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今天，水平井已經(jīng)成為美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)最主要的方式，也是頁(yè)巖生產(chǎn)井最有利的完井方式。水平井單井產(chǎn)量大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，特別是對(duì)于頁(yè)巖這樣的產(chǎn)層薄，孔隙度小、滲透率低的儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)，顯示出直井無(wú)法比擬的效果。頁(yè)巖氣從水平井中獲得的估計(jì)最終采收率大約是直井的3倍。
1821年，Mitchell能源公司在美國(guó)Chautauqua縣泥盆系Durdirk頁(yè)巖中鉆探的第一口天然氣生產(chǎn)井在21m深處發(fā)現(xiàn)天然氣，首次揭開(kāi)了世界頁(yè)巖氣工業(yè)史的首頁(yè)。
Curtis、Mavor等學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣的概念和特征進(jìn)行了闡述和討論，國(guó)內(nèi)學(xué)者張金川、李新景等對(duì)頁(yè)巖氣概念、成因和特征進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣。中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，主要盆地和地區(qū)的頁(yè)巖氣資源量約為(15～30)×1012m3，中值23.5×1012m3。如今，頁(yè)巖氣資源的開(kāi)發(fā)不但能夠緩解常規(guī)油氣資源壓力，而且作為一種清潔能源，對(duì)節(jié)能減排有著舉足輕重的作用。
用于頁(yè)巖氣的專業(yè)鉆井設(shè)備
現(xiàn)代化的鉆井設(shè)備都應(yīng)該專業(yè)化?？苫凭苡泻芎玫目梢苿?dòng)性，方便鉆井過(guò)程中的設(shè)備和井架的移動(dòng)，且能夠節(jié)省鉆井成本，因此其是頁(yè)巖氣水平鉆井的常用設(shè)備。頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和井下動(dòng)力鉆具分別是用于水平井豎直井段和水平井段的動(dòng)力設(shè)備。
頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)是集機(jī)、電、液于一體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多學(xué)科交叉，用于取代傳統(tǒng)鉆井設(shè)備的新型裝置。該系統(tǒng)可以一次接入和鉆進(jìn)約28m長(zhǎng)的一個(gè)立根，上卸扣時(shí)間減少了2/3，且可在任意位置提起鉆具劃眼循環(huán)，清洗井眼?？逅琼?yè)巖地層的常見(jiàn)現(xiàn)象，特別是黏土含量較大時(shí)，這一現(xiàn)象越明顯，使用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)越能夠很好地避免井塌和卡鉆事故的發(fā)生。頁(yè)巖氣水平鉆井成本較高，一般是同進(jìn)尺的直井的2～3倍，減小鉆井時(shí)間是降低鉆井成本的方法之一，采用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)可節(jié)省15%～25%的鉆井時(shí)間。泥漿馬達(dá)是定向鉆井作業(yè)中常用的動(dòng)力設(shè)備，特別是在水平鉆井作業(yè)中，由于井身彎曲，常規(guī)動(dòng)力鉆具在造斜和水平井段往往很難鉆進(jìn)，井下動(dòng)力鉆具可根據(jù)作業(yè)者需要隨時(shí)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)角度大小，滿足不同角度鉆井的需要。
根據(jù)地層巖性的不同，鉆井作業(yè)中要選擇不同的鉆頭。在頁(yè)巖地層中，由于頁(yè)巖具有較高的楊氏模量，一般采用PDC鉆頭，該鉆頭是一種切削式鉆頭，具有耐磨性，與井下動(dòng)力鉆具配合，適合于高轉(zhuǎn)速、低泵壓、低鉆壓下工作層，且殘余的碎屑便于清洗。
頁(yè)巖氣鉆井井位的選擇
天然裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度是影響頁(yè)巖氣開(kāi)采效益的直接因素，因此頁(yè)巖氣水平井井位應(yīng)選擇在裂縫發(fā)育程度高的頁(yè)巖地區(qū)及層位，特別是垂直裂縫發(fā)育的地方，除此之外，還應(yīng)盡量選擇在有機(jī)質(zhì)富集、黏土含量中等，脆性成分含量高，泊松比低和楊氏模量高的地方（圖1）。在作業(yè)過(guò)程中，一般選擇與主要裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大致平行的方位鉆井，這樣能夠產(chǎn)生較多的橫向誘導(dǎo)裂縫，使天然或誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)彼此連通，沿垂直最大水平應(yīng)力方向鉆井可以增加井筒與裂縫相交的可能性，增大氣體滲流面積，從而提高頁(yè)巖氣的采收率。通常情況下，頁(yè)巖氣井的水平段越長(zhǎng)，初始開(kāi)采速度和最終采收率就會(huì)越高，美國(guó)Barnett頁(yè)巖水平井水平段長(zhǎng)為457.20～1371.60m，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，頁(yè)巖氣井最有效的造斜及水平段總長(zhǎng)度一般為914～1219m。
在頁(yè)巖地層的鉆井中，作業(yè)者面臨著井塌、扭矩和阻力方面的問(wèn)題，難度比普通鉆井更大，特別是完井方案的設(shè)計(jì)，這是在井身設(shè)計(jì)階段就必須考慮好的問(wèn)題，它對(duì)井眼的穩(wěn)定性及能否獲得持續(xù)產(chǎn)量至關(guān)重要。
頁(yè)巖水平井完井方式有裸眼完井、滑動(dòng)套管完井、連續(xù)油管完井、井下鉆具組合完井等。裸眼完井的后期壓裂作業(yè)難度大，對(duì)水力壓裂技術(shù)的要求較高，往往需要與先進(jìn)的現(xiàn)代水力壓裂技術(shù)結(jié)合使用，如使用滑動(dòng)套管壓裂，適用于黏土含量小的井。套管完井井筒穩(wěn)定，在儲(chǔ)層改造時(shí)能夠選擇性地射孔，從而進(jìn)行優(yōu)化增產(chǎn)作業(yè)，套管完井后，可以采用連續(xù)油管壓裂對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行改造。頁(yè)巖氣井的水平井段多采用套管完井。不同完井方式對(duì)鉆井工藝要求不同，因此在鉆井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意考慮完井方式這一因素。在頁(yè)巖氣井固井和分段隔離作業(yè)時(shí)，作業(yè)者一般使用酸溶性水泥（ASC）作為常規(guī)水泥的替代品。酸溶性水泥物理性能和常規(guī)水泥十分相似，但不會(huì)抑制裂縫的產(chǎn)生，它在酸基壓裂液里溶解度很高（>90%），容易清除。
三大核心技術(shù)及工藝
國(guó)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)有直井和水平井兩種方式，直井一般用作探井，目的是用于試驗(yàn)，獲得地層的地化參數(shù)，了解頁(yè)巖聚集的特性以及獲得鉆井、壓裂和試井經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)井多采用水平井，水平井可以獲得更大的儲(chǔ)層泄流面積，提高天然氣產(chǎn)量。水平鉆井開(kāi)支巨大，是同進(jìn)尺直井的2～3倍，提高鉆井速度是減少鉆井開(kāi)支的關(guān)鍵方法。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)鉆井作業(yè)中，直井層段一般采用常規(guī)的鉆井技術(shù)，在水平層段鉆進(jìn)時(shí)，需要采用適用于頁(yè)巖地層的鉆井技術(shù)。
欠平衡鉆井技術(shù) 欠平衡鉆井技術(shù)（Underbalanced Drilling，UBD）就是在鉆井過(guò)程中，當(dāng)設(shè)計(jì)的鉆井液柱壓力小于所鉆地層壓力時(shí)，地層流體流入井眼，將其循環(huán)到地面，進(jìn)行有效控制（圖2）。欠平衡鉆井技術(shù)能很好地克服鉆井作業(yè)過(guò)程中的卡鉆、井漏、井塌等問(wèn)題，提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產(chǎn)能，并實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常情況和評(píng)價(jià)油氣藏，有效地降低油氣田的勘探開(kāi)發(fā)成本。
欠平衡可以有兩種方式產(chǎn)生，即自然方式和人工誘導(dǎo)方式。自然方式又稱為流鉆(Flow drilling)，是指采用常規(guī)鉆井液鉆井高壓地層時(shí)，鉆井流體的循環(huán)液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力，使井底壓力自然處于欠平衡狀態(tài)。而人工誘導(dǎo)方式的欠平衡是指在鉆井過(guò)程中，通過(guò)往鉆井液中加入降密度劑（包括氮?dú)狻⑻烊粴夂涂諝獾龋┦广@井流體的液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力以保持欠平衡鉆井條件。
井壁坍塌是欠平衡鉆井過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，當(dāng)頁(yè)巖地層中黏土含量較大時(shí)，容易出現(xiàn)井壁坍塌事故。為了減少頁(yè)巖地層在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)坍塌事故，一般使用空氣鉆井?？諝忏@井是以空氣作為循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行欠平衡鉆井，它是最早發(fā)展起來(lái)的一種欠平衡鉆井技術(shù)。在頁(yè)巖水平鉆井中，作業(yè)者通過(guò)壓縮機(jī)將干燥的空氣注入井中進(jìn)行低壓欠平衡鉆井，很好地克服了井壁坍塌和液體鉆井液對(duì)儲(chǔ)層傷害問(wèn)題，同時(shí)也提高了水平井產(chǎn)量。國(guó)外已經(jīng)有應(yīng)用低壓欠平衡空氣鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的成功案例，美國(guó)能源部采用用空氣鉆井使泥盆紀(jì)的頁(yè)巖水平井產(chǎn)量提高了約10倍，達(dá)到8.4×104m3/d左右，在Texas州西部的頁(yè)巖鉆井中，作業(yè)者使用空氣鉆井使鉆井費(fèi)用節(jié)省了64%。
控制壓力鉆井技術(shù) 控制壓力鉆井技術(shù)（Managed Pressure Drilling, MPD）是用于精確控制整個(gè)井眼壓力剖面的適宜鉆井程序，目的是確定井下壓力的環(huán)境限制，并以此控制環(huán)空液壓剖面（圖3）?？刂茐毫︺@井的最終目標(biāo)是使鉆井作業(yè)最優(yōu)化，縮短非生產(chǎn)時(shí)間和減少鉆井事故，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況。
實(shí)現(xiàn)壓力控制技術(shù)鉆井的方式有井底常壓壓力控制、雙梯度壓力控制、加壓鉆井液帽壓力控制和無(wú)隔水管控制壓力等技術(shù)，無(wú)論是那種技術(shù)，目的都是在整個(gè)鉆井作業(yè)過(guò)程中無(wú)論是否鉆進(jìn)、鉆井液是否循環(huán)，都能精確控制井底壓力。要保證控制壓力鉆井技術(shù)成功應(yīng)用，一般需要滿足3個(gè)條件：一套封閉、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)與壓力控制鉆井裝置相連；鉆前水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)；訓(xùn)練有素且熟悉這一概念的工程技術(shù)人員。
由于頁(yè)巖滲透率極低，發(fā)生井噴的可能性不大，因此在鉆井中，欠平衡鉆井或控制壓力鉆井都是可行的技術(shù)。但是，在鉆遇那些含氣量較大的頁(yè)巖地層時(shí)，裂縫發(fā)育導(dǎo)致氣體溢出量劇增也是一個(gè)潛在的安全問(wèn)題，近年來(lái)控制壓力鉆井技術(shù)在頁(yè)巖開(kāi)發(fā)水平鉆井中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在頁(yè)巖鉆井過(guò)程中，控制壓力鉆井技術(shù)能夠準(zhǔn)確地控制靜態(tài)泥漿比重和當(dāng)量循環(huán)密度，實(shí)時(shí)調(diào)整流入和損失量，結(jié)合連續(xù)油管鉆井技術(shù)（CTD），使泥漿不停循環(huán)，相對(duì)于當(dāng)量循環(huán)密度沒(méi)有靜態(tài)泥漿比重，便于在一個(gè)較小的范圍內(nèi)進(jìn)行精確的鉆井控制，減少了泥漿漏失甚至是技術(shù)套管的使用。控制壓力鉆井能夠很好的解決頁(yè)巖地層的井壁坍塌問(wèn)題，并廣泛應(yīng)用在頁(yè)巖開(kāi)發(fā)氣水平鉆井中。威德福、哈里伯頓等公司已進(jìn)行了相關(guān)的控制壓力鉆井技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù) 它是基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的鉆井技術(shù)，是一種井眼軌跡自動(dòng)控制的技術(shù)，特別適合于特殊油藏的超深井、高難度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等鉆探（圖4）。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，隨鉆實(shí)時(shí)完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)以前，作業(yè)者多采用由泥漿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)實(shí)施導(dǎo)向鉆井。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)相比，具有摩阻與扭阻小、機(jī)械鉆速高、鉆井成本低、井眼軌跡平滑，壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按其導(dǎo)向方式分為推靠鉆頭式（Push the Bit）和指向鉆頭式（Point the Bit）兩種。目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)形成了兩大發(fā)展方向，一是以貝克休斯公司的AutoTrak和哈里伯頓公司的Geo-Pilot為代表的不旋轉(zhuǎn)外筒式閉環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，二是以斯倫貝謝公司的Power Driver為代表的全旋轉(zhuǎn)自動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。
美國(guó)Oklahoma州的Woodford頁(yè)巖是近年來(lái)美國(guó)天然氣產(chǎn)量增長(zhǎng)最快的頁(yè)巖之一，在2008年，大約有20億美元被用來(lái)投入到該頁(yè)巖的主要產(chǎn)層。盡管美國(guó)Woodford頁(yè)巖生產(chǎn)潛力巨大，但是低孔低滲的條件限制了井的生產(chǎn)能力，以最大的生產(chǎn)速度開(kāi)發(fā)該頁(yè)巖，對(duì)鉆井技術(shù)和完井方案還是提出了挑戰(zhàn)。由于井段較長(zhǎng)，在常規(guī)的水平鉆井過(guò)程中面臨著很多難題，如滑移鉆井時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，井眼軌跡難以控制，扭矩和阻力大等。為了避免這些問(wèn)題，作業(yè)者在鉆井過(guò)程中采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向封閉循環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向封閉循環(huán)系統(tǒng)很好的解決了Woodford頁(yè)巖水平鉆井中的難題，由于該系統(tǒng)的應(yīng)用，許多井的造斜角達(dá)到了10°/30m。
水平鉆井技術(shù)應(yīng)用效果顯著
技術(shù)進(jìn)步是頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，水平鉆井技術(shù)的應(yīng)用解決了頁(yè)巖儲(chǔ)層中日產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期短等缺點(diǎn)。目前水平井被公認(rèn)為是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的最合理方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)鉆井中，Barnett頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)情況充分反映了水平鉆井技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)鉆井中的應(yīng)用效果。
美國(guó)Texas州北部的Barnett頁(yè)巖是美國(guó)開(kāi)發(fā)時(shí)間最早、產(chǎn)量最大的頁(yè)巖，面積超過(guò)5000平方英里，遍及15個(gè)縣，核心地區(qū)位于Denton、Tarrant、Johnson和Wise縣境內(nèi)。1981年，Mitchell能源公司在Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖中完鉆了第一口直井，Barnett頁(yè)巖開(kāi)發(fā)開(kāi)始起步，但發(fā)展緩慢；1992年，Mitchell能源公司在Barnett頁(yè)巖中完成第一口水平井，但此時(shí)水平井只是作為一種新的嘗試，并沒(méi)有大規(guī)模地應(yīng)用于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中；2002年，Devon能源公司收購(gòu)Mitchell能源公司后，開(kāi)始在Barnnet頁(yè)巖大規(guī)模打水平井；2004年，Barnett頁(yè)巖中共有生產(chǎn)井3889口，其中水平井377口，天然氣年產(chǎn)量為1.08×1010m3；2007年，Barnett頁(yè)巖中生產(chǎn)井?dāng)?shù)達(dá)到了8419口，其中水平井4078口，天然氣年產(chǎn)量達(dá)到了1.42×1010m3；2008年，整個(gè)Barnett頁(yè)巖中共有生產(chǎn)井10000口左右，其中2/3的井為水平井，天然氣年產(chǎn)量達(dá)到了4.54×1010m3。Barnett頁(yè)巖實(shí)際鉆井經(jīng)驗(yàn)表明，從水平井中獲得的估計(jì)最終采收率大約是直井的三倍。從Barnett頁(yè)巖開(kāi)發(fā)發(fā)展歷程來(lái)開(kāi)，2002年前，直井一直是Barnett頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要方式，日產(chǎn)量很低，2003年，水平井大規(guī)模應(yīng)用在Barnett頁(yè)巖中后，結(jié)合壓裂工藝的改進(jìn)，Barnett頁(yè)巖天然氣年產(chǎn)量呈直線增長(zhǎng)（圖5）。據(jù)Pickering Energy Partners公司對(duì)2004年Texas州的11個(gè)縣的Barnett頁(yè)巖生產(chǎn)井情況統(tǒng)計(jì)，水平井的月最大產(chǎn)量明顯高于直井，特別是在核心地區(qū)，這一現(xiàn)象更加明顯，水平井的月最大產(chǎn)量是直井的4倍左右。
水平鉆井技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)鉆井。水平井頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量高，生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)最合理的方式，水平井井位應(yīng)該盡量選擇在天然裂縫系統(tǒng)發(fā)育、有機(jī)質(zhì)富集、泊松比低和楊氏模量高的地方。
水平井鉆井主要有低壓欠平衡空氣鉆井、控制壓力鉆井和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等技術(shù)，低壓欠平衡空氣鉆井技術(shù)應(yīng)用較成熟，控制壓力鉆井技術(shù)能夠很好的克服井壁坍塌問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是頁(yè)巖氣水平鉆井技術(shù)發(fā)展的方向。水平鉆井結(jié)合合理的增產(chǎn)措施是提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量的必要手段。
水平井技術(shù)難度大，成本高。中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)正處于起步階段，在勘探階段，鉆井的主要目的是取芯并獲取含氣性參數(shù)，宜采用直井。在開(kāi)發(fā)階段，為了提高開(kāi)發(fā)井產(chǎn)能，宜采用水平井。欠平衡鉆井難度大，控制壓力鉆井相對(duì)成熟，旋鉆導(dǎo)向鉆井技術(shù)在中國(guó)還處于引進(jìn)國(guó)外技術(shù)階段。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)階段，宜采用控制壓力鉆井技術(shù)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。
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