页岩气钻井技术新进展

网络出版时间：2017-03-01 17:44:48网络出版地址：/kcms/detail/13.1614.G3.20170301.1744.004.html页岩气钻井技术新进展李东杰，王炎，魏玉皓，张彬，于建涛，张波，廖沫然中国石油华北油田公司摘要：当前页岩气开发技术日益先进和成熟，水平井技术和大规模储层改造成为非常规油气开发的关键。

追踪研究国外近年在页岩气水平井开发中应用的典型新技术，如在钻井工具方面有旋转导向闭环系统、电磁无线随钻测量装置、新型裸眼侧钻斜向器、随钻成像工具等先进工具出现；在钻头和钻井液方面，贝克休斯等国外石油公司针对页岩特性，研制推出了ONYX Ⅱ Spear和Talon 3D矢量等系列的PDC钻头，创新优化出了多种新型高性能水基钻井液；并不断探索“井工厂”作业模式升级换代。

文章结合国内目前技术现状，提出了未来中国页岩气钻井技术应尽快完成核心技术和工具的国产化，继续加大低成本替代技术研究力度，开展储层地质与工程一体化，以实现页岩气经济有效开发。

关键词：非常规油气；钻井；PDC钻头；钻井液；井工厂；作业模式；新技术中图分类号：TE24文献标识码：A21世纪以来，美国通过以水平井钻井和多级水力压裂为代表的开发技术，掀起了“页岩气革命”，很快这股浪潮席卷全球，目前有约30个国家加入了页岩气勘探开发行列。

我国也相继在四川长宁、威远，重庆涪陵、彭水，云南昭通等地开展了页岩气开发，并于2014年在重庆涪陵实现了页岩气商业化开发，但整体而言仍处于初级阶段[1，2]。

目前页岩气在钻井技术方面仍面临许多挑战，如页岩地层的强水敏性和地应力变化，引起井壁失稳严重；三维长水平段水平井摩阻扭矩大，托压严重，轨迹控制困难；储层预测难度大，优质储层钻遇率制约单井产量再上水平；低油价环境下，降低投资成本急迫，倒逼现有提速技术手段和高效作业模式亟待优化升级等[3，4]。

为解决上述挑战，近年来国外在页岩气等非常规油气的钻井方面取得了不少新进展，从一定程度上代表了今后非常规油气乃至常规油气钻井的发展方向[5-7]。

1钻井工具水平井能降低费用、最大限度钻遇油气层，可使井数减少50%～80%，是页岩气开发的主力井型。

近年来在水平井钻井方面出现了以下几种代表性新工具。

1.1旋转导向闭环系统（RCLS）目前国外页岩气水平井轨迹控制多采用三维旋转导向闭环系统，其核心为旋转导向工具，结合随钻地质参数测量系统、地面井下双向信息传输系统和地面监控系统组成的智能闭环钻井系统[8，9]。

旋转导向工具具有独立电动液压模块和控制系统，可通过精确控制3个转向臂与井壁的连续作用力实现导向，同时利用闭环控制系统每秒自动测量套筒位置，及时修正摩擦与振动引起的套筒非正常转动，确保导向矢量方向准确。

最终实现在钻柱旋转的同时完成钻进、监测和导向作业，从而解决了非常规油气水平井在水平段滑动钻井时间过长、控制井眼轨迹难度大、摩阻和扭矩高，以及钻完井周期长、投资成本高的问题，实现了在变化的钻井环境中保持相容性和一致性，保证井眼质量，实现高效钻井。

目前在北美页岩气水平井中，常规旋转导向工具让单一井段“一趟钻”渐成常态，而高造斜率旋转导向工具（15°~18°/30m）则实现了双井段甚至三井段的“一趟钻”（图1）。

国内方面，由于国产旋转导向工具还处于试验阶段，为控制成本多采用“优化井眼轨迹+常规导向动力钻具+减摩减阻工具”的方式，其中减摩减阻工具多采用水力振荡器，但该工具压耗偏大、耐蚀损性能偏弱，同时影响MWD、LWD等仪器的信号采集，这些也制约了水力振荡器在页岩气水平井中的推广[10]。

NM连接扣MWD探测器组合动力&遥测柔性稳定器导向机构图1 3D旋转导向闭环钻具组合结构（高造斜率）1.2电磁无线随钻测量装置（EM-MWD）目前传统钻井液脉冲无线随钻测量装置（Pulser MWD），依靠钻井液压力脉冲波传递信号，无法在泡沫、充气等非液体钻井中应用，且传输速率较慢，而电磁无线随钻测量装置通过低频电磁波将信号从地下传输至地面，通过地面天线接收信号之后解码、处理为可利用的参数[11]。

该装置主要分为间隙接头、着陆器接头和发射机探测器3个部分，其中间隙接头主要负责分离两个电极天线，向地层放射电磁波；着陆器接头由卡箍接头和压力扶正器组成，后者位于着陆器接头卡箍上，下端连接探针，配有井眼和环空传感器；发射机探测器包括发射机传到井口的电子系统、井眼的压力电子数据及环空压力测试器（井底钻进问题早期检测），高分辨率数据记录的存储器模块，整个装置以锂电池组作为电源（图2）。

时间仅为1.3图3 新型斜向器裸眼侧钻工艺井身结构图威德福公司在北美Fayetteville 页岩区块应用这种新型造斜器实现了无固井裸眼侧钻，避免了注水泥、候凝及钻塞造斜等工序带来的时间消耗和施工风险，解决了在裸眼导孔内进行侧钻的问题。

1.4随钻测井成像工具近年来，随钻测井系列不断完善，在数据传输精度和探测深度方面都有显著提高，优质储层钻发射机探测器着陆器接头间接接头裸眼造斜器（带有封隔器）初始导眼页岩（目的层）页岩遇率不断以往钻速。

新幅提升[1马测量方评价层间4）。

传统推出Ge 测量，并测范围提5）。

目前储层为富数据，不水平段进国内整体处于成出一套术，相比2钻头优质PDC 钻头断提高，开发往LWD 电子新一代LWD 3]。

贝克休斯方法，实时识间边界和地层统测绘工具探eosphere 储层并对返回数据提高至30m ，前该技术已在富含海绿石的不断校正油藏进尺815m ，较内随钻成像技于起步阶段，套“随钻伽马比租用国外先质高效钻头是头在攻击性、接Re 接收器Receiver 发效益也不断子成像工具受D 电子成像工斯在北美Bar 识别断层与裂层倾角，展示探测深度有限层随钻测绘系据进行对比，可实时提供在北美、北海的砂岩，厚度藏模型，最终较设计增加技术在关键电离商业应用马+综合录井先进地质导向是钻井提速降稳定性和持接收器eceiver断提升。

受钻井液信道工具通过扩大rnett 页岩研发裂缝，显示裂井眼轨迹和裂图4 L 限（4.5~6m ），系统，将多种完成储层测供整体储层规海、俄罗斯和度只有2~5m ，终两口井实现65m ，后期试图5 Geos 电路、机械部用尚有不少距+岩屑快速分向服务，可降降本的重要利持久性等方面道限制，分辨大发射频率和发出高分辨率裂缝形状、交裂缝交互作用LWD 实时伽马在薄储层或种复合接头安测绘。

该系统规模，及时优和中东等150且电阻率低现了一趟钻完试油达到127sphere 储层随部件制作等方距离。

由于受分析、显微放降低成本30%利器，近年来面又取得了长发射Transm 辨率较差，为和增大色度谱率LWD 电子交叉情况、连用，结合旋转马成像法或地质情况复安装在底部钻由1个发射优化井眼轨迹个油田应用低，运用该储钻，储层钻遇72m 3/d ，远超钻测绘系统方面在国外技受地质导向技放大识别”的%以上。

来国外钻头厂长足进步，促器mitter为保证成像分谱识别能力等子成像工具S 连续性，协助压转导向技术精复杂井中不适钻具中，随钻器和2个接迹，提高对优，在北海油储层随钻测绘遇率达到98超预期。

术的基础上取技术限制，目前地质工程一商针对页岩地促使在页岩气辨率，必须降手段，使成像StarTrak ，利用压裂改造位置精确优化井眼适用[14]。

由此斯进行深部定收器组成，将质储层的钻遇田的两口水平绘技术，结合地8%和96%，第取得一定突破前国内页岩气体化储层跟踪地层设计出的钻井中单井段降低机械像质量大用方位伽置选择，眼轨迹（图斯伦贝谢向电阻率将储层预遇率（图平井中，地面地震第一口井破，但还气开发集踪钻进技的个性化段的一趟钻渐成常态，双井段的一趟钻层出不穷，多井段的一趟钻已不再是个案[15-18]。

2.1ONYXⅡSpear钢体PDC钻头斯伦贝谢Smith钻头公司IDEAS 综合钻头设计实验平台，专为页岩地层推出ONYX钻头系列新产品——ONYX ⅡSpearPDC钻头，通过改变刀翼尺寸，增大岩屑槽的过流面积，提高钻屑进入环空的效率；钻头表面电镀“防泥包涂层”，将钻头表面带负电性，排斥钻井液中负电固体颗粒，降低钻头泥包风险；采用高温高压合成的优质切削齿，提高耐冲击性和耐研磨性；缩小切削齿尺寸、优化切削齿布齿和减小刀翼高度，减小了钻头黏滑现象，提高工具面控制能力（图6）[19]。

图6 ONYX Ⅱ Spear PDC钻头及水力学效应4D模拟该钻头在造斜段和水平段均适用，目前已成功用于Bakken，Barnett，Marcellus，Haynesville和Eagle Ford等页岩气田。

2011年初，在Haynesville一口页岩气水平井中，一只Ф171.45mm（6¾in）Spear SDi611 PDC钻头配合可调弯度螺杆（弯度调节范围1.5°～2.6°），实现“造斜段+水平段”1848m 进尺一趟钻完成，用时122h，平均机械钻速为15.15m/h，节省钻井周期124h，节约钻井成本36.5万美元。

2013年初，在Eagle Ford一口页岩气水平井中，一只Ф215.9mm（8½in）Spear Sdi513 PDC 钻头配合斯伦贝谢高造斜率旋转导向系统Power Drive Archer，实现了二开“直井段+造斜段+水平段”3277.8m进尺一趟钻完成，平均机械钻速为16.76m/h，钻进周期8d，较邻井节约4d。

2.2Talon 3D矢量系列 PDC钻头贝克休斯公司在Talon 钻头基础上增强了定向能力，升级研发出Talon 3D矢量系列PDC钻头。

该类型钻头具有发散式的排屑槽，更有利于提高排屑效率；更短的弯曲半径，增强了导向能力和造斜率；采用一体式刚体结构，表面经StayTough表面敷焊特殊耐磨材料，延长了钻头寿命，PDC复合片经特殊抛光处理，减少切削齿泥包现象；特殊的钻头中心破岩工艺，提高了钻头攻击性（图7）。

这种个性化PDC钻头适合钻垂直井段、造斜井段和水平井段，与高造斜率旋转导向钻井系统一起使用有可能实现页岩气水平井二开“垂直段+造斜段+水平井段”一趟钻完钻。

图7 Talon 3D矢量系列PDC钻头在HaynesvilleФ171.45mm的Talon 3D PDC钻头配合弯螺杆钻具，实现了造斜段和水平段共1727.9m进尺一趟钻完成，用时162h，平均机械钻速为10.67m/h，较邻井提高41%，单只钻头进尺较邻井增加181%，周期缩短67h，节省钻井投资10.1万美元。

3钻井液页岩气井壁失稳一种是由强水敏性地层（蒙皂石含量高达80%以上）及钙、膏泥岩的水敏性坍塌造成；另一种是由地应力引起的层理发育的泥页岩地层的硬脆性坍塌造成的[20]。