頁巖氣開發技術裝備自主化研究進展與展望

信石玉，高文金，郭艾斌(1.中國石化石油工程機械有限公司研究院，湖北 武漢 430223；2.中國石化石油機械裝備重點實驗室，湖北 武漢 430223)

頁巖氣開發技術裝備自主化研究進展與展望

信石玉1，2，高文金1，2，郭艾斌1，2
(1.中國石化石油工程機械有限公司研究院，湖北 武漢 430223；2.中國石化石油機械裝備重點實驗室，湖北 武漢 430223)

對國內外頁巖氣開發裝備作了概述，著重闡述了國內在頁巖氣開發技術裝備自主化研究方面的進展。國外頁巖氣水平井開發核心技術裝備包括智能化測量工具、井下動力鉆具、旋轉導向工具、地質導向工具等；壓裂增產技術主要包含水力噴射工具、多層同時壓裂工具等。國內鉆機、壓裂機組技術水平可滿足叢式、水平井等工藝要求，封隔器、滑套等井下工具已初步實現國產化，測井設備可靠性、時效性及測量精度與國外先進水平差距較大，隨鉆測井(LWD)工具、旋轉導向工具等幾乎全部依賴進口。本文提出了頁巖氣開發裝備自主化研究的攻關方向和發展趨勢，建議研制適合不同鉆井深度和資源條件的專用鉆機，解決頁巖氣長水平段鉆井難度大、周期長等問題的井下提速和導向工具，高分子材料井下封隔器等壓裂改造工具，和適應未來大規模產量下的合理組織技術及后期完整配套采氣工藝裝備。

頁巖氣；水平井；壓裂；裝備自主化；技術進展

頁巖氣是常規天然氣的替代能源，近十幾年來，受能源價格高漲等因素的影響，在水平井和水力壓裂等技術進步的推動下，美國頁巖氣勘探開發獲得巨大的成功，對國際天然氣市場及世界能源格局產生了重大影響[1]。頁巖氣勘探開發已經由北美向全球迅速擴展。頁巖氣開發從美國向加拿大，再向全球擴散的過程，就是技術擴散的過程[2]。

隨著技術的進步，美國頁巖氣勘探開發由核心區向非核心區發展，并在眾多盆地獲得突破。美國頁巖氣地質特征表現為頁巖層系時代較新、熱演化程度低、構造改造期次少、保存條件好等特點[3]。同時，美國產氣頁巖區大多地勢平坦，有利于水平井的布置、井場建設與作業及交通運輸。美國已經形成了較為完善的頁巖氣資源評價方法體系，目標區優選技術日趨成熟，主要包括埋深1500～3000m、頁巖單層厚度30～50m、基質滲透率大于100nd、有機碳含量(TOC)大于2%、成熟度(Ro)為1.2%～3.5%、硅質含量大于35%等。在頁巖儲層參數測試方面，國外已經建立了一套以滲透率、孔隙度、流體飽和度為核心的致密巖芯測試技術及規范，為頁巖儲層參數測量準確性提供了保障，為資源評價和有利區優選提供了技術支持[4]。

我國具備良好的頁巖氣成藏條件，資源潛力較大，《頁巖氣發展規劃(2011～2015年)》提出，到2015年頁巖氣勘探開發關鍵技術取得重大突破，主要裝備實現自主化生產，這是我國實現頁巖氣大規模、低成本開發的根本保障。伴隨著涪陵頁巖氣示范區的建設，我國在鉆機、壓裂設備、井下工具等常規設備領域形成了一定的研制能力，滿足了商業開發需求，但在部分井下工具和特種作業方面仍需要國外支持。通過對頁巖氣開發技術裝備自主化研究進展進行階段性總結和展望，希望對我國加快頁巖氣開發進度、實現大規模經濟化開采有所幫助。

1 頁巖氣技術裝備發展現狀

1.1 國外頁巖氣技術裝備進展

從1821年美國東部泥盆系頁巖中鉆成第一口頁巖氣井，到20世紀80年代沃斯堡盆地的Barnett頁巖開展大型水力壓裂，先進鉆井裝備和壓裂工具的不斷進步推動美國頁巖氣產量快速增長，年均增速超過40%。地質理論創新、勘探開發技術突破和裝備發展，是實現頁巖氣大規模、低成本開發的根本保障[5]。

1.1.1 水平井技術裝備

水平井技術在石油工程領域已發展了近80年，近年來智能化測量、井下動力鉆具、旋轉導向控制、地質導向工具等的使用促進了水平井技術在頁巖氣開發中的成熟。

隨鉆測量(MWD)和隨鉆測井(LWD)工具可以對水平井精確定位，進行地層評價，引導中靶地質目標，是提高鉆井速度和保證鉆井質量的關鍵設備。旋轉導向工具具有摩阻與扭矩小、機械鉆速高、鉆井成本低、井眼軌跡平滑等優點。地質導向工具在具備幾何導向能力的同時，根據隨鉆測井得到的地質參數，實時控制井眼軌跡，使鉆頭沿著地層的最優位置鉆進，從而在預先不掌握地層特性的情況下實現最優控制，是頁巖氣水平鉆井的尖端工具和前沿發展方向[6-9]。國外在隨鉆測量、地質導向、旋轉導向鉆井等技術方面已經相當成熟。斯倫貝謝、貝克休斯等國外大型油田技術服務公司相繼推出了175℃高溫隨鉆測量儀器，并不斷投入大量技術資金研制尺寸更小、耐更高溫度和壓力的儀器，同時研制配套的隨鉆伽馬、電阻率、密度等地層評價系統。旋轉導向鉆井技術已成為國際鉆井行業中長期發展方向。

1.1.2 增產技術裝備

美國在頁巖氣開發中主要用水力壓裂技術進行體積改造，以產生更密集的裂縫網絡，提高采收率。水力壓裂技術包括多段壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂和同步壓裂等。多段壓裂已經得到普遍應用，可利用封堵球或限流技術封隔頁巖儲層的不同位置，對不同地質特點的頁巖儲層進行分段壓裂，能夠在橫向上延長水平井段的生產段，同時在垂向上也可形成復雜的、連通的網絡，增加泄氣面積，水平井分段壓裂段數可達到40段以上。清水壓裂用清水添加適當的減阻劑作為壓裂液來替代通常使用的凝膠壓裂液，是一種清潔壓裂技術。水力噴射壓裂不受完井方式限制，無需機械封隔，定位準確，尤其適用于裸眼完井的水平井，不受壓裂井深和加砂規模的限制。重復壓裂可以處理壓裂無效或者壓裂效果下降的井段，通過再壓裂能重建儲層到井筒的通道，恢復或提高生產能力。同步壓裂是同時對兩口及以上的井進行壓裂，使壓裂液及支撐劑運移距離最短，增加壓裂縫網絡的密度及表面積，可以快速提高產量，是近幾年得到成功運用的最新壓裂技術，已發展到4口甚至更多井間同時壓裂[10-12]。

1.2 國內頁巖氣技術裝備現狀

我國頁巖氣勘探開發尚處于初期階段，部分關鍵技術裝備依賴國外進口，同時，我國頁巖氣地質情況和開發條件不同于北美，不能完全照搬國外的經驗和技術，需要加強地質理論和開發技術研究，形成適合我國頁巖氣地質特殊性的理論和技術裝備體系，加快頁巖氣技術裝備自主化進程。

近十多年來，我國在油氣地質理論創新和勘探方面取得重大進展，地質層面的重大進展促進了頁巖氣開發裝備和工具的研發。在水平井鉆探裝備和工具方面，研制了隨鉆自然伽馬測量儀、隨鉆感應電阻率測量儀以及配套應用軟件，形成了地質導向雙參數隨鉆測井儀器設計制造技術和地質導向鉆井工藝配套技術，并在現場應用中取得了良好效果。在水平井壓裂方面，我國已經在涪陵首次實現井工廠“拉鏈式”壓裂施工，實現兩口井壓裂作業和泵送作業的無縫銜接。實現了低滲透氣藏分層多段壓裂，并在實踐中普遍推廣應用[13-14]。

1.2.1 水平井技術裝備研制情況

目前，我國鉆機設計水平和制造能力躋身世界前列，以12000m陸地特深井鉆機及頂部驅動裝置為代表的產品達到了世界先進水平，標準化和系列化的鉆機可基本滿足高壓噴射、定向、叢式、水平等先進鉆井工藝的需要。國內87%的大中型鉆機，90%的修井機都是自主制造，部分鉆井設備批量出口到世界各地，并應用于美國頁巖氣開發。目前適用于頁巖氣開發的輪軌式快移快裝鉆機已在涪陵工區應用，大幅縮減井間時間損耗，提高了搬遷效率。同時，鉆修設備的自動化也在逐步推進，形成了地面管柱處理系統(液壓管盒和液壓動力貓道)裝備，SLG130～450系列連續油管作業裝備和SBY70～270系列不壓井作業裝備已經進入頁巖氣開發市場。

由系列化SL-MWD、隨鉆伽馬和感應電阻率雙參數組成的第一代地質導向系統，已形成產業化能力，年生產配套設備能力50套。第二代鉆頭地質導向系統井斜及方位伽馬的測量點距鉆頭不到1m，正在油田內推廣應用。正在攻關的第三代地質導向系統由包含方位伽馬、聲波、電阻率、中子、密度和工程參數隨鉆測量系統。旋轉導向鉆井系統關鍵技術取得成功，形成了功能性樣機，研發捷聯式自動垂直鉆井系統目前已經進行了10多次現場試驗，應用效果良好。

1.2.2 增產技術裝備研制情況

井下作業設備如水泥車和固井壓裂車等均已實現系列化生產，在引進2000型壓裂機組的基礎上，研制了適合我國油氣田作業工藝特點的高壓、大功率的2000型、2500型、3000型壓裂機制造。壓裂機組可實現自動、網絡或遙控控制，達到國際領先水平；形成柱塞泵和高壓流體元件等關鍵部件的制造技術，具有年產30萬水馬力制造能力。形成固井泵和自動混漿系統兩大核心技術，能按照井場施工工藝量身定做整套固井裝備。在大排量、超高壓管匯研制方面形成井控閘閥、節流閥、欠平衡鉆井控制研究和制造優勢。

封隔器、滑套、連續油管裝置等井下工具已實現國產化[15-16]。開發了超大尺寸、超高壓、防腐蝕、自膨脹、旋轉式等尾管懸掛器和遠控分級注水泥器，生產固完井工具20大類，超高壓尾管懸掛器、旋轉尾管懸掛器打破了國外壟斷，壓裂滑套、裸眼封隔器、遇油遇水自膨脹封隔器、可泵送橋塞等分段壓裂工具，主要性能指標達到了國際先進水平，成本較國外同類產品降低30%以上。自適應式完井工具、防砂篩管、免鉆工具、封隔器等在國內市場應用近500口井。

1.2.3 存在的問題

隨著計算機、通訊及網絡技術的廣泛應用，使頁巖氣智能化開發逐漸成為可能。在自動化鉆機的基礎上研發智能鉆機，集成遠程操作、鉆井信息共享等功能，為實現鉆井全過程自動控制；越來越嚴格的環保政策，要求研發綠色節能修井機，以滿足綠色環保、高效節能的要求；連續油管壓裂、鉆井技術研究和超大管徑復合式連續油管鉆井裝備需要滿足頁巖氣資源開發需要。

水平井和頁巖氣開發使壓裂施工數量和規模將呈現不斷增大的趨勢，對大型壓裂裝備的需求逐步擴大，大功率渦輪發動機應用、動力裝置雙燃料改造、壓裂裝置電驅等均對現有裝備提出了更高的要求。

我國頁巖氣精確開發和增產改造成本居高不下，主要還是在于核心裝備的全面國產化程度不足，難以全面平抑成本，在核心技術與重大裝備方面進行深入研究是目前的工作重點。

2 核心技術與重大裝備開發

基于目前國內頁巖氣開發面臨的問題，需要在鉆完井、壓裂改造及采氣裝備等方面進行核心技術與重大裝備的開發。

2.1 鉆完井技術及裝備

2.1.1 水平井鉆井

頁巖氣水平井鉆井中易發生井眼碰撞、井壁垮塌的問題，解決難度體現在井眼軌跡測量與控制、井壁穩定控制以及鉆井液體系幾個方面。因此，需要改進和提升以鉆機、鉆頭、固井車、隨鉆測量儀(MWD)和隨鉆測井儀(LWD)、旋轉導向鉆井工具和地質導向鉆井工具為主的水平井鉆完井設備技術性能。并進一步開發適應超深井、長水平段鉆井的小尺寸(6 in以下)鉆頭，發展極具地層針對性的鉆頭，有效地應用于頁巖氣水平井鉆完井工藝上，最大程度地利用常規油氣已有設備的功效，同時為新型的鉆頭、隨鉆測量儀(MWD)和隨鉆測井儀(LWD)的研發提供技術參考。形成適合我國地質條件的頁巖氣水平井鉆井技術及裝備體系，降低鉆井風險，保證頁巖長水平段井眼的形成。

2.1.2 長水平段固井

對于水平段固井易出現的固井質量差等難題，主要在于長水平段固井水泥漿體系和固井施工工藝技術研究。目前常采用泡沫水泥固井技術。泡沫水泥具有漿體穩定、密度低、滲透率低、失水小、抗拉強度高等特點，因此具有良好的防竄效果，能解決低壓易漏長封固段復雜井的固井問題。而且水泥侵入距離短，可以減小儲層損害。根據國外經驗，泡沫水泥固井比常規水泥固井產氣量平均高出23%。與之配合的專屬設備主要是與注漿設備管路相連接的起泡劑注入器、泡沫發生器、氮氣單元及一系列傳感器。通過新型固井泥漿體系及其設備的研發，形成頁巖長水平段高效固井技術，提高頁巖氣鉆完井時效，降低完井費用，為后續壓裂改造提供良好基礎條件[17]。

2.1.3 井工廠技術

頁巖油氣開采的叢式水平井組井身結構、施工工序、各次開鉆鉆井液體系相同，各工序可按工業化生產模式進行施工。優化叢式水平井組井位設計和應用的“井工廠”理念可使多口井依次一開、固井，依次二開、固井，鉆井、固井、測井設備無停待，實現設備利用最大化；泥漿重復利用，減少泥漿的交替；實現鉆井開發井網覆蓋區域最大化，將鉆井、完井和儲層改造技術有機結合，統一調動，體現良好的組織形式，探索同步壓裂整體優化設計和壓裂施工技術，可減少鉆井周期，降低鉆井綜合成本，獲得較好的經濟效益、社會效益[18]。

2.2 壓裂改造技術及裝備

2.2.1 水平井分段壓裂

目前水平井分段壓裂裂縫起裂與延伸機理、壓裂改造材料體系、分段壓裂設計與實施方法、壓裂改造綜合評估方法等方面施工經驗不足、壓裂效果不理想，壓后綜合評價技術依賴國外技術服務。因此在壓裂設備和工具方面需要積極研發新型高效的產品，包括水力噴射工具，可使用連續管進行壓裂作業，良好地控制壓裂強度和深度，無須從井內移走連續管，各壓裂層也能減小井場所需的水馬力。作業過程較為簡單，不會產生一些突發情況，有助于將非生產時間降到最低；多層同時壓裂工具，通過一次壓裂施工同時壓開幾個或更多水平段油層，可有效改造低滲透非常規油氣藏，提高單井產量；封隔器、滑套等井下工具，適用于水平裸眼井段限流壓裂，一趟管柱即可完成固井和分段壓裂施工。2.2.2 儲層增產改造

對儲層裂縫發育情況的研究有助于確定增產改造方案，因此需要開展以頁巖儲層脈沖致裂技術、雙階壓裂增產技術和高能氣體壓裂改造技術為主的新技術研發，與之配合的設備研制是技術推廣的前提。常規的微地震檢測儀器在國外現場應用較為成熟，目前較新的光纖一體化溫度壓裂檢測儀器除了可以獲知壓裂發生的空間位置外，還能判斷壓裂液到了什么地方、出氣還是出油。該裝置不引入電信號，抗電磁干擾，保證了監測過程中的安全性和準確性。

2.3 采氣工藝技術及裝備

在完井時可采用流入控制裝置，使壓力沿著井眼方向均衡變化，并使流體勻速流入井眼，在整個水平井井段產生均一穩定流，增加存在水侵和氣錐的水平井產量和生產壽命。除此之外，進行配合頁巖氣開發的排采管柱、地面工藝、生產管理、動態監測研究，可解決頁巖氣流動規律復雜、儲層敏感性強、易受流體傷害、生產井口壓力變化大、氣水分離量大等問題，形成頁巖氣采氣工藝技術，為實現頁巖氣規模化開發提供有力支持。

3 頁巖氣開發技術裝備自主化研究趨勢

3.1 鉆完井技術裝備

3.1.1 頁巖氣專用鉆機

根據我國頁巖氣資源分布、地質情況及氣候環境等因素，研制滿足頁巖氣水平井鉆井和“井工廠”開發模式要求、適合不同鉆井深度和自然條件的新型專用鉆機。開展以套管鉆井技術為主的頁巖氣專用鉆機研制，縮短頁巖氣鉆井周期。

3.1.2 高效鉆頭

開展以聚晶金剛石復合片(PDC)為主的鉆頭研發，解決頁巖氣長水平段鉆井難度大，周期長、鉆頭易損耗等問題，開發出適合頁巖氣開采并用于水平井長水平段鉆進的鉆頭，提高頁巖氣鉆完井時效，大幅度降低鉆完井費用。

3.1.3 旋轉導向鉆井工具

開展適用于井深4000m以內的導向鉆井工具研究，研制旋轉導向鉆井工具及配套應用軟件，滿足頁巖氣鉆井過程中水平鉆井的需要，提高鉆井質量和成功率，縮短鉆井周期。

3.1.4 水平井高精度隨鉆地質導向工具

研發以隨鉆測量儀(MWD)和隨鉆測井儀(MWL)為核心裝備的高精度隨鉆地質導向工具及其配套應用軟件，解決頁巖儲層在水平段鉆井過程中井壁失穩、井眼軌跡不易控制等問題，形成頁巖水平井高精度隨鉆地質導向系統，提高鉆井質量和成功率，縮短鉆井周期，為后續壓裂改造提供良好基礎條件。

3.2 儲層改造技術裝備

3.2.1 大排量壓裂泵車及機組控制系統

以3000型為代表的大排量壓裂泵車，提升壓裂泵車的連續工作能力、混沙車的精度控制水平以及機組控制系統的可靠性，研發壓裂機組無線控制系統技術，為頁巖氣大型水力壓裂提供裝備支持。

3.2.2 井下壓裂工具

包括水力噴射壓裂工具、多層同時壓裂工具、利用高分子材料替代金屬材料的可鉆式橋塞和可鉆式分隔器等，形成產品系列和批量生產，有助于縮短壓裂周期、降低成本，縮短壓裂液在地層中的停留時間，減低壓裂液對儲層的傷害。

3.3 工程配套技術裝備

3.3.1 微地震采集裝備和處理解釋軟件

開展數據處理、震源成像和精細反演等關鍵技術的研究，建立高精度實時處理和弱信號定位的微地震監測處理方法及流程，形成微地震監測采集技術，擺脫國外技術壟斷的局面，實現微地震監測裝備的國產化，可為形成適合我國頁巖氣開采的微地震裂縫監測技術體系提供保障。

3.3.2 壓裂返排液和鉆井廢液處理成套技術裝置

建立集工藝安全、生態及地下水污染、地質災害等為一體的風險評估防控技術體系，解決頁巖氣開發中廢物處理、環境安全和地質災害防范等突出問題，為頁巖氣長期、大規模、環保開采奠定基礎。

4 結束語

國內頁巖氣的開發實踐走在了理論研究的前面，這個過程中對北美地區開發經驗的借鑒是必然的，但是必須要結合自身情況，發展合適的機械裝備和工具，包括頁巖氣專用鉆機、井下鉆具和導向工具等；先進裝備和工具的自主化研究進程需要在制造和技術兩個方面齊頭并進，除了消化吸收裝備硬件實體，還需要在使用工藝等軟件部分深入研究，以便發揮效力。

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國家能源局發布96項能源行業標準

國家能源局近日發布通知，正式批準并發布《頁巖氣藏描述技術規范》等96項能源行業標準(NB)，涉及煤炭行業、頁巖氣開發、水電、抽水蓄能電站、生物質發電等。該批標準將于2016年3月1日起實施。

據了解，國家能源局每年都會針對能源領域各行業的標準進行更新，以符合行業發展、技術進步等的提升。今年8月，國家能源局以"特急"文件的方式發布了《關于下達2015年能源領域行業標準制訂計劃的通知》，提出了784項能源領域各行業的標準制訂計劃，標準涵蓋頁巖氣、石油勘探、石油天然氣建設工程、油氣管道、海上油氣勘探及管道、分布式能源工程建設、電力系統、輸配電設計、火力發電廠可研、太陽能熱發電廠設計、水電大壩、特高壓、生物質發電廠、配網自動化、煤礦、風電場、海上風電、壓水堆核電廠，包括方法、工程建設、石油安全、產品設計等。其中石油工程、核電、水電工程等領域標準的制定與修訂最多。

Progress and prospects of autonomization of technology and equipment for shale gas development

XIN Shi-yu1，2，GAO Wen-jin1，2，GUO Ai-bin1，2

(1.SINOPEC Petroleum Engineering Machinery Corporation Institute，Wuhan 430223，China；2.SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Machinery Equipment，Wuhan 430223，China)

This paper outlines domestic and international situations for shale gas developing equipment，especially elaborates the autonomization progress in China，discusses the intelligent measurement tool，downhole motor，rotary steering tool，geo-steering tool for shale gas horizontal wells drilling，hydraulic jet tools，multilevel fracturing tools for fracturing stimulation in aboard，and drilling rigs，fracturing equipment，packer and sliding bush，logging equipment，LWD and rotary steering tool domestically.We suggest developing special drill rigs which are suitable for different geology and resource conditions，down-hole speeding tools，directional tools，and fracturing tools made of high polymer materials for mass production of shale gas in the future.

shale gas；horizontal well；fracturing；equipment autonomization；technology progress

2015-03-19

信石玉(1983-)，男，規劃所副所長，研究方向為頁巖氣、地熱能源開發裝備規劃設計。E-mail：xinsy.oset@sinopec.com。

TD4

A

1004-4051(2015)12-0152-05