页岩水平井一趟钻应用案例分析及启示

作者：杨金华　郭晓霞

单位：中国石油集团经济技术研究院石油科技研究所

摘　要：贝克休斯公司2017 年在美国怀俄明州DJ 盆地仅用3.5d 就成功完钻一口5405m 深的页岩水平井。分析该井的成功经验，包括优化井身结构、应用高效钻头、造斜段和水平段改用油基钻井液、应用高造斜率旋转导向钻井系统、强化参数钻井、远程决策中心等。美国在页岩水平井钻井中，单井段一趟钻已成为常态，双井段一趟钻推广应用，多井段一趟钻持续增加，由此促进了钻井周期大幅缩短、钻井成本大幅下降。一趟钻是一项系统工程，也是水平井提速降本的牛鼻子工程。我国在一趟钻技术应用上与美国相比还存在一定差距，今后应充分认识一趟钻的必要性和可能性，加大推广应用力度，在技术和管理上要优化钻井方案设计、应用优质高效钻头、出台推广和激励办法、建立信息共享平台、推广并升级远程决策支持中心，以促进页岩气规模效益开发。

关键词：一趟钻；页岩水平井；提速降本；强化参数钻井；地质—油藏—工程一体化

我国天然气需求持续增长，对外依存不断攀升。为保障天然气供应安全，确保国内天然气产量稳定增长是国家必然的战略选择。我国拥有优越的页岩气形成与富集条件，页岩气资源潜力巨大，勘探开发前景广阔，将成为天然气勘探开发重要领域。为实现页岩气规模效益开发，必须综合施策，全方位降本增效。钻井成本占我国页岩气开发示范区水平井钻完井成本的50% 以上，因此降低钻井成本至关重要。美国页岩油气水平井普遍推行一趟钻，钻井周期持续缩短，钻井成本持续下降，在提速降本中功不可没。一趟钻是一项系统工程，更是水平井提速降本的牛鼻子工程，我国在页岩气开发中应加大一趟钻推广力度。

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贝克休斯页岩水平井一趟钻案例分析

2017 年第一季度，贝克休斯公司在怀俄明州DJ 盆地仅用3.5d 就钻成一口井深5405m 的页岩水平井，比邻井平均钻井周期缩短33%，其经验和做法值得学习借鉴。

1.1　优化井身结构

该井的井身结构简化到两开（图1），只需下表层套管和生产套管，大大减少了固井工作量和候凝时间。表层套管下入深度为750m 左右；二开井径φ215.9mm，包括直井段、造斜段、水平段3 个井段，造斜段的设计造斜率为10°/30.48m，水平段实际长度为2895.6m。该井垂深为2300m 左右。

1.2　应用高效PDC 钻头

二开贝克休斯应用了φ215.9mm Talon Force PDC 钻头（图2），其最大特点是PDC 复合片尺寸大，有利于提高钻速和延长钻头使用寿命。

1.3　造斜井段和水平段改用油基钻井液

钻至造斜点后，将水基钻井液换成油基钻井液，以降低井筒摩阻、确保页岩地层的稳定。

1.4　应用高造斜率旋转导向钻井系统

由于造斜段的设计造斜率为10 °/30.48mm，贝克休斯公司使用了一款高造斜率旋转导向钻井系统φ 171.45mm AutoTrak Curve（图3），储层钻遇率达100%。该系统性能特点包括：（1）长度短，全长11.58m，包括导向系统和MWD；（2）设计最大造斜能力为15°/30.48m；（3）集成了近钻头地质导向仪，井斜、自然伽马传感器分别距离钻头1.80m、3.51m，有利于实现100% 的储层钻遇率；（4）轨迹自动闭环控制，精度在±0.2°以内；（5）耐温能力为150℃。

1.5　应用强化参数钻井

贝克休斯公司在f 171.45mm AutoTrak Curve 系统上方接了一根φ 177.8mm Navi-Drill Ultra XL45 高速螺杆钻具。组合应用的一大好处是用顶驱和螺杆钻具同时带动旋转导向钻井系统和钻头旋转，大幅提高钻头转速和扭矩，再配合大钻压和大排量，实施强化参数钻井，有利于提高机械钻速。

1.6　应用远程决策支持中心

远程决策支持中心其实是一个地质—油藏—工程一体中心，贝克休斯公司的多学科专家团队在该中心实时监控现场作业，做出更及时、更科学的决策，更好地指挥现场作业和开展地质导向。

综上所述，该井成功经验就是利用先进高效的技术组合实施一趟钻。成功地实施了两个一趟钻，即一开一趟钻、二开一趟钻完钻，减少了更新钻头和起下钻次数以及钻头用量和起下钻时间，缩短了钻井周期。二开一趟钻完成3 口井井段，即直井段+ 造斜段+ 水平段，总进尺达4651.55m（含2895.6m水平段），用时仅为1.95d。

通过实施一趟钻，该井创造了怀俄明州DJ 盆地两项水平井钻井纪录：

（1）创造了该盆地水平井钻井周期最短纪录，3.5d 钻一口井深5405m 的水平井。这也是美国井深超5000m 水平井的钻井周期最短纪录。

（2） 创造了该盆地水平井最新日进尺纪录（2519.78m）。在此之前，作业者二开（从表层套管鞋至完钻井深）使用的是常规导向钻井液马达，平均用时5.2d，平均日进尺为973.53m。据贝克休斯报道，公司已在美国东北部Marcellus 和Utica 产区的160 多口水平井中实现了日进尺超1610m 的钻井速度。

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美国实施一趟钻总体情况和效果

美国在页岩水平井钻井中普遍推行一趟钻，单井段一趟钻已成为常态， 双井段一趟钻得到推广应用， 多井段一趟钻正在持续增加， 单次一趟钻创造的进尺纪录突破了5500m。一趟钻的推广应用， 促进了美国页岩油气水平井钻井周期持续缩短， 现已缩短到令人难以置信的程度。井深4000 ～ 5000m的水平井平均钻井周期已缩短到10d 左右（图4）。未来的一趟钻将以更快的速度、更短的时间、更高的质量和更低的成本，一次下井完成多个井段钻进。

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推行一趟钻的必要性和可能性

3.1　一趟钻是一项系统工程

一趟钻涉及的关键技术主要包括：（1）钻井方案优化设计；（2）先进钻机，特别是自动化钻机；（3）适合一趟钻的高效长寿命钻头，通常是定制钻头；（4）个性化的优质钻井液；（5）高压喷射钻井及优选参数钻井；（6）常规导向钻井或旋转导向钻井；（7）随钻地质导向；（8）远程决策支持中心。由此可见，一趟钻是一项系统工程，不仅仅是钻头技术的升级，还包括钻井工程全面升级、地质—油藏—工程一体化解决方案等，需要集成应用先进的钻井技术及高效的团队协作。钻头、钻井液、导向工具、仪器、装备及钻井工艺的最佳匹配，是一趟钻的基本保证。井筒完整性是一趟钻的基本前提，也是严控非生产时间的必然选择。

3.2　 一趟钻更是水平井提速降本的牛鼻子工程

以一趟钻为目标优化设计和实施钻井方案，可简化井身结构，减少钻头用量、起下钻时间和非生产时间，是水平井钻井总体技术水平和提速降本效果的集中体现，也是水平井钻井提速降本的总抓手和牛鼻子工程。多井段一趟钻则是水平井钻井的理想目标。

3.3　应用常规导向钻井技术可以实现一趟钻

在美国页岩油气开发中，大部分水平井没有使用旋转导向钻井系统，应用常规导向钻井技术同样可以实现一趟钻。

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我国页岩水平井一趟钻应用及存在差距

中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）、中国石油化工集团公司（简称中国石化）已在多个油气田成功实施水平井一趟钻，在各自的页岩气开发示范区都有水平井一趟钻的成功案例，中国石化还应用常规导向技术成功实施了一趟钻。2018 年8 月，贝克休斯公司钻井一体化团队在威远地区作业中创造了新的一趟钻纪录，一趟钻完成造斜段和水平段两个井段的钻进，总进尺达2078m，用时仅为11.79d。该井是贝克休斯在四川页岩气区块首例钻井一体化项目，公司提供了“钻头、旋转导向、螺杆钻具、MWD、油基钻井液”一体化总包服务方案。这个一体化项目不但打破了页岩气威远区块三开钻井周期纪录，同时首次实现了威远区块三开施工一趟钻完钻的新纪录。

近年我国页岩气水平井钻完井技术进步较快，平均钻井周期逐渐缩短，但目前钻井周期仍是美国同类水平井的3 倍左右，说明平均钻井周期和钻井成本还有很大的下降空间。

导致差距的技术根源在于：

（1）井筒完整性工艺措施不过硬，导致井下复杂情况多，处理井下复杂情况所花的非生产时间多。在中国石油四川页岩气开发示范区，已有全井顺利钻进的案例，说明井下复杂情况是可以避免和及时处理的。

（2）钻头质量不过硬，机械钻速慢，单井钻头用量多，起下钻次数多，起下钻时间多，即无进尺工作时间多。

（3）旋转导向钻井系统依赖进口，服务价格高昂。

（4）强化参数钻井有待加强。

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对我国加快发展一趟钻的几点建议

（1）提高对一趟钻重要性的认识，将一趟钻作为页岩气示范区水平井钻井提速降本的总抓手和牛鼻子工程，抓紧落实与推广。先期目标为单井段一趟钻，往后逐步过渡到两井段一趟钻、多井段一趟钻。

（2）出台页岩气一趟钻推广与激励办法，并对刷新一趟钻纪录者予以表彰和重奖。

（3）以一趟钻为目标，优化钻井方案设计，包括简化井身结构、优化井眼轨迹和钻井参数，推广强化参数钻井。

（4）建立页岩气开发信息共享平台，总结、完善并推广各区块及各层位的最佳作业实践或技术模板，便于相互学习提高。

（5）尝试用常规导向钻井液马达代替进口的旋转导向钻井系统，加快旋转导向钻井系统自主品牌研发，早日实现进口替代。

（6）推广和升级远程决策支持中心，为一趟钻提供有力的远程决策支持。

（7）持续开展技术攻关，配套完善3500m 深的页岩气工程技术系列，加快页岩气规模开发，以期超额完成我国2020 年页岩气产量目标。

来源：石油科技论坛