張紹槐

西安石油大學(xué)

1 中國頁巖氣資源量與產(chǎn)量

國際行業(yè)預(yù)測在2040—2050年期間天然氣將超過油和煤成為世界第一主要能源，而且減少環(huán)境污染，常規(guī)和非常規(guī)油氣資源同時(shí)開發(fā)，世界將進(jìn)入天然氣時(shí)代。中國提出了相應(yīng)的規(guī)劃和舉措與世界同步進(jìn)入天然氣時(shí)代，其中康玉柱院士戰(zhàn)略設(shè)想見表1［1］。

表1 非常規(guī)氣戰(zhàn)略設(shè)想Table 1 Strategic assumption on unconventional gas

專家們認(rèn)為中國非常規(guī)油氣資源十分豐富，勘探潛力巨大，為實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)展的第三次大跨越做出貢獻(xiàn)。中國頁巖氣勘探開發(fā)始于2005年，資源潛力大且地質(zhì)條件優(yōu)越，總資源量達(dá) 100 ×1012m3，相當(dāng)于常規(guī)天然氣量的2倍以上［1-6］。頁巖氣井日產(chǎn)量不斷提高，2018年8月，川慶鉆探頁巖氣井平均日產(chǎn)量又創(chuàng)新紀(jì)錄，4口井測試日產(chǎn)合計(jì)超百萬m3。威 202H13 平臺(tái)平均完鉆井深 4 602.8 m,平均水平段長 1 886.5 m，其中 5 井水平段長 2 200 m，4口井儲(chǔ)層鉆遇率均達(dá)100%［2］。

2 頁巖氣開發(fā)中地質(zhì)和鉆完井—生產(chǎn)作業(yè)的難點(diǎn)及對(duì)策

2.1 作業(yè)難點(diǎn)［7］

(1)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。中國頁巖氣資源埋深普遍大于美國五大盆地，深達(dá) 3 500～4 000 m。頁巖氣盆地之間的地質(zhì)和成藏條件有差異，需要根據(jù)各地區(qū)地層的成層年代、巖性—巖礦組成、巖石力學(xué)特性(特別是脆塑性，脆性大的水力壓裂有效；塑性大的水力壓裂效果不好，要另想辦法，例如可以用氣體鉆井和/或多分支井等)、地球物理和地球化學(xué)響應(yīng)特征等進(jìn)行分析研究，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測測得數(shù)據(jù)再經(jīng)模擬試驗(yàn)，才能用于技術(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)新發(fā)現(xiàn)新開發(fā)的頁巖氣藏還要用巖心—巖樣進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

(2)頁巖氣的鉆井(水平井)、完井、水力壓裂(氣體鉆井)、采氣、電測、測試等系列作業(yè)交叉進(jìn)行，“井工廠”作業(yè)方式有效但比較復(fù)雜。頁巖氣一口探井成本平均近1億元。初步測算一口井日產(chǎn)氣 (4～5)×104m3才有效益。

(3)地層可鉆性差，摩阻扭矩大，鉆速低，鉆頭選型難。頁巖地層漏失嚴(yán)重，防漏堵漏工作量大。在有些地質(zhì)條件和井眼條件下需要用氣體鉆井、泡沫鉆井、欠平衡鉆井。

(4)井壁垮塌、漏失和井壁失穩(wěn)現(xiàn)象普遍，對(duì)鉆井液、完井液要求高。

(5)頁巖氣井井身軌跡控制難。頁巖氣開發(fā)大多采用水平井、多分支井，其井身軌跡往往比常規(guī)油氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的井身軌跡更難控制，需要使用地質(zhì)導(dǎo)向、高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等新技術(shù)。

(6)固井質(zhì)量難以保證，這是由于井徑變化大以及長水平段套管居中度差、頂替難、水泥環(huán)質(zhì)量差、水泥膠結(jié)質(zhì)量差。

(7)完井方法。目前頁巖氣井的完井方法主要是下套管或下尾管后注水泥射孔完井，也用篩管、裸眼完井方法。這都對(duì)頁巖氣井不完全適合。因?yàn)榇蠖鄶?shù)頁巖氣井必須壓裂，尤其在長水平段、分支井段要實(shí)行規(guī)模壓裂、分段壓裂、分段多簇壓裂，最好研發(fā)頁巖氣專用的智能完井新技術(shù)。

(8)壓裂技術(shù)。由于頁巖地層低壓、低滲、低豐度的“三低”特點(diǎn)等原因，需要使頁巖氣層、氣藏成為“人造氣層、氣藏”進(jìn)行強(qiáng)化壓裂。但是裂縫長度有限，井距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂縫長度，裂縫達(dá)不到的地方，頁巖氣還是出不來。

2.2 開發(fā)對(duì)策［7］

用系統(tǒng)工程的技術(shù)和工廠化作業(yè)方式闡述頁巖氣開發(fā)，研究整個(gè)系統(tǒng)工程，重點(diǎn)探討以上8個(gè)方面問題，還有頁巖氣“工廠化”施工作業(yè)、井眼軌道設(shè)計(jì)和控制比常規(guī)井難度大、要求高，從直井段到水平段宜用高造斜率的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具鉆斜井段，可以增加垂直段長度，增加井身與油藏的接觸面積，如圖1所示。

圖1表明：高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠使造斜點(diǎn)下移，增大直井段、水平段長度，增加油藏接觸面積，并便于“工廠化”作業(yè)。近年來斯倫貝謝、貝克休斯等公司在原有RSS的基礎(chǔ)上研發(fā)了高造斜率(15～17(°)/30 m)和一趟鉆多功能的新型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具(RSS)等。

圖1 高造斜率軌道可增加垂直段長度、水平段長度與油藏接觸面積Fig.1 The track of high build-up rate which can increase the vertical section length,horizontal section length and oil reservoir contact area

目前中國石油60%以上的水平井都需要采用分段壓裂，最多分段20段，水平井段最長為3 000 m，單井最大壓裂液用量超過20 000 m3，最大加砂超過1 600 m3，普遍實(shí)現(xiàn)了“千方砂子萬方液”的壓裂規(guī)模。其中長寧H3平臺(tái)H3-1井、H3-2井實(shí)施拉鏈?zhǔn)綁毫?，完?4段加砂壓裂，平均每天壓裂3.16段，最高一天壓裂4段，極大提高了壓裂時(shí)效［1］。

拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)(圖2)是工廠化壓裂的主要方式。北美地區(qū)頁巖氣水平井大型壓裂使用最多的是拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)(即泵送快鉆橋塞工藝)，實(shí)現(xiàn)任意段數(shù)的壓裂，段與段之間的等候時(shí)間在2～3 h。利用此間隙可以完成設(shè)備保養(yǎng)、燃料添加等工作，特別適用于工廠化壓裂。

圖2 單獨(dú)壓裂、拉鏈壓裂和同步壓裂施工程序示意圖［7］Fig.2 Schematic construction procedure of individual fracturing,zipper fracturing and simultaneous fracturing

水力壓裂可能會(huì)破壞烴源巖。頁巖氣井壓裂在研究使用無水壓裂方法，壓裂流體用天然凝析油(NGL)、氮?dú)獾?，還可使用高能氣體、爆燃?jí)毫?、層?nèi)爆炸壓裂方法進(jìn)行壓裂試驗(yàn)。壓裂必須進(jìn)行裂縫監(jiān)測工作，目前最常用的是微地震監(jiān)測技術(shù)。

長城鉆探蘇里格合作開發(fā)區(qū)塊的蘇53區(qū)塊組合井大平臺(tái)是中國石油集團(tuán)的工廠化作業(yè)模式示范項(xiàng)目。該大平臺(tái)共10口水平井、2口定向井、1口直井，全部實(shí)現(xiàn)當(dāng)年部署井位、征地墊井場、完鉆、壓裂、試氣、投產(chǎn)，比計(jì)劃提前50 d。這些經(jīng)驗(yàn)為頁巖氣開發(fā)提供借鑒。

3 井筒完整性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一體化管理的應(yīng)用

3.1 井筒完整性的基本概念與主要內(nèi)容

文獻(xiàn)[3-5]將井筒完整性定義為在一口井的整個(gè)生命周期中，應(yīng)用技術(shù)、施工和組織的方法來減少和降低地層流體在未能控制的情況下外泄的風(fēng)險(xiǎn)，確保作業(yè)安全。筆者對(duì)井筒完整性的內(nèi)涵從理論上分析，概括為4個(gè)特性：井筒承壓能力及封隔密封性、機(jī)械完整性、井筒內(nèi)各種作業(yè)管柱和工具等在井筒內(nèi)起下無阻(即可達(dá)性)、井筒內(nèi)外流體在可控制條件下的液流通暢性及可控性。一個(gè)合格的井筒完整性必須同時(shí)具備上述“4個(gè)特性”［1,6］。

井筒屏障層系是實(shí)現(xiàn)井筒完整性的關(guān)鍵，如果任何一個(gè)井筒屏障組件損壞或降低了入井前經(jīng)過鑒定的標(biāo)準(zhǔn)，就是失效。NORSOK D—010標(biāo)準(zhǔn)第4版對(duì)井筒屏障的定義：作業(yè)開始之前符合要求并說明其采用的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管方法的井筒屏障組件(WBE，well barrier elements)已安置到位［3-5］。井筒屏障是由1個(gè)或多個(gè)組件組成的集成屏障體，是實(shí)現(xiàn)井筒完整性的基礎(chǔ)和作業(yè)安全的必要條件［1,6］。

頁巖氣藏的壽命長達(dá)50～60年甚至更長；井筒的生命周期小于油氣藏的壽命，但是至少也可能有20～30年。

3.2 國內(nèi)外井筒完整性研究進(jìn)展［6-7］

國外井筒完整性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)第1版(1986年)；第2版(20世紀(jì)90年代)；NORSOK D—010 第3版“鉆井和井筒作業(yè)中井筒完整性”；挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)(OLF)牽頭編寫的《OLF井筒完整性推薦指南》(2011年)；NORSOK標(biāo)準(zhǔn)D—010第4版(2013年)。NORSOK標(biāo)準(zhǔn)D—010第4版是現(xiàn)在國際石油界推崇和應(yīng)用的井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)，ISO 、OGP都予以認(rèn)可并專文推薦。

國內(nèi)井筒完整性研究起步較晚，2007年7月，四川羅家2井鉆至高壓硫化氫氣層未及時(shí)壓井導(dǎo)致高壓硫化氫氣體上竄，隨即在夜間釋放至井周圍地段，造成上百人中毒身亡。事故原因主要是：地質(zhì)預(yù)告不準(zhǔn)、鉆井液密度與循環(huán)當(dāng)量密度偏小、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、表層套管技術(shù)套管下入深度不夠、鉆井施工中監(jiān)測不力未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、壓井不及時(shí)等。在國家安監(jiān)總局的組織下，當(dāng)時(shí)西南石油學(xué)院和四川石油管理局等一些單位開始注意井筒完整性問題［7］。近10年來，塔里木油田針對(duì)庫車山前鉆高壓氣井的難題，研究了井筒完整性設(shè)計(jì)：2005—2008年針對(duì)克拉2和迪那2氣田多口高壓氣井環(huán)空異常高壓問題，引入井筒完整性的概念對(duì)問題井開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作［8］，采用API RP90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各環(huán)空最大允許帶壓值計(jì)算，并制定治理措施；2009—2011年，針對(duì)迪那2氣田多口井出現(xiàn)完整性問題，開展了全油田井筒完整性現(xiàn)狀大調(diào)查，引用井筒完整性設(shè)計(jì)理念制定了相應(yīng)的措施，保證了迪那2氣田的安全高效開發(fā)；2012—2016年，針對(duì)大北、克深區(qū)塊大規(guī)模建產(chǎn)后井筒完整性面臨的新挑戰(zhàn)，探索了一套以井筒屏障設(shè)計(jì)、測試和監(jiān)控為基礎(chǔ)的井筒完整性設(shè)計(jì)技術(shù)［9］。2012年國家海洋局發(fā)布了蓬萊油田溢油事故的調(diào)查與處理報(bào)告［7］。中國石油在2017年2月發(fā)布了我國首套“高溫高壓及高含硫井井筒完整性系列標(biāo)準(zhǔn)”［9］；西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院成立了井筒完整性管理技術(shù)支持平臺(tái)；格瑞迪斯成立了“T ＆ TS”井筒完整性治理服務(wù)技術(shù)；西南石油大學(xué)、中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司合作研究的“三高氣井生產(chǎn)階段井筒完整性評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲得2017年度中國石油和化工自動(dòng)化協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；西南石油大學(xué)正在籌建井筒完整性研究所；《石油鉆采工藝》搭建了井筒完整性交流平臺(tái)，組織有關(guān)單位和專家編寫井筒完整性論文，刊發(fā)了張紹槐撰寫的系列井筒完整性論文［1,6,10-12］，并邀請(qǐng)張智、施太和等專家參與撰稿討論。張智［13］、吳奇［14］、胡順渠［15］等研究了含硫氣井及高溫高壓井的井筒完整性；馮耀榮［16］發(fā)表了“油氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展與展望”；鄒傳元［17］等發(fā)表了“順南5-1井回接雙級(jí)固井井筒完整性分析”。

近年中國組織了多次井筒完整性的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，標(biāo)志著井筒完整性技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入“百花齊放”的新階段，但是發(fā)展不平衡。隨著今后石油工業(yè)加大對(duì)頁巖氣等非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展并越來越顯示其重要性［7］。

3.3 井筒完整性的一體化、連續(xù)性管理的優(yōu)勢

頁巖氣一口井的全生命周期包括鉆前地質(zhì)與工程設(shè)計(jì)、鉆井、完井、測試投產(chǎn)、采氣—射孔—水力壓裂(增產(chǎn)、悶井等待壓力恢復(fù)、注氣增壓等；不適合水力壓裂的井可采用氣體鉆井完井方法)—測試—再生產(chǎn)等過程的反復(fù)輪替作業(yè)，直到關(guān)?；驁?bào)廢。頁巖氣生產(chǎn)開發(fā)的作業(yè)環(huán)節(jié)比常規(guī)天然氣的作業(yè)環(huán)節(jié)多而復(fù)雜，更需要應(yīng)用井筒完整性技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。圖3是頁巖氣水平井水力壓裂的井筒屏障示意圖。圖3只表示了水力壓裂一段的情況；實(shí)際上在生產(chǎn)中水平井要分段壓裂多段，每段有多達(dá) 10～20 個(gè)壓裂點(diǎn) (圖4)。

圖3 頁巖氣水平井水力壓裂井筒屏障示意圖Fig.3 Schematic well barrier of hydraulic fracturing by shale-gas horizontal well

說明：圖4中黃色表示頁巖氣氣層；相鄰的2個(gè)封隔器之間通過投球滑套進(jìn)行水力壓裂，形成裂縫；投球滑套的內(nèi)徑自下而上逐個(gè)由小變大；施工時(shí)由最下一個(gè)滑套開始，通過打開滑套進(jìn)行水力壓裂；最下部有一個(gè)“壓力滑套”，是通過水力壓力打開的(不投球)；本圖水平井長 2 000 m，共有 15 個(gè)分段，可以逐個(gè)分段進(jìn)行水力壓裂，這是舉例。應(yīng)用時(shí)每口井根據(jù)水平井井段長度，可選擇多個(gè)分段。

3.4 水平井(特別是長水平井)分段壓裂技術(shù)的改進(jìn)

目前，水平井分段壓裂技術(shù)有水力噴射壓裂技術(shù)、封隔器投球壓裂技術(shù)、橋塞分段壓裂技術(shù)、環(huán)空分段壓裂技術(shù)、連續(xù)油管壓裂技術(shù)及多種技術(shù)的復(fù)合分段壓裂技術(shù)等。這些技術(shù)在應(yīng)用中都有其局限性：壓裂作業(yè)完成后壓裂通道一直保持打開狀態(tài)，這會(huì)使得水平井在開采中容易出現(xiàn)井筒過早見水的情況，對(duì)產(chǎn)能造成非常不利的影響；橋塞、滑套等工具在壓裂施工完成后需要進(jìn)行鉆磨才能達(dá)到全通徑，不利于進(jìn)行生產(chǎn)及后期測試作業(yè)，而且施工復(fù)雜并增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；封隔器投球壓裂技術(shù)雖然施工簡單、作業(yè)效率高，但由于投球尺寸的級(jí)差限制了分段數(shù)量；而橋塞分段壓裂等雖然理論上可以進(jìn)行無限級(jí)分段壓裂，但施工復(fù)雜，工時(shí)長、效率低。

為了解決上述問題。何愛國等［18］通過理論研究、設(shè)計(jì)和地面評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究了全通徑可控?zé)o限級(jí)滑套完井的可行性和有效性，目前還沒有進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。

圖5是常規(guī)油氣井井筒全生命周期內(nèi)各作業(yè)的井筒完整性設(shè)計(jì)—運(yùn)行—管理圖解。圖6是頁巖氣井筒全生命周期內(nèi)各作業(yè)的井筒完整性設(shè)計(jì)—運(yùn)行—管理圖解。對(duì)比圖5與圖6，顯然可知頁巖氣井比常規(guī)油氣井復(fù)雜得多。

圖4 頁巖氣長水平井(2 000 m)多段水力壓裂的井筒屏障示意圖Fig.4 Schematic well barrier of multistage hydraulic fracturing by shale-gas long horizontal well (2 000 m)

圖5 常規(guī)油氣井井筒全生命周期內(nèi)各作業(yè)的井筒完整性設(shè)計(jì)-運(yùn)行-管理圖解Fig.5 Design-operation-management graph of well integrity during each operation in the whole life cycle of conventional oil and gas well

4 結(jié)論

頁巖氣開發(fā)作業(yè)存在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層可鉆性差、井眼軌跡難以控制、技術(shù)管理難度大等問題，井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)用于頁巖氣全生命周期工程作業(yè)管理，有利于協(xié)調(diào)各工程作業(yè)，高效解決工程技術(shù)難題。

圖6 頁巖氣井筒全生命周期內(nèi)各作業(yè)的井筒完整性設(shè)計(jì)-運(yùn)行-管理圖解Fig.6 Design-operation-management graph of well integrity during each operation in the whole life cycle of shale gas well