滇黔川页岩气钻井技术难点及对策

张永强，张俊杰，彭云晖，唐守勇

中国石油浙江油田分公司天然气勘探开发事业部（浙江杭州310023）

■案例分析处理

滇黔川页岩气钻井技术难点及对策

张永强，张俊杰，彭云晖，唐守勇

中国石油浙江油田分公司天然气勘探开发事业部（浙江杭州310023）

滇黔川页岩气作为一种非常规天然气藏，其开采难度大，钻井周期长、成本高。通过“工厂化”钻井作业，气体钻井技术、个性化钻头设计、防漏堵漏技术及水平井固井技术等技术研究攻关及现场试验，以全面解决钻井瓶颈技术，助推页岩气钻探技术的进步。

页岩气；钻井；水平井；井漏；固井

21世纪以来，随着水平井钻探和分段压裂技术日臻成熟，美国页岩气勘探开发取得突破性进展，作为一种低碳新能源，我国政府和企业高度重视页岩气的勘探开发[1-3]。目前页岩气被批准列为单独矿种，国土资源部已组织多轮区块招标，在全国掀起了“页岩气热”。国内页岩气勘探工作起步较晚，尤其是水平井作业刚起步，钻井工艺技术尚不成熟。主要制约页岩气钻井的因素:井身结构确定及井眼轨迹控制困难；井漏严重，防漏堵漏成功率低；部分井段钻速低，地层可钻性差制约机械钻速；水平井固井质量要求高，固井质量保障困难；页岩易垮塌，井壁稳定性缺乏理论支持等。

针对上述技术难点，根据现场实钻情况及各油田分公司、钻探公司和研究机构等通过开展项目研究和现场试验效果，提出一些针对性的技术措施，以推进页岩气钻探技术的进步。

1 页岩气钻井提速

中国石油、中国石化主要页岩气探区分布在滇黔川，主要目的层为志留系、寒武系海相泥页岩。海相地层不确定因素多，特别是钻遇致密砂岩、灰岩等老地层，地层坚硬，研磨性强，可钻性差。国产钻头很难突破提速技术瓶颈，采用国外钻头，虽然提速效果较明显，但成本高，不能适应页岩气低成本大面积开发。攻克页岩气钻进提速瓶颈是科研攻关的关键。

1.1 “工厂化”钻井施工作业

传统丛式井的施工是一口井完井后，整拖至第二口井。“工厂化”钻井施工是将钻井过程的一开、二开、三开流水作业，即钻机采用前后整拖，全部完成一开后，再进行二开施工，依此类推。“工厂化”钻井，可以减少各次开钻固井水泥候凝时间，可能实现不同层段专打技术，即实现一开表层专打技术、水平段专打技术、特殊复杂井段专打技术等，减少钻井成本消耗，提高施工速度和效益。“工厂化”施工，主要是在钻机底座下安装液力轨道，通过液压千斤顶推动钻机在设计井位间的前后移位，速度快，复位精确。

1.2 一开、二开非目的层采用气体钻进

滇黔川探区是典型的喀斯特地貌，上部的三叠系、二叠系的灰岩、石英砂岩等地层，裂缝与溶洞井漏普遍，岩性坚硬和研磨性强，地层抗压强度34.48~ 344.8 MPa(5 000~50 000 psi)，地层可钻性差。上部地层钻井机械钻速低，防漏、堵漏难度大成本高，钻井周期长。为解决上述技术瓶颈、采用空气钻井技术，解决了上部层段的井漏问题，同时机械钻速得到大幅度提高，缩短钻井周期。

1.2.1 优选空气钻头

选用平底凸面型钻头（PDC和金刚石钻头）,该型钻头针对极硬地层设计，钻进时采用低钻压和低钻速，转速为30~50 r/min。当岩石特别硬时，也可以施加较高的钻压。

1.2.2 空气注入量的计算采用美国PHILIP公司R.R Angel推导的公式: Q=Q0+NH

其中：Q为空气注入量，m3/min，它与机械钻速、井径及钻杆直径有关；H为井深，km；N为循环速度与井深的关系曲线的斜率，m3/（s·1 000 m），相当于1 000 m井所需要的空气量，它与机械钻速，井径和钻杆直径有关;Q0为基本空气耗量，它与井径和钻杆直径有关，经验推荐的排量为返速15.25 m/s时，确定空气或天然气需要量的数据。Q0可由表1查出。

表1 基本空气耗量与循环速度及井深的关系表

1.3 优选钻头及钻进参数，提高钻速

针对难钻地层岩性主要以致密砂泥岩和灰岩为主，含有砾石，地层胶结非常致密,抗压强度高(206.9 MPa)，SMITH公司推荐了高抗研磨的SHARC钻头。其优点为：所有刀翼均双排，研磨性极强；异步切削结构，在主刀翼切削齿磨损到特定条件前SHARC备用齿不接触地层，适应于软到中硬地层（研磨性较强的砂岩，碳酸盐岩和泥页岩），软硬夹层的地层；增加了肩部主要切削地层区域的金刚石体积，增强了钻头的耐久度。

宝1井三开清虚洞组采用斯伦贝谢高抗研磨的SHARC钻头，钻时达到了2.64 m/d，同井段比邻井提高了49%。

2 页岩水平段的防塌技术

水平井的设计井眼轨迹一般沿最小主应力方向，此方位井壁最易坍塌，尤其是高地应力区块，页岩垮塌非常严重。如西南油气田所钻的宁201H1井处理页岩的垮塌长达40天。目前页岩的防塌主要依靠钻井液的化学抑制、钻井液体系及配方、岩石应力平衡、合理的钻井液密度等。通过近几年对地应力的研究分析和钻井液性能的优化，防塌技术取得了阶段性的成果[4-5]。

1）强化钻井液抑制性能和封堵能力，降低滤失量，防止页岩地层的井壁失稳。采用油基钻井液，推荐配方：柴油+10%～12%氧化沥青+3%～4%有机土+1%～1.2%主乳化剂+1%～1.5%辅助乳化剂+5%油基降滤失剂+1%～2%润湿剂+5%～10%生石灰+加重剂。优点：油基钻井液分散介质为柴油，由于它没有吸附性，因此具有吸附性的黏土类矿物在柴油中不分散，能保证井下稳定，保护气层;油基钻井液中含有较多成分的沥青，使钻井液具有很好的润滑性和封堵井壁裂缝;油基钻井对温度较敏感，表现在地面稠，地下稀，悬浮性不及水基钻井液。

2）确定合理的钻井液密度。水平段需防止应力坍塌，在井斜达到30°之前将钻井液密度提到1.50g/cm3以上，并根据实钻情况，逐步提高钻井液密度。

3 页岩气水平井固井质量

3.1 技术难点

由于页岩气水平井完井后均需要进行分段体积压裂，因此对水平段固井质量要求高，且目前钻井均采用油基泥浆，更增加了固井难度，主要体现在：套管居中困难;井壁油基钻井液清除困难;水泥浆性能及浆体稳定性要求高。

3.2 技术对策

3.2.1 提高套管居中度

扶正器尺寸：采用钢性滚珠扶正器。扶正器安放位置：直井段为每3根套管加一只扶正器；斜井段为在小井斜角段，每间隔2～3根套管装一只扶正器；水平井为需要每根套管装一只扶正器。

3.2.2 提高顶替效率

1）清洗井眼。套管下入后，开泵循环一周，向井筒加入密度1.85 g/cm3、井底温度下漏斗黏度不低于120 s、切力不低于15 Pa泥浆30 m3进行携砂洗井，排量要求环空上返速度不低于1.3 m/s，直到高黏钻井液循环带砂后振动筛上基本没有砂子和大块滤饼。

2）优化隔离液。环空高度200～300m黏滞加重隔离液，控制水泥浆与泥浆窜槽。

3）增大接触时间。注入水泥浆比理论需要量多1 015 m3，增大接触时间。

4）优化注替排量。环空返速1.1～1.5 m/s进行水泥浆注替施工。

5）优化流体流变性。顶替液的动切力、塑性黏度、动塑比被顶替液的相应参数高，形成流变性级差，实现有效驱替。

3.2.3 提高胶结强度

1）固井前采用30 m3以上水基泥浆+占环空200～500 m加好表面活性剂的冲洗液，彻底改变井壁和套管壁润湿性，使从亲油变亲水，提高第一、第二胶结面胶结强度。

2）全井筒采用清水顶替技术，固井结束采用环空蹩压侯凝技术，增大管内外压差，减小第一、二胶结面微间隙，同时对大斜度和水平段有漂浮顶替作用。

3.2.4 水泥浆性能设计

采用塑性抗折、抗冲击、防窜水泥浆体系，抗冲击能力、抗折性能较普通水泥浆提高15%，全面优化水泥浆综合性能。

4 结论

1）滇黔北地区上部地层（罗惹坪组、龙马溪等）存在致密砂岩夹层，软硬交错频繁，对钻头的冲击性很强，同时这些夹层的研磨性也很强，部分地区娄山关组灰岩抗压强度极高。应加强PDC钻头的个性化设计。

2）大力推广气体钻井技术，针对不同地层情况，采用空气钻井、氮气钻井、充气钻井、泡沫钻井、雾化钻井等技术，以全面解决钻井瓶颈技术。

3）页岩储层伤害及井壁稳定机理，有助于优化井眼轨迹、确定合理的钻井液体系及密度等。

4）页岩气水平井固井技术，水平段采用油基泥浆情况下如何有效清除油基泥浆，即隔离液、冲洗液等方面的研究，提高水平段固井质量。

[1]郭小阳,杨远光,李早元,等.提高复杂井固井质量的关键因素探讨[M].北京:石油工业出版社，2004．

[2]赵福祥,汪桂娟,李晓岚.非常规固井技术存在的问题与研究方向[M].北京:石油工业出版社,2004．

[3]许期聪，刘奇林，候伟,等.四川油气田气体钻井技术[M].北京:天然气工业，2004．

[4]王中华.页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则[J]．中外能源，2012,17(4):43-47．

[5]王华平,张锋,张德军，等.威远构造页岩气钻井技术探讨[J].钻采工艺,2012,35(2)：9-11.

As a kind of unconventional natural gas reservoir,the exploitation of the shale gas in Yunnan,Guizhou and Sichuan is diffi⁃cult,and the well drilling is of long cycle and high cost.The difficulties encountered in the shale gas drilling were solved through the“factory”drilling operation,the gas drilling technology,the individual bit design,the mud loss prevention and plugging technology and horizontal well cementing technology.

shale gas;drilling;horizontal well;mud loss;well cementing

尉立岗

2017-04-08

张永强（1966-），男，工程师，从事石油钻井工程工作。