页岩气钻完井技术现状及难点分析

丛 科

中海油能源发展工程技术分公司 天津 300452

页岩气藏是一种低孔、低渗透气藏，为了提高油气产量,必须采用压裂和其他措施,并要求高质量的固井。随着科学技术的不断发展,人们对天然气的需求越来越大。页岩气钻完井技术必须在短时间内及时解决, 既要保证新工艺的稳定性和耐久性,又要保证生产能力,提高固井质量。页岩气钻完井技术具有以下特点：（1）系统性强。钻完井技术的应用范围非常广泛和系统。在学科方面,涉及化学、地质、机械、流体力学等多个学科,许多学科都将打下坚实的基础。在运行中,通常需要多个部门协同工作,管理、交通、建设等多个部门的设立形成了较为完整的体系;从施工工艺来看,需要提前准备,下钢管、套管、注水泥等,工艺繁琐。（2）隐蔽性强,页岩气钻完井技术具备显著隐蔽性，体现在施工地点在井下完成，观测困难；而质量控制只能通过设计与筹划来实现；施工中的隐患控制难度大，预估困难，施工危险程度高。（3）施工成本较高，该技术在建设期间需要投入较高，页岩气固井成本占钻井成本的1/ 3,占固井勘探总成本的1/ 5。（4）一次性,该技术的实际应用呈现一次性特征。一方面,如果固井质量达不到标准, 将直接作废。另一方面利用水泥等材料完善，其间也需要消耗大量时间与物资，对成本消耗较高。

1 页岩气钻完井技术难点

1.1 作业现场稳定性低

页岩结构具有一定的特殊性,在一定程度上决定了页岩气稳定性差,导致固井工程难度大、稳定性差。页岩层中土壤和沉积物的成本较高,导致页岩气内部稳定性的缺乏和不足。在固井过程中,页岩与井壁之间的胶结作用较低,使得机制内部无法形成相对稳定的整体。页岩气中含有大量黏土矿物,与钻井液接触后会迅速膨胀,影响页岩的渗透性,破坏正常的构造状态。若在此过程中水泥体积缩小,微肿胀如果水泥体积在此过程中收缩, 可能会出现微环空,可能会出现微环空现象而内部引发串槽问题。

1.2 水平段下套管难度系数较大

在固井施工中下套管是一个难点, 因此需要有较高的套管技术水平。但现实生活中存在许多不可控因素,增大了施工的难度系数比较高。首先,由于稳定性较差,井壁发生岩石坍塌的概率也相应增加, 岩屑会影响井口的清理工作,从而影响套管的下入质量。其次,浅倾斜断面会使井壁结构呈不可控方向,整体呈阶梯状分布。最后,井眼结构曲率较大,水平段位移也明显增大,导致套管与井壁摩擦增大,影响了水平段套管下入结构的开展。

1.3 顶替效率低下

井斜角是固井作业中的一个关键因素。这一因素会影响套管下入的重力方向和水平井段, 导致套管和重心偏移,排量低。此外,钻井液的特性在很大程度上影响着固井工作的发展。特别是油基钻井液的驱油效率会严重偏离标准值, 这主要是由于钻井液与水泥浆的融合过程困难,影响胶结面的形成。如果井中有很多矿物残留物,也会影响钻井液的渗透。

1.4 水泥环的破坏程度显而易见

水泥环因采用射孔、压裂技术而在整个固井段受到严重破坏。大多数页岩气井都是射孔作业, 表明它们在固井中起着重要的作用。在射孔过程中, 可能会出现高温,对水泥环产生较大影响。通过叠加反应阈值,使水泥环局部压力过高,当压力超过水泥环的容忍度时,就会出现裂缝。水泥环内的超载裂缝严重影响了工程的稳定性,有利于提高整个工程的质量。作为射孔施工的一部分,页岩气必须通过多层裂缝获得。这种技术使水泥环具有弹性,但也会导致应力问题。骨折后,水泥鞘可能发生轻微变化,甚至造成损伤。首先,水泥环的变形与套管的变形明显不同。水泥环的断裂方向通常为纵向。水泥环不能因大冲击波和断裂碎片而危害井筒施工的整体安全。

1.5 其他

水泥环的损伤程度非常明显。射孔、压裂等技术在后期会对水泥环造成较大的破坏；此外,泥浆性能的滞后也非常显著。泥浆的流动和沉降在固井作业中起着至关重要的作用。如果泥浆选择不符合实际要求,可能会导致井壁缺水而坍塌,增加了固井作业的安全隐患和施工难度。

2 页岩气钻完井主要技术对策优化和建议

2.1 上部直井井段空气锤钻井及泡沫钻井提速

页岩气钻完井技术是指一套采用高压可压缩气体的欠平衡钻井技术页岩气钻完井技术是指利用高压可压缩气体介质传递能量,实现空气锤对岩层的高频冲击,外加旋转静水压力、动载荷和斜向冲击破岩的一套欠平衡钻井技术。它是在传统空气钻井技术的基础上发展起来的。由于岩体的剪切强度和硬度是只有10%的压力阻力,冲击旋转钻机可以有效打破岩石, 主要采取冲击动载荷为主体,及其机械钻井速度通常是大约两到三倍的旋转钻探。空锤钻进也是克服硬岩钻进中最难提速的一种极其合理的方式,不仅可以进一步降低钻进成本,还可以缩短钻进时间限制,从而提高整体工作效率,节约成本。利用气体作为循环介质,在钻井过程中保护储层，由于部分地层可能钻遇水层、气层，甚至可能钻遇溶洞。空气锤钻井无法按设计要求实施到位，继续进行空气锤钻井存在卡钻风险影响了机器钻速，所以当出水量足够时候，就可以转换为气泡钻井持续钻进，而气泡钻探所要求的设备则是在传统气体钻探装置的技术基础上、提高了液态注水的过程，在此处还可通过将雾化泵成钻井泥浆泵完成。

2.2 上部直井井段应用空气锤泡沫钻井的独特优越性

（1）钻井效率高,速度快(冲击+ 旋转),成本低。面对页岩气分布区表层坚硬岩石,能起到良好的破岩效果,大大优化了钻井速度, 降低了钻井作业总成本。钻得越深,优化效果越明显。与浅层泡沫钻井相结合,可以解决浅层钻井用水问题。泡沫钻井液的侵彻率比常规钻井液高19.39%。空气钻井段的机械钻速比常规钻井液和气体钻井段提高了140.3%,纯钻井时间缩短了56.4%。泡沫钻井段钻速较常规钻井液提高203.45%, 钻井时间缩短78.1%。

（2）降低了钻具的钻进时间和使用寿命,在一定程度上降低了钻具的磨损。

（3）气锤钻井技术克服了上直井段钻井过程中存在的井斜问题。在钻直井时,由于凹陷角大,由于活塞的磨损,钻头直接受到冲击,钻杆不受较大的轴向力。速度明显降低。随着钻探的深入, 可以保持更多的凹陷角度,以保护生产层,减少储层损失。钻遇裂隙岩层可避免循环渗漏。钻井水敏岩层可避免下部沉井井壁垮塌,有利于减少漏失对钻井作业环境的影响,减少对生产层的破坏,提高勘探生产效率。

（4）能有效地清理井底岩屑。由于钻杆是主要输出工作介质,不能承受大的压应力和扭矩,产品应设计轻,允许较大的外径,减少环空间隙，增加携石速度。

3 页岩气钻完井技术难点应采取措施

3.1 提高水泥浆的稳定性

在整个作业过程中,水泥浆的稳定性是非常关键的,必须加以重视。工程施工人员需根据料浆情况对现场进行多次试验分析,并将料浆强度调整到合适的密度值。根据实际经验得出了水泥浆的密度。此外,流动性也是非常重要的,所以工作人员必须控制水泥浆的稳定性,确保页岩气钻完井技术的合理使用。

3.2 改善套管技术

为了实现古井作业的高质量完井, 作业人员应采用套管下入,并根据实际情况优化放空工艺。在选择雨刷行程材料时,一定要注意刚度。在施工状态下所选择材料刚度应该比实际刚度更大，在通井工作中组合钻具是非常关键的设备，而且也可以重复操作，为套管下入做准备。套管下入作业中科学合理设置管串位置和方式，规范套管的设置，保证引斜居中。在水平段套管可能出现位移，因此要使用扶正器。

3.3 顶替技术效率的提升

解决这一问题的途径是合理选择钻井液。由于钻井液相对突出,成分多样,施工中可选用预液,并可使用预液增加井壁的清洁度和便利性,从而提高驱替效率。

3.4 降低钻柱的扭矩与摩阻

为了有效降低钻柱的扭矩和摩擦, 可以在水平井的斜段使用斜面钻杆, 以减少井壁与钻杆之间的摩擦。此外,还可以优化钻具结构,采用加重钻杆代替钻铤。在水平井小斜度井段采用加重钻杆时, 可采用倒立钻具减小摩擦阻力。使用倒置钻井工具时, 注意在钻头上施加钻压,保持钻头稳定,尽量减少钻头的振动和摆动,避免卡钻。最后,要有效改善钻井液性能,提高钻井液的润滑性。目前,该钻井系统主要是通过钻井液将岩屑带出井外,使钻具工作时,钻柱的扭矩和摩擦力自然降低。

3.5 钻井液体系的合理应用

为了提高井筒稳定性,可以合理使用钻井液体系。钻井液体系分为油基钻井液、合成基钻井液和强抑制性水基钻井液。油基钻井液体系是目前用于页岩气钻井施工的钻井液体系。它能有效提高水湿页岩的毛细压力,防止钻井液渗透到页岩中,保证井筒良好的稳定性。在应用油基钻井液体系时, 应注意对旧矿浆回收工艺进行改进和优化,既能降低有害固体含量,又能减少油基钻井液的污染,从而有效提高钻井液性能。

3.6 提升井眼轨迹的控制精度

（1）钻具在钻进过程中可交替使用滑动钻进和复合钻进。钻井工具应减少滑动,增加旋转。在调整过程中要注意钻进范围,确保钻进孔的完整性和规律性,从而有效地控制井眼轨迹。

（2）选择合理的钻井工具,实时掌握钻井工具的钻进情况,有效分析地层岩性与钻井工具的关系,合理调整和分配滑动钻和复合钻的钻进时间, 从而有效控制井眼轨迹。

（3）造斜点会给井眼轨迹控制带来一定的影响，因此,在选择井段时,尽量选择地层稳定性好、岩性好的井段,可以为井斜的稳定性提供保障。

（4）旋转导向钻井技术可以应用,和滑动和旋转的工作模式可以用来保持旋转钻探状态, 这不仅提高了机械效率,而且能够准确地控制井眼轨迹,和钻井筒会更顺利。另外，积极优化固井泥浆，保护水泥环，在实际作业中,作业者应积极优化,从水泥浆密度控制和流动性方面入手,避免堵塞环空。

4 结语

综上所述, 页岩气钻完井技术是一项系统而复杂的施工技术,在实际应用过程中还有很多问题需要解决。对其进行了分析,并对重要部分进行了深入的描述。基于此,页岩气钻完井技术的应用需要进一步研究。