世界頁(yè)巖氣資源分布廣泛，占非常規(guī)天然氣總量的一半左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有30 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)在開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源，但真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要有美國(guó)、加拿大和中國(guó)。美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2,720 多億立方，占全球頁(yè)巖氣產(chǎn)量的92%。
中國(guó)頁(yè)巖氣可開(kāi)采總量達(dá)30.6 萬(wàn)億方，據(jù)世界首位。然而中國(guó)頁(yè)巖氣的發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)，如水資源匱乏、地質(zhì)條件差、核心技術(shù)不強(qiáng)、開(kāi)采成本高以及管網(wǎng)建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施不完善的問(wèn)題。川渝地區(qū)是中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，目前在涪陵、長(zhǎng)嶺和威遠(yuǎn)、撫順、永川等區(qū)塊都獲得了比較突出的產(chǎn)量。
眾所周知，川渝地區(qū)地質(zhì)、儲(chǔ)存條件復(fù)雜，與美國(guó)、加拿大有很大差異，所以如若照搬美國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)顯然不可取。同時(shí)，川渝地區(qū)受地質(zhì)環(huán)境影響，缺水問(wèn)題對(duì)大規(guī)模水力壓裂提出諸多挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在大家比較認(rèn)可的頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)是井工廠開(kāi)發(fā)模式、水平井鉆井技術(shù)及大規(guī)模的壓裂技術(shù)，而這一開(kāi)采模式仍存在諸多技術(shù)方面的問(wèn)題。技術(shù)國(guó)產(chǎn)化是中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)道路的惟一選擇。
獨(dú)立自主的中國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)開(kāi)發(fā)
根據(jù)頁(yè)巖氣井工廠開(kāi)采模式研究，前些年西華大學(xué)課題組提出了網(wǎng)絡(luò)先行、以氣打氣、油電結(jié)合，流水式作業(yè)，工廠化生產(chǎn)的頁(yè)巖氣整體開(kāi)采理念，采取一些新的鉆井裝備來(lái)降低成本，以實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣低成本、高水平開(kāi)采，目前該產(chǎn)品已研制成功，但還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
水平井鉆井技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中必然采用的一種鉆井技術(shù)，然而該技術(shù)在中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中并不完善，如裝備平衡鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)環(huán)形器技術(shù)等。對(duì)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，國(guó)外在該技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，雖然中國(guó)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展很快，但目前還處于研發(fā)試用階段。
水平井大規(guī)模壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是美國(guó)能夠成功開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的關(guān)鍵技術(shù)，其中多級(jí)分段壓裂技術(shù)最大壓力級(jí)數(shù)已超過(guò)50級(jí)，中國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域仍有待提高。
率先操作大位移水平井管柱力學(xué)研究
為實(shí)現(xiàn)順利、安全鉆井，管柱力學(xué)研究非常重要，此外井下工具的研發(fā)也離不開(kāi)這項(xiàng)技術(shù)，目前，中國(guó)已在該領(lǐng)域率先做出研究。
對(duì)頁(yè)巖氣水平井管柱力學(xué)的研究，應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面：一是復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，要考慮縱橫扭耦合，大長(zhǎng)徑比超長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以及復(fù)雜表面接觸問(wèn)題、阻尼問(wèn)題、對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)模型的求解和開(kāi)發(fā)。頁(yè)巖氣水平井鉆頭鉆柱系統(tǒng)有限原數(shù)值模擬，對(duì)阻尼效用采用波浪力學(xué)擾亂頻率等結(jié)合研究，為現(xiàn)在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，是建立理論模型的有效方法。
鉆頭是整個(gè)鉆井過(guò)程的關(guān)鍵，主要是針對(duì)復(fù)雜地層個(gè)性化鉆頭的設(shè)計(jì)。對(duì)符合鉆頭的研制已經(jīng)成功并投入應(yīng)用。同時(shí)對(duì)新型復(fù)合鉆頭的研究也在進(jìn)行，這是一項(xiàng)全新的研究，對(duì)原有的壓力泵時(shí)效性進(jìn)行了宏觀分析，從而找到失效原因。
鉆井機(jī)器人或成頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)新寵
這是應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)難題所提出的一個(gè)新思路，目前還在研究探索當(dāng)中。據(jù)石油機(jī)械、油氣井管柱力學(xué)專(zhuān)家、西華大學(xué)校長(zhǎng)劉清友介紹，希望通過(guò)產(chǎn)業(yè)連續(xù)化，配合鉆井機(jī)器人，在水平方向迅速可靠的鉆出微小震裂，同時(shí)希望采用定向爆破方式擴(kuò)大震裂面積，這樣可以減少對(duì)水的需求和對(duì)地質(zhì)的污染。
項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)機(jī)器的牽引力和扭矩完全能夠傳遞鉆井過(guò)程中的工具輸送，所以考慮研制相關(guān)井下機(jī)器人。通過(guò)完成機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及液控、電控兩種控制方式的研發(fā)，形成整套設(shè)計(jì)方案，相當(dāng)于機(jī)器人佩戴鉆頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)水平井工具的輸送，代替人工。經(jīng)過(guò)近十年的研究，項(xiàng)目組與香港大學(xué)、美國(guó)密蘇里科技大學(xué)、西華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展，現(xiàn)已研制了6代機(jī)器人，出于主要用于管道檢測(cè)和水平井工具輸送的考慮。如今，對(duì)機(jī)器人在管內(nèi)面爬行力的大小、牽引力大小做了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該螺旋管機(jī)器人每一截的長(zhǎng)度不到0.9米，但是每米的牽引力達(dá)到222N，這不管是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都是一個(gè)新高度。
基于此，項(xiàng)目組又將目光投放在無(wú)限控制的多級(jí)套管壓裂滑套壓裂技術(shù)上，計(jì)劃研發(fā)一套壓裂級(jí)數(shù)不受限制、可實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)的壓列工具。其關(guān)鍵技術(shù)是滑套、智能開(kāi)關(guān)、無(wú)線通信單元、空心軸電機(jī)等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，整體單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)效果良好。
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