郭晓霞杨金华钟新荣

（1.中国石油集团经济技术研究院，北京 100011；2.川庆钻探长庆井下作业公司，陕西西安 710065）

北美致密油钻井技术现状及对我国的启示

郭晓霞1杨金华1钟新荣2

（1.中国石油集团经济技术研究院，北京 100011；2.川庆钻探长庆井下作业公司，陕西西安 710065）

受天然气价格低迷影响，北美致密油延续页岩气革命，作业量及产量出现大幅增长，并在全球引领了一场非常规油气资源革命。以页岩气、致密油为代表的非常规资源的成功开发与水平井等技术的进步密不可分。从钻井工程技术的角度探究了北美致密油产量大幅提升中技术进步所起到的重要作用。首先介绍北美致密油分布情况、钻井技术发展历程及现阶段作业规模情况，并通过系统梳理目前在北美主要致密油盆地所采用的主体及前沿钻井技术，分析未来钻井技术的发展趋势，为正在起步的中国致密油开发提供借鉴。

致密油；钻井；北美；水平井；工厂化

水平井钻井及多级压裂技术广泛应用促使北美形成致密油、页岩气比翼齐飞的局面，油气产量双双突飞猛进。然而，在美国天然气价格持续低迷的影响下，越来越多的公司发现干气业务已难以维系公司盈利的需求。与此同时，2008年以后，国际油价持续走高，页岩气开发技术在致密油开发中的应用也取得了成功。作业公司发现，从事致密油甚至湿气生产能够获得更高的收益。鉴于此，越来越多的北美作业公司开始削减页岩气业务，将更多的资金和精力投入富含液态烃的致密区带［1］。与页岩气相似，致密油钻井几乎也经历了尝试、探索、学习、改进、成熟、推广的过程，同样是由于技术的进步，使钻井工作量不断增长、钻井效率不断提升、致密油产量获得突破。

1 北美致密油钻井概况

1.1 北美主要致密油盆地及钻完井方式

北美是致密油开发较早的地区，随着技术的进步，美国和加拿大的致密油产量获得了巨大的突破。在美国，致密油主要分布在3个产区：威林斯顿盆地的Bakken地层，年产2 364万t，其占总产量的比例最高，约占美国致密油总产量的36.4%。得克萨斯州南部的Eagle Ford区带是产量增长最快的产区，2011年年产1 422万t，仅用3年时间就使产量增至总产量的21.9%。另外就是Fort Worth盆地Barnett页岩和落基山脉周边Niobrara页岩，属于逐步被开发的产区。加拿大的致密油主要分布在Duvernay区块、Muskwa地区、Montney区块艾伯塔延伸带和Cardium产区。Duvernay页岩区是致密油的热点产区，液体资源丰富，面积约16.214万km2，储层深度范围为2 500～4 000 m，自西向东由深变浅。Cardium是致密页岩新区，储层埋深2 000 m左右。

水平井是开发北美致密油开发采用的主要技术，根据不同的地质条件和埋藏特征，在不同地区采取了不同的钻井设计、工具、工艺及方法。比如Bakken地层连续性好。上下段为页岩，中段为砂岩、灰岩互层。页岩砂岩均含油，有机质含量高。中段粉砂质白云岩或白云化粉砂岩，为水平井开发主要目的层，储层埋深一般位于2 500～3 200 m之间。Bakken地层的分布跨美国和加拿大，美国Bakken地层埋藏较深，油层厚度大，而加拿大Bakken 地层埋藏浅，油层厚度变小 Bakken顶部页岩段厚度小，上部Lodgepol地层易产水。虽然在美国及加拿大Bakken都采用水平井+多段压裂的开发方式，但在钻完井方式上仍稍有不同。美国Bakken钻的水平段长度较长一般都在3 000 m左右，采用的完井方式包括裸眼完井和套管固井完井；加拿大Bakken的水平段相对较短，一般在1 000 m左右，采用的完井方式包括套管固井和裸眼完井。加拿大Bakken还采用了双分支水平井进行开发，这种方式也被引入Cardium的开发中。Eagle Ford区带的主要产层为与页岩互层的灰岩，埋深较大（3 000～3 900 m），渗透率与Bakken相比较差（小于0.01 mD），孔隙度2%～12%，属于高压储层，压力系数1.0～1.5，天然裂缝发育。一般采用中长水平井段进行开发，水平段长度为1 000～1 500 m，并采用套管完井方式。

1.2 北美致密油钻井技术发展历程

致密油的开发模式很大程度上借鉴了页岩气的成功经验。因此，与页岩气开发类似，致密油的钻井也经历了从直井到水平井的过程。以Bakken为例，上世纪80年代之前，还主要是以钻直井为主，产量不高。80年代中期开始尝试钻水平井，水平段一般长800～1 000 m，使用预开孔尾管或割缝尾管完井，产量略有起色。90年代末，开始通过钻双分支水平井的方式进行开发，并把2个水平段布设到不同的层段中，产量有所提升，但不明显。2007年开始，在Bakken开始采用长水平段水平井+多级压裂的开发方式，水平段长度一般达到3 000 m，单井日产量突飞猛进（图1）。

图1 Bakken致密油产量曲线

1.3 北美致密油钻井工作量

近两年来，致密油钻井工作量不断攀升，带动美国油井工作量出现显著增长，使美国新开钻的井由过去的以气井为主逐渐转变为以油井为主［2］（图2）。油井钻井数由2008年的2.17万口迅速增长至2013年底的3.16万口，气井钻井数却由2008年的2.93万口迅速跌至2013年底的0.92万口，达到2000年以来的最低水平。美国钻井数量增加最快的地区为得克萨斯东南部的1区［3］，即Eagle Ford区带，2010年，在Eagle Ford全年的钻井数还不过1 000余口，到了2012年全年钻井数已经达到3 802口［4］，而北达科塔州的Bakken，钻井数量也迅速增加，这些都是美国致密油的主力产区。

在加拿大，致密油的钻井活动也明显增加。加拿大的致密油区主要分布在西加拿大盆地和东部的阿巴拉契亚山脉地区，其中横跨Manitoba、Saskatchewan、Alberta三省的西加拿大盆地从2005年开始致密油生产，随着技术的成熟、产量效益开始显现，从2010年开始，该地区的钻探活动明显增加，到2011年，在该盆地新开钻的用于钻致密油的水平井已经超过3 500口。

1.4 动用钻机情况

除了气价低迷因素之外，致密油产量的提升也是钻机由气转油的重要推手。2013年初，在美国从事干气钻探的钻机所占比例已由过去的80%降至约20%，而从事与石油生产有关钻探活动的钻机数所占比例则由20%增加到80%。截至2013年底，美国陆上用于钻油井的钻机已经达到1 372台，而气井钻机减至389台，与5年前形成逆转（图3）。

图2 2000—2013年美国钻井数量变化情况

图3 2010—2013年美国陆上在用钻机情况

致密油的效果显现，大量钻机涌入富油的Eagle Ford、Williston Bakken等盆地。在2011年的2月，在Eagle Ford 作业的钻机还仅有134台，其中用于钻气井的占大多数，为86台，用于钻油井的仅有47台。到了2013年9月，在该盆地作业的钻机数已经达到232台，其中油井钻机198台、气井钻机33台，在Williston盆地几乎全部为油井钻机［5］。

2 北美致密油钻井的关键技术与发展趋势

美国致密油水平井开发中，广泛采用工厂化作业模式，其核心就是利用定制钻机进行丛式水平井的批量钻井，这些定制钻机为快速移动式电驱动钻机，便于实现钻机在井间的快速移动。在美国页岩气钻井中，应用最多的井筒技术依然是高效实用的主体技术，前沿技术的应用近年来逐渐增加。主体技术主要包括：优质牙轮钻头和优质PDC钻头、优质钻井液（水平井段主要是油基钻井液）、MWD、导向泥浆马达、常规地质导向等。前沿技术主要包括：近钻头地质导向、旋转导向钻井、自动控压钻井等。既能钻直井段，又能钻增斜井段和水平井段的高造斜率旋转导向钻井系统，使越来越多的水平井实现二开“一趟钻”完钻。与此同时，技术服务公司针对不同地区的页岩地层开发了一些个性化技术，比如个性化的钻头和个性化钻井液（可替代油基钻井液的强抑制水基钻井液）等。

2.1 工厂化钻井

致密油储层的连续性为实施可重复性的工厂化钻井方式提供了契机。在北美的致密油产区，工厂化钻井有效提高了作业效率，减少了钻井周期。

工厂化钻井是在同一井场集中布置多口井，利用一系列先进工艺、工具和装备，结合精益管理方法和远程监控，实施批量作业，实现降低作业成本提高生产效率的高效作业方式，它通过高移动性钻机、优化的井下工具组合、优化的井场作业、流水线式建井程序的集成，实现了远程控制、多方协调作业，并具有系统的优化方法。

美国大陆资源公司在Bakken一个4口井的井场实施这种作业流程，各井依次进行了一开（表层井段）、二开（中间井段）和三开（水平井段），钻机共移动9次，每次移动只需大约2 h，平均单井节省钻完井费用10%［6］

工厂化钻井更加强调油公司、钻井承包商和技术服务公司等参与各方的密切协作，国际大石油公司大都制定作业规范或指导手册来引导区块作业。

2.2 井眼轨迹控制技术

2.2.1 定向工具 在北美致密油水平井钻井中，控制井眼轨迹应用最多的主体技术仍是常规导向钻井（常规导向泥浆马达和带近钻头地质导向仪的导向泥浆马达），近几年常规旋转导向钻井系统的应用呈增长趋势（图4），尤其是高造斜率旋转导向钻井系统应用效果十分显著。斯伦贝谢和贝克休斯公司分别于2011年和2012年推出的最大造斜率为17（°）/ 30 m和15（°）/30 m的高造斜率旋转导向系统，可用于钻直井段、造斜段和水平段，缩短了造斜段长度和靶前距，以更短的半径实现水平井的二开“一趟钻”完钻，从而减少起下钻作业，提高钻井效率，缩短钻井周期，简化井身结构，降低钻井的综合成本。同时，通过更早进入储层，增大油藏接触面积，提高采收率。比如，2012年初，在美国Eagle Ford页岩一口设计造斜率为8 （°）/30 m三维水平井中，应用贝克休斯公司高造斜率旋转导向系统和定制PDC钻头一次下井钻进3 217.8 m，完成了直井段、造斜井段和水平井段的钻进，实现了二开“一趟钻”完钻，共用时5.95 d，平均机械钻速27.43 m/h，比邻井缩短2.5 d，节省钻井费用大约8万美元。

图4 国际定向钻井市场构成

可以预见，未来在全球的非常规油气开发中，旋转导向钻井的应用规模还将持续增长。利用旋转导向钻井系统、高效钻头和高效钻井液等前沿技术实现水平井二开“一趟钻”完钻，将成为水平井钻井提速降本的新趋势和新利器，在水平井钻井的提效降本方面发挥重要作用。

2.2.2 远程控制定向钻井技术 钻井自动化、智能化是钻井发展的大趋势，而远程控制可以减少现场人员，同时协调多学科团队力量将井眼轨迹更好地控制在目的层之中。

壳牌公司是远程钻井控制技术的先驱，2008年开始开发定位于页岩钻井的实时钻井优化系统。2011年，在对位于休斯顿的一个RTOC的基础设备进行升级改造后，壳牌公司的第一个DART（通过钻井自动化和远程操作技术中心）开始运行。DART的作用是将定向钻井工程师、地质导向工程师和随钻工程师汇集到远程作业中心，进行远程钻井指挥，可同时进行3口井的随钻和定向操作，以及同时进行4口井的地质导向操作。目前，DART中心已经应用在美国的页岩油气钻井中，并获得了很好的效果。2012年6月，DART中心开始指挥Eagle Ford的定向井钻井。钻井效果也逐步获得改善，平均钻井周期降低50%，其中一口井创下每300 m仅用0.44 d的最快水平段钻速记录，2口井水平段超过2 133 m（图5），井眼质量也得到大幅改善［7］。

图5 钻井周期对比

随着工厂化钻井技术的大规模应用，工程地质相结合的钻井远程控制、协调中心将向着资源配置最优化、成本效率最大化的目标进军。

2.3 双分支水平井钻井技术

双分支水平井是致密油开发中采用的一种井型，在Bakken应用最为广泛。实践表明，在致密油藏中钻双分支长水平井能获得更高产能。通过对比Bakken地区121口双分支水平井和121口单分支水平井投产1年的生产数据，可以发现产量大幅提高。

双分支水平井减小了井场面积和基建成本，在接触同样面积油藏的条件下，双分支井的成本为258万美元，而钻两口单分支水平井的成本是396万美元，因此内部收益率几乎提高了1倍［8］。

2.4 钻机

美国开采的致密油主要是致密页岩油，因此，钻井面对的目的层主要是页岩层，如Bakken、Eagle Ford都是典型的页岩盆地。页岩钻井从直井发展到大斜度井再到长水平段水平井，钻机也适应这样的改进。为使钻机更能适应致密油开发的要求，钻井承包商与设备制造商会针对作业区的地质情况建造更有针对性的钻机以提升钻井能力，减少作业时间和成本。比如，为Bakken建造的钻机大多数的钻机具有拖行式（雪橇式）钻台底座，可以适应批钻井的要求，还特殊加强了防冻能力；用于Marmaton区带浅层资源开发（一般直井段1 500～2 200 m）的钻机多使用1 000 hp钻机（钻深能力约4 000 m）。在用钻机多是大中型电驱动钻机，尤其是定制的快速移动式交流变频电驱动钻机，其次是小型机械式钻机，主要用于钻表层井眼。交流变频技术使多参数电子司钻成为可能，从而使钻进控制可以参考更多的参数，如钻压、扭矩、ΔP、机械钻速等［9］。

在北美致密油区块作业的钻机大部分为H&P钻机和Nabors钻机，约占到总数的70%，其他钻机还有PIONEER钻机、EXTREME钻机UNIT钻机等，此外，各公司也竞相推出一些设计巧妙，运移性强的钻机，以期在非常规油气开发中占得先机。

为了帮助减少作业周期、提升安全性，对钻机提出了不同的要求，以下5项技术被认为是在北美致密油钻井中的关键钻机技术。

（1）顶驱技术。顶驱提速优势明显，可达20%～40%，在北美的致密油钻井中，多数钻机配备了顶驱，为快速批量钻井提供了条件。交流顶驱一般安装软扭矩系统，用来防止由于钻柱共振和卡钻而引起的钻柱或下部钻具组合扭断。

（2）大马力泥浆泵。水力性能是钻水平井的的关键，相对于大勾载荷和绞车提升能力的更为关键。

（3）泥浆循环系统。在水平钻井中，要想保持高机械钻速同时保证大量的固相能够及时清除，需要一个很好的泥浆循环系统来进行固控处理。

（4）钻柱。水平井的钻进的钻进与直井有很大区别，尤其在水平段钻进时，为防止钻铤进入大斜度或水平段的拖压问题，可以采用倒装钻具组合的方式，即把钻铤加在上部造斜段、增斜段或直井段，或使用加重钻杆代替钻铤，将单位长度质量小的钻具置于下部稳斜井段，而将单位长度质量大的钻具置于上部造斜、增斜井段或直井段，以减少下部钻具的质量，有效地传递钻压。

（5）钻机移动系统。多数的页岩区带在开发上都具有可复制性，也就具备了工厂化批量作业的条件。比如在Barnett，多数的钻机都是可移动式的，Bakken的大多数井也是采用拖行式钻机实现多个井位间移动的。通常，准备拖行的时间大约为3 h，钻机重新调试到位的时间为3 h，拖动钻机的过程仅仅只有1 h。

2.5 钻头

水平井最大化油藏接触，有效提高泄油面积，对于致密油产量的提升作用巨大。钻水平井，尤其是长水平井，对钻头有更高的要求。首先，要求钻头具有较好的造斜性能。其次，由于较多地采用井下动力钻具，一般须适应地钻压、高转速。此外，水平井钻井中，为了满足携带岩屑的需要，对钻头水力性能的设计也有一定的要求。钻头技术主要通过在这几个方面进行改进，推出更加适应水平井钻井需求的钻头产品。近两年新推出的针对水平井的钻头产品包括斯伦贝谢公司的Spear PDC钻头、休斯克里斯坦森Talon 3D钢体定向PDC钻头、哈里伯顿公司的固定切削齿钢体钻头、ReedHycalog公司的Seeker定向钻头等。

2.6 钻井液

致密油水平井，尤其是长水平段水平井对钻井液性能提出很高要求。首先，水平段，尤其是长水平段钻进过程中，极易出现井壁失稳问题，容易引起卡钻等严重事故，因此，钻井液须具有很好的井壁稳定性能；第二，螺杆钻具在复合过程中造成的井径比正常要大，岩屑运移过程中要产生沉降，在钻具周围形成泥沙淤积，甚至岩屑床，造成卡钻。因此，钻井液须能很好地清洁井眼；第三，在重力作用下，钻具与井壁的接触面积比直井大，因而起下钻具的摩阻和旋转钻具的扭矩会大幅增加。因此，钻井液须具有很好的摩阻控制能力。

针对各地层不同的情况，各公司开发出越来越多的个性化钻井液，也采取了不同的钻井液方案。比如在Bakken盆地钻进时，产层为粉砂质白云岩，在技套层段使用油基钻井液，而在水平段使用盐水钻井液。一般这样做可以把钻井周期从30 d降到20 d，最快的降到14 d。使用盐水钻井液，可以达到日进尺762 m，使用油基日进尺最快只能达到365 m/d。然而，在Eagle Ford页岩，除产层外，在上部Wilcox和下部Astin Chalk钻进中也会出现裂缝性漏失，同时，井底温度相对较高、CO2侵入等都是在该地区作业的主要问题。针对这个情况，多家公司开发了个性化的水基钻井液，性能上与油基钻井液相当，而低成本、提速、和保护油层优势更加明显，正在逐渐改变该地区以油基钻井液为主的格局［10］。

3 北美致密油钻井经验对我国的启示

美国在页岩气成功开发的基础上，又获得了致密油开发的大成功。2008年后，以Bakken为首的美国致密油盆地快速兴起，钻井工作量显著提升。Williston盆地2012年的钻井数达到2 200口，Eagle Ford盆地，近两年的全年钻井工作量已经站上3 000口西加拿大盆地的三大致密油产区，每年的致密油钻井工作量也超过了3 000口。

我国具有丰富的致密油资源，广泛分布于鄂尔多斯、准噶尔、四川、松辽等多个含油气盆地中，目前初步评价有利勘探面积15～24万km2，可采资源量18～28亿t。在开始着手致密油开发之初，通过借鉴美国的经验，可有助于我们吸收精髓，少走弯路［11］。

目前国内已经具备较成熟的水平井钻井技术，水平井钻井数逐年增加。苏里格、长宁-威远、吉林等地的工厂化作业试点初步取得成效，已经实现了钻井周期大幅缩短的效果。然而，就目前的规模而言，水平井钻井规模还远未达到页岩气及致密油开发的需求，同时，钻机自动化水平较低，适合工厂化钻井的快速移动式电驱动钻机数量严重缺乏，PDC钻头和油基钻井液的性能有待提升，个性化钻头和钻井液等个性化技术开发能力有待加强，旋转导向钻井技术尚属空白。

水平井对于致密油产量的提升至关重要。美国致密油钻井主要采用水平井，一个盆地的水平井钻井量就达到一年3 000口，全国的水平井钻井量超过15 000口，占总钻井数的38%。可以预见，随着页岩气、致密油等非常规资源的兴起，水平井是大势所趋，因此，应进一步加大水平井钻井的推广力度，同时，在人员、装备、技术上提前布局。在试点地区取得良好成效的基础上，在致密油藏推广工厂化钻井模式，提高施工效率，缩短水平井钻井周期，降低施工成本。与此同时，加快攻关一批技术，尤其是加大旋转导向钻井系统的攻关力度，同时针对不同地区页岩地层的特点开发个性化技术，比如个性化钻头、个性化钻井液等。

3.1 建议推广和提升的技术

（1）电驱动钻机，包括适合工厂化钻进用的快速移动式电驱动钻机；（2）优质钻头；（3）优质钻井液，包括油基钻井液；（4）MWD，LWD，近钻头地质导向；（5）导向泥浆马达，包括带近钻头地质导向仪的导向泥浆马达；（6）自动控压钻井；（7）气体钻井/欠平衡钻井。

3.2 建议加快攻关的技术

（1）个性化PDC钻头研制.

（2）个性化钻井液，包括可替代油基钻井液的强抑制性的水基钻井液.

（3）旋转导向钻井系统，包括高造斜率旋转导向钻井系统.

（4）造斜段和水平段“一趟钻”技术。

［1］侯明杨，杨国丰.北美致密油开发前景可期［N］.中国石化报，2013-03-22.

［2］RICHARD B Spears.Drilling and production outlook［R］.Spears &Assosiates,2013-12.

［3］窦宏恩，马世英.巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示［J］.石油钻采工艺，2013，35（3）：120-124.

［4］PEARCE J,STOKES T.North American rig fleet gains while activity level drops ［J］.World Oil,2013,234（11）:55-65.

［5］JENNIFER HILLER.Four quarters,4 092 new wells in the Eagle Ford Shale［R］.Eagle Ford Fixl,2012-06.

［6］田洪亮.工厂化钻井——推动降本提效的作业模式［R］.中国石油集团经济技术研究院，2012-09.

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［9］王力耕，张伟，吕跃宾.美国新一代FlexRig陆地钻机［J］.石油机械，2004，32（5）：61-62.

［10］DANNY Boyd.Solutions advance both WBMs,OBMs.The American oil and gas reporter,2012（11）：61-71.

［11］BOYD D,WESTEMAN C.Solutions advance both WBMs,OBMs［R］.The American oil and gas reporter,2012-11：61-71.

（修改稿收到日期 2014-07-03）

〔编辑 付丽霞〕

The status of tight oil drilling technique in North America and its enlightenment to China

GUO Xiaoxia1,YANG Jinhua1,ZHONG Xinrong2
（1.CNPC Economics &Technology Research Institute,Beijing 100011,China;2.Downhole Service Company of Chuanqing Drilling Corporation,CNPC,Xi'an 710065,China）

Being affected by the low price of natural gas,North America is experiencing a tight oil evolution following the previous shale gas evolution;both fracturing quantity and production have increased greatly,leading an unconventional oil/gas resource revolution in the world.The successful development of unconventional resources represented by shale gas and tight oil is closely related with the advance of technologies like horizontal wells.This paper has investigated the important role played by technical advance in the great increase of tight oil production in North America from the point of view of drilling engineering technology.The paper first introduces the distribution of tight oil in North America,the history of the development of drilling technologies and the scale of present fracturing operations,and then analyzes the future drilling technology development trend through systematically examining the principal and leading-edge drilling technologies used in tight oil basins in North America,so as to provide reference for the development of tight oil in China,which has just got started.

tight oil;drilling;North America;horizontal well;factory production

郭晓霞，杨金华，钟新荣.北美致密油钻井技术现状及对我国的启示［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：1-5，9.

TE132.2

：A

1000–7393（2014）04–0001– 05

10.13639/j.odpt.2014.04.001

国家科技重大专项“我国油气及煤层气勘探开发技术发展战略研究”（编号：2011ZX05043-03）。

郭晓霞，油气井工程专业硕士研究生，从事油气前沿技术跟踪研究，工程师。电话：13910803537,010-62065199。E-mail：guoxx@cnpc.com.cn。