今天，水平井已經成為美國頁巖氣開發最主要的方式，也是頁巖生產井最有利的完井方式。水平井單井產量大，生產周期長，特別是對于頁巖這樣的產層薄，孔隙度小、滲透率低的儲層開發，顯示出直井無法比擬的效果。頁巖氣從水平井中獲得的估計最終采收率大約是直井的3倍。
1821年，Mitchell能源公司在美國Chautauqua縣泥盆系Durdirk頁巖中鉆探的第一口天然氣生產井在21m深處發現天然氣，首次揭開了世界頁巖氣工業史的首頁。

 Curtis、Mavor等學者對頁巖氣的概念和特征進行了闡述和討論，國內學者張金川、李新景等對頁巖氣概念、成因和特征進行了深入研究，認為頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣。中國頁巖氣資源豐富，主要盆地和地區的頁巖氣資源量約為(15～30)×1012m3，中值23.5×1012m3。如今，頁巖氣資源的開發不但能夠緩解常規油氣資源壓力，而且作為一種清潔能源，對節能減排有著舉足輕重的作用。

用于頁巖氣的專業鉆井設備  

現代化的鉆井設備都應該專業化。可滑移井架有很好的可移動性，方便鉆井過程中的設備和井架的移動，且能夠節省鉆井成本，因此其是頁巖氣水平鉆井的常用設備。頂部驅動系統和井下動力鉆具分別是用于水平井豎直井段和水平井段的動力設備。

頂部驅動鉆井系統是集機、電、液于一體，結構復雜，多學科交叉，用于取代傳統鉆井設備的新型裝置。該系統可以一次接入和鉆進約28m長的一個立根，上卸扣時間減少了2/3，且可在任意位置提起鉆具劃眼循環，清洗井眼。垮塌是頁巖地層的常見現象，特別是黏土含量較大時，這一現象越明顯，使用頂部驅動鉆井系統越能夠很好地避免井塌和卡鉆事故的發生。頁巖氣水平鉆井成本較高，一般是同進尺的直井的2～3倍，減小鉆井時間是降低鉆井成本的方法之一，采用頂部驅動鉆井系統可節省15%～25%的鉆井時間。泥漿馬達是定向鉆井作業中常用的動力設備，特別是在水平鉆井作業中，由于井身彎曲，常規動力鉆具在造斜和水平井段往往很難鉆進，井下動力鉆具可根據作業者需要隨時調節鉆進角度大小，滿足不同角度鉆井的需要。

根據地層巖性的不同，鉆井作業中要選擇不同的鉆頭。在頁巖地層中，由于頁巖具有較高的楊氏模量，一般采用PDC鉆頭，該鉆頭是一種切削式鉆頭，具有耐磨性，與井下動力鉆具配合，適合于高轉速、低泵壓、低鉆壓下工作層，且殘余的碎屑便于清洗。

頁巖氣鉆井井位的選擇

天然裂縫系統發育程度是影響頁巖氣開采效益的直接因素，因此頁巖氣水平井井位應選擇在裂縫發育程度高的頁巖地區及層位，特別是垂直裂縫發育的地方，除此之外，還應盡量選擇在有機質富集、黏土含量中等，脆性成分含量高，泊松比低和楊氏模量高的地方（圖1）。在作業過程中，一般選擇與主要裂縫網絡系統大致平行的方位鉆井，這樣能夠產生較多的橫向誘導裂縫，使天然或誘導裂縫網絡彼此連通，沿垂直最大水平應力方向鉆井可以增加井筒與裂縫相交的可能性，增大氣體滲流面積，從而提高頁巖氣的采收率。通常情況下，頁巖氣井的水平段越長，初始開采速度和最終采收率就會越高，美國Barnett頁巖水平井水平段長為457.20～1371.60m，據資料統計，頁巖氣井最有效的造斜及水平段總長度一般為914～1219m。

在頁巖地層的鉆井中，作業者面臨著井塌、扭矩和阻力方面的問題，難度比普通鉆井更大，特別是完井方案的設計，這是在井身設計階段就必須考慮好的問題，它對井眼的穩定性及能否獲得持續產量至關重要。

    頁巖水平井完井方式有裸眼完井、滑動套管完井、連續油管完井、井下鉆具組合完井等。裸眼完井的后期壓裂作業難度大，對水力壓裂技術的要求較高，往往需要與先進的現代水力壓裂技術結合使用，如使用滑動套管壓裂，適用于黏土含量小的井。套管完井井筒穩定，在儲層改造時能夠選擇性地射孔，從而進行優化增產作業，套管完井后，可以采用連續油管壓裂對頁巖儲層進行改造。頁巖氣井的水平井段多采用套管完井。不同完井方式對鉆井工藝要求不同，因此在鉆井設計時應注意考慮完井方式這一因素。在頁巖氣井固井和分段隔離作業時，作業者一般使用酸溶性水泥（ASC）作為常規水泥的替代品。酸溶性水泥物理性能和常規水泥十分相似，但不會抑制裂縫的產生，它在酸基壓裂液里溶解度很高（>90%），容易清除。

三大核心技術及工藝

國外頁巖氣開發有直井和水平井兩種方式，直井一般用作探井，目的是用于試驗，獲得地層的地化參數，了解頁巖聚集的特性以及獲得鉆井、壓裂和試井經驗，生產井多采用水平井，水平井可以獲得更大的儲層泄流面積，提高天然氣產量。水平鉆井開支巨大，是同進尺直井的2～3倍，提高鉆井速度是減少鉆井開支的關鍵方法。在頁巖氣開發鉆井作業中，直井層段一般采用常規的鉆井技術，在水平層段鉆進時，需要采用適用于頁巖地層的鉆井技術。

欠平衡鉆井技術  欠平衡鉆井技術（Underbalanced Drilling，UBD）就是在鉆井過程中，當設計的鉆井液柱壓力小于所鉆地層壓力時，地層流體流入井眼，將其循環到地面，進行有效控制（圖2）。欠平衡鉆井技術能很好地克服鉆井作業過程中的卡鉆、井漏、井塌等問題，提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產能，并實時發現地質異常情況和評價油氣藏，有效地降低油氣田的勘探開發成本。

欠平衡可以有兩種方式產生，即自然方式和人工誘導方式。自然方式又稱為流鉆(Flow drilling)，是指采用常規鉆井液鉆井高壓地層時，鉆井流體的循環液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力，使井底壓力自然處于欠平衡狀態。而人工誘導方式的欠平衡是指在鉆井過程中，通過往鉆井液中加入降密度劑（包括氮氣、天然氣和空氣等）使鉆井流體的液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力以保持欠平衡鉆井條件。

井壁坍塌是欠平衡鉆井過程中容易出現的問題，當頁巖地層中黏土含量較大時，容易出現井壁坍塌事故。為了減少頁巖地層在鉆井過程中出現坍塌事故，一般使用空氣鉆井。空氣鉆井是以空氣作為循環介質進行欠平衡鉆井，它是最早發展起來的一種欠平衡鉆井技術。在頁巖水平鉆井中，作業者通過壓縮機將干燥的空氣注入井中進行低壓欠平衡鉆井，很好地克服了井壁坍塌和液體鉆井液對儲層傷害問題，同時也提高了水平井產量。國外已經有應用低壓欠平衡空氣鉆井技術開發頁巖氣的成功案例，美國能源部采用用空氣鉆井使泥盆紀的頁巖水平井產量提高了約10倍，達到8.4×104m3/d左右，在Texas州西部的頁巖鉆井中，作業者使用空氣鉆井使鉆井費用節省了64%。

控制壓力鉆井技術  控制壓力鉆井技術（Managed Pressure Drilling, MPD）是用于精確控制整個井眼壓力剖面的適宜鉆井程序，目的是確定井下壓力的環境限制，并以此控制環空液壓剖面（圖3）。控制壓力鉆井的最終目標是使鉆井作業最優化，縮短非生產時間和減少鉆井事故，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復雜情況。

實現壓力控制技術鉆井的方式有井底常壓壓力控制、雙梯度壓力控制、加壓鉆井液帽壓力控制和無隔水管控制壓力等技術，無論是那種技術，目的都是在整個鉆井作業過程中無論是否鉆進、鉆井液是否循環，都能精確控制井底壓力。要保證控制壓力鉆井技術成功應用，一般需要滿足3個條件：一套封閉、承壓的鉆井液循環系統與壓力控制鉆井裝置相連；鉆前水力學優化設計；訓練有素且熟悉這一概念的工程技術人員。

由于頁巖滲透率極低，發生井噴的可能性不大，因此在鉆井中，欠平衡鉆井或控制壓力鉆井都是可行的技術。但是，在鉆遇那些含氣量較大的頁巖地層時，裂縫發育導致氣體溢出量劇增也是一個潛在的安全問題，近年來控制壓力鉆井技術在頁巖開發水平鉆井中得到越來越多的應用。在頁巖鉆井過程中，控制壓力鉆井技術能夠準確地控制靜態泥漿比重和當量循環密度，實時調整流入和損失量，結合連續油管鉆井技術（CTD），使泥漿不停循環，相對于當量循環密度沒有靜態泥漿比重，便于在一個較小的范圍內進行精確的鉆井控制，減少了泥漿漏失甚至是技術套管的使用。控制壓力鉆井能夠很好的解決頁巖地層的井壁坍塌問題，并廣泛應用在頁巖開發氣水平鉆井中。威德福、哈里伯頓等公司已進行了相關的控制壓力鉆井技術研究和現場試驗應用，取得了較好的應用效果。

旋轉導向鉆井技術 它是基于旋轉導向系統的鉆井技術，是一種井眼軌跡自動控制的技術，特別適合于特殊油藏的超深井、高難度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等鉆探（圖4）。旋轉導向系統（RSS）是在鉆柱旋轉鉆進時，隨鉆實時完成導向功能的一種導向式鉆井系統。在旋轉導向系統出現以前，作業者多采用由泥漿馬達驅動的滑動導向鉆井系統實施導向鉆井。旋轉導向系統與滑動導向鉆井系統相比，具有摩阻與扭阻小、機械鉆速高、鉆井成本低、井眼軌跡平滑，壓差卡鉆風險低等優點。

旋轉導向系統按其導向方式分為推靠鉆頭式（Push the Bit）和指向鉆頭式（Point the Bit）兩種。目前，旋轉導向鉆井系統形成了兩大發展方向，一是以貝克休斯公司的AutoTrak和哈里伯頓公司的Geo-Pilot為代表的不旋轉外筒式閉環自動導向鉆井系統，二是以斯倫貝謝公司的Power Driver為代表的全旋轉自動導向鉆井系統。

美國Oklahoma州的Woodford頁巖是近年來美國天然氣產量增長最快的頁巖之一，在2008年，大約有20億美元被用來投入到該頁巖的主要產層。盡管美國Woodford頁巖生產潛力巨大，但是低孔低滲的條件限制了井的生產能力，以最大的生產速度開發該頁巖，對鉆井技術和完井方案還是提出了挑戰。由于井段較長，在常規的水平鉆井過程中面臨著很多難題，如滑移鉆井時間過長，井眼軌跡難以控制，扭矩和阻力大等。為了避免這些問題，作業者在鉆井過程中采用了旋轉導向封閉循環系統。旋轉導向封閉循環系統很好的解決了Woodford頁巖水平鉆井中的難題，由于該系統的應用，許多井的造斜角達到了10°/30m。

水平鉆井技術應用效果顯著

技術進步是頁巖氣產業發展的主要動力，水平鉆井技術的應用解決了頁巖儲層中日產量低、生產周期短等缺點。目前水平井被公認為是頁巖氣開發的最合理方式，已經廣泛應用在美國頁巖氣開發鉆井中，Barnett頁巖的開發情況充分反映了水平鉆井技術在頁巖氣開發鉆井中的應用效果。

美國Texas州北部的Barnett頁巖是美國開發時間最早、產量最大的頁巖，面積超過5000平方英里，遍及15個縣，核心地區位于Denton、Tarrant、Johnson和Wise縣境內。1981年，Mitchell能源公司在Fort Worth盆地的Barnett頁巖中完鉆了第一口直井，Barnett頁巖開發開始起步，但發展緩慢；1992年，Mitchell能源公司在Barnett頁巖中完成第一口水平井，但此時水平井只是作為一種新的嘗試，并沒有大規模地應用于頁巖氣開發中；2002年，Devon能源公司收購Mitchell能源公司后，開始在Barnnet頁巖大規模打水平井；2004年，Barnett頁巖中共有生產井3889口，其中水平井377口，天然氣年產量為1.08×1010m3；2007年，Barnett頁巖中生產井數達到了8419口，其中水平井4078口，天然氣年產量達到了1.42×1010m3；2008年，整個Barnett頁巖中共有生產井10000口左右，其中2/3的井為水平井，天然氣年產量達到了4.54×1010m3。Barnett頁巖實際鉆井經驗表明，從水平井中獲得的估計最終采收率大約是直井的三倍。從Barnett頁巖開發發展歷程來開，2002年前，直井一直是Barnett頁巖氣開發的主要方式，日產量很低，2003年，水平井大規模應用在Barnett頁巖中后，結合壓裂工藝的改進，Barnett頁巖天然氣年產量呈直線增長（圖5）。據Pickering Energy Partners公司對2004年Texas州的11個縣的Barnett頁巖生產井情況統計，水平井的月最大產量明顯高于直井，特別是在核心地區，這一現象更加明顯，水平井的月最大產量是直井的4倍左右。

水平鉆井技術是頁巖氣開發的核心技術之一，廣泛應用于頁巖氣開發鉆井。水平井頁巖氣單井產量高，生產時間長，是頁巖氣開發最合理的方式，水平井井位應該盡量選擇在天然裂縫系統發育、有機質富集、泊松比低和楊氏模量高的地方。

水平井鉆井主要有低壓欠平衡空氣鉆井、控制壓力鉆井和旋轉導向鉆井等技術，低壓欠平衡空氣鉆井技術應用較成熟，控制壓力鉆井技術能夠很好的克服井壁坍塌問題，旋轉導向鉆井技術是頁巖氣水平鉆井技術發展的方向。水平鉆井結合合理的增產措施是提高頁巖氣產量的必要手段。

水平井技術難度大，成本高。中國頁巖氣勘探開發正處于起步階段，在勘探階段，鉆井的主要目的是取芯并獲取含氣性參數，宜采用直井。在開發階段，為了提高開發井產能，宜采用水平井。欠平衡鉆井難度大，控制壓力鉆井相對成熟，旋鉆導向鉆井技術在中國還處于引進國外技術階段。在頁巖氣開發試驗階段，宜采用控制壓力鉆井技術或旋轉導向鉆井技術。