非常規(guī)油氣井工程技術(shù)若干研究進展

高 德 利

中國石油大學(xué)（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(guī)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(fā)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(nèi)油氣資源的勘探開發(fā)力度，力求大幅度增加油氣儲量并提高油氣產(chǎn)量（亦即油氣增儲上產(chǎn)），必然對非常規(guī)油氣資源高效開發(fā)問題更加關(guān)注。我國受北美“頁巖革命”的影響較大，相關(guān)研究與實踐在國內(nèi)也搞了10多年，雖然取得了良好的進展和成效，但相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)與國際領(lǐng)先水平相比仍存在著較大的差距。事實上，我國頁巖油氣產(chǎn)量與美國相差甚遠，“頁巖革命”發(fā)展現(xiàn)狀仍不容樂觀。因此，在加大國內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)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(guī)油氣資源在國內(nèi)油氣增儲上產(chǎn)中的接替比例。

所謂“頁巖革命”，實質(zhì)上是石油與天然氣工程領(lǐng)域的一場技術(shù)革命，使原本沒有開采價值的頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源得以經(jīng)濟有效的開發(fā)。以水平井為基本特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式水平井，是高效開發(fā)非常規(guī)、低滲透等難開采油氣田的先進井型技術(shù)，相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新研究與進步在國內(nèi)外備受關(guān)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(guān)鍵核心技術(shù)包括：水平井目標(biāo)段和叢式井網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，水平井定向鉆井，水平目標(biāo)井段分級壓裂完井，以及先進的“井工廠”作業(yè)模式等。所謂“井工廠”，是指在同一個井場里集中布置和建設(shè)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(biāo)則相互偏離井場較遠，從而有效擴大了油氣田的開發(fā)控制范圍。所謂“井工廠”作業(yè)模式，就是圍繞同一井場里眾多相似井的建設(shè)目標(biāo)任務(wù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的工程裝備與技術(shù)服務(wù)，以流水線方式（批量）實施鉆井、完井、壓裂等主要工程環(huán)節(jié)的一種高效作業(yè)模式，由此可以節(jié)約大量的工程作業(yè)時間和成本。

筆者針對叢式水平井大型化設(shè)計、定向鉆井“一趟鉆”高效作業(yè)、井下電加熱開采及煤層氣高效開發(fā)等非常規(guī)油氣井工程技術(shù)問題，簡要綜述國內(nèi)外相關(guān)研究進展，重點介紹筆者團隊的相關(guān)創(chuàng)新研究成果，供廣大同行學(xué)者和相關(guān)工程技術(shù)人員參考并指正。

1 頁巖氣井工廠大型化設(shè)計研究

“井工廠”作業(yè)模式有利于滿足節(jié)省土地資源、降本增效和安全環(huán)保等重大需求。如何有效增加單個井場布井?dāng)?shù)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(fā)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

以叢式水平井為基本特征的“井工廠”作業(yè)模式應(yīng)用于頁巖油氣開采始于21世紀(jì)初的美國[2]，隨后該作業(yè)模式被廣泛應(yīng)用于美國與加拿大頁巖油氣區(qū)塊[3]。2011年中國石化在大牛地氣田和勝利油田頁巖區(qū)塊應(yīng)用了“井工廠”作業(yè)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(qū)塊以及蘇里格氣田應(yīng)用了“井工廠”作業(yè)模式，開發(fā)了9井式叢式水平井工程[5]。通過“井工廠”作業(yè)模式在國內(nèi)頁巖氣田開發(fā)中的不斷試驗與應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者積極探索了適合“井工廠”作業(yè)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(yè)模式進行優(yōu)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(fā)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(shù)。2018年，筆者[8]指出大型叢式水平井工程模式及其技術(shù)支撐體系的創(chuàng)新突破，是推進我國“頁巖革命”的關(guān)鍵所在，并提出了地質(zhì)與工程一體化的設(shè)計控制理念，其中大位移鉆井是創(chuàng)建大型“井工廠”的關(guān)鍵核心技術(shù)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(shè)計建設(shè)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(shù)學(xué)模型以描述直井、定向井和礦床障礙物，在此基礎(chǔ)上建立了斜平面試算法來設(shè)計繞障軌道；筆者團隊[11]提出了頁巖氣側(cè)鉆井繞障設(shè)計新方法，通過矢量代數(shù)法直接對三維空間內(nèi)的障礙物進行繞障設(shè)計。

筆者團隊考慮了山區(qū)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(diào)整井的防碰繞障軌道優(yōu)化設(shè)計模型[14]。

1.2 叢式水平井定向鉆井延伸極限設(shè)計研究

如圖1所示，均勻布井模式因其能在同面積的區(qū)域內(nèi)開采最大面積的儲層，被廣泛應(yīng)用于我國山區(qū)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(shù)在進行鉆井設(shè)計前，已經(jīng)被氣藏工程優(yōu)化好。制約山區(qū)頁巖氣叢式水平井大型化的關(guān)鍵參數(shù)不再是傳統(tǒng)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(fā)控制面積就越大。

圖1 山區(qū)頁巖氣均勻布井模型圖

圖2 傳統(tǒng)延伸極限模型與定向鉆井延伸極限模型的優(yōu)化目標(biāo)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(biāo)函數(shù)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(shù)，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(shù)，如鉆機能力、管柱強度等；c表示定向鉆井作業(yè)工況。

1.3 叢式水平井定向鉆井防碰繞障軌道設(shè)計研究

前人所建立的防碰繞障軌道設(shè)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(qū)，設(shè)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(chǎn)能和井壁穩(wěn)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)：

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(shù)，m。如果校核結(jié)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(shè)計新井壓裂段的井眼軌道。

2 “一趟鉆”作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究

以叢式水平井為基本特征的“井工廠”，是國內(nèi)外非常規(guī)油氣高效開發(fā)的主流工程模式[9]。要創(chuàng)建大型“井工廠”，就必然挑戰(zhàn)大位移水平井工程作業(yè)極限，除了環(huán)保約束以外，關(guān)鍵是如何不斷提高水平鉆井的安全高效作業(yè)能力，即不斷提高大位移水平井延伸極限的預(yù)測精度和安全控制技術(shù)水平，同時還要持續(xù)推動“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新進步。所謂“一趟鉆”技術(shù)，是指使用1只鉆頭、1套導(dǎo)向鉆具組合及1種鉆井液體系，實現(xiàn)一次下井就連續(xù)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(dǎo)向鉆井技術(shù)。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(shè)將水平井的水平段井眼長度在1 000～5 000 m范圍內(nèi)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(yè)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(nèi)規(guī)模化水平鉆井的“一趟鉆”作業(yè)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(yīng)的國際先進水平已達到5級以上，最好紀(jì)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(yè)能力，有必要在高效PDC鉆頭、導(dǎo)向鉆具組合、鉆井液體系及鉆井參數(shù)等方面加強交叉學(xué)科研究，既要打造“一趟鉆”技術(shù)利器，又要針對所鉆地層進行個性化工程設(shè)計。

2.1 高效PDC鉆頭研究與應(yīng)用

高效鉆頭對于鉆井提速提效作用不可或缺，是實現(xiàn)油氣工程“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國在高效PDC鉆頭關(guān)鍵技術(shù)，如聚晶金剛石復(fù)合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱 PDC）、動態(tài)數(shù)值分析等方面取得了長足的技術(shù)進步，國產(chǎn)鉆頭已經(jīng)能夠滿足常規(guī)鉆井作業(yè)的基本需求。但是，在極硬、強研磨、非均質(zhì)等難鉆地層，國產(chǎn)鉆頭的現(xiàn)場表現(xiàn)仍與進口的國際先進產(chǎn)品存在較大差距，亟需在PDC鉆頭的超硬耐磨材料、個性化設(shè)計制造及鉆井提速等方面尋求技術(shù)突破，相關(guān)研究涉及力學(xué)、材料、高壓物理、機械、地質(zhì)及鉆井等諸多學(xué)科領(lǐng)域。

筆者團隊通過“政、產(chǎn)、學(xué)”建立了高效PDC鉆頭研發(fā)中心，形成了PDC齒和PDC鉆頭的設(shè)計、加工、測試及應(yīng)用一體化的基礎(chǔ)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(shù)服務(wù)公司）相一致，達到了相應(yīng)的國際一流水平。通過分析評價國內(nèi)外各類型PDC齒，逐步建立了PDC耐磨性、熱穩(wěn)定性和沖擊韌性的性能數(shù)據(jù)庫，為高效PDC鉆頭選齒決策和新齒研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。研發(fā)中心還建立了單齒破巖和全尺寸鉆頭破巖的基礎(chǔ)實驗平臺（圖3），擁有多功能鉆井模擬實驗、鉆井參數(shù)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(chǔ)實驗與測試系統(tǒng)。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(shè)計方案。另外，研發(fā)中心還初步建立了PDC鉆頭設(shè)計與動態(tài)模擬分析平臺，針對難鉆地層提出多功能個性化鉆頭設(shè)計方法，再基于動態(tài)分析結(jié)果實時優(yōu)化鉆頭布齒和水力設(shè)計，從而增強PDC鉆頭的適應(yīng)性和耐用性。

圖3 PDC齒熱穩(wěn)耐磨測試系統(tǒng)（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(jié)構(gòu)設(shè)計新思路，從而在宏觀上滿足PDC鉆頭多重應(yīng)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(jié)合顆粒多功能結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)了新型耐沖蝕材料，并設(shè)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(fā)現(xiàn)（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(wěn)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(yīng)用于非均質(zhì)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(xù)在勝利、新疆塔河等油田進行了現(xiàn)場試用，已為43口井提供了個性化設(shè)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(dǎo)向鉆具組合技術(shù)研究

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

磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)，是導(dǎo)向鉆井成套技術(shù)的重要組成部分，是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式井鄰井距離測控或精準(zhǔn)中靶隨鉆測控的關(guān)鍵核心技術(shù)，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(dǎo)向鉆井中具有不可或缺的重要作用，需要通過交叉學(xué)科研究實現(xiàn)技術(shù)突破。磁導(dǎo)向鉆井的技術(shù)關(guān)鍵包括井下磁信標(biāo)、微弱磁場高精度探測儀、測控算法與軟件系統(tǒng)等軟硬件技術(shù)，筆者團隊15年前啟動相關(guān)研究，已取得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的豐碩研究成果[9,22]，并在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程中獲得現(xiàn)場驗證與良好應(yīng)用實效，如筆者牽頭項目“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鄰井距離隨鉆探測與控制技術(shù)研究及應(yīng)用”獲2014年度中國石油和化學(xué)工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎。

2.3 基于機械比能理論的鉆井參數(shù)優(yōu)化研究

基于室內(nèi)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。基于機械比能理論的隨鉆優(yōu)化控制技術(shù)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(yè)提供必要的技術(shù)支持。然而，機械比能原始模型是基于地面的室內(nèi)實驗結(jié)果得出來的，在缺乏近鉆頭鉆壓及扭矩的真實測量數(shù)據(jù)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(dǎo)致原始模型計算所得到的機械比能數(shù)據(jù)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(tài)判別與鉆井參數(shù)隨鉆優(yōu)化方法[24]。在此基礎(chǔ)上，又建立了定向鉆井螺桿鉆具復(fù)合鉆進的機械比能計算模型，提出了相應(yīng)的鉆井參數(shù)隨鉆優(yōu)化方法[25]，并在實際鉆井工程中獲得了現(xiàn)場驗證與良好應(yīng)用實效[9]。

實際上，由于在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式井工程中涉及諸多復(fù)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(shù)實現(xiàn)隨鉆定量優(yōu)化與智能控制。展望未來，伴隨井下隨鉆精確測量技術(shù)與深地測量信息傳輸技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，可望推動基于機械比能理論的鉆井參數(shù)隨鉆優(yōu)化控制技術(shù)向著更貼近井底實際工況、優(yōu)化計算和控制精度更高的方向發(fā)展。此外，將機器學(xué)習(xí)算法與機械比能理論融合進行智能建模，研發(fā)與人工智能融合的叢式井隨鉆優(yōu)化與控制系統(tǒng)，可望實現(xiàn)鉆頭工作狀態(tài)隨鉆識別、鉆頭磨損狀態(tài)隨鉆監(jiān)測、鉆井參數(shù)隨鉆尋優(yōu)、井下鉆井復(fù)雜事故隨鉆診斷與控制等智能控制目標(biāo)，從而可大幅提高定向鉆井的作業(yè)時效。

2.4 鉆井液技術(shù)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(yīng)用。根據(jù)所鉆地層的理化特性、井壁巖石的穩(wěn)定性、井下溫度和壓力分布等，科學(xué)調(diào)制一種先進適用的鉆井液體系，是保證“一趟鉆”安全環(huán)保作業(yè)的關(guān)鍵。國內(nèi)外在頁巖氣水平井工程中，為了有效保持井壁穩(wěn)定、減少工程作業(yè)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(huán)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(wěn)定和減少阻力的基本要求，甚至導(dǎo)致工程報廢的嚴(yán)重安全事故。因此，油氣行業(yè)希望在高性能水基鉆井液體系方面能夠逐步實現(xiàn)技術(shù)突破，要求使其接近甚至超過油基鉆井液體系的優(yōu)良性能。國內(nèi)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(fù)雜結(jié)構(gòu)井特種鉆井液及工業(yè)化應(yīng)用”獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。然而，要想在頁巖油氣工程中大規(guī)模替代油基鉆井液體系，仍需要深入開展相關(guān)交叉學(xué)科研究。

3 井下電加熱開采技術(shù)研究

重油、油砂、頁巖油、油頁巖等非常規(guī)石油資源十分豐富，亟待高效綠色開發(fā)。研發(fā)并應(yīng)用井下電加熱系統(tǒng)與開采技術(shù)，同時借助于風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源電力，可望高效綠色開發(fā)這些資源。目前，非常規(guī)石油主要通過熱力開采[26-28]，如蒸汽驅(qū)、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(fā)的大量溫室氣體排放污染也不符合低碳、綠色開發(fā)的環(huán)保要求。近年來，筆者團隊關(guān)注并研究井下電加熱系統(tǒng)與開采技術(shù)問題，本文特對相關(guān)研究進展進行簡要的介紹。

3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

井下電加熱開采技術(shù)是一種原位轉(zhuǎn)化開采方法，最早是由國外學(xué)者提出[32-33]，目前以殼牌的ICP（In-situ Conversion Process）技術(shù)最為成熟[34-35]，主要通過井下電加熱高效開采非常規(guī)石油資源。重油、油砂可通過增溫降粘作用實現(xiàn)原位流化開采；固態(tài)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(tài)水。中低成熟度的頁巖油通過電加熱原位轉(zhuǎn)化可產(chǎn)出輕質(zhì)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(biāo)，這種熱采方法被稱為井下電加熱原位轉(zhuǎn)化技術(shù)[36]，其工藝特點是完全將地面的礦物加工設(shè)備轉(zhuǎn)移到地下，建立“地下煉廠”進行煉油與開采。根據(jù)不同加熱機理，井下電加熱技術(shù)可分為傳導(dǎo)加熱和輻射加熱兩大類[37]。目前，該技術(shù)在國內(nèi)尚處于初步探索階段。

傳導(dǎo)加熱包括電阻加熱、電加熱器加熱和感應(yīng)加熱等不同形式，其中：電阻加熱技術(shù)將儲層作為電阻，流經(jīng)其內(nèi)的電流轉(zhuǎn)化為焦耳熱；電加熱器加熱是加熱器內(nèi)電阻元件發(fā)熱，再通過熱傳導(dǎo)作用對周圍儲層加熱，其技術(shù)難點在于研發(fā)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(yīng)加熱技術(shù)是將感應(yīng)加熱裝置放入井眼內(nèi)，產(chǎn)生的交變磁場在金屬套管內(nèi)形成渦電流，最終產(chǎn)生的熱能從套管傳遞至周圍的儲層[38]，但該技術(shù)現(xiàn)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(wěn)定性等技術(shù)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(nèi)發(fā)射射頻電磁波，其在目標(biāo)儲層內(nèi)傳播時會產(chǎn)生電磁損耗，最終電磁能在儲層內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。射頻加熱技術(shù)的頻譜范圍較寬，從3 kHz到300 GHz[39]，可靈活調(diào)節(jié)加熱頻率以滿足不同性質(zhì)儲層的加熱要求。

3.2 井下射頻加熱技術(shù)概念設(shè)計及模擬實驗研究

通過對不同井下電加熱技術(shù)進行對比，筆者團隊對優(yōu)勢較為明顯的射頻加熱技術(shù)進行了概念設(shè)計和模擬實驗研究。井下射頻加熱技術(shù)的工藝流程包括：①井下射頻加熱器置于目標(biāo)層位的井眼內(nèi)；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(zhuǎn)化為儲層內(nèi)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(guān)的配套設(shè)備，部分風(fēng)電、光伏發(fā)電可并入局域電網(wǎng)，為井下加熱器供電。該技術(shù)占地面積小，適合陸地、偏遠山區(qū)和海上等不同地區(qū)的石油資源高效開發(fā)，也為風(fēng)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(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上[40-45]，筆者團隊研發(fā)了一套井下射頻加熱模擬實驗系統(tǒng)，主要包括波源、傳輸裝置、腔體和數(shù)據(jù)采集裝置（圖5）。這套模擬實驗系統(tǒng)不僅屬國內(nèi)首創(chuàng)，而且所具有的20 kW輸出功率已接近國外現(xiàn)場實際測試時的功率值。利用這套模擬實驗系統(tǒng)，可以評估射頻加熱性能，驗證射頻加熱設(shè)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(guī)石油原位轉(zhuǎn)化技術(shù)研究提供一個基礎(chǔ)實驗平臺。

圖5 井下射頻加熱模擬實驗系統(tǒng)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(jié)果包括：①石英砂內(nèi)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(nèi)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(nèi)水含量可影響油砂溫度分布，當(dāng)持續(xù)加熱導(dǎo)致水分變?yōu)樗魵鈺r，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(shù)研究

煤層氣，又稱煤礦瓦斯，是賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣。我國煤層氣資源量大，與常規(guī)天然氣相當(dāng)，其高效開發(fā)對于提高我國天然氣自供能力、降低煤礦瓦斯災(zāi)害及保護大氣環(huán)境等都具有重要意義。然而，我國煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造煤、低滲低壓、大傾角等復(fù)雜煤儲層廣泛分布，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)技術(shù)難度大、有氣難采出、單井產(chǎn)量低等問題。筆者團隊參與了相關(guān)校企合作項目，通過項目實施攻克了選區(qū)評價、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井與完井及增產(chǎn)改造等關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了創(chuàng)新成果，實現(xiàn)了復(fù)雜儲層煤層氣田的高效開發(fā)目標(biāo)，其代表性成果“復(fù)雜地質(zhì)條件儲層煤層氣高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”獲2020年度國家科技進步獎二等獎，其主要創(chuàng)新點如下。

4.1 建立了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤儲層的綜合選區(qū)與分類評價方法[46]

揭示了構(gòu)造煤時空分布規(guī)律及其構(gòu)造控制機理，實現(xiàn)了構(gòu)造煤分布的分區(qū)預(yù)測評價；發(fā)明了煤層氣井套管試井技術(shù)，保證了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤儲層壓力、滲透率等關(guān)鍵參數(shù)測試結(jié)果的可靠性，建立了煤層氣高效開發(fā)綜合選區(qū)與分類評價方法，并在煤層氣開發(fā)中獲得良好應(yīng)用效果。

4.2 發(fā)明了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井導(dǎo)向鉆井隨鉆測控技術(shù)[9,22]

主要發(fā)明了新型近鉆頭磁短節(jié)工具、旋轉(zhuǎn)磁場高精度探測儀、隨鉆測控算法等關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建了“U”形水平井、雙水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井隨鉆測控成套軟硬件技術(shù)，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鄰井距離和方位的精確探測與導(dǎo)向鉆井控制難題，為煤層氣田復(fù)雜結(jié)構(gòu)井高效開發(fā)工程提供了核心技術(shù)支撐。

4.3 發(fā)明了雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)一體化技術(shù)[47-48]

為解決構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)水平井易塌易堵、儲層易傷害及單井產(chǎn)量低等技術(shù)難題，提出了水平井篩管孔縫組合結(jié)構(gòu)及其幾何尺寸的設(shè)計方法，發(fā)明了篩管內(nèi)置高壓水力沖洗管的雙管柱系統(tǒng)，形成了水平井篩管完井與洗井增產(chǎn)一體化技術(shù)，使沁水盆地15#煤平均日產(chǎn)氣量提高了10倍以上，為煤層氣高效開發(fā)開辟了新的技術(shù)途徑。

4.4 研發(fā)了低滲低壓和大傾角儲層氣儲層的增產(chǎn)改造成套技術(shù)[49]

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

歷經(jīng)多年研究與實踐，我國煤層氣高效開發(fā)理論與工程技術(shù)取得了重大進展，為進一步推進我國煤層氣大規(guī)模開發(fā)利用奠定了良好基礎(chǔ)。同時也應(yīng)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(xiàn)高效綠色開發(fā)利用，仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。顯然，傳統(tǒng)的井下采煤模式及其技術(shù)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(fā)模式及其工程技術(shù)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(fā)與安全高效作業(yè)綜合協(xié)調(diào)的工程優(yōu)化方案，同時應(yīng)不斷創(chuàng)新研究與設(shè)計建設(shè)一體化地面開發(fā)“井工廠”及其配套設(shè)施，助力我國煤層氣、氫氣等氣態(tài)能源的高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)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(guān)研究成果還比較少，本文只是從井眼軌道優(yōu)化設(shè)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(guān)系。

2）定向鉆井“一趟鉆”技術(shù)與大位移水平井工程，是創(chuàng)建大型“井工廠”的硬核技術(shù)與關(guān)鍵工程環(huán)節(jié)，通過交叉學(xué)科研究不斷突破技術(shù)瓶頸與工程作業(yè)極限，對于推進我國“頁巖革命”至關(guān)重要，有必要進一步加大相關(guān)支持力度。高效PDC鉆頭、導(dǎo)向鉆具組合、鉆井液體系及鉆井參數(shù)等技術(shù)內(nèi)容，是制約定向鉆井“一趟鉆”技術(shù)水平的關(guān)鍵可控因素，需要不斷開展創(chuàng)新研究與試驗，既要打造“一趟鉆”關(guān)鍵技術(shù)利器，又要針對所鉆地層進行個性化工程設(shè)計。

3）井下電加熱系統(tǒng)與原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)，可望是成為未來非常規(guī)油田高效開發(fā)的主要技術(shù)手段之一，但該技術(shù)在我國仍處于探索階段，需要加強相關(guān)交叉學(xué)科研究與國際合作，力求早日實現(xiàn)突破。在前期研究工作的基礎(chǔ)上，今后應(yīng)自主研發(fā)井下射頻加熱技術(shù)裝備，積極推動該技術(shù)在我國的進一步發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化。

4）基于水平井或復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程，也可以對煤層氣進行安全高效開發(fā)，相關(guān)研究與實踐不斷取得新進展。今后應(yīng)該特別關(guān)注深層煤炭與煤層氣資源的綠色開發(fā)利用與安全高效作業(yè)，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(fā)模式及其工程技術(shù)裝備支撐體系。