非常規(guī)油氣井工程技術(shù)研究進(jìn)展

苗向陽

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300450）

近年來，隨著油氣作業(yè)工作持續(xù)展開，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，非常規(guī)油氣井工程技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大潛力。在開發(fā)油砂、致密油氣、煤層氣等資源時，可獲得有效開發(fā)成果，促使油氣產(chǎn)量呈現(xiàn)增長的態(tài)勢。在應(yīng)用非常規(guī)油氣井工程技術(shù)時，除需要明確該項(xiàng)目技術(shù)中的主要內(nèi)容外，還應(yīng)分析相關(guān)技術(shù)組合，將技術(shù)組合創(chuàng)新作為破解非常規(guī)油氣發(fā)展難題的關(guān)鍵，為非常規(guī)油氣井工程設(shè)計(jì)和控制作業(yè)的開展提供更為有益的參考。

1 非常規(guī)油氣井工程技術(shù)研究內(nèi)容

1.1 “一趟鉆”作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

對非常規(guī)油氣進(jìn)行開采的井工廠一般使用叢式水平井，是目前主流的一種工程模式。在建立大規(guī)模“井工廠”過程中，對大位移水平井施工技術(shù)提出了新要求。除需要對環(huán)保作業(yè)的開展形成約束外，還要促進(jìn)水平井作業(yè)能力的提升，保障水平鉆井在作業(yè)過程中的安全性和高效性。

在不斷提高大變形水平井?dāng)U展極限預(yù)報精度的同時，還要保證其安全控制技術(shù)的不斷完善，從而促進(jìn)“一趟鉆”等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步。在“一趟鉆”工藝中，主要包括一個鉆頭、一個鉆井流體系統(tǒng)和一組導(dǎo)向鉆具。一次入井，就可以在同樣大小井口中，連續(xù)鉆完所有進(jìn)尺。該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用時能夠獲得理想的施工效果。

1.2 頁巖氣井工程大型化設(shè)計(jì)研究

井工廠作業(yè)模式的應(yīng)用，既滿足了安全、環(huán)保、降本、增效等需求，也節(jié)省了土地資源。當(dāng)前，在做好頁巖氣井工廠大型化設(shè)計(jì)作業(yè)基礎(chǔ)上，為適當(dāng)增加單個井場布井總體數(shù)量，需將該項(xiàng)內(nèi)容作為推進(jìn)我國頁巖氣井革命發(fā)展的迫切需求。在促使頁巖氣叢式水平井朝著大型化發(fā)展方向轉(zhuǎn)型時，可以在同一個鉆井平臺上，隨著頁巖氣儲層開發(fā)控制作業(yè)的開展，適當(dāng)增加實(shí)際的開發(fā)控制半徑，在上述基礎(chǔ)條件作用下，能夠有效解決重大科技問題[1]。

作為推進(jìn)我國頁巖氣井革命的關(guān)鍵，除需運(yùn)用大型叢式水平井工程模式外，還需建立完善的技術(shù)支撐體系。在該類創(chuàng)新突破作用下，進(jìn)一步提出地質(zhì)與工程一體化設(shè)計(jì)控制理念。在創(chuàng)建大型“井工廠”時，需要將大位移鉆井技術(shù)作為核心。為有效減少對大位移鉆井的約束影響，項(xiàng)目擬研究山地頁巖氣叢式水平井布井方式，構(gòu)建定向性鉆探擴(kuò)展極限模型，定量表征叢式水平井規(guī)?；潭?。考慮水平井壓裂效果，并進(jìn)行加密，建立合適的防碰繞障軌道，使整體設(shè)計(jì)模型得到優(yōu)化和完善。

1.3 煤層氣田高效鉆采技術(shù)

儲藏于煤層中的非傳統(tǒng)氣體統(tǒng)稱為煤層氣，亦稱“煤礦瓦斯”。我國煤層氣資源豐富，如能實(shí)現(xiàn)高效開采，將有助于提高我國天然氣自給率，減少煤層瓦斯災(zāi)害，保護(hù)大氣環(huán)境。

我國煤層地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，包括構(gòu)造煤、低滲透、低壓、大傾角復(fù)合煤層等。煤層氣田高效鉆采技術(shù)操作難度大，且存在單井產(chǎn)量低、有氣難采的問題。通過建立完善合作項(xiàng)目，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，需要攻克選區(qū)評價、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井與完井、增產(chǎn)改造等關(guān)鍵難題。獲得創(chuàng)新成果后，可將有效的研發(fā)成果運(yùn)用到復(fù)雜儲層煤層氣田的開發(fā)過程中，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)目標(biāo)。

1.4 井下電加熱開采技術(shù)

非常規(guī)石油資源類型多樣，如重油、油砂、頁巖油、油頁巖等，資源儲量豐富。在開發(fā)過程中，對高效化、綠色化等提出了全新要求。井下電加熱采技術(shù)需借助風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源，使非常規(guī)石油資源的開發(fā)綠色化、高效化。

非常規(guī)石油的熱力開采環(huán)節(jié)效率低、成本高，在開采深層、薄層、裂縫性儲層石油資源時，難度系數(shù)較高。此外，還會排放大量的溫室氣體，與綠色開發(fā)、環(huán)保低碳等要求不符。近年來，通過對井下電加熱系統(tǒng)及開采技術(shù)相關(guān)應(yīng)用問題加大研究力度，逐漸推進(jìn)了相應(yīng)研究進(jìn)展[2]。

作為原位轉(zhuǎn)化開采方法的一種，井下電加熱開采技術(shù)最早由外國學(xué)者提出，通過井下電加熱的方式，使非常規(guī)石油資源的開采具備高效性。為實(shí)現(xiàn)對重油、油砂等資源的原位流化開采目標(biāo)，需要增溫降黏。在電加熱的作用下，可以促進(jìn)固態(tài)天然氣水合物分解形成天然氣和液態(tài)水，便于更好開展開采作業(yè)。如對于中低成熟度的頁巖油利用電加熱原位轉(zhuǎn)換的方法，可促進(jìn)產(chǎn)生輕質(zhì)油和天然氣，同時將廢氣、廢渣等物質(zhì)保留在地下。這樣不僅可實(shí)現(xiàn)綠色開采，還符合理想目標(biāo)要求。井下電加熱開采技術(shù)也稱為“井下電加熱原位轉(zhuǎn)化技術(shù)”，可將地表上的礦石處理設(shè)備搬至地下，建造“地下煉廠”，方便石油的生產(chǎn)和開發(fā)。

2 非常規(guī)油氣井工程中的關(guān)鍵技術(shù)組合

2.1 地質(zhì)工程一體化技術(shù)應(yīng)用，推動低品位資源效益開發(fā)

非常規(guī)油氣資源的開發(fā)面臨低品位資源高效益開發(fā)難題，主要體現(xiàn)在鉆井品質(zhì)提升、精細(xì)地質(zhì)油藏認(rèn)識、完井優(yōu)化等方面。地質(zhì)工程一體化技術(shù)以提高單井產(chǎn)量為主要目的，突出三維模型建立的核心作用，全面做好地質(zhì)-儲層綜合研究工作。從油氣藏的預(yù)探、評價、開發(fā)、調(diào)整等多個階段展開分析的過程中，保障分析環(huán)節(jié)的針對性、有效性、實(shí)時性和前瞻性，不斷對鉆井工程技術(shù)方案做出合理調(diào)整，確保壓裂工程技術(shù)方案的完善性。在區(qū)塊、平臺、單井3個維度，采用動態(tài)劃分層次的方式，逐步優(yōu)化開發(fā)效益，提升工程開發(fā)效率[3]。

2.2 體積裂壓2.0工藝為非常規(guī)油氣效益建產(chǎn)提供支持

為實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣藏效益開發(fā)目標(biāo)，將儲層改造作為核心成為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)。隨著體積改造技術(shù)理念的提出，非常規(guī)汽油效益建產(chǎn)成為可能。體積改造技術(shù)理念的核心理論是通過壓裂的方式對致密油藏進(jìn)行裂隙網(wǎng)絡(luò)破碎處理，從油藏的長、寬、高3方面達(dá)到三維重構(gòu)的目的，以增加裂隙壁與油藏基質(zhì)的接觸面。基質(zhì)中的石油和天然氣向裂隙滲透，從而實(shí)現(xiàn)最短滲透距離，最大限度減小了需要的驅(qū)動壓差，極大提高了油藏的總體滲透能力。

我國運(yùn)用體積壓裂2.0工藝的主要目的在于提產(chǎn)、提效、降本，強(qiáng)調(diào)單項(xiàng)技術(shù)的組合應(yīng)用。作為提高單井產(chǎn)量的關(guān)鍵，在運(yùn)用小簇間距＋高強(qiáng)度加砂技術(shù)組合時，能夠?qū)ψ罱K可采儲量進(jìn)行估算。為促進(jìn)施工效率的全面提升，可運(yùn)用段內(nèi)多簇＋限流射孔＋大排量施工＋暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)組合，用石英砂材料替代陶粒，配合滑溜水連續(xù)加砂技術(shù)共同使用，能進(jìn)一步降低成本。

在3 500 m 的淺區(qū)塊，可用石英砂材料全部替代陶粒，此時滑溜水比例呈現(xiàn)明顯上升狀態(tài)，且關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)整體上升。在我國部分頁巖氣示范區(qū)，部分平臺中已經(jīng)開展水平井體積壓裂2.0工藝先導(dǎo)性試驗(yàn)，測試產(chǎn)量顯著提升，通過石英砂替代陶粒的措施，有利于大幅降低單井壓裂成本。

2.3 “一趟鉆”技術(shù)組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水平井降本增效

隨頁巖油氣等非常規(guī)油氣開發(fā)作業(yè)的開展，開發(fā)環(huán)節(jié)的高成本和低效率難題亟須解決?！耙惶算@”技術(shù)需要在鉆頭一次下井之后，能夠?qū)⑺羞M(jìn)尺全部打完。在鉆頭一次下井打完的某一井段中，如水平段、斜造-水平段，均可稱為“一趟鉆”。

“一趟鉆”工藝組合的運(yùn)用，是推動鉆井工程系統(tǒng)性、整體性提升的重要環(huán)節(jié)，其涉及的8大技術(shù)問題，是其中的核心問題。即鉆井方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、高效長壽命鉆頭、自動化鉆機(jī)、強(qiáng)化參數(shù)鉆井、個性化優(yōu)質(zhì)鉆井液、常規(guī)導(dǎo)向鉆井或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、遠(yuǎn)程專家決策支持中心、鉆井地質(zhì)導(dǎo)向。為發(fā)揮“一趟鉆”技術(shù)組合的優(yōu)勢，需確保先進(jìn)鉆井技術(shù)與高效鉆井裝備的集成應(yīng)用和相互配合，以及地質(zhì)工程一體化團(tuán)隊(duì)高效協(xié)作，對于涉及的鉆頭導(dǎo)向工具、儀器、鉆井液、鉆井工藝、鉆井等裝備，需要匹配最佳組合。

3 應(yīng)用非常規(guī)油氣井工程技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)

3.1 “一趟鉆”作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 高效PDC鉆頭

在鉆井作業(yè)中，高效PDC 鉆頭的應(yīng)用能夠提速提效是凸顯石油天然氣工程“一趟鉆”工藝的關(guān)鍵。國內(nèi)高效PDC 鉆頭的核心技術(shù)已有較大進(jìn)展，如聚晶金剛石復(fù)合片、動態(tài)數(shù)值分析等，可滿足一般鉆探操作的基本要求。為縮小我國鉆頭產(chǎn)品與國外先進(jìn)產(chǎn)品差距，必須在PDC 鉆頭超硬耐磨材料、鉆井提速和個性化設(shè)計(jì)制造3個領(lǐng)域中尋求突破。以鉆頭材料為例，通過采用高硬度、高耐磨性材料，實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭多用途功能。如在開發(fā)耐磨性孕嵌胎料時，使水孕嵌鉆鉆具適用于強(qiáng)磨耗地層，提高該類鉆具使用壽命。分析影響PDC 鉆頭強(qiáng)度有關(guān)因素，找出決定因素，與粒子多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，成功解決PDC 鉆頭刀具易碎的問題。

3.1.2 導(dǎo)向鉆具組合技術(shù)

為有效控制鉆頭，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的目標(biāo)，需按照預(yù)定軌道進(jìn)行設(shè)定或遵循地質(zhì)導(dǎo)向，從而有效地改善定向鉆井操作質(zhì)量，該類技術(shù)被稱為“井眼軌跡控制技術(shù)”。導(dǎo)向鉆具組合技術(shù)是控制井眼軌跡過程中的硬核技術(shù)，組合包括導(dǎo)向工具、控制系統(tǒng)及隨鉆測量儀器，該類技術(shù)裝備已達(dá)到較高水平。

3.2 頁巖氣井工程大型化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.1 叢式水平井定向鉆井延伸極限設(shè)計(jì)

通過運(yùn)用均勻布井模式，在相同面積內(nèi)最大程度開采儲層。在我國頁巖氣開采過程中，水平井定向鉆井延伸極限設(shè)計(jì)得到廣泛應(yīng)用?；诰鶆虿季Ｊ皆阢@井設(shè)計(jì)作業(yè)開展之前，需完成對水平段長度、深度及空間朝向等參數(shù)設(shè)定。目前限制山地頁巖氣叢式水平井規(guī)模擴(kuò)大的主要因素已從常規(guī)擴(kuò)展極限模型中的水平段長逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蜚@井?dāng)U展極限。

3.2.2 叢式水平井定向鉆井防碰繞障軌道設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的防撞繞障規(guī)劃模型設(shè)計(jì)僅考慮了井眼軌跡的誤差。但在壓裂地層受影響的地層中，須避開已鉆好的水平井液壓井段影響區(qū)域。若無法規(guī)避，兩口水平井生產(chǎn)會受到影響，不利于井壁的穩(wěn)定。為規(guī)避障礙物，既要考慮鉆孔軌道測量和控制誤差，還要分析水平井壓裂井段的裂縫影響區(qū)，并研究該類影響區(qū)所形成的干涉效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建可計(jì)及井軌測量與控制誤差和裂隙壓力等因素的水平井水力井段耦合障礙模型，獲得兩口水平井水力井段抗干擾性幾何檢驗(yàn)準(zhǔn)則。

3.3 煤層氣田高效鉆采技術(shù)

3.3.1 發(fā)明復(fù)雜結(jié)構(gòu)井導(dǎo)向鉆進(jìn)隨鉆測控技術(shù)

在運(yùn)用新型進(jìn)鉆頭磁短節(jié)工具時，結(jié)合旋轉(zhuǎn)磁場高精度探測儀和隨鉆測控算法等技術(shù)，創(chuàng)造出U 型水平井、雙水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井隨鉆測控成套軟硬件技術(shù)。對復(fù)雜構(gòu)造的井眼進(jìn)行近距離、近方位檢測，能有效解決精確性方面的問題，形成對導(dǎo)向鉆井的合理控制。在提供核心技術(shù)支持時，盡管煤層氣田的結(jié)構(gòu)井復(fù)雜，仍能獲得高效化的開發(fā)成果。

3.3.2 研發(fā)低滲低壓和大傾角儲層氣儲層的增產(chǎn)改造成套技術(shù)

在研發(fā)前置氮?dú)馀c活性水復(fù)合壓裂液過程中，對于低壓儲層的保護(hù)和增能具有良好適用性。通過研發(fā)低滲煤層水平井密集壓裂強(qiáng)化增滲技術(shù)，同步做好大傾角厚煤層直徑垂向多段壓裂技術(shù)研發(fā)工作，在難開采的煤層氣田中能夠促進(jìn)單井產(chǎn)量大幅提升。

3.4 井下電加熱開采技術(shù)

以井下射頻加熱技術(shù)為例，所涉及的工藝流程包括：①在目標(biāo)層位中設(shè)置井眼，并在井眼中安置井下射頻加熱器。②由電纜將地面電能傳輸至井下射頻加熱器。③發(fā)揮射頻加熱器的功能優(yōu)勢，面向周圍儲層完成對電磁波的輻射。在促進(jìn)電磁能轉(zhuǎn)化時，逐步成為儲層內(nèi)熱能。④原油在流入井眼后被順利采出。在開展射頻加熱模擬實(shí)驗(yàn)時，將油砂作為實(shí)驗(yàn)主體，可以看出石英砂內(nèi)部的水組分直接影響油砂的溫度分布。通過對比水和油砂的電磁波吸收能力，可以看出前者大于后者。油砂在吸收電磁波時，能力大于石英砂，在2 h 之內(nèi)，油砂樣品的溫度升高至100℃。由于受到加熱功率的影響，當(dāng)加熱功率持續(xù)增大時，油砂樣品的升溫速率提升，能夠提高至最高溫度。影響油砂溫度分布的關(guān)鍵在于油砂內(nèi)水含量，在持續(xù)加熱期間，水分會變成水蒸氣，此時水對于油砂的溫度分布影響會隨之減弱。

4 結(jié)論

在定向鉆進(jìn)過程中，如何實(shí)現(xiàn)叢式水平井群規(guī)模的定量分析，是定向鉆進(jìn)過程中亟待解決的問題。研究成果將推動定向井“一趟鉆”技術(shù)和大位移水平井技術(shù)的發(fā)展，突破核心技術(shù)和關(guān)鍵工程環(huán)節(jié)的瓶頸，掌握定向井“一趟鉆”技術(shù)在實(shí)施過程中的受控因素，并通過實(shí)驗(yàn)形成個性化的定向井方案。井下電加熱系統(tǒng)與原位轉(zhuǎn)換開采技術(shù)的應(yīng)用，逐步成為未來非常規(guī)油田高效開發(fā)環(huán)節(jié)中的主要技術(shù)方法。在此過程中，必須進(jìn)行井下射頻加熱技術(shù)裝備的自主研究，使該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。基于水平井或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)的井工程，需要將后續(xù)的關(guān)注點(diǎn)放在深層煤炭與煤層氣資源的開發(fā)階段，旨在實(shí)現(xiàn)綠色開發(fā)利用和安全高效目標(biāo)。