页岩气水平井钻完井技术

页岩气水平井钻井技术难点分析韩旭发布时间：2022-02-25T03:26:28.577Z 来源：《基层建设》2021年30期作者：韩旭[导读] 作为页岩气开发的最有效方法之一身份证号码：41022319911126xxxx中石化中原石油工程有限公司钻井二公司河南濮阳 457001摘要：作为页岩气开发的最有效方法之一，定向水平井在新能源开发中的效果很明显，但在水平井钻井施工技术却一直面临摩阻扭矩过大、井壁失稳、岩石地层易坍塌等各个方面问题，并且没有得到根本解决，文章中以某水平井的钻探施工经验为例，在油基钻井液、旋转导向钻井工艺技术等几个方面，对水平井的钻探工艺技术展开了深入研究。

关键词：页岩气水平井钻井技术；难点；分析页岩气属于一个具备丰厚储备且非传统的重要再生能源，在现代工业生产中意义突出，而石油勘探产业对页岩天然气的研究利用程度也在日益提高。

自九十年代中期，大量页岩天然气被发掘以来，其生产总量增长巨大，并将会在未来实现新的重大突破。

目前页岩天然气在盆地中的储备也较为丰厚，据不完全统计，目前全世界页岩天然气储备已冲破了456*1012m3，利用空间很大。

当前在页岩气的钻取、完井，尤其是在孔隙水压力裂、连续石油管线中的射孔和水平井钻井技术的开发之下，页岩气的使用范围将愈来愈宽，所以需要对于页岩气钻井资源开发存在的技术难点进行进一步探究。

一、浅层地层井漏页岩气的储层大多表面地质结构比较复杂，尤其是在中国西南地区涪陵、威远等区域，表层地层一般结构较为松散、溶孔发育没有完全、地下水和暗河散布较广泛，在钻井中井漏现象明显。

地下暗河与地表径流速度差相连，如果井漏还易造成环境污染，常规桥联的堵漏强度也很难完成，井漏后地下水进入井筒，还易冲洗钻井泥浆，从而大大降低了密封强度[1]。

（一）钻井提速困难直井段的浅层地层可钻性差，要求井眼长度变化很大，且钻取速率缓慢，尤其是在龙潭到栖霞地区组会的火岩地层，单钻孔时磨损进尺非常低。

57页岩气与一般的天然气有很大的不同，其形态多样化，大部分存在于裂缝、微孔隙、有机质和粪球粒微孔隙及纳米级孔隙。

为了提高钻井的速度和单井开采效率，必须在开采技术上进行创新和改进，不断攻克技术难点，提高页岩气开采的经济效益，解决人类发展中资源短缺的瓶颈问题。

1 页岩气钻完井技术发展历程1.1 国外页岩气钻完井技术发展美国是目前在页岩气开发方面发展最早，也是发展最为先进的国家，世界上第一口页岩气井就是由美国的技术人员完成，之后又陆续研发了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井等多种方式，页岩气的开发，从垂直井发展到水平井，页岩气的产量也有了很大的提高。

页岩气开发技术水平也走在了世界的前列，而其他国家发展较晚，起步较慢，但随着其他发达国家在页岩气钻完井技术上的成功研发和应用，目前全球都在积极对该技术进行研究创新，由此引发了“页岩气革命”。

1.2 我国页岩气钻完井技术现状　在全球都广泛勘探开发页岩气这一新的天然气能源时，我国迎难而上，很多石油企业都加大了页岩气开发技术的研究，在引进、消化、应用上已取得重大进步。

2009年中石油第一口页岩气井开钻，中石化集团也紧跟其后于第2010年开始了河页1井开钻工程，并于2011年第一口页岩气水平井-建页HF-1完钻。

我国的页岩气开发区域比较集中，一般在重庆涪陵、四川长宁—威远等区块。

面对如此喜人的成绩，我们仍不可忽视页岩气配套钻完井技术暴露出的缺陷，受各区域页岩气储层的物性、裂隙发育程度、气体吸附特征乃至埋深等差异性因素影响，在开采过程中会因为设备或工艺上的原因导致生产事故，也会影响开采效率和产量，最终导致开采投资成本与收益不相符，因此为了更好地提升钻完井技术的应用效果，技术人员需要根据其施工重难点不断完善钻完井技术体系，促使其发展更为成熟。

2 页岩气钻完井技术体系介绍2.1 页岩气钻井技术现阶段页岩气开采主要应用水平井技术，初期由于技术水平较低，研究还未深入，多采用欠平衡钻井法，但其工作效率和产量还能够满足社会需求，随着我国经济发展加快，且技术水平在不断提升，人们对页岩气钻井技术的研究分析更为深入，在总结欠平衡法弊端，结合社会高需求后旋转导向钻井技术应运而生，这种方式的轨迹控制效果好，且避免了对储层造成污染和伤害，保护了开采地周围的生态环境和地理环境，更重要的是可以更为安全高效地对页岩气进行开发。

185中石化在涪陵、南川、威荣等多个区块开展页岩气水平井开发，其水平段长历经1500以内、1500~3000米、3000米以上三个阶段，针对国内页岩气水平井开发，一般把水平段超过3000m的水平井称为长水平段水平井，通过施工3500米以上水平段水平井，其压裂改造段长、产气量将提高至少30%以上，大幅度提高单井产量，减少部署井数量、节省土地征用，突破地形地貌限制等，真正实现“少井高产”，对于页岩气的效益开发具有重要意义。

1 钻完井难点问题针对东胜页岩气区块，从前期施工情况分析来看，主要存在以下钻井难点问题：（1）浅表层漏、垮风险高。

东胜区块浅层以须家河组、雷口坡组地层出露为主，溶洞、裂缝发育，部分井区与地下暗河连通，极易发生恶性漏失，同时由于沉积过程中砾石对原有缝洞的充填，导致钻井过程中易发生掉块垮塌，钻井过程也易发生卡钻事故，严重影响钻井进度。

（2）中上部地层差异大，从上部地层到目的层，发育灰岩、白云岩、泥岩地层，灰岩裂缝发育易造成井漏，而夹杂的泥岩地层也影响井眼稳定性。

（3）长水平段施工井壁稳定与降摩减阻难度大，目的层为泥页岩地层，受钻井液浸泡、地层岩石矿物的水化膨胀、应力传递等影响存在垮塌风险，同时长水平段施工摩阻扭矩急速增加，倒是后续施工难度大幅增加。

（4）固完井难度大，长水平段水平井钻井施工后，套管无法与钻具一样实现倒装，提高上部载荷，套管的下入存在较大难度。

2 井身结构设计井身结构设计是钻井安全顺利施工的首要条件，合理的井身结构设计能有效针对各类风险提供保护措施，为下步施工提供条件，同时能最大限度地减小裸眼段摩阻，为长水平段水平井提供保障。

页岩气水平井井身结构设计主要考虑两点因素，一个是封固不同压力层系的地层；二是封固各类不稳定地层，为下开次的施工提供井眼条件。

其井身结构设计具体为：导管段采用Φ609.6mm钻头×Φ473.1mm套管封固雷口坡组易漏失、易跨地层；一开采用Φ406.4mm钻头×Φ339.7mm套管封固嘉陵江组裂缝发育层；二开采用Φ311.2mm钻头×Φ244.5mm直至进入目的层龙马溪组顶部，套管封固上部二叠系、志留系易漏失层，为三开油基钻井液施工提供条件；三开采用Φ215.9mm钻头与油基钻井液施工水平段直至完钻[1]。

页岩气开采原理
页岩气开采原理是通过水平钻井和水力压裂技术将水和添加剂注入页岩岩层，使岩层裂缝扩大并释放出内部储存的天然气。

具体步骤如下：
1. 水平钻井：首先，在地表选择合适的位置进行垂直钻井，当钻杆到达目标页岩层时，钻井工程师会改变钻头方向，将钻孔延伸成水平方向。

这样可以增加页岩岩层与钻孔的接触面积，提高天然气的开采效率。

2. 水力压裂：完成水平钻井后，高压水和添加剂（如砂岩颗粒）被泵送到井中，进入页岩岩层。

压力和添加剂的作用下，岩石发生裂缝和断裂，从而使天然气能够逸出。

水力压裂也可以同时增加岩石孔隙的连接性，便于天然气在岩层内流动和采集。

3. 采集天然气：一旦页岩层被水力压裂，天然气开始从岩石毛细孔隙中释放出来，并通过新形成的裂缝流向水平井筒。

然后，运用抽油泵等装置将天然气输送到地面设备进行储存和处理。

4. 环境保护：在整个开采过程中，需要严格控制水和添加剂的使用，以减少对地下水资源的污染。

此外，储存和处理阶段也要采取相应的措施，以确保环境不受污染。

以上就是页岩气开采的基本原理。

通过水平钻井和水力压裂技术，能够充分利用页岩岩层内部的天然气资源，提高天然气开采效率，促进能源产业的发展。

页岩气完井方式综述页岩气井的投产能否成功，完井工艺是关键。

因为页岩气油藏的孔隙度和渗透率极低，必须采用特殊的完井工艺技术才能完成投产。

经调研统计，页岩气井普遍采用的完井方式可分为以下几类类：桥塞+射孔联作完井、滑套封隔器完井、套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井和裸眼射孔完井。

标签：页岩气；完井；固井页岩地层裂缝发育，长水平段（1200m左右）钻井中易发生井漏、井垮等问题，造成钻井液大量漏失、卡钻、埋钻具等工程事故。

页岩气水平井钻井中，水平段较长，磨阻、携岩及地层污染问题非常突出，钻井液好坏直接影响钻井效率、工程事故的发生率及储层保护。

页岩气单井产能低，勘探开发成本高，需要优化钻井工艺及研发低成本钻井，配套装备，提高采收率，降低钻井工程成本。

1 页岩气井完井方式1.1 组合式桥塞完井（桥塞+射孔联作完井）组合式桥塞完井是页岩气水平井最广泛使用的完井方式，其原理是在套管中用组合式桥塞分隔各段，分别进行射孔或压裂，这是页岩气水平井最常用的完井方法，其工艺流程是下套管、固井、射孔、分离井筒，但由于需要在施工中射孔、坐封桥塞、钻桥塞，因此也是最耗时的一种方法。

1.2 机械式组合完井（滑套封隔器完井）国外近年发展起来的一种新型完井技术，其工作原理是利用膨胀封隔器和滑套系统组成一趟管柱进行固井和分段压裂。

操作流程为：完井管串下入水平段、坐封悬挂器、注酸溶性水泥浆固井、泵入压裂液、井口投球控制滑套系统、水平段最末端第一级压裂、依次第二、三级等逐级压裂、防喷洗井、投产。

该工艺主要适用于长水平段页岩气井的逐级压裂，其中哈里伯顿公司的DeltaStim 完井技术为市场主导。

1.3 水力喷射射孔完井（套管固井后射孔完井）是根据伯努利能量转换原理，使流体通过喷射工具，油管中的高压流体能量被转化为动能，产生高速流体冲击岩石形成射孔通道，实际应用中通常使用低砂浓度携砂液来完成水力喷射任务。

其优点是免去下封隔器或桥塞，缩短完井时间，工艺相对成熟简单，有利于后期多段压裂，缺点是有可能造成水泥浆对储层的伤害。

页岩气水平井钻井技术摘要当前我国页岩气水平井钻井施工整体表现出成本高、周期长、复杂事故多等问题。

针对这些问题，本文对国内页岩气井进行了技术跟踪，归纳了当前我国页岩气水平井钻井过程中所面临的轨迹优化及控制、井壁稳定、摩阻扭矩、井眼清洁以及固井技术等难点问题。

关键词页岩气水平井轨迹控制井壁稳定摩阻美国页岩气资源的规模化开发和商业化利用，正在改变着世界能源格局，而同为世界能源进口大国的中国，同样拥有丰富的页岩气资源。

政策以及相关支持政策的陆续出台，不但表明了我国政府大力发展页岩气资源的决心，而且正在积极推进我国页岩气产业的全面、快速发展。

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式，在一定地质条件下聚集成藏并具有商业开发价值的非常规天然气。

与常规天然气藏相比，页岩气储层孔隙度主体小于10％，储层孔隙为0~500nm，孔喉直径介于5~200nm，渗透率极低，一般多采用水平井并经水力压裂技术改造后进行开发。

当前，公认的具备商业开采价值的页岩气藏需具备以下条件：①页岩气储集层厚度大于100ft（30m）；②富有机质页岩有机质丰富，TOC > 3 %；③成熟度Ro在1.1-1.4之间；④气含量>100ft3/t；⑤产水量较少，低氢含量；⑥黏土含量小于40 %，混合层组分含量低；⑦脆性较高，低泊松比、高杨氏弹性模量；⑧围岩条件有利于水力压裂控制。

页岩气藏作为典型的连续型油气聚集，往往分布在盆地内厚度大、分布广的集“生-储-聚”为一体的页岩烃源岩地层中。

页岩作为粘土岩常见岩石类型之一，是由粘土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成的，其成分复杂，除包含高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等粘土矿物外，还含有诸如石英、长石、云母等碎屑矿物和铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等自生矿物，页岩层理构造发育，多呈页状或薄片状（图1左），并沿层理发育有大量裂隙和微裂隙（图1右），脆性高、易碎，外力击打作用下易裂成碎片，且吸水膨胀性强，长时间裸露浸泡后极易引起井壁缩径、垮塌、掉块等复杂事故。

水平井钻井完井关键技术摘要：随着新技术的不断发展，水平井完井技术作为连接钻井和石油开采而又相对独立的一门科学技术，为我国油气开发开辟了一种新的途径，并迅速在石油开采行业得到了广泛的推广和应用。

但是，目前水平井完井中存在的技术难点，仍然制约着该技术的进一步发展。

针对开采现场条件、设备的变化对水平井完井关键技术进行了探讨，以期为相关工作者提供一定的借鉴。

关键词：水平井；钻井；完井；关键技术引言我国石油产业近几年的规模不断扩大，为我国经济的发展提供了充足的石油能源。

但由于石油开采量的逐年增加也导致石油的产油量逐渐下降。

同时石油开采的地理环境也更加复杂，对石油开采的技术水平提出了更高的要求。

因此，我国石油企业为了解决这些问题，开始不断提高自身的钻井技术，从而保证油田的产油能力。

1水平井完井技术简介水平井完井技术于20世纪80年代开始用于石油工业勘探开采领域，我国于20世纪90年代引进、推广、应用，为我国提高油气开采效率和开采质量发挥了巨大的作用。

完井作业作为钻采过程的最后一道工序，同时又是采油的开始，为国内外油气田开采带来了巨大的社会效益和经济效益。

水平井完井技术是指水平裸眼井在钻井时，一旦达到设计井深，就应具有以一定结构将井底和油层联通的工艺过程，这样建立起来的水平井能为油层提供更多关于油层储藏的信息，对丰富人们对油藏的认识具有极大的作用。

完井方式的优选、完井工具的开发以及完井质量的好坏直接关系到探井能否顺利实施、油井能否长期稳定使用，并最终影响到油田的经济效益。

因此，在进行水平井完井作业时，必须严格遵守一定的原则，保证完井顺利进行。

2重点探区钻井完井技术2.1超深井安全高效钻井关键技术为降低超深井钻井过程中的钻井液漏失量并提高机械钻速，在建立地层压力剖面、研究井漏与井眼失稳机理的基础上，优化了井身结构，研制了系列钻井提速工具，研发了微流量早期监测系统及防漏堵漏浆，形成了超深井安全高效钻井关键技术，并取得了较好的应用效果。