國外致密氣藏鉆完井技術現狀與啟示

姜瑞忠，王 平，衛喜輝，徐建春，Yu Liang(梁宇)

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266555;2.University of Wyoming，USA)

國外致密氣藏鉆完井技術現狀與啟示

姜瑞忠1，王 平1，衛喜輝1，徐建春1，Yu Liang(梁宇)2

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266555;2.University of Wyoming，USA)

目前非常規氣藏尤其是致密氣藏的開發在國內外受到普遍關注，國外在致密氣藏鉆井、完井、壓裂等方面形成一系列配套技術，其成功的開發實踐將為中國致密氣藏開采提供寶貴的經驗。在系統調研并分析國外致密氣藏鉆完井及配套技術的基礎上，借鑒國外致密氣藏的開發經驗，得出以下幾點啟示：一是綜合應用小井眼、快速鉆井等技術降低成本，減小費用;二是儲層及環境保護須貫穿致密氣藏鉆完井過程的始終;三是水平井、多分支井技術有助于提高油藏接觸面積，提高單井產量及采收率;四是氣藏描述技術有助于研發有針對性的鉆完井技術。上述分析研究結論將對中國致密氣藏鉆完井技術起到有效地推動作用。

致密氣藏;鉆井;完井;壓裂;啟示;國外

引 言

Holditch對致密氣藏的定義最能體現致密氣的特點［1］：只有通過水力壓裂或采用水平井、多分支井生產才會達到經濟流速或經濟采收體積天然氣的氣藏。在美國，一般定義滲透率小于0.1×10－3μm2的氣藏為致密氣藏。世界致密氣生產分布在美國、南美(阿根廷)、澳大利亞、亞洲(中國、印度尼西亞)、俄羅斯、北歐(德國、挪威)、中東(阿曼)等地，其中美國產量最大［2－4］。致密氣藏在砂巖和碳酸鹽巖地層均有發現，是最早被工業化開采的非常規天然氣資源。雖然致密氣分布廣泛，但除北美之外其他地區的開采程度有限，主要原因在于：①缺乏對這類資源的認識;②許多國家不支持天然氣的政策以及市場需求很小;③缺少成功開發這類油藏的技術。近年來由于技術的進步以及對能源需求的持續增加，國外許多石油公司轉向致密氣開發。到目前為止，世界一些國家及大型石油公司在開采致密氣藏方面已經積累了豐富的經驗。致密氣田成功開發的關鍵是提高鉆完井的作業效率，開采的中心原則是通過氣藏接觸面積最大化來優化生產，這可以通過一系列鉆完井技術來實現［2］。本文綜述了近年來國外致密氣鉆完井技術的最新進展，總結了國外有效開發致密氣藏鉆完井的成功經驗，學習和借鑒這些經驗將對中國致密氣藏開發起到積極的推動作用。

1 致密氣藏鉆井及配套技術

1.1 致密氣藏鉆井方式選擇

致密氣藏由于生產指數低、驅替面積小，開采的經濟風險高于常規氣藏，因此選擇合適的技術和方法對致密氣藏的開采很重要。由德克薩斯 A＆M大學研發的致密砂巖氣藏咨詢(TGA)系統可以幫助石油工程師根據輸入的油藏和完井參數選擇鉆完井方式、油層改造方式、射孔和支撐劑、生產套管和油管尺寸等［5－7］。實際應用表明，該系統所做決策的效果與有經驗的工程師團隊所做出的決策效果相差無幾。隨著全球天然氣需求的持續上升及有經驗工程師的短缺，TGA系統會發揮越來越重要的作用。

1.2 適用于致密氣的鉆井技術

1.2.1 水平井

水平井既能降低費用又能最大限度采氣［8］可使氣田井數減少50% ～80%，同時使氣藏接觸面積最大，穿過不同目標層，提高天然裂縫潛力。目前有3種方法鉆水平井：旋轉和滑動鉆井、連續油管鉆井、旋轉導向系統(RSS)。旋轉和滑動鉆井鉆時長、鉆頭磨損不均勻，連續油管和RSS聯合使用可以使井筒光滑、保持井眼穩定性、有更高的成功率。新技術的發展使水平井成為致密氣開采最為經濟有效的方法［9］。

1.2.2 定向井

致密氣藏應用定向井的原因包括：①致密氣藏一般為多層氣藏，垂直滲透率低，水平井效果不好;②鉆垂直段可以通過測井獲得產層和儲量信息;③致密氣藏垂直井水力壓裂成功率高于水平井或斜井。在美國 Pinedale、Jonah及 Natural Buttes油田，定向井技術被廣泛用于致密氣開采。對Pinedale油田，懷俄明環保局預計定向井技術相對其他技術能夠減小對環境的影響達50%～90%。定向井技術對于環境保護要求嚴格，在極地惡劣環境、地面設備安裝困難等地區具有良好的推廣應用價值。

1.2.3 多分支井

多分支井的目的在于獲得最大油氣藏接觸面積，減小對環境的影響。多分支井作為一種開發低滲透油氣藏和老油田的鉆井方法，在國外得到大力發展和廣泛應用的原因是［10］：①開發低產油田降低生產綜合成本、提高單井產量;②開發成熟油田或枯竭油氣藏可延長油井使用壽命、節省投資;③適合海上鉆井或具有深產層井;④實現一口井開發多套油層。多分支井開采致密氣可降低經濟風險及單位技術成本并能提高致密氣藏采收率。

國外代表性的多分支井技術是哈里伯頓多分支井技術，目前有4種多分支井系統［11］。①Mill-Rite Milled Exit系統：用于老井或新井，具有精確的深度和方位控制及較低的費用;②IsoRite隔離完井系統：專門用于需要重新通過鉆井來獲得分支的井;③FloRite系統：用于交界處需要完全壓力隔離的井;④StacRite多分支井系統：對新井適用，設備要求和作業流程最小。

1.2.4 小井眼技術

小井眼指完井井眼尺寸小于152.4 mm或全井60%以上井眼尺寸為152.4 mm。優點主要體現在井場占地面積小、鉆井設備輕、工作量少、只需常規鉆井1/3的工作人員、節約鉆井成本15% ～40%。在低滲透、致密氣藏適合進行小井眼鉆井［12］。近年來，隨著油氣生產費用的上升以及油氣生產不斷向邊遠地區擴展和鉆井技術的發展，小井眼井的優越性更為顯著［13］。

1.2.5 連續油管鉆井

該技術用連續油管代替標準的連接套管，利用井下馬達驅動鉆頭旋轉［14］。連續油管單元包括部分：絞車、注入頭、供電部分、操作室。該技術的優點是鉆井部件可以快速調動、減小非生產時間安全、對環境影響小，而缺點是受深度和連續油管尺寸限制存在相關機械問題。目前在致密氣田僅用于重新鉆井和側鉆，在多層和高度衰竭致密氣藏最具應用潛力［15］。

1.2.6 套管鉆井

利用油田套管作為鉆井管柱，鉆井和下套管同時完成［16］。與常規方法不同之處在于鉆鋌不提供鉆壓、管柱連接不同，套管鉆井應用堆垛連接，包括轉矩環或耦合連接。鉆機最重要的部件是套管驅動系統，目前主要應用2種系統：威德福的旋轉套管傳遞扭矩系統和德士古可回收井底鉆具組合+馬達驅動常規鉆頭+井下擴眼系統。該技術可以減少漏失和卡鉆，提高鉆速及氣體產量。主要在美國、加拿大、泰國灣、巴西等地應用。

1.2.7 控壓鉆井

應用控壓鉆井技術可在井筒作業范圍內精確控制環空壓力變化［17］，分為消極控制和積極控制消極控制應用基本配置應對鉆井問題;積極控制通過整個井的設計(套管、油管、流體)來精確控制井筒壓力。優點是減小漏失、減輕井筒穩定性問題避免氣體或液體如二氧化碳、硫化氫運移到地面缺點是費用大、需要特殊工具及對鉆井人員的培訓。

1.2.8 欠平衡鉆井

致密氣田應用欠平衡鉆井可以使井筒鉆遇裂縫時減小漏失和地層傷害［18］，還能提高鉆速、減少壓差卡鉆;鉆井過程中一直生產油氣;發現常規鉆井遺漏或不能識別的產層。欠平衡鉆井的優點是油藏描述通過鉆井數據收集和應用提高對勘探前景、流體流動、滲透率各向異性以及生產能力的理解，缺點是防止井噴和井涌需要更多的設備，費用更高。目前在德克薩斯東南部、阿納達科、北美、阿根廷內烏肯盆地的致密氣田得到廣泛應用［19］。

1.2.9 復合鉆井

復合鉆井技術主要包括控制壓力套管鉆井技術及欠平衡套管鉆井技術。控制壓力套管鉆井技術是最有前途的鉆井技術，但目前只用于垂直井鉆進。欠平衡套管鉆井技術結合了欠平衡鉆井技術與套管鉆井技術的優點，欠平衡鉆井技術可以減小地層傷害，套管鉆井技術可以解決漏失和井控問題。

1.2.10 FDP快速鉆井工藝

快速鉆井的工作流程如圖1所示。把鉆井系統能量消耗的實時數據分析與結構化方法結合，更好地制訂計劃和設計，確保高效、快速鉆井。適用于各種地質情況，深井、淺井，直井、大角度井。已廣泛用于得克薩斯南部、中東、澳大利亞和俄羅斯等地。對于一口井給定層段，鉆速提高近20%，對于一口井鉆速提高近35%(圖1)。

圖1 快速鉆井流程示意圖

1.3 致密氣藏鉆井配套技術

1.3.1 斯倫貝謝致密巖石分析系統

提供對致密氣藏更深刻的理解，包括油藏非均質性、巖石各向異性、取樣要求、致密氣產能、完井潛力預測，為致密氣藏評價、完井設計、鉆加密井提供背景知識，減小決策失敗概率。系統分為6個部分：綜述、非均質性描述、頁巖分類、油藏評價、完井質量、巖心錄井整合［20］。

1.3.2 高分辨率井間測量技術

井間高分辨率地震信號不經過松散的近表面地層直接發送到油氣藏，井下接收器的頻率高達3 000 Hz，發送的地震圖像達 0.9 ～2.0 m 垂直精度［21］。把該技術獲取的地震圖像和水力壓裂作業圖像進行疊合可以識別氣藏砂體和水力裂縫翼展，優化致密氣藏加密鉆井、氣藏描述。

1.3.3 三維地質力學地球模型(MEM)

三維地質力學地球模型從3個方面減小井眼不確定性：①井筒壓力控制程序來檢測和控制井眼穩定性;②在膨脹性黏土地層推薦使用抑制性鉆井液;③顯示最大和最小水平應力的地質不平衡。該技術可以降低致密氣藏鉆井費用及風險、消除非生產時間。

1.3.4 適用于致密氣藏的鉆井液及水泥漿

(1)高品質水基泥漿(HPWBM)。HPWBM包含鋁化學物、微縮形變密封聚合物、鉆速增效劑［22］。鋁化學物可以進入孔隙喉道和微裂縫來保持穩定性;微縮形變密封聚合物能橋接孔隙喉道及微裂縫;鉆速增效劑能油濕鉆頭、鉆桿和其他金屬組分，減小黏土對鉆頭附著。致密氣田現場應用表明，與普通鉆井液相比，該泥漿對環境更有利、費用更低，可減少卡鉆、提高鉆速。

(2)哈里伯頓致密氣田鉆井液。哈里伯頓公司研發了一系列鉆井液用于致密氣藏。超低固體含量鉆井液可以避免固體侵入和孔隙堵塞從而保護氣藏;獨特的凝膠結構能夠提高當量密度控制能力和鉆井液攜帶能力;對高溫高壓井研發了高黏隔熱鉆井液，減小地層傷害、提高氣藏生產能力、保護生產套管。

(3)其他水泥漿系統。在致密氣藏高溫高壓井中應用的水泥漿系統還包括：①自愈合水泥漿系統SHC，水泥硬化后存在微裂縫或內部裂紋時，該水泥可利用膨脹進行自我修復，提供二次保護，減少修井費用，解決作業安全性和環境問題［23］;②高密度高品質水泥漿(HDHP)，在高溫高壓井中應用HDHP水泥漿，具有低孔隙度、低流變性、高早期抗壓強度的特點［24］。

1.4 哈里伯頓致密氣藏鉆井及配套技術

1.4.1 哈里伯頓MercuryTM技術

通過低頻率電磁波在地面和井底建立雙向聯系，實現數據高速傳送，不依靠泥漿系統、也不會有串臺干擾及信號沖突，具有高效率和高可信度［11］

1.4.2 StrataSteer?致密氣田地質導向技術

保證鉆井時精確控制井眼位置，確保井眼軌跡始終位于較好氣藏。主要應用的方法包括：隨鉆測井 探 測 器、可 視 化 軟 件、遠 程 操 作 等［11］StrataSteer?包括3部分：①鉆前優化井眼設計;②隨鉆測井實時地質導向;③鉆井后續分析。該技術能提高水平井和油藏直接接觸面積、減小致密氣田遺漏產層、提高采收率、通過精確確定井筒位置縮短側鉆及非生產時間。

1.4.3 哈里伯頓公司其他致密氣田鉆井新技術

包括：Drillworks?軟件估計鉆前和鉆后地層壓力，優化泥漿和套管;針對致密氣藏地層巖石堅硬的特點，采用有針對性的鉆頭和切削器，提高鉆速和穩定性;通過Evader?隨鉆測量回轉儀提供精確回旋導向測量，降低費用，減少非生產時間，避免井筒碰撞;利用Geo－Pilot XL和 Geo－Pilot GXT系統提供實時連續鉆頭導向和地層評價來精確確認井筒位置［11］。

2 致密氣藏完井及水力壓裂技術

2.1 射孔

2.1.1 即時射孔技術(JITP)

埃克森美孚首創的即時射孔技術使以前不可能經濟開采的致密氣藏實現了經濟開發。該技術用裝配在井中的射孔槍將處理液泵入井下，在1口井中選擇性射開某個層段并用球封實現層段之間的轉換來連續處理不同層段。

2.1.2 高壓注氮射孔技術

在美國科羅拉多州致密砂巖氣田曾進行過高壓注氮射孔試驗，在射孔井段內充滿高壓氮氣，在套管內壓力高于地層壓力時射孔，射孔后瞬時高壓氣流能夠清洗射孔井段，從而提高產量。實踐證明這種方法的實際效果大大優于井下核爆炸和超大型水力壓裂。此方法國內未見使用，有待試驗。

2.1.3 套管外射孔技術

馬拉松公司擁有這種射孔技術的專利。作業時，將射孔槍放在套管外下到井中。射孔槍靠液壓控制管線啟動點火，槍被激發時舌形隔離閥關閉，隔離每個層段。通過創新的多層段工藝減少作業時間和完井成本、降低投產時間。該技術已在加拿大、美國的多個油氣田應用。應用結果證明，套管外射孔能使完井時間減少60% ～80%，費用降低20%，生產井產能提高 50%［25－27］。

2.1.4 連續油管傳送射孔+噴砂技術

噴砂技術可以與裂縫有更好的連接，是一種可以侵蝕鋼襯、水泥和地層并在其中間造成無應力空間通道的方法。孔眼的有效直徑可以避免支撐劑橋接，降低費用，對于致密氣田的開發極為重要，還可以在早期減小非生產時間和鉆井費用，晚期優化壓裂支撐劑的驅替［28］。

2.2 封隔、膠結系統

2.2.1 可膨脹封隔、膠結系統

包括彈性可擴張膠結系統(FEC)、可膨脹彈性封隔器技術(SEP)、可膨脹襯管懸掛器技術。FE包括彈性材料、膨脹劑、常規添加劑等，能夠有效防止由于水泥體積收縮產生的膠結失效問題［29］。在致密氣田由于需要完井和改造特低滲地層，采用可膨脹彈性封隔器技術，在油或水出現的情況下橡膠會膨脹密封環空，對于密封不規則的環空是最好的技術選擇。可膨脹襯管懸掛器下入井后，懸掛器向外膨脹，由液壓驅動可膨脹圓錐進行密封。松緊設計使系統進行往復運動來擴眼，降低風險，同時不受鉆井壓力激變的影響，可以減少密封問題、提高整體性、減少非生產時間、提高系統穩定性［30］。

2.2.2 Swell packer隔離系統

傳統膠結技術和選擇性射孔技術費用大，而且經常在多層氣藏失效，該系統可以應用于裸眼井或套管井，通過可膨脹橡膠來密封環空。具有簡單性、可靠性、有效性等特點，還可以大大減小費用系統控制管線饋通的特點提高了系統穩定性、減小了控制線滲漏的風險。在該系統中下入控制線只需幾分鐘，而常規方法拼接每段電纜需要幾個小時，該系統能夠大大縮短作業時間［11］。

2.3 完井技術

2.3.1 多級水平井裸眼完井技術

裸眼封隔器系統(OHPS)，把封隔器系統放置在裸眼部分的內部來提供水平段的完井，允許更多的地層改造，更安全，減少作業時間［31－32］。該系統包括部署在生產尾管上的機械裸眼封隔器和在每組封隔器之間的裂縫分析端口。與常規技術相比有更好的連接性，可以提高完井效率，減小完井費用和時間。

2.3.2 多分支井完井技術

為保證2分支井的有效完井，需要在2分支連接處進行有效隔離［33］。利用常規方法泵入水泥漿后，膨脹封隔器系統可以膨脹來密封泥漿通道或由于烴類在通道運移造成的微環空。該技術能夠提供分支之間有效隔離，確保長期完井的成功。

2.3.3 完井裂縫隔離方法

完井裂縫隔離方法主要包括以下4種：①泵時隔離，可應用于水平井裸眼完井、割縫襯管完井及套管射孔完井，作業時需在短時間內連續泵入大量化學封隔劑或機械封隔劑，該方法可以保證井筒和油藏之間有很好的接觸，但若封隔劑的效果不好會影響整個井筒的生產;②將套管置于水平井筒并膠結，針對機械段塞可能會滲漏、難以精確放置、費用高、作業時間長等問題而提出，可應用的段塞包括復合材料、可回收材料、砂子等;③端口和滑動套筒結合系統，通過投球打開端口或滑動套筒，所有投球作業完成后，泵入的球可以被溶解、回流、碾碎，該方法作業時間短，但由于需要連續油管導致作業費用較高;④裸眼井不膠結套管技術，應用機械封隔器或化學封隔器隔離裂縫，與③類似，通過投球打開端口，該技術關鍵在于水平井分支部分有圓形孔，能夠減小地層傷害，與①類似，能夠保證與油藏的良好接觸，但由于需要連續油管清理支撐劑，因此費用較高。

2.4 壓裂技術

2.4.1 常規壓裂作業優化技術

針對致密氣田壓裂井距小、壓裂任務重的特點研發。通過一個中央位置承擔所有壓裂設備，降低了移動設備、人力和材料的費用。在實際應用中壓裂作業的非生產時間縮短了50%。該技術優點在于通過減少多種軟管連接和單個系統的機械復雜程度來提高作業穩定性，并減小對環境影響［11］。

2.4.2 哈里伯頓壓裂服務系列

主要包括CobraMax?精確定位壓裂技術、SurgiFrac?壓裂技術、Sircocco?壓裂技術等［11］。CobraMax?技術結合了傳統油管壓裂的快速特點和連續油管壓裂的多用途特點，通過應用支撐劑段塞減輕了壓后清理段塞的困難，確保每個層都被壓裂。通過泵入低濃度砂進行射流切割射孔，減輕地層傷害和裂縫阻力及裂縫迂曲度。該技術能夠提高多級壓裂效率、優化壓裂參數、減小非生產時間。現場應用表明氣井產量可以提高30%。SurgiFrac?壓裂技術包含3個獨立過程：水力噴射、水力壓裂、共注射環空，可在斜井和水平井提供精確壓裂作業。該技術中，噴射流體的能量被轉化成洞底壓力，流體的動態運動把流動轉向特定的點，從而不再需要機械或化學段塞。水力噴嘴噴出的處理液可在巖石造成1.2～1.8 m的洞，洞底壓力上升最終形成裂縫，通過提高環空壓力來保持裂縫，可以顯著減小設備需求及費用。Sircocco?壓裂技術應用低聚合物有機交聯凝膠壓裂液來提高攜帶支撐劑能力，在15～204℃地層均可使用。通過使流體到達井筒附近再交聯來保持黏度，在高溫時也不會失去攜帶支撐劑的能力;通過降低凝膠濃度減小地層傷害和壓裂液在地層的殘留，提高裂縫傳導能力，對于需要造長縫的高溫低滲致密氣藏有很大應用潛力。

2.4.3 水平井多級壓裂技術

多級壓裂的目標是在水平段通過產生裂縫提高與油藏接觸面積［34］。目前主要有以下2種技術：①膠結尾管段塞和孔眼隔離法，該技術可以防止環向應力，但由于需要大量支撐劑來獲得合適的裂縫分布，導致費用增大;②裸眼多級壓裂系統，通過封隔器的彈性體膨脹密封井筒，滑動套筒在封隔器之間提供連接端口;壓裂作業完成后可立即回流生產，該技術可以提高效率，節省時間、設備要求及費用，但存在的問題是不能優化裂縫的生長。

3 幾點啟示

(1)致密氣藏開采過程中，通過應用小井眼快速鉆井、特色壓裂等技術來降低成本和生產費用尤為重要，尤其是當天然氣價格處于低谷時。

(2)通過水平井、多分支井等鉆井技術使氣藏接觸面積最大化，提高單井產氣量及最終采收率。

(3)應重點研發致密巖石分析系統、井間測量技術、三維地球模型等配套技術，使人們對所要開發的致密氣藏有更深刻的理解，更有針對性地研發相應的技術系列。

(4)致密氣藏與普通氣藏有很大區別，常規技術很難直接應用于致密氣藏，需根據儲層特點開發適合致密氣藏的技術。

(5)注重儲層及環境保護，儲層保護是最大限度生產油氣的保證，而環境保護則是世界可持續發展的需求。

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［34］Snyder D J，Seale R，Hollingsworth R.Optimization of completions in unconventional reservoirs for ultimate recovery［C］.SPE139370，2010：1 －6.

Current status and enlightenments of overseas drilling and completion technology for tight gas reservoirs

JIANG Rui－zhong1，WANG Ping1，WEI Xi－hui1，XU Jian －chun1，LIANG Yu2
(1．China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266555，China;2．University of Wyoming，USA)

The development of unconventional gas reservoirs，especially tight gas reservoir，has drawn much attention both at home and abroad．A set of matching technologies with regards to drilling，completion and fracturing for tight gas reservoirs has been formed in foreign countries，and their successful cases can offer valuable experiences for tight gas exploitation in China．Some enlightenments are generalized from systematic investigation and analysis of foreign technologies in drilling and completion for tight gas reservoirs：first，to reduce cost by applying techniques such as slim hole and fast drilling;second，to protect reservoir and environment throughout the whole process of drilling and completion;third，to improve reservoir contact area，per well production and recovery factor with horizontal well and multilateral well;and fourth，to research and develop appropriate drilling and completion techniques through gas reservoir description．These research and conclusions will promote domestic drilling and completion technology for tight gas reservoirs．

tight gas reservoir;drilling;completion;fracturing;enlightenment;overseas

TE24

A

1006－6535(2012)02－0006－06

20110816;改回日期：20111212

國家自然科學基金項目“超臨界二氧化碳在非常規油氣藏中應用的基礎研究”(51034007)

姜瑞忠(1964－)，男，教授，博士生導師，1987年畢業于西南石油學院開發系油藏工程專業，2002年畢業于西南石油大學油氣田開發工程專業獲博士學位，現主要從事油氣田開發及非常規油氣藏研究及教學工作。

編輯劉兆芝