国内外页岩油钻井工程关键技术调研报告世界石油工业正在从常规油气向非常规油气跨越。

致密油和气是储集在致密砂岩或灰岩等储集层中的石油和天然气，油气经历了短距离运移，目前页岩气已成为全球非常规天然气勘探开发的热点，页岩油的相关研究也正在兴起。

致密油（页岩油）的商业化突破具，有三大战略意义：①延长石油工业生命周期，突破传统资源禁区和成藏理论，增加了资源类型与资源量；②引发了油气科技革命，推动整个石油工业理论技术升级换代；③改变了全球传统能源格局，形成以中东为核心的东半球“常规油气版图”，以美洲为核心的西半球“非常规油气版图”，影响世界发展秩序。

2005年-2010年北美在Barnett、Haynesville、Marcellus、Eagle ford等主要页岩气盆地开始大规模勘探开发，引发了一场页岩气技术革命，让美国天然气年产量重上6000亿方以上。

2010年将页岩气开发技术规模应用到致密油开发，比较典型的是Bakken页岩油：普遍采用超长水平井开发（水平井段长度达3000米左右），2016年巴肯致密油年产量超过3000万吨。

2014年下半年国际原油价格出现暴跌，并持续低位运行。

油公司和油服公司共同致力于“提高单井产量和降低建井成本”，引发了北美页岩油气的第二次革命。

图1-1 北美地区页岩油气产区目前，国内页岩油开发已经起步，并且取得一定的进展，但在理论技术革新和钻探技术换代上，依然处于摸索阶段，并未形成成熟的钻探配套技术。

（1）国外技术现状国外致密油的开发技术的最高水平，应属北美地区。

水平井钻井及多级压裂技术广泛应用促使北美形成致密油、页岩气比翼齐飞的局面，油气产量突飞猛进。

然而，随着经济发展的减缓，美国天然气价格持续低迷，越来越多的公司发现干气业务已难以维系公司盈利的需求。

2008 年以后，页岩气开发技术在致密油开发中的应用也取得了成功。

作业公司发现，从事致密油甚至湿气生产能够获得更高的收益。

鉴于此，越来越多的北美作业公司开始削减页岩气业务，将更多的资金和精力投入富含液态烃的致密区带。

与页岩气相似，致密油钻井几乎也经历了尝试、探索、学习、改进、成熟、推广的过程，同样是由于技术的进步，使钻井工作量不断增长、钻井效率不断提升、致密油产量获得突破。

北美是致密油开发较早的地区，随着技术的进步，美国和加拿大的致密油产量获得了巨大的突破。

国外关键技术1：工厂化作业模式美国致密油水平井开发中，广泛采用工厂化作业模式，其核心就是利用定制钻机进行丛式水平井的批量钻井，这些定制钻机为快速移动式电驱动钻机，便于实现钻机在井间的快速移动。

致密油储层的连续性为实施可重复性的工厂化钻井方式提供了契机。

在北美的致密油产区，工厂化钻井有效提高了作业效率，减少了钻井周期。

工厂化钻井是在同一井场集中布置多口井，利用一系列先进工艺、工具和装备，结合精益管理方法和远程监控，实施批量作业，实现降低作业成本提高生产效率的高效作业方式，它通过高移动性钻机、优化的井下工具组合、优化的井场作业、流水线式建井程序的集成，实现了远程控制、多方协调作业，并具有系统的优化方法。

国外关键技术2：井眼轨迹控制技术——旋转导向钻井系统在北美致密油水平井钻井中，常规旋转导向钻井系统的应用呈增长趋势，尤其是高造斜率旋转导向钻井系统应用效果十分显著。

斯伦贝谢和贝克休斯公司分别于2011 年和 2012 年推出的最大造斜率为17° /30 m 和15 ° /30 m 的高造斜率旋转导向系统，可用于钻直井段、造斜段和水平段，缩短了造斜段长度和靶前距，以更短的半径实现水平井的二开“一趟钻”完钻，从而减少起下钻作业，提高钻井效率，缩短钻井周期，简化井身结构，降低钻井的综合成本。

比如，2012 年初，在美国 EagleFord 页岩一口设计造斜率为 8（°） /30 m 三维水平井中，应用贝克休斯公司高造斜率旋转导向系统和定制PDC钻头一次下井钻进 3217.8 m，完成了直井段、造斜井段和水平井段的钻进，实现了二开“一趟钻”完钻，共用时5.95天，平均机械钻速 27.43 m/h。

国外关键技术3：远程控制钻井技术钻井自动化、智能化是钻井发展的大趋势，而远程控制可以减少现场人员，同时协调多学科团队力量将井眼轨迹更好地控制在目的层之中。

壳牌公司是远程钻井控制技术的先驱，第一个DART（通过钻井自动化和远程操作技术中心）于2011年开始运行。

DART 的作用是将定向钻井工程师、地质导向工程师和随钻工程师汇集到远程作业中心，进行远程钻井指挥，可同时进行3口井的随钻和定向操作，以及同时进行4口井的地质导向操作。

国外关键技术4：快速移动式交流变频电驱动钻机为使钻机更能适应致密油开发的要求，钻井承包商与设备制造商会针对作业区的地质情况建造更有针对性的钻机以提升钻井能力，减少作业时间和成本。

在用钻机多是大中型电驱动钻机，尤其是定制的快速移动式交流变频电驱动钻机，其次是小型机械式钻机，主要用于钻表层井眼。

交流变频技术使多参数电子司钻成为可能，从而使钻进控制可以参考更多的参数，如钻压、扭矩、DP、机械钻速等。

国外关键技术5：水平井钻头技术水平井最大化油藏接触，有效提高泄油面积，对于致密油产量的提升作用巨大。

钻水平井，尤其是长水平井，对钻头有更高的要求。

首先，要求钻头具有较好的造斜性能。

其次，由于较多地采用井下动力钻具，一般须适应地钻压、高转速。

此外，水平井钻井中，为了满足携带岩屑的需要，对钻头水力性能的设计也有一定的要求。

钻头技术主要通过在这几个方面进行改进，推出更加适应水平井钻井需求的钻头产品。

近两年新推出的针对水平井的钻头产品包括斯伦贝谢公司的 Spear PDC 钻头、休斯克里斯坦森 Talon 3D 钢体定向 PDC 钻头、哈里伯顿公司的固定切削齿钢体钻头、ReedHycalog 公司的Seeker定向钻头等。

大陆能源公司在巴肯地区采用斧型齿钻头创造单只钻头水平井一趟钻，钻完4650米水平段，平均机械钻速40.9 m/h。

国外关键技术6：针对地层岩性个性化钻井液设计针对各地层岩性的不同，开发出越来越多的个性化钻井液。

如在 Bakken 盆地钻进时，产层为粉砂质白云岩，在技套层段使用油基钻井液，而在水平段使用盐水钻井液。

一般这样做可以把钻井周期从 30 d 降到20 d，使用盐水钻井液，可以达到日进尺 762 m，使用油基日进尺最快只能达到 365m/d。

然而，在 Eagle Ford 页岩，除产层外，在上部Wilcox 和下部 Astin Chalk 钻进中也会出现裂缝性漏失，同时，井底温度相对较高、CO侵入等都是在该地区作业的主要问题。

针对这个情况，多家2公司开发了个性化的水基钻井液，性能上与油基钻井液相当，而低成本、提速、和保护油层优势更加明显，正在逐渐改变该地区以油基钻井液为主的格局。

国外关键技术7：大功率泥浆泵与高压循环系统水力性能是水平井钻井的的关键，相对于大勾载荷和绞车提升能力的更为关键。

7500PSI（52MPa）泥浆泵广泛应用，满足水力振荡器等提速工具、提高钻头水马力泥浆循环系统。

在水平钻井中，要想保持高机械钻速同时保证大量的固相能够及时清除，需要一个很好的泥浆循环系统来进行固控处理。

国外关键技术8：前沿的提速工具与检测系统①大扭矩螺杆、水力振荡器等，迎合大排量下工作，更大发挥钻井参数作用；②岩心三轴蠕变测试来摸索该地区的蠕变规律，并提供井身结构优化和泥浆性能的依据 (Zoback, Stanford University)；③顶驱驱动程序Soft-Torque：在难钻地层减轻粘滑，降低钻头及钻具组合损伤；④ WITSML标准录井数据通讯：提高实时监控效率，实时优化钻井参数；⑤地面录井仪器增加防粘滑警报程序SSA，帮助司钻实时监控并预判，在完全粘滑发生前做出相应调整。

（2）国内技术现状在国内从2008 年开始，中国石油集团公司借鉴美国非常规油气勘探开发成功经验，开始加强非常规油气成藏条件研究和工程技术攻关，并在部分油区开辟开发先导试验区、产业化示范区，初步形成了中国非常规油气地质理论认识以及甜点预测、快速钻完井、规模压裂改造等配套技术，但非所有工程技术服务企业能够全面掌握钻探技术。

图1-2 国内页岩油产区2010年以来，中国石油集团公司按照“搞清资源、准备技术、突破重点、稳步推进”的思路，稳步推进鄂尔多斯、准噶尔、松辽等重点盆地致密油勘探开发，形成了陆相致密油成藏理论认识，创建了陆相致密油地震甜点预测、测井“七性”评价、快速钻井、规模压裂改造等 4 项配套技术。

2014 年探明了中国第一个致密大油田——新安边油田，新增探明地质储量1×108t。

近两年，面对低油价形势，中国石油大力探索致密油低成本效益勘探开发途径，在鄂尔多斯盆地长7段、松辽盆地扶余油层、三塘湖盆地条湖组等致密油领域落实储量规模超3×108t。

目前已形成鄂尔多斯、松辽、三塘湖3 个规模致密油产区，产能规模超过160×104t。

国内现状1：装备配套不成熟、自动化水平低国内致密油埋藏主要以中深井、深井为目的层，加之致密油井钻井井型设计主要长水平井、分支井、径向水平井等为主，使得设计井深大大增加，钻探中，为满足“安全快速钻井”条件，国内的钻井泵、钻机将大大限制非常规钻井施工参数的设计。

国内钻机中2200功率的钻井泵配备数量较少，循环系统均在30MPa以内运转；顶部驱动装置仅在部分70D钻机配备；变频钻机、自动送钻系统更是少之又少；适合工厂化钻井的快速移动式电驱动钻机数量严重缺乏。

国内现状2：井下钻井尖端技术短缺国内没有国产旋转导向系统，国外引进的旋转系统价格高昂，加之国外对我国高端技术封锁，旋转导向系统、地质导向系统等离推广应用还有很长的路要走。

国内现状3：个性化钻头技术滞后由于致密油水平井岩性的特点以及压实条件层系特点，如三塘湖致密泥岩、碳质泥岩、玄武岩、凝灰质砂岩软硬交错；官东致密油孔二段主要为封闭半深湖环境下湖相（泥质）白云岩和混合沉积岩，千层饼状；其次钻进过程中定向技术的要求较高。

能够很好的适应上述条件的个性化或专用PDC钻头，目前缺乏。

非常规油气井数占比较少，国内钻头厂商专注于通用性钻头设计开发，对于新兴的致密油开发市场未能及时跟进，作出有效突出钻进效果的产品或没能在致密油钻井市场中占领优势。

国内现状4：个性化钻井液技术受限致密油有其特有的岩性特点，国内大部分致密油岩性差异性较大，但是国内影响钻井液技术发展的主要因素是服务价格限制，往往是在现有钻井液体系的基础上进行润滑、防塌、流变性等功能升级，并不具备独有的个性化钻井液技术，达不到北美个性化钻井液设计的高度。

国内现状5：高磨阻高扭矩解决办法单一。