北美致密油钻井技术现状及对我国的启示.pdf

第 36 卷 第 4 期 2014 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Downhole Service Company of Chuanqing Drilling Corporation, CNPC, Xian 710065, China） Abstract Being affected by the low price of natural gas, North America is experiencing a tight oil evolution following the previous shale gas evolution; both fracturing quantity and production have increased greatly, leading an unconventional oil/gas resource revolu- tion in the world. The successful development of unconventional resources represented by shale gas and tight oil is closely related with the advance of technologies like horizontal wells. This paper has investigated the important role played by technical advance in the great increase of tight oil production in North America from the point of view of drilling engineering technology. The paper first introduces the distribution of tight oil in North America, the history of the development of drilling technologies and the scale of present fractur- ing operations, and then analyzes the future drilling technology development trend through systematically examining the principal and leading-edge drilling technologies used in tight oil basins in North America, so as to provide reference for the development of tight oil in China, which has just got started. Key words tight oil; drilling; North America; horizontal well; factory production 基金项目国家科技重大专项“我国油气及煤层气勘探开发技术发展战略研究” （编号2011ZX05043-03） 。 作者简介 郭晓霞， 油气井工程专业硕士研究生， 从事油气前沿技术跟踪研究， 工程师。电话13910803537,010-62065199。E-mail guoxx。 水平井钻井及多级压裂技术广泛应用促使北美 形成致密油、 页岩气比翼齐飞的局面， 油气产量双双 突飞猛进。然而， 在美国天然气价格持续低迷的影 响下， 越来越多的公司发现干气业务已难以维系公 司盈利的需求。与此同时， 2008 年以后， 国际油价持 续走高， 页岩气开发技术在致密油开发中的应用也 取得了成功。作业公司发现， 从事致密油甚至湿气 生产能够获得更高的收益。鉴于此， 越来越多的北 美作业公司开始削减页岩气业务， 将更多的资金和 精力投入富含液态烃的致密区带 ［1］ 。与页岩气相似， 致密油钻井几乎也经历了尝试、 探索、 学习、 改进、 成 熟、 推广的过程， 同样是由于技术的进步， 使钻井工 作量不断增长、 钻井效率不断提升、 致密油产量获得 突破。 石油钻采工艺 2014 年 7 月（第 36 卷） 第 4 期2 1 北美致密油钻井概况 1.1 北美主要致密油盆地及钻完井方式 北美是致密油开发较早的地区， 随着技术的进 步， 美国和加拿大的致密油产量获得了巨大的突破。 在美国， 致密油主要分布在 3 个产区威林斯顿盆 地的 Bakken 地层， 年产 2 364 万 t， 其占总产量的比 例最高， 约占美国致密油总产量的 36.4。得克萨 斯州南部的Eagle Ford区带是产量增长最快的产区， 2011 年年产 1 422 万 t， 仅用 3 年时间就使产量增至 总产量的 21.9。另外就是 Fort Worth 盆地 Barnett 页岩和落基山脉周边 Niobrara 页岩， 属于逐步被开 发的产区。加拿大的致密油主要分布在 Duvernay 区块、 Muskwa 地区、 Montney 区块艾伯塔延伸带和 Cardium 产区。Duvernay 页岩区是致密油的热点产 区， 液体资源丰富， 面积约 16.214 万 km2， 储层深度 范围为 2 5004 000 m， 自西向东由深变浅。Cardium 是致密页岩新区， 储层埋深 2 000 m 左右。 水平井是开发北美致密油开发采用的主要技 术， 根据不同的地质条件和埋藏特征， 在不同地区 采取了不同的钻井设计、 工具、 工艺及方法。比如 Bakken 地层连续性好。上下段为页岩， 中段为砂 岩、 灰岩互层。页岩砂岩均含油， 有机质含量高。中 段粉砂质白云岩或白云化粉砂岩， 为水平井开发主 要目的层， 储层埋深一般位于 2 5003 200 m 之间。 Bakken 地层的分布跨美国和加拿大， 美国 Bakken 地层埋藏较深， 油层厚度大， 而加拿大 Bakken 地层 埋藏浅， 油层厚度变小 Bakken 顶部页岩段厚度小， 上部 Lodgepol 地层易产水。虽然在美国及加拿大 Bakken 都采用水平井 多段压裂的开发方式， 但在 钻完井方式上仍稍有不同。美国 Bakken 钻的水平 段长度较长一般都在 3 000 m 左右， 采用的完井方 式包括裸眼完井和套管固井完井；加拿大 Bakken 的水平段相对较短， 一般在 1 000 m 左右， 采用的完 井方式包括套管固井和裸眼完井。加拿大 Bakken 还采用了双分支水平井进行开发， 这种方式也被引 入 Cardium 的开发中。Eagle Ford 区带的主要产层 为与页岩互层的灰岩， 埋深较大（3 0003 900 m） ， 渗透率与 Bakken 相比较差（小于 0.01 mD） ， 孔隙度 212， 属于高压储层， 压力系数 1.01.5， 天然裂 缝发育。一般采用中长水平井段进行开发， 水平段 长度为 1 0001 500 m， 并采用套管完井方式。 1.2 北美致密油钻井技术发展历程 致密油的开发模式很大程度上借鉴了页岩气的 成功经验。因此， 与页岩气开发类似， 致密油的钻井 也经历了从直井到水平井的过程。以 Bakken 为例， 上世纪 80 年代之前， 还主要是以钻直井为主， 产量 不高。80 年代中期开始尝试钻水平井， 水平段一般 长 8001 000 m， 使用预开孔尾管或割缝尾管完井， 产量略有起色。90 年代末， 开始通过钻双分支水平 井的方式进行开发， 并把 2 个水平段布设到不同的 层段中， 产量有所提升， 但不明显。2007 年开始， 在 Bakken 开始采用长水平段水平井 多级压裂的开 发方式， 水平段长度一般达到 3 000 m， 单井日产量 突飞猛进（图 1） 。 图 1 Bakken 致密油产量曲线 1.3 北美致密油钻井工作量 近两年来， 致密油钻井工作量不断攀升， 带动美 国油井工作量出现显著增长， 使美国新开钻的井由 过去的以气井为主逐渐转变为以油井为主［2］（图 2） 。 油井钻井数由 2008 年的 2.17 万口迅速增长至 2013 年底的 3.16 万口， 气井钻井数却由 2008 年的 2.93 万口迅速跌至 2013 年底的 0.92 万口， 达到 2000 年 以来的最低水平。美国钻井数量增加最快的地区为 得克萨斯东南部的 1 区［3］， 即 Eagle Ford 区带， 2010 年， 在 Eagle Ford 全年的钻井数还不过 1 000 余口， 到了 2012 年全年钻井数已经达到 3 802 口［4］， 而北 达科塔州的 Bakken， 钻井数量也迅速增加， 这些都是 美国致密油的主力产区。 在加拿大， 致密油的钻井活动也明显增加。加 拿大的致密油区主要分布在西加拿大盆地和东 部的阿巴拉契亚山脉地区， 其中横跨 Manitoba、 Saskatchewan、 Alberta 三省的西加拿大盆地从 2005 年开始致密油生产， 随着技术的成熟、 产量效益开始 显现， 从 2010 年开始， 该地区的钻探活动明显增加， 到 2011 年， 在该盆地新开钻的用于钻致密油的水平 井已经超过 3 500 口。 1.4 动用钻机情况 除了气价低迷因素之外， 致密油产量的提升也 是钻机由气转油的重要推手。2013 年初， 在美国从 事干气钻探的钻机所占比例已由过去的 80 降至 3郭晓霞等北美致密油钻井技术现状及对我国的启示 约 20， 而从事与石油生产有关钻探活动的钻机数 所占比例则由 20 增加到 80。截至 2013 年底， 美国陆上用于钻油井的钻机已经达到 1 372 台， 而气 井钻机减至 389 台， 与 5 年前形成逆转（图 3） 。 图 3 20102013 年美国陆上在用钻机情况 致密油的效果显现， 大量钻机涌入富油的 Eagle Ford、 Williston Bakken 等盆地。在 2011 年的 2 月， 在 Eagle Ford 作业的钻机还仅有 134 台， 其中用于 钻气井的占大多数， 为 86 台， 用于钻油井的仅有 47 台。到了 2013 年 9 月， 在该盆地作业的钻机数已经 达到 232 台， 其中油井钻机 198 台、 气井钻机 33 台， 在 Williston 盆地几乎全部为油井钻机 ［5］。 2 北美致密油钻井的关键技术与发展趋势 美国致密油水平井开发中， 广泛采用工厂化作 业模式， 其核心就是利用定制钻机进行丛式水平井 的批量钻井， 这些定制钻机为快速移动式电驱动钻 机， 便于实现钻机在井间的快速移动。在美国页岩 气钻井中， 应用最多的井筒技术依然是高效实用的 主体技术， 前沿技术的应用近年来逐渐增加。主体 技术主要包括优质牙轮钻头和优质 PDC 钻头、 优 质钻井液（水平井段主要是油基钻井液） 、 MWD、 导 向泥浆马达、 常规地质导向等。前沿技术主要包括 近钻头地质导向、 旋转导向钻井、 自动控压钻井等。 既能钻直井段， 又能钻增斜井段和水平井段的高造 斜率旋转导向钻井系统， 使越来越多的水平井实现 二开“一趟钻” 完钻。与此同时， 技术服务公司针对 不同地区的页岩地层开发了一些个性化技术， 比如 个性化的钻头和个性化钻井液（可替代油基钻井液 的强抑制水基钻井液） 等。 2.1 工厂化钻井 致密油储层的连续性为实施可重复性的工厂化 钻井方式提供了契机。在北美的致密油产区， 工厂 化钻井有效提高了作业效率， 减少了钻井周期。 工厂化钻井是在同一井场集中布置多口井， 利 用一系列先进工艺、 工具和装备， 结合精益管理方法 和远程监控， 实施批量作业， 实现降低作业成本提高 生产效率的高效作业方式， 它通过高移动性钻机、 优 化的井下工具组合、 优化的井场作业、 流水线式建井 程序的集成， 实现了远程控制、 多方协调作业， 并具 有系统的优化方法。 美国大陆资源公司在 Bakken 一个 4 口井的井 场实施这种作业流程， 各井依次进行了一开（表层 井段） 、 二开（中间井段） 和三开（水平井段） ， 钻机共 移动 9 次， 每次移动只需大约 2 h， 平均单井节省钻 完井费用 10［6］ 工厂化钻井更加强调油公司、 钻井承包商和技 术服务公司等参与各方的密切协作， 国际大石油公 司大都制定作业规范或指导手册来引导区块作业。 2.2 井眼轨迹控制技术 2.2.1 定向工具 在北美致密油水平井钻井中， 控 制井眼轨迹应用最多的主体技术仍是常规导向钻井 （常规导向泥浆马达和带近钻头地质导向仪的导向 泥浆马达） ， 近几年常规旋转导向钻井系统的应用呈 增长趋势（图 4） ， 尤其是高造斜率旋转导向钻井系 统应用效果十分显著。斯伦贝谢和贝克休斯公司分 别于 2011 年和 2012 年推出的最大造斜率为 17 （ ）/ 30 m 和 15 （ ）/30 m 的高造斜率旋转导向系统， 可 用于钻直井段、 造斜段和水平段， 缩短了造斜段长度 和靶前距， 以更短的半径实现水平井的二开“一趟 钻” 完钻， 从而减少起下钻作业， 提高钻井效率， 缩短 钻井周期， 简化井身结构， 降低钻井的综合成本。同 时， 通过更早进入储层， 增大油藏接触面积， 提高采 收率。比如， 2012 年初， 在美国 Eagle Ford 页岩一口 设计造斜率为 8 （ ）/30 m 三维水平井中， 应用贝克 休斯公司高造斜率旋转导向系统和定制 PDC 钻头 一次下井钻进 3 217.8 m， 完成了直井段、 造斜井段和 水平井段的钻进， 实现了二开“一趟钻” 完钻， 共用 时 5.95 d， 平均机械钻速 27.43 m/h， 比邻井缩短 2.5 d， 节省钻井费用大约 8 万美元。 图 2 20002013 年美国钻井数量变化情况 石油钻采工艺 2014 年 7 月（第 36 卷） 第 4 期4 图 4 国际定向钻井市场构成 可以预见， 未来在全球的非常规油气开发中， 旋 转导向钻井的应用规模还将持续增长。利用旋转导 向钻井系统、 高效钻头和高效钻井液等前沿技术实 现水平井二开“一趟钻” 完钻， 将成为水平井钻井提 速降本的新趋势和新利器， 在水平井钻井的提效降 本方面发挥重要作用。 2.2.2 远程控制定向钻井技术 钻井自动化、 智能 化是钻井发展的大趋势， 而远程控制可以减少现场 人员， 同时协调多学科团队力量将井眼轨迹更好地 控制在目的层之中。 壳牌公司是远程钻井控制技术的先驱， 2008 年 开始开发定位于页岩钻井的实时钻井优化系统。 2011 年， 在对位于休斯顿的一个 RTOC 的基础设 备进行升级改造后， 壳牌公司的第一个 DART（通 过钻井自动化和远程操作技术中心）开始运行。 DART 的作用是将定向钻井工程师、 地质导向工程 师和随钻工程师汇集到远程作业中心， 进行远程钻 井指挥， 可同时进行 3 口井的随钻和定向操作， 以 及同时进行 4 口井的地质导向操作。目前， DART 中心已经应用在美国的页岩油气钻井中， 并获得 了很好的效果。2012 年 6 月， DART 中心开始指 挥 Eagle Ford 的定向井钻井。钻井效果也逐步获 得改善， 平均钻井周期降低 50， 其中一口井创下 每 300 m 仅用 0.44 d 的最快水平段钻速记录， 2 口 井水平段超过 2 133 m（图 5） ， 井眼质量也得到大幅 改善［7］。 图 5 钻井周期对比 随着工厂化钻井技术的大规模应用， 工程地质 相结合的钻井远程控制、 协调中心将向着资源配置 最优化、 成本效率最大化的目标进军。 2.3 双分支水平井钻井技术 双分支水平井是致密油开发中采用的一种井 型， 在 Bakken 应用最为广泛。实践表明， 在致密油 藏中钻双分支长水平井能获得更高产能。通过对比 Bakken 地区 121 口双分支水平井和 121 口单分支水 平井投产 1 年的生产数据， 可以发现产量大幅提高。 双分支水平井减小了井场面积和基建成本， 在 接触同样面积油藏的条件下， 双分支井的成本为 258 万美元， 而钻两口单分支水平井的成本是 396 万美 元， 因此内部收益率几乎提高了 1 倍［8］。 2.4 钻机 美国开采的致密油主要是致密页岩油， 因此， 钻井面对的目的层主要是页岩层， 如 Bakken、 Eagle Ford 都是典型的页岩盆地。页岩钻井从直井发展到 大斜度井再到长水平段水平井， 钻机也适应这样的 改进。为使钻机更能适应致密油开发的要求， 钻井 承包商与设备制造商会针对作业区的地质情况建造 更有针对性的钻机以提升钻井能力， 减少作业时间 和成本。比如， 为 Bakken 建造的钻机大多数的钻机 具有拖行式（雪橇式） 钻台底座， 可以适应批钻井的 要求， 还特殊加强了防冻能力；用于 Marmaton 区带 浅层资源开发（一般直井段 1 5002 200 m） 的钻机 多使用 1 000 hp 钻机（钻深能力约 4 000 m） 。在用 钻机多是大中型电驱动钻机， 尤其是定制的快速移 动式交流变频电驱动钻机， 其次是小型机械式钻机， 主要用于钻表层井眼。交流变频技术使多参数电子 司钻成为可能， 从而使钻进控制可以参考更多的参 数， 如钻压、 扭矩、 DP、 机械钻速等［9］。 在北美致密油区块作业的钻机大部分为 HP 钻机和 Nabors 钻机， 约占到总数的 70， 其他钻机 还有PIONEER钻机、 EXTREME钻机UNIT钻机等， 此外， 各公司也竞相推出一些设计巧妙， 运移性强的 钻机， 以期在非常规油气开发中占得先机。 为了帮助减少作业周期、 提升安全性， 对钻机提 出了不同的要求， 以下 5 项技术被认为是在北美致 密油钻井中的关键钻机技术。 （1）顶驱技术。顶驱提速优势明显， 可达 20 40， 在北美的致密油钻井中， 多数钻机配备了顶 驱， 为快速批量钻井提供了条件。交流顶驱一般安 装软扭矩系统， 用来防止由于钻柱共振和卡钻而引 起的钻柱或下部钻具组合扭断。 （2） 大马力泥浆泵。水力性能是钻水平井的的关 5郭晓霞等北美致密油钻井技术现状及对我国的启示 键， 相对于大勾载荷和绞车提升能力的更为关键。 （3） 泥浆循环系统。在水平钻井中， 要想保持高 机械钻速同时保证大量的固相能够及时清除， 需要 一个很好的泥浆循环系统来进行固控处理。 （4） 钻柱。水平井的钻进的钻进与直井有很大区 别， 尤其在水平段钻进时， 为防止钻铤进入大斜度或 水平段的拖压问题， 可以采用倒装钻具组合的方式， 即把钻铤加在上部造斜段、 增斜段或直井段， 或使用 加重钻杆代替钻铤， 将单位长度质量小的钻具置于 下部稳斜井段， 而将单位长度质量大的钻具置于上 部造斜、 增斜井段或直井段， 以减少下部钻具的质 量， 有效地传递钻压。 （5） 钻机移动系统。多数的页岩区带在开发上都 具有可复制性， 也就具备了工厂化批量作业的条件。 比如在 Barnett， 多数的钻机都是可移动式的， Bakken 的大多数井也是采用拖行式钻机实现多个井位间移 动的。通常， 准备拖行的时间大约为 3 h， 钻机重新 调试到位的时间为3 h， 拖动钻机的过程仅仅只有1 h。 2.5 钻头 水平井最大化油藏接触， 有效提高泄油面积， 对 于致密油产量的提升作用巨大。钻水平井， 尤其是 长水平井， 对钻头有更高的要求。首先， 要求钻头具 有较好的造斜性能。其次， 由于较多地采用井下动 力钻具， 一般须适应地钻压、 高转速。此外， 水平井 钻井中， 为了满足携带岩屑的需要， 对钻头水力性能 的设计也有一定的要求。钻头技术主要通过在这几 个方面进行改进， 推出更加适应水平井钻井需求的 钻头产品。近两年新推出的针对水平井的钻头产品 包括斯伦贝谢公司的 Spear PDC 钻头、 休斯克里斯 坦森 Talon 3D 钢体定向 PDC 钻头、 哈里伯顿公司 的固定切削齿钢体钻头、 ReedHycalog 公司的 Seeker 定向钻头等。 2.6 钻井液 致密油水平井， 尤其是长水平段水平井对钻井 液性能提出很高要求。首先， 水平段， 尤其是长水平 段钻进过程中， 极易出现井壁失稳问题， 容易引起卡 钻等严重事故， 因此， 钻井液须具有很好的井壁稳定 性能；第二， 螺杆钻具在复合过程中造成的井径比 正常要大， 岩屑运移过程中要产生沉降， 在钻具周围 形成泥沙淤积， 甚至岩屑床， 造成卡钻。因此， 钻井 液须能很好地清洁井眼；第三， 在重力作用下， 钻具 与井壁的接触面积比直井大， 因而起下钻具的摩阻 和旋转钻具的扭矩会大幅增加。因此， 钻井液须具 有很好的摩阻控制能力。 针对各地层不同的情况， 各公司开发出越来越 多的个性化钻井液， 也采取了不同的钻井液方案。 比如在 Bakken 盆地钻进时， 产层为粉砂质白云岩， 在技套层段使用油基钻井液， 而在水平段使用盐水 钻井液。一般这样做可以把钻井周期从 30 d 降到 20 d， 最快的降到 14 d。使用盐水钻井液， 可以达到 日进尺 762 m， 使用油基日进尺最快只能达到 365 m/d。然而， 在 Eagle Ford 页岩， 除产层外， 在上部 Wilcox 和下部 Astin Chalk 钻进中也会出现裂缝性 漏失， 同时， 井底温度相对较高、 CO2侵入等都是在 该地区作业的主要问题。针对这个情况， 多家公司 开发了个性化的水基钻井液， 性能上与油基钻井液 相当， 而低成本、 提速、 和保护油层优势更加明显， 正 在逐渐改变该地区以油基钻井液为主的格局［10］。 3 北美致密油钻井经验对我国的启示 美国在页岩气成功开发的基础上， 又获得了致 密油开发的大成功。2008 年后， 以 Bakken 为首的 美国致密油盆地快速兴起， 钻井工作量显著提升。 Williston 盆地 2012 年的钻井数达到 2 200 口， Eagle Ford 盆地， 近两年的全年钻井工作量已经站上 3 000 口西加拿大盆地的三大致密油产区， 每年的致密油 钻井工作量也超过了 3 000 口。 我国具有丰富的致密油资源， 广泛分布于鄂尔 多斯、 准噶尔、 四川、 松辽等多个含油气盆地中， 目前 初步评价有利勘探面积 1524 万 km2， 可采资源量 1828 亿 t。在开始着手致密油开发之初， 通过借鉴 美国的经验， 可有助于我们吸收精髓， 少走弯路［11］。 目前国内已经具备较成熟的水平井钻井技术， 水平井钻井数逐年增加。苏里格、 长宁 - 威远、 吉林 等地的工厂化作业试点初步取得成效， 已经实现了 钻井周期大幅缩短的效果。然而， 就目前的规模而 言， 水平井钻井规模还远未达到页岩气及致密油开 发的需求， 同时， 钻机自动化水平较低， 适合工厂化 钻井的快速移动式电驱动钻机数量严重缺乏， PDC 钻头和油基钻井液的性能有待提升， 个性化钻头和 钻井液等个性化技术开发能力有待加强， 旋转导向 钻井技术尚属空白。 水平井对于致密油产量的提升至关重要。美国 致密油钻井主要采用水平井， 一个盆地的水平井钻 井量就达到一年 3 000 口， 全国的水平井钻井量超过 15 000 口， 占总钻井数的 38。可以预见， 随着页 岩气、 致密油等非常规资源的兴起， 水平井是大势所 趋， 因此， 应进一步加大水平井钻井的推广力度， 同 时， 在人员、 装备、 技术上提前布局。在试点地区取 得良好成效的基础上， 在致密油藏推广工厂化钻井 （下转第 9 页） 9张忠志等夏 92-H 井复杂地层地质导向钻井技术 本， 而且有效回避钻探开发风险。 （3） 随着 LWD 随钻测井技术的日臻成熟， 实现 钻井、 测井、 解释的一体化模式是地质导向技术发展 的必然趋势。 参考文献 ［1］ 何琰， 牟中海， 裴素安， 等 . 准噶尔盆地玛北斜坡带油气 成藏研究［J］. 西南石油学院学报， 2005， 27 （6） 8-11. ［2］ 刘玉榜， 刘华， 贺昌华 . 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