页岩气水平钻井技术进展与挑战分析

页岩气水平钻井技术进展与挑战分析

贺彬，吴鹏晓  姜宇键

 渤海钻探第四钻井公司

摘要 ：我国在页岩气开采方面面临诸多挑战，主要是由于我们的勘探和钻探技术起步较晚，并且存在一定的局限性。页岩气与常规天然气储层不同，它同时充当生成源岩、聚集岩层和封盖层，具有低孔隙度和低渗透率的特点，导致在实际勘探过程中面临复杂情况和技术选择的难度增加。本文分析了页岩气水平钻井技术面临的主要难点，并对页岩气水平井的钻井技术进行了归纳总结，旨在推动我国能源开发的新发展。

关键词 ：页岩气；水平钻井；挑战；进展

0引言

我国在资源方面面临一些挑战，其中页岩气是一种较为特殊的天然气。由于我们在页岩气勘探方面的研究与开发起步较晚，我们的钻井技术也有一定的局限性，这就意味着我们在实际的勘探过程中可能无法顺利地完成各项任务。因此，我们需要利用页岩气自身的特性，努力提升我们的水平井钻探技术。尤其是需要提高我们在面对复杂情况和技术选择时的能力，同时，我们需要结合钻井液技术的基本原理以及实际的应用场景，来提高页岩气的开采效果。

1页岩气的特征

与常规的天然气储层不同，页岩既充当着天然气生成的源岩，又作为聚集和保存天然气的储层和封盖层。其中，含有高量有机质的黑色页岩和高碳含量的泥岩，通常具有最佳的页岩气发育条件。但是，页岩气储集层的特点通常是低孔隙度和低渗透率，这导致页岩气的流动阻力大于常规天然气，几乎所有的页岩气井都需要进行储层压裂改造才能具备开采能力。如果页岩气储层中的页岩具有一定的天然裂缝，那么会显著提高页岩气藏的储集性能。然而，至今我国所掌握的页岩气技术还未完全成熟。

2页岩气水平钻井技术难点分析

水平井技术是页岩气开发中的一项关键技术，近年来，随着水平井技术的逐渐推广和应用，页岩气开发取得了新的进展。然而，由于水平井在钻井技术上存在一定的难点，这也给页岩气井的开采带来了相当的挑战。

2.1钻进困难

页岩地层具有较差的稳定性，其膨胀性良好、层理发达、微裂缝众多且胶结性弱。此外，页岩气井的深度相对较浅，井斜度大，稳斜段较长，这些因素直接威胁到页岩气井壁的稳定性。在钻进过程中，如果水或钻井液进入页岩的层理和微裂缝，页岩中的粘土矿物遇水会膨胀，形成新的孔隙和膨胀压力，这会削弱页岩的结构力学，破坏页岩原油的平衡，导致岩石破裂。页岩的这种遇水膨胀、软化的特性给页岩气井的钻进施工带来了极大的困难，特别是在长水平段的情况下，由于钻井液与页岩接触的时间非常长，页岩井壁可能会逐渐崩塌、塌陷，这会引起大量的钻井液漏失、卡钻、井喷等复杂的地下事故，严重影响了页岩气井的安全快速钻进。

2.2井眼轨迹控制困难

为了提高单井的产气量，通常会设计具有较长稳斜段和水平段的页岩气大位移井或水平井，但这会使井眼轨迹难以控制。以下是影响页岩气井井眼轨迹控制的主要因素：

⑴页岩地层的井壁稳定性较差，储气层较为疏松，钻井过程中容易发生塌陷，导致页岩气井的井径变化较大，钻柱的扭矩规律性不明显。

⑵页岩气井的造斜点选择较浅，使得造斜段和稳斜段的设计难度增大。

⑶井漏、塌陷以及其他复杂的井下事故都会影响页岩气井的井眼轨迹控制。

⑷频繁变化的钻柱扭矩会对定向的实际效果产生较大的干扰，使得定向工具和钻头的作用力方向难以控制和调节。

⑸定向工具面的摆放较为困难。

⑹考虑到页岩气井需要经过后续的人工压裂才能开始产气，为了保证压裂效果，页岩气井的水平段延伸方向需要垂直于地层的最大应力方向，以便沿着最大应力方向进行压裂。

如果井眼轨迹控制不当，可能会导致井漏、井塌、井喷等复杂的井下事故发生，频繁变化的扭矩将严重干扰定向的实际效果，使得定向工具和钻头的作用力无法沿着正确的方向进行控制和调节。

2.3摩阻和扭矩大

在页岩气井的钻探过程中，遇到的主要摩擦和扭矩问题主要由以下几个因素造成：

⑴水平钻探阶段所需的钻杆结构复杂，由于重力影响，钻杆容易与井壁产生摩擦，导致较大的摩擦阻力，从而增加了钻具和井壁间的摩擦和扭矩。

⑵由于水平段较长，岩石碎片不易被清除，积聚在环空下部，增大了钻具的摩擦和扭矩。

⑶井壁稳定性差，容易导致卡钻现象，使得钻具难以提升或下放，承压严重，加压困难。

⑷钻头、机械和动态扭矩的存在。

当摩擦和扭矩过大时，会对页岩气井的安全快速钻进产生显著影响，主要体现在以下几个方面：

⑴起钻时，钻柱的负荷显著增加，下钻时遇到的阻力大；

⑵在进行定向滑动钻进时，无法在地面准确判断钻头工作的实际钻压；摩擦和扭矩的增加，对钻井施工最大的危害在于，钻柱在过高的轴向压力下可能发生屈曲，从而导致断钻杆等复杂的井下事故。

2.4岩肩床清除困难

在页岩气井的水平钻探中，特有现象“岩屑床”的形成主要受三个因素影响：

⑴页岩井壁在钻井液的作用下稳定性降低，易发生崩塌，形成堆积；

⑵水平段的层流状态下，对流力不足以抵消岩屑颗粒的重力，导致其在环空底部沉积；

⑶由于重力作用，钻探过程中产生的岩屑容易在水平段底部堆积。

岩屑床的出现给页岩气井的安全快速施工带来挑战，主要体现在：

⑴增加摩擦和扭矩，可能导致钻柱损坏或断裂；

⑵阻碍机械钻速，增大钻机运转阻力，影响钻头性能，从而增加成本；

⑶提高粘卡风险，特别是在位移大、水平段长、侧钻曲度大的情况下，钻柱活动受限，加剧了粘卡可能性。

2.5钻具组合选用局限性大

在浅层页岩气大位移井或水平井的钻探中，由于造斜点较浅、上层地层不够坚实、结合质量不佳，再加上页岩容易塌陷的特性，上端钻具重量较轻，难以施加压力，这些条件对钻具组合的选择造成了很大的制约。如果钻具组合挑选不当，可能会引起严重的套管偏磨，以及过大的扭矩和摩擦阻力，从而引发钻具断裂等复杂的井下事故。

3页岩气水平钻井技术进展

3.1旋转导向钻井技术

旋转导向式钻井技术是适应于特殊油藏条件下深井、水平分支井、水平井、定向井以及大位移井等高难度钻探的先进页岩气钻井方法。该技术通过远端计算机对工具面角度进行数值调整，并利用脉冲传输将数据发送至井底仪器以控制井眼轨迹。相比传统的螺杆导向技术，它能够更迅速和精确地控制井眼轨迹。在施工过程中，由于钻柱持续旋转，有助于显著降低扭矩和摩擦阻力。

3.2固井技术

为了解决页岩气井施工的难题并提高固井技术，该项目采用了由1.90kg/L高密度和1.40kg/L低密度水泥浆混合而成的双密度双凝水泥浆。在固井过程中，将密度较低的1.40kg/L水泥浆返流至地面，以降低水泥浆的液柱压力。而密度较高的1.90kg/L水泥浆则被泵送至井的深处，以确保下层页岩气产层得到充分固定。这种方法不仅降低了液柱压力，减少了固井过程中水泥浆漏失的风险，而且提高了防止气体窜逸和胶结的质量，为后续的压裂作业创造了良好条件。

3.3控压或欠平衡钻井技术

3.3.1欠平衡钻井技术

欠平衡钻井技术是一种在执行钻探作业时，故意维持井眼内的压力低于周围地层压力的方法。这种技术的核心在于，当地层具有渗透性且被钻头钻透时，地层流体会自然流入井筒内，并随着循环系统上涌至地面，从而得到有效的监控和管理。由于这种持续的地层流体流入和循环现象，欠平衡钻井也被俗称为“边喷边钻”。该技术在概念、原理、所需设备和技术手段等方面与传统的基于钻井液的钻井方法截然不同，代表了一套与传统做法有显著差异的特殊钻井工艺。

3.3.2控压钻井技术

控压钻井是一种能够自动调节的钻探过程，它能够精确地调控井眼环空部分的压力分布。这项技术的核心是确立井底的压力范围，以便控制环空中的液压力分布。其特点包括：

(1) 控压钻井是一种过平衡的钻探方式，通过调节钻井液的密度、环空压力损耗和套管压力，使井底的压力略高于地层压力并保持相对恒定，防止地层流体的侵入。

(2) 使用的钻井液密度较传统钻探要低，以避免超过地层的破裂压力梯度，并提升钻探的机械效率。

(3) 运用封闭且耐压的钻井液循环系统或欠平衡钻探设备，以控制钻探过程中任何可能进入井眼的流体。

(4) 欠平衡钻探的主要目的在于避免损害未来的生产层，其核心是保护储层不受伤害。

4结语

面对我国在页岩气开采领域所面临的挑战，我们必须深化研究，不断提高我们的钻探技术。通过理解并利用页岩气的特性，结合旋转导向钻井技术、高效固井技术和控压或欠平衡钻井技术等先进技术，我们可以有效提高页岩气的开采效果，克服现有的困难，实现安全高效的页岩气开发。同时，我们也需不断探索和尝试新的技术手段，以应对复杂多变的地质条件，为我国的能源开发开辟新的道路。

参考文献:

[1]唐思诗.页岩气钻井关键技术及难点分析[J].化工设计通讯，2017,43(06):239

[2]聂靖霜，等.长宁威远地区页岩气大斜度水平井钻井技术研究[J].钻采工艺,2013,36(3):118-120.