近幾年，美國(guó)等國(guó)家的頁巖氣開采技術(shù)成功應(yīng)用，帶來了全球性的能源戰(zhàn)略多元化發(fā)展，逐漸改變了業(yè)界對(duì)未來油氣資源供需格局的判斷。2012年國(guó)土資源部油氣中心最新研究成果表明，我國(guó)頁巖氣可采資源量為25萬億立方米。在我國(guó)頁巖氣“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，2015年頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)65億立方米。
然而，我國(guó)頁巖氣開發(fā)存在成本高、鉆井周期長(zhǎng)、鉆頭鉆具不配套、壓裂技術(shù)體系不完善、關(guān)鍵技術(shù)由外國(guó)公司提供等問題。
鉆頭“轉(zhuǎn)型”適應(yīng)非常規(guī)開發(fā)
非常規(guī)天然氣資源的埋藏、賦存狀態(tài)與常規(guī)天然氣資源既有相似之處又有較大差別，主要表現(xiàn)為氣藏隱蔽、采收率不穩(wěn)定、開發(fā)技術(shù)復(fù)雜、開采工藝水平要求高等。
我國(guó)非常規(guī)油氣鉆探的地層條件的復(fù)雜性、鉆桿受力的多向性，以及孔底環(huán)境的惡劣性，對(duì)鉆探設(shè)備(鉆機(jī)、泥漿泵)、機(jī)具(鉆桿、鉆具、鉆頭等)、鉆井液，以及鉆井工藝等提出了較高要求。研制適應(yīng)性更強(qiáng)的新型鉆頭，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各大鉆頭制造企業(yè)的重點(diǎn)工作。
針對(duì)不同地區(qū)地層的復(fù)雜性，以及鉆井工藝技術(shù)多元化等特點(diǎn)，鉆頭制造企業(yè)不斷優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)方案，加快鉆頭“轉(zhuǎn)型”，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，提高機(jī)械鉆速，減少起下鉆的次數(shù)和純鉆時(shí)間，降低鉆井綜合成本。
鉆頭研發(fā)不能照搬外國(guó)經(jīng)驗(yàn)
我國(guó)頁巖氣藏儲(chǔ)層條件與美國(guó)明顯不同。美國(guó)的頁巖氣層埋藏深度在200米～2000米，而我國(guó)四川盆地的頁巖氣層埋藏深度在1500米～4000米;黔、渝、湘等省份頁巖層厚度較薄且常呈多層疊置狀態(tài)，開發(fā)難度大。
我國(guó)頁巖氣開發(fā)不宜照搬美國(guó)的理論和技術(shù)參數(shù)，結(jié)合我國(guó)地質(zhì)特征實(shí)際，研究頁巖氣開發(fā)理論、技術(shù)，以及相關(guān)裝備，是可行之路。
專家郭忠志認(rèn)為，我國(guó)石化裝備領(lǐng)域的科研人員要深入頁巖氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)，了解鉆頭的使用現(xiàn)狀和使用要求，確定鉆頭研發(fā)的詳細(xì)內(nèi)容和分解指標(biāo);結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地層、鉆具組合和鉆頭使用情況優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu);根據(jù)鉆頭材料的分解指標(biāo)開展金剛石復(fù)合片、胎體材料等的應(yīng)用性研究，自主研發(fā)頁巖氣水平井長(zhǎng)水平段鉆頭。“只有這樣做，才能延長(zhǎng)鉆頭壽命，加快鉆頭機(jī)械鉆速，減少鉆頭起下鉆次數(shù)，滿足相關(guān)可操控性要求。”他說。
PDC鉆頭有望成為頁巖氣開發(fā)的主力鉆頭
目前，PDC鉆頭廣泛應(yīng)用于常規(guī)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域。由于國(guó)內(nèi)常規(guī)天然氣埋藏深度在1500米~3000米，深度與頁巖氣埋藏深度差距不大，在頁巖氣勘探開發(fā)中使用PDC鉆頭，能夠提高鉆井速度、降低更換鉆頭頻率，大幅提升鉆井經(jīng)濟(jì)效益。
頁巖層屬于中軟級(jí)別巖層，而PDC鉆頭在中硬級(jí)別以下巖層鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì)顯著。目前，全球消耗的PDC鉆頭量占鉆頭總量的比例達(dá)65%，而國(guó)內(nèi)PDC鉆頭市場(chǎng)容量在2011年與牙輪鉆頭相當(dāng)。專家預(yù)測(cè)，PDC鉆頭替代牙輪鉆頭并逐漸成為頁巖氣開發(fā)的主力鉆頭是大勢(shì)所趨。
2012年10月，斯倫貝謝公司發(fā)布了為非常規(guī)頁巖氣開采量身定制的新一代Spear頁巖優(yōu)化鋼體PDC鉆頭成功開發(fā)的信息。斯倫貝謝鉆頭和高級(jí)技術(shù)主席Guy Arrington表示：“隨著2011年Spear PDC鉆頭應(yīng)用于頁巖氣開采，裝備彎曲和水平井段的鉆井性能提升。”
“截至目前，有6000個(gè)Spear鉆頭投用。我們將特殊設(shè)計(jì)原件運(yùn)用到新一代鉆頭中提升機(jī)械鉆速，大幅降低了非常規(guī)井的鉆探成本。”Guy Arrington說。
一直以來，國(guó)內(nèi)核心油氣PDC市場(chǎng)被海外產(chǎn)品占據(jù)，相對(duì)于進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)油氣PDC在抗沖擊性、耐磨性、熱穩(wěn)定性上有差距。為縮小差距，國(guó)內(nèi)各鉆頭制造企業(yè)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行鉆頭研發(fā)。
2012年以來，江鉆股份公司承擔(dān)中國(guó)石化“涪陵高效PDC鉆頭開發(fā)”項(xiàng)目，針對(duì)涪陵地區(qū)的施工特點(diǎn)，依靠金剛石鉆頭生產(chǎn)線，開發(fā)了個(gè)性化PDC鉆頭。通過不斷改進(jìn)提高、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用，他們將實(shí)現(xiàn)大幅度提高鉆頭綜合使用指標(biāo)的目標(biāo)。
陜西韓城中勝公司以前在煤層氣開發(fā)中主要使用的是牙輪鉆頭。在兩口井先后使用PDC鉆頭后，鉆頭總進(jìn)尺1335.33米，平均機(jī)械鉆速6.51米/時(shí)，使用過程中造斜比較好，工具面穩(wěn)定、機(jī)械鉆速高。
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