非常規油氣井工程技術若干研究進展

高 德 利

中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

0 引言

我國擁有豐富的非常規油氣資源[1]，特別是頁巖氣可開采資源量位居全球第二（僅次于美國），頁巖油開發潛力也很大。同時，我國石油和天然氣的對外依存度逐年攀升，2020年石油對外依存度超過了73%，天然氣對外依存度也超過了43%，已成為全球最大的石油和天然氣進口國。因此，亟需加大國內油氣資源的勘探開發力度，力求大幅度增加油氣儲量并提高油氣產量（亦即油氣增儲上產），必然對非常規油氣資源高效開發問題更加關注。我國受北美“頁巖革命”的影響較大，相關研究與實踐在國內也搞了10多年，雖然取得了良好的進展和成效，但相應的技術經濟指標與國際領先水平相比仍存在著較大的差距。事實上，我國頁巖油氣產量與美國相差甚遠，“頁巖革命”發展現狀仍不容樂觀。因此，在加大國內油氣資源勘探開發力度的新形勢下，有必要大力推進我國的“頁巖革命”，以期大幅度提升頁巖、致密砂巖、煤層及重油等非常規油氣資源在國內油氣增儲上產中的接替比例。

所謂“頁巖革命”，實質上是石油與天然氣工程領域的一場技術革命，使原本沒有開采價值的頁巖氣、頁巖油等非常規油氣資源得以經濟有效的開發。以水平井為基本特征的復雜結構井與叢式水平井，是高效開發非常規、低滲透等難開采油氣田的先進井型技術，相關技術創新研究與進步在國內外備受關注。事實上，北美的“頁巖革命”主要依賴于水平井與叢式水平井工程，其關鍵核心技術包括：水平井目標段和叢式井網的優化設計，水平井定向鉆井，水平目標井段分級壓裂完井，以及先進的“井工廠”作業模式等。所謂“井工廠”，是指在同一個井場里集中布置和建設多口甚至一大批相似井（如定向井、水平井等井型），形成以叢式井為基本特征的一個“井工廠”，雖然在井場地面諸多井口之間相距很近，但每口井欲鉆達的地下油氣藏目標則相互偏離井場較遠，從而有效擴大了油氣田的開發控制范圍。所謂“井工廠”作業模式，就是圍繞同一井場里眾多相似井的建設目標任務，采用標準化的工程裝備與技術服務，以流水線方式（批量）實施鉆井、完井、壓裂等主要工程環節的一種高效作業模式，由此可以節約大量的工程作業時間和成本。

筆者針對叢式水平井大型化設計、定向鉆井“一趟鉆”高效作業、井下電加熱開采及煤層氣高效開發等非常規油氣井工程技術問題，簡要綜述國內外相關研究進展，重點介紹筆者團隊的相關創新研究成果，供廣大同行學者和相關工程技術人員參考并指正。

1 頁巖氣井工廠大型化設計研究

“井工廠”作業模式有利于滿足節省土地資源、降本增效和安全環保等重大需求。如何有效增加單個井場布井數量，使頁巖氣叢式水平井大型化，能夠基于同一個鉆井平臺增大頁巖氣儲層的開發控制半徑，是推進我國“頁巖革命”迫切需要解決的重大科技難題。

1.1 國內外研究現狀

以叢式水平井為基本特征的“井工廠”作業模式應用于頁巖油氣開采始于21世紀初的美國[2]，隨后該作業模式被廣泛應用于美國與加拿大頁巖油氣區塊[3]。2011年中國石化在大牛地氣田和勝利油田頁巖區塊應用了“井工廠”作業模式，實施了6井式叢式水平井工程[4]；2012年，中國石油在威遠—長寧區塊以及蘇里格氣田應用了“井工廠”作業模式，開發了9井式叢式水平井工程[5]。通過“井工廠”作業模式在國內頁巖氣田開發中的不斷試驗與應用，國內學者積極探索了適合“井工廠”作業模式的布井方式[6]。

2014年油價下行后，美國石油公司通過對“井工廠”作業模式進行優化等措施[7]，有效提高了基于叢式水平井的頁巖油氣田綜合開發效率。我國頁巖儲層條件不同于美國，如美國頁巖儲層埋深一般介于1 500～3 500 m，且儲層厚度較大，而我國頁巖儲層埋深則大部分超過了3 500 m，儲層厚度較薄，因此不宜照搬美國頁巖開采的理論方法與工藝技術。2018年，筆者[8]指出大型叢式水平井工程模式及其技術支撐體系的創新突破，是推進我國“頁巖革命”的關鍵所在，并提出了地質與工程一體化的設計控制理念，其中大位移鉆井是創建大型“井工廠”的關鍵核心技術之一。大位移鉆井受到機械、地層和水力等約束條件的影響[9]，并建立了大位移鉆井延伸極限計算模型[9]。

大型“井工廠”設計建設的另一個限制因素是定向鉆井繞障防碰問題。周大千等[10]對障礙物進行了分類并建立了數學模型以描述直井、定向井和礦床障礙物，在此基礎上建立了斜平面試算法來設計繞障軌道；筆者團隊[11]提出了頁巖氣側鉆井繞障設計新方法，通過矢量代數法直接對三維空間內的障礙物進行繞障設計。

筆者團隊考慮了山區頁巖氣叢式水平井的布井模式，提出了定向鉆井延伸極限模型來量化叢式水平井的大型化程度[12-13]；考慮了水平井壓裂裂縫的影響，建立了適合頁巖氣加密調整井的防碰繞障軌道優化設計模型[14]。

1.2 叢式水平井定向鉆井延伸極限設計研究

如圖1所示，均勻布井模式因其能在同面積的區域內開采最大面積的儲層，被廣泛應用于我國山區頁巖氣的開采。在均勻布井模式下，水平段的長度、深度和空間朝向等參數在進行鉆井設計前，已經被氣藏工程優化好。制約山區頁巖氣叢式水平井大型化的關鍵參數不再是傳統延伸極限模型中的水平段長度（圖2-a中的p—q段長度），而是定向鉆井延伸極限值（圖2-b中的CL）。如圖2-b所示，如果CL值越大，則叢式水平井對儲層的開發控制面積就越大。

圖1 山區頁巖氣均勻布井模型圖

圖2 傳統延伸極限模型與定向鉆井延伸極限模型的優化目標圖

筆者團隊建立了考慮機械約束條件的定向鉆井延伸極限計算模型，其目標函數為：

式中CL表示叢式水平井定向鉆井延伸極限值（圖2-b），m；p表示幾何約束參數，如水平井造斜點深度范圍、造斜曲率半徑范圍等；d表示機械約束參數，如鉆機能力、管柱強度等；c表示定向鉆井作業工況。

1.3 叢式水平井定向鉆井防碰繞障軌道設計研究

前人所建立的防碰繞障軌道設計模型，其中的障礙物模型只考慮井眼軌跡誤差。然而在頁巖氣壓裂區，設計井的壓裂井段影響域要避開已鉆水平井的壓裂井段影響域，否則兩口水平井的產能和井壁穩定性會受到影響，因此障礙物不僅要考慮實鉆井眼軌跡測控誤差的影響，而且還要考慮水平井壓裂井段裂縫影響域的干擾作用。筆者團隊建立了頁巖氣水平井壓裂井段耦合障礙物模型[14]，它既考慮了井眼軌跡測控誤差的影響，又考慮了壓裂井段的壓裂裂縫影響。根據所建立的耦合障礙物模型，給出了兩口水平井壓裂井段防干擾的幾何安全校核標準：

式中dⅢ表示兩口水平井壓裂段軸心線之間的最短距離，m；a1和a1表示兩口井水平壓裂段耦合障礙物的幾何特征參數，m。如果校核結果滿足式（2），則兩口水平井壓裂段互不干擾，否則需要重新設計新井壓裂段的井眼軌道。

2 “一趟鉆”作業關鍵技術研究

以叢式水平井為基本特征的“井工廠”，是國內外非常規油氣高效開發的主流工程模式[9]。要創建大型“井工廠”，就必然挑戰大位移水平井工程作業極限，除了環保約束以外，關鍵是如何不斷提高水平鉆井的安全高效作業能力，即不斷提高大位移水平井延伸極限的預測精度和安全控制技術水平，同時還要持續推動“一趟鉆”關鍵技術的創新進步。所謂“一趟鉆”技術，是指使用1只鉆頭、1套導向鉆具組合及1種鉆井液體系，實現一次下井就連續鉆完同一尺寸井眼的全部進尺，是一種理想的安全高效破巖與導向鉆井技術。以水平井為例，其水平段一般長達上千米甚至更長，用“一趟鉆”打完整個水平段井眼并非易事。假設將水平井的水平段井眼長度在1 000～5 000 m范圍內平均劃分為9個等級，每個級差都是500 m，則其水平鉆井的“一趟鉆”作業能力可由低到高分成1～9級來評價。迄今，在頁巖氣工程中，國內規?；姐@井的“一趟鉆”作業能力已達到2級（1 500 m）左右，個別水平井超過了3級（2 000 m）；相應的國際先進水平已達到5級以上，最好紀錄超過了9級（5 000 m）。為了不斷提高水平鉆井的“一趟鉆”作業能力，有必要在高效PDC鉆頭、導向鉆具組合、鉆井液體系及鉆井參數等方面加強交叉學科研究，既要打造“一趟鉆”技術利器，又要針對所鉆地層進行個性化工程設計。

2.1 高效PDC鉆頭研究與應用

高效鉆頭對于鉆井提速提效作用不可或缺，是實現油氣工程“一趟鉆”關鍵技術之一。目前我國在高效PDC鉆頭關鍵技術，如聚晶金剛石復合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱 PDC）、動態數值分析等方面取得了長足的技術進步，國產鉆頭已經能夠滿足常規鉆井作業的基本需求。但是，在極硬、強研磨、非均質等難鉆地層，國產鉆頭的現場表現仍與進口的國際先進產品存在較大差距，亟需在PDC鉆頭的超硬耐磨材料、個性化設計制造及鉆井提速等方面尋求技術突破，相關研究涉及力學、材料、高壓物理、機械、地質及鉆井等諸多學科領域。

筆者團隊通過“政、產、學”建立了高效PDC鉆頭研發中心，形成了PDC齒和PDC鉆頭的設計、加工、測試及應用一體化的基礎平臺條件。其中，PDC齒檢測平臺的軟硬件與國際油服公司（如NOV、Schlumberger等技術服務公司）相一致，達到了相應的國際一流水平。通過分析評價國內外各類型PDC齒，逐步建立了PDC耐磨性、熱穩定性和沖擊韌性的性能數據庫，為高效PDC鉆頭選齒決策和新齒研發提供了科學依據。研發中心還建立了單齒破巖和全尺寸鉆頭破巖的基礎實驗平臺（圖3），擁有多功能鉆井模擬實驗、鉆井參數實時測量、高精密切削力測量、超高速同步攝像及三維（3D）形貌測量分析等基礎實驗與測試系統。該實驗平臺主要用于研究PDC齒及其鉆頭與地層的相互作用機理，進而提出高效破巖的PDC齒形和鉆頭設計方案。另外，研發中心還初步建立了PDC鉆頭設計與動態模擬分析平臺，針對難鉆地層提出多功能個性化鉆頭設計方法，再基于動態分析結果實時優化鉆頭布齒和水力設計，從而增強PDC鉆頭的適應性和耐用性。

圖3 PDC齒熱穩耐磨測試系統（VTL立車）照片

在鉆頭材料方面，筆者團隊提出了超硬耐磨材料多功能結構設計新思路，從而在宏觀上滿足PDC鉆頭多重應用需求。其中，成功研制耐研磨孕鑲胎體材料，延長了孕鑲金剛石鉆頭在強研磨性地層的使用壽命[15]；找到了影響PDC胎體鉆頭強度的決定性因素，結合顆粒多功能結構設計，成功解決了PDC鉆頭刀翼的斷裂問題[16]；針對PDC鉆頭的沖蝕問題，研究了鉆頭材料在鉆井工況下的沖蝕磨損機理，研發了新型耐沖蝕材料，并設計建造了一套新型沖蝕實驗裝置[17]。在破巖機理方面，筆者團隊通過單齒實驗發現（圖4），齒形對于PDC齒的破巖效率影響很大，材料對PDC齒的耐磨性和熱穩定性影響很大[18]；裝有平面圓形PDC齒的PDC鉆頭主要適用于軟到中硬巖層，而裝有異形PDC齒的PDC鉆頭，可應用于非均質和研磨性地層，并取得較高的鉆進效率和進尺[19]。

圖4 PDC齒破巖能耗分析與齒耐磨性測試圖

自2020年7月以來，筆者自主研制的高效PDC鉆頭陸續在勝利、新疆塔河等油田進行了現場試用，已為43口井提供了個性化設計的PDC鉆頭，總進尺超過了80 000 m，最快機械鉆速達到71.71 m/h。其中，在勝利油田羅176-斜3井沙四段硬塑性泥巖地層，平均提速達到84%；在塔河油田TK280井，進尺4 277 m，機械鉆速26.48 m/h，與鄰井同開次相比，平均提速達到86%；在塔河油田TK352井，進尺3 172 m，機械鉆速55.49 m/h，與鄰井同開次相比，平均提速達到159%。

2.2 導向鉆具組合技術研究

如何控制鉆頭定向鉆進，按預定軌道或地質導向鉆達目標，直接關系到定向鉆井的質量[20-21]。相應的技術被稱為“井眼軌跡控制技術”，未來的發展目標是井下智能鉆井系統，涉及力學、地質、機電、測量、控制、通訊、人工智能及油氣工程等諸多學科領域。導向鉆具組合就是井眼軌跡控制的硬核技術，主要由導向工具、隨鉆測量儀器及控制系統組成，相應的技術裝備已達到較高的水平?，F場使用的導向工具主要是井下導向馬達或旋轉導向工具，隨鉆測量儀器已普遍具備井斜、方位、導向工具面角及相關地質和力學參數的實時測量功能，而控制系統方面的先進性則參差不齊，其中領先者已具備“機、電、液”一體化控制功能。我國在導向鉆具組合方面也取得了很大的技術進步，但一直是以跟蹤為主，與國際領先水平仍存在較大差距，特別是最先進的旋轉導向工具及其全球市場，幾乎都被美國的相關技術公司所壟斷，需要進一步加大相關理論創新與技術自主研發的力度[21]。

磁導向鉆井技術，是導向鉆井成套技術的重要組成部分，是復雜結構井與叢式井鄰井距離測控或精準中靶隨鉆測控的關鍵核心技術，在U形水平井對接、雙水平井平行間距與方位隨鉆測控、救援井連通及叢式井隨鉆防碰等導向鉆井中具有不可或缺的重要作用，需要通過交叉學科研究實現技術突破。磁導向鉆井的技術關鍵包括井下磁信標、微弱磁場高精度探測儀、測控算法與軟件系統等軟硬件技術，筆者團隊15年前啟動相關研究，已取得具有自主知識產權的豐碩研究成果[9,22]，并在復雜結構井工程中獲得現場驗證與良好應用實效，如筆者牽頭項目“復雜結構井鄰井距離隨鉆探測與控制技術研究及應用”獲2014年度中國石油和化學工業技術發明一等獎。

2.3 基于機械比能理論的鉆井參數優化研究

基于室內大量的鉆頭破巖實驗，Teale[23]于1965年率先提出了機械比能理論，并建立了機械比能原始模型。機械比能為破碎單位體積巖石所消耗的機械能量，它克服了地層的差異性，可以較好地表征鉆頭的破巖性能，并可以用來隨鉆評價鉆井效率?；跈C械比能理論的隨鉆優化控制技術可望大幅度提高機械鉆速并減少不必要的起下鉆，為“一趟鉆”高效鉆井作業提供必要的技術支持。然而，機械比能原始模型是基于地面的室內實驗結果得出來的，在缺乏近鉆頭鉆壓及扭矩的真實測量數據時，利用此模型得出的機械比能值與實際情況往往存在較大誤差，特別是在水平井和大位移井鉆井工程中，地面輸入的機械能量一般存在較多的損耗，導致原始模型計算所得到的機械比能數據通常不可用。鑒于此，筆者團隊考慮定向鉆井中機械破巖能量的損耗，建立了一套比較適用于定向鉆井機械比能的計算模型，并提出了一種定向鉆井鉆頭工作狀態判別與鉆井參數隨鉆優化方法[24]。在此基礎上，又建立了定向鉆井螺桿鉆具復合鉆進的機械比能計算模型，提出了相應的鉆井參數隨鉆優化方法[25]，并在實際鉆井工程中獲得了現場驗證與良好應用實效[9]。

實際上，由于在復雜結構井與叢式井工程中涉及諸多復雜影響因素，目前還無法完全做到對鉆頭機械比能進行精確計算，因而難以對鉆井參數實現隨鉆定量優化與智能控制。展望未來，伴隨井下隨鉆精確測量技術與深地測量信息傳輸技術的創新發展，可望推動基于機械比能理論的鉆井參數隨鉆優化控制技術向著更貼近井底實際工況、優化計算和控制精度更高的方向發展。此外，將機器學習算法與機械比能理論融合進行智能建模，研發與人工智能融合的叢式井隨鉆優化與控制系統，可望實現鉆頭工作狀態隨鉆識別、鉆頭磨損狀態隨鉆監測、鉆井參數隨鉆尋優、井下鉆井復雜事故隨鉆診斷與控制等智能控制目標，從而可大幅提高定向鉆井的作業時效。

2.4 鉆井液技術研究

鉆井液被俗稱為鉆井的“血液”，主要分為水基鉆井液、油基鉆井液兩大類，均在實際工程中被廣泛應用。根據所鉆地層的理化特性、井壁巖石的穩定性、井下溫度和壓力分布等，科學調制一種先進適用的鉆井液體系，是保證“一趟鉆”安全環保作業的關鍵。國內外在頁巖氣水平井工程中，為了有效保持井壁穩定、減少工程作業阻力等目的，主要采用油基鉆井液體系進行洗井，但同時也油污了鉆屑，為此要付出較大的環保處理代價。若使用水基鉆井液體系，雖然避免了油污問題，但其性能又難以保持井壁穩定和減少阻力的基本要求，甚至導致工程報廢的嚴重安全事故。因此，油氣行業希望在高性能水基鉆井液體系方面能夠逐步實現技術突破，要求使其接近甚至超過油基鉆井液體系的優良性能。國內在高性能水基鉆井液體系研究方面取得了重要進展，例如：筆者參與完成的項目“復雜結構井特種鉆井液及工業化應用”獲2016年度國家技術發明獎二等獎。然而，要想在頁巖油氣工程中大規模替代油基鉆井液體系，仍需要深入開展相關交叉學科研究。

3 井下電加熱開采技術研究

重油、油砂、頁巖油、油頁巖等非常規石油資源十分豐富，亟待高效綠色開發。研發并應用井下電加熱系統與開采技術，同時借助于風電、光伏發電等可再生能源電力，可望高效綠色開發這些資源。目前，非常規石油主要通過熱力開采[26-28]，如蒸汽驅、蒸汽吞吐等，但在開采過程中仍存在低效、高成本等問題，以及深層、薄層和裂縫性儲層等石油資源的難開采問題[29-31]，并且由此引發的大量溫室氣體排放污染也不符合低碳、綠色開發的環保要求。近年來，筆者團隊關注并研究井下電加熱系統與開采技術問題，本文特對相關研究進展進行簡要的介紹。

3.1 國內外研究現狀

井下電加熱開采技術是一種原位轉化開采方法，最早是由國外學者提出[32-33]，目前以殼牌的ICP（In-situ Conversion Process）技術最為成熟[34-35]，主要通過井下電加熱高效開采非常規石油資源。重油、油砂可通過增溫降粘作用實現原位流化開采；固態天然氣水合物在電加熱作用下可分解為易于開采的天然氣和液態水。中低成熟度的頁巖油通過電加熱原位轉化可產出輕質油和天然氣，并把廢氣廢渣留在地下，達到綠色開采的理想目標，這種熱采方法被稱為井下電加熱原位轉化技術[36]，其工藝特點是完全將地面的礦物加工設備轉移到地下，建立“地下煉廠”進行煉油與開采。根據不同加熱機理，井下電加熱技術可分為傳導加熱和輻射加熱兩大類[37]。目前，該技術在國內尚處于初步探索階段。

傳導加熱包括電阻加熱、電加熱器加熱和感應加熱等不同形式，其中：電阻加熱技術將儲層作為電阻，流經其內的電流轉化為焦耳熱；電加熱器加熱是加熱器內電阻元件發熱，再通過熱傳導作用對周圍儲層加熱，其技術難點在于研發具有小尺寸外形且滿足大功率輸出的電加熱器難度較大；感應加熱技術是將感應加熱裝置放入井眼內，產生的交變磁場在金屬套管內形成渦電流，最終產生的熱能從套管傳遞至周圍的儲層[38]，但該技術現場實施難度較大，套管的電絕緣性、耐溫性及由套管高溫造成的井筒穩定性等技術難題難以解決。

輻射加熱是一種非接觸加熱，具有體積加熱的特性，主要包括微波加熱和射頻加熱。其中，微波頻率較高，加熱距離較短；射頻加熱采用天線等部件向儲層內發射射頻電磁波，其在目標儲層內傳播時會產生電磁損耗，最終電磁能在儲層內轉化為熱能。射頻加熱技術的頻譜范圍較寬，從3 kHz到300 GHz[39]，可靈活調節加熱頻率以滿足不同性質儲層的加熱要求。

3.2 井下射頻加熱技術概念設計及模擬實驗研究

通過對不同井下電加熱技術進行對比，筆者團隊對優勢較為明顯的射頻加熱技術進行了概念設計和模擬實驗研究。井下射頻加熱技術的工藝流程包括：①井下射頻加熱器置于目標層位的井眼內；②電纜將地面電能傳輸至井下射頻加熱器；③射頻加熱器向周圍儲層輻射電磁波，電磁能轉化為儲層內熱能；④原油流入井眼被采出。

在射頻加熱工藝實施前，需要在地面安裝電纜、電柜等與供電相關的配套設備，部分風電、光伏發電可并入局域電網，為井下加熱器供電。該技術占地面積小，適合陸地、偏遠山區和海上等不同地區的石油資源高效開發，也為風能、太陽能等清潔能源的就地消納提供了一條可能的途徑。

在井下射頻加熱特性數值模擬研究的基礎上[40-45]，筆者團隊研發了一套井下射頻加熱模擬實驗系統，主要包括波源、傳輸裝置、腔體和數據采集裝置（圖5）。這套模擬實驗系統不僅屬國內首創，而且所具有的20 kW輸出功率已接近國外現場實際測試時的功率值。利用這套模擬實驗系統，可以評估射頻加熱性能，驗證射頻加熱設備的可行性，分析影響射頻加熱效果的諸多因素，也可以為非常規石油原位轉化技術研究提供一個基礎實驗平臺。

圖5 井下射頻加熱模擬實驗系統圖

目前對油砂進行了射頻加熱模擬實驗（915 MHz），得到的模擬實驗結果包括：①石英砂內水組分可影響油砂溫度分布；②水吸收電磁波的能力大于油砂，油砂吸收電磁波的能力大于石英砂；③2小時內油砂樣品溫度升高100 ℃；④油砂樣品的升溫速率和最高溫度隨著加熱功率的增大而提高；⑤油砂內水含量可影響油砂溫度分布，當持續加熱導致水分變為水蒸氣時，水對油砂溫度分布的影響將會逐漸減弱。

4 煤層氣田高效鉆采技術研究

煤層氣，又稱煤礦瓦斯，是賦存于煤層中的非常規天然氣。我國煤層氣資源量大，與常規天然氣相當，其高效開發對于提高我國天然氣自供能力、降低煤礦瓦斯災害及保護大氣環境等都具有重要意義。然而，我國煤層地質構造復雜，構造煤、低滲低壓、大傾角等復雜煤儲層廣泛分布，導致煤層氣開發技術難度大、有氣難采出、單井產量低等問題。筆者團隊參與了相關校企合作項目，通過項目實施攻克了選區評價、復雜結構井鉆井與完井及增產改造等關鍵技術難題，取得了創新成果，實現了復雜儲層煤層氣田的高效開發目標，其代表性成果“復雜地質條件儲層煤層氣高效開發關鍵技術及其應用”獲2020年度國家科技進步獎二等獎，其主要創新點如下。

4.1 建立了復雜地質條件下煤儲層的綜合選區與分類評價方法[46]

揭示了構造煤時空分布規律及其構造控制機理，實現了構造煤分布的分區預測評價；發明了煤層氣井套管試井技術，保證了復雜地質條件下煤儲層壓力、滲透率等關鍵參數測試結果的可靠性，建立了煤層氣高效開發綜合選區與分類評價方法，并在煤層氣開發中獲得良好應用效果。

4.2 發明了復雜結構井導向鉆井隨鉆測控技術[9,22]

主要發明了新型近鉆頭磁短節工具、旋轉磁場高精度探測儀、隨鉆測控算法等關鍵技術，創建了“U”形水平井、雙水平井等復雜結構井隨鉆測控成套軟硬件技術，解決了復雜結構井鄰井距離和方位的精確探測與導向鉆井控制難題，為煤層氣田復雜結構井高效開發工程提供了核心技術支撐。

4.3 發明了雙管柱篩管完井與洗井增產一體化技術[47-48]

為解決構造煤發育區水平井易塌易堵、儲層易傷害及單井產量低等技術難題，提出了水平井篩管孔縫組合結構及其幾何尺寸的設計方法，發明了篩管內置高壓水力沖洗管的雙管柱系統，形成了水平井篩管完井與洗井增產一體化技術，使沁水盆地15#煤平均日產氣量提高了10倍以上，為煤層氣高效開發開辟了新的技術途徑。

4.4 研發了低滲低壓和大傾角儲層氣儲層的增產改造成套技術[49]

發明了適用于低壓儲層保護和增能的前置氮氣與活性水復合壓裂液，研發了低滲煤層水平井密集壓裂強化增滲技術及大傾角厚煤層直井垂向多段壓裂技術，并在新疆和山西相關煤礦區得以成功應用，從而大幅度提高了這類難開采煤層氣田的單井產量。

歷經多年研究與實踐，我國煤層氣高效開發理論與工程技術取得了重大進展，為進一步推進我國煤層氣大規模開發利用奠定了良好基礎。同時也應該注意到，我國埋深超過800 m的深層煤炭和煤層氣資源豐富，如何實現高效綠色開發利用，仍面臨著巨大挑戰。顯然，傳統的井下采煤模式及其技術裝備體系將難以奏效，有必要積極探索深層煤炭與煤層氣一體化地面開發模式及其工程技術裝備支撐體系，可望先期對煤層氣進行地面開采，然后對煤炭進行地下原位氣化開采，力求形成綠色開發與安全高效作業綜合協調的工程優化方案，同時應不斷創新研究與設計建設一體化地面開發“井工廠”及其配套設施，助力我國煤層氣、氫氣等氣態能源的高質量發展。

5 結束語

1）定向鉆井延伸極限模型可以更有針對性地量化叢式水平井的大型化程度，但迄今相關研究成果還比較少，本文只是從井眼軌道優化設計、井下管柱約束等角度對定向鉆井延伸極限計算模型進行了探討，今后還有必要探討該模型與其他定向鉆井約束條件的關系。

2）定向鉆井“一趟鉆”技術與大位移水平井工程，是創建大型“井工廠”的硬核技術與關鍵工程環節，通過交叉學科研究不斷突破技術瓶頸與工程作業極限，對于推進我國“頁巖革命”至關重要，有必要進一步加大相關支持力度。高效PDC鉆頭、導向鉆具組合、鉆井液體系及鉆井參數等技術內容，是制約定向鉆井“一趟鉆”技術水平的關鍵可控因素，需要不斷開展創新研究與試驗，既要打造“一趟鉆”關鍵技術利器，又要針對所鉆地層進行個性化工程設計。

3）井下電加熱系統與原位轉化開采技術，可望是成為未來非常規油田高效開發的主要技術手段之一，但該技術在我國仍處于探索階段，需要加強相關交叉學科研究與國際合作，力求早日實現突破。在前期研究工作的基礎上，今后應自主研發井下射頻加熱技術裝備，積極推動該技術在我國的進一步發展與產業化。

4）基于水平井或復雜結構井工程，也可以對煤層氣進行安全高效開發，相關研究與實踐不斷取得新進展。今后應該特別關注深層煤炭與煤層氣資源的綠色開發利用與安全高效作業，有必要積極探索深層煤炭（地下原位氣化）與煤層氣一體化地面開發模式及其工程技術裝備支撐體系。