我國基本形成頁(yè)巖氣鉆完井配套技術(shù)

“頁(yè)巖氣革命”的號角正在我國響起，頁(yè)巖氣勘探、開(kāi)發(fā)已成為當前引人注目的我國能源多元發(fā)展的一個(gè)嶄新亮點(diǎn)，這對油氣資源相對不足的我國而言，其戰略意義非同尋常。

2010年以來(lái)，中國石化先后在四川及其周緣的涪陵、黃平、彭水、建南、新場(chǎng)等開(kāi)展了頁(yè)巖氣鉆井先導性試驗，完成了建頁(yè)HF-1、彭頁(yè)HF-1、涪頁(yè)HF-1等頁(yè)巖氣水平井鉆完井和分段壓裂施工。

為突破頁(yè)巖氣完井關(guān)鍵技術(shù)難題，以破解石油工程技術(shù)瓶頸、研發(fā)新技術(shù)為己任的中石化石油工程技術(shù)研究院，以“逐步實(shí)現全部產(chǎn)品的國產(chǎn)化和自有技術(shù)的應用”為目標，承擔了針對頁(yè)巖氣完井技術(shù)科技攻關(guān)和先導性科研項目研究，開(kāi)展了“水平井分段完井機器人前瞻性研究”和“頁(yè)巖氣水平井固完井技術(shù)先導試驗”、“頁(yè)巖氣鉆完井方案研究”及“易鉆橋塞定型及簇式射孔技術(shù)試驗”等。

經(jīng)過(guò)2年多的研究攻關(guān)，已初步形成了具有自主知識產(chǎn)權的非常規配套工程技術(shù)，在5個(gè)方面實(shí)現了重大技術(shù)突破，打破了國外技術(shù)壟斷，不但大幅度降低了作業(yè)成本，而且使施工質(zhì)量和勘探開(kāi)發(fā)的成功率成倍提高。

據中石化著(zhù)名石油工程技術(shù)專(zhuān)家丁士東介紹，工程院依靠自主力量主持完成了包括焦頁(yè)1井、元頁(yè)1井、彭頁(yè)3HF井等5口頁(yè)巖氣水平井壓裂設計和技術(shù)服務(wù)，其中，焦頁(yè)1井日產(chǎn)氣穩產(chǎn)達到100000立方米，彭頁(yè)3HF井創(chuàng )國內施工規模最大記錄（4.67萬(wàn)方），為我國頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條光輝道路。

頁(yè)巖氣發(fā)展前景。世界頁(yè)巖氣資源調查表明，全球頁(yè)巖氣儲量超過(guò)常規天然氣儲量，且其分布極為廣泛。在過(guò)去的10年中，美國已經(jīng)掌握了頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)。2000年，美國頁(yè)巖氣生產(chǎn)量不足100億立方米，到2011年，美國頁(yè)巖氣產(chǎn)量已達到1800億立方米，占美國天然氣產(chǎn)量的23%。頁(yè)巖氣的成功開(kāi)發(fā)以及由此所帶來(lái)的全球性的頁(yè)巖氣革命熱潮正在改變市場(chǎng)對于未來(lái)油氣資源供需格局的預期，能源戰略上呈現多元化。我國頁(yè)巖氣資源十分豐富，國土資源部油氣中心2012年最新研究成果表明，我國頁(yè)巖氣可采資源量為25萬(wàn)億立方米，發(fā)展潛力巨大。根據國家頁(yè)巖氣“十二五”發(fā)展規劃，2015年中國頁(yè)巖氣產(chǎn)量為65億方，2020年力爭達到600-800億方。中石化集團公司十分重視頁(yè)巖氣勘探工作，并把頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)作為公司打造上游產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。中國石化獲得頁(yè)巖氣專(zhuān)屬礦權區塊3個(gè),總面積1.7萬(wàn)平方公里，在常規區塊中,可開(kāi)展頁(yè)巖氣勘探區塊43個(gè)，面積19.2萬(wàn)平方公里。“十二五”期間，中國石化將重點(diǎn)圍繞在四川及其周緣重點(diǎn)頁(yè)巖氣富集條件較好的彭水-黃平區塊海相頁(yè)巖氣區塊和鄂西渝東的建南-涪陵陸相頁(yè)巖氣區塊加大頁(yè)巖氣開(kāi)展勘探評價(jià)工作，計劃在“十二五”末，新建頁(yè)巖氣產(chǎn)能20億方。

我國頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)難題分析。頁(yè)巖油氣主要以吸附和游離方式賦存于富有機質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中的生物成因或熱成因天然氣，作為一種非常規資源，是通過(guò)常規開(kāi)采手段不能得到經(jīng)濟產(chǎn)量的石油天然氣資源，因此，頁(yè)巖氣的儲集特性決定了頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)在很大程度上依賴(lài)于鉆完井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)。美國擁有較成熟的頁(yè)巖氣水平井鉆完井和分段壓裂技術(shù)，并在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中取得巨大成功，自2002年主要采用水平井技術(shù)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣，目前85%的開(kāi)發(fā)井為水平井+多段壓裂，頁(yè)巖氣產(chǎn)量增長(cháng)主要來(lái)自水平井開(kāi)采技術(shù)，水平井的產(chǎn)量是垂直井的3-4倍，水平井壓裂初期平均日產(chǎn)量可達10萬(wàn)立方米以上，成本僅是直井的1.5-2倍，美國頁(yè)巖氣資源潛力盆地50多個(gè)，其中40多個(gè)已被不同程度地勘探。

我國在頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)研究方面研究起步較晚，研究基礎薄弱。2010年以來(lái)，中國石化先后在四川及其周緣的涪陵、黃平、彭水、建南、新場(chǎng)等開(kāi)展了頁(yè)巖氣鉆井先導性試驗，完成了建頁(yè)HF-1、彭頁(yè)HF-1、涪頁(yè)HF-1等頁(yè)巖氣水平井鉆完井和分段壓裂施工，在鉆完井和水平井分段壓裂方面存在如下技術(shù)難題：

（1）鉆井效率低，周期長(cháng)、成本高

中國石化已完鉆的頁(yè)巖氣水平井垂深2800米左右、水平段長(cháng)1100米左右，鉆井周期93天，鉆完井成本7000～8000萬(wàn)元；美國B(niǎo)arnett盆地頁(yè)巖氣水平井垂深2500米左右、水平段長(cháng)1300米左右，鉆井周期27天，鉆完井成本300～600萬(wàn)美元。主要是由于我國頁(yè)巖地層差異性大，地層力學(xué)特性等信息鉆前預測精度低，設計針對性差，工具及配套工藝技術(shù)不配套。

（2）成井質(zhì)量還不能滿(mǎn)足頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)

四川及周緣地區地處高陡構造，井身軌跡控制困難；如彭頁(yè)1井（直井），全角變化率5.1°/30m(910m處)、6.3°/30m(1170m)；頁(yè)巖儲層井段易井壁失穩,如建頁(yè)HF-1井1131～1481米井段垮塌嚴重；長(cháng)水平井下套管、居中難度大，油基鉆井液清洗困難，分段射孔、壓裂對水泥環(huán)完整性要求高，如建頁(yè)HF-1井1700米尾管用時(shí)近48小時(shí)，固井后水泥環(huán)膠結質(zhì)量整體評定為差。

（3）壓裂針對性不強，壓裂效果差

頁(yè)巖可壓性及裂縫延伸規律認識不清，可壓性評價(jià)缺少量化方法，僅憑脆性礦物含量、地應力差異及方位、楊氏模量、泊松比等參數指標難以刻畫(huà)地層可壓性及裂縫延伸擴展規律；壓裂工藝技術(shù)選擇與頁(yè)巖地層不配套，壓裂設計符合率低；工藝技術(shù)不配套，由貝克休斯公司負責提供:減阻水及泵送橋塞射孔聯(lián)作技術(shù)在現場(chǎng)實(shí)施時(shí)存在如下問(wèn)題：工具下入過(guò)程中遇阻；射孔位置優(yōu)化不好，有壓竄跡象；實(shí)測摩阻偏高，減阻水減阻效果不好；微地震監測7段壓裂主縫特征不明顯。

（4）流體、工具等關(guān)鍵技術(shù)自主化程度低

由于國內開(kāi)展頁(yè)巖氣水平井鉆完井和分段壓裂技術(shù)研究起步較晚，施工所采用的油基鉆井液、分段壓裂工具、壓裂設計及壓裂液體系等核心工具、體系以及設計技術(shù)大都由國外公司提供服務(wù)，造成水平井鉆完井成本居高不下，壓裂效果也不盡如人意。

總之，國內針對頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究才剛剛起步，頁(yè)巖氣水平井鉆完井和壓裂技術(shù)研究基礎薄弱，配套的頁(yè)巖氣水平井設計方法和工藝技術(shù)體系尚未建成，工藝技術(shù)不配套，相關(guān)標準、規范體系也尚未形成，關(guān)鍵處理劑和液體體系、分段壓裂工具還依賴(lài)進(jìn)口，受制于人，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)尚未實(shí)現規?；a(chǎn)。因此，如何突破頁(yè)巖氣水平井鉆完井和分段壓裂關(guān)鍵技術(shù)，建立一套適合于我國頁(yè)巖氣特點(diǎn)的巖氣水平井鉆完井和分段壓裂技術(shù)系列，打破國外技術(shù)壟斷，突破頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)瓶頸，是實(shí)現頁(yè)巖氣快速發(fā)展的前提。

工程院頁(yè)巖氣工程技術(shù)的進(jìn)展與突破。為了突破頁(yè)巖氣完井關(guān)鍵技術(shù)難題，工程院以″逐步實(shí)現全部產(chǎn)品的國產(chǎn)化和自有技術(shù)的應用″為目標，承擔了多個(gè)針對頁(yè)巖氣完井技術(shù)科技攻關(guān)和先導性科研項目研究：具體為承擔了中國石化科技部“套管內壓裂橋塞及配套工具研究”、“φ127多級滑套分段壓裂工具的研制與應用”、“固井壓裂滑套及配套工藝研究”和“油基鉆井液水平井固井技術(shù)研究”、“自膨脹封隔器技術(shù)研究”、“水平井分段壓裂壓縮式裸眼封隔器研制”等6個(gè)科技攻關(guān)項目，開(kāi)展了“水平井分段完井機器人前瞻性研究”前瞻性項目，在工程管理部和油田事業(yè)部也先后設立了“頁(yè)巖氣水平井固完井技術(shù)先導試驗”、“頁(yè)巖氣鉆完井方案研究”和“易鉆橋塞定型及簇式射孔技術(shù)試驗”等。經(jīng)過(guò)近2年的研究攻關(guān)，已初步形成了具有自主知識產(chǎn)權的非常規配套工程技術(shù)，較好地發(fā)揮了技術(shù)支持作用，總部領(lǐng)導對我院在非常規技術(shù)研發(fā)和支持工作給予了高度評價(jià)，取得如下技術(shù)突破：

1.自主研制開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的多級滑套、裸眼封隔器、自膨脹封隔器、可鉆橋塞等分段完井工具并進(jìn)入現場(chǎng)，其中，多級滑套+裸眼封隔器分段壓裂系統，低密度憋壓球級差達到1/8″，承壓能力大于70MPa，在3-1/2″油管內可實(shí)現16級，在4-1/2″油管內可實(shí)現24級。在鄂爾多斯HH37P51、HH36P101等5口井成功應用，順利完成31級分段壓裂，成功率100%，不僅打破了國外技術(shù)壟斷，而且有效地抑制國外技術(shù)服務(wù)價(jià)格。同時(shí)，緊跟國際技術(shù)前沿，在固井壓裂滑套、智能滑套以及完井機器人等方面也取得重要進(jìn)展，預期在2013年下半年進(jìn)入現場(chǎng)應用。

2.針對頁(yè)巖氣水平井分段射孔和大型壓裂對水泥環(huán)完整性特殊需求，研制開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的SFP彈塑性水泥漿體系，在國內率先建立了水泥石彈塑性評價(jià)方法，水泥石韌性系數提高90%以上，彈性模量降低55%，基本解決了常規水泥石脆性大，分段射孔和大型壓裂后水泥環(huán)易密封失效的關(guān)鍵技術(shù)難題；針對頁(yè)巖氣水平井大都采用油基鉆井液，研制開(kāi)發(fā)了適用于白油基鉆井液和柴油基鉆井液的SCW-M、SCW-D高效洗油沖洗液,有效解決了油基鉆井液油膜清洗困難的關(guān)鍵技術(shù)難題。自2011年以來(lái)，依靠自主技術(shù)，在泌頁(yè)HF1井、涪頁(yè)HF1井等中國石化大多數“1”字號頁(yè)巖氣井水平井固井進(jìn)行了現場(chǎng)成功應用，固井質(zhì)量?jì)?yōu)秀，綜合技術(shù)水平達到國際先進(jìn)水平。

3.自主研制開(kāi)發(fā)了研制了油基鉆井液乳化劑、提切劑等核心助劑，以此為基礎，研制了專(zhuān)門(mén)用于頁(yè)巖油氣水平井的低粘高切油基鉆井液體系，關(guān)鍵性能指標達到國外同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。在彭頁(yè)2HF、3HF井應用后，創(chuàng )造了國內頁(yè)巖氣水平井水平段(1650米)和水平位移(1932.84米)最長(cháng)的新紀錄，彭頁(yè)3HF井鉆井液消耗量比國外泥漿服務(wù)公司施工的彭頁(yè)4HF井減少40%以上。該技術(shù)在中原又完成白-3HF井水平段推廣應用，成功再利用庫存老漿近230立方米，利用率超過(guò)67%，通過(guò)降低油水比，節約基礎油超過(guò)50立方米。

4.針對頁(yè)巖油氣井高效滑溜水壓裂液耗用量大，國外產(chǎn)品價(jià)格昂貴，直接影響了頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)效益的難題，工程院開(kāi)展了高效滑溜水研發(fā)工作：通過(guò)機理研究和上千次試驗，優(yōu)選的高效減阻劑降阻率達到78%以上，性能指標達到國際先進(jìn)水平，已經(jīng)在5口井中應用，成功地解決了減阻、防塌和提高返排效率等關(guān)鍵技術(shù)難題；同時(shí)，工程院聯(lián)合中國石化下游研究單位，開(kāi)展了具有自主知識產(chǎn)權的低成本滑溜水壓裂液關(guān)鍵處理劑（減阻劑）研發(fā)工作，目前已經(jīng)完成室內小樣研發(fā)工作，正在進(jìn)行中試，有望大幅度減低成本，較國外同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格降低1/3以上。

5.針對我國頁(yè)巖油氣的特殊性，對比分析了我國頁(yè)巖油氣和美國五大盆地頁(yè)巖油氣的差異性，系統地開(kāi)展了頁(yè)巖油氣網(wǎng)絡(luò )壓裂機理，建立了頁(yè)巖油氣水平井分段壓裂優(yōu)化設計技術(shù)方法：通過(guò)頁(yè)巖可壓性指數、脆性、天然裂縫特征研究，初步形成壓前評價(jià)技術(shù)；改進(jìn)了實(shí)驗方法，考慮脆性、應力差異系數等參數，開(kāi)展了大型物模實(shí)驗，研究了針對我國四川及周緣地區復雜裂縫形成的機理；進(jìn)行了頁(yè)巖裂縫不同類(lèi)型及粒徑支撐劑導流能力測試實(shí)驗，研究給出了不同裂縫類(lèi)型對應的裂縫復雜性指數范圍。依靠自主力量主持完成了包括焦頁(yè)1井、元頁(yè)1井、彭頁(yè)3HF井等5口頁(yè)巖氣水平井壓裂設計和技術(shù)服務(wù)，其中，焦頁(yè)1井日產(chǎn)氣穩產(chǎn)達到1000003，彭頁(yè)3HF井創(chuàng )國內施工規模最大記錄（4.67萬(wàn)方）。

2013年，工程院將一如既往地狠抓非常規工程技術(shù)創(chuàng )新和技術(shù)支持工作，對相對成熟的技術(shù)要加大現場(chǎng)推廣應用力度，形成技術(shù)標準和規范；技術(shù)成熟度不高的技術(shù)，要加大技術(shù)攻關(guān)和現場(chǎng)試驗，形成成熟技術(shù)；同時(shí)，要積極開(kāi)展無(wú)水壓裂、智能滑套、頁(yè)巖氣水基鉆井液等新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究，趕超國際先進(jìn)水平?？傮w工作目標是形成具有自主知識產(chǎn)權的較為成熟的非常規配套工程技術(shù)體系，實(shí)現技術(shù)系列化、標準化和規范化，實(shí)現頁(yè)巖氣水平井安全、快速、低成本成井和有效壓裂，推動(dòng)我國頁(yè)巖氣快速發(fā)展。