我國初步形成頁巖氣鉆完井配套技術

　　“頁巖氣革命”的號角正在我國響起，頁巖氣勘探、開發已成為當前引人注目的我國能源多元發展的一個嶄新亮點，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，中國石化先后在四川及其周緣的涪陵、黃平、彭水、建南、新場等開展了頁巖氣鉆井先導性試驗，完成了建頁HF-1、彭頁HF-1、涪頁HF-1等頁巖氣水平井鉆完井和分段壓裂施工。

　　為突破頁巖氣完井關鍵技術難題，以破解石油工程技術瓶頸、研發新技術為己任的中石化石油工程技術研究院，以“逐步實現全部產品的國產化和自有技術的應用”為目標，承擔了針對頁巖氣完井技術科技攻關和先導性科研項目研究，開展了“水平井分段完井機器人前瞻性研究”和“頁巖氣水平井固完井技術先導試驗”、“頁巖氣鉆完井方案研究”及“易鉆橋塞定型及簇式射孔技術試驗”等。

　　經過2年多的研究攻關，已初步形成了具有自主知識產權的非常規配套工程技術，在5個方面實現了重大技術突破，打破了國外技術壟斷，不但大幅度降低了作業成本，而且使施工質量和勘探開發的成功率成倍提高。

　　據中石化著名石油工程技術專家丁士東介紹，工程院依靠自主力量主持完成了包括焦頁1井、元頁1井、彭頁3HF井等5口頁巖氣水平井壓裂設計和技術服務，其中，焦頁1井日產氣穩產達到100000立方米，彭頁3HF井創國內施工規模最大記錄(4.67萬方)，為我國頁巖氣勘探開發開辟了一條光輝道路。

　　頁巖氣發展前景。世界頁巖氣資源調查表明，全球頁巖氣儲量超過常規天然氣儲量，且其分布極為廣泛。在過去的10年中，美國已經掌握了頁巖氣勘探開發的核心技術。 2000年，美國頁巖氣生產量不足100億立方米，到2011年，美國頁巖氣產量已達到1800億立方米，占美國天然氣產量的23%。頁巖氣的成功開發以及由此所帶來的全球性的頁巖氣革命熱潮正在改變市場對于未來油氣資源供需格局的預期，能源戰略上呈現多元化。我國頁巖氣資源十分豐富，國土資源部油氣中心2012年最新研究成果表明，我國頁巖氣可采資源量為25萬億立方米，發展潛力巨大。根據國家頁巖氣“十二五”發展規劃，2015年中國頁巖氣產量為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巖氣勘探工作，并把頁巖氣勘探開發作為公司打造上游產業的重要組成部分。中國石化獲得頁巖氣專屬礦權區塊3個, 總面積1.7萬平方公里，在常規區塊中,可開展頁巖氣勘探區塊43個，面積19.2萬平方公里。“十二五”期間，中國石化將重點圍繞在四川及其周緣重點頁巖氣富集條件較好的彭水-黃平區塊海相頁巖氣區塊和鄂西渝東的建南-涪陵陸相頁巖氣區塊加大頁巖氣開展勘探評價工作，計劃在“十二五”末，新建頁巖氣產能 20億方。

　　我國頁巖氣開發工程技術難題分析。頁巖油氣主要以吸附和游離方式賦存于富有機質泥頁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，是通過常規開采手段不能得到經濟產量的石油天然氣資源，因此，頁巖氣的儲集特性決定了頁巖氣的開發在很大程度上依賴于鉆完井技術和壓裂改造技術。美國擁有較成熟的頁巖氣水平井鉆完井和分段壓裂技術，并在頁巖氣開發中取得巨大成功，自2002年主要采用水平井技術開發頁巖氣，目前85%的開發井為水平井+多段壓裂，頁巖氣產量增長主要來自水平井開采技術，水平井的產量是垂直井的3-4倍，水平井壓裂初期平均日產量可達10萬立方米以上，成本僅是直井的1.5-2倍，美國頁巖氣資源潛力盆地50多個，其中40多個已被不同程度地勘探。

　　我國在頁巖氣鉆完井技術研究方面研究起步較晚，研究基礎薄弱。2010年以來，中國石化先后在四川及其周緣的涪陵、黃平、彭水、建南、新場等開展了頁巖氣鉆井先導性試驗，完成了建頁HF-1、彭頁HF-1、涪頁HF-1等頁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難題：

　　(1)鉆井效率低，周期長、成本高

　　中國石化已完鉆的頁巖氣水平井垂深2800米左右、水平段長1100米左右，鉆井周期93天，鉆完井成本7000～8000萬元;美國Barnett盆地頁巖氣水平井垂深2500米左右、水平段長1300米左右，鉆井周期27天，鉆完井成本300～600萬美元。主要是由于我國頁巖地層差異性大，地層力學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不配套。

　　(2)成井質量還不能滿足頁巖氣開發

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

　　(3)壓裂針對性不強，壓裂效果差

　　頁巖可壓性及裂縫延伸規律認識不清，可壓性評價缺少量化方法，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地層可壓性及裂縫延伸擴展規律;壓裂工藝技術選擇與頁巖地層不配套，壓裂設計符合率低;工藝技術不配套，由貝克休斯公司負責提供:減阻水及泵送橋塞射孔聯作技術在現場實施時存在如下問題：工具下入過程中遇阻;射孔位置優化不好，有壓竄跡象;實測摩阻偏高，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、工具等關鍵技術自主化程度低

　　由于國內開展頁巖氣水平井鉆完井和分段壓裂技術研究起步較晚，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、體系以及設計技術大都由國外公司提供服務，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，國內針對頁巖氣開發工程技術研究才剛剛起步，頁巖氣水平井鉆完井和壓裂技術研究基礎薄弱，配套的頁巖氣水平井設計方法和工藝技術體系尚未建成，工藝技術不配套，相關標準、規范體系也尚未形成，關鍵處理劑和液體體系、分段壓裂工具還依賴進口，受制于人，頁巖氣開發尚未實現規模化生產。因此，如何突破頁巖氣水平井鉆完井和分段壓裂關鍵技術，建立一套適合于我國頁巖氣特點的巖氣水平井鉆完井和分段壓裂技術系列，打破國外技術壟斷，突破頁巖氣開發技術瓶頸，是實現頁巖氣快速發展的前提。

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　　工程院頁巖氣工程技術的進展與突破。為了突破頁巖氣完井關鍵技術難題，工程院以″逐步實現全部產品的國產化和自有技術的應用″為目標，承擔了多個針對頁巖氣完井技術科技攻關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研究”、“自膨脹封隔器技術研究”、“水平井分段壓裂壓縮式裸眼封隔器研制”等6個科技攻關項目，開展了“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部也先后設立了“頁巖氣水平井固完井技術先導試驗”、“頁巖氣鉆完井方案研究”和“易鉆橋塞定型及簇式射孔技術試驗”等。經過近2年的研究攻關，已初步形成了具有自主知識產權的非常規配套工程技術，較好地發揮了技術支持作用，總部領導對我院在非常規技術研發和支持工作給予了高度評價，取得如下技術突破：

　　1.自主研制開發了具有自主知識產權的多級滑套、裸眼封隔器、自膨脹封隔器、可鉆橋塞等分段完井工具并進入現場 ，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″油管內可實現16級，在4-1/2″ 油管內可實現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壟斷，而且有效地抑制國外技術服務價格。同時，緊跟國際技術前沿，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展，預期在2013年下半年進入現場應用。

　　2.針對頁巖氣水平井分段射孔和大型壓裂對水泥環完整性特殊需求，研制開發了具有自主知識產權的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易密封失效的關鍵技術難題;針對頁巖氣水平井大都采用油基鉆井液，研制開發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鍵技術難題。自2011年以來，依靠自主技術，在泌頁HF1井、涪頁HF1 井等中國石化 大多數“1”字號頁巖氣井水平井固井進行了現場成功應用，固井質量優秀，綜合技術水平達到國際先進水平。

　　3.自主研制開發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，研制了專門用于頁巖油氣水平井的低粘高切油基鉆井液體系，關鍵性能指標達到國外同類產品先進水平。在彭頁2HF、3HF井應用后，創造了國內頁巖氣水平井水平段(1650米)和水平位移(1932.84米)最長的新紀錄，彭頁3HF井鉆井液消耗量比國外泥漿服務公司施工的彭頁4HF井減少40%以上。該技術在中原又完成白-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 67%，通過降低油水比，節約基礎油超過50立方米。

　　4.針對頁巖油氣井高效滑溜水壓裂液耗用量大，國外產品價格昂貴，直接影響了頁巖氣的勘探開發效益的難題，工程院開展了高效滑溜水研發工作：通過機理研究和上千次試驗，優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水平，已經在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鍵技術難題;同時，工程院聯合中國石化下游研究單位，開展了具有自主知識產權的低成本滑溜水壓裂液關鍵處理劑(減阻劑)研發工作，目前已經完成室內小樣研發工作，正在進行中試，有望大幅度減低成本，較國外同類產品價格降低1/3以上。

　　5.針對我國頁巖油氣的特殊性，對比分析了我國頁巖油氣和美國五大盆地頁巖油氣的差異性，系統地開展了頁巖油氣網絡壓裂機理，建立了頁巖油氣水平井分段壓裂優化設計技術方法：通過頁巖可壓性指數、脆性、天然裂縫特征研究，初步形成壓前評價技術 ;改進了實驗方法，考慮脆性、應力差異系數等參數，開展了大型物模實驗，研究了針對我國四川及周緣地區復雜裂縫形成的機理;進行了頁巖裂縫不同類型及粒徑支撐劑導流能力測試實驗，研究給出了不同裂縫類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1井、元頁1井、彭頁3HF井等5口頁巖氣水平井壓裂設計和技術服務，其中，焦頁1井日產氣穩產達到1000003，彭頁3HF井創國內施工規模最大記錄(4.67萬方)。

　　2013年，工程院將一如既往地狠抓非常規工程技術創新和技術支持工作，對相對成熟的技術要加大現場推廣應用力度，形成技術標準和規范;技術成熟度不高的技術，要加大技術攻關和現場試驗，形成成熟技術;同時，要積極開展無水壓裂、智能滑套、頁巖氣水基鉆井液等新技術的開發和研究，趕超國際先進水平。總體工作目標是形成具有自主知識產權的較為成熟的非常規配套工程技術體系，實現技術系列化、標準化和規范化，實現頁巖氣水平井安全、快速、低成本成井和有效壓裂，推動我國頁巖氣快速發展。