葉海超 光新軍 王敏生 皮光林

中國石化石油工程技術(shù)研究院

北美頁巖油氣低成本鉆完井技術(shù)及建議

葉海超 光新軍 王敏生 皮光林

中國石化石油工程技術(shù)研究院

為了適應(yīng)低油價(jià)環(huán)境，提高頁巖油氣開發(fā)效益，北美頁巖油氣生產(chǎn)商采取了一系列措施來降低作業(yè)成本，增加單井產(chǎn)量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。介紹了北美頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)狀，分析了提高頁巖油氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益所采用的低成本鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，包括高效率可移動(dòng)鉆機(jī)、井工廠優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)、完井優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓裂液回收利用和一體化化設(shè)計(jì)與管理優(yōu)化等，結(jié)合國內(nèi)頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)狀和工程技術(shù)難題，提出了低成本鉆完井技術(shù)攻關(guān)建議。圍繞這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，盡快形成適應(yīng)于我國的頁巖油氣低成本鉆完井技術(shù)，對于經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)頁巖油氣具有重要意義。

頁巖油氣；井工廠；水平井壓裂；一體化設(shè)計(jì)

在全球油氣需求下降的背景下，油氣價(jià)格出現(xiàn)下跌，開發(fā)效益不斷惡化，美國頁巖油氣生產(chǎn)商紛紛采取相關(guān)措施來提高作業(yè)效率，縮短建井周期，降低作業(yè)成本，同時(shí)提高單井產(chǎn)能。目前采用的降本增效方式主要有3種：通過提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本；通過采用先進(jìn)技術(shù)提高產(chǎn)量，優(yōu)化噸油成本；優(yōu)化內(nèi)部管理，實(shí)現(xiàn)垂直一體化。通過分析低油價(jià)下北美頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)狀，研究提高頁巖油氣開發(fā)效益所采用的關(guān)鍵鉆完井技術(shù)，結(jié)合我國頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)狀和鉆完技術(shù)難題，提出低成本鉆完井技術(shù)攻關(guān)建議，為國內(nèi)頁巖油氣勘探開發(fā)和工程技術(shù)攻關(guān)提供借鑒具有重要意義。

1 北美頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)狀

Development status of shale oil and gas in the North America

頁巖油氣商業(yè)開發(fā)以來，產(chǎn)量持續(xù)增加。2014年底受全球油氣價(jià)格低迷影響，鉆井?dāng)?shù)量下降，頁巖氣產(chǎn)量2015年底達(dá)到頂峰后開始下降，目前產(chǎn)量12.19×108m3/d；頁巖油產(chǎn)量2015年初達(dá)到頂峰后開始下降，目前產(chǎn)量54.93×104t/d［1］。頁巖油產(chǎn)量受油價(jià)影響較頁巖氣敏感，2014年底油價(jià)下降后，頁巖油產(chǎn)量立即受到影響，而頁巖氣產(chǎn)量在2015年底才開始下降。這是由于油價(jià)較低，而氣價(jià)波動(dòng)范圍不大，部分公司停止或減少了頁巖油的鉆井?dāng)?shù)量，而轉(zhuǎn)移或回到頁巖氣的開發(fā)上。進(jìn)入2017年后，北美非常規(guī)油氣鉆機(jī)數(shù)量繼續(xù)保持增長勢頭，比2016年谷底增加281臺(tái)，顯示北美鉆完井作業(yè)已經(jīng)進(jìn)入恢復(fù)期。鉆機(jī)數(shù)量增加、鉆井效率提高、水平井單井產(chǎn)量提高，美國頁巖油氣總產(chǎn)量又開始呈上升趨勢。

美國石油公司在低油價(jià)背景下非常重視提高鉆機(jī)效率和提高油氣井產(chǎn)量，雖然過去幾年在用鉆機(jī)數(shù)量大幅下降，但每臺(tái)鉆機(jī)產(chǎn)生的油氣產(chǎn)量穩(wěn)定增長［2］。一是由于將鉆機(jī)移至頁巖油氣核心區(qū)，提高了單井產(chǎn)量；二是鉆井?dāng)?shù)量下降，作業(yè)者優(yōu)先淘汰老舊、生產(chǎn)效率低下的鉆機(jī)，在用鉆機(jī)生產(chǎn)效率較高，使得單臺(tái)鉆機(jī)產(chǎn)生的油氣產(chǎn)量有所增加；三是提高了鉆井效率，縮短了鉆井周期，單臺(tái)鉆機(jī)年鉆井?dāng)?shù)量增加。

2 低成本鉆完井技術(shù)

Low-cost drilling and completion technologies

2.1 高效率可移動(dòng)鉆機(jī)

efficient mobile rig

為了滿足井工廠作業(yè)需要，北美陸上鉆井平臺(tái)中有60%具有移動(dòng)能力，其中35%是步進(jìn)式移動(dòng)鉆機(jī)，25%是滑動(dòng)式移動(dòng)鉆機(jī)?？梢苿?dòng)鉆機(jī)的使用將鉆機(jī)在井口之間的移動(dòng)時(shí)間降至30 min，大量節(jié)省作業(yè)時(shí)間和成本。

快速移動(dòng)鉆機(jī)具有便攜、快速、靈活、安全等特點(diǎn)。鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)能使鉆機(jī)穩(wěn)定、可靠、安全、精確移動(dòng)和舉升。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤和驅(qū)動(dòng)內(nèi)置于鉆臺(tái)，導(dǎo)軌內(nèi)置于桅桿上，安裝快速。鉆機(jī)提升能力1 089 t，具備鉆叢式水平井和大位移井的能力。Veristic公司步進(jìn)式移動(dòng)鉆機(jī)能在8個(gè)方向移動(dòng)，提高了鉆機(jī)的靈活性，移動(dòng)速度達(dá)到15 min移動(dòng)3 m，減少了鉆機(jī)的搬遷時(shí)間，從一口井移至下一口井整體搬遷。西南能源公司利用該鉆機(jī)在Fayetteville頁巖氣區(qū)利用34 d完成了5井組的井工廠鉆井作業(yè)（表1）。

表1 快速移動(dòng)鉆機(jī)與傳統(tǒng)鉆機(jī)經(jīng)濟(jì)性對比Table 1 Economic comparison between the fast mobile rig and the tradition rig

為了進(jìn)一步降低鉆機(jī)作業(yè)成本，鉆機(jī)設(shè)計(jì)采用小型化，利用更少更輕的模塊組件，快速拆卸和組裝，減少了運(yùn)載車次，提高了遠(yuǎn)距離井場間搬遷效率。同時(shí)采用雙燃料系統(tǒng)，可使用柴油和天然氣2種燃料，使用存儲(chǔ)的礦場天然氣為鉆機(jī)供應(yīng)燃料可以節(jié)省油罐車運(yùn)送柴油的成本，同時(shí)使用天然氣價(jià)格較柴油低。

2.2 井工廠優(yōu)化設(shè)計(jì)

Multiwell pad optimization design

2.2.1 單井場多產(chǎn)層開發(fā) 應(yīng)用單井場實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)層共同開發(fā)，充分利用一次井場，降低井工廠作業(yè)井與井之間的間距，增加單個(gè)作業(yè)平臺(tái)井?dāng)?shù)，減少井場占用面積，通過共用土地、鉆井設(shè)備、泥漿罐，水處理系統(tǒng)降低作業(yè)成本，并通過工廠化作業(yè)提高效率，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊總體效益的提升。美國Eagle Ford、Permian盆地和加拿大Montney等盆地的頁巖油氣開發(fā)廣泛采用了這種方式。圖1為Laredo 石油公司在Permian盆地采用單井場多產(chǎn)層開發(fā)，采用20個(gè)井工廠平臺(tái)鉆60口水平井，開發(fā)4個(gè)層位頁巖油氣，作業(yè)成本降低 6%～8%［3］。

2.2.2 靈活式井工廠模式 由于儲(chǔ)層在幾十米范圍內(nèi)變化很大，傳統(tǒng)井工廠模式可能導(dǎo)致部分井與儲(chǔ)層接觸面積較少，或所接觸的儲(chǔ)層品質(zhì)較差，產(chǎn)能達(dá)不到預(yù)期。雪佛龍公司開發(fā)了靈活式井工廠作業(yè)模式，通過前幾口井的數(shù)據(jù)采集來實(shí)時(shí)調(diào)整后幾口井的井身結(jié)構(gòu)和井位，提高井工廠開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。對Permain盆地12口井組井工廠對比發(fā)現(xiàn)，雖然單口井的凈現(xiàn)值相差不多，但是通過采用備用井位，靈活式井工廠模式的總凈現(xiàn)值是傳統(tǒng)井工廠模式的2倍多［4］。

圖1 Permain盆地單井場多產(chǎn)層開發(fā)Fig. 1 Development of multiple pay zones in one pad in the Permain Basin

2.2.3 井工廠批鉆模式 井工廠批鉆模式是指按照順序批量完成多口井的表層、直井段和水平井段的鉆井作業(yè)，通過采用流水化作業(yè)，大大提高鉆井作業(yè)效率［5-6］。批量鉆井作業(yè)模式特點(diǎn)：（1）可以利用多臺(tái)鉆機(jī)或一臺(tái)鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)在同一井組中相同井段配置同樣鉆機(jī)和底部鉆具組合，節(jié)省大量換鉆具時(shí)間；（2）用多臺(tái)鉆機(jī)時(shí)，先利用559 kW移動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行表層鉆井、完井，然后利用1 118 kW移動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行垂直段和水平段鉆進(jìn)，最后進(jìn)行壓裂，多以2～3口井同時(shí)作業(yè)；利用單一移動(dòng)式鉆機(jī)時(shí)，先按順序鉆多口井的直井段，再反向順序鉆水平井段，最后進(jìn)行壓裂，在4～6口井的井組中較為常見；（3）多口井依次一開、固井，依次二開、固井，從而使鉆井、固井、測井設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少非生產(chǎn)時(shí)間，提高作業(yè)效率；（4）鉆井液重復(fù)利用，減少鉆井液的交替：上部井段選用水基鉆井液，下部采用油基鉆井液，批鉆井一開、二開鉆井液體系相同，可重復(fù)利用，尤其是減少了油基鉆井液回收及巖屑處理時(shí)間，降低了單井鉆井液費(fèi)用。圖2為典型的井工廠井槽和井間距設(shè)計(jì)［7-8］。

圖2 井槽和井間距布置情況Fig. 2 Arrangement of well slot and well spacing

2.3 鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)

Drilling optimization design

2.3.1 井身結(jié)構(gòu) 頁巖油氣開發(fā)早期，由于地層情況的不確定，生產(chǎn)套管強(qiáng)度低，導(dǎo)致下入深度受限制，多級(jí)壓裂完井技術(shù)不成熟，大多數(shù)作業(yè)者必須采用3層套管的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為降低鉆完井成本，簡化了井身結(jié)構(gòu)。西南能源公司在Fayetteville頁巖油氣區(qū)的設(shè)計(jì)由最初的三開完鉆減少為二開完鉆。導(dǎo)管、表層套管和生產(chǎn)套管參數(shù)見表2。

表2 西南能源公司Fayetteville頁巖油氣區(qū)套管參數(shù)Table 2 Casing parameters of Fayetteville shale oil and gas block of Southwest Energy Company

挪威國家石油公司在Eagle Ford頁巖油氣區(qū)通過優(yōu)化后采用2層套管，利用?244.48 mm套管下至1 702 m封固Midway水層，再用?139.7 mm套管下至5 046 m，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比見圖3。通過采用2層套管設(shè)計(jì)，在Eagle Ford頁巖油氣區(qū)的建井時(shí)間節(jié)約10%，節(jié)約鉆完井成本15%［9-10］。

圖3 Eagle Ford頁巖油氣井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比Fig. 3 Comparison of casing program optimization of Eagle Ford shale oil and gas wells

2.3.2 井眼軌跡控制技術(shù) 北美頁巖油氣井井眼軌跡設(shè)計(jì)主要有2種，一種是采用單一的圓弧剖面，利用6～20（°）/30 m增斜率實(shí)現(xiàn)較小的靶前位移。這種設(shè)計(jì)的井眼曲率較大，管柱的下入摩阻大，容易發(fā)生屈曲；另一種是采用雙增剖面“ 直—增—穩(wěn)—增—平”剖面，第一次增斜采用反向造斜，增大靶前位移。在兩段增斜段之間設(shè)計(jì)了一段穩(wěn)斜調(diào)整段，以調(diào)整由于工具造斜率的誤差造成軌道偏離，水平段前造斜段全角變化率12（°）/30 m。這種設(shè)計(jì)方式提高了靶前距離，增加命中油藏靶點(diǎn)的幾率并增加泄油面積［11］。

為降低鉆井成本，在地層相對簡單、井底溫度較低的情況下，井下工具一般使用高效實(shí)用的MWD和導(dǎo)向泥漿馬達(dá)，以滑動(dòng)鉆進(jìn)方式鉆造斜段，以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式鉆水平段。但在地層復(fù)雜，井底溫度較高的區(qū)塊，一般采用高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。挪威國家石油公司在Eagle Ford頁巖油氣區(qū)鉆井過程中，由于鉆井液循環(huán)溫度較高，在104～170℃之間，先期采用導(dǎo)向馬達(dá)鉆井時(shí)，BHA失效引起的非生產(chǎn)時(shí)間占整個(gè)非生產(chǎn)時(shí)間的60%，幾乎所有的馬達(dá)定子橡膠塊失效都發(fā)生在水平段。后嘗試改變馬達(dá)定子與轉(zhuǎn)子匹配設(shè)計(jì)、采用等壁厚馬達(dá)、利用鉆井液冷卻器降低循環(huán)溫度等措施，但BHA失效引起的非生產(chǎn)時(shí)間還占50%。為了減少非生產(chǎn)時(shí)間，提高鉆井機(jī)械鉆速，采用高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)使造斜段機(jī)械鉆速提高240%，水平段機(jī)械鉆速提高68%。通過提高鉆井效率，彌補(bǔ)了采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)所增加的成本，水平井延伸位移增加，大幅度提高了總體經(jīng)濟(jì)效益［10］。

2.3.3 鉆井液技術(shù) 北美頁巖油氣開發(fā)過程中，有60%～70%的頁巖水平井段應(yīng)用油基鉆井液，水基及其他類型鉆井液體系占到了30%～40%。采用油基鉆井液體系有利于井壁穩(wěn)定、降低摩阻，確保生產(chǎn)套管順利下到位，但油基鉆井液成本高、不利于地層及環(huán)境保護(hù)，而常規(guī)油氣鉆井用的水基鉆井液無法滿足頁巖水平井鉆井需要。為了降低成本，在水平段鉆井過程中針對儲(chǔ)層特性不斷評(píng)價(jià)和實(shí)施頁巖水基鉆井液體系，并有部分體系成功應(yīng)用［12］。哈里伯頓、斯倫貝謝M-I公司、貝克休斯、Newpark等公司都先后研制和成功應(yīng)用了多種高性能水基鉆井液用于頁巖氣水平井鉆井作業(yè)，性能接近油基鉆井液［13-15］。同時(shí)，利用礦物油基鉆井液取代柴油基鉆井液，降低油基鉆井液毒性和鉆井液中芳香烴含量，減少后期處理成本和對環(huán)境的影響，雖然成本有所增加，但減少了后期HSE操作成本，提高了綜合效益。使用油基鉆井液時(shí)，使用鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)去除鉆井液中的固相顆粒，將鉆井液循環(huán)利用，既節(jié)約成本又可以減少對環(huán)境的污染。西南能源公司在Fayetteville頁巖氣區(qū)采用該技術(shù)降低鉆井液成本48%，降低后期處理成本55%，減少基礎(chǔ)油31%。油基鉆井液回收利用前后對比如圖4所示［16］。

圖4 油基鉆井液回收利用Fig. 4 Recycling of oil-base drilling fluid

2.4 完井優(yōu)化設(shè)計(jì)

Completion optimization design

2.4.1 壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì) 為了增大裂縫與儲(chǔ)層的接觸面積，提高單井產(chǎn)能，采用多裂縫設(shè)計(jì)。通過加密射孔，縮短壓裂間距，在同等長度水平段，可以布置更多的壓裂級(jí)數(shù)。表3為康菲石油公司在Eagle Ford頁巖壓裂設(shè)計(jì)變化情況。

表3 康菲石油公司Eagle Ford頁巖壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of Eagle Ford shale fracturing by Conoco Phillips Company

壓裂級(jí)數(shù)增加，壓裂間距縮短，單位長度的壓裂液用量和壓裂砂量不斷增加，壓裂液量達(dá)到10.46 m3/m，加砂量達(dá)到2.24～2.98 t/m。Eagle Ford頁巖油氣區(qū)的支撐劑數(shù)量從2014年的1.76 t/m增加至2015年的1.81 t/m；Marcellus頁巖區(qū)塊支撐劑數(shù)量從2014年的2.39 t/m增加至2015年的2.53 t/m，預(yù)計(jì)將在2018年間增至2.98 t/m。為了降低成本，支撐劑以天然石英砂為主，采用滑溜水壓裂的比例將增加。

2.4.2 完井方式優(yōu)化設(shè)計(jì) 美國主要頁巖盆地的生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)表明，大部分產(chǎn)量（2/3）來自于小部分主裂縫（1/3），有1/3射孔簇對生產(chǎn)沒有貢獻(xiàn)。作業(yè)者針對儲(chǔ)層各層位產(chǎn)油氣特性，減少無效壓裂層段，通過改進(jìn)完井方式提高單井產(chǎn)能。頁巖油氣水平井分段壓裂一般采用泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)或裸眼投球滑套壓裂技術(shù)［17］。與泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)相比，裸眼投球滑套壓裂技術(shù)可通過減少壓裂液用量及降低施工周期降低成本，但該技術(shù)滑套位置在壓裂過程中不能再被調(diào)整，而泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)靈活性強(qiáng)，壓裂位置任意可選。在Bakken頁巖油氣區(qū)，Whiting石油公司和SM能源公司從滑套完井轉(zhuǎn)移到襯管橋塞固井射孔完井。

2.4.3 重復(fù)壓裂技術(shù) 重復(fù)壓裂正成為作業(yè)者提高產(chǎn)能、降低作業(yè)成本的一種有效方法。重復(fù)壓裂成本是新鉆井鉆完井成本的20%～35%，壓后能恢復(fù)31%～76%的初產(chǎn)量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益［18］。北美頁巖油氣重復(fù)壓裂井主要集中在Bakken、Barnett和Marcellus，重復(fù)壓裂后的12個(gè)月，平均下降率56%，而新鉆井的平均下降率為64%。在Bakken頁巖區(qū)，重復(fù)壓裂井的初始產(chǎn)能甚至高于新井初始產(chǎn)能。

重復(fù)壓裂技術(shù)主要有機(jī)械隔離和化學(xué)封堵。機(jī)械隔離是采用擠水泥的方式堵掉老的射孔孔眼，然后鉆掉水泥，再開始從水平井趾部到根部進(jìn)行泵送橋塞作業(yè)。還可以采用可膨脹襯管封堵原有射孔，再重新射孔和壓裂［19］。目前的重復(fù)壓裂中使用最多的是化學(xué)封堵，其采用可降解生物暫堵劑，從水平段根部開始，逐步向端部延伸，通過恢復(fù)關(guān)閉的已有裂縫，打開新裂縫的方式提高產(chǎn)能。全井段處理步驟為：①地面加壓泵入前置液，打開低壓虧空生產(chǎn)段，泵入含砂壓裂液；②泵入轉(zhuǎn)向劑暫堵第一步壓裂完的生產(chǎn)段；③重復(fù)步驟①和②，加壓繼續(xù)打開新的生產(chǎn)段，壓后封堵；④所有層段壓裂完畢后，暫堵劑降解，恢復(fù)生產(chǎn)。重復(fù)壓裂作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，不確定性大，目前仍處于技術(shù)驗(yàn)證階段。

2.5 壓裂液回收利用

Fracturing fluid recycling

頁巖油氣井壓裂一般采用多級(jí)分段、高排量和超大液量的壓裂模式，返排液量往往是常規(guī)壓裂的十倍甚至十幾倍。返排液中含有懸浮物、石油、重金屬離子和細(xì)菌等，是一種污染性很強(qiáng)的廢水。采用現(xiàn)場水循環(huán)系統(tǒng)，使現(xiàn)場水資源循環(huán)利用，節(jié)省成本且更加環(huán)保。水循環(huán)利用系統(tǒng)一般通過電凝聚和電浮選兩級(jí)工藝對壓裂返排水進(jìn)行處理，電凝聚過程使油/水乳液破裂，促使油和懸浮的顆粒凝聚成為更大的顆粒。電浮選過程是產(chǎn)生像霧一樣微米大小的氣泡，將凝聚的顆粒上升到表面進(jìn)行分離。處理工藝能將1～25 μm大小的油滴和懸浮顆粒凝聚和浮選。同時(shí)，也通過電氧化有效去除細(xì)菌和一些可在溶液中沉淀的離子。圖5為壓裂返排液處理原理圖。

圖5 壓裂返排液處理原理Fig. 5 Treatment principles for the back flow of fracturing fluid

Approach資源公司通過對水資源的循環(huán)利用，降低單井鉆完井成本45～100萬美元。Encana公司Montney盆地的頁巖油鉆井采用的Omni公司車載水處理系統(tǒng)，單口井節(jié)省40萬美元。

2.6 一體化設(shè)計(jì)與管理優(yōu)化

Integrated design and management optimization

從北美頁巖氣開發(fā)的作業(yè)流程看，除工廠化鉆井、交叉壓裂可以降低成本外，底部鉆具組合、鉆井流體優(yōu)化、完井設(shè)計(jì)、整體需求規(guī)劃和計(jì)劃、材料供應(yīng)等一體化設(shè)計(jì)與管理方面具有充分優(yōu)化空間。通過技術(shù)和管理優(yōu)化，評(píng)價(jià)井鉆完井成本達(dá)到1 290萬美元，到區(qū)塊開發(fā)時(shí)，單井成本能夠降到730萬美元。工廠化和交叉壓裂能夠降低約26%的成本。底部鉆具組合優(yōu)化、鉆井流體優(yōu)化、完井設(shè)計(jì)優(yōu)化、需求計(jì)劃、材料供應(yīng)等一體化設(shè)計(jì)與管理優(yōu)化能夠降低約23%的成本。挪威國家石油公司在過去2年在Eagle Ford頁巖油氣區(qū)共鉆井100多口，通過低成本鉆完井技術(shù)和綜合管理優(yōu)化，鉆井效率提高52%，鉆井作業(yè)成本降低45%［10］。

3 建議

Suggestions

在全球油氣供需日益寬松的背景下，頁巖油氣的價(jià)格出現(xiàn)下跌，開發(fā)效益持續(xù)惡化，美國主要頁巖油氣區(qū)鉆井?dāng)?shù)量大幅下降，但鉆井效率的提高了50%～150%，單井鉆完井成本降低20%～30%，大部分頁巖氣井初始單井日產(chǎn)量超過20×104m3/d，表4為美國部分頁巖油氣區(qū)鉆井周期及鉆完井成本［20］，其埋藏深度與國內(nèi)正在開發(fā)的頁巖氣埋深相當(dāng)。中石化涪陵頁巖氣一期平均埋深2 700 m左右，水平段長1 500 m左右，單井綜合成本為5 000～7 000萬元，遠(yuǎn)高于美國單井平均綜合成本。同時(shí)，國內(nèi)頁巖氣單井日產(chǎn)量較低，中石化涪陵頁巖氣田平均單井產(chǎn)氣量15×104m3/d，中石油頁巖氣單井產(chǎn)氣量在（6.38～9.88）×104m3/d。國內(nèi)在鄂爾多斯、渤海灣、松遼、準(zhǔn)噶爾等油氣盆地開展了頁巖油的開發(fā)試驗(yàn)，但經(jīng)濟(jì)開發(fā)效益較差，尚未形成工業(yè)化生產(chǎn)能力，需要鉆完井技術(shù)進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)降本增效［21］。

表4 美國主要頁巖油氣區(qū)鉆完井成本Table 4 Drilling and completion cost of main shale oil and gas blocks in the USA

從鉆井效率和單井產(chǎn)能方面考慮，國內(nèi)頁巖油氣鉆完井技術(shù)還具有較大的提升空間［22］，主要體現(xiàn)在：（1）工廠化模式較為單一，工廠化作業(yè)流程需進(jìn)一步完善。目前采用單排單鉆機(jī)或雙排雙鉆機(jī)，單一鉆機(jī)型號(hào)配備，沒有真正實(shí)現(xiàn)工廠化作業(yè)；（2）井眼軌跡設(shè)計(jì)主要采用單一的圓弧剖面，靶前位移小，存在死氣區(qū)；（3）鉆井提速工具單一，機(jī)械鉆速有待提高；（4）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等核心裝備不成熟；（5）頁巖水基鉆井液和油基鉆井液回收利用沒有推廣應(yīng)用；（6）儲(chǔ)層改造效果與規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不深入。

在低油價(jià)背景下，國內(nèi)頁巖油氣開發(fā)需要通過提高施工效率，縮短鉆井周期，降低單井成本。同時(shí)，采用先進(jìn)技術(shù)提高單井產(chǎn)量，優(yōu)化噸油成本也是降本增效的一種有效方式。針對國內(nèi)頁巖油氣開發(fā)難題，建議加快攻關(guān)一批鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，提升開發(fā)效益。

3.1 鉆井技術(shù)

Drilling technology

（1）頁巖氣井工廠化鉆完井技術(shù)深化研究。優(yōu)化平臺(tái)布置和鉆機(jī)配置，不同開次井段采用不同類型鉆機(jī)；采用單井場多產(chǎn)層開發(fā)，增大單井場井工廠數(shù)量，通過共用土地、鉆井設(shè)備、泥漿罐，水處理系統(tǒng)降低作業(yè)成本；完善和定型不同區(qū)域工廠化鉆完井技術(shù)模板，標(biāo)準(zhǔn)化、流程化實(shí)施，提升作業(yè)效率。

（2）頁巖氣鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過研究“勺型井”軌跡設(shè)計(jì)減少“死氣區(qū)” ，同時(shí)研發(fā)井眼相碰或下套管困難等關(guān)鍵難題，開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等關(guān)鍵工具。簡化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)化底部鉆具組合，降低作業(yè)成本。

（3）高性能水基鉆井液技術(shù)。完善和推廣高性能水基鉆井液，探索納米材料在頁巖氣水基鉆井液中的應(yīng)用。

（4）鉆井液、壓裂液回收利用技術(shù)深化研究。雖然強(qiáng)化了鉆井廢棄物無害化處理，加大油基鉆井液、壓裂返排液回收利用，但是目前處理技術(shù)能力仍然需不斷改進(jìn)和提高，處理成本需要降低。

（5）高效率移動(dòng)鉆機(jī)。采用雙燃料引擎和高性能移動(dòng)鉆機(jī)，減少鉆機(jī)燃料成本，提高鉆機(jī)移動(dòng)和搬遷效率。

3.2 完井技術(shù)

Completion technology

（1）水平井水平段長度優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究提高水平段長度的經(jīng)濟(jì)和工程可行性。

（2）頁巖氣壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過研究增加壓裂段數(shù)（減小壓裂簇間距），并加大支撐劑量，推廣使用低成本天然石英砂支撐劑，提高單井產(chǎn)能，降低綜合開發(fā)成本。

（3）頁巖氣完井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過對已施工壓裂井的壓后評(píng)估，分析裸眼滑套壓裂和分段橋塞壓裂各壓裂層段的產(chǎn)能貢獻(xiàn)率，優(yōu)化完井方式。

（4）重復(fù)壓裂技術(shù)。評(píng)估頁巖氣重復(fù)壓裂的經(jīng)濟(jì)效果，探索將膨脹管技術(shù)應(yīng)用于重復(fù)壓裂；采用屏蔽暫堵技術(shù)封堵原有裂縫后重新進(jìn)行壓裂作業(yè)產(chǎn)生新裂縫。

3.3 一體化設(shè)計(jì)與管理優(yōu)化

Integrated design and management optimization

（1）一體化設(shè)計(jì)和管理。通過工程地質(zhì)一體化設(shè)計(jì)、鉆完井管理一體化、優(yōu)化物流管理和材料管理、加強(qiáng)油公司和技術(shù)服務(wù)公司專業(yè)合作降低成本。

（2）應(yīng)用學(xué)習(xí)曲線提高鉆完井作業(yè)效率。作業(yè)公司在前期作業(yè)的基礎(chǔ)上不斷完善“最佳實(shí)踐”，改進(jìn)作業(yè)模式、技術(shù)方法等，提高鉆完井作業(yè)效率、降低鉆完井成本。如利用鉆機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，反映井隊(duì)起下鉆作業(yè)效率，通過學(xué)習(xí)作業(yè)效率最高的井隊(duì)，來提高整體鉆機(jī)隊(duì)伍作業(yè)效率。

作者附言：在本文撰寫過程中，在資料收集方面得到了中石化休斯頓研發(fā)中心趙金海和程亮的幫助，在此表示感謝！

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（修改稿收到日期 2017-08-27）

〔編輯 薛改珍〕

Low-cost shale oil and gas drilling and completion technologies used in the North America and the suggestions

YE Haichao, GUANG Xinjun, WANG Minsheng, PI Guanglin
SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China

In order to adapt to the environment of low oil price and improve the bene fi t of shale oil and gas development, the shale oil and gas producers take a series of measures to reduce the operation cost, increase single-well production and realize good economic bene fi t. In this paper, the development status of shale oil and gas in the North America was introduced, and the key low-cost drilling and completion technologies adopted to improve the economic bene fits of shale oil and gas development were analyzed, including efficient mobile rig, multiwell pad optimization design, drilling optimization design, completion optimization design, fracturing fluid recycling,integrated design and management optimization. Then, some suggestions on low-cost drilling and completion technology research were proposed based on the shale oil and gas development status and engineering technical difficulties in China. It is necessary to focus on researching these key technologies to develop low-cost shale oil and gas drilling and completion technologies which are suitable in China.It is of great significance to the economic and efficient development of shale oil and gas

shale oil and gas; multiwell pad; horizontal well fracturing; integrated design

∶

葉海超，光新軍，王敏生，皮光林.北美頁巖油氣低成本鉆完井技術(shù)及建議［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：552-558.

TE24

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0552– 07 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.004

中石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“石油工程技術(shù)裝備發(fā)展趨勢與戰(zhàn)略對策”（編號(hào)：P15163）。

葉海超（1965-），1989年畢業(yè)于西南石油大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油工程技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃方面的研究工作，高級(jí)工程師。電話：010-84988083。E-mail：yehc.sripe@sinopec.com

光新軍（1986-），主要從事鉆井技術(shù)及石油工程戰(zhàn)略規(guī)劃方面的研究工作，工程師。通訊地址：（100101）北京市朝陽區(qū)北辰東路8號(hào)北辰時(shí)代大廈9層。電話：010-84988695。E-mail：guangxinjun@126.com

: YE Haichao, GUANG Xinjun, WANG Minsheng, PI Guanglin. Low-cost shale oil and gas drilling and completion technologies used in the North America and the suggestions［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 552-558.