推動頁巖氣開采技術(shù)革新大盤點(diǎn)

■ 孟 偉

推動頁巖氣開采技術(shù)革新大盤點(diǎn)

■ 孟 偉

技術(shù)變革改變了人們的生活方式，智能手機(jī)、無人駕駛汽車以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)早已進(jìn)入大眾的視野。同樣，技術(shù)變革也對我們的工業(yè)體系產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，尤其是油氣行業(yè)。低油價環(huán)境下，許多石油企業(yè)采取了降低成本的辦法以求度過嚴(yán)冬。而從頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)來看，降本增效的最好方法莫過于技術(shù)革新，那么在2016年，哪些最新技術(shù)能夠幫助石油行業(yè)完成這個使命？

頁巖氣革命

一個行業(yè)的發(fā)展離不開方法的改進(jìn)和效率的提高。而近些年來，石油行業(yè)的繁榮主要得益于先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)工具的大量應(yīng)用，從而造就了運(yùn)營效率的指數(shù)式增長。

創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步帶來的影響在頁巖氣領(lǐng)域尤為顯著。美國頁巖氣之父George Mitchell帶頭推動了水力壓裂法的使用，這項(xiàng)突破性技術(shù)帶來了美國2010年以來的頁巖氣繁榮。

頁巖氣開采被認(rèn)為是本世紀(jì)迄今為止最為偉大的創(chuàng)新，但事實(shí)上這并不是一項(xiàng)新技術(shù)，而是由上世紀(jì)90年代末的技術(shù)發(fā)展而來。這種技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)了一個嶄新的頁巖時代，同時也推動了美國油氣行業(yè)的革命。

目前，油氣行業(yè)正面臨著因油價大幅波動而帶來的諸多挑戰(zhàn)。如果石油企業(yè)能夠通過使用新技術(shù)、新工具來提高效率，那么企業(yè)不僅能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境下生存下來，甚至還能夠逆勢而上。

在頁巖氣開采領(lǐng)域，生產(chǎn)商們已經(jīng)嘗到了創(chuàng)新帶來的甜頭：技術(shù)革新使得水平井鉆井效率顯著提高，鉆井成本大幅下降，水平井的最大長度也隨之延長。

EIA近期的一份報告表示，美國的頁巖油氣的前景取決于未來25年鉆井技術(shù)的發(fā)展速度。雖然美國目前的頁巖油氣產(chǎn)量仍持續(xù)減少，預(yù)計2017年的產(chǎn)量為420萬桶/天，但隨著技術(shù)進(jìn)步速度的加快和油價回升，美國的頁巖產(chǎn)量將在2040年達(dá)到1290萬桶/天。EIA認(rèn)為，產(chǎn)量的增長主要得益于油價的回升以及新油田的不斷發(fā)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，石油業(yè)需要通過大量的實(shí)驗(yàn)、分享良好實(shí)踐以及新技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)自我革新。

如今，頁巖生產(chǎn)商們?nèi)绻€想進(jìn)一步提高效率，創(chuàng)造更多的價值，那么他們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注并發(fā)展以下幾個領(lǐng)域：鉆頭和切削工具、地面鉆井設(shè)備、定向井工具和批量鉆井技術(shù)。

據(jù)了解，以上幾種技術(shù)在過去8年中已經(jīng)幫助石油生產(chǎn)商將鉆井效率提高了35%以上。在未來的兩年中，由于石油行業(yè)改革步伐加快、技術(shù)進(jìn)步以及油企不斷發(fā)展的壓力，鉆井效率還將繼續(xù)提高15%～20%。

新型鉆頭和切削工具

在過去的35年中，鉆頭對整個鉆井行業(yè)的影響之大遠(yuǎn)超其它工具和技術(shù)。鉆頭技術(shù)的進(jìn)步，引領(lǐng)了鉆井技術(shù)的快速發(fā)展。

PDC鉆頭切削效率，主要受到切削齒位置分布、切削齒尺寸以及刀片數(shù)量和種類的影響。隨著以上幾個因素的不斷改進(jìn)，PDC鉆頭效率也得到了極大的提高。

鉆頭技術(shù)已經(jīng)從三牙輪鉆頭發(fā)展到了如今的PDC鉆頭。當(dāng)然，三牙輪鉆頭和TCI鉆頭并沒有完全退出歷史舞臺，只是PDC鉆頭現(xiàn)在作為一種最為主要的鉆井方式，極大提高了鉆頭破碎堅硬巖石的能力。

過去，每鉆一個井段需要消耗3～4個鉆頭。而現(xiàn)在，隨著PDC鉆頭的應(yīng)用，作業(yè)者每鉆一個井段只需消耗2個鉆頭，還不會影響機(jī)械鉆速。此外，現(xiàn)如今的鉆頭在進(jìn)行生產(chǎn)層井眼作業(yè)時，可以最大程度的降低反扭拒，保證造斜作業(yè)階段定向鉆具的穩(wěn)定性。

加強(qiáng)型PDC鉆頭不僅不會降低機(jī)械鉆速，還能大幅提高鉆頭破巖速率。大約10年前，在美國的Haynesville頁巖區(qū)進(jìn)行過水平井鉆井，當(dāng)時鉆一口4,300 ft深的水平井（測深為16,800 ft）大約需要54天。此后，每口井消耗的鉆頭數(shù)量持續(xù)下降，同時機(jī)械鉆速不斷提高。到2015年時，鉆一口同樣的井大約只需34天。

地面鉆井設(shè)備

盡管鉆機(jī)設(shè)備的發(fā)展速度并沒有PDC鉆頭那么快。但在過去幾十年，鉆機(jī)設(shè)備還是取得了很大的進(jìn)步。同時，在我們今天所談的這幾個領(lǐng)域中，未來鉆機(jī)技術(shù)對鉆井效率提升的潛力是最大的。

隨著交流電鉆機(jī)的應(yīng)用，定向井和水平井的鉆探難度逐漸降低。然而，隨著水平井深度增大，作業(yè)者必須時刻關(guān)注每一個鉆機(jī)的工作性能。

比如說，當(dāng)頁巖氣水平井技術(shù)剛剛起步的時候，路易斯安納州政府規(guī)定：水平井水平段長度不得超過4600英尺。在這種情況下，具有5000磅/平方英寸泵壓的鉆機(jī)可以高效完成測深為16000 英尺的鉆井作業(yè)。但是，隨著技術(shù)升級，關(guān)于水平段最大長度的限制增加到了7500英尺，再然后增加到了10000 英尺。

同時，5000磅/平方英寸泵壓的鉆機(jī)已經(jīng)難以滿足更高的要求。因此，鉆井承包商把鉆機(jī)的泵壓增加到了7500磅/平方英寸。

如今，7500磅/平方英寸的鉆機(jī)已經(jīng)成為了大部分鉆井承包商的標(biāo)準(zhǔn)配置。同時，人們?nèi)栽诓粩嗯μ岣咩@頭的鉆壓和機(jī)械鉆速，Keith Arnold相信這個領(lǐng)域還會出現(xiàn)更多的技術(shù)革新。

定向井工具

定向井鉆井設(shè)備只有在定向測量工具和井下動力鉆具的配合下才能高效運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦定向測量工具和井下動力鉆具失效，那么鉆井所用時間和成本將非常驚人。

安裝井下動力鉆具的時候，需要根據(jù)不同的井眼條件來調(diào)整它的功率等級和轉(zhuǎn)子頻率。而安裝定向井測量工具時需要考慮到泥漿種類、泥漿特性和最大井底溫度。

這些設(shè)備對整個鉆井作業(yè)都是至關(guān)重要的，已經(jīng)通過采用高強(qiáng)度材料和提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高了定向井工具的一些性能，比如抗彎曲能力、扭矩輸出和造斜能力，同時不會影響可操作性和機(jī)械鉆速。

正是由于這些工具的性能不斷增強(qiáng)，定向井作業(yè)才變得越來越簡單、越來越精確。同時，造斜過程的可預(yù)測性也越來越強(qiáng)。2010年，每個造斜過程大約需要7天，如今只需要一半的時間，甚至有時候只需要2天。

在東德克薩斯Haynesville頁巖區(qū)，隨著大直徑定向井工具的應(yīng)用，定向井和水平井作業(yè)所需的時間明顯變化。同時，隨著井下動力工具性能的提高，水平井段鉆桿所能承受的轉(zhuǎn)速大大增加，也就是說機(jī)械鉆速得以提高，鉆井所需時間變短。

批量鉆井技術(shù)

由于水平井通常包含定向井段，因此人們意識到如果將多口井整合到一個井口的話，將會節(jié)省大量的時間和成本。正是由于批量鉆井技術(shù)的出現(xiàn)，作業(yè)者在鉆多口井的時候避免了移動鉆井設(shè)備的麻煩。與四、五年前相比，批量鉆井技術(shù)使得鉆井效率提高了75%以上。

如今，批量鉆井技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。在頁巖區(qū)，一個井場最多可以包含10口井，平均每口井可以節(jié)省3～4天的鉆井時間。此外，作業(yè)者甚至可以利用批量鉆井技術(shù)的優(yōu)勢同時對多口井進(jìn)行壓裂作業(yè)。

此外，隨著鉆機(jī)設(shè)備集成化程度的升高，鉆機(jī)設(shè)備的靈活性也隨之提高。鉆井設(shè)備在井場之間的移動只需要幾個小時。同時，由于鉆機(jī)設(shè)備的集成化，運(yùn)營商在同一井場進(jìn)行多井作業(yè)時，只需更換一次泥漿循環(huán)系統(tǒng)即可。

批量鉆井技術(shù)的一個明顯的缺點(diǎn)就是在完井作業(yè)之前，批量鉆井所需的投資非常高。然而，在有些情況下，批量鉆井能夠提高完井速度，大大降低整體鉆井時間。

黎明即將到來

以上幾個領(lǐng)域中，鉆頭技術(shù)仍舊是降低鉆井成本的關(guān)鍵因素，而地面鉆井設(shè)備的影響緊隨其后。另外，電纜鉆桿也是一項(xiàng)提高鉆井效率的技術(shù)，該技術(shù)可以更快地檢測井眼條件和井下工具的變化，防止卡鉆的發(fā)生。頁巖氣領(lǐng)域近幾年的技術(shù)進(jìn)步以及效率的提高讓人印象深刻，而這種技術(shù)革新還會繼續(xù)下去。

對于運(yùn)營商來說，這些新技術(shù)的應(yīng)用與否很可能決定其成敗。為此，廣大的作業(yè)人員和研究人員需要共同分享彼此的良好實(shí)踐和成熟經(jīng)驗(yàn)，積極主動擁抱新技術(shù)，提高作業(yè)效率。相信技術(shù)革新將會引領(lǐng)石油行業(yè)擺脫困境，走向下一個輝煌！