推动页岩气开采技术革新大盘点

■ 孟 伟

推动页岩气开采技术革新大盘点

■ 孟 伟

技术变革改变了人们的生活方式，智能手机、无人驾驶汽车以及增强现实技术早已进入大众的视野。同样，技术变革也对我们的工业体系产生了深远的影响，尤其是油气行业。低油价环境下，许多石油企业采取了降低成本的办法以求度过严冬。而从页岩气开发领域的经验来看，降本增效的最好方法莫过于技术革新，那么在2016年，哪些最新技术能够帮助石油行业完成这个使命？

页岩气革命

一个行业的发展离不开方法的改进和效率的提高。而近些年来，石油行业的繁荣主要得益于先进技术和先进工具的大量应用，从而造就了运营效率的指数式增长。

创新和技术进步带来的影响在页岩气领域尤为显著。美国页岩气之父George Mitchell带头推动了水力压裂法的使用，这项突破性技术带来了美国2010年以来的页岩气繁荣。

页岩气开采被认为是本世纪迄今为止最为伟大的创新，但事实上这并不是一项新技术，而是由上世纪90年代末的技术发展而来。这种技术发展开创了一个崭新的页岩时代，同时也推动了美国油气行业的革命。

目前，油气行业正面临着因油价大幅波动而带来的诸多挑战。如果石油企业能够通过使用新技术、新工具来提高效率，那么企业不仅能够在严酷的环境下生存下来，甚至还能够逆势而上。

在页岩气开采领域，生产商们已经尝到了创新带来的甜头：技术革新使得水平井钻井效率显著提高，钻井成本大幅下降，水平井的最大长度也随之延长。

EIA近期的一份报告表示，美国的页岩油气的前景取决于未来25年钻井技术的发展速度。虽然美国目前的页岩油气产量仍持续减少，预计2017年的产量为420万桶/天，但随着技术进步速度的加快和油价回升，美国的页岩产量将在2040年达到1290万桶/天。EIA认为，产量的增长主要得益于油价的回升以及新油田的不断发现。

为了实现可持续发展，石油业需要通过大量的实验、分享良好实践以及新技术和现有技术的应用来实现自我革新。

如今，页岩生产商们如果还想进一步提高效率，创造更多的价值，那么他们应该重点关注并发展以下几个领域：钻头和切削工具、地面钻井设备、定向井工具和批量钻井技术。

据了解，以上几种技术在过去8年中已经帮助石油生产商将钻井效率提高了35%以上。在未来的两年中，由于石油行业改革步伐加快、技术进步以及油企不断发展的压力，钻井效率还将继续提高15%～20%。

新型钻头和切削工具

在过去的35年中，钻头对整个钻井行业的影响之大远超其它工具和技术。钻头技术的进步，引领了钻井技术的快速发展。

PDC钻头切削效率，主要受到切削齿位置分布、切削齿尺寸以及刀片数量和种类的影响。随着以上几个因素的不断改进，PDC钻头效率也得到了极大的提高。

钻头技术已经从三牙轮钻头发展到了如今的PDC钻头。当然，三牙轮钻头和TCI钻头并没有完全退出历史舞台，只是PDC钻头现在作为一种最为主要的钻井方式，极大提高了钻头破碎坚硬岩石的能力。

过去，每钻一个井段需要消耗3～4个钻头。而现在，随着PDC钻头的应用，作业者每钻一个井段只需消耗2个钻头，还不会影响机械钻速。此外，现如今的钻头在进行生产层井眼作业时，可以最大程度的降低反扭拒，保证造斜作业阶段定向钻具的稳定性。

加强型PDC钻头不仅不会降低机械钻速，还能大幅提高钻头破岩速率。大约10年前，在美国的Haynesville页岩区进行过水平井钻井，当时钻一口4,300 ft深的水平井（测深为16,800 ft）大约需要54天。此后，每口井消耗的钻头数量持续下降，同时机械钻速不断提高。到2015年时，钻一口同样的井大约只需34天。

地面钻井设备

尽管钻机设备的发展速度并没有PDC钻头那么快。但在过去几十年，钻机设备还是取得了很大的进步。同时，在我们今天所谈的这几个领域中，未来钻机技术对钻井效率提升的潜力是最大的。

随着交流电钻机的应用，定向井和水平井的钻探难度逐渐降低。然而，随着水平井深度增大，作业者必须时刻关注每一个钻机的工作性能。

比如说，当页岩气水平井技术刚刚起步的时候，路易斯安纳州政府规定：水平井水平段长度不得超过4600英尺。在这种情况下，具有5000磅/平方英寸泵压的钻机可以高效完成测深为16000 英尺的钻井作业。但是，随着技术升级，关于水平段最大长度的限制增加到了7500英尺，再然后增加到了10000 英尺。

同时，5000磅/平方英寸泵压的钻机已经难以满足更高的要求。因此，钻井承包商把钻机的泵压增加到了7500磅/平方英寸。

如今，7500磅/平方英寸的钻机已经成为了大部分钻井承包商的标准配置。同时，人们仍在不断努力提高钻头的钻压和机械钻速，Keith Arnold相信这个领域还会出现更多的技术革新。

定向井工具

定向井钻井设备只有在定向测量工具和井下动力钻具的配合下才能高效运转。一旦定向测量工具和井下动力钻具失效，那么钻井所用时间和成本将非常惊人。

安装井下动力钻具的时候，需要根据不同的井眼条件来调整它的功率等级和转子频率。而安装定向井测量工具时需要考虑到泥浆种类、泥浆特性和最大井底温度。

这些设备对整个钻井作业都是至关重要的，已经通过采用高强度材料和提高设计标准提高了定向井工具的一些性能，比如抗弯曲能力、扭矩输出和造斜能力，同时不会影响可操作性和机械钻速。

正是由于这些工具的性能不断增强，定向井作业才变得越来越简单、越来越精确。同时，造斜过程的可预测性也越来越强。2010年，每个造斜过程大约需要7天，如今只需要一半的时间，甚至有时候只需要2天。

在东德克萨斯Haynesville页岩区，随着大直径定向井工具的应用，定向井和水平井作业所需的时间明显变化。同时，随着井下动力工具性能的提高，水平井段钻杆所能承受的转速大大增加，也就是说机械钻速得以提高，钻井所需时间变短。

批量钻井技术

由于水平井通常包含定向井段，因此人们意识到如果将多口井整合到一个井口的话，将会节省大量的时间和成本。正是由于批量钻井技术的出现，作业者在钻多口井的时候避免了移动钻井设备的麻烦。与四、五年前相比，批量钻井技术使得钻井效率提高了75%以上。

如今，批量钻井技术的应用已经十分普遍。在页岩区，一个井场最多可以包含10口井，平均每口井可以节省3～4天的钻井时间。此外，作业者甚至可以利用批量钻井技术的优势同时对多口井进行压裂作业。

此外，随着钻机设备集成化程度的升高，钻机设备的灵活性也随之提高。钻井设备在井场之间的移动只需要几个小时。同时，由于钻机设备的集成化，运营商在同一井场进行多井作业时，只需更换一次泥浆循环系统即可。

批量钻井技术的一个明显的缺点就是在完井作业之前，批量钻井所需的投资非常高。然而，在有些情况下，批量钻井能够提高完井速度，大大降低整体钻井时间。

黎明即将到来

以上几个领域中，钻头技术仍旧是降低钻井成本的关键因素，而地面钻井设备的影响紧随其后。另外，电缆钻杆也是一项提高钻井效率的技术，该技术可以更快地检测井眼条件和井下工具的变化，防止卡钻的发生。页岩气领域近几年的技术进步以及效率的提高让人印象深刻，而这种技术革新还会继续下去。

对于运营商来说，这些新技术的应用与否很可能决定其成败。为此，广大的作业人员和研究人员需要共同分享彼此的良好实践和成熟经验，积极主动拥抱新技术，提高作业效率。相信技术革新将会引领石油行业摆脱困境，走向下一个辉煌！