钻井工具（智能、高效、大数据）

页岩油钻井技术发展趋势与新技术：大数据智能导向钻井技术、双井导向钻井技术、高效空气钻井技术、页岩油储层钻井液新技术

熊小华 油媒方

摘要：

近年来页岩油的发展突飞猛进，各国逐渐视页岩油为新的能源保障加以重视，与其相关的钻井技术也随之快速发展并应用。本文针对页岩油钻井技术现状和发展趋势进行了研究，并对目前出现的新技术展开了探讨，为页岩油钻井技术的发展提供相关思路。

一、页岩油钻井技术现状与发展趋势

页岩油在世界范围内的分布较为广泛，目前可探明储量俄罗斯、美国、中国居前三。美国的页岩油开发利用在世界上属于领先地位，已经形成了较为完备的钻井完井技术，而中国起步虽然较晚，但是近几年页岩油的钻井技术发展也较快，国内相关区块也取得了较为显著的效果。

1、井工厂”立体式钻井开发技术

斯伦贝谢公司首先提出了“工厂化”钻井模式。随后集成式、低成本的“井工厂”立体式钻井开发技术逐渐推广，尤其在美国、加拿大等页岩油开发较为规模化的区域，该技术一是能够利用丛式水平井单座平台同时钻开多个油层、多井同时作业的特点，有效的减少了各井之间的距离；二是集成钻井设备设施、液储罐、回收水处理循环等为共用系统，极大的减少了钻井费用；三是利用现代科技手段深度模拟钻进曲线，大大提高钻遇率和施工效率，通过以上方式可以将钻井费用降低至传统方式的81%。近年来该项钻井技术应用的规模逐渐增大。

2、长水平段水平井井眼轨迹控制技术

传统水平井钻井过程中一旦出现定向钻井工具故障甚至失效，会严重耽搁钻进工时，使用旋转导向工具即可解决该问题，保证井眼轨迹精准的同时还能提速钻进。当前该项技术已覆盖美国页岩油40%的油井，在轨迹控制难度更大、水平长度超过3000m以上的页岩油单井中应用更为广泛，成为页岩油钻井技术中心控制井眼轨迹的主力技术。

3、高能破进工具

聚晶金刚石复合片钻头（简称PDC钻头）性能优越，不仅提高了钻速，其与导向工具组成的一体化复合型钻头的导向性、平稳性和耐磨性更为显著，已在国外成功推广应用，其能够使用小型切屑齿、直线刀翼组成结构、较短的钻头长度等参数指标。该技术能实现精准控制工具面角度和狗腿度、稳定钻进轨迹线、提高造斜能力等作用。

4、地质工程一体化钻井技术

以地质数据研究分析为技术基础，时时分析钻遇油层的各类指标特性，针对性改进包括个性化钻头、井眼轨迹、井深结构等在内的钻井方案，一是为实现高效率的钻进；二是为保障钻井的安全；三是钻井时的现场反馈的数据。该项技术近年来发展迅猛，已在国内外页岩油的开发中逐渐推广应用。

二、页岩油钻井新技术

1、大数据智能导向钻井技术

在提高钻速、降低风险的实践路径上，行业内逐渐发现智能化是一种可靠的研究方向。智能化与数字化紧密相关，基于先进传感器的物联网、高效处理数据的云平台和人工智能等先进的数字化科技手段，逐渐使得智能技术成为页岩油钻井新技术的研究热点。

（1）物联网感知部分。采用各类先进传感器进行钻井方面各类数据的收集和传输，是物联网感知部分的重要功能，借助现在5G或卫星等先进科技通信手段，实现钻井数据与大数据缓存部分、近乎无延迟的数据传输。

（2）大数据缓存部分。物联网感知部分所获得的各类数据，时时上传到云端平台大数据缓存库，以钻井施工现场数据分类为依据，在云端平台也建立相应的数据缓存库，将所有数据进行归一储存，从而建立各类数据之间的紧密联系，将原始孤立存在的各类数据统一联系起来，方便云端平台决策时的随时调用。

（3）云端平台决策部分。此部分为智能钻井技术的功能核心所在，是钻井方案时时优化的“大脑决策机关”。该部分包括云端软件、智能决策和云端管理三个部分，各自按照数据流程各自行使功能。一是云端软件时时编译大数据缓存部分内的各类数据；二是通过人工智能技术，将大数据缓存部分大量的数据进行计算机深度学习和处理；三是云端管理是对云端平台的日志、权限、配置等进行统一管理的职能。

2、双井导向钻井技术

在导向钻井技术中，细分出了很多类型，在垂直井和水平井对接、多水平井等距导向等方面产生了新技术，其技术路线为：一是垂直井先钻至制定油层部位，在该垂直井井底处为靶向目标，再通过水平导向技术穿过页岩油开采层，在垂直井井底完成对接；二是在稠油类油层开发中，在一个开采层中钻水平井，此水平井作为主力开采层位，再选择此水平井平行的下方层位钻出同样的水平井、作为注入热介质的井，两井等距保持。双井导向钻井技术在页岩油地层中具有广阔应用前景。

3、激光钻井技术

（1）构建激光与机械联合破岩的力学模型。研究激光钻井技术，需要扎实的力学基础理论作为技术支撑。激光在破岩时，需要研究开采层位的弹性模量、油层物性等参数精确的变化规律，建立激光破岩与机械破岩联合作用时候的动力学模型，形成岩层破损评价标准和激光钻井技术的数学模型，以作为激光钻井技术研发的理论基础。

（2）抗高温高压光学组件。地层中的高温高压给激光钻井装置光学组件的可持续稳定工作提出了严峻的考验，在抗高温、抗高压、防尘、抗震动等方面需要极强的硬件保障，需要在其材质、结构稳定性、光能稳定供给方面持续开展研究。

（3）激光高效能传送技术。为减少激光在光纤中的输送损耗，需要在吸能损耗、散失损耗等方面，开展相关研究，目前国内外可以实现2000m内的高效能低损耗的激光传送技术，损耗率低于20%，为了能够拓展激光钻井技术，还需要在5000m以上的距离研究激光高效能传送技术。

（4）激光机械复合钻头结构设计。激光钻井技术实现的核心装置即为激光和机械复合组成钻头，其结构的合理性是实现激光与机械集成联合破岩效率的关键，需要良好的耦合设计，在钻头切齿分布、激光发射组件、气道结构和钻屑回流路径等方面深入研究，确保激光与机械联合协同破岩的高效能。

4、高效空气钻井技术

采用空气替代传统钻井液的空气钻井技术近年来在部分区域得到应用。该项技术具有止钻响应快、无液体伤害油层、钻速高、经济成本相对低等优点，但由于空气钻井时，卡钻的情况很容易发生，还需要考虑防止水侵的影响，该项钻井技术推广受限，需要研究保障其高效的改进措施，主要是从解决层位水侵、加强排屑能力入手。

5、页岩油储层钻井液新技术

目前国内外在页岩油储层钻井液技术方面，一是考虑到长水井段水平钻井过程中会导致页岩油储层长期侵泡在钻井液中，由于泥页岩特性，侵泡会导致井壁稳定性降低，所以钻井液的稳定井壁性能要强；二是较长井段对于保持井眼清洁十分必要，防止岩屑沉降、形成泥沙淤泥造成卡钻，故钻井液的携带岩屑能力也要突出；三是水平钻进时，重力导致钻具接触井壁的程度高，磨阻和扭矩均会加大，影响钻进效率，所以钻井液的润滑能力也要良好。

总结

页岩油的开发已成趋势，与其相关的钻井技术将成为其能否扩大开发规模的关键保障之一，采用“井工厂”立体式钻井开发技术、长水平段水平井井眼轨迹控制技术、高能破进工具、地质工程一体化等先进钻井技术，能够大幅度提高页岩油的钻井效率，同时对于大数据智能导向钻井技术、双井导向钻井技术、激光钻井技术及新型钻井液等新技术的研发，还会加快页岩油钻井技术的发展，对页岩油的开发起到极大的促进作用。