页岩气钻井“瘦身”方案

页岩气钻井“瘦身”方案

廖力

中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司；重庆 400000

摘要：页岩气是天然气能源中的一种，但其开采难度更大、分布范围更广、分布厚度更大、是一种开采寿命长、生产周期长、能量蕴含巨大的新能源。本文将通过分析页岩气特点与我国页岩气发展现状，以及现阶段我国页岩气钻井结构的不足之处，引出页岩气钻井“瘦身”方案。希望能给相关施工人员提供一些有价值的参考意见。

关键词：页岩气、钻井技术、开采技术

一、页岩气概述与我国页岩气发展现状

21世纪，全球能源发展趋势已从化石能源转向新能源开发，天然气不仅清洁度最高的化石能源，更是化石能源转向新能源的最佳桥梁。同时页岩气是天然气能源中的一种，天然气混合气态化石燃料其主要成分是甲烷、但同时含有少量的乙烷、丙烷、丁烷，而页岩气的主体成分只有甲烷。其次页岩气开采难度更大、分布范围更广、分布厚度更大、是一种开采寿命长、生产周期长、能量蕴含巨大的新能源。页岩气又被能源界称为“博弈改变者”的气体，它能改写了世界的能源格局。自上世纪80年代北美“页岩气革命”成功起，美国称为页岩气生产第一大国，是全球页岩气开采的领军者。据了解全球页岩气资源丰富，一般位于盆地内厚度较大、分布较广的页岩烃源岩地层中，在美国页岩气的带动下，中国、阿根廷、加拿大也对页岩气资源的进行有效开发，虽然产量仍无法与美国相抗衡，但产量也在持续快速增长。

我国页岩气开发起步较晚，但其发展速度较快，现已成为世界第二大页岩气生产国。我国页岩气资源储量丰富，主要分布在中国南方海相页岩地层是主要富集地区。松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。据统计我国页岩气可采资源量预计高达36万亿立方米。至今我国已形成由涪陵、长宁、威远、南川、綦江、威荣、太阳这七个储量超过1000亿立方米的页岩气大气田。就2020年一年页岩气的年产量就达200亿立方米，成为新增天然气能源的主力军稳居世界第二。国家为大力开发页岩气，对页岩气提供各个方面的政策扶持，比如说设立为独立矿种、价格放开、财税减免与补贴政策、将其纳入财政部《清洁能源发展专项资金管理办法》。国务院办公厅印发《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》中提出应结合美国页岩气开发的成功经验与先进技术，结合我国页岩气井的经济性、稳产性与可采储量等因素。重点发展页岩气开采工作，调整页岩气井的井身结构设计，加强页岩气地质调查研究，加快页岩气开采工厂化、成套化、信息化技术的研发与应用，探索形成先进适用的页岩气勘探开发技术模式和商业模式，降低页岩气开采成本培育自主创新和装备制造能力。

二、传统页岩气钻井结构

美国页岩气开采技术相对比较成熟已有大约有80多年历史，但是我国页岩气勘探与开采仍处于起步阶段，在开采技术方面、在成本控制方面、在资源与环境方面仍然面临着诸多挑战与瓶颈。

2.1开采技术方面

据资料显示我国页岩气埋藏深度大部分在3500-4000米之间，且分布地理环境、地质情况、自然水资源也相对比较恶劣，不仅其开采成本远高于美国，其开采技术也远难于美国。现阶段我国页岩气开采技术方面主要存在钻井壁稳定差、固井质量要求高、井眼轨迹控制难度大、井身结构复杂等，水平钻井技术与水力压裂技术是页岩气勘探开采的核心技术，我国也仍未完全熟练掌握。①井壁稳定：在页岩气钻井过程中，由于页岩气储层地层不匀质并伴有岩层裂缝、钻井水液与地层流体水压差大、钻井井底气压差大、导致页岩气储层钻井四周井壁岩石强度与应力发生改变，引发岩层裂缝加大，最终影响井壁的稳定性与安全性，甚至可能导致泥页岩崩塌，大量钻井液渗漏、卡钻埋钻等工程事故。②井眼轨道控：前面提到我国页岩气资源大部分分布在丘陵山区等地带，在开采时为最大程度减小井场数量与地面占地面积、降低钻井成本，一般会采用丛式水平钻井的方式。但由于页岩气丛式水平钻井比常规油气藏水平钻井的轨道更加复杂，丛式水平钻井井眼轨迹容易发生偏移、长水平段、大靶前位移，在钻井过程中井内施工工具更难摆放与控制，钻井摩阻与扭矩更大、靶点难以命中，钻井难度更大。③固井质量：在开采页岩气时需对储层裂缝进行缝网压裂进行加固，由于丛式水平钻井的水平距离较长、缝网压裂规模较大、施工工艺复杂且难度系数大，因此提高固井质量是开采页岩气面临的一个重要问题。④页岩气开采施工过程中一般会用到丛式水平钻井技术与分段多级压裂技术，但由于现有的勘探技术无法准确测量出页岩气资源量、储量、产量，现有的丛式水平钻井技术还遇到诸多难点，分段多级压裂配套工具仍需引进，裂缝延伸规律、压裂规模判定、产量预测等方面仍待提高。

2.2资源与环境方面

美国水资源丰富、地势平坦、地广人稀、交通便利，页岩气储层深度较浅，有利于页岩气开采。但我国页岩气资源大部分位于四川、贵州、重庆等地区，该地区丘陵山区地势为主、地势较高且不平坦、泥石流、山体滑坡、地震等地质灾害多发、人口稠密，水资源较为紧缺、页岩气井位密集且占地面积较广。一方面开采页岩气一般适用的是水力压裂法，每次液压破碎岩层需要数百万吨水，在水资源匮乏的环境下，为保护生态环境避免走先污染后治理的老路，页岩气开采工作受到阻碍。另一方面我国页岩气开采缺乏实践经验，页岩气资源规划与资源调查不够深入，缺乏相应的管理制度，钻井工作缺乏标准规范的技术指导，丛式井组地面布局和井网设计缺乏参考数据，页岩气钻井施工难度大，开采效率低。最后我国在页岩地质研究和储层选区评价技术仍处于起步阶段，缺乏相应的评价标准，无法清晰认识页岩气的储藏特征与富集规律。面对变化较快、单层厚度薄、常与煤岩砂岩混合的海陆岩层，难以准确识别页岩气富集且易于开发的区域。

2.3开采成本方面

页岩气钻井技术是影响页岩气开采效率与开采成本的主要因素，但我国内页岩气开采现处于起步阶段，暂未拥有标准成熟的钻井技术，配套钻井装备仪器也明显不足，在钻井装备仪器、关键工具、重要材料方面仍以进口为主，且设备自动化程度低，导致钻井周期较长，开采成本较高。其次由于我国页岩气多分布在南方丘陵地带，其地质背景复杂，页岩气储层深度一般为3500-4000米之间，不仅页岩气前期评估成本偏高、其钻探技术复杂施工难度系数远远高于美国，开采成本增高。

三、页岩气钻井“瘦身”方案

中国石化新闻网讯 2022年5月4日报道，江汉油田第一瘦身型（页岩气储层较浅，深度在3500米以内）页岩气钻井井身结构试验顺利完井，这是国内第一个瘦身成功的页岩气水平井，与此同时第二瘦身型（页岩气储层较深，深度在3500米以上）页岩气顺利完钻井。江汉油田通过深入调研国内外各种页岩气井身结构信息，结合当地页岩气田钻探特点，研发出的页岩气瘦身方案。而所谓页岩气钻井的瘦身方案是指在保证钻井安全的前提下，从设计源头进行优化，对每一个开次的钻头型号尺寸、套管型号尺寸以及所用钻井工具反复论证优化，合理科学地缩小各个开次井眼大小与套管大小，从而缩小钻井井筒大小，为页岩气钻井进行瘦身。瘦身型页岩气钻井井身结构相比常规井身结构来说，不仅机械钻井速度更快，钻井效率提高，而且钻井套管用量大幅减少节约钻井材料、减少钻屑产生保护环境、大幅降低钻井成本。据了解目前，江汉油田已大幅度广范围地开始推广瘦身方案，初步预计每年节约4亿元页岩气钻井成本，为页岩气开采探索出一条新路径。

结语：

综上所述，页岩气钻井技术是是影响页岩气开采效率与开采成本的主要因素，江汉油田研发的新型页岩气钻井瘦身方案，不仅机械钻井速度更快，钻井效率提高，而且钻井套管用量大幅减少节约钻井材料、减少钻屑产生保护环境、大幅降低钻井成本。但却由于地理环境、地质条件等因素暂未在全国广泛试行，页岩气钻井技术仍有很大的提升空间。

参考文献：

【1】张震、万秀梅、吴鹏程. 川南龙马溪组深层页岩井壁失稳原因分析及对策［J］.特种油气藏, 2022,29（1）:160-168.

【2】龙胜祥、卢婷、李倩文.论中国页岩气“十四五”发展思路与目标 [J]. 天然气工业 , 2021, 41(10): 1-10.