哈里伯顿公司致密气系列技术介绍

 文|张焕芝　何艳青　张华珍

中国石油集团经济技术研究院

 

    哈里伯顿公司是美国一家成立于1919 年的老牌石油工程技术服务公司，总部设在休斯敦。该公司经过近百年的发展变化，凭借自身优越的产品和技术服务始终保持着自己在石油工程技术服务领域的领先地位，业务遍及全球80多个国家和地区。进入21世纪以来，该公司在致密气勘探开发方面顺应需求研发了测井、钻井、完井及酸化压裂技术等一系列新的工具、软件和工艺技术，有力地推动了致密气的规模化开发。

 

 

1、致密气测井技术系列

    1.1　地层测试器（Reservoir Description Tool，简称 RDT）

    哈里伯顿的地层测试器采用模块式设计，根据不同的地层条件和测试目的，选用不同的模块组合，针对不同的地层特点设计了多种抽吸极板，覆盖了所有的地层类型，可以获取高质量的有代表性的PVT样品。RDT 用于低孔、低渗的致密气藏测井的模块是双入口跨隔式封隔器系统（Dual-Port Straddle Packer Facilitates，），这套工具可以测试地层流体、双电极各向异性、压力梯度等8 种流体和地层属性参数，包括电阻率、黏度、密度、泡点、压缩系数、水平渗透率、垂向渗透率和各向异性。

 

    1.2　随钻测井系统（InSite）

    哈里伯顿公司新一代随钻测井系统 InSite，更新了传感器和速度更高的遥测系统，提供探测深度更深、分辨率更高的测量数据，同时提高了随钻系统的可靠性。该随钻测井系统包括方位深电阻率感应器（InSite ADR）和高分辨率电阻率成像仪 （InSite AFR），还提供3D 服务以及与IntelliServ网络的接口。其中分辨率电阻率成像仪可提供致密岩石实时高分辨率微裂缝和产层图像、井眼稳定性应力分析和全方位的电阻率测量，它由 2 个对称分布的宽频发射器和 9 个呈3 排分布的电极组成。该仪器在美国南部致密气藏开发井测井中应用，裂缝成像清楚，为地质模型更新提供了依据。在该地区采用常规电缆成像仪曾经被卡住，并在多裂缝发育的石灰岩地层中丢失。

 

 

2、致密气钻井技术系列

    2.1　地质导向钻井技术——随钻方位聚焦电阻 率仪（Strata Steer）

    随钻方位聚焦电阻率仪（Strata Steer）是哈里伯顿研发的一种地质导向技术，可以在钻井时精确控制井眼位置，确保井眼轨迹始终位于较好的油藏地区。该技术主要包括随钻测井探测器、可视化软件、远程操作技术等。该技术对于在致密气勘探开发中寻找较好的气藏钻进并使井眼始终处于较好的气藏地区具有重要的作用，它可以提高水平井和气藏直接接触的进尺，减小致密气田被遗漏的产层，提高最终采收率；同时，通过精确确定井筒位置，减小了地质侧钻的需要，缩短了非生产时间。

    Strata Steer有3个部分：

   （1）钻前优化井眼设计，减小钻井风险，建立决策树来确定可能的结果和合适的选择: 

   （2）应用随钻测井实时进行地质导向；

   （3）进行井的后续分析以便进行后续井的地质和岩石物理建模。

该系统包括精确深入读取方位随钻测井探测器数据、三维地质导向软件和通过远程操作中心实时操作。方位随钻测井可以提供地层成像、构造倾斜、井眼破裂分析、冲刷、孔隙度、岩石学、孔隙压力、地层机械性质等信息，以便进行地质导向。

随钻方位深电阻率感应器（InSite ADR）可以使作业者识别较好油藏地区且一直保持。通过传到地面的实时电阻率数据进行地质导向，可以提供更精确的数据进行井的设计。结合液位传感器（GeoSignal）所测信息，地质导向工程师可以实时观察到井的位置，GeoSignal 可以识别到页岩层和水层的距离、方向等，估计油藏边界和气水界面。这对于水平井，特别是复杂地层的钻井地质导向有直接作用，可以探测井筒周围 18ft 的地层，对井以后的生产速度和长期采收率有很重要的意义。

 

   2.2　旋转导向钻井技术（GeoPilot System）

   旋转导向钻井系统（GeoPilot System）可以提供实时、连续钻头导向和地层评价，精确确认井筒位置，可以在钻垂直井、造斜或钻水平段时不用复杂的井下设备进行导向。地面的指令通过钻井液脉冲下行传送器传到井下来调节工具造斜率和方向。井下信息也可以通过随钻测井探测器实时传递到地面。利用一个靠电池供电的、由电脑控制的偏心单元在钻头和管柱之间产生偏心弯曲，以此造成钻具倾斜，在钻井过程中指向钻头。一个能提供智能井下诊断能力的工具使 Geo-Pilot 自动保持需要的井眼轨迹，及时纠正井筒倾向，避免地层伤害。ABITM（近钻头倾斜）和可选的ABGTM（近钻头伽马）探测器放在距离钻头 3ft 的地方，对可能的轨迹和地层伤害问题实时提供早期预警。

    Geo-Pilot XL 和Geo-Pilot GXT 系统可以实时调整倾斜角度，并能适应高温高压地层和致密地层。应用加强坚固的工具，提高井底钻具组合和随钻测井寿命，减小套管磨损，提高机械钻速。

 

    2.3　多分支井钻井技术 （SperryRite Multilaterals System）

    多分支井钻井技术是通过增大泄油面积来提高井的产量、减少地面井的数量和相应的环境影响的技术。哈里伯顿积极研发多分支井技术开发致密气田，目前有 4 种多分支井系统：

    ( 1）MillRiteR开窗系统。可以用于老井和新井准确开窗，能够精确控制深度和方位，且费用相对较低。

   （2）IsoRite 隔离完井系统。专门用于需要通过侧钻以获得分支的井，在生产套管上装有密封筒，确保导向板的设置和隔离套筒控制分支。

   （3）FloRite 多分支井完井系统。专门为需要保证接点处的压力隔离同时又允许侧钻的井而设计，主要适用于注入井、气井或者具有不同压力体系的井，每个分支可以单独生产。

   （4）StacRite 多分支井系统。该系统主要用于TAML2 级分支井的技术改进，通常与短半径钻井技术联合使用，作业流程简单，设备需求少。

 

    2.4　快速钻井系列技术

   哈里伯顿研发了一系列适用于致密气田的快速钻井技术，主要包括：

  （1）Drillworks 软件。可根据地震、测井、随钻测量、随钻测井、重复地层测试、泄漏实验、钻井液测井等数据来估计钻前和钻后的地层压力以优化钻井液和套管设计。

   （2）根据致密气层岩石的坚硬程度，应用FM3000PDC 钻头和 Z3 PDC 切削器来提高钻速和稳定性。Z3PDC 的研磨阻力比业界标准高 13.5 倍，机械钻速提高41%，单只钻头钻井进尺提高22%，高速滚轴锥形钻头能提供更大的扭矩、更大的岩屑清洁床，在高速钻井的同时提高稳定性，有效举升岩屑。

   （3）高速实时随钻测量技术。在地面和井底之间建立双向、高速、低频率（2～15Hz）的连接，电磁波信号通过钻杆和地层岩石传播。如果地层较深，可采用井筒重复器来提高信号强度，使人们更快速、深入地认识油藏。

   （4）容积式液压电动机（PDM）。利用升级的定子来提高PDM的动力输出和稳定性，由于钻井过程中的钻具扭矩和作业压差成比例，利用弹性衬套提高密封性，使压差最大化，保证更有效的动力输出。同时，它还可以阻止热的产生和停留，提高强度和抗疲劳能力，保持钻头波动稳定，减少钻头振动和伤害，提高机械钻速，减少非生产时间。公司有多种尺寸和形状的 P D M 可供选择，可在油基、水基、合成钻井液系统中及坚硬地层、高温环境中使用。

   （5）Evader 随钻测量陀螺仪。在钻井时进行精确的回旋导向测量，可以防碰，更精确地控制井眼形状。使用费用低，还可减少非生产时间，HSE 风险也小。

 

 

3、致密气完井技术系列

3.1　水平井滑套完井技术（Delta StimＲ）

Delta StimR完井技术为水平井多层完井提供了一个新选择，可以达到最小化或无干扰地精确定位压裂。这套技术主要依靠 Delta StimR增产滑套和Swellpacker R封隔器来实现，操作人员可以在单井眼多产层选择性地开采，并可在日后封隔一个或多个产层。Delta StimR增产滑套可随尾管悬挂器系统一起下入，安装简单可靠，可以通过投球或连续油管下入机械或液压开关工具进行开关。技术优点包括：①可缩短完井周期，提高产量；②可实现管柱全通径（钻掉球和球座）；③能够实现增产措施的正确定位和封隔；④可实现多层连续施工作业；⑤无需射孔，降低成本。目前该完井技术已经得到大量应用，作业效率提高，人员和设备风险减轻，生产效果好。

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    3,2　可膨胀封隔系统（SwellpackerR）

    SwellpackerR封隔系统是一个层间隔离工具，既可用于裸眼井，也可用于套管井。该系统利用可膨胀橡胶来密封套管环空，隔离产层。胶筒一旦膨胀，会随地层井眼变化而自动调整，保持其密封的完整性。由于没有运动部件，不需要井下或地面激活操作，具有简单、可靠、有效等优点，可大幅降低成本。

    使用该技术在中东地区完成了世界上第一口裸眼智能井，应用该系统不再需要衬管、胶结衬管以及所有相关的钻井时间和费用。在系统中下入控制线只需要几分钟，而常规方法拼接每段电缆需要几个小时，该方法大大减少了作业时间。

 

    3.3　WellLife Ⅲ水泥环完整性技术

    常规水泥浆体系在作业过程中容易被温度和压力变化破坏，导致套损、产量下降等一系列问题。此外，传统的水泥浆会与二氧化碳反应，影响胶结效果。WellLifeⅢ水泥环完整性技术主要通过以下3 个方面来解决这些问题。

    （1）诊断模拟和设计工具：采用三维水泥浆顶替模拟软件（Displace 3DRsoftware ）提高顶替效率和水泥浆充填。采用有限元分析软件（WellLifeRAnalysis）分析井眼条件和工程作业对水泥环的影响，提出满足井下条件的水泥浆体系。

（2）工程化水泥体系：ElastiCem和ElastiSealTM水泥浆含有特殊的弹性材料和纤维降低脆性，提高了弹性和韧性，不会在作业过程中失效。LifeCemTM和LifeSealTM水泥浆增加了自愈合功能，能自动密封微裂缝和微环空。

（3）辅助工具：采用辅助工具（Cement AssuranceRtool）对关键部位进行辅助阻隔。

 

     3.4　新型胶结系统

哈里伯顿利用一种新型的胶结系统为致密气田服务，主要是提高胶结系统的密封性能，提高对气藏的控制，环保，并保持作业井长期的环空密封。研制了一种新型的胶结悬浮液，可实现有效水泥充填。

气井胶结，也叫区域隔离，主要是用来防止流体从地层和套管之间的环空运移。其作用：一是防止产水过多，影响生产；二是把气体保持在地层中，防止气体运移；三是有效地实施气层改造措施。

目前有两种胶结较好的系统：酸溶胶结系统（ASC）和泡沫系统。泡沫系统通常包含可压缩气体，如氮气，以及给胶结系统提供独特的性质，如压缩性和更高的流变力，比常规胶结系统更有弹性，不易碎，很少有疲劳导致的问题，裂缝效率更高.

有效的胶结作业包括：

  （1）调节钻井液，使之在胶结之前把钻井岩屑移出地层，保持井筒清洁；

  （2）管道移动和居中，流体一般流向阻力最小的地方，其中一种方法是利用碳纤维陶瓷材料，可以支撑任何形状；

  （3）控制流变和驱替速率，控制流体压力来提供井眼稳定性，不伤害地层。

   使用泡沫水泥对于致密气是很好的完井方法，当然，经济因素也是很重要的。如果水泥质量不好，会影响硬化时间，减小压裂效率，减少气体产量等。要在环空中造成长期的密封，需要数值模拟技术模拟不同的水泥系统的变化，以选择最适合的系统。模拟的过程变化包括射孔、压裂、酸化、生产；模拟时需要地层应力状态、套管、水泥、地层的机械、热力性质、

井筒方位、压力温度变化范围等资料，还需要考虑机械强度、疲劳、未能预测的地层响应、压裂措施等。

 

 

4、致密气酸化压裂技术系列

    4.1　水力喷射压裂工艺（SurgiFrac）

    SurgiFrac 水力喷射压裂技术是哈里伯顿公司1998年推出的一套新的压裂工艺，非常适用于中、低渗油气藏水平井裸眼完井，可以完全控制裂缝产生的初始阶段，不用机械封隔就可以达到像外科手术一样的布缝精度，能够有效地对裸眼水平井进行增产作业，它已经广泛用于致密气藏增产作业。主要技术优点包括：①提高现有资源的产量。用连续油管或连接起来的油管进入裸眼水平井精确压裂未波及到的层位和没射孔的层位，快速而高效。②优化油藏驱替。精确定位的裂缝可以很好地符合井况。③与常规压裂相比可以更迅速地增产。层与层之间不用封隔器等工具隔离开，而是依靠调节支撑剂的浓度来中止裂缝延伸或使裂缝重新张开，几个小时就可以造多条缝。④降低压裂施工成本。采用低黏度压裂液，所需设备较少，降低了成本。

 

    4.2　精确定位压裂技术（CobraMax）

    精确定位压裂技术（CobraMax）是哈里伯顿公司2004 年推出的，该技术使用连续油管喷砂射孔，通过环空压裂，留砂塞分隔各压裂层段，既可用于直井（CobraMax V），也可用于水平井（CobraMax H）。该技术结合了传统油管压裂和连续油管压裂的优点，主要技术优势包括：①一趟管柱完成多层、多段的射孔及压裂；②根据井下情况与需要灵活控制泵速和支撑剂浓度，确保每个层段都能获得设定量的支撑剂，与常规方法相比，支撑剂分布更加均匀，有效提高了射孔段的完井效率；③对连续油管磨损很小，可以保证一盘连续油管完成多口井的施工；④预留支撑剂段塞用于隔离各压裂层段而不是机械隔离，不仅提高了近井筒导流能力，还减轻了压裂作业之后清理机械封隔的负担；⑤井下工具简单，效率很高，施工风险小。

    精确定位压裂的施工步骤：

   （1）水力喷砂射孔并在储层造成应力薄弱点；

   （2）通过油套环空泵入携带支撑剂的压裂液；

   （3）在施工末端留砂塞封隔各层段；

   （4）把连续油管管柱拖动到另一个压裂位置；

   （5）连续有关冲砂至指定位置；

   （6）开始下一个层段作业。

    2011年哈里伯顿公司又推出了CobraMax DM技术，获得了2011 年美国《World Oil》杂志评选的世界石油奖之最佳完井技术奖。CobraMax DM技术是连续管压裂、水力喷射射孔和井下流体混合3项技术的组合，实现了从常规方法到多层增产作业的跨越。从环空高速

注入清洁压裂液，从连续油管低速注入支撑剂，压裂液与支撑剂在井下通过特殊工具实现均匀混合。

 

    4.3　压裂作业优化技术——压裂工厂（FRACFACTORY）

    针对致密气田水力压裂作业井距小，作业量大，需要大量人力、物力、设备和材料等特点，2005 年哈里伯顿提出了“压裂工厂（FRACFACTORY）”的概念，即在一个中央区通过连接地面管线来实施多种远程（相隔数百米至数千米）井进行压裂作业。所有的压裂

装备都布置在这个中央区，不需要移动设备、人员和材料就可以对多个井进行压裂，减小了移动设备、人力和物质的费用。技术控制中心负责所有设备和压裂的控制；无线通信负责向控制中心提供压裂和密度数据。控制中心有两个系统，可以同时完成两项作业。因为整个系统是执行器控制的电子设备和监控，所有正常作业通过自动模式完成。把所有作业整合到一个半固定的中心，大大提高了作业的效率，在实际应用中作业的非生产时间减少了50%。“压裂工厂”作业模式成为规模化作业的雏形。后来，这一概念逐渐扩展为“工厂化钻完井”，即多口井从钻井、射孔、压裂、完井和生产整个流程都是通过一个“中央区”完成。通

过采用“工厂化钻完井”的作业模式，完井周期从原来每口井60d降至目前的20d完成5口井，完井成本降低了近60%。

 

    4.4　生物聚合物压裂液（OmegaFrac）

    OmegaFrac 压裂液是哈里伯顿公司推出的一种基于生物聚合物的线性流体系统。这种压裂液的性能明显优于传统的交联凝胶，对于渗透率低于10mD、温度在150～250°F 之间的地层压裂是一种经济有效的替代品。主要优势包括：①良好的支撑剂输送性能；②支

撑剂传导能力保留率大于80%，并可以被有效清理；③可以用各种产出水配制而不必用饮用水，经济、实惠、环保；④低摩阻，容易泵注，非常适用于致密气井多级定点压裂作业。

 

   4.5　实时混酸技术（Acid on-the-Fly ）

   该技术2009 年曾被美国《E&P》杂志评为石油工程技术创新特别奖之增产技术奖。在酸化作业中，为了避免在井场预混大量的酸，哈里伯顿公司开发了实时动态混酸（AOF）系统。实时混酸方法是将原材料运到井口后，等到用的时候再混合，混合之后立即消耗掉，一口井用不完的就用到下一口井。这套系统在以下几个方面改善了酸化过程：对混合酸进行实时动态调整，在井下精确控制混合过程。因为在使用时才进行酸的混合，未用的酸可以再利

用，避免了剩余预混酸的处置问题，改善了人员安全，无需存储预混酸的多个聚乙烯储罐，减少了对处理场地的需求。实时混酸系统可以提高效率，降低原材料费用达25%，作业时间减少20%～40%，避免了作业人员接触酸液和处理酸液的机会，大大提高了HSE效果。

 

5、小结

    致密气藏具有低孔、低渗、天然裂缝不发育等特点，低成本、快速钻完井技术及高效、清洁的增产改造技术是促进致密砂岩气藏经济开采的关键手段。哈里伯顿公司的随钻测井、旋转导向钻井、水力喷射压裂、压裂工厂、生物聚合物压裂液等系列技术与工具特色鲜明，针对性强，为致密气的高效、经济开发提供了可能。