我國頁巖氣鉆完井關鍵技術現狀及發展趨勢

Bi Kaiyuan.Current status and trend of key technologies for shale gas well drilling and completion in China12-20，28

頁巖氣作為一種重要的非常規天然氣資源，其開采對能源行業和全球供需格局有著深遠影響，深入研究鉆完井技術體系是加快頁巖氣規模效益開發的關鍵。在概述全球及國內頁巖氣勘探開發現狀的基礎上，指出了我國在鉆完井技術方面存在的挑戰和提升空間；系統分析了我國在頁巖氣鉆完井領域的關鍵技術進展，包括地質工程一體化導向鉆井、叢式水平井鉆井、井身結構優化、提速工具和優快鉆井、精細控壓鉆井和高效固井技術等，以及這些技術在實際應用中取得的成效；討論了在“碳達峰”“碳中和”背景下，加快頁巖氣鉆完井關鍵技術攻關的重要性，提出了深化地質工程一體化研究、持續發展“一趟鉆”鉆井技術、加快推廣叢式水平井鉆井技術、持續優化低成本高性能鉆井液體系和發展安全高效的優快鉆井技術等發展建議，以期對我國頁巖氣鉆完井關鍵技術水平的提高起到推動作用，提高我國在全球頁巖氣領域的競爭力。

頁巖氣；水平井；鉆完井；叢式水平井；導向鉆井；技術現狀；發展方向

中圖分類號：TE242

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.002

基金項目：中海石油（中國）有限公司科技項目“渤海油田3 000萬t持續穩產關鍵技術研究”之子課題“渤海邊際油田高效開發鉆完井配套技術”（CNOOC-KJ135 ZDXM 36 TJ06TJ）。

Current Status and Trend of Key Technologies for Shale

Gas Well Drilling and Completion in China

Bi Kaiyuan

（China Oilfield Services Limited）

The exploitation of shale gas，an important unconventional gas resource，has a profound impact on the energy industry and global supply and demand pattern.An in-depth study of drilling and completion technology system is critical to accelerating the extensive and beneficial development of shale gas.On the basis of reviewing shale gas exploration and development in China and the world，the challenges and deficiencies in drilling and completion technologies used in China were presented.The advancement of key shale gas well drilling and completion technologies in China，including geology-engineering integrated steering drilling，cluster horizontal well drilling，casing program optimization，ROP increase tools and optimal and fast drilling，fine managed pressure drilling and efficient cementing，and the application performances of these technologies were systematically analyzed.The importance of accelerating the research and development of key technologies for shale gas well drilling and completion under the background of “carbon peaking and carbon neutrality” was discussed.The suggestions such as deepening geology-engineering integration study，continuously developing the “one trip” drilling technology，accelerating the promotion of cluster horizontal well drilling technology，continuously optimizing low-cost high-performance drilling fluid system and developing safe and efficient optimal and fast drilling technology were presented，in the hope of driving the improvement of key shale gas well drilling and completion technologies in China and enhancing Chinas competitiveness in the global shale gas industry.

shale gas；horizontal well；drilling and completion；cluster horizontal well；steering drilling；current status；trend

0" 引" 言

在全球能源格局不斷演變的背景下，頁巖氣作為一種清潔能源，正逐漸嶄露頭角并成為我國能源戰略中的關鍵組成部分［1］。我國頁巖氣資源潛力巨大，然而，其規模效益開發依賴于先進的鉆完井技術，這將是確保資源可行性、安全性和經濟性的決定性一環。隨著長寧和威遠等地區的頁巖氣勘探開發取得重大突破，目前的頁巖氣開發逐步向深層、超深層邁進［2］。這意味著地質條件更加復雜多變，對鉆井裝備及工具的耐壓性、耐溫性提出更高的要求，頁巖氣的鉆完井作業成為一項復雜而且具有挑戰性的任務。為此，亟需對頁巖氣鉆完井技術體系進行不斷的攻關研究，提高其技術水平，具體包括地質工程一體化導向鉆井、井身結構改進、高效的鉆井液體系以及先進的井壁穩定技術等。這些技術的應用不僅提高了鉆井作業效率，還降低了建井成本及環境風險，可為我國頁巖氣的效益開發奠定堅實基礎。本文旨在通過深入研究我國頁巖氣鉆完井關鍵技術的現狀和發展趨勢，為我國頁巖氣產業的可持續發展提供重要參考，促進技術創新和發展，提升我國在全球頁巖氣領域的競爭力。

畢開原：我國頁巖氣鉆完井關鍵技術現狀及發展趨勢

1" 頁巖氣勘探開發現狀

目前，全球范圍內有40多個國家和地區正積極推進頁巖氣的效益開采工作，其中北美地區的頁巖氣開發占據主導地位，歐洲、澳大利亞等其他地區緊隨其后［3］。中國的頁巖氣儲層普遍具有熱演化程度相對較低、儲層厚度較小的特點，在地質認識、關鍵技術和經濟環保等方面具有較大的提升空間。

1.1" 國外頁巖氣開發現狀

美國作為頁巖氣產業的先驅者，在頁巖氣的勘探和開發方面擁有悠久的歷史，已形成許多成熟的鉆完井關鍵技術，實現了頁巖氣的大規模生產，并將頁巖氣作為其主要天然氣供應來源［4］。美國頁巖氣產業的發展主要分為以下幾個階段：早在1821年，紐約的Chautauga縣成功鉆探出了首座頁巖氣井，這標志著頁巖氣作為一種新型能源進入人類視野，為未來頁巖氣的發展奠定了基礎，然而，當時的技術和經濟條件限制了頁巖氣的規?；_發；自1920年起，美國逐步開啟現代化的頁巖氣開采進程，并在該國的多個地區成功勘探出頁巖氣有利區塊；到了1970年，頁巖氣的勘探開發擴展到美國中西部地區，并通過不斷的技術改進和創新，水平井鉆完井技術和水力壓裂技術等關鍵技術得以發展；21世紀初，美國頁巖氣產業取得了重大突破，尤其在Barnett、Marcellus和Haynesville等頁巖氣田均獲得較大產量；2016年，美國頁巖氣產量達到4 400多億m3，頁巖氣資源實現了跨越式的發展［5］。

作為北美地區的重要能源合作伙伴，加拿大在頁巖氣的勘探開發領域發展迅速。加拿大境內的頁巖氣資源分布廣泛，依據加拿大非常規天然氣研究協會（CSUG）的評估數據，該國的頁巖氣儲量約為4.3×105億m3，可采資源量約為1.6×105億m3［6］。歐洲地區的頁巖氣產業發展相對北美地區更為緩慢，目前處于初級階段。根據美國能源信息署（EIA）的統計，歐洲地區的可采資源量約為1.3×105億m3，這表明歐洲具備潛在的頁巖氣資源，但開發程度較低［7］。

1.2" 國內頁巖氣開發現狀

中國頁巖氣開發起步較晚，但發展迅速，在經歷了10余年的關鍵技術攻關和應用實踐后，實現了頁巖氣的規模效益開發。2020年中國頁巖氣產量達到200億m3，使其成為全球第二大頁巖氣生產國［8］。自2005年中國開始頁巖氣勘探開發及理論技術攻關起，主要經歷了借鑒探索與評價選區階段、先導性試驗階段和工業化開發階段，目前已在四川盆地及其周緣實現了海相頁巖氣的效益開發。2008年以來，中國對四川盆地及其周邊地區古生界海相頁巖氣資源的形成和富集條件進行了明確定位，并初步優選了頁巖氣有利富集區。2009年以來，中國在川南、川東等地區鉆獲一批頁巖氣高產穩產井，發現了威遠、威榮、瀘州、長寧、昭通、涪陵等大型頁巖氣田（區）。截至2021年底，四川盆地累計生產頁巖氣9.24×1010 m3，并形成了威遠、長寧、昭通、涪陵等氣藏埋深小于3 500 m的頁巖氣生產區，即將實現川南瀘州-渝西、川東南川-丁山等埋深為3 500～4 500 m的深層頁巖氣藏的全面突破。

2" 頁巖氣鉆完井關鍵技術

我國擁有豐富的頁巖氣資源，主要分布在各大盆地和渤海灣地區，由于頁巖氣儲層厚度較大、埋藏較深，導致其開采難度較大。盡管我國在頁巖氣領域取得了較多突破，但鉆完井關鍵技術問題仍是制約我國頁巖氣快速發展的重要因素。

2.1" 地質工程一體化導向鉆井技術

我國頁巖氣的開發受到多重復雜因素的制約，這些因素共同導致了頁巖氣的開發效果未能達到預期水平。其中，較為突出的一個問題是地質認識和工程施工結合不夠緊密，甚至可能存在不協調的情況。為解決該問題，地質工程一體化導向鉆井技術應運而生。該技術對三維地質工程模型進行精細刻畫，結合使用了特殊錄井技術，實現對巖性和層位的精準識別，確保井眼軌跡能夠準確穿越目標儲層，以最大程度地提高鉆完井的成功率［9］。同時，形成了一套綜合的水平井地質導向軟件系統［10］，該軟件系統在鉆前、鉆中和鉆后對三維地質模型進行全過程的更新修正，實現三維模型與實鉆地質構造的不斷逼近匹配，結合隨鉆方位伽馬判斷井眼軌跡在地層中的穿行情況，優選“地質＋工程”雙甜點，實現對鉑金靶體優質儲層的實時跟蹤，確保箱體鉆遇率。地質工程一體化導向鉆井技術將基礎地質研究、三維地質建模、井眼軌跡設計和隨鉆監測有機結合起來，從而達到準確命中鉑金靶體和優化地質模型的目的。

目前地質工程一體化導向鉆井技術在長寧及威遠等地區得到廣泛應用，通過精確控制井眼軌跡大大縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，并顯著提高了優質儲層的鉆遇率和單井頁巖氣產量。如L210井鉑金靶體鉆遇率達96.1%，N209H71-2井鉑金靶體鉆遇率達95.0%，L203H62-1井和N209H71-3井鉑金耙體鉆遇率均達到了100%［11］。

2.2" 叢式水平井鉆井技術

頁巖儲層地質條件較為復雜，頁巖氣井場布置、設備運輸以及工程實施面臨著多重挑戰。為有效解決以上難題，提出了頁巖氣叢式水平井鉆井技術，其核心理念在于同一平臺上部署2口或更多水平井，或者在原有的叢式水平井組合中增加1口到多口大偏移距離的水平井，并采用流水線方式進行鉆井、壓裂等現場作業，從而達到降本增效的目的［12］（見圖1）。該技術具有成本低、效率高、位移大、控油面積廣等優點，目前已應用于低滲、非常規油氣開發領域，能夠有效提高采收率。

cluster horizontal well

井眼軌道設計是叢式水平井鉆井技術中的關鍵一環。在井眼軌道設計時，必須綜合考慮多個關鍵因素，包括井眼軌跡的防碰設計、水平段長度的確定、施工難度以及相應的成本因素［13］。該技術的首要任務在于合理部署井位，遵循最短軌跡原則，確定井口位置以及水平段靶窗，確保井口與靶點間的連線在水平平面上無交叉，且水平位移的平方和最小，同時滿足所需的偏移距離。因此，為設計出最優的井眼軌道，需重點考慮偏移距離對其產生的影響。在選擇井眼軌道剖面時，著眼于井深最淺和適宜的井斜角，以獲得最為簡潔的剖面。在整體設計中，需確保井組之間的防碰井段長度最小，同時要合理安排鉆井作業順序，以確保新井與老井的交叉不會發生碰撞。

東方1-1氣田應用叢式水平井鉆井技術，對所有生產井進行了綜合的優化設計，涵蓋了井眼軌道、井身結構、鉆具組合以及鉆井作業順序等方案的優化［14］。該技術成功解決了大斜度長穩斜裸眼井段的井斜控制難題，以及摩阻較大、滑動送鉆困難、井眼軌跡控制和方位漂移等問題，并高效完成了所有大位移水平井的鉆井作業。

2.3" 井身結構優化技術

井身結構設計對鉆井作業的降本增效具有重要影響。在確保鉆井安全性和后續壓裂作業需求的前提下，可考慮一些優化措施，如減小井眼直徑、縮短大直徑井段長度，以及避免在大直徑井段內進行定向增斜或扭轉操作，從而提高機械鉆速并降低鉆井成本［15］。

目前，國內深層頁巖氣鉆井過程中通常采用四開井身結構，這種結構在提高機械鉆速方面存在一定的局限，尤其是在上部井眼尺寸較大且套管設置復雜的情況下，導致了鉆井周期的延長。為克服這一問題，考慮到鉆井地質條件，進行了井身結構優化，將原本的四開結構改為三開結構，并持續對套管和鉆頭尺寸進行精細調整［16］。這一優化措施有效減少了一個開次的作業需求，極大地提高了機械鉆速。

簡化后的三開井身結構成功應用于川東南等地區，以焦頁74-2HF井和焦頁187-2HF井為例［16］，使用水力振蕩器有效解決了定向井段托壓問題。2口井的井身結構優化前、后對比情況見表1。由表1可知，焦頁74-2HF井使用優化的井身結構后，其機械鉆速較鄰井1提高了74%，鉆井周期縮短了43%；焦頁187-2HF井使用優化的井身結構后，其機械鉆速較鄰井提高了37%，鉆井周期縮短了26%。

2.4" 提速工具和優快鉆井技術

根據地層條件選用合適的鉆井工具，對鉆井提速增效有著重要意義。對于提速工具的選擇，最常見的就是鉆頭優選，此外還有短彎螺桿鉆具、沖擊鉆井工具等。傳統PDC鉆頭在定向井段的鉆進過程中易出現托壓現象，導致井身偏離預期斜率。常見的高效鉆頭有超短保徑PDC鉆頭和混合鉆頭，前者的保徑長度更短，這有利于增強其側向切削特性，從而提高其在造斜方面的能力；后者融合了PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優勢，具備卓越的耐磨能力和抗托壓性能［17］。以焦頁191-1HF井、焦頁89-1HF井為例［16］，鉆頭優選情況如表2所示。由表2可知：焦頁191-1HF井使用超短保徑PDC鉆頭后，機械鉆速相較于鄰井3提高了25%，且鉆井過程中未出現托壓現象；焦頁89-1HF井使用混合鉆頭后，機械鉆速相較于鄰井4提高了50%，提速效果顯著。

短彎螺桿屬于新型螺桿鉆具，主要特點是彎曲點距離轉子輸出端較傳統彎螺桿更短。因此，在相同彎角下，短彎螺桿可以實現更高的井眼造斜率，這意味著在滑動鉆進過程中，可以減小鉆進的長度，從而提高復合鉆進效率［16］。短彎螺桿在焦頁184-4HF井的鉆進中取得了良好的提速效果，平均每30 m造斜率為9.3°，平均機械鉆速為6.08 m/h，相較于常規的彎螺桿分別提高了105.49%與17.87%。

針對某些難鉆地層，在鉆進過程中存在跳鉆嚴重、鉆頭損壞等問題，現場進行了鉆井參數優化和使用沖擊鉆井工具進行提速［18］。常見的沖擊鉆井工具包括水力加壓器和射流沖擊器等，這些工具搭配高效鉆頭可使機械鉆速得到顯著提高。通過引入水力加壓器于鉆具系統中，加壓方式從傳統的剛性加壓轉為了水力柔性加壓，延長了高效鉆頭的使用壽命，為鉆頭提供了持續穩定的鉆進壓力，使鉆具在軸向上的振動顯著減輕，從而產生良好的減震效果并進一步提高了機械鉆速。同時，當鉆遇難鉆地層時，可以引入射流沖擊器來減小鉆柱摩擦，提升鉆頭的破巖效率。在焦石壩區塊的鉆井作業中，水力加壓器和射流沖擊器分別在21口井和16口井中進行了應用，結果顯示，平均機械鉆速分別提高了30%和38%。此外，僅需使用1只PDC鉆頭就能完成一個開次所需的鉆進作業［16］。

在鉆井作業過程中，會鉆遇一些可鉆性較差的地層，這些地層具備軟硬交錯變化大、易發生掉塊或坍塌的特點，導致常規鉆井速度較慢、周期較長。氣體鉆井技術能有效解決上述問題，并成功應用于川南地區的頁巖氣井鉆井作業中。川南某井區常規鉆井與氣體鉆井提速效果對比［18］如圖2所示。由圖2可知：L201-H1井導眼采用氣體鉆井，平均機械鉆速為6.62 m/h，較鄰井常規鉆井提高1.96倍；W201-H3井導眼采用氣體鉆井，平均機械鉆速為6.67 m/h，較鄰井常規鉆井提高3.25倍；LS2井導眼采用氣體鉆井，平均機械鉆速為2.92 m/h，較鄰井常規鉆井提高4.72倍［18］。由此可見，氣體鉆井技術的應用顯著提高了頁巖氣井的鉆井速度。

2.5" 精細控壓鉆井技術

精細控壓鉆井技術是指在鉆進、鉆井液循環、接單根等鉆井作業過程中，使用專用的精細控壓設備來控制不同工況下的環空壓力剖面，使得井底壓力相對地層壓力始終保持在近平衡、微過平衡、微欠平衡的一種狀態，實現對井底壓力的精確控制。該技術主要用來解決存在多壓力系統、窄安全密度窗口地層的安全鉆進難題［19］。截至目前，國內油田單位和鉆探公司在精細控壓設備的自主研發上已投入大量精力，形成了PCDS、CQMPD-I和XZMPD等典型的精細控壓鉆井系統。這些系統通常包含旋轉防噴器、鉆具止回閥、環空壓力隨鉆測量系統、自動節流管匯系統、回壓補償系統等工具設備。通過對環空壓力等數據的實時監測及分析，設計控制參數后完成相應控壓指令，并智能化調整井口回壓，最終實現井底壓力精準且迅速的閉環控制。

精細控壓鉆井技術已在長寧、威遠及焦石壩等多個頁巖氣區塊廣泛應用，有效避免了因鉆遇復雜地層所帶來的井漏、井涌及氣侵等復雜情況。CQMPD-I型精細控壓鉆井系統在威遠區塊的復雜井中實現了“零漏失、零復雜”，有效解決了井噴、井漏和井壁坍塌等問題。焦石壩區塊應用精細控壓鉆井技術前、后對比情況如表3所示。由表3可知，在焦頁49-3HF井中應用精細控壓鉆井技術后，鉆井液密度降低了60～130 kg/m3，機械鉆速得到顯著提高，復雜時效降為0，有效縮短了鉆井周期［16］。

2.6" 高性能鉆井液技術

頁巖地層發育大量層理且富含各種黏土礦物，盡管油基鉆井液能有效抑制黏土礦物的水化和膨脹［18］，但油基鉆井液的經濟成本較高、污染較大。借鑒國內外研發高性能鉆井液體系的成功經驗，研發形成了強化封堵、適度抑制、高效潤滑的高性能水基鉆井液［19］。高性能水基鉆井液體系的懸砂能力較強，含有微納米級顆粒，能有效封堵微裂縫，防止出現井漏現象；同時該鉆井液體系可以在井壁上形成致密且疏水的濾餅，從而減小鉆具起下鉆過程中產生的摩阻與扭矩［20］。為實現頁巖氣井水平段的安全高效鉆進，當遇到頻繁的井壁掉塊時，可考慮轉用油基鉆井液，以保障鉆進作業的順利進行。因此，采用高性能水基鉆井液的主要優勢在于能夠顯著降低油基鉆井液的需求量，并減少由此產生的油基巖屑量。

目前，高性能水基鉆井液已在威榮、永川及涪陵等多個區塊進行了廣泛的試驗研究和實際應用［19，21］。對W-3井和鄰井W-4井分別應用高性能水基鉆井液和傳統油基鉆井液，性能對比情況如表4所示。在2口井的水平段鉆進過程中，2種鉆井液體系表現出的各項性能參數相差不大，盡管高性能水基鉆井液的靜切力和高溫高壓濾失量略高于油基鉆井液，但仍在合理的設計范圍內。在W-3井的水平段3 950～5 470 m鉆進過程中，泵壓保持在19～23 MPa范圍內，而起下鉆的平均摩阻未超過180 kN。這表明高性能水基鉆井液能有效減小摩阻，減小泵壓，確保井眼的規則性，使得鉆進過程暢通無阻。同時，作業過程中未出現鉆具斷落、卡鉆、大量掉塊及井塌等問題，且鉆屑的懸浮能力較強，實現了鉆井、測井、下套管的一體化作業。因此，高性能水基鉆井液體系能滿足大多數區塊頁巖氣井的鉆井需求，表現出卓越的性能，有效支持了復雜井眼的安全鉆進和高質量儲層的開發。

2.7" 高效固井技術

在頁巖氣井鉆完井過程中面臨諸多挑戰，包括井眼形狀不規則、鉆井液與水泥漿相溶性較差、水平井水平段長度較長，這些因素導致水泥漿頂替效率低。此外，后期進行大型改造時容易出現套管變形和環空帶壓等問題，嚴重影響了井筒的完整性［22］。為攻克以上難點，通過深入研究和現場試驗，形成了套管安全高效下入、高效洗油沖洗隔離液、預應力固井等一系列固井工藝技術，顯著提高了頁巖氣井的施工效率并確保了井筒的完整性。

2.7.1" 套管安全高效下入

對于頁巖氣井長水平井段，若采用傳統的套管下入方式，則容易導致套管在下放過程中遇阻，而一般的“上提下放”方式可能在套管下放時產生巨大的軸向載荷，導致套管變形。為解決這一問題，國內研究人員引入了旋轉下套管和漂浮下套管技術［23-25］。

旋轉下套管技術的核心理念在于，當套管下入受到阻力時，通過旋轉整個套管串來減小套管與井壁之間的摩擦力，以便更有效地進行下套管操作；同時該技術也減小了對套管的沖擊載荷，降低了后期套管變形的風險，提高了套管下入的順暢性和安全性。目前，以長寧-威遠頁巖氣為代表，已在200多口水平井上推廣應用了旋轉下套管技術，這些井在后期壓裂作業中，套管變形丟段率和丟段長度比應用常規套管下入方式的井降低了25%～75%［23］。

漂浮下套管技術是將漂浮接箍安裝在套管管柱上，套管下部與上部分別充滿空氣和鉆井液，由于套管下部較輕，減小了套管對井壁的正應力，從而減小了套管下行過程中與井壁的摩擦，并降低了套管遇阻的風險。在昭通地區的頁巖氣井鉆完井過程中，采用漂浮下套管技術，大大縮短了套管下放所需的時間，有效解決了套管下入過程中可能出現的問題，減小了套管損壞的潛在風險。

2.7.2" 高效洗油沖洗隔離液技術

由于油基鉆井液與水泥漿相溶性較差，且會黏附在套管壁和水泥環上，使得油基鉆井液不易驅替，水泥環界面膠結性能變差以及固井頂替效率降低，導致后續壓裂施工作業無法正常進行。為解決以上難題，開展了高效洗油沖洗隔離液技術研究，研發了CXJ、BCS、LWG等多種隔離液體系。隔離液體系主要由懸浮穩定劑、沖洗劑及加重劑組成，體系內所含的表面活性劑能夠起到清洗界面油污的作用。高效洗油沖洗隔離液技術已廣泛應用于長寧、丁山及涪陵等地，固井優質率高，創造了良好的經濟效益［26］。

2.7.3" 預應力固井技術

在頁巖氣井完成固井操作后，通常需進行壓裂作業。然而，套管受到較高壓力易產生變形，導致套管和水泥環之間出現擠壓，且這種破壞不可逆。因此，在套管與水泥環的界面區域會出現微小的間隙，為氣體提供了上竄通道，最終導致環空帶壓現象的發生。為避免上述問題，引入了預應力固井技術，即在水泥漿凝固形成水泥環之前，通過增加套管內外的壓差，使套管在水泥漿候凝過程中處于被擠壓的狀態，產生向內的應變。盡管凝固后的水泥環內壁仍會出現塑性變形，但此時預應力條件下的套管會趨向于恢復其原始狀態，水泥環收縮時產生的微裂縫也將閉合，保證了套管與水泥環之間的密封效果［27］。

目前預應力固井技術已在部分頁巖氣井中得到應用，現場普遍采用清水或低密度水泥漿頂替，對于地層承壓能力較低的井，可以采取逐級憋壓的方式，從而有效控制套管內部壓力，以實現預應力固井的目標。

3" 頁巖氣鉆完井技術發展方向

在“碳達峰”“碳中和”的雙碳背景下，加快頁巖氣鉆完井關鍵技術的攻關對我國頁巖氣的安全高效開發至關重要。但目前還面臨著長水平段井眼軌跡控制困難、裝備自動化程度不夠、抗高溫高壓材料及配套工具裝備不成熟、井壁垮塌風險高、巖屑攜帶困難等難題。針對降低建井成本、縮短鉆井周期和提高單井產量的生產需求，亟需進一步加強頁巖氣鉆完井關鍵技術的攻關，建議從以下幾個方面進行改善。

3.1" 深化地質工程一體化研究

地質工程一體化開發理念是頁巖氣鉆完井技術發展過程中的一項重大突破，同時也是實現頁巖氣效益開發的關鍵。國內大多數頁巖區塊地質條件復雜，力學性質在橫向和縱向上差異較大，部分地層的頁巖較為破碎，導致頁巖優質儲層厚度減小，因此需深化地質工程一體化的研究，以實現頁巖氣的綠色、高效開發。

針對地質工程一體化的相關研究，需開展一系列的技術攻關［28］，具體表現在：①加深對頁巖儲層地質特征的認知，精確預測優質產能區域，構建更加精細的三維地質模型，并基于該模型的地層參數進行井眼軌道的精細優化；②積極建立頁巖氣水平井多學科一體化平臺，組建跨學科、多專業技術人員的一體化協同研究團隊，健全一體化運行機制以及多學科協同工作環境，指導地質工程一體化施工；③整合地質、鉆井、油藏、物探、測井等石油工程領域的數據，建立完整且流暢的地質工程一體化數據流，以消除數據孤島問題，實現數據的協同存儲和共享；④將人工智能、機器學習、云計算等新興技術引入地質工程一體化研究中，深化其核心理念和內涵。

3.2" 持續發展“一趟鉆”鉆井技術

目前，“一趟鉆”鉆井技術已成為頁巖氣鉆完井過程中降本增效的重要技術手段，并在國內多口頁巖氣井中推廣應用，但其技術與配套工具還需持續攻關。國外的“一趟鉆”鉆井技術發展較為成熟，部分氣田采用該技術實現了“一天一英里”的提速提效效果，極大地縮短了鉆井周期。國內部分井區雖已實現開次“一趟鉆”，但與國外仍存在較大差距，主要原因還是PDC鉆頭、導向鉆具、長壽命螺桿、鉆井液體系等方面的限制。為此提出以下建議［29-30］：①進一步研發綜合性能更高、使用壽命更長的高效PDC鉆頭，開展鉆頭與不同導向鉆井方式的適用性研究，并加強PDC鉆頭的個性化設計；②進一步提高導向工具的可靠性，升級完善國產旋轉導向、地質導向等系統，盡早實現商業化應用；③國內大部分地質導向工具只適用于水基鉆井液環境，而國外的同類工具在水基和油基鉆井液環境中均有成熟應用，因此應深入研究高電阻率井內介質中電磁波傳輸的機理，以實現在油基鉆井液環境下的高效無線短程通信；④國產常規螺桿與國外高端常規螺桿在長壽命、高性能等方面均存在較大差距，為打破國外產品壟斷，應盡快開展等壁厚大扭矩螺桿的技術攻關，并搭配個性化PDC鉆頭以提高破巖效率，進而提高機械鉆速。

3.3" 加快推廣叢式水平井鉆井技術

基于同一個鉆井平臺進行叢式水平井鉆井作業，可以有效擴大頁巖氣田的開發控制面積，并實現降本增效、節約用地、安全環保等良好的社會效益和經濟效益［12］。由于川渝頁巖氣富集區大多為山地、丘陵地貌，在川渝地區頁巖氣勘探開發中，叢式水平井鉆井技術應用較為廣泛，這對實現頁巖氣開發過程中的降本增效具有重要意義。

為加快推廣叢式水平井鉆井技術的應用，需要進一步增加布井數量，擴大頁巖氣的儲層開發范圍，提高作業效率并降低鉆井成本。此外，還需專注于優化井位部署、井眼軌跡控制、井組碰撞預防等方面的技術攻關。

3.4" 持續優化低成本高性能鉆井液體系

油基鉆井液較常規水基鉆井液有著更好的潤滑減阻能力和攜巖能力，在頁巖氣水平井中的應用效果顯著。盡管近年來通過降低油水比、回收利用等措施對油基鉆井液的成本進行控制，但其配制成本仍然較高且環保性較差，這對低成本高性能鉆井液的研發配制提出了更高的要求。目前，在頁巖氣鉆完井關鍵技術的攻關進程中，低成本高性能鉆井液體系正向著水基鉆井液方向發展，亟需結合頁巖儲層自身特點，研發相適應的高性能水基鉆井液體系，解決普適性難題，使其性能接近或超過油基鉆井液，以降低鉆井作業成本和環保處理費用。

3.5" 發展安全高效的優快鉆井技術

目前，頁巖氣的勘探開發不斷朝著深層、超深層邁進，意味著地質條件更為復雜，鉆遇井下復雜情況更加頻繁，因此發展安全高效的優快鉆井技術對于鉆井提速、縮短鉆井周期有著重要意義。為進一步改善優快鉆井技術的應用效果，建議從以下3個方面開展技術攻關［11］：①優化鉆壓、轉速、排量等鉆井參數，開展頁巖氣水平井長水平段巖屑運移規律研究，進一步研發巖屑床高效清除工具和可降解攜砂劑，提高井底攜巖效率；②進一步攻關研制承壓能力較高的堵漏材料、優化長水平段承壓堵漏工藝技術，開展封堵顆粒在裂縫動態變形空間內的運移規律研究，制訂針對性防治措施，提高裂縫封堵效果，保證水平井的井壁穩定；③進一步研發改善高性能、長壽命的鉆井提速工具，針對地層特點優選個性化高效鉆頭、低速大扭矩螺桿、水力振蕩器等工具，提高破巖效率及機械鉆速。

4" 結論及建議

（1）國外頁巖氣鉆完井關鍵技術發展較為成熟，已成為頁巖氣效益開發的重要支撐。國內頁巖氣開發雖起步較晚，但通過技術引進及自主研究，已取得諸多突破，并且在鉆井提速、降本增效、提高單井產量等方面具有較大提升空間。

（2）通過技術攻關，國內已形成地質工程一體化導向鉆井、叢式水平井鉆井、井身結構優化、優快鉆井、精細控壓鉆井、高性能鉆井液、高效固井等一系列頁巖氣鉆完井關鍵技術，均已在現場成功應用，并取得良好效果，促進了國內頁巖氣的效益開發。

（3）為進一步提高國內頁巖氣產量，加快頁巖氣的勘探開發進程，建議深化地質工程一體化研究、持續發展“一趟鉆”鉆井技術、加快推廣叢式水平井鉆井技術、持續優化低成本高性能鉆井液體系、發展安全高效的優快鉆井技術，為國內頁巖氣資源的高效開發提供有力保障。

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畢開原，工程師，生于1982年，2007年畢業于大慶石油學院石油工程專業，現從事鉆井工藝相關技術研究工作。地址：（300459）天津市濱海新區。電話：（022）59555866。email：biky@cosl.com.cn。2024-01-07王剛慶