页岩气钻井完井技术调研.docx
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页岩气钻井完井技术调研
国内外页岩气的钻完井技术调研
1.页岩气藏的散布情形及其大体特点
页岩气系指生成、储集和（有时）封盖均发生于页岩系统中的天然气，以吸附和游离两种状态为要紧赋存方式。
其主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，同时也存在于泥页岩夹持的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、乃至砂岩等薄层中。
泥页岩既是烃源岩，又是储集层，仍是盖层。
页岩气藏是一种大面积持续散布的超级规天然气藏，一样渗透率很低（远小于1md），常伴有天然裂痕，通常需要特殊的钻井（如水平井）、完井（如压裂）和生产工艺才能取得商业产量。
页岩气的储量散布情形
页岩气是以多种相态存在、主体上富集于泥页岩（部份粉砂岩）地层中的天然气聚集。
页岩气藏中的天然气不仅包括了存在于裂痕中的游离相天然气，也包括了存在于岩石颗粒表面上的吸附气。
吸附状态天然气的赋存与有机质含量紧密相关，其中吸附状态天然气的含量转变在20%～85%之间。
页岩气介于煤层吸附气（吸附气含量在85%以上）和常规圈闭气（吸附气含量通常忽略为零）之间。
页岩气成藏有着超级复杂的多机理递变特点，表现为成藏进程中的无运移或极短距离的有限运移。
因此，页岩气藏具有典型煤层气、典型根缘气和典型常规圈闭气成藏的多重机理，如表1。
页岩气的大体特点
成藏特点
目前美国产气页岩均为海相，但从成藏条件来看，只要页岩有机质的丰度和硅质含量足够高，陆相环境一样能形成具有工业价值的页岩气藏。
例如鄂尔多斯盆地上三叠统湖相沉积的延长组7段张家滩页岩和延长组9段李家畔页岩[15]，裂痕发育，钻井气测异样活跃，其中庄167、庄171和中富18等井均见到良好的页岩气显示。
在陆相盆地中，湖沼相和三角洲相沉积产物一样是页岩气成藏的最好条件，但通常位于或接近于盆地的沉降—沉积中心处，致使页岩气的散布有利区要紧集中于盆地中心处。
从天然气的生成角度分析，生物气的产生需要厌氧环境，而热成因气的产生也需要较高的温度条件，因此靠近盆地中心方向是页岩气成藏的有利区域（图1、表3）。
运移特点
页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果。
页岩气藏是“自生自储”式气藏，运移距离极短，其现今保留状态大体上能够反映烃类运移的状况，即天然气要紧以游离相、吸附相和溶解相存在。
在生物化学动气时期，天然气第一吸附在有机质和岩石颗粒表面，饱和后那么丰裕的天然气以游离相或溶解相进行运移。
当达到热裂解动气时期，由于压力升高，假设页岩内部产生裂痕，那么天然
气以游离相为主向其中运移聚集，受周围致密页岩烃源岩层遮挡、圈闭，易形成工业性页岩气藏。
由于扩散对气态烃的运移能起到相当大的作用，天然气继续大量生成，会因生烃膨胀作用而使丰裕的天然气向外扩散运移，故现在不论是页岩地层本身仍是薄互层散布的砂岩储层，均表现为普遍的饱含气性。
页岩气储集的地质特点
已有的研究功效说明，天然气在页泥岩中的赋存有两种大体方式：
（1）以物理或化学的形式吸附在有机基质或矿物表面；
（2）以游离气的形式存在于有机质分解或其他成岩、构造作用所形成的孔隙或裂痕中。
在页岩中，页岩气吸附状态要紧以物理吸附方式存在，有机质富集程度、干酪根类型、热成熟度、矿物成份含量和地层压力都对页岩的吸附能力有阻碍；以游离态存在的天然气要紧受岩层的孔隙度、构造裂痕和压力等因素操纵。
美国的五个页岩气主产盆地页岩的硅质含量都很高，SiO2含量一样超过30％。
硅质含量越高，页岩脆性越大，越有利于形成裂痕，改善储层渗透率。
断层和开启的宏观裂痕对热成因型页岩气藏保留不利，且宏观裂痕多数被矿物充填，因此对储层起改善作用的是微裂痕。
而生物成因型页岩气藏那么相反，越是断裂发育的地址，地层水越活跃，而甲烷菌的生理活动也越踊跃，形成的气量越大。
页岩的物性对产量有重要阻碍。
产气页岩基质孔隙一样大于4％，有效含气孔隙一样大于2％，基质渗透率一样大于1×10-6md。
2.国内外页岩气勘探开发觉状
按2007年美国《油气杂志》的数据，全世界页岩气资源量达万亿立方米，要紧散布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联，其中中亚和中国万亿立方米，占%，见表2。
是目前经济技术条件下天然气工业化勘探开发的重要领域和目标。
表2世界主腹地域页岩气储量表（1012m3）
地区或国家
页岩气储量
北美
拉丁美洲
西欧
中欧和东欧
前苏联
中东和北非
非洲沙哈拉地区
中亚和中国
太平洋（经济合作和发展组织）
亚太其他地区
南亚
0
世界
页岩气的研究开始于美国，美国的第一口工业性天然气钻井（1821年钻至8m深度时产出裂痕气）确实是页岩气井，那时由于产气量少而没有取得重视，但却拉开了美国天然气工业进展的序幕。
从1980年开始，美国天然气研究所开始对东部页岩气进行系统研究，要紧目的是摸清页岩气散布规律并进行资源潜力评判,不断地发觉新的页岩气田并进一步提高页岩气产量、储量，随后的页岩气勘探和研究迅速向其他地域扩展,页岩气研究全面开展。
美国目前已在多个盆地中发觉并开采了页岩气（图1），在1981年至1999年期间，美国的页岩气钻井总数超过了万口，2006年时已超过了万口，页岩气年产量逐年递增。
2005年，美国页岩气产量占其天然气总产量的%，至2006年美国有页岩气井4259口，年产量已跃升至（168～204）×108m3。
图1美国页岩气盆地散布图
另外，加拿大等北美部份国家也已经开始了页岩气勘探开发，并取得了必然的效益。
国外页岩气勘探开发正处于进展时期。
依照Rogner（1997）等的研究，我国页岩气资源量达到100×1012m3，约为常规天然气储量的两倍。
依照地质背景，可将我国的页岩气发育区大致划分为四大区域，即：
南方、中东部（华北-东北）、西北及青藏等四大地域（图1）。
我国页岩气具有良好的勘探前景,2007年10月签署了我国页岩气开发对外合作签署的第一个协议《威远地域页岩气联合研究》协议，2009年9月15日，我国首个页岩气开发项目在四川綦江启动，2020年11月25日，随着中国石油与壳牌公司的合作开发项目富顺-永川区块页岩气项目在成都启动，标志着中国首个页岩气合作开发项目正式进入实施时期。
随着勘探开发技术的进展中国对页岩气的勘探开发研究也在慢慢展开。
图2中国潜在的页岩气发育区散布图（据张金川，2007）
3.页岩气井钻井完井技术
页岩气藏的开发利用是具有广漠前景的，因此，必需加大对页岩气藏得开发力度。
如前文所述，页岩气在成藏条件、运移规律和保留地质特点等方面具有与其他油气藏不同的地址，这些不同点也就同时决定了页岩气开采进程中的技术思路及技术难题所在。
页岩气井的钻井方式
页岩气主若是以物理或化学的形式吸附在有机基质或矿物表面，或以游离气的形式存在于有机质分解或其他成岩、构造作用所形成的孔隙或裂痕中。
页岩气的这种储集方式决定了页岩气的开采要以增大或延伸孔隙和裂痕为要紧手腕，以扩大页岩气的流通空间面积和通道。
从国外开发页岩气的现状来看，页岩气井钻井要紧包括直井和水平井两种方式。
直井要紧目的用于实验，了解页岩气藏特性，取得钻井、压裂和投产体会，并优化水平井钻井方案，水平井要紧用于生产，其优势在于：
（1）水平井钻井本钱为直井的～倍，但初始开采速度、操纵储量和最终评判可采储量却是直井3～4倍。
Barnett页岩最成功的直井在06年上半年页岩气积存产量×104m3/d，而同期最成功水平井产量×104m3/d，为直井产量近3倍。
（2）水平井与页岩层中裂痕（要紧为垂直裂痕）相交机遇大，明显改善储层流体流动状况。
统计结果说明，水平段为200m或更长时，比直井钻遇裂痕机遇多几十倍。
（3）在直井生效甚微地域，水平井开采成效良好。
在开采进程中，水平井能够克服了页岩上、下其他岩性岩层的限制，幸免水侵，降低压裂风险且增产成效明显。
（4）减少了地面设施，开采延伸范围大，幸免地面不利条件的干扰。
钻进进程平安性技术策略
任何钻井施工中所要保证的是工程进程的平安，一个优良的钻井工程不仅要有快的钻井速度，而且还要有靠得住的平安技术策略做保障。
一、井身设计
在采纳水平井方式对页岩气进行钻探的进程中，井身结构设计相当重要。
页岩气的井身结构设计取决于页岩气储层的地质条件，包括储层深度、厚度、渗透率、含气量、含气饱和度、储层压力及含水性，在知足地质条件的情形下，水平段钻进时，还要结合页岩的渗透性极、地层薄的特点，考虑侧向长度的限制，在设计时合理地确信水平井的长度也是很重要的。
二、摩阻扭矩分析
摩阻扭矩对水平井施工具有重要的阻碍，尤其关于大位移井而言，因其具有水平位移长、井斜角大和裸眼稳斜段长的特点，钻井进程中存在轨迹操纵难度大、拖压现象严峻、井眼清洁要求高、井壁稳固难度大、长裸眼段下套管作业困难等技术难点，而摩阻扭矩是大位移井眼长度延伸的最要紧制约因素，开展摩阻扭矩技术研究，在定向井和水平井的设计、施工时期都具有十分重要的意义。
3、井壁稳固性操纵
页岩地层容易坍塌，泥质含量越大坍塌越厉害。
在开采时，钻屑分析是必需的，用于确信粘土地质化学性，并由此确信适当的钻井液设计。
在水平井钻井中要避免地层坍塌，还要从力学上对井壁围岩应力状态进行分析，通过不同应力条件下岩石所表现出来的力学性质和强度特点，结合破坏准那么，成立地层坍塌压力模型，确信维持井壁稳固的钻井液密度下限。
关于采纳欠平稳技术来施工的井来讲，在关注岩石稳固性的基础上，如何采纳适合的负压程度来进行钻进，是以后进展的一个方向。
泥浆密度或当量循环密度也是阻碍机械钻速的重要因素。
这在钻进中硬页岩层时尤其要注意，在钻进中硬页岩层应利用尽可能低的密度。
在钻进时，必需在地层压力和破裂压力梯度之间找到一个平稳，超过破压力裂梯度可能致使大量的泥浆漏失，相反小于地层压力钻进可能致使灾难性的井喷。
4、水力特性和井眼净化能力
水力特性和井眼净化能力是水平井钻井的一个重要的评判指标。
当量循环密度、摩阻损失、喷嘴特性、泥浆流变和井眼形状都会阻碍水力特性。
在水平钻进中，井眼净化关于减少扭矩和阻力、提高机械钻速、维持井身完整和减小被卡钻柱的风险是很重要的。
井眼净化关于钻进页岩层又是一大特有挑战。
对杨氏模量较高的页岩地层来讲，需要利用PDC钻头，而由此所留下大钻屑需要及时清洗。
因为不适当的井眼净化会破坏机械钻速，阻碍压力降，乃至由于扭矩和阻力产生井斜而致使钻压受阻碍。
有关学者以为，在高斜井中，钻杆旋转是阻碍井眼净化最要紧的因素。
研究说明钻杆钻速40转/分与不转动相较，井眼净化功率能够提高一倍，见图8。
图6钻杆旋转速度对井眼净化程度的阻碍
泥浆流速是对井眼净化的第二个重要阻碍因素。
但是在平移中实现临界流速是不切实际的，因为大量的高流速必需用于弥补缺乏的旋转。
最好的实践是利用低流速携屑剂。
如此的携屑剂能够作用到高速钻井液漏掉的通道中的岩屑床
钻井液体系优选
页岩气钻井液应具有以下功能：
一、符合知足在大段泥页岩中钻水平井和大斜度井的工程要求；
二、保证井壁稳固、井眼规那么，为固井、电测作业提供好的前提；
3、配套防漏堵漏工艺技术；
4、具有防气侵能力；
目前，针对井壁稳固问题，配套大位移水平井或大斜度井钻进作业的钻井液体系有：
PF-PEM钻井液：
一、封堵防塌剂操纵滤失量、封堵地层微裂痕和孔隙；
二、KCl、聚合物包被剂、聚合醇联合抑制操纵页岩分散和垮塌；
3、良好的稳固性，保证长期钻井作业的平安。
PF-MOM油基钻井液：
一、乳化后的小水滴界面具有半透膜效应，通过操纵活度平稳，使水相可不能渗入到页岩层；
二、良好的润滑性；
3、良好的稳固性，保证长期钻井作业的平安。
无粘土相钻井液：
一、选择适合的防水锁剂可知足低孔低渗储层的油气层爱惜；
二、泥饼薄，易返排；
3、低固相含量，润滑性好，增强井下平安；
4、良好的抗污染能力。
另外，针对在大段泥页岩中钻大位移井所面临的井壁稳固问题，钻井液应采取以下方法：
适合的密度—平稳地层压力和孔隙压力；良好的封堵性能—减少滤液侵入地层的深度；强抑制性能——避免泥页岩水化分散和硬脆性剥落；适当的活度—滤液活度于地层流体活度相当。
完井技术
国外从事油气勘探开发的一些公司以为，页岩气井的钻井并非困难，难在完井。
要紧由于页岩气大部份以吸附态赋存在页岩中，而其储层渗透率低，既要通过完井技术提高其渗透率，又要幸免地层损害是施工的关键，直接关系到页岩气的采收率，因此在完井方式方面有特殊技术。
页岩气井的完井方式要紧包括组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井和机械式组合完井。
组合式桥塞完井是在套管井中，用组合式桥塞分隔各段，别离进行射孔或压裂，这是页岩气水平井最经常使用的完井方式，但因需要在施工中射孔、坐封桥塞、钻桥塞，也是最耗时的一种方式。
水力喷射射孔完井适用于直井或水平套管井。
该工艺利用柏奴利（Bernouli）原理，从工具喷嘴喷射出的高速流体可射穿套管和岩石，达到射孔的目的。
通过拖过管柱可进行多层作业，免去下封隔器或桥塞，缩短完井时刻。
机械式组合完井采纳特殊的滑套机构和膨胀封隔器，适用于水平裸眼井段限流压裂，一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工。
储层改造技术
裂痕的发育程度是页岩气运移聚集、经济开采的要紧操纵因素之一,但统计说明仅有少数天然裂痕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方法沟通天然裂痕,提高井筒周围储集层导流能力。
美国FortWorth盆地Barnett组页岩埋藏较深，地层压力较高，其开发历程（见表4）印证了钻采技术的不断更新（如N2压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂、水平井钻探技术）带来的功效。
20世纪80年代初Mitchell能源公司采纳泡沫压裂技术提高垂直井产能，产量增幅有限。
自20世纪90年代后期以来，各类先进的压裂技术（如清水压裂、
多段压裂、重复压裂）和压裂实时监测技术（如微地震测绘）使Barnett组页岩储集层改造本钱降低70%，地层损害降低，储集层有效厚度增加，烃类排泄面积扩大，单井产能和生产潜力大大提高，如1985年至1989年、1999年和2002年3个时期平均单井最终可采储量依次为×106m3（0.35bcf）、×107m3和×107m3），产区也向外围慢慢拓展，克服了Barnett组页岩上下灰岩层的限制，幸免了Ellenburger组白云岩层的水侵，使可采储量在气窗范围内取得最大程度动用。
与2000年相较，2005年产量翻了5倍以上（见表4）。
依照Quicksilver公司发布的数据，FortWorth盆地外围区域Johnson区水平井日产量已达到×104～×105m3～5mmcf）水平。
通过压裂来增大页岩气的流通途径是一种比较的增产方式。
但裂痕的形成、扩展和延伸与地应力是有紧密关系的。
因此在确信压裂施工方案时，应该第一确信地应力的散布规律，才能达到预想的压裂成效。
对压裂液处置，除利用大量的活性水外，还要加入一些特殊的添加剂，如特殊的降阻剂（不含苯酚）、微乳化表面活性剂、裂痕清洁增强剂和导流增强剂等。
在这些添加剂的综合作用下，能够改善页岩气层本身超低的渗透率，提高导流性，优化页岩气的生产条件，减小地层损害。
水力压裂施工时，应采纳大量的活性水和少量的支撑剂。
依照国外的实践体会，页岩气采收率与支撑剂之间不存在对应关系，许多井在无支撑剂或只有少量支撑剂的情形下，也可达到商业采收率。
当开采进入到产量递减时期时，需要采取再次增产方法以提高采收率。
重复压裂确实是在老井中再次进行水力压裂，直井中的重复压裂能够在原生产层再次射孔，注入的压裂液体积至少比其最初的水力压裂多出25%，可使采收率增加30%-80%。
需要注意的是，页岩储集层改造技术的应用始终不能离开地质条件的约束,要针对页岩储集层特点优选压裂层位和施工工艺，才能取得比较好的开发成效和经济效益。
关于埋藏较浅、地层压力较低的储集层通常采纳N2泡沫压裂。
清水压裂的压裂液中一样已加入适量抑制剂，但仍要求储集层中膨胀性蒙脱石含量不能很高，缘故是其水敏性强，遇水易膨胀、分散和运移，致使岩石渗透率下降，因此，利用X衍射和SEM测试结果分析粘土矿物的类型和含量十分有必要。
4.页岩气井钻井技术研究的要紧内容及思路
通过国外页岩气钻井技术的调研，页岩气的勘探开发所采纳的井型要紧是水平井和分支井，如此能够保证储层与井筒的接触面积，提高油气井产量。
由于页岩气藏属于低渗型油气藏，在开发时通常要进行压裂，以扩大页岩气向井筒流通的通道才具有开发价值。
基于那个特点，页岩气井的钻井技术研究就要围绕水平井钻井的特点，如何平安钻井，最大限度地提高油气井的产量，如何提高压裂成效来开展工作。
页岩气藏地层岩石力学特性研究
岩石的力学特性参数是实现平安钻井，提高压裂成效的基础数据，在水平井的钻井中显得尤其重要，若是不弄清岩石在不同应力条件下所表现出来的力学特性，会对钻井液体系的优选带来阻碍。
①、通过模拟井下温压条件下全应力应变曲线的测量，研究各地层泥页岩的变形破坏特点，确信地层的弹性参数（E，μ）和强度参数（C，φ）；
②、通过沿与地层层理面不同角度取芯，测出其力学参数，并据此回归出力学参数与地层倾角间的相关体会关系式，得出不同井斜角钻井时的力学参数值；
③、将实测岩石力学参数与测井数据进行统计回归，成立岩石力学参数与测井数据间的相关模式，实现利用测井资料确信岩石力学参数的目的。
地应力散布规律的研究
要提高页岩气的产量就必需要对原始地层裂痕状况进行改造，这就需要进行压裂作业。
而如何制定适合的压裂技术方案，确保压裂后的裂痕走向和大小和方向都是最优的成效，就需要对地层应力场的大小及方向的散布规律进行研究，同时，地应力的大小和方向是确信也为确信合理钻井液密度窗口的重要数据。
①、利用地层倾角测井数据，依据井壁崩落椭圆法确信水平地应力方位，依据地层微压裂实验数据或地漏实验数据和室内Kaiser效应实验确信地应力的大小，并优选地应力预测模型，成立地应力纵向散布剖面；
②、利用有限元数值模拟技术，结合断层、裂痕散布规律研究结果及地应力测量结果，研究地应力场的三维散布状态，并形成地应力横向散布等高线图。
合理钻井液密度窗口的确信
水平井的钻井相对直井来讲加倍困难，因为在造斜段、稳斜段、水平段井眼周围的应力散布状态与直井相较是更为复杂的，由此所带来的井壁失稳风险也更大，要紧表现为井壁坍塌和井漏。
关于井壁坍塌的操纵来讲，要在分析井壁围岩应力散布状态函数的基础上，成立地层坍塌压力预测模型，结合地层特性参数确信地层坍塌压力的散布规律。
由于在页岩气储层的地层中有薄弱地层或裂痕的存在，依照地层实际情形和地质环境，开展模型的适应性研究，优选和成立地层破裂压力和漏失压力计算模型；确信平安钻井泥浆密度上限，同时优化钻井液性能和井身结构调整井筒循环压降，进行ECD操纵。
同时，结合井眼轨迹，分析不同造斜半径和方位角条件下的钻井风险，给水平井的布井及轨迹设计提供指导。
水平井摩阻扭矩分析
水平井在施工进程中不可幸免地会碰到摩阻扭矩所带来的阻碍，依如实际情形成立适合的模型，对不同工况条件下的摩阻扭矩进行计算分析，将十分有利于提高钻井效率，为进行井身设计提供依据，提高水平井钻井的平安性和钻井效率。
钻井液体系优选研究
钻井液是钻井工程的“血液”，关于水平井来讲尤为重要。
水平井的机械钻速的高低、井底岩屑的净化程度等都会阻碍钻井施工的顺利进行。
在对页岩气地层开展理化性能分析的基础上，有针对性地改善钻井液性能，提高钻井液体系对地层的封堵性和抑制性，减少滤液侵入地层对储层带来的损害，避免泥页岩水化膨胀，同时维持适当的活度，使其与地层流体相匹配。
提高水平井井眼清洁度研究
1.依照有关理论计算流变系数，进行流型判定，在室内进行流变实验，通过线性回归找出最接近实际流体的流型。
依照有关理论确信流变参数，并进行实验，再对这些数据进行回归，拟合出流变参数。
2.依据局部同心环空理论确信环空任一截面上的流速散布，依据变矩形槽理论确信环空任一截面上的流速散布。
确信井壁稳固因子及临界井壁稳固因子，判定环空返速对井壁稳固性的影响。
3.基于相关力学原理，推导岩屑沉降速度，基于多种井底净化计算模型，结合实际数据，优选合理的井底净化计算模型。
4.依照上述研究，提供合理的钻井液参数，井身结构方案和工艺方法。
地层裂痕散布规律研究
压裂是增加页岩气产量的要紧手腕，要在压裂时使裂痕走向、宽度和延伸距离等达到设计要求，就必需对地层裂痕的散布规律进行研究，这是压裂施工方案制定的重要依据，地层裂痕的散布规律主若是依照地应力的散布规律形成机制来取得。
5.承担的内容
石油工程学院岩石力学研究室隶属于长江大学（原江汉石油学院），通太长期与油田及企事业单位合作研究，形成了一支以楼一珊教授为学术带头人，由教授、副教授、博士组成的专门从事岩石力学在石油工程中的应用及石油钻井完井的研究队伍。
前后承担完成了国家高技术研究进展打算“863”打算项目川东北碳酸盐岩地应力及井壁稳固分析，湖北省自然科学基金项目石油开采进程中储层应力场及位移场流固耦合数值计算法，海洋总公司W12-1北油田、BZ29-4油田、BZ34-1油田、BZ26-3油田和QK18-2油田的井壁稳固性及井身结构优化研究、KL11-2复合盐膏层地应力与套管设计研究与应用、彩虹项目岩石力学分析与应用研究，BZ29-4油田、文昌14-3/19-1油田和乐东22-1/15-1气田储层出砂预测分析研究；同时完成了中原油田、中石化新星公司、塔里木、吐哈、成功、江苏等油田的岩石力学参数的测试、地应力的分析、钻头优选、盐膏层套管损坏及寿命预测等研究工作；项目“盐膏岩工程特性研究及其在石油工程中的应用”2005年获国家科技进步二等奖，2003年获湖北省科技进步二等奖。
该功效已普遍应用于中原、江汉、塔里木油田的盐层钻井技术和套损防治技术，为油田制造经济效益12亿多元，受到了油田领导、专家的高度评判，参加研究的《塔里木深井超深井钻井技术》获1999年度中国石油天然气科技进步一等奖，通过该项目的研究与实施，解决长期困扰塔里木油田勘探开发进程的井壁不稳固问题，另外，还取得省部级科技进步奖5项，局级科技进步奖12项。
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