国内深层页岩气钻井难点及技术进展

2021-06-28黄宝胜

中国金属通报 2021年8期

黄宝胜

(山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队,山东临沂 276002）

钻井技术是当前国际上开采页岩气的关键点，是保证页岩气开采过程中提高钻井效率和保障紧闭安全的重中之重。随着我国绿色可持续发展战略对绿色能源开发的力度加大，钻井技术在页岩气的开采中受到了越来越多的关注[1]。

1 国内深层页岩气钻井概述

随着我国新时期绿色可持续发展战略在社会发展中的不断实施，在极大程度上改变了我国工业发展和社会发展对能源类型的针对性，随着天然气等绿色能源在社会发展中的应用力度不断扩大，我国也加大了对该类能源的探索和开发程度。而在这其中页岩气就是以多种形态汇聚并存在的一类天然气，为响应我国绿色可持续发展战略和促进经济发展的需求，对页岩气的钻井开发技术和储层压裂改造技术，以及水平井等多方面进行了重点开发和研究，而通过广泛的页岩气开发实践证明，水平井是当前形势下开发的主要方式。但依托于当前科技的页岩气开发技术在实际操作中，仍有着一系列亟需解决的问题存在，其中地层污染、摩阻以及卡钻和井壁坍塌是其中的重点问题。针对这些问题在施工过程中，工作人员可以利用欠平衡气体钻井技术和钻井液技术，来防止页岩水化和促进页岩气开发工程顺利进行。其中钻井液技术在实际应用中对页岩气气钻井的实际效率和储层保护有着极大的影响。

2 页岩气水平井固井技术难点

2.1 对岩屑进行清理

在实际的页岩气开发过程中对水平井井眼进行清理是一项非常重要的工作，但是因为水平井井眼清理难度大，受岩屑重力影响和水平段页岩坍塌以及经验空间较小和泵压较高等众多因素的影响，导致这一工作环节在实际实施过程中增加了许多难度。因此针对这一问题在利用钻井液技术进行烟气开发过程中要极其注重它的清砂效果。因为页岩的本质是较为松散的，易于破碎和膨胀，因此，要根据页岩的具体特征和情况来合理选择钻井液，同时也避免摩阻和卡钻等相关问题的产生[2]。

2.2 井壁稳定性

井壁的稳定性是使用页岩气钻井液技术关键性因素，因为在实际的工程开发过程中往往会因为页岩不稳定而导致井眼发生问题。因此钻井液在使用时会让地缝猎场与岩层发生作用而对页岩的空隙压力产生影响，在钻井液进入夜宴空隙中与其中的粘土和矿物质产生反应，使之膨胀而增大岩层张力时，就会对井壁平衡造成极大的威胁。同时，如果钻井液遇到水敏性底层发育不成熟和胶结性较差页岩时，滤液会使页岩稳健性遭受更严重的破坏，如果滤液进入岩层的微裂缝中就会使岩层的力学平衡失调，从而造成严重的工程问题。

2.3 顶替效率难以保证

水平井存在着倾斜井段，受到井斜角度因素的影响，倾斜度大的井段和水平井段下放套管形成的重力会变成径向，如果控制不好就会出现套管偏心问题，套管低边钻井液很难进行有效的驱替，极易出现窜槽问题，会对水泥浆顶替作业带来不良影响。采用油基型钻井液会使顶替效率、水泥环强度和界面胶度存在着一定的问题，无法与水泥浆进行很好地相容。除此之外，为避免裸眼井壁失稳，进一步提高携带岩屑的效率，保证钻井液达到设计的密度，就会使钻井液粘度提高，但又会使得钻井液不具备很好的流动性。残存下来的滤饼和钻井液会使水泥浆不能完全把钻井液顶替出来，会使得水泥环无法形成统一的整体。

3 固井技术改进措施

3.1 旋转导向钻井技术

当前，旋转导向钻井技术应用中，具有较大的应用优势，技术水平比较先进，大多应用在特殊油藏的高难度定向井、大位移井、水平井、超深井以及水平分支井。在实际应用中，旋转导向钻井技术主要通过远端计算机，在计算机界面输入工具参数值，由脉冲传至井底仪器，优化工具面角，以实现井眼轨迹的控制。相比于传统螺杆导向钻井方式而言，旋转导向钻井技术具有极强的准确性和及时性，可以实现经验轨迹控制的最大精度，保证导向钻井中的持续性旋转，实现摩阻扭矩的控制。

3.2 固井技术

通过对本油田页岩气水平井钻进难点的分析，参考国内外固井技术，选择双凝双密度水泥浆，配置比例為1.38：1.88=低密度缓凝水泥浆：髙胶结弹性防气窜水泥浆，二者配合使用，不仅可以降低水泥浆液柱压力，还可以提高下部产层固井质量，避免固井中出现水泥浆泄露问题。且由于髙胶结弹性防气窜水泥浆具有极强的胶结能力与防气窜能力，便于后续压裂施工，提高固井综合质量。

3.3 激进式钻井技术

为了环节环空压耗较高的问题，本钻进工程中选择激进式钻井技术，在设置钻井水力参数中，将钻井参数和水力参数的实际值都超出其设计值。与此同时，必须对现有钻井设备进行升级，把原有35MPa地面高压管提高到52MPa，根据井深大于5000m的水平井应用大功率F-2200型钻井泵，符合激进式水力参数要求。选择Landmark软件进行岩屑床厚度和井斜角关系进行模拟，发现若井斜角高于50°，则岩屑床厚度激增后提高了井眼清洁程度要求，必须优化钻井液排量与钻具转速，进而保证钻进效率和水平井质量。

3.3.1 钻具转速设计

设井斜角65°下，钻井液排量达到40L/s，其机械转速设定5.2m/h，通过Landmark软件模拟，获得岩屑床厚度和钻具转速间的关系，如图1。

图1 岩屑床厚度和钻具转速间的关系

由图中可得，在钻具钻速不断增加后，岩屑床厚度与悬浮岩屑浓度呈逐渐下降趋势，基本判定当前增加钻具钻速可以促进井眼清洁度的提升，结合井壁稳定性，确定钻具钻速要从60-80r/min增加到80-100r/min。

3.3.2 排量设计

设井斜角65°下，钻井液排量达到40L/s，其机械转速设定5.2m/h，通过Landmark软件模拟，获得岩屑床厚度和钻井液排量间的关系，如图2。

图2 岩屑床厚度和钻井液排量间的关系

由图中可以得到，随着钻井液排量不断增加后，岩屑床厚度呈现持续下降的趋势，基本判定钻井液排量可以促进井眼清洁程度的提高。按照水平井钻井要求，将钻井液排量由原来的30L/s，增加到32L/s，在水平段钻进过程中要增加到3532L/s，进而有效控制岩屑沉降，达到最佳的井眼清洁情况。

3.4 使用油基钻井液

考虑到本油田页岩气水平井施工难度，选择高性能油基钻井液，这是因为页岩具有亲水性特征，吸水后迅速膨胀，造成井壁掉块脱落的情况，降低井壁的稳定性，钻进中必须使用高性能的钻井液，而高性能油基钻井液在高温高压环境下30分钟的虑失量达到1.8ml，大大提高了井壁稳定性。与此同时，在实际应用中，油基钻井液主要以柴油为基础油，以脂肪酸和共聚物为原材料，对传统油基钻井液进行了改进，取替有机膨润土，将固相含量控制在5%-9%之间，有效提升了泥饼质量，实现摩阻扭矩的控制。除此之外，油基钻井液的凝胶强度高，有效预防井漏问题[3]。