低18%。
國內頁巖氣鉆井液方面主要以油基鉆井液為主，目前油基鉆井液室內實驗性能已達到國外同類水平，其中乳化穩定性、流變性和封堵性甚至更優于國外同類產品，現場應用也基本解決了頁巖井壁垮塌難題，可滿足頁巖氣水平井安全鉆井要求。在高性能水基鉆井液方面國內也有突破，研制出CQH-M1和DRHPW-1等高新更難水基鉆井液體系，CQH-M1體系具有無土相、高效封堵、高潤滑性和熱穩定性，整體性能達到油基鉆井液水平，首次應用昭通YS108H4-2頁巖氣井就創造該地區鉆井周期37.17d的新紀錄。但整體而言國內高性能水基鉆井液還無法全面滿足頁巖氣井開發需要，水平段鉆進過程中井壁垮塌異常嚴重，卡鉆、埋鉆具等復雜事故多發。
4 作業模式
低成本開發和快速投產是頁巖氣等非常規油氣開發的關鍵，而“井工廠”作業則是低成本開發的核心，也正是“井工廠”作業模式的發展，全球頁巖氣產量自2008年以來出現井噴式增長。
“井工廠”作業是指利用一系列先進鉆完井技術和裝備、通訊工具，系統優化管理整個肩頸過程設計的多項因素，集中布置進行批量鉆井、批量壓裂等作業的一種作業模式。這種作業方式能夠利用快速移動鉆機對單一井場的多口井進行批量鉆完井和脫機作業，以流水線的方式，實現邊鉆井、邊壓裂、邊生產。
目前，“井工廠”作業模式已由“接替流水線作業”升級為“同步流水線作業”井工廠，實現了在同一井場，多種作業有序并行，同時引入大數據分析，開展資源定位、井位選取、方案篩選、參數優化、遠程調控等技術或組織措施的優化，這種基于大數據的高級井工廠鉆井作業模式也有望推動2.0時代的到來。
國外EOG資源公司、康菲、哈里伯頓、斯倫貝謝等頁巖氣開發商或油服公司，開始將勘探開發中采集的大量孤立、散亂的數據加以分析應用，取得了極大的經濟效益，如優質井數量增加，采氣成本降低，老井產量提高甚至翻倍等。
國內“工廠化”鉆井最早是由海洋平臺叢式鉆井理念發展起來的。2011年以來，中國石化在大牛地氣田、勝利油田鹽227區塊、涪陵頁巖氣田，中國石油在蘇里格南合作區和蘇53區塊、威遠-長寧頁巖氣田，都先后開展了“井工廠”作業模式的探索，形成了基于各自地面條件、地質情況、配套裝備、技術狀況和組織管理模式的中國特色“井工廠”作業模式。目前，蘇里格南合作區的“井工廠”作業模式最為成熟，涪陵頁巖氣也功課了山地特色“井工廠”鉆井關鍵技術，但綜合水平與國外相比仍有較大差距，主要表現在設備自動化程度低、關鍵工具及材料對外依存度高等方面，如快速移動式電驅鉆機國外普遍應用滑軌式和步進式自動化鉆井設備，國內仍處于對陸地鉆機的改裝階段，主要以滑軌式鉆機為主；高造斜率旋轉導向系統國內目前仍處于研發測試階段，離商業應用還有較遠距離。
5 結論
（1）國外在旋轉導向、地質導向、高性能水基鉆井液、高效PDC鉆頭、自動化鉆機等頁巖氣鉆井核心技術方面仍然處于壟斷地位，這些是國內頁巖氣開發再上一個臺階必須跨越的大山，應盡快通過“引進、吸收、改進、創新”的方法，完成核心技術和工具的國產化，這是頁巖氣實現效益開發的根本；另一方面也要繼續加大低成本替代技術的比例和研究試驗力度，解決當前實際開發成本問題。
（2）國內頁巖氣等非常規油氣與國外在地質條件復雜，配套裝備和技術狀況不同，組織管理模式也存在差異，“井工廠作業是必然之路”，應借鑒國外先進技術井眼，立足國情，取長補短，繼續優化升級中國特色頁巖氣開發鉆井技術和模式。
（3）頁巖氣儲層非均質性強，客觀地認識儲層地質特征是頁巖氣經濟有效開發的前提與基礎；開展頁巖氣儲層地質與工程一體化，即地質特征與鉆完井及壓裂設計有機融合的一體化技術，是實現頁巖氣經濟有效開發的保證。
（4）由于目前國際油價低位徘徊，使得全球頁巖油氣開發的步伐有所放慢，但從國家能源戰略上考慮，仍要繼續推進頁巖油氣的勘探開發，并鼓勵投資主體多元化，引入有實力的中小型企業，相互競爭，共同降低開發成本。
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