页岩气开发技术装备自主化研究进展与展望

信石玉，高文金，郭艾斌

（1．中国石化石油工程机械有限公司研究院，湖北武汉430223；

2．中国石化石油机械装备重点实验室，湖北武汉430223）

    摘  要：对国内外页岩气开发装备作了概述，着重阐述了国内在页岩气开发技术装备自主化研究方面的进展。国外页岩气水平井开发核心技术装备包括智能化测量工具、井下动力钻具、旋转导向工具、地质导向工具等；压裂增产技术主要包含水力喷射工具、多层同时压裂工具等。国内钻机、压裂机组技术水平可满足丛式、水平井等工艺要求，封隔器、滑套等井下工具已初步实现国产化，测井设备可靠性、时效性及测量精度与国外先进水平差距较大，随钻测井(LWD)工具、旋转导向工具等几乎全部依赖进口。本文提出了页岩气开发装备自主化研究的攻关方向和发展趋势，建议研制适合不同钻井深度和资源条件的专用钻机，解决页岩气长水平段钻井难度大、周期长等问题的井下提速和导向工具，高分子材料井下封隔器等

压裂改造工具，和适应未来大规模产量下的合理组织技术及后期完整配套采气工艺装备。

    关键词：页岩气；水平井；压裂；装备自主化；技术进展

    中图分类号：TD4    文献标识码：A    文章编号：1004-4051(2015)12-0152-05

    页岩气是常规天然气的替代能源，近十几年来，受能源价格高涨等因素的影响，在水平井和水力压裂等技术进步的推动下，美国页岩气勘探开发获得巨大的成功，对国际天然气市场及世界能源格局产生了重大影响。页岩气勘探开发已经由北美向全球迅速扩展。页岩气开发从美国向加拿大，再向全球扩散的过程，就是技术扩散的过程。

    随着技术的进步，美国页岩气勘探开发由核心区向非核心区发展，并在众多盆地获得突破。美国页岩气地质特征表现为页岩层系时代较新、热演化程度低、构造改造期次少、保存条件好等特点。同时，美国产气页岩区大多地势平坦，有利于水平井的布置、井场建设与作业及交通运输。美国已经形成了较为完善的页岩气资源评价方法体系，目标区优选技术日趋成熟，主要包括埋深1500～3000m、页岩单层厚度30～50m、基质渗透率大于100nd、有机

碳含量( TOC)大于2%、成熟度(Ro)为1.2%～3.5%、硅质含量大于35%等。在页岩储层参数测

试方面，国外已经建立了一套以渗透率、孔隙度、流体饱和度为核心的致密岩芯测试技术及规范，为页岩储层参数测量准确性提供了保障，为资源评价和有利区优选提供了技术支持。

    我国具备良好的页岩气成藏条件，资源潜力较大，《页岩气发展规划（2011～2015年）》提出，到2015年页岩气勘探开发关键技术取得重大突破，主要装备实现自主化生产，这是我国实现页岩气大规模、低成本开发的根本保障。伴随着涪陵页岩气示范区的建设，我国在钻机、压裂设备、井下工具等常规设备领域形成了一定的研制能力，满足了商业开发需求，但在部分井下工具和特种作业方面仍需要国外支持。通过对页岩气开发技术装备自主化研究进展进行阶段性总结和展望，希望对我国加快页岩气开发进度、实现大规模经济化开采有所帮助。

1  页岩气技术装备发展现状

1.1  国外页岩气技术装备进展

    从1821年美国东部泥盆系页岩中钻成第一口页岩气井，到20世纪80年代沃斯堡盆地的Barnett页岩开展大型水力压裂，先进钻井装备和压裂工具的不断进步推动美国页岩气产量快速增长，年均增速超过40%。地质理论创新、勘探开发技术突破和装备发展，是实现页岩气大规模、低成本开发的根本保障。

1.1.1  水平井技术装备

    水平井技术在石油工程领域已发展了近80年，近年来智能化测量、井下动力钻具、旋转导向控制、地质导向工具等的使用促进了水平井技术在页岩气开发中的成熟。

    随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)工具可以对水平井精确定位，进行地层评价，引导中靶地质目标，是提高钻井速度和保证钻井质量的关键设备。旋转导向工具具有摩阻与扭矩小、机械钻速高、钻井成本低、井眼轨迹平滑等优点。地质导向工具在具备几何导向能力的同时，根据随钻测井得到的地质参数，实时控制井眼轨迹，使钻头沿着地层的最优位置钻进，从而在预先不掌握地层特性的情况下实现最优控制，是页岩气水平钻井的尖端工具和前沿发展方向。国外在随钻测量、地质导向、旋转导向钻井等技术方面已经相当成熟。斯伦贝谢、贝克休斯等国外大型油田技术服务公司相继推出了175℃高温随钻测量仪器，并不断投人大量技术资金研制尺寸更小、耐更高温度和压力的仪器，同时研制配套的随钻伽马、电阻率、密度等地层评价系统。旋转导向钻井技术已成为国际钻井行业中长期发展方向。

1.1.2增产技术装备

    美国在页岩气开发中主要用水力压裂技术进行体积改造，以产生更密集的裂缝网络，提高采收率。水力压裂技术包括多段压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等。多段压裂已经得到普遍应用，可利用封堵球或限流技术封隔页岩储层的不同位置，对不同地质特点的页岩储层进行分段压裂，能够在横向上延长水平井段的生产段，同时在垂向上也可形成复杂的、连通的网络，增加泄气面积，水平井分段压裂段数可达到40段以上。清水压裂用清水添加适当的减阻剂作为压裂液来替代通常使用的凝胶压裂液，是一种清洁压裂技术。水力喷射压裂不受完井方式限制，无需机械封隔，定位准确，尤其适用于裸眼完井的水平井，不受压裂井深和加砂规模的限制。重复压裂可以处理压裂无效或者压裂效果下降的井段，通过再压裂能重建储层到井筒的通道，恢复或提高生产能力。同步压裂是同时对两口及以上的井进行压裂，使压裂液及支撑剂运移距离最短，增加压裂缝网络的密度及表面积，可以快速提高产量，是近几年得到成功运用的最新压裂技术，已发展到4口甚至更多井间同时压裂。

1.2  国内页岩气技术装备现状

    我国页岩气勘探开发尚处于初期阶段，部分关键技术装备依赖国外进口，同时，我国页岩气地质情况和开发条件不同于北美，不能完全照搬国外的经验和技术，需要加强地质理论和开发技术研究，形成适合我国页岩气地质特殊性的理论和技术装备体系，加快页岩气技术装备自主化进程。

    近十多年来，我国在油气地质理论创新和勘探方面取得重大进展，地质层面的重大进展促进了页岩气开发装备和工具的研发。在水平井钻探装备和工具方面，研制了随钻自然伽马测量仪、随钻感应电阻率测量仪以及配套应用软件，形成了地质导向双参数随钻测井仪器设计制造技术和地质导向钻井工艺配套技术，并在现场应用中取得了良好效果。在水平井压裂方面，我国已经在涪陵首次实现井工厂“拉链式”压裂施工，实现两口井压裂作业和泵送作业的无缝衔接。实现了低渗透气藏分层多段压裂，并在实践中普遍推广应用。

1.2.1  水平井技术装备研制情况

    目前，我国钻机设计水平和制造能力跻身世界前列，以12000m陆地特深井钻机及顶部驱动装置为代表的产品达到了世界先进水平，标准化和系列化的钻机可基本满足高压喷射、定向、丛式、水平等先进钻井工艺的需要。国内87%的大中型钻机，90%的修井机都是自主制造，部分钻井设备批量出口到世界各地，并应用于美国页岩气开发。目前适用于页岩气开发的轮轨式快移快装钻机已在涪陵工区应用，大幅缩减井间时间损耗，提高了搬迁效率。同时，钻修设备的自动化也在逐步推进，形成了地面管柱处理系统（液压管盒和液压动力猫道）

装备，SLG130～450系列连续油管作业装备和SBY70～270系列不压井作业装备已经进入页岩气开发市场。

    由系列化SL-MWD、随钻伽马和感应电阻率双参数组成的第一代地质导向系统，已形成产业化能力，年生产配套设备能力50套。第二代钻头地质导向系统井斜及方位伽马的测量点距钻头不到Im，正在油田内推广应用。正在攻关的第三代地质导向系统由包含方位伽马、声波、电阻率、中子、密度和工程参数随钻测量系统。旋转导向钻井系统关键技术取得成功，形成了功能性样机，研发捷联式自动垂直钻井系统目前已经进行了10多次现场试验，应用效果良好。

1.2.2增产技术装备研制情况

    井下作业设备如水泥车和固井压裂车等均已实现系列化生产，在引进2000型压裂机组的基础上，研制了适合我国油气田作业工艺特点的高压、大功率的2000型、2500型、3000型压裂机制造。压裂机组可实现自动、网络或遥控控制，达到国际领先水平；形成柱塞泵和高压流体元件等关键部件的制造技术，具有年产30万水马力制造能力。形成固井泵和自动混浆系统两大核心技术，能按照井场施工工艺量身定做整套固井装备。在大排量、超高压管汇研制方面形成井控闸阀、节流阀、欠平衡钻井控制研究和制造优势。

    封隔器、滑套、连续油管装置等井下工具已实现国产化。开发了超大尺寸、超高压、防腐蚀、自膨胀、旋转式等尾管悬挂器和远控分级注水泥器，生产固完井工具20大类，超高压尾管悬挂器、旋转尾管悬挂器打破了国外垄断，压裂滑套、裸眼封隔器、遇油遇水自膨胀封隔器、可泵送桥塞等分段压裂工具，主要性能指标达到了国际先进水平，成本较国外同类产品降低30%以上。自适应式完井工具、防砂筛管、免钻工具、封隔器等在国内市场应用近500口井。

1.2.3存在的问题

    随着计算机、通讯及网络技术的广泛应用，使页岩气智能化开发逐渐成为可能。在自动化钻机的基础上研发智能钻机，集成远程操作、钻井信息共享等功能，为实现钻井全过程自动控制；越来越严格的环保政策，要求研发绿色节能修井机，以满足绿色环保、高效节能的要求；连续油管压裂、钻井技术研究和超大管径复合式连续油管钻井装备需要满足页岩气资源开发需要。

    水平井和页岩气开发使压裂施工数量和规模将呈现不断增大的趋势，对大型压裂装备的需求逐步扩大，大功率涡轮发动机应用、动力装置双燃料改造、压裂装置电驱等均对现有装备提出了更高的要求。

    我国页岩气精确开发和增产改造成本居高不下，主要还是在于核心装备的全面国产化程度不足，难以全面平抑成本，在核心技术与重大装备方面进行深入研究是目前的工作重点。

2核心技术与重大装备开发

    基于目前国内页岩气开发面临的问题，需要在钻完井、压裂改造及采气装备等方面进行核心技术与重大装备的开发。

2.1  钻完井技术及装备

2.1.1  水平井钻井

    页岩气水平井钻井中易发生井眼碰撞、井壁垮塌的问题，解决难度体现在井眼轨迹测量与控制、井壁稳定控制以及钻井液体系几个方面。因此，需要改进和提升以钻机、钻头、固井车、随钻测量仪( MWD)和随钻测井仪(LWD)、旋转导向钻井工具和地质导向钻井工具为主的水平井钻完井设备技术性能。并进一步开发适应超深井、长水平段钻井的小尺寸（6 in以下）钻头，发展极具地层针对性的钻头，有效地应用于页岩气水平井钻完井工艺上，最大程度地利用常规油气已有设备的功效，同时为新型的钻头、随钻测量仪( MWD)和随钻测井仪

( LWD)的研发提供技术参考。形成适合我国地质条件的页岩气水平井钻井技术及装备体系，降低钻井风险，保证页岩长水平段井眼的形成。

2.1.2  长水平段固井

    对于水平段固井易出现的固井质量差等难题，主要在于长水平段固井水泥浆体系和固井施工工艺技术研究。目前常采用泡沫水泥固井技术。泡沫水泥具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水小、抗拉强度高等特点，因此具有良好的防窜效果，能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题。而且水泥侵入距离短，可以减小储层损害。根据国外经验，泡沫水泥固井比常规水泥固井产气量平均高出23%。与之配合的专属设备主要是与注浆设备管

路相连接的起泡剂注入器、泡沫发生器、氮气单元及一系列传感器。通过新型固井泥浆体系及其设备的研发，形成页岩长水平段高效固井技术，提高页岩气钻完井时效，降低完井费用，为后续压裂改造提供良好基础条件。

2.1.3井工厂技术

    页岩油气开采的丛式水平井组井身结构、施工工序、各次开钻钻井液体系相同，各工序可按工业化生产模式进行施工。优化丛式水平井组井位设计和应用的“井工厂”理念可使多口井依次一开、固井，依次二开、固井，钻井、固井、测井设备无停待，实现设备利用最大化；泥浆重复利用，减少泥浆的交替；实现钻井开发井网覆盖区域最大化，将钻井、完井和储层改造技术有机结合，统一调动，体现良好的组织形式，探索同步压裂整体优化设计和压裂施工技术，可减少钻井周期，降低钻井综合成本，获得较好的经济效益、社会效益。

2.2压裂改造技术及装备

2.2.1  水平井分段压裂

    目前水平井分段压裂裂缝起裂与延伸机理、压裂改造材料体系、分段压裂设计与实施方法、压裂改造综合评估方法等方面施工经验不足、压裂效果不理想，压后综合评价技术依赖国外技术服务。因此在压裂设备和工具方面需要积极研发新型高效的产品，包括水力喷射工具，可使用连续管进行压裂作业，良好地控制压裂强度和深度，无须从井内移走连续管，各压裂层也能减小井场所需的水马力。作业过程较为简单，不会产生一些突发情况，有助于将

非生产时间降到最低；多层同时压裂工具，通过一次压裂施工同时压开几个或更多水平段油层，可有效改造低渗透非常规油气藏，提高单井产量；封隔器、滑套等井下工具，适用于水平裸眼井段限流压裂，一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工。

2.2.2储层增产改造

    对储层裂缝发育情况的研究有助于确定增产改造方案，因此需要开展以页岩储层脉冲致裂技术、双阶压裂增产技术和高能气体压裂改造技术为主的新技术研发，与之配合的设备研制是技术推广的前提。常规的微地震检测仪器在国外现场应用较为成熟，目前较新的光纤一体化温度压裂检测仪器除了可以获知压裂发生的空间位置外，还能判断压裂液到了什么地方、出气还是出油。该装置不引入电信号，抗电磁干扰，保证了监测过程中的安全性和准确性。

2.3  采气工艺技术及装备

    在完井时可采用流入控制装置，使压力沿着井眼方向均衡变化，并使流体匀速流入井眼，在整个水平井井段产生均一稳定流，增加存在水侵和气锥的水平井产量和生产寿命；除此之外，进行配合页岩气开发的排采管柱、地面工艺、生产管理、动态监测研究，可解决页岩气流动规律复杂、储层敏感性强、易受流体伤害、生产井口压力变化大、气水分离量大等问题，形成页岩气采气工艺技术，为实现页岩气规模化开发提供有力支持。

3  页岩气开发技术装备自主化研究趋势

3.1  钻完井技术装备

3.1.1  页岩气专用钻机

    根据我国页岩气资源分布、地质情况及气候环境等因素，研制满足页岩气水平井钻井和“井工厂”开发模式要求、适合不同钻井深度和自然条件的新型专用钻机。开展以套管钻井技术为主的页岩气专用钻机研制，缩短页岩气钻井周期。

3.1.2高效钻头

    开展以聚晶金刚石复合片(PDC)为主的钻头研发，解决页岩气长水平段钻井难度大，周期长、钻头易损耗等问题，开发出适合页岩气开采并用于水平井长水平段钻进的钻头，提高页岩气钻完井时效，大幅度降低钻完井费用。

3.1.3旋转导向钻井工具

    开展适用于井深4000m以内的导向钻井工具研究，研制旋转导向钻井工具及配套应用软件，满足页岩气钻井过程中水平钻井的需要，提高钻井质量和成功率，缩短钻井周期。

3.1.4水平井高精度随钻地质导向工具

    研发以随钻测量仪( MWD)和随钻测井仪(MWL)为核心装备的高精度随钻地质导向工具及其配套应用软件，解决页岩储层在水平段钻井过程中井壁失稳、井眼轨迹不易控制等问题，形成页岩水平井高精度随钻地质导向系统，提高钻井质量和成功率，缩短钻井周期，为后续压裂改造提供良好基础条件。

3.2储层改造技术装备

3.2.1  大排量压裂泵车及机组控制系统

    以3000型为代表的大排量压裂泵车，提升压裂泵车的连续工作能力、混沙车的精度控制水平以及机组控制系统的可靠性，研发压裂机组无线控制系统技术，为页岩气大型水力压裂提供装备支持。

3.2.2井下压裂工具

    包括水力喷射压裂工具、多层同时压裂工具、利用高分子材料替代金属材料的可钻式桥塞和可钻式分隔器等，形成产品系列和批量生产，有助于缩短压裂周期、降低成本，缩短压裂液在地层中的停留时间，减低压裂液对储层的伤害。

3.3工程配套技术装备

3.3.1  微地震采集装备和处理解释软件

    开展数据处理、震源成像和精细反演等关键技术的研究，建立高精度实时处理和弱信号定位的微地震监测处理方法及流程，形成微地震监测采集技术，摆脱国外技术垄断的局面，实现微地震监测装备的国产化，可为形成适合我国页岩气开采的微地震裂缝监测技术体系提供保障。

3.3.2  压裂返排液和钻井废液处理成套技术装置

    建立集工艺安全、生态及地下水污染、地质灾害等为一体的风险评估防控技术体系，解决页岩气开发中废物处理、环境安全和地质灾害防范等突出问题，为页岩气长期、大规模、环保开采奠定基础。

4结束语

    国内页岩气的开发实践走在了理论研究的前面，这个过程中对北美地区开发经验的借鉴是必然的，但是必须要结合自身情况，发展合适的机械装备和工具，包括页岩气专用钻机、井下钻具和导向工具等；先进装备和工具的自主化研究进程需要在制造和技术两个方面齐头并进，除了消化吸收装备硬件实体，还需要在使用工艺等软件部分深入研究．以便发挥效力。    _