页岩气钻井技术浅析

仇常凯 张劲松 宋春光 于学瑞 庞茂源

摘要：我国页岩气勘探开发技术处于初级发展阶段，缺乏新技术及丰富经验。本文介绍了国外页岩气钻完井技术的发展历程，从直井、单多支水平井到目前应用范围较广的丛式水平井钻井即PAD水平井。通过对国外的页岩气钻完井技术及难点进行分析，从而阐述了国内的页岩气钻井的重点是解决井壁稳定、事故预防、降低成本、仪器研发及钻井液配方选择等问题上。

关键词：页岩气;钻完井技术;现状;难点

1 页岩气钻井的发展

美国的页岩气开发技术处在世界前列，已经进入了快速发展的阶段，其产量在天然气总产量中占据较大比例。美国自1821年完钻世界上第一口页岩气井以后，页岩气钻井经历了直井、单多支水平井到目前应用范围较广的丛式水平井钻井即PAD水平井。直井主要运用于了解页岩气特征的试验，并对水平井钻井技术进行优化，从而获得更多的钻井和投产的经验，直井是美国在2002年以前主要的开发页岩气的钻井方式;在2002年Devon能源公司7口Barnett页岩气实验水平井取得成功之后，水平井便成为页岩气开发的主要钻井方式，它主要运用于生产，其优点是储层泄流面积更大，且天然气产量更高;PAD水平井钻井是一种将一个钻井平台作为基点钻多口水平井的技术，可以降低成本并节约时间。

2 页岩气钻井液技术

页岩气区别于常规天然气的特征之一是以吸附和自由气的形式存在于页岩之中。由于页岩的致密性，具有商业开发价值的页岩气藏储层厚度都比较大。自从页岩气产业化以来，国内外都在储层评价、水平井增产、射孔优化和压裂增产技术上不断创新以寻求最佳的经济效益。

2.1储层评价技术

页岩气储层评价的两种主要手段是测井和取心应用测井数据，包括EC（Elemental Capture Spectroscopy）来识别储层特征。单独的GR 不能很好地识别出粘土，干酪根的特征是具有高GR 值和低Pe 值。成像测井可以识别出裂缝和断层，并能对页岩进行分层。声波测井可以识别裂缝方向和最大主应力方向，进而为气井增产提供数据。岩心分析主要是用来确定孔隙度、储层渗透率、泥岩的组分、流体及储层的敏感性，并分析测试TOC 和吸附等温曲线。

2.2射孔优化技术

定向射孔的目的是沟通裂缝和井筒减少井筒附近裂缝的弯曲程度，进而减少井筒附近的压力损失，为压裂时产生的流体提供通道过大量页岩气井的开发实践，开发人员总结出定向射孔时应遵循的原则，即在射孔过程中，主要射开低应力区、高孔隙度区、石英富集區和富干酪根区，采用大孔径射孔可以有效减少井筒附近流体的阻力。在对水平井射孔时，射孔垂直向上或向下。

2.3 压裂增产技术

水力压裂可以使储层产生密集的裂缝网络，进而提高储层渗透率，使地层中的天然气更容易流入井筒。进行压裂前，应先对井（竖直井或水平井）进行测试，以确保井能够承受压裂的压力和注入泵率。页岩气开采过程中可采用多种压裂方式：重复压裂、多层压裂、清水压裂、同步压裂。重复压裂主要是在不同方向上诱导产生新裂缝进而增加裂缝网络，可有效改进井产量与生产动态特征;多层压裂多用于垂直堆叠的致密地层。清水压裂采用添加一定减阻剂的清水作为压裂液。

2.4页岩气储层改造技术

裂缝的发育程度是页岩气运移聚集、经济开采的主要控制因素之一，为页岩气储层裂缝模型。仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产，其余90%以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施沟通其天然裂缝，提高井筒附近储层导流能力。国外一些页岩埋藏较深，地层压力较高的页岩气藏开发历程印证了钻采技术的不断更新：氮气压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂、水平井钻探技术。页岩储层改造技术要求针对页岩储层特点优选压裂层位和施工工艺，才能取得比较好的开发效果和经济效益。对于埋藏较浅地层压力较低的储层通常采用氮气泡沫压

3 页岩气钻完井技术

3.1钻井技术

页岩气藏是开发成功的关键因素就是水平井，其开发进程的速度因水平井的应用推广而加速。在页岩气层钻水平井，可以使储层泄流面积更大且天然气产量更高。根据对美国页岩气开发进行研究的数据表明，水平井的日均和最终产气量都是垂直井的4倍左右，产气的速率提高了10倍，但总成本仅不足垂直井的一半。国外的页岩气钻完井一般采用以下技术：旋转导向技术，它主要应用于引导与评价地层，从而确定钻井目标区;LWD（随钻测井技术）和MWD（随钻测量技术），它们能对地层更精准的定位，从而找出中靶地质目标;控压钻井技术，用于对储层的保护并提高钻井速度，指一种利用空气作为循环机遏制的技术;泡沫固井技术，能够解决特殊环境下固井质量差等问题;有机和无机盐复核防膨胀极速，能够增加井壁的稳定性。与此同时，页岩气水平井钻井要考虑到成本因素，井段的垂直深度要低于3000米，长度在500至2500米之间。由于在钻井完成之后要人工进行压裂，因此，水平井的延伸方位是在垂直地层的最大应力方向，这样才能保证压裂的安全和效率。

3.2固井技术

页岩气的固井水泥浆组成成分有泡沫和酸溶性水泥、火山灰+H级水泥等类型，其中最后一种类型的水泥成本最低，而泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥的成本比较高，是其1.45倍。在页岩气井中泡沫水泥的使用率通常较高，由于泡沫水泥的浆体较稳定、密度和渗透率低、抗拉强度较高，因此，泡沫水泥井的防窜效果较好，能够减少储层的损害，比一般水泥固井的产量要高出23%。而美国Bernatt页岩钻井固井则使用的是酸溶性水泥，它能提高碳酸钙的含量，遇到酸性物质就会溶解，其溶解的过程受到接触时间和溶解度的影响。常规水泥也能溶于酸，其溶解度在百分之二十五左右，而酸溶性水泥的溶解程度则高达百分之九十二，极易被酸化压裂。

3.3完井技术

页岩气完井技术主要有套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井等方式。套管固井后射孔完井的流程是在套感固井之后，用工具高速喷射出流体将套管和岩石射穿形成射孔，并将管柱拖动形成多层作业，这种方式的优点是减少封隔器的使用，缩短工程时间，缺点是可能造成水泥浆对储层的伤害。

总结

页岩气储藏地层一般具有孔隙度和渗透率低等特点，与一般的天然气相比，页岩气具有气流阻力较大、采收率较低的特点，一般要将储层压裂进行改造才能进行开采，同时增加了页岩气的开发成本。所以，为提高页岩气开采的经济效益，就必须要提高钻井的速度和单井开采效率，并延长开采的时间限制。我国页岩气开发处于发展阶段，借鉴美国的技术是必然的，但是不同的页岩气藏都有其独特的特征，因此要实现页岩气商业化开发，我国页岩气水平井钻完井技术仍需进一步研究。

参考文献：

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