非常规油气井工程技术研究进展

苗向阳

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300450）

近年来，随着油气作业工作持续展开，在现有经济技术条件下，非常规油气井工程技术的应用展现出巨大潜力。在开发油砂、致密油气、煤层气等资源时，可获得有效开发成果，促使油气产量呈现增长的态势。在应用非常规油气井工程技术时，除需要明确该项目技术中的主要内容外，还应分析相关技术组合，将技术组合创新作为破解非常规油气发展难题的关键，为非常规油气井工程设计和控制作业的开展提供更为有益的参考。

1 非常规油气井工程技术研究内容

1.1 “一趟钻”作业关键技术

对非常规油气进行开采的井工厂一般使用丛式水平井，是目前主流的一种工程模式。在建立大规模“井工厂”过程中，对大位移水平井施工技术提出了新要求。除需要对环保作业的开展形成约束外，还要促进水平井作业能力的提升，保障水平钻井在作业过程中的安全性和高效性。

在不断提高大变形水平井扩展极限预报精度的同时，还要保证其安全控制技术的不断完善，从而促进“一趟钻”等关键技术的创新与进步。在“一趟钻”工艺中，主要包括一个钻头、一个钻井流体系统和一组导向钻具。一次入井，就可以在同样大小井口中，连续钻完所有进尺。该项技术在应用时能够获得理想的施工效果。

1.2 页岩气井工程大型化设计研究

井工厂作业模式的应用，既满足了安全、环保、降本、增效等需求，也节省了土地资源。当前，在做好页岩气井工厂大型化设计作业基础上，为适当增加单个井场布井总体数量，需将该项内容作为推进我国页岩气井革命发展的迫切需求。在促使页岩气丛式水平井朝着大型化发展方向转型时，可以在同一个钻井平台上，随着页岩气储层开发控制作业的开展，适当增加实际的开发控制半径，在上述基础条件作用下，能够有效解决重大科技问题[1]。

作为推进我国页岩气井革命的关键，除需运用大型丛式水平井工程模式外，还需建立完善的技术支撑体系。在该类创新突破作用下，进一步提出地质与工程一体化设计控制理念。在创建大型“井工厂”时，需要将大位移钻井技术作为核心。为有效减少对大位移钻井的约束影响，项目拟研究山地页岩气丛式水平井布井方式，构建定向性钻探扩展极限模型，定量表征丛式水平井规模化程度。考虑水平井压裂效果，并进行加密，建立合适的防碰绕障轨道，使整体设计模型得到优化和完善。

1.3 煤层气田高效钻采技术

储藏于煤层中的非传统气体统称为煤层气，亦称“煤矿瓦斯”。我国煤层气资源丰富，如能实现高效开采，将有助于提高我国天然气自给率，减少煤层瓦斯灾害，保护大气环境。

我国煤层地质构造十分复杂，包括构造煤、低渗透、低压、大倾角复合煤层等。煤层气田高效钻采技术操作难度大，且存在单井产量低、有气难采的问题。通过建立完善合作项目，在项目实施过程中，需要攻克选区评价、复杂结构井钻井与完井、增产改造等关键难题。获得创新成果后，可将有效的研发成果运用到复杂储层煤层气田的开发过程中，实现高效开发目标。

1.4 井下电加热开采技术

非常规石油资源类型多样，如重油、油砂、页岩油、油页岩等，资源储量丰富。在开发过程中，对高效化、绿色化等提出了全新要求。井下电加热采技术需借助风电、光伏发电等可再生能源，使非常规石油资源的开发绿色化、高效化。

非常规石油的热力开采环节效率低、成本高，在开采深层、薄层、裂缝性储层石油资源时，难度系数较高。此外，还会排放大量的温室气体，与绿色开发、环保低碳等要求不符。近年来，通过对井下电加热系统及开采技术相关应用问题加大研究力度，逐渐推进了相应研究进展[2]。

作为原位转化开采方法的一种，井下电加热开采技术最早由外国学者提出，通过井下电加热的方式，使非常规石油资源的开采具备高效性。为实现对重油、油砂等资源的原位流化开采目标，需要增温降黏。在电加热的作用下，可以促进固态天然气水合物分解形成天然气和液态水，便于更好开展开采作业。如对于中低成熟度的页岩油利用电加热原位转换的方法，可促进产生轻质油和天然气，同时将废气、废渣等物质保留在地下。这样不仅可实现绿色开采，还符合理想目标要求。井下电加热开采技术也称为“井下电加热原位转化技术”，可将地表上的矿石处理设备搬至地下，建造“地下炼厂”，方便石油的生产和开发。

2 非常规油气井工程中的关键技术组合

2.1 地质工程一体化技术应用，推动低品位资源效益开发

非常规油气资源的开发面临低品位资源高效益开发难题，主要体现在钻井品质提升、精细地质油藏认识、完井优化等方面。地质工程一体化技术以提高单井产量为主要目的，突出三维模型建立的核心作用，全面做好地质-储层综合研究工作。从油气藏的预探、评价、开发、调整等多个阶段展开分析的过程中，保障分析环节的针对性、有效性、实时性和前瞻性，不断对钻井工程技术方案做出合理调整，确保压裂工程技术方案的完善性。在区块、平台、单井3个维度，采用动态划分层次的方式，逐步优化开发效益，提升工程开发效率[3]。

2.2 体积裂压2.0工艺为非常规油气效益建产提供支持

为实现非常规油气藏效益开发目标，将储层改造作为核心成为实现高质量发展的重点。随着体积改造技术理念的提出，非常规汽油效益建产成为可能。体积改造技术理念的核心理论是通过压裂的方式对致密油藏进行裂隙网络破碎处理，从油藏的长、宽、高3方面达到三维重构的目的，以增加裂隙壁与油藏基质的接触面。基质中的石油和天然气向裂隙渗透，从而实现最短渗透距离，最大限度减小了需要的驱动压差，极大提高了油藏的总体渗透能力。

我国运用体积压裂2.0工艺的主要目的在于提产、提效、降本，强调单项技术的组合应用。作为提高单井产量的关键，在运用小簇间距＋高强度加砂技术组合时，能够对最终可采储量进行估算。为促进施工效率的全面提升，可运用段内多簇＋限流射孔＋大排量施工＋暂堵转向技术组合，用石英砂材料替代陶粒，配合滑溜水连续加砂技术共同使用，能进一步降低成本。

在3 500 m 的浅区块，可用石英砂材料全部替代陶粒，此时滑溜水比例呈现明显上升状态，且关键参数指标整体上升。在我国部分页岩气示范区，部分平台中已经开展水平井体积压裂2.0工艺先导性试验，测试产量显著提升，通过石英砂替代陶粒的措施，有利于大幅降低单井压裂成本。

2.3 “一趟钻”技术组合应用，实现水平井降本增效

随页岩油气等非常规油气开发作业的开展，开发环节的高成本和低效率难题亟须解决。“一趟钻”技术需要在钻头一次下井之后，能够将所有进尺全部打完。在钻头一次下井打完的某一井段中，如水平段、斜造-水平段，均可称为“一趟钻”。

“一趟钻”工艺组合的运用，是推动钻井工程系统性、整体性提升的重要环节，其涉及的8大技术问题，是其中的核心问题。即钻井方案优化设计、高效长寿命钻头、自动化钻机、强化参数钻井、个性化优质钻井液、常规导向钻井或旋转导向钻井、远程专家决策支持中心、钻井地质导向。为发挥“一趟钻”技术组合的优势，需确保先进钻井技术与高效钻井装备的集成应用和相互配合，以及地质工程一体化团队高效协作，对于涉及的钻头导向工具、仪器、钻井液、钻井工艺、钻井等装备，需要匹配最佳组合。

3 应用非常规油气井工程技术的相关要点

3.1 “一趟钻”作业关键技术

3.1.1 高效PDC钻头

在钻井作业中，高效PDC 钻头的应用能够提速提效是凸显石油天然气工程“一趟钻”工艺的关键。国内高效PDC 钻头的核心技术已有较大进展，如聚晶金刚石复合片、动态数值分析等，可满足一般钻探操作的基本要求。为缩小我国钻头产品与国外先进产品差距，必须在PDC 钻头超硬耐磨材料、钻井提速和个性化设计制造3个领域中寻求突破。以钻头材料为例，通过采用高硬度、高耐磨性材料，实现PDC钻头多用途功能。如在开发耐磨性孕嵌胎料时，使水孕嵌钻钻具适用于强磨耗地层，提高该类钻具使用寿命。分析影响PDC 钻头强度有关因素，找出决定因素，与粒子多功能结构设计相结合，成功解决PDC 钻头刀具易碎的问题。

3.1.2 导向钻具组合技术

为有效控制钻头，实现定向钻进的目标，需按照预定轨道进行设定或遵循地质导向，从而有效地改善定向钻井操作质量，该类技术被称为“井眼轨迹控制技术”。导向钻具组合技术是控制井眼轨迹过程中的硬核技术，组合包括导向工具、控制系统及随钻测量仪器，该类技术装备已达到较高水平。

3.2 页岩气井工程大型化设计要点

3.2.1 丛式水平井定向钻井延伸极限设计

通过运用均匀布井模式，在相同面积内最大程度开采储层。在我国页岩气开采过程中，水平井定向钻井延伸极限设计得到广泛应用。基于均匀布井模式在钻井设计作业开展之前，需完成对水平段长度、深度及空间朝向等参数设定。目前限制山地页岩气丛式水平井规模扩大的主要因素已从常规扩展极限模型中的水平段长逐步转变为定向钻井扩展极限。

3.2.2 丛式水平井定向钻井防碰绕障轨道设计

现有的防撞绕障规划模型设计仅考虑了井眼轨迹的误差。但在压裂地层受影响的地层中，须避开已钻好的水平井液压井段影响区域。若无法规避，两口水平井生产会受到影响，不利于井壁的稳定。为规避障碍物，既要考虑钻孔轨道测量和控制误差，还要分析水平井压裂井段的裂缝影响区，并研究该类影响区所形成的干涉效应。在此基础上，构建可计及井轨测量与控制误差和裂隙压力等因素的水平井水力井段耦合障碍模型，获得两口水平井水力井段抗干扰性几何检验准则。

3.3 煤层气田高效钻采技术

3.3.1 发明复杂结构井导向钻进随钻测控技术

在运用新型进钻头磁短节工具时，结合旋转磁场高精度探测仪和随钻测控算法等技术，创造出U 型水平井、双水平井等复杂结构井随钻测控成套软硬件技术。对复杂构造的井眼进行近距离、近方位检测，能有效解决精确性方面的问题，形成对导向钻井的合理控制。在提供核心技术支持时，尽管煤层气田的结构井复杂，仍能获得高效化的开发成果。

3.3.2 研发低渗低压和大倾角储层气储层的增产改造成套技术

在研发前置氮气与活性水复合压裂液过程中，对于低压储层的保护和增能具有良好适用性。通过研发低渗煤层水平井密集压裂强化增渗技术，同步做好大倾角厚煤层直径垂向多段压裂技术研发工作，在难开采的煤层气田中能够促进单井产量大幅提升。

3.4 井下电加热开采技术

以井下射频加热技术为例，所涉及的工艺流程包括：①在目标层位中设置井眼，并在井眼中安置井下射频加热器。②由电缆将地面电能传输至井下射频加热器。③发挥射频加热器的功能优势，面向周围储层完成对电磁波的辐射。在促进电磁能转化时，逐步成为储层内热能。④原油在流入井眼后被顺利采出。在开展射频加热模拟实验时，将油砂作为实验主体，可以看出石英砂内部的水组分直接影响油砂的温度分布。通过对比水和油砂的电磁波吸收能力，可以看出前者大于后者。油砂在吸收电磁波时，能力大于石英砂，在2 h 之内，油砂样品的温度升高至100℃。由于受到加热功率的影响，当加热功率持续增大时，油砂样品的升温速率提升，能够提高至最高温度。影响油砂温度分布的关键在于油砂内水含量，在持续加热期间，水分会变成水蒸气，此时水对于油砂的温度分布影响会随之减弱。

4 结论

在定向钻进过程中，如何实现丛式水平井群规模的定量分析，是定向钻进过程中亟待解决的问题。研究成果将推动定向井“一趟钻”技术和大位移水平井技术的发展，突破核心技术和关键工程环节的瓶颈，掌握定向井“一趟钻”技术在实施过程中的受控因素，并通过实验形成个性化的定向井方案。井下电加热系统与原位转换开采技术的应用，逐步成为未来非常规油田高效开发环节中的主要技术方法。在此过程中，必须进行井下射频加热技术装备的自主研究，使该项技术的应用能够实现产业化的目标。基于水平井或者复杂结构的井工程，需要将后续的关注点放在深层煤炭与煤层气资源的开发阶段，旨在实现绿色开发利用和安全高效目标。