美国页岩气水平井钻井提速提效案例与启示摘 要：自２００４年起，美国开始大规模应用水平井开发页岩气，水平井钻井数量呈爆发式增长。
随着技术的进步，美国页岩气水平井的平均水平段长度不断增加，钻井周期不断缩短，单位进尺钻完井费用持续降低。
通过美国的Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ气田、Ｍａｒｃｅｌｌｕｓ页岩气产区、Ｅａｇｌｅ Ｆｏｒｄ页岩气产区３个案例，具体分析了该国页岩气水平井钻井提速提效措施，主要包括简化井身结构，应用工厂化作业模式及配套钻机，采用个性化高效钻头及油基钻井液，以及高效实用的常规导向钻井技术或旋转导向钻井技术。
最后针对我国现状，提出了大力推行工厂化钻井、加快发展旋转导向钻井、重点发展个性化钻头和钻井液、提高钻井设备可靠性和耐用性等建议。
关键词：美国 水平井 钻井 页岩气 钻井周期 提速提效 启示ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３０２ｘ．２０１３．０６．０１２杨金华 田洪亮 郭晓霞 吕建中 何艳青中国石油集团经济技术研究院＊基金项目：国家科技重大专项“我国油气勘探开发工程技术和装备发展战略研究”（编号：２０１１ＺＸ０５０４３－００３）部分研究成果。
第一作者简介：杨金华，１９６３年生，高级工程师，现主要从事钻井技术跟踪与战略研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｊｈ＠ｃｎｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ美国水平井钻井数量从２０００年的１１４４口快速增至２０１２年的１７７２１口，占年度钻井总数的比例从２０００年的３．６８％升至２０１２年３６．６５％，预计２０１３年美国水平井钻井数将逼近２００００口大关。
美国水平井钻井进尺从２０００年的２３７．７４×１０４ｍ快速增至２０１２年的６９７９．９２×１０４ｍ，占比从２０００年的５．２３％升至２０１２年６０．３３％。
从２０１０年起，美国水平井钻井进尺超过直井钻井进尺，水平井取代直井成为钻井工作量大的井型。
美国用于钻水平井的在用旋转钻机数从２０００年的５５台增至２０１２年的１１５１台，占比从２０００年的６％增至２０１２年的６０％。
也就是说，２０１２年美国新钻井数２／３以上是水平井，年度钻井总进尺中有六成进尺是水平井钻井进尺，有六成的在用旋转钻机用于钻水平井。
从２００４年起，美国水平井钻井数呈爆发式增长，主要原因是从这一年起美国开始大规模应用水平井开发页岩气。
近几年，美国新钻的水平井大部分用于开发页岩气，开发致密油的水平井也越来越多。
随着技术的进步，美国页岩气水平井钻井周期不断缩短，单位进尺钻完井费用持续降低，水平井为美国“页岩气革命”立了头功［１］。
下面具体分析美国３个页岩气产区的３个水平井钻井案例的提速提效措施。
１ 案例一：美国Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ气田Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ气田是美国多个页岩气田中产量上升较快的一个，从２００４年开始开发，仅用６年时间产量就达到２７×１０８ｍ３／ｄ，平均钻井周期和钻完井成本逐年下降。
美国西南能源公司是开发Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ页岩气的主要油公司之一，其旗下的ＤｅＳｏｔｏ钻井公司是钻井周期和钻井成本降低的主要执行者。
他们应用高效实用的主体技术和个性化技术，通过工厂化钻井，逐步将水平井平均钻井周期减至８ｄ以内。
１．１ 钻井概况西南能源公司２００４年开始钻探Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ页岩，２００５开钻水平井，２０１０年年钻水平井数增至６５５口，２０１１年因天然气价格走低，水平井钻井数量停止增长，２０１２年进一步回落至４９１口（图１），２０１３年计划钻水平井３９０井，其中一季度已投产水平井１０２口。
随着技术的进步，平均水平段长度不断增加，从２００６年的７０１ｍ杨金华 等：美国页岩气水平井钻井提速提效案例与启示增至２０１３年一季度的１５０６ｍ，而“造斜段＋水平段”平均钻井用时不但没有增加，反而从２００６年的１８ｄ缩减至２０１３年一季度的５．４ｄ，加上直井段的钻井用时，平均钻井周期已减至约７．９ｄ（平均井深约２８００ｍ）。
尽管水平段长度和压裂段数不断增长，平均单井钻完井成本不升反降，２０１３年一季度已降至２１０万美元／井。
截至２０１３年３月底，该公司在Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ页岩气产区共有２９６口水平井的“造斜段＋水平段”钻井用时不超过５ｄ。
２０１３年一季度投产的１０２口水平井中，有５３口井的“造斜段＋水平段”钻井用时不超过５ｄ，其中２５口井的“造斜段＋水平段”钻井用时只有２．５ｄ，全井钻井周期大约５ｄ（平均井深约２８００ｍ，平均水平段长度约１５００ｍ）。
１．２ 钻井提速提效措施水平井钻井提速提效如此明显，是多项措施集成应用的结果。
１．２．１ 简化井身结构为降低钻完井成本，简化了水平井的井身结构，除φ４０６．４ｍｍ（１６ｉｎ）导管外，套管层数从３层简化为２层（图２）：φ２４４．４７５ｍｍ（９５／８ｉｎ）表层套管通常下至３１０ｍ左右，φ１３９．７ｍｍ（５１／２ｉｎ）生产套管下至井底。
２０１０年平均垂直井深为１１３６ｍ，平均水平段长度为１３４６．６ｍ，平均测量井深为２６２６ｍ，平均压裂段数１０段。
１．２．２ 普遍应用工厂化作业模式及配套钻机西南能源公司在Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ页岩气产区普遍应用工厂化作业模式——丛式水平井批量钻井（ＰａｄＤｒｉｌｌｉｎｇ），其流程是先用车载小钻机钻表层井眼并固井，安装好防喷器以后钻直井段至造斜点，然后将车载小钻机移到同井场的下一口井进行同样的操作，直到完成同井场各井直井段钻井作业。
随后用大钻机依图１ 美国西南能源公司在Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ页岩气产区水平井钻井情况（数据来源：美国西南能源公司历年年报）次完成各井的钻造斜段和水平段作业，接着下生产套管并固井。
ＤｅＳｏｔｏ钻井公司２０１２年底拥有１４台钻机，除几台小型钻机外，其余是大型钻机。
这些大型钻机均为电驱动自动化钻机，配备了顶驱、顶驱下套管设备、井口自动化设备、一体化司钻控制室等自动化设备，属步进式钻机，通过安装在钻机底座４个角上的液压大脚实现井间快速移动，从一个井口移动到另一个井口一般只需１￣２ｈ［２］。
１．２．３ 应用个性化的高效钻头和油基钻井液用空气和三牙轮钻头钻表层井眼，然后固井及安装防喷器，接着用空气和ＰＤＣ钻头钻直井段至造斜点。
用定制的ＰＤＣ钻头和油基钻井液钻造斜段和水平段。
通常钻１口水平只需起下钻３次，“造斜段＋水平段”一般只用１只钻头，即实现“一趟钻”。
１．２．４ 应用高效实用的常规导向钻井技术为降低钻井成本，使用高效实用的ＭＷＤ和导向泥浆马达，主要以滑动钻进方式钻造斜段，以旋转钻进方式钻水平段。
２ 案例二：美国Ｍａｒｃｅｌｌｕｓ页岩气产区在美国的页岩气开发中，常规导向钻井因成本相对较低，得到了广泛应用。
为了提高导向精度和效率，旋转导向钻井的应用不断增加。
为缩短靶前距，增加水平段长度，提高油气产量，近两年斯伦贝谢和贝克休斯公司相继推出了高造斜率旋转导向钻井系统，其最大造斜能力范围为１５°～１８°／３０ｍ。
美国Ｒｉｃｅ能源公司在Ｍａｒｃｅｌｌｕｓ页岩气产区利用贝克休斯公司的高造斜率旋转导向钻井系统（ＡｕｔｏＴｒａｋ Ｃｕｒｖｅ系统）连续实现了１６口水平井“造斜段＋水平段”的一趟钻，平均钻井周期相应地锐减４０％以上。
２．１ 钻井概况２０１２年Ｒｉｃｅ能源公司在Ｍａｒｃｅｌｌｕｓ页岩气产区的１６口水平井中成功应用了贝克休斯公司的ＡｕｔｏＴｒａｋＣｕｒｖｅ系统。
这１６口水平井均属三维复杂井，造斜段的设计造斜率为８°～１０°／３０ｍ，目标窗口小，水平段长。
此前的１３口邻井需先用弯度较大的导向泥浆马达钻造斜段，再起钻换用弯度较小的导向泥浆马达钻水平段。
改用ＡｕｔｏＴｒａｋ Ｃｕｒｖｅ系统钻各井的造斜段和水平段，均实现了一趟钻。
尽管“造斜段＋水平段”的平均钻井进尺从先前的１８１３．８ｍ增加到了２５０８．５ｍ（图３），但平均钻井用时从１５．８ｄ减至７．６ｄ（图４），锐减５１．９％，而平均日进尺从１１４．５ｍ增至３２８．７ｍ，提高１７８％。
加上直井段钻井用时，平均钻井周期锐减４０％以上。
２．２ 钻井提速提效措施２．２．１应用集地质导向于一体的高造斜率旋转导向钻井系统ＡｕｔｏＴｒａｋ Ｃｕｒｖｅ系统的直径φ１７１．４５ｍｍ（６３／４ｉｎ），长度为１１．６ｍ，设计造斜能力达１５°／３０ｍ，集成了近钻头杨金华 等：美国页岩气水平井钻井提速提效案例与启示地质导向仪。
２．２．２应用适合高造斜率旋转导向钻井和页岩地层的个性化ＰＤＣ钻头为适应页岩地层和“造斜段＋水平段”一趟钻需要，要求ＰＤＣ钻头要具备很好的可导向性和耐磨性，要有足够长的使用寿命，为此贝克休斯公司定制了一种６刀翼ＰＤＣ钻头（图５），应用表面抛光的大尺寸ＰＤＣ复合片（１９ｍｍ），并配置一些辅切削齿——表面抛光的１６ｍｍ ＰＤＣ复合片，同时优化了钻井参数。
３ 案例三：美国Ｅａｇｌｅ Ｆｏｒｄ页岩气产区利用高造斜率旋转导向钻井系统不仅能实现水平井“造斜段＋水平段”一趟钻，还能实现水平井二开“直井段＋造斜段＋水平段”一趟钻完钻。
例如，２０１２年初，在美国Ｅａｇｌｅ Ｆｏｒｄ页岩气产区的１口水平井中（这是１口三维水平井，造斜井段的设计造斜率为８°／３０ｍ），应用贝克休斯公司的φ１７１．４５ｍｍ（６３／４ｉｎ）ＡｕｔｏＴｒａｋ Ｃｕｒｖｅ系统和φ２２２．２５ｍｍ（８３／４ｉｎ）ＰＤＣ钻头一次下井钻开表层套管的套管鞋，从８０１．９ｍ钻至总井深４０１９．７ｍ，共钻进３２１７．８ｍ，其中包括直井段、造斜井段和水平井段，实现了二开“直井段＋造斜段＋水平段”一趟钻完钻，减少了两次起下钻，共用时５．９５ｄ，平均机械钻速为２７．４３ｍ／ｈ，比邻井缩短２．５ｄ，节省钻井费用约８００００美元。
４ 启示与建议通过以上案例，得出如下启示：（１）钻井提速提效是一个系统工程，不仅需要管理创新和技术创新，还离不开经验的学习与积累。
（２）“工厂化钻井＋高效实用的主体技术＋个性化技术＋经验学习”可稳步提速提效，“工厂化钻井＋高新技术＋个性化技术”可实现提速提效的飞跃。
（３）在美国非常规油气开发中，简化水平井井身结构、实现“造斜段＋水平段”一趟钻也是提速提效的重要措施。
随着技术的进步，“造斜段＋水平段”一趟钻已经不足为奇。
因高造斜率旋转导向钻井系统和２．２．３ 通过远程实时作业中心实时优化地质导向在钻这些三维水平井的造斜段和水平段期间，贝克休斯公司通过远程实时作业中心开展实时数据分析，优化地质导向，确保井眼在页岩层中的最佳位置延伸［３］。
个性化技术的应用，水平井二开“直井段＋造斜段＋水平段”一趟钻已成为现实，尽管还只是个案，但代表着水平井钻井的一个重要发展方向。
（４）我国水平井钻井提速提效不断取得进展，水平井钻井周期不断缩短，但综合水平与美国相比还有较大的差距，这也说明我国水平井钻井提速提效潜力还很大。