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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]。
页岩气水平井固井技术研究进展页岩气水平井固井技术研究进展随着能源需求的日益增长，页岩气逐渐成为了替代传统石油天然气的重要资源。
水平井作为主要的生产工具，其固井技术成为了页岩气开发中的重要问题。
近年来，国内外学者针对页岩气水平井固井技术进行了研究，本文就其研究进展进行了综述。
一、水泥固井技术水泥固井是目前水平井固井技术的主流方案，其通过注入水泥浆将套管与井壁固定，防止井壁侵蚀和漏失油气。
然而，页岩气水平井中存在的大量细小裂缝会导致水泥浆的染浸，影响其固结力，并产生裂缝，从而使油气渗漏。
因此，国内外学者在水泥固井领域的研究主要围绕水泥改性与水泥浆稳定性。
其中，P. L. Dürig等(2015)提出了一种纳米级碳酸钙在水泥胶凝体中的应用，该技术能够形成更致密、更均匀的水泥固结体，并使固井力度提高60%以上。
另外，A. C. Boivie等(2018)研究了不同温度下水泥胶凝体的强度和耐久性，发现在较高温度下固井效果更佳。
同时，X. Chen等(2019)通过添加聚丙烯酰胺( PAA)改善了水泥浆体的流动性，并提高了固井效果。
二、环氧树脂固井技术除了传统的水泥的固井技术，针对页岩气开发中水泥固井存在的问题，环氧树脂固井技术被提出。
与水泥固井相比，环氧树脂具有更高的渗透性和粘附性，可以更好地填补井壁的裂缝和孔隙。
因此，为了提高环氧树脂固井的效果，国内外学者进行了一系列相关研究。
其中，B. Li等(2016)研究了环氧树脂固井的最佳浓度、固化时间和接触时间，提高了固井效果并减少了漏失。
同时，Q. Zeng等(2018)通过与水泥固井技术的组合应用，有效地提高了固井的完整性和耐久性。
三、石墨烯增强固井技术石墨烯具有极高的强度和导电性，其与水泥等材料的复合可以有效地加强其力学性能。
因此，石墨烯增强固井技术被提出，并取得了一定的研究进展。
例如，L. Huang等(2019)研究了石墨烯在水泥浆体中的添加量，发现当石墨烯/水泥比例为0.25%时，固井力度可提高71.6%，漏失率降低至0.8%以下。
中国页岩气研究与发展20年：回顾与展望聂海宽;党伟;张珂;苏海琨;丁江辉;李东晖;刘喜武;李沛;李鹏;杨升宇;赵建华;刘秘;陈前;孙川翔;王鹏威;刘子驿【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2024(44)3【摘要】中国页岩气科学研究和勘探开发已历经20年,创新形成了以中国南方海相页岩气富集规律为代表的诸多理论与认识,支撑了国内页岩气产业健康快速发展,2023年中国页岩气产量达250×10~8 m~3,在当年全国天然气总产量中的占比超过10%,页岩气已经成为中国天然气产量增量的主力军之一。
为了给中国页岩气产业高质量发展提供借鉴和参考,系统回顾了国内页岩气科学研究和勘探开发历程,归纳总结了富有机质页岩发育机理、页岩气优质储层特征及其成因机制、页岩气源—储协同演化机制、页岩气赋存机理与含气性评价、页岩气富集高产机理与评价、页岩气储层改造、页岩气开采等理论和技术进展,分析研判了面临的技术难题和挑战,指出了海相/陆相/海陆过渡相页岩气富集高产机理、基于动态演化过程的页岩气富集区评价方法、低丰度页岩气高效开发技术以及提高页岩气采收率技术等4个亟需攻关的研究方向。
进而针对中国页岩气商业化勘探开发所面临的挑战,提出以下建议:从新区新领域、老区挖潜及提高采收率现场试验等方面开展页岩气勘探开发攻关探索,以期早日实现中国页岩气多领域多层系、由点到面的大突破和大规模高效勘探开发,全方位推进中国页岩气革命,提升能源高效供给能力,保障国家能源供应安全。
【总页数】33页(P20-52)【作者】聂海宽;党伟;张珂;苏海琨;丁江辉;李东晖;刘喜武;李沛;李鹏;杨升宇;赵建华;刘秘;陈前;孙川翔;王鹏威;刘子驿【作者单位】页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室;中国石化页岩油气勘探开发重点实验室;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院;西安石油大学地球科学与工程学院;中国地质大学 ( 北京 ) 能源学院;中国石油国家卓越工程师学院;中国石油大学(华东)【正文语种】中文【中图分类】TE132.2;TE37【相关文献】1.页岩气发展引发的能源革命效应分析——兼论中国页岩气发展的前景与路径2.全球页岩气发展启示与中国未来发展前景展望3.世界页岩气勘探开发现状及我国页岩气发展展望4.对促进中国页岩气勘探开发若干问题的思考——2011年中国页岩气发展回顾与思考5.中国南方海相页岩气勘探理论:回顾与展望因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
