页岩气钻探施工钻进护壁技术

刘文武，郭 坤，冯美贵

（北京探矿工程研究所，北京100083）

1 概况

中国页岩气广泛存在于海相及陆相沉积盆地中，含气页岩层段时代从古生界分布至新生界，储集层地质条件较为复杂。我国富有机质页岩TOC 含量较北美低，海相页岩热演化程度普遍偏高，陆相页岩则普遍偏低，且含气量偏低，埋深偏大。地形多为山地、丘陵等复杂地表，构造复杂，受构造条件影响大，发育断裂，保存条件较差。

2 页岩气钻井钻进难度

页岩气储层的页理发育，具有层理和天然裂隙等薄弱面，非均质性和各向异性强。泥页岩中一般含有蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物。粘土矿物含量越多，发生地层坍塌的可能性愈大。蒙托石吸水膨胀率高达90%～100%，而伊利石吸水膨胀率仅有2.5%，混层矿物吸水膨胀率按蒙脱石所占的比例多少而定，比例大者吸水膨胀较大。由于粘土矿物吸水膨胀产生的压力，若不加以抑制，则会大大的超过岩石的胶结强度极限而引起井塌而带来井壁稳定性差的问题，为了解决页岩气井钻探的井壁稳定性差等问题，需采取科学合理的钻进护壁解决措施，提高页岩气井钻探的质量。

3 钻进护壁技术

页岩气钻探中钻进护壁技术主要有钻井液护壁技术、套管固井护壁技术和其他特种护壁技术等。钻孔护壁技术的选择通常要根据页岩气钻进过程中钻遇不稳定地层的类型以及需要护壁的位置所处钻孔深度等几个方面进行综合考虑，有时还要采用多种护壁技术组合以保证钻孔能继续实施。

3.1 钻井液护壁技术

钻井液护壁就是在充满水和膨润土以及CMC 等其他外加剂的混合液情况下，由于钻井液对孔壁产生的静压力而在孔壁上形成的泥皮，可以有效地防止孔壁坍塌或剥落，并维持钻孔的形状不变。钻井液还具有携渣和冷却、润滑钻具的作用。

（1）破碎不稳定地层护壁。地层出现松散破碎等情况，采用双聚防塌钻井液体系。备用堵漏材料（如锯末等隋性堵漏材料）、加重材料（重晶石）、稀释剂及润滑剂等材料。

双聚防塌钻井液配方：清水+0.1%～0.2%烧碱+3%～5%膨润土+0.8%～1.5%降失水剂（GPNH）+1%～2%防塌型随钻堵漏剂（GPC）+0.3%～0.6%增粘剂（GTQ）+0.2%～0.3%包被剂（GBBJ）；

钻井液性能：漏斗粘度25～35s；密度1.02～1.05g/cm3（密度根据现场需要调整）；API 滤失量6～10mL；泥皮不大于0.3mm；pH值8～10。

（2）水敏性地层护壁。水敏性地层主要指遇水膨胀和分散地层。该类地层可以采用成膜防塌钻井液体系。该钻井液可在孔壁形成隔水膜，能有效抑制水敏性地层吸水膨胀与分散，具有较强粘接性，有利于松散破碎地层孔壁稳定，同时有利于保护岩芯和提高岩芯采取率。

成膜防塌钻井液配方：水+5%成膜A 剂+0%～5%成膜B剂+0.3%～0.8%增粘剂（GTQ）+1%～2%改性沥青防塌剂（GLA）+2%～3%封堵剂（GFD-1）+0.2%～0.3%包被剂（GBBJ）。

3.2 套管固井护壁技术

3.2.1 套管固井护壁技术

套管固井护壁技术是钻探施工最有效和最可靠的钻井护壁方案之一，页岩气钻探施工所用套管有井口管、技术套管、生产套管。除生产套管以外，其他套管均起到稳定井壁，保证顺利施工的作用。

3.2.2 固井技术

（1）影响水泥浆设计的因素。影响水泥浆设计的因素包括：井深、钻井液液柱压力、水泥浆粘度与水灰比、井温、可泵时间及稠化时间、支持套管柱所需的水泥强度、钻井液及其处理剂类型、水泥浆密度等。

（2）水泥浆体系选择：

①表层套管：常规水泥浆配方：G 级油井水泥+2.5%降失水剂+1.3%分散剂+0.1%消泡剂+44%水。

②技术套管：常规水泥浆配方：G 级油井水泥+2.5%降失水剂+1.5%分散剂+0.1%消泡剂+44%水。

③生产套管：领浆低密度韧性防气窜水泥浆配方：G 级油井水泥+20%漂珠+15%微硅+4.0%弹性材料+5.0%防气窜剂+4.0%液硅+4.0%降失水剂+1.5%分散剂+0.1%消泡剂+58%水；尾浆韧性防气窜水泥浆配方：G级油井水泥+5.0%防气窜剂+4.0%弹性材料+1.0%液硅+4.0%降失水剂+1.5%分散剂+0.1%消泡剂+44%水。

（3）水泥浆性能要求。水泥浆性能要求推荐数值，见表1。

（4）固井施工工艺措施。①对于钻孔存在漏失的井段，在下套管前应进行漏失段堵漏，使地层有足够承压能力保证固井施工时不发生漏失。②注水泥浆之前，现场取样，进行水泥浆稠化时间、相容性复核试验，确保注水泥浆施工安全、顺利。③下完套管到井底后，充分循环钻井液，钻井液性能应达到注水泥要求。④推荐采用大泵紊流顶替钻井液，排量不低于钻进排量。达不到紊流时，应注入足量的前导低密度水泥浆，尽量降低领浆密度，以降低漏失风险。⑤注水泥必须按照设计进行，确保连续施工。水泥浆和前置液注入量、注替排量、水泥浆密度和性能必须达到设计要求。水泥浆密度应保持均匀，平均密度与设计密度误差不超过±0.02g/cm3。⑥注水泥期间，专人专岗观察井口钻井液返出情况，分析判断井下情况。⑦固井碰压后，稳压2～3min后泄压，如回压阀密封好，则敞压候凝；否则，需关井憋压候凝，管内外静液柱压差2～3MPa，并派专人按要求放压。

表1 水泥浆性能要求

3.3 其他特种护壁技术

其他特种护壁技术包括注水泥护壁技术、膨胀套管护壁技术等，本文主要阐述一下膨胀套管护壁技术。

近些年来膨胀管技术呈现快速发展，膨胀套管护壁技术主要包括膨胀实体套管技术、膨胀波纹管技术和膨胀有缝管技术。膨胀套管护壁技术采用多瓣梅花型薄壁波纹管成形技术、小口径膨胀波纹管悬挂锚固技术及小口径多根膨胀管对接技术，能在有效封隔漏失、缩径、坍塌等复杂情况地层的同时不损失井眼直径。与常规的套管不同，膨胀管从上层套管中下入、膨胀后，坍塌、掉块的复杂地层被膨胀管隔离，随后可用与膨胀管下入前的同样直径的钻头继续钻进。使用膨胀套管技术，钻遇页岩气不稳定地层时，在钻穿该层位后，下入膨胀套管，既稳定了孔壁，又简化了钻孔结构，套管层次可大大减少。

4 结论与认识

通过对页岩气钻井中坍塌、掉块等难点问题，分析推荐了钻井液护壁技术、套管固井护壁技术和膨胀套管护壁技术，合理利用护壁技术，可提高页岩气井钻探的效率。①钻井液护壁技术，针对页岩气钻井工艺和地层特点，选择合理的钻井液体系和性能参数，做好现场钻井液管理和维护调整工作，确保井壁稳定和工程质量。②套管护壁是钻探施工最有效和最可靠的钻井护壁方案之一，固井质量也是保证套管护壁效果的关键技术。科学合理地设计水泥浆配比和套管结构，采取有效的工艺技术措施，提高固井质量。③膨胀套管护壁技术具有可以解决多种类型钻井的孔内井壁不稳定事故的能力，可为我国页岩气等非常规能源的钻探开发提供了更加可靠的护壁技术。