北美页岩油气低成本钻完井技术及建议

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1、第 39 卷 第 5 期 2017 年 9 月石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING multiwell pad; horizontal well fracturing; integrated design基金项目：中石化科技攻关项目“石油工程技术装备发展趋势与战略对策” （编号：P15163） 。第一作者：叶海超 （1965-） ， 1989 年毕业于西南石油大学应用化学专业， 获学士学位， 现主要从事石油工程技术战略规划方面的研究工作，高级工程师。电话：010-84988083。E-mail：通讯作者：光新军（1986-） ， 主要从事钻井技术及石油工程战略规划方面的研究工作，

2、工程师。通讯地址：（100101） 北京市朝阳区北辰东路 8 号北辰时代大厦 9 层。电话：010-84988695。E-mail：在全球油气需求下降的背景下， 油气价格出现 下跌， 开发效益不断恶化， 美国页岩油气生产商纷纷采取相关措施来提高作业效率， 缩短建井周期， 降低 作业成本， 同时提高单井产能。目前采用的降本增553叶海超等：北美页岩油气低成本钻完井技术及建议效方式主要有 3 种：通过提高作业效率， 降低作业 成本；通过采用先进技术提高产量， 优化吨油成本； 优化内部管理， 实现垂直一体化。通过分析低油价 下北美页岩油气开发现状， 研究提高页岩油气开发 效益所采用的关键钻完井技术，

3、 结合我国页岩油气 开发现状和钻完技术难题， 提出低成本钻完井技术 攻关建议， 为国内页岩油气勘探开发和工程技术攻 关提供借鉴具有重要意义。1 北美页岩油气开发现状 Development status of shale oil and gas in the North America页岩油气商业开发以来， 产量持续增加。2014 年底受全球油气价格低迷影响， 钻井数量下降， 页岩 气产量 2015 年底达到顶峰后开始下降， 目前产量 12.19108 m3/d；页岩油产量 2015 年初达到顶峰后 开始下降， 目前产量 54.93104 t/d1。页岩油产量 受油价影响较页岩气敏感， 201

4、4 年底油价下降后， 页 岩油产量立即受到影响， 而页岩气产量在 2015 年底 才开始下降。这是由于油价较低， 而气价波动范围 不大， 部分公司停止或减少了页岩油的钻井数量， 而 转移或回到页岩气的开发上。进入 2017 年后， 北美 非常规油气钻机数量继续保持增长势头， 比 2016 年 谷底增加 281 台， 显示北美钻完井作业已经进入恢 复期。钻机数量增加、 钻井效率提高、 水平井单井产 量提高， 美国页岩油气总产量又开始呈上升趋势。 美国石油公司在低油价背景下非常重视提高 钻机效率和提高油气井产量， 虽然过去几年在用钻 机数量大幅下降， 但每台钻机产生的油气产量稳定 增长2。一是由于

5、将钻机移至页岩油气核心区， 提 高了单井产量；二是钻井数量下降， 作业者优先淘 汰老旧、 生产效率低下的钻机， 在用钻机生产效率较 高， 使得单台钻机产生的油气产量有所增加；三是 提高了钻井效率， 缩短了钻井周期， 单台钻机年钻井 数量增加。2 低成本钻完井技术 Low-cost drilling and completion technologies2.1 高效率可移动钻机 Efficient mobile rig 为了满足井工厂作业需要， 北美陆上钻井平台 中有 60% 具有移动能力， 其中 35% 是步进式移动钻 机， 25% 是滑动式移动钻机。可移动钻机的使用将 钻机在井口之间的移动时

6、间降至 30 min， 大量节省 作业时间和成本。快速移动钻机具有便携、 快速、 灵活、 安全等特 点。钻机的液压系统能使钻机稳定、 可靠、 安全、 精 确移动和举升。钻机转盘和驱动内置于钻台， 导轨 内置于桅杆上， 安装快速。钻机提升能力 1 089 t， 具 备钻丛式水平井和大位移井的能力。Veristic 公司 步进式移动钻机能在 8 个方向移动， 提高了钻机的 灵活性， 移动速度达到 15 min 移动 3 m， 减少了钻机 的搬迁时间， 从一口井移至下一口井整体搬迁。西 南能源公司利用该钻机在 Fayetteville 页岩气区利用 34 d 完成了 5 井组的井工厂钻井作业（表 1

7、） 。表 1 快速移动钻机与传统钻机经济性对比 Table 1 Economic comparison between the fast mobile rig and the tradition rig钻机类型搬迁需要 货车数量安装 时间 /h移动到下一 口井时间 /h钻 5 井组丛 式水平井 /d快速移动钻机122436834传统钻机19216487248为了进一步降低钻机作业成本， 钻机设计采用 小型化， 利用更少更轻的模块组件， 快速拆卸和组 装， 减少了运载车次， 提高了远距离井场间搬迁效 率。同时采用双燃料系统， 可使用柴油和天然气 2 种燃料， 使用存储的矿场天然气为钻机供应燃料可

8、 以节省油罐车运送柴油的成本， 同时使用天然气价 格较柴油低。 2.2 井工厂优化设计 Multiwell pad optimization design 2.2.1 单井场多产层开发 应用单井场实现多产层 共同开发， 充分利用一次井场， 降低井工厂作业井与 井之间的间距， 增加单个作业平台井数， 减少井场占 用面积， 通过共用土地、 钻井设备、 泥浆罐， 水处理系 统降低作业成本， 并通过工厂化作业提高效率， 实现 区块总体效益的提升。美国 Eagle Ford、 Permian 盆 地和加拿大 Montney 等盆地的页岩油气开发广泛采 用了这种方式。图 1 为 Laredo 石油公司在

9、Permian 盆地采用单井场多产层开发， 采用 20 个井工厂平台 钻 60 口水平井， 开发 4 个层位页岩油气， 作业成本 降低 6%8%3。 2.2.2 灵活式井工厂模式 由于储层在几十米范围 内变化很大， 传统井工厂模式可能导致部分井与储 层接触面积较少， 或所接触的储层品质较差， 产能达 不到预期。雪佛龙公司开发了灵活式井工厂作业模 式， 通过前几口井的数据采集来实时调整后几口井 的井身结构和井位， 提高井工厂开发的经济效益。 对 Permain 盆地 12 口井组井工厂对比发现， 虽然单 口井的净现值相差不多， 但是通过采用备用井位， 灵554石油钻采工艺 2017 年 9 月（

10、第 39 卷） 第 5 期活式井工厂模式的总净现值是传统井工厂模式的 2倍多4。2.2.3 井工厂批钻模式 井工厂批钻模式是指按照顺序批量完成多口井的表层、 直井段和水平井段的钻井作业， 通过采用流水化作业， 大大提高钻井作业效率5-6。批量钻井作业模式特点：（1） 可以利用多台钻机或一台钻机， 实现在同一井组中相同井段配置同样钻机和底部钻具组合， 节省大量换钻具时间；（2） 用多台钻机时， 先利用 559 kW 移动钻机进行表层钻井、 完井， 然后利用 1 118 kW 移动钻机进行垂直段和水平段钻进， 最后进行压裂， 多以 23 口井同时作业；利用单一移动式钻机时， 先按顺序钻多口井的直井

11、段， 再反向顺序钻水平井段， 最后进行压裂， 在 46 口井的井组中较为常见；（3） 多口井依次一开、 固井， 依次二开、 固井， 从而使钻井、 固井、 测井设备连续运转， 减少非生产时间， 提高作业效率；（4） 钻井液重复利用， 减少钻井液的交替：上部井段选用水基钻井液， 下部采用油基钻井液， 批钻井一开、 二开钻井液体系相同， 可重复利用， 尤其是减少了油基钻井液回收及岩屑处理时间， 降低了单井钻井液费用。图 2 为典型的井工厂井槽和井间距设计7-8。图 2 井槽和井间距布置情况 Fig. 2 Arrangement of well slot and well spacing2.3 钻井优

12、化设计Drilling optimization design2.3.1 井身结构 页岩油气开发早期， 由于地层情况的不确定， 生产套管强度低， 导致下入深度受限制， 多级压裂完井技术不成熟， 大多数作业者必须采用 3 层套管的井身结构设计。为降低钻完井成本， 简化了井身结构。西南能源公司在 Fayetteville 页岩 油气区的设计由最初的三开完钻减少为二开完钻。 导管、 表层套管和生产套管参数见表 2。表 2 西南能源公司 Fayetteville 页岩油气区套管参数 Table 2 Casing parameters of Fayetteville shale oil and gas

13、block of Southwest Energy Company套管 类型直径 / mm壁厚 / mm钢级、 扣型下入深度 /m导管406.4055F25012表层套管 244.4836H40， STC0309， 水泥返至地面生产套管 139.7017P110， CDC 02 519， 水泥返至地面挪威国家石油公司在 Eagle Ford 页岩油气区通 过优化后采用 2 层套管， 利用 244.48 mm 套管下至 1 702 m 封固 Midway 水层， 再用 139.7 mm 套管下 至 5 046 m， 井身结构优化前后对比见图 3。通过采 用 2 层套管设计， 在 Eagle Fo

14、rd 页岩油气区的建井 时间节约 10%， 节约钻完井成本 15%9-10。图 3 Eagle Ford 页岩油气井井身结构优化对比 Fig. 3 Comparison of casing program optimization of Eagle Ford shale oil and gas wells 图 1 Permain 盆地单井场多产层开发 Fig. 1 Development of multiple pay zones in one pad in the Permain Basin 555叶海超等：北美页岩油气低成本钻完井技术及建议2.3.2 井眼轨迹控制技术 北美页岩油气井井眼轨

15、 迹设计主要有 2 种， 一种是采用单一的圆弧剖面， 利 用 620 （） /30 m 增斜率实现较小的靶前位移。这种 设计的井眼曲率较大， 管柱的下入摩阻大， 容易发生 屈曲；另一种是采用双增剖面 “直增稳增 平” 剖面， 第一次增斜采用反向造斜， 增大靶前位移。 在两段增斜段之间设计了一段稳斜调整段， 以调整 由于工具造斜率的误差造成轨道偏离， 水平段前造 斜段全角变化率 12 （） /30 m。这种设计方式提高了 靶前距离， 增加命中油藏靶点的几率并增加泄油面 积11。 为降低钻井成本， 在地层相对简单、 井底温度较 低的情况下， 井下工具一般使用高效实用的 MWD 和导向泥浆马达， 以

16、滑动钻进方式钻造斜段， 以旋转 钻进方式钻水平段。但在地层复杂， 井底温度较高 的区块， 一般采用高造斜率旋转导向系统。挪威国 家石油公司在 Eagle Ford 页岩油气区钻井过程中， 由于钻井液循环温度较高， 在 104170之间， 先期 采用导向马达钻井时， BHA 失效引起的非生产时间 占整个非生产时间的 60%， 几乎所有的马达定子橡 胶块失效都发生在水平段。后尝试改变马达定子与 转子匹配设计、 采用等壁厚马达、 利用钻井液冷却器 降低循环温度等措施， 但 BHA 失效引起的非生产时 间还占 50%。为了减少非生产时间， 提高钻井机械 钻速， 采用高造斜率旋转导向系统使造斜段机械钻 速提高 240%， 水平段机械钻速提高 68%。通过提高 钻井效率， 弥补了采用旋转导向钻井系统所增加的 成本， 水平井延伸位移增加， 大幅度提高了总体经济 效益10。 2.3.3 钻井液