張金成

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 102206）

2020 年，我國石油對(duì)外依存度達(dá)73%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)43%，為保障我國能源安全，亟待開展一場(chǎng)適合中國油氣資源安全高效開發(fā)的技術(shù)革命，助推中國夢(mèng)的偉大征程［1］。第一性原理思維法是一種演繹法思維方式，不同于橫向比較的歸納法思維方式，通過“溯源、拆解、重構(gòu)、迭代”的過程進(jìn)行分析，對(duì)于激發(fā)顛覆性創(chuàng)新能力具有重要意義［2］。特斯拉的創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）借助第一性原理思維法，開創(chuàng)了電動(dòng)汽車的新時(shí)代，提出并實(shí)施了SpaceX 可回收火箭、真空管道高鐵、星艦客運(yùn)、空天互聯(lián)網(wǎng)等顛覆性創(chuàng)新項(xiàng)目［3］。頁巖氣是賦存于以富有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲(chǔ)集巖系中的非常規(guī)天然氣，國土資源部調(diào)查評(píng)估結(jié)果顯示，我國頁巖氣可 采 儲(chǔ) 量 超 過 25×1012m3（EIA 預(yù) 測(cè) 為 31.57×1012m3）［1］，極具開采潛力。但僅靠常規(guī)的技術(shù)優(yōu)化，難以滿足大幅提產(chǎn)降本的需求，必須有革命性、顛覆性的創(chuàng)新來破困突圍。在我國頁巖氣革命中，基于第一性原理思維法，圍繞大幅度提高控制儲(chǔ)量和降低開發(fā)成本兩大目標(biāo)，研發(fā)出井工廠鉆井、一趟鉆鉆井、超長水平段水平井鉆井等顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，使鉆井周期降低50%以上，單井作業(yè)成本降低70%以上，成功實(shí)現(xiàn)了我國首個(gè)大型頁巖氣——涪陵頁巖氣田的效益開發(fā)［4］。筆者將第一性原理思維法推廣至縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)藏和干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)領(lǐng)域，對(duì)開發(fā)縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)藏，提出了采用長水平段聯(lián)通多個(gè)儲(chǔ)集體或采用多分支井聯(lián)通多個(gè)儲(chǔ)集體，從而大幅度節(jié)約超深直井段作業(yè)成本的思路；對(duì)開發(fā)干熱巖地?zé)崮埽岢隽瞬捎靡旱档途矞囟鹊姆绞浇鉀Q目前井下測(cè)量儀器及鉆井液難以耐高溫的思路。因此，運(yùn)用第一性原理思維法，打破常規(guī)思維模式，進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新，是未來石油工程技術(shù)發(fā)展的重要途徑和方法。

1 埃隆·馬斯克的顛覆性創(chuàng)新

埃隆·馬斯克（Elon Musk）成功拉開了電動(dòng)汽車新時(shí)代的帷幕，并在航空、網(wǎng)絡(luò)、交通、人工智能等領(lǐng)域都取得了顛覆性的創(chuàng)新成果。

在航空領(lǐng)域，馬斯克的SpaceX 公司研發(fā)的獵鷹9 號(hào)火箭將“龍飛船”成功送入太空并實(shí)現(xiàn)了助推火箭的完整回收及重復(fù)利用，又將143 顆衛(wèi)星同時(shí)送入預(yù)定軌道，創(chuàng)下了5 項(xiàng)記錄［5］。以前中國的火箭運(yùn)輸成本全世界最低（10000 美元/kg），現(xiàn)在SpaceX公司的火箭運(yùn)輸成本只有1300 美元/kg。

在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，馬斯克提出了星鏈計(jì)劃（Star?link），借助 SpaceX 的“一箭多星”技術(shù)，在近地軌道布置12000 顆衛(wèi)星（已成功發(fā)射1000 余顆），組成覆蓋全球的空天互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大面積、無死角的信號(hào)覆蓋，不用大規(guī)模建造地面基站就可隨時(shí)隨地?zé)o線上網(wǎng)，同時(shí)傳輸速度更快、延遲更低［6］。

在交通領(lǐng)域，除了全球最知名的Tesla 電動(dòng)汽車以外，他還創(chuàng)立了軌道交通公司——無聊公司（Boring Company），通過建設(shè)立體的地下高速隧道系統(tǒng)和全電動(dòng)、零排放的地下公共交通系統(tǒng)，徹底解決城市地面交通擁堵問題［7］。其隧道挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)了顛覆性創(chuàng)新，以前挖掘1 英里（1609 m）地下隧道需要10 億美元，10 周時(shí)間，而現(xiàn)在只需要1000 萬美元，1 周時(shí)間，挖掘速度是以前的10 倍，成本是以前的1/100；同時(shí)他還開發(fā)星艦客運(yùn)，從一個(gè)浮動(dòng)太空港發(fā)射星艦，環(huán)繞地球軌道飛行，然后重新進(jìn)入大氣層，在另一個(gè)浮動(dòng)太空港降落，能夠在1 h 內(nèi)到達(dá)地球上的任何地方，從紐約到上海只要39 min。他提出的Hyperloop One 超級(jí)高鐵，借助磁懸浮原理讓高鐵在一條真空管道中運(yùn)行，由于沒有空氣阻力，最高速度可達(dá) 1223 km/h，比飛機(jī)還要快［3］。

在人工智能領(lǐng)域，馬斯克創(chuàng)辦了名為Neuralink的一家公司，致力于將人類大腦與計(jì)算機(jī)連接起來，通過向人腦植入也許未來能夠上傳下載思想的微型電極，使其能夠與計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)思想互動(dòng)，與人工智能“共生”。

埃隆·馬斯克及其公司在航空、網(wǎng)絡(luò)、交通、人工智能等領(lǐng)域均取得了顛覆性的創(chuàng)新成果，每一個(gè)項(xiàng)目或產(chǎn)品都超越了傳統(tǒng)范疇，徹底改變了行業(yè)規(guī)則，重新塑造了市場(chǎng)格局，而馬斯克將其成功歸于第一性原理思維法（First principle thinking）［2］。

2 第一性原理思維法

第一性原理最早是一個(gè)哲學(xué)概念，是由古希臘哲學(xué)家亞里士多德最早提出的：“在每一系統(tǒng)的探索中都存在第一性原理，這是一個(gè)最基本的命題或假設(shè)，不能被省略或刪除，也不能被違反，從這個(gè)基本的假設(shè)或命題，可以推演出整個(gè)系統(tǒng)”［8］。第一性原理的概念由于馬斯克的推崇在近年被廣泛研究，馬斯克把它引申為解決問題的一種思維方式。馬斯克說：“運(yùn)用第一性原理思維法，而不是用比較思維去思考問題是非常重要的，我們?cè)谏钪锌偸莾A向于比較，對(duì)別人已經(jīng)做過或者正在做的事情我們也都去做，這樣發(fā)展的結(jié)果只能產(chǎn)生細(xì)小的迭代發(fā)展，通過第一性原理思維法，把事情升華到最根本的原理，然后從最核心處開始推理，一層層撥開事物表象，看到里面的本質(zhì)，再從本質(zhì)一層層往上走［2］”。馬斯克所說的“第一性原理思維法”，就是回溯事物的本質(zhì)，重新思考怎么做。

第一性原理思維法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或者說歸納法分別歸屬于我們熟悉的兩種邏輯思維，即演繹法和歸納法，見圖1。第一性原理思維法是一種演繹法思維，是從最基礎(chǔ)的少量條件和規(guī)則出發(fā)，不依賴橫向比較和經(jīng)驗(yàn)結(jié)論。可以歸納為追本溯源、理性推演，由一個(gè)或多個(gè)基本定律推演出各種結(jié)果（從一般到個(gè)別）。而經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是一種歸納法思維，就是用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，將陌生的、不熟悉的問題與熟悉的問題或其他相似事物進(jìn)行類比，嘗試找到解決問題的辦法，或者做出結(jié)論，由N個(gè)已知的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象，總結(jié)出一個(gè)規(guī)律（從個(gè)別到一般）。人類認(rèn)識(shí)活動(dòng)，總是先接觸到個(gè)別事物，而后推及一般，又從一般推及個(gè)別，如此循環(huán)往復(fù)，使認(rèn)識(shí)不斷深化。

圖1 第一性原理思維法和歸納思維法的區(qū)別Fig.1 Difference between the first principle thinking method and the inductive thinking method

例如：在開始設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，大多數(shù)人認(rèn)為如果人類想要飛行的話，就需要像鳥類一樣扇動(dòng)翅膀，結(jié)果基于這一歸納法思維模式的設(shè)計(jì)和嘗試全都失敗了。但萊特兄弟基于空氣動(dòng)力學(xué)原理（第一性原理），而不是仿生學(xué)（比較思維），將飛機(jī)的機(jī)翼變更成帆形獲取升力，從而取得了成功。在石油工業(yè)中，由于全球發(fā)現(xiàn)的3 萬多個(gè)油氣田絕大多數(shù)都在海相地層中，美國由此依據(jù)歸納提出了“唯海相地層生油論”，而在中國，陸相地層發(fā)育而海相沉積相對(duì)缺乏，美國和日本從1910—1940 年多次鉆探都一無所獲，得出了“中國貧油論”這一說法。然而，李四光通過新的地質(zhì)力學(xué)理論，成功發(fā)現(xiàn)了大慶、勝利、江漢、大港、華北、南陽、中原等諸多油田，這些油氣田的儲(chǔ)層都是陸相地層，證明了歸納法得出的“中國貧油論”是不科學(xué)的。

第一性原理思維法的要求是在解決問題時(shí)，勇于打破知識(shí)的藩籬，回歸事物的本質(zhì)，去思考最基礎(chǔ)的要素，在不參照經(jīng)驗(yàn)或其它的情況下，直接從事物最本源出發(fā)尋求突破口，逐步完成論證，通過“溯源、拆解、重構(gòu)、迭代”的過程進(jìn)行創(chuàng)新。采用第一性原理思維法可以正確推理出所有解決路徑，且技術(shù)難度反而可能會(huì)降低，實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新。

3 第一性原理思維法在頁巖氣革命中的實(shí)踐應(yīng)用

常規(guī)油氣系統(tǒng)中，油氣要經(jīng)過“生儲(chǔ)蓋”的過程。通常認(rèn)為頁巖“鐵板一塊”，孔隙度和滲透率很低，只能作為蓋層而非儲(chǔ)集層，這一理論致使頁巖一直成為油氣勘探開發(fā)的“禁區(qū)”［9］。而事實(shí)上，頁巖氣成藏具有自生、自儲(chǔ)、自蓋的特點(diǎn)，其自身起到了“生儲(chǔ)蓋”組合的作用，具備大面積連續(xù)型成藏特點(diǎn)［10］。頁巖氣革命改變了傳統(tǒng)認(rèn)知，運(yùn)用第一性原理思維法，圍繞著大幅度提高控制儲(chǔ)量和大幅度降低開發(fā)成本兩大目標(biāo)，將所有可能的技術(shù)路徑全部找出來，并權(quán)衡相互的影響和利弊，找到所有最優(yōu)方案，最終安全高效地把頁巖氣規(guī)?；拈_采出來，使“源巖油氣”成為新的油氣系統(tǒng)，助推世界石油工業(yè)再發(fā)展150 年以上。

3.1 大幅度提高控制儲(chǔ)量的技術(shù)途徑

基于第一性原理思維法，從最大限度提高單井產(chǎn)量、提高資源動(dòng)用率和提高整體效益的方向出發(fā)，尋找大幅度提高頁巖氣控制儲(chǔ)量的技術(shù)路徑。

3.1.1 發(fā)展超長水平段水平井鉆井技術(shù)

針對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)，采用超長水平段水平井鉆井技術(shù)是提高產(chǎn)量的最佳途徑，見圖2。在前期頁巖氣開發(fā)實(shí)踐中，水平段長設(shè)計(jì)為1500 m，壓裂半徑為150 m，則單井控制區(qū)域?yàn)?5×104m2，理論上認(rèn)為控制住了該區(qū)域內(nèi)的資源量，如果壓裂半徑不變，水平段長增加到3000 m 時(shí)，一口井就可控制前期2 口井的儲(chǔ)量，水平段長增加到4500 m 時(shí)，一口井就可控制前期3 口井的儲(chǔ)量，通過不斷增加水平段的長度可實(shí)現(xiàn)大幅度提高單井控制儲(chǔ)量的目的。美國是世界上頁巖油氣水平井鉆井技術(shù)能力最強(qiáng)的國家，水平段長度逐年增加，Utica 頁巖水平井平均水平段長度為4970 m，最長水平段長度達(dá)6366 m，已有73%的井水平段長度＞4921 m。我國涪陵頁巖氣開發(fā)調(diào)整階段水平井平均水平段長度已達(dá)到了2078 m，完成2500 m 以上長水平段水平井19 口，平均水平段長2738 m，2800 m 以上水平段水平井7口，但是3000 m 以上的井僅1 口，同美國尚存在較大的差距，因此應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展超長水平段水平井鉆井技術(shù)［11］。

圖2 超長水平段水平井提高單井產(chǎn)量Fig.2 Increasing single well production by horizontal wells with ultra?long horizontal sections

3.1.2 創(chuàng)新應(yīng)用了“交叉型+魚鉤形+合理井距”的提高資源動(dòng)用率的布井方法

采用常規(guī)布井方式的頁巖氣儲(chǔ)層動(dòng)用率不足80%。在涪陵頁巖氣田改變了常規(guī)布井方式，創(chuàng)新提出了“交叉型+魚鉤形+合理井距”的布井方法，圖3 中常規(guī)布井的特點(diǎn)是1 個(gè)平臺(tái)6 口井，南北方向各布置3 口井，工程難度適中，平均單井占用井場(chǎng)面積小，但靶前距的存在造成較大一部分面積的儲(chǔ)量沒有動(dòng)用[12]，若將靶前距控制到350 m，則有700 m寬的區(qū)域不能動(dòng)用，如圖3（a)所示，儲(chǔ)層動(dòng)用率為81.08%。魚鉤形布井的特點(diǎn)是井眼軌道設(shè)計(jì)成魚鉤形，工程難度較大，靶前距可進(jìn)一步縮小，能夠充分 動(dòng) 用 資 源［13]，如 圖 3（b)所 示 ，儲(chǔ) 層 動(dòng) 用 率 為91.89%。交叉布井的特點(diǎn)是南北方向各3 口井，將靶前距增大到800 m，1 平臺(tái)下面1600 m 寬未控區(qū)域，由相鄰2 平臺(tái)的井所控制，兩水平段首末端僅相距50 m，如圖3（c)所示，儲(chǔ)層動(dòng)用率為97.3%，幾乎達(dá)到全部動(dòng)用。由于魚鉤形布井方式鉆井難度比交叉型布井方式大，因此在涪陵主體區(qū)全部采用交叉型布井方法，只在區(qū)域的邊緣采用魚鉤形布井方法，儲(chǔ)層動(dòng)用率平均提高到95%以上。涪陵頁巖氣田初期井間距設(shè)計(jì)為600 m，后經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩井中間區(qū)域沒有被壓裂波及到，無法實(shí)現(xiàn)最大化的資源利用，因此在兩井中間再打一口加密井，將井間距縮小至300 m，使儲(chǔ)層資源動(dòng)用率最大化［4］。

圖3 “交叉型+魚鉤形+合理井距”布井方法提高資源動(dòng)用率Fig.3 “Cross type + fishhook type + proper well spacing”well layout method to improve the resource utilization rate

3.1.3 采用大型叢式井平臺(tái)多套層系立體開發(fā)模式

多層立體開發(fā)模式就是采用叢式水平井在一個(gè)井場(chǎng)同時(shí)開發(fā)多個(gè)儲(chǔ)層，增加單個(gè)平臺(tái)作業(yè)井?dāng)?shù)，實(shí)現(xiàn)頁巖油氣的多層立體開發(fā)。多層立體開發(fā)能夠減小井場(chǎng)占地面積，通過共用土地、鉆井設(shè)備、泥漿罐等降低作業(yè)成本。美國是采用該模式最早的國家，在橫向和縱向上探索適合油藏條件的最優(yōu)井間距，使井組內(nèi)井?dāng)?shù)不斷增加，井間距不斷縮小。美國QEP 資源開發(fā)公司在Permian 盆地采用了多層立體開發(fā)，在3 個(gè)層位布置了64 口井（見圖4），井網(wǎng)橫向間距由200 m 縮小到85～145 m，井網(wǎng)縱向間距85 m，相比傳統(tǒng)單層開發(fā)模式，鉆完井成本降低19%。美國二疊紀(jì)盆地Wolfcamp 儲(chǔ)層采用V 字形布井，3個(gè)儲(chǔ)層同時(shí)開發(fā)，井間垂距為76 m，水平間距為100 m。

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊2013～2016 年采用一次井網(wǎng)部署，主要部署在下部優(yōu)質(zhì)頁巖層段①～③號(hào)小層，采收率僅12.6%。為提高采收率，實(shí)現(xiàn)氣田穩(wěn)產(chǎn)，2017 年進(jìn)入了“①～③號(hào)小層加密，⑦～⑨號(hào)小層開發(fā)，④～⑥號(hào)小層評(píng)價(jià)”的立體開發(fā)階段。通過攻關(guān)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了涪陵頁巖氣田由“單層”向“兩層”的突破，并推動(dòng)了國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)三層立體開發(fā)的探索，焦石壩區(qū)塊采收率從12.6%提高到23.3%，實(shí)現(xiàn)整體翻番，其中三層立體開發(fā)區(qū)采收率達(dá)39.2%，與北美相當(dāng)（見圖4）。

圖4 多層立體開發(fā)模式提高整體效益Fig.4 Multi?layer and three?dimensional development pattern to improve the overall benefit

3.2 大幅度降低開發(fā)成本的技術(shù)途徑

基于第一性原理思維法，樹立“非常規(guī)思想”，打破專業(yè)籬笆，重構(gòu)流程工序，采用井工廠鉆井模式，發(fā)展清水強(qiáng)鉆、一趟鉆等優(yōu)快鉆井技術(shù)和快速中完技術(shù)，推動(dòng)鉆井裝備的自動(dòng)化和智能化，大幅度降低開發(fā)成本。

3.2.1 采用井工廠鉆井模式

井工廠鉆井模式是指按照順序批量完成多口井的表層、直井段和水平井段的鉆井作業(yè)，通過采用流水線作業(yè)，減少搬家停等時(shí)間和搬家費(fèi)用，大幅度降低鉆井周期，鉆井、固井、測(cè)井、LWD 和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等設(shè)備無停等，最大限度提高設(shè)備利用率，大幅度降低設(shè)備占用費(fèi)及工程服務(wù)價(jià)格。該技術(shù)的合理應(yīng)用可減少施工步驟，提升施工效率，如在第一次井架移動(dòng)時(shí)就完成導(dǎo)眼及一開鉆進(jìn)、第二次移動(dòng)完成二開、第三次移動(dòng)完成三開、第四次移動(dòng)完成通井和試壓，該模式可減少鉆機(jī)拆遷與安裝、減少鉆具甩接次數(shù)、減少泥漿罐清洗次數(shù)、減少組合防噴器次數(shù)［14］。另外，通過重構(gòu)工序，將傳統(tǒng)流程中一口井打完再打另外一口井優(yōu)化為井工廠流程中的打完所有井的一開次再打所有井的二開次，后續(xù)再打三開次，該方法可將固井水泥漿候凝和固井質(zhì)量檢測(cè)施工工序從占用鉆機(jī)中剝離出來，減少占用鉆機(jī)的時(shí)間，提高鉆機(jī)的使用率。焦頁30 平臺(tái)4 口井工廠化鉆井試驗(yàn)中，平均鉆井周期為42.22 d，同期同區(qū)塊共計(jì)完鉆58 口井，平均鉆井周期60.75 d，同比縮短了18.53 d，鉆井周期降低了 30.53%，增效顯著［15］。

3.2.2 推廣應(yīng)用優(yōu)快鉆井技術(shù)系列

3.2.2.1 適于溶洞暗河地層的清水強(qiáng)鉆鉆井技術(shù)

涪陵頁巖氣田地表復(fù)雜（喀斯特地貌），淺表地層溶洞、暗河、裂縫發(fā)育，這些特征導(dǎo)致常規(guī)鉆井中常常發(fā)生失返性漏失且堵漏失敗。強(qiáng)行堵漏建立鉆井液循環(huán)的常規(guī)鉆井做法難以實(shí)現(xiàn)，見圖5。因此基于第一性原理思維法，顛覆了常規(guī)的鉆井液循環(huán)模式，采用大排量清水鉆進(jìn)，讓清水把鉆屑帶入溶洞、暗河、大裂縫，而不是攜帶到地面，由此形成了適于溶洞暗河地層的清水強(qiáng)鉆鉆井技術(shù)，清水既廉價(jià)易得，又不污染淺層水系和江河，還省去了大量的堵漏時(shí)間和堵漏成本，為溶洞暗河地層鉆井找到了一種行之有效的主打技術(shù)，已在涪陵頁巖氣田全面推廣應(yīng)用，大大提高了鉆井效率［16］。

圖5 清水強(qiáng)鉆鉆井技術(shù)Fig.5 Fresh water forced drilling technology

3.2.2.2 基于全井段的“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)

在導(dǎo)眼鉆井中，使用水力加壓器、超重鉆鋌和頂驅(qū)組合的水力機(jī)械雙加壓鉆井技術(shù)；一開和二開直井段鉆井中，使用基于 PDC 鉆頭、0.5°～1°的大功率螺桿的大井眼鉆井技術(shù)；二開和三開造斜段鉆井中，使用基于混合鉆頭、1°～1.5°螺桿和低密度鉆井液結(jié)合的快速定向鉆井技術(shù)；三開水平段鉆井中，推廣了PDC 鉆頭、1.25°耐油螺桿和水力振蕩器結(jié)合的水平段鉆井技術(shù)。在全井段推廣使用了PDC 鉆頭和帶彎角螺桿鉆井技術(shù)，顛覆了“牙輪鉆頭+轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)”的傳統(tǒng)鉆井時(shí)代，全面開啟了基于全井段的“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井提速技術(shù)的時(shí)代，機(jī)械鉆速大幅度提高［17］。

3.2.2.3 “一趟鉆”鉆井技術(shù)

美國在頁巖水平井鉆井中普遍推行一趟鉆，單井段一趟鉆已成為常態(tài)，雙井段一趟鉆得到推廣應(yīng)用，單次一趟鉆創(chuàng)造的進(jìn)尺紀(jì)錄突破了5500 m。一趟鉆的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了美國頁巖油氣水平井鉆井周期持續(xù)縮短，井深4000～5000 m 的水平井平均鉆井周期已縮短到10 d 左右。同時(shí)美國正在發(fā)展“超級(jí)一趟鉆”技術(shù)，2017 年在懷俄明州DJ 盆地一口頁巖水平井中，一趟鉆完成了“二開直井段+造斜段+水平段”三個(gè)井段，總進(jìn)尺4651.55 m，水平段2895.6 m，用時(shí)僅19.5 d；在Marcellus 油田產(chǎn)區(qū)日進(jìn)尺最快1774.2 m/d，單趟鉆4597.6 m，平均1.12 趟鉆完成水平段；2016 年在俄亥俄州Utica 頁巖氣產(chǎn)區(qū)鉆成了一口總井深達(dá)8244.2 m 的水平井，頁巖層埋深2000 m 左右，一趟鉆完成長度為5652.2 m 的水平段，創(chuàng)造了美國陸上一趟鉆水平段長度新紀(jì)錄。美國西南能源公司在Appalachia 水平井施工中，“超級(jí)一趟鉆”技術(shù)應(yīng)用效果顯著，其中鉆井周期從2010年的25.6 d 下降到2016 年的9 d，鉆井成本從2011年的 700 萬美元下降到 2016 年的 530 萬美元［17］。

涪陵頁巖氣田2020 年累計(jì)44 口井實(shí)現(xiàn)了水平段一趟鉆，一趟鉆覆蓋率42.7%。三開普遍可以二趟鉆完成，使用混合鉆頭，從掃塞、造斜，到A 靶點(diǎn)，一趟鉆完成；水平段一趟鉆完成。由于一趟鉆鉆井技術(shù)的應(yīng)用，鉆井周期降低21.0%，故障復(fù)雜時(shí)效降低54.9%，平均單井成本同比降低15.7%，單井鉆井費(fèi)用平均下降約350 萬元。

3.2.3 發(fā)展快速中完作業(yè)技術(shù)

2019 年涪陵地區(qū)頁巖氣井的平均中完和完鉆時(shí)間為27 d，威榮地區(qū)中完與完鉆時(shí)間33 d，中完作業(yè)時(shí)間占鉆井周期的24%～36%，比例偏高。中完作業(yè)時(shí)間主要取決于候凝整改，即生產(chǎn)組織、生產(chǎn)銜接、并行或交叉作業(yè)的效率和質(zhì)量，因此在技術(shù)層面，采用快速候凝水泥漿技術(shù)，縮短候凝時(shí)間；采用泡沫水泥漿固井技術(shù)，減少提高地層承壓能力作業(yè)時(shí)間及成本；采用“鉆刮通洗”一體化工藝技術(shù)，優(yōu)化“鉆刮通洗”一體化工具串（滑套開關(guān)、液壓刮壁器和通徑規(guī)），解決了傳統(tǒng)3 趟鉆作業(yè)才能完成的鉆水泥塞、刮管、通井和洗井工作。在管理層面，不做地層承壓試驗(yàn)，減少承壓堵漏時(shí)間；去掉測(cè)井項(xiàng)目，基準(zhǔn)井單井降費(fèi)26 萬元，非基準(zhǔn)井單井降費(fèi)48 萬元；減少鉆塞施工，使用混合鉆頭一趟鉆完成鉆塞并鉆至A 靶點(diǎn)，水平段再一趟鉆；采用清水替漿；采用易鉆除附件。通過以上技術(shù)和管理手段，可將中完時(shí)間縮短10～15 d，實(shí)現(xiàn)快速中完作業(yè)。

3.2.4 推動(dòng)鉆井裝備自動(dòng)化智能化

“工欲善其事，必先利其器”，推動(dòng)鉆井裝備自動(dòng)化和智能化升級(jí)是實(shí)現(xiàn)頁巖氣開發(fā)進(jìn)一步提效降本的關(guān)鍵。如德國的全液壓智能鉆機(jī)TI-350T，能夠?qū)崿F(xiàn)：（1）全液壓智能精確控制，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化、全液壓驅(qū)動(dòng)、無天車、游車、絞車、大鉤、鋼絲繩的自動(dòng)鉆井模式；（2）鉆具連接與上下鉆臺(tái)全自動(dòng)化，鉆具在地面擺放，采用雙根鉆桿作業(yè)模式，整個(gè)起下鉆作業(yè)只需3 人完成；（3）鉆機(jī)自動(dòng)化快速運(yùn)移，可實(shí)現(xiàn)X/Y軸的雙向移動(dòng)，液壓泵站安裝有單獨(dú)的平移系統(tǒng)，鉆井泵和固控系統(tǒng)不需要移動(dòng)。

在涪陵頁巖氣田白馬區(qū)塊施工的70232JH 隊(duì)，在70D 加強(qiáng)型鉆機(jī)基礎(chǔ)上，增配了管柱自動(dòng)化處理裝置、多功能機(jī)具、負(fù)壓振動(dòng)篩、鉆井液智能注入控制系統(tǒng)等裝備。二層臺(tái)排管器實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)無人化操作；鉆臺(tái)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)起下鉆替代鉆工推扶鉆具，方便快捷；動(dòng)力貓道替代場(chǎng)地人員滾鉆具，輸送效率高，有效保護(hù)鉆具。鐵鉆工代替正副鉗工自動(dòng)上扣卸扣操作；負(fù)壓振動(dòng)篩減少鉆井液損耗，降低鉆屑質(zhì)量，減少環(huán)保末端處理量，單井降本約25 萬元。先進(jìn)裝備的配備不但實(shí)現(xiàn)了鉆井的自動(dòng)化智能化，而且提高了鉆井效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 第一性原理思維法在其他領(lǐng)域的應(yīng)用展望

4.1 縫洞型碳酸鹽巖油氣藏的高效低成本開發(fā)方法

塔河油田位于塔里木盆地北部，屬于碳酸鹽巖縫洞型油氣藏，埋深5500～7000 m，以巖溶縫洞為主，包括大型溶洞、溶蝕孔洞和裂縫。前期采取“一井一洞、逐洞開發(fā)”模式，大洞大斷裂已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基本全控制，現(xiàn)在縫洞規(guī)模變小，溶洞儲(chǔ)量減少，仍采取“一井一洞”模式難以實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。

實(shí)現(xiàn)該類油氣藏效益開發(fā)的第一性原理是一井溝通多個(gè)縫洞體，因此可以采用分支井連通多個(gè)儲(chǔ)集體，或者采用長水平段實(shí)現(xiàn)“一井多靶”輔以壓裂溝通的方法，大幅度增加單井產(chǎn)量。由于超深井直井段成本約占90%以上，重復(fù)利用成本高昂的直井段井眼，可大幅降低鉆井工程成本，這與馬斯克的火箭回收利用實(shí)現(xiàn)大幅度降本有異曲同工之妙，見圖6。

圖6 縫洞型碳酸鹽巖油氣藏高效開發(fā)的途徑Fig.6 Efficient development ways for fracture cave carbonate rock reservoirs

4.2 干熱巖地?zé)豳Y源的高效開發(fā)方法

據(jù)報(bào)道，干熱巖的開發(fā)潛力巨大。干熱巖的溫度超過200 ℃，然而在油氣鉆井過程中，極少遇到地溫超過200 ℃的情況。目前，干熱巖鉆井中，采用提升鉆井液和測(cè)量儀器的耐溫能力的傳統(tǒng)做法，收效甚微，致使干熱巖鉆井機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，投資成本高，亟需探尋顛覆性創(chuàng)新技術(shù)?；诘谝恍栽硭季S法，干熱巖鉆井的根本難題在于高溫影響井下測(cè)量儀器的壽命及常規(guī)鉆井液的性能，而最好的解決辦法是降低井筒溫度，因此建議使用液氮來降低井筒溫度，同時(shí)低溫氮?dú)饪裳h(huán)利用，液氮汽化后在地面壓縮后再注入井內(nèi)循環(huán)，氮?dú)鈱?duì)環(huán)境也沒有污染，滿足環(huán)保要求。通過這一方法能夠突破傳統(tǒng)石油鉆井溫度200 ℃限制，適用于更加高溫地層的鉆井施工。

5 結(jié)語

第一性原理思維法為演繹法思維模式，首先追根溯源，準(zhǔn)確找到第一性原理，然后找出所有可能的解決途徑，再通過技術(shù)攻關(guān)，就可能實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新。涪陵頁巖氣田開發(fā)實(shí)踐表明，站在勘探開發(fā)一體化的高度，打破各專業(yè)界限，通過溯源、拆解、重構(gòu)、迭代，不斷實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新，就能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度增產(chǎn)降本的目的。在其他油氣領(lǐng)域，善于利用第一性原理思維法，也能達(dá)到“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”的境界，助推石油工程技術(shù)的顛覆性創(chuàng)新。