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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(zhuān)業(yè)鉆井設(shè)備
現(xiàn)代化的鉆井設(shè)備都應(yīng)該專(zhuān)業(yè)化。可滑移井架有很好的可移動(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(chēng)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)?、天然氣和空氣等）使鉆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）。控制壓力鉆井的最終目標(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Γ姐@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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