朱维耀等：中国页岩气开发理论与技术研究进展 ·1407 量递减率一般为60%~70%.针对我国页岩气开发 臂并对井壁的连续作用力实现导向作用6啊，具有 阶段产量衰减速率快的问题，通过页岩气多场耦 摩阻与扭矩小、钻速高、井眼轨迹平滑和易调控 合实验和模拟研究，发现了流固耦合作用和井底 等特点6)我国南方海相页岩气田根据地质特征 积液是减弱气体渗流能力的主控因素.此前采用 和旋转导向工艺特点，对水平段选择旋转导向施 美国的放压开采方法导致气井产量递减过快，效 工，加上耐高温螺杆、定向聚晶金刚石复合片 益井大幅度下降，严重影响了开发规模和上产，为 (PDC)钻头等自主研发的工具，保证了测井、下套 此，笔者基于已有的页岩气非线性渗流理论，根据 管一次性到位，大大加快了钻完井周期68目前已 基质-裂缝多区域流场结构特征和产气排液规律， 形成了水平井优快钻完井技术，钻井周期从此前 提出阶梯性地降低、调整开采压力，并采用“焖井→ 的4个月缩至不到3个月69,2018年1月17日，川 控压→稳定→连续”的排采制度，形成了阶梯降压 庆钻探在威202H13-6井创造了27.6d的最短钻完 的页岩气开发方法0通过限压降低了应力场变 井记录0我国对于浅-中埋深页岩储层的钻完井 化和压裂液聚集成桥塞作用的影响，实现了扩大 工程技术已经非常成熟，下一步应着重发展深层 多区域多流态流场贡献、控制井底积液，高效抑制 钻完井的技术. 页岩气产量递减.通过模拟可以看到，采用限压控 针对水平段页岩储集层摩阻大和易垮难题， 制产量快速递减开发方法后，页岩气的产量递减 我国已自主研发了两套油基钻井液，国内油基钻 情况得到大幅改善（图20） 井液最高耐温150℃，油水体积比为90：10，可实 现高效回收利用.但与国外相比，国内油基钻井液 20 Step-gradient reducing pressure development Original development method 的耐温性相对较低，油水比偏高四，需要进一步研 色15 Actual well production rate 究疏油材料，提高岩壁亲水疏油性能，有效解决钻 井液毛细管吸力引起井壁失稳问题.另一方面，高 性能水基钻井液试验已在我国取得初步成效，钻 5 井液费用比进口钻井液降低21%四，在提升环境 友好度的同时节约了成本，但水基钻井液的最大 200 400 600 800 1000 1200 难点在于井壁稳定问题，必须加大抑制剂的研究， Time/d 降低水的表面张力，防止岩层表面水化 图20采用阶梯降压开发效果对比图 通过水平井井眼轨迹控制，保证了水平井轨 Fig.20 Comparison of the effect of using the step-gradient reducing 迹沿着甜点区约20m厚的高压封存箱中钻进两 pressure development method 水平井长通常优化控制在1500m左右，但已有超 现在的适应性开发技术研究还仅限于3000m 长水平井的作业，目前初步形成了以“个性化钻头+ 以浅的页岩储层，而我国许多页岩储层的埋深都 配套钻井提速工具+优质钻井液体系”为主体的 超过3000m,对于这些储层而言，其应力敏感性和 超长水平段钻井技术，水平段长度达到2810m,而 温度场的影响将更加显著，已有的适应性技术也 周期较此前缩短了50%阿西南油气田通过精准 不能完全适用于这类页岩储层.需要针对深层页 建立地质导向模型，使用高性能地质导向工具，形 岩气藏的特点进行有针对性的进一步研究 成了超深井作业，目前钻井深度最深达4245m% 4.3中国页岩气压裂开发工艺适应性技术 这些技术为下一步的深层页岩气开发提供了必要 北美地区的页岩气藏具有天然优势，其页岩 基础. 储层厚度大、埋深相对较浅，而且地面条件多在平 4.3.2页岩井场“工厂化”作业模式 原地带，附近有丰富水源：我国页岩气藏则埋深 我国页岩储层的地面条件受井场空间小、水 大、厚度小，地面环境多为丘陵，取水不易，而目前 源短缺等限制，对此我国逐步形成了“钻井、压 通常水力压裂所需用水每次至少是1×10m3.种 裂、生产”甚至结合“地质”的一体化“工厂化”生 种复杂条件制约着我国页岩储层的开采效果，也 产模式m,使压裂液混配、压裂作业、采气都集中 迫使我国发展了适应性的页岩气压裂开采技术. 在一定范围之内，极大地缩小了占用空间，在节约 4.3.1逐步走向深层的页岩储层水平井钻井技术 土地、水源、材料、人工和保护环境等方面发挥了 目前，国外通常在钻井过程中使用三维旋转 关键作用 导向闭环系统，这种工具可以更方便地操作转向 目前，威202、威204等区块已形成了水平井量递减率一般为 60%～70%. 针对我国页岩气开发 阶段产量衰减速率快的问题，通过页岩气多场耦 合实验和模拟研究，发现了流固耦合作用和井底 积液是减弱气体渗流能力的主控因素. 此前采用 美国的放压开采方法导致气井产量递减过快，效 益井大幅度下降，严重影响了开发规模和上产. 为 此，笔者基于已有的页岩气非线性渗流理论，根据 基质−裂缝多区域流场结构特征和产气排液规律， 提出阶梯性地降低、调整开采压力，并采用“焖井→ 控压→稳定→连续”的排采制度，形成了阶梯降压 的页岩气开发方法[10] ，通过限压降低了应力场变 化和压裂液聚集成桥塞作用的影响，实现了扩大 多区域多流态流场贡献、控制井底积液，高效抑制 页岩气产量递减. 通过模拟可以看到，采用限压控 制产量快速递减开发方法后，页岩气的产量递减 情况得到大幅改善（图 20）. 0 200 600 800 1000 1200 400 Time/d Gas production rate/(10 4 m3 ) 20 15 10 5 0 Step-gradient reducing pressure development Original development method Actual well production rate 图 20    采用阶梯降压开发效果对比图 Fig.20     Comparison  of  the  effect  of  using  the  step-gradient  reducing pressure development method 现在的适应性开发技术研究还仅限于 3000 m 以浅的页岩储层，而我国许多页岩储层的埋深都 超过 3000 m，对于这些储层而言，其应力敏感性和 温度场的影响将更加显著，已有的适应性技术也 不能完全适用于这类页岩储层. 需要针对深层页 岩气藏的特点进行有针对性的进一步研究. 4.3    中国页岩气压裂开发工艺适应性技术 北美地区的页岩气藏具有天然优势，其页岩 储层厚度大、埋深相对较浅，而且地面条件多在平 原地带，附近有丰富水源；我国页岩气藏则埋深 大、厚度小，地面环境多为丘陵，取水不易，而目前 通常水力压裂所需用水每次至少是 1×104 m 3 . 种 种复杂条件制约着我国页岩储层的开采效果，也 迫使我国发展了适应性的页岩气压裂开采技术. 4.3.1    逐步走向深层的页岩储层水平井钻井技术 目前，国外通常在钻井过程中使用三维旋转 导向闭环系统，这种工具可以更方便地操作转向 臂并对井壁的连续作用力实现导向作用[66] ，具有 摩阻与扭矩小、钻速高、井眼轨迹平滑和易调控 等特点[67] . 我国南方海相页岩气田根据地质特征 和旋转导向工艺特点，对水平段选择旋转导向施 工 ，加上耐高温螺杆、定向聚晶金刚石复合片 （PDC）钻头等自主研发的工具，保证了测井、下套 管一次性到位，大大加快了钻完井周期[68] ，目前已 形成了水平井优快钻完井技术，钻井周期从此前 的 4 个月缩至不到 3 个月[69] ，2018 年 1 月 17 日，川 庆钻探在威 202H13−6 井创造了 27.6 d 的最短钻完 井记录[70] . 我国对于浅−中埋深页岩储层的钻完井 工程技术已经非常成熟，下一步应着重发展深层 钻完井的技术. 针对水平段页岩储集层摩阻大和易垮难题， 我国已自主研发了两套油基钻井液，国内油基钻 井液最高耐温 150 ℃, 油水体积比为 90∶10，可实 现高效回收利用. 但与国外相比，国内油基钻井液 的耐温性相对较低，油水比偏高[71] ，需要进一步研 究疏油材料，提高岩壁亲水疏油性能，有效解决钻 井液毛细管吸力引起井壁失稳问题. 另一方面，高 性能水基钻井液试验已在我国取得初步成效，钻 井液费用比进口钻井液降低 21% [72] ，在提升环境 友好度的同时节约了成本. 但水基钻井液的最大 难点在于井壁稳定问题，必须加大抑制剂的研究， 降低水的表面张力，防止岩层表面水化[73] . 通过水平井井眼轨迹控制，保证了水平井轨 迹沿着甜点区约 20 m 厚的高压封存箱中钻进[74] . 水平井长通常优化控制在 1500 m 左右，但已有超 长水平井的作业，目前初步形成了以“个性化钻头＋ 配套钻井提速工具＋优质钻井液体系”为主体的 超长水平段钻井技术，水平段长度达到 2810 m，而 周期较此前缩短了 50% [75] . 西南油气田通过精准 建立地质导向模型, 使用高性能地质导向工具，形 成了超深井作业，目前钻井深度最深达 4245 m [76] . 这些技术为下一步的深层页岩气开发提供了必要 基础. 4.3.2    页岩井场“工厂化”作业模式 我国页岩储层的地面条件受井场空间小、水 源短缺等限制，对此我国逐步形成了“钻井、压 裂、生产”甚至结合“地质”的一体化“工厂化”生 产模式[77] ，使压裂液混配、压裂作业、采气都集中 在一定范围之内，极大地缩小了占用空间，在节约 土地、水源、材料、人工和保护环境等方面发挥了 关键作用[78] . 目前，威 202、威 204 等区块已形成了水平井 朱维耀等： 中国页岩气开发理论与技术研究进展 · 1407 ·