国内外页岩油钻井工程关键技术调研报告

国内外页岩油钻井工程关键技术调研报告

世界石油工业正在从常规油气向非常规油气跨越。致密油和气是储集在致密砂岩或灰岩等储集层中的石油和天然气，油气经历了短距离运移，目前页岩气已成为全球非常规天然气勘探开发的热点，页岩油的相关研究也正在兴起。

致密油（页岩油）的商业化突破具，有三大战略意义：

①延长石油工业生命周期，突破传统资源禁区和成藏理论，增加了资源类型与资源量；

②引发了油气科技革命，推动整个石油工业理论技术升级换代；

③改变了全球传统能源格局，形成以中东为核心的东半球“常规油气版图”，以美洲为核心的西半球“非常规油气版图”，影响世界发展秩序。

2005年-2010年北美在Barnett、Haynesville、Marcellus、Eagle ford等主要页岩气盆地开始大规模勘探开发，引发了一场页岩气技术革命，让美国天然气年产量重上6000亿方以上。2010年将页岩气开发技术规模应用到致密油开发，比较典型的是Bakken页岩油：普遍采用超长水平井开发（水平井段长度达3000米左右），2016年巴肯致密油年产量超过3000万吨。2014年下半年国际原油价格出现暴跌，并持续低位运行。油公司和油服公司共同致力于“提高单井产量和降低建井成本”，引发了北美页岩油气的第二次革命。

图1-1 北美地区页岩油气产区

目前，国内页岩油开发已经起步，并且取得一定的进展，但在理论技术革新和钻探技术换代上，依然处于摸索阶段，并未形成成熟的钻探配套技术。

（1）国外技术现状

国外致密油的开发技术的最高水平，应属北美地区。水平井钻井及多级压裂技术广泛应用促使北美形成致密油、页岩气比翼齐飞的局面，油气产量突飞猛进。然而，随着经济发展的减缓，美国天然气价格持续低迷，越来越多的公司发现干气业务已难以维系公司盈利的需求。2008 年以后，页岩气开发技术在致密油开发中的应用也取得了成功。作业公司发现，从事致密油甚至湿气生产能够获得更高的收益。鉴于此，越来越多的北美作业公司开始削减页岩气业务，将更多的资金和精力投入富含液态烃的致密区带。与页岩气相似，致密油钻井几乎也经历了尝试、探索、学习、改进、成熟、推广的过程，同样是由于技术的进步，使钻井工作量不断增长、钻井效率不断提升、致密油产量获得突破。北美是致密油开发较早的地区，随着技术的进步，美国和加拿大的致密油产量获得了巨大的突破。

国外关键技术1：工厂化作业模式

美国致密油水平井开发中，广泛采用工厂化作业模式，其核心就是利用定制钻机进行丛式水平井的批量钻井，这些定制钻机为快速移动式电驱动钻机，便于实现钻机在井间的快速移动。致密油储层的连续性为实施可重复性的工厂化钻井方式提供了契机。在北美的致密油产区，工厂化钻井有效提高了作业效率，减少了钻井周期。工厂化钻井是在同一井场集中布置多口井，利用一系列先进工艺、工具和装备，结合精益管理方法和远程监控，实施批量作业，实现降低作业成本提高生产效率的高效作业方式，它通过高移动性钻机、优化的井下工具组合、优化的井场作业、流水线式建井程序的集成，实现了远程控制、多方协调作业，并具有系统的优化方法。

国外关键技术2：井眼轨迹控制技术——旋转导向钻井系统

在北美致密油水平井钻井中，常规旋转导向钻井系统的应用呈增长趋势，尤其是高造斜率旋转导向钻井系统应用效果十分显著。斯伦贝谢和贝克休斯公司分别于2011 年和 2012 年推出的最大造斜率为17° /30 m 和15 ° /30 m 的高造斜率旋转导向系统，可用于钻直井段、造斜段和水平段，缩短了造斜段长度和靶前距，以更短的半径实现水平井的二开“一趟钻”完钻，从而减少起下钻作业，提高钻井效率，缩短钻井周期，简化井身结构，降低钻井的综合成本。比如，2012 年初，在美国 Eagle

Ford 页岩一口设计造斜率为 8（°） /30 m 三维水平井中，应用贝克休斯公司高造斜率旋转导向系统和定制PDC钻头一次下井钻进 3217.8 m，完成了直井段、造斜井段和水平井段的钻进，实现了二开“一趟钻”完钻，共用时5.95天，平均机械钻速 27.43 m/h。

国外关键技术3：远程控制钻井技术

钻井自动化、智能化是钻井发展的大趋势，而远程控制可以减少现场人员，同时协调多学科团队力量将井眼轨迹更好地控制在目的层之中。壳牌公司是远程钻井控制技术的先驱，第一个DART（通过钻井自动化和远程操作技术中心）于2011年开始运行。DART 的作用是将定向钻井工程师、地质导向工程师和随钻工程师汇集到远程作业中心，进行远程钻井指挥，可同时进行3口井的随钻和定向操作，以及同时进行4口井的地质导向操作。

国外关键技术4：快速移动式交流变频电驱动钻机

为使钻机更能适应致密油开发的要求，钻井承包商与设备制造商会针对作业区的地质情况建造更有针对性的钻机以提升钻井能力，减少作业时间和成本。在用钻机多是大中型电驱动钻机，尤其是定制的快速移动式交流变频电驱动钻机，其次是小型机械式钻机，主要用于钻表层井眼。交流变频技术使多参数电子司钻成为可能，从而使钻进控制可以参考更多的参数，如钻压、扭矩、DP、机械钻速等。

国外关键技术5：水平井钻头技术

水平井最大化油藏接触，有效提高泄油面积，对于致密油产量的提升作用巨大。钻水平井，尤其是长水平井，对钻头有更高的要求。首先，要求钻头具有较好的造斜性能。其次，由于较多地采用井下动力钻具，一般须适应地钻压、高转速。此外，水平井钻井中，为了满足携带岩屑的需要，对钻头水力性能的设计也有一定的要求。钻头技术主要通过在这几个方面进行改进，推出更加适应水平井钻井需求的钻头产品。近两年新推出的针对水平井的钻头产品包括斯伦贝谢公司的 Spear PDC 钻头、休斯克里斯坦森 Talon 3D 钢体定向 PDC 钻头、哈里伯顿公司的固定切削齿钢体钻头、ReedHycalog 公司的Seeker定向钻头等。大陆能源公司在巴肯地区采用斧型齿钻头创造单只钻头水平井一趟钻，钻完4650米水平段，平均机械钻速40.9 m/h。

国外关键技术6：针对地层岩性个性化钻井液设计

针对各地层岩性的不同，开发出越来越多的个性化钻井液。如在 Bakken 盆地钻进时，产层为粉砂质白云岩，在技套层段使用油基钻井液，而在水平段使用盐水钻