北美页岩油气低成本钻完井技术及建议

叶海超 光新军 王敏生 皮光林

中国石化石油工程技术研究院

北美页岩油气低成本钻完井技术及建议

叶海超 光新军 王敏生 皮光林

中国石化石油工程技术研究院

为了适应低油价环境，提高页岩油气开发效益，北美页岩油气生产商采取了一系列措施来降低作业成本，增加单井产量，取得了较好的经济效益。介绍了北美页岩油气开发现状，分析了提高页岩油气开发经济效益所采用的低成本钻完井关键技术，包括高效率可移动钻机、井工厂优化设计、钻井优化设计、完井优化设计、压裂液回收利用和一体化化设计与管理优化等，结合国内页岩油气开发现状和工程技术难题，提出了低成本钻完井技术攻关建议。围绕这些关键技术进行研究，尽快形成适应于我国的页岩油气低成本钻完井技术，对于经济高效开发页岩油气具有重要意义。

页岩油气；井工厂；水平井压裂；一体化设计

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，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12.19×108m3/d；页岩油产量2015年初达到顶峰后开始下降，目前产量54.93×104t/d［1］。页岩油产量受油价影响较页岩气敏感，2014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 technologies

2.1 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）。

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

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］。

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

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2～3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段，再反向顺序钻水平井段，最后进行压裂，在4～6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 spacing

2.3 钻井优化设计

Drilling optimization design

2.3.1 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 block of Southwest Energy Company

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Ø244.48 mm套管下至1 702 m封固Midway水层，再用Ø139.7 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 Ford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

2.3.2 井眼轨迹控制技术 北美页岩油气井井眼轨迹设计主要有2种，一种是采用单一的圆弧剖面，利用6～20（°）/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104～170℃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 钻井液技术 北美页岩油气开发过程中，有60%～70%的页岩水平井段应用油基钻井液，水基及其他类型钻井液体系占到了30%～40%。采用油基钻井液体系有利于井壁稳定、降低摩阻，确保生产套管顺利下到位，但油基钻井液成本高、不利于地层及环境保护，而常规油气钻井用的水基钻井液无法满足页岩水平井钻井需要。为了降低成本，在水平段钻井过程中针对储层特性不断评价和实施页岩水基钻井液体系，并有部分体系成功应用［12］。哈里伯顿、斯伦贝谢M-I公司、贝克休斯、Newpark等公司都先后研制和成功应用了多种高性能水基钻井液用于页岩气水平井钻井作业，性能接近油基钻井液［13-15］。同时，利用矿物油基钻井液取代柴油基钻井液，降低油基钻井液毒性和钻井液中芳香烃含量，减少后期处理成本和对环境的影响，虽然成本有所增加，但减少了后期HSE操作成本，提高了综合效益。使用油基钻井液时，使用钻井液循环利用系统去除钻井液中的固相颗粒，将钻井液循环利用，既节约成本又可以减少对环境的污染。西南能源公司在Fayetteville页岩气区采用该技术降低钻井液成本48%，降低后期处理成本55%，减少基础油31%。油基钻井液回收利用前后对比如图4所示［16］。

图4 油基钻井液回收利用Fig. 4 Recycling of oil-base drilling fluid

2.4 完井优化设计

Completion optimization design

2.4.1 压裂优化设计 为了增大裂缝与储层的接触面积，提高单井产能，采用多裂缝设计。通过加密射孔，缩短压裂间距，在同等长度水平段，可以布置更多的压裂级数。表3为康菲石油公司在Eagle Ford页岩压裂设计变化情况。

表3 康菲石油公司Eagle Ford页岩压裂设计参数Table 3 Design parameters of Eagle Ford shale fracturing by Conoco Phillips Company

压裂级数增加，压裂间距缩短，单位长度的压裂液用量和压裂砂量不断增加，压裂液量达到10.46 m3/m，加砂量达到2.24～2.98 t/m。Eagle Ford页岩油气区的支撑剂数量从2014年的1.76 t/m增加至2015年的1.81 t/m；Marcellus页岩区块支撑剂数量从2014年的2.39 t/m增加至2015年的2.53 t/m，预计将在2018年间增至2.98 t/m。为了降低成本，支撑剂以天然石英砂为主，采用滑溜水压裂的比例将增加。

2.4.2 完井方式优化设计 美国主要页岩盆地的生产测试数据表明，大部分产量（2/3）来自于小部分主裂缝（1/3），有1/3射孔簇对生产没有贡献。作业者针对储层各层位产油气特性，减少无效压裂层段，通过改进完井方式提高单井产能。页岩油气水平井分段压裂一般采用泵送桥塞射孔联作分段压裂技术或裸眼投球滑套压裂技术［17］。与泵送桥塞射孔联作分段压裂技术相比，裸眼投球滑套压裂技术可通过减少压裂液用量及降低施工周期降低成本，但该技术滑套位置在压裂过程中不能再被调整，而泵送桥塞射孔联作分段压裂技术灵活性强，压裂位置任意可选。在Bakken页岩油气区，Whiting石油公司和SM能源公司从滑套完井转移到衬管桥塞固井射孔完井。

2.4.3 重复压裂技术 重复压裂正成为作业者提高产能、降低作业成本的一种有效方法。重复压裂成本是新钻井钻完井成本的20%～35%，压后能恢复31%～76%的初产量，具有较好的经济效益［18］。北美页岩油气重复压裂井主要集中在Bakken、Barnett和Marcellus，重复压裂后的12个月，平均下降率56%，而新钻井的平均下降率为64%。在Bakken页岩区，重复压裂井的初始产能甚至高于新井初始产能。

重复压裂技术主要有机械隔离和化学封堵。机械隔离是采用挤水泥的方式堵掉老的射孔孔眼，然后钻掉水泥，再开始从水平井趾部到根部进行泵送桥塞作业。还可以采用可膨胀衬管封堵原有射孔，再重新射孔和压裂［19］。目前的重复压裂中使用最多的是化学封堵，其采用可降解生物暂堵剂，从水平段根部开始，逐步向端部延伸，通过恢复关闭的已有裂缝，打开新裂缝的方式提高产能。全井段处理步骤为：①地面加压泵入前置液，打开低压亏空生产段，泵入含砂压裂液；②泵入转向剂暂堵第一步压裂完的生产段；③重复步骤①和②，加压继续打开新的生产段，压后封堵；④所有层段压裂完毕后，暂堵剂降解，恢复生产。重复压裂作业风险高，不确定性大，目前仍处于技术验证阶段。

2.5 压裂液回收利用

Fracturing fluid recycling

页岩油气井压裂一般采用多级分段、高排量和超大液量的压裂模式，返排液量往往是常规压裂的十倍甚至十几倍。返排液中含有悬浮物、石油、重金属离子和细菌等，是一种污染性很强的废水。采用现场水循环系统，使现场水资源循环利用，节省成本且更加环保。水循环利用系统一般通过电凝聚和电浮选两级工艺对压裂返排水进行处理，电凝聚过程使油/水乳液破裂，促使油和悬浮的颗粒凝聚成为更大的颗粒。电浮选过程是产生像雾一样微米大小的气泡，将凝聚的颗粒上升到表面进行分离。处理工艺能将1～25 μm大小的油滴和悬浮颗粒凝聚和浮选。同时，也通过电氧化有效去除细菌和一些可在溶液中沉淀的离子。图5为压裂返排液处理原理图。

图5 压裂返排液处理原理Fig. 5 Treatment principles for the back flow of fracturing fluid

Approach资源公司通过对水资源的循环利用，降低单井钻完井成本45～100万美元。Encana公司Montney盆地的页岩油钻井采用的Omni公司车载水处理系统，单口井节省40万美元。

2.6 一体化设计与管理优化

Integrated design and management optimization

从北美页岩气开发的作业流程看，除工厂化钻井、交叉压裂可以降低成本外，底部钻具组合、钻井流体优化、完井设计、整体需求规划和计划、材料供应等一体化设计与管理方面具有充分优化空间。通过技术和管理优化，评价井钻完井成本达到1 290万美元，到区块开发时，单井成本能够降到730万美元。工厂化和交叉压裂能够降低约26%的成本。底部钻具组合优化、钻井流体优化、完井设计优化、需求计划、材料供应等一体化设计与管理优化能够降低约23%的成本。挪威国家石油公司在过去2年在Eagle Ford页岩油气区共钻井100多口，通过低成本钻完井技术和综合管理优化，钻井效率提高52%，钻井作业成本降低45%［10］。

3 建议

Suggestions

在全球油气供需日益宽松的背景下，页岩油气的价格出现下跌，开发效益持续恶化，美国主要页岩油气区钻井数量大幅下降，但钻井效率的提高了50%～150%，单井钻完井成本降低20%～30%，大部分页岩气井初始单井日产量超过20×104m3/d，表4为美国部分页岩油气区钻井周期及钻完井成本［20］，其埋藏深度与国内正在开发的页岩气埋深相当。中石化涪陵页岩气一期平均埋深2 700 m左右，水平段长1 500 m左右，单井综合成本为5 000～7 000万元，远高于美国单井平均综合成本。同时，国内页岩气单井日产量较低，中石化涪陵页岩气田平均单井产气量15×104m3/d，中石油页岩气单井产气量在（6.38～9.88）×104m3/d。国内在鄂尔多斯、渤海湾、松辽、准噶尔等油气盆地开展了页岩油的开发试验，但经济开发效益较差，尚未形成工业化生产能力，需要钻完井技术进步来实现降本增效［21］。

表4 美国主要页岩油气区钻完井成本Table 4 Drilling and completion cost of main shale oil and gas blocks in the USA

从钻井效率和单井产能方面考虑，国内页岩油气钻完井技术还具有较大的提升空间［22］，主要体现在：（1）工厂化模式较为单一，工厂化作业流程需进一步完善。目前采用单排单钻机或双排双钻机，单一钻机型号配备，没有真正实现工厂化作业；（2）井眼轨迹设计主要采用单一的圆弧剖面，靶前位移小，存在死气区；（3）钻井提速工具单一，机械钻速有待提高；（4）旋转导向等核心装备不成熟；（5）页岩水基钻井液和油基钻井液回收利用没有推广应用；（6）储层改造效果与规律的认识尚不深入。

在低油价背景下，国内页岩油气开发需要通过提高施工效率，缩短钻井周期，降低单井成本。同时，采用先进技术提高单井产量，优化吨油成本也是降本增效的一种有效方式。针对国内页岩油气开发难题，建议加快攻关一批钻完井关键技术，提升开发效益。

3.1 钻井技术

Drilling technology

（1）页岩气井工厂化钻完井技术深化研究。优化平台布置和钻机配置，不同开次井段采用不同类型钻机；采用单井场多产层开发，增大单井场井工厂数量，通过共用土地、钻井设备、泥浆罐，水处理系统降低作业成本；完善和定型不同区域工厂化钻完井技术模板，标准化、流程化实施，提升作业效率。

（2）页岩气钻井优化设计研究。通过研究“勺型井”轨迹设计减少“死气区” ，同时研发井眼相碰或下套管困难等关键难题，开发旋转导向系统等关键工具。简化井身结构，优化底部钻具组合，降低作业成本。

（3）高性能水基钻井液技术。完善和推广高性能水基钻井液，探索纳米材料在页岩气水基钻井液中的应用。

（4）钻井液、压裂液回收利用技术深化研究。虽然强化了钻井废弃物无害化处理，加大油基钻井液、压裂返排液回收利用，但是目前处理技术能力仍然需不断改进和提高，处理成本需要降低。

（5）高效率移动钻机。采用双燃料引擎和高性能移动钻机，减少钻机燃料成本，提高钻机移动和搬迁效率。

3.2 完井技术

Completion technology

（1）水平井水平段长度优化设计。研究提高水平段长度的经济和工程可行性。

（2）页岩气压裂优化设计研究。通过研究增加压裂段数（减小压裂簇间距），并加大支撑剂量，推广使用低成本天然石英砂支撑剂，提高单井产能，降低综合开发成本。

（3）页岩气完井优化设计研究。通过对已施工压裂井的压后评估，分析裸眼滑套压裂和分段桥塞压裂各压裂层段的产能贡献率，优化完井方式。

（4）重复压裂技术。评估页岩气重复压裂的经济效果，探索将膨胀管技术应用于重复压裂；采用屏蔽暂堵技术封堵原有裂缝后重新进行压裂作业产生新裂缝。

3.3 一体化设计与管理优化

Integrated design and management optimization

（1）一体化设计和管理。通过工程地质一体化设计、钻完井管理一体化、优化物流管理和材料管理、加强油公司和技术服务公司专业合作降低成本。

（2）应用学习曲线提高钻完井作业效率。作业公司在前期作业的基础上不断完善“最佳实践”，改进作业模式、技术方法等，提高钻完井作业效率、降低钻完井成本。如利用钻机实时数据分析，反映井队起下钻作业效率，通过学习作业效率最高的井队，来提高整体钻机队伍作业效率。

作者附言：在本文撰写过程中，在资料收集方面得到了中石化休斯顿研发中心赵金海和程亮的帮助，在此表示感谢！

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（修改稿收到日期 2017-08-27）

〔编辑 薛改珍〕

Low-cost shale oil and gas drilling and completion technologies used in the North America and the suggestions

YE Haichao, GUANG Xinjun, WANG Minsheng, PI Guanglin
SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China

In order to adapt to the environment of low oil price and improve the bene fi t of shale oil and gas development, the shale oil and gas producers take a series of measures to reduce the operation cost, increase single-well production and realize good economic bene fi t. In this paper, the development status of shale oil and gas in the North America was introduced, and the key low-cost drilling and completion technologies adopted to improve the economic bene fits of shale oil and gas development were analyzed, including efficient mobile rig, multiwell pad optimization design, drilling optimization design, completion optimization design, fracturing fluid recycling,integrated design and management optimization. Then, some suggestions on low-cost drilling and completion technology research were proposed based on the shale oil and gas development status and engineering technical difficulties in China. It is necessary to focus on researching these key technologies to develop low-cost shale oil and gas drilling and completion technologies which are suitable in China.It is of great significance to the economic and efficient development of shale oil and gas

shale oil and gas; multiwell pad; horizontal well fracturing; integrated design

∶

叶海超，光新军，王敏生，皮光林.北美页岩油气低成本钻完井技术及建议［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：552-558.

TE24

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0552– 07 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.004

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）。

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：yehc.sripe@sinopec.com

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，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：guangxinjun@126.com

: YE Haichao, GUANG Xinjun, WANG Minsheng, PI Guanglin. Low-cost shale oil and gas drilling and completion technologies used in the North America and the suggestions［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 552-558.