深層頁巖氣開發工程技術進展

曾義金

0 概述

國土資源部頒布的地礦行業標準《頁巖氣資源儲量計算與評價技術規范》(DZT 0254-2014)[1]，將頁巖儲層埋深超過3500 m的定義為深層，其中埋深超過4500 m的定義為超深層。據測算，我國深層頁巖氣資源量巨大，以涪陵頁巖氣田江東和平橋區塊以及威榮、永川、丁山等區域為例，深層頁巖氣資源量高達4612×108m3，勘探開發前景十分廣闊[2]。

隨著埋藏深度增加，頁巖地層地質力學特性發生了較大變化，導致工程作業難度增大[3-6]，主要表現為：①地層層序增多、壓力體系更加復雜；②巖石強度增加，可鉆性變差，機械鉆速降低；③儲層深度預測精度降低，標志層不明顯，軌跡控制難度增大；④地層水平應力差增大，裂縫轉向橫向擴展難度增加；⑤地層溫度和壓力升高，巖石塑性增強，裂縫起裂難度增加，縫道變窄，加砂困難，改造體積降低；⑥地層閉合壓力增加，支撐劑嵌入地層及被壓碎的概率大幅增加，導流能力遞減快。這些都為深層頁巖氣開發工程技術提出了新的挑戰。

美國針對深層頁巖氣開發形成了較為成熟的地質工程一體化技術和鉆完井與壓裂工程技術體系，其深層頁巖氣主要在Eagle Ford、Haynesville和Cana Woodford[7-9]，深層頁巖氣井數約占總井數的10%。在鉆井技術方面，研發了硬地層AxeBlade斧式PDC鉆頭、Kymera XT混合鉆頭等新型鉆頭，形成了高性能鉆頭+大排量循環+52 MPa大功率泵+大扭矩螺桿+高造斜率旋轉導向組合技術，平均鉆井周期35～55 d，單井鉆井成本250～450萬美元。并且，HydraGlyde低成本水基鉆井液、強密封泡沫水泥漿的應用規模在不斷擴大[9-13]。在壓裂技術方面，開發了耐溫170 ℃以上、降阻率大于65%的高效滑溜水體系，研制了大通徑橋塞、無限級固井滑套、可降解橋塞等工具，形成了少段、多簇、大孔徑射孔和“預處理酸+線性膠+滑溜水(1～3 mPa·s)+凍膠”大規模壓裂模式。

為實現深層頁巖氣的經濟有效開發，中國石化針對我國深層頁巖儲層特殊的地質條件，緊緊圍繞縮短鉆井周期、降低工程成本和提高單井產量的目標，從基礎理論方法、關鍵技術等方面開展了研究與實踐，推進了深層頁巖氣工程技術發展。

本文系統闡述了深層頁巖氣開發工程技術新進展，并提出了發展建議，對我國深層頁巖氣工程技術的不斷改進、提升和經濟有效開發具有借鑒和指導意義。

1 工程技術理論與方法

深層頁巖氣開發工程技術理論一直是研究的重點，特別是壓裂理論，包括裂縫起裂和延伸機理、可壓性評價模型、體積壓裂形成機制等，本文只介紹甜點的研究情況。

1.1 頁巖儲層地質工程甜點計算新模型

研究表明[14-15]，采用實際頁巖參數與標桿頁巖參數的歐氏貼近度表征頁巖“甜點”，與壓后產量關聯性程度更高，為此，提出了頁巖“綜合甜點”計算新方法。產剖測試結果驗證了應用綜合甜點(＞0.5)進行精細分段的適用性，通過減少低效/無效段數，可降低成本10%以上。

(1)地質甜點。計算頁巖地質甜點時，常應用最小——最大規范化方法對頁巖關鍵地質參數進行歸一化處理，采用專家打分法確定各參數權重，然后對各參數進行權重的加權即可得到頁巖地質甜點指數。具體計算公式如下：

式中：S地質為頁巖地質甜點指數；n為地質參數的個數；Si為頁巖地質參數的歸一化值(i=0，1，2，…，n)；wi為地質參數的權重因子(i=0，1，2，…，n)。

(2)頁巖工程甜點計算方法

式中：S工程為頁巖工程甜點指數；YMSC為綜合測定的楊氏模量值，MPa；YMSCmax和YMSCmin分別為綜合測定的最大楊氏模量和最小楊氏模量，MPa；PRc為綜合測定的泊松比；PRCmax和PRCmin分別為綜合測定的最大泊松比和最小泊松比。

(3)基于地質甜點和工程甜點的頁巖綜合甜點計算方法：

式中：S綜合為頁巖綜合甜點指數；w地質和w工程分別為地質甜點和工程甜點的權重因子，基于實際地質及工程參數，根據專家打分法確定兩者權重值分別為0.6和0.4。

(4)基于頁巖甜點的簇射孔優化方法

為了準確分析頁巖儲層地質力學特性，基于地震、地質、測錄井等數據建立了三維地質模型，實現了井眼軌跡、地層模型三維可視化技術，建立了基于三維建模、二維地層等厚對比、電磁波電阻率正反演和隨鉆成像伽馬測井的地質導向方法，形成了基于地層界面、靶點位置、測井曲線數值等參數的工程預警模式，有效提高了深層頁巖氣鉆井軌跡控制和頁巖甜點穿行精度。通過綜合頁巖甜點評價指標、不同應力差、射孔簇數、排量對地層誘導應力和凈壓差的影響研究(圖1、圖2)，形成了深層頁巖少簇、短簇射孔優化方法。

圖1 不同凈壓差對應的誘導應力Fig. 1 The induced stresses with different net pressure differencees

圖2 不同壓裂簇數下累積產量隨時間的變化曲線Fig. 2 The cumulative production versus time under different fracturing clusters

1.2 井筒密封完整性失效機理分析

(1)環空水泥石密封失效機理

在大型分段壓裂后，頁巖氣井由于環空密封失效導致井口帶壓井比例高達50%以上，為了揭示環空密封失效機理，研制了一套物理模擬裝置，能模擬高溫高壓動態載荷下水泥石受力、損傷、破壞過程。大量實驗研究發現，分段壓裂過程實際是水泥石的一個加載和卸載過程，加載應力超過水泥石屈服強度時，產生塑性變形或損傷，卸載后存在殘余應變，每次加載都產生新的塑性應變，卸載后殘余應變也不斷增加，累積殘余應變達1%以上(圖3)時，產生氣竄(圖4)，導致井口帶壓。在試驗分析的基礎上提出了水泥石強度準則。研究認為，水泥石彈性模量≤5.5 GPa時，可滿足90～110 MPa壓裂作業，對應地層深度3500～4500 m，并開發了彈韌性水泥漿體系，性能指標滿足準則要求，體系應用后井口帶壓井減少了80%。

圖3 循環荷載下水泥石力學特征Fig. 3 The mechanical characteristics of cement under cyclic loading

圖4 循環荷載下密封失效特征Fig. 4 The seal failure characteristics under cyclic loading

(2)深層頁巖氣井套管損壞機理

我國威遠地區深層頁巖氣井生產套管變形問題突出，目前對套管變形的原因認識尚不明確。研究認為，引起套管變形/損壞的原因可能是：①壓裂過程中流體壓力在層理、節理等微裂隙傳遞，使裂縫內孔隙壓力提高，當達到臨界值時，激發天然裂縫滑動，造成地層剪切滑移或潛在的小斷層移動，非均質載荷作用導致套管損壞；②壓裂過程中井筒壓力急劇變化導致套管疲勞損傷，或分段壓裂時加載卸載高應力差導致套管損壞等。在中國石油威遠地區具有裂縫/斷層、巖性節理/層理相關性的套管變形點占套管變形點總數的61.7%，但在中國石化威榮地區套管變形位置與裂縫發育情況、地應力、應力差、固井質量、井眼曲率等關系不明顯，呈現出不同的失效特征，套管變形規律與機理仍需進一步研究。

2 鉆完井工具及儀器

2.1 水平井鉆井提速工具

深層頁巖氣井井段增長，定向井段采用常規PDC鉆頭容易發生托壓且造斜率偏低，為此研發了適用于深層頁巖氣水平井定向鉆井鉆頭及提速工具。

(1)超短保徑PDC鉆頭。與常規PDC鉆頭相比，縮短了鉆頭的保徑長度，提高了鉆頭側向切削力和定向造斜率。在JY191-1HF井應用，單只鉆頭進尺414 m，平均機械鉆速4.99 m/h，較鄰井機械鉆速提高25%以上，扭方位92.4°無托壓。

(2)牙輪PDC混合鉆頭。混合鉆頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優點[5-9]，具有良好的耐磨性和防止托壓優勢。相比牙輪鉆頭，它的進尺長、機械鉆速高；相比PDC鉆頭，它能有效解決定向托壓問題，工具面穩定。該鉆頭在多口深層頁巖氣井中應用都取得了良好效果。在JY89-1HF井濁積砂地層中應用，機械鉆速達5.51 m/h，同比鄰井機械鉆速提高了50%以上，JY184-2HF井和JY185-3HF井應用，機械鉆速同比提高了20%和23%。

(3)減震穩扭旋沖鉆井提速工具。其特點是：緩沖減震，鉆頭接觸井底巖石瞬間，減少對鉆頭的沖擊；防止失速，超出設定扭矩限值時，旋轉運動轉化為直線運動，減少鉆頭吃入量，防止失速，消除黏滑；能量自動存儲釋放，超出設定扭矩限值的能量被自動存儲，待扭矩恢復至正常值時，能量自動釋放，增加鉆頭吃入量；復合沖擊，在井底產生高頻沖擊扭矩及沖擊力，形成沖擊破巖和剪切破巖復合破巖效果。在深層頁巖氣中應用機械鉆速平均提高了26.6%。

2.2 短彎螺桿鉆具

短彎螺桿是指螺桿鉆具彎點到轉子輸出端距離(見圖5)較常規彎螺桿短的一種新型螺桿，常規螺桿為1.5～2.0 m，短彎螺桿為1.0～1.2 m，在彎角相同的情況下，可獲得更高的造斜率，從而減少滑動鉆進尺寸，增加復合進尺比例，提高鉆井速度。該工具在JY184-4HF井應用，試驗井段3292～3540 m，純鉆時間為41 h，進尺248 m，其中定向進尺113 m，復合進尺136 m。應用表明，1.25°?172 mm短彎螺桿平均造斜率為0.31°/m，較常規螺桿提高105.49%，平均機械鉆速達6.08 m/h，同比常規螺桿提高了17.87%。

圖5 短彎螺桿與常規螺桿結構對比Fig. 5 The structural comparison between short-curved motor and conventional motor

2.3 近鉆頭成像伽馬測量儀

針對深層頁巖氣儲層深度預測精度低，標志層不明顯，軌跡調整頻繁的難題，為提高深層頁巖氣優質儲層鉆遇率，提高軌跡控制精度，成功研制了近鉆頭成像測量儀。攻克了近鉆頭無線跨動力鉆具短距離傳輸、高速旋轉動態16扇區伽馬成像、井斜與方位檢測等核心技術。突破了不同電導率鉆井液對無線短傳的影響，實現了不同鉆井液介質跨動力鉆具短傳技術。該系統先后在深層頁巖氣井現場應用7口井，在高振動、高轉速、窄空間等約束下，實現了離鉆頭0.5 m的伽馬成像探測、0.9 m的動態井斜檢測，性能指標達到了國際領先水平。

2.4 新型壓裂分段工具

(1)全通徑無限級分段壓裂工具。采用連續油管或常規油管在套管內下入壓裂工具，通過拖動管柱到設計的部位坐封隔器并實現環空加砂壓裂，其主要技術參數如表1所示。工具在現場應用時，施工最高壓力為65 MPa，施工排量為2.2 m3/min，封隔器重復次數達8次，施工結束后，工具性能良好，還可以重復利用。

(2)大通徑橋塞分段壓裂工具。為解決深層頁巖氣井壓裂技術難題，降低綜合工程成本，研制了5-1/2″大通徑橋塞分段壓裂工具，外徑110 mm，通徑70 mm，耐壓70 MPa，耐溫150 ℃，坐封力16～18 t，憋壓球可降解，儲層分段壓裂后井筒內無需進行鉆橋塞作業，大內通徑有利于壓裂液及時返排，快速進行測試投產，提高施工效率，降低施工成本。

(3)可溶橋塞。針對深層頁巖氣井壓裂后連續油管鉆壓傳遞差、鉆橋塞時間長、井口帶壓作業風險大等問題，研制了4-1/2″、5-1/2″可溶橋塞，其耐壓差70 MPa、耐溫120 ℃、可溶時間72～200 h可調。現場應用了多口井，單井壓裂不少于11段，施工壓力最高62 MPa，壓后16天橋塞全部溶解，大大縮短了后期作業時間和完井施工周期，單井作業成本降低20%以上，有效解決了用常規復合橋塞作業后鉆橋塞困難、損傷套管和帶壓作業等難題。

3 鉆完井及壓裂流體材料

3.1 頁巖地層高性能水基鉆井液

深層頁巖儲層具有層理裂縫發育、水敏性強的特點，為了防止井眼失穩，確保井筒安全，深層頁巖氣鉆井常用高溫高密度油基鉆井液體系[11]。為了降低作業成本，減少油基巖屑后期處理成本，使工程更加環保，利用水基鉆井液鉆頁巖氣水平井一直是工程界追求的目標。通過對頁巖地層失穩機理的研究，及不斷的技術創新，研發了新型納微米封堵材料、胺基抑制劑、高效潤滑劑，并構建了深層頁巖水基鉆井液體系，密度 1.80～2.30 g/cm3，HTHP濾失量 4～6 mL，耐溫150 ℃，極壓潤滑系數0.09～0.12。2018年在WY23平臺應用了4口井，順利完成了水平段1500 m鉆井施工，井壁穩定，保證了鉆井安全施工。其中，WY23-3HF井提前18天完成水平段鉆井施工，WY23-3HF井完鉆摩阻僅200 kN，接近鄰井油基鉆井液摩阻，并創造了鉆井周期75天的最短工區紀錄。實踐證明，這套水基鉆井液頁巖穩定周期可達60～70 d，滿足了頁巖氣水平井鉆井要求。

表1 全通徑無限級分段壓裂工具主要技術參數Table 1 The main technical parameters of full-diameter in fi nite stage fracturing tool

表2 滑溜水性能Table 2 The sliding water performance

3.2 泡沫水泥漿體系

針對頁巖氣井漏失和壓裂后井眼環空密封失效問題，研發了機械式充氣固井裝備。該裝備利用高壓氣體混合發泡方法，在摻有發泡劑、穩泡劑的嘉華G級水泥漿中直接產生泡沫，通過合理的注氣量，形成了充氣泡沫水泥漿體系[13]，其密度為1.15～1.60 g/cm3，并可根據需要實時調整，水泥石的抗壓強度為6～16 MPa、彈性模量為8～6 GPa。該技術較好地解決了固井漏失和分段壓裂動載荷作用下對環空水泥石的損傷，提高了井眼環空密封質量。該體系在頁巖氣井技術套管固井中應用了30多口井，在川東南頁巖氣井生產套管固井中應用了3口井，固井質量優良。實踐證明，泡沫水泥漿體系能更好地防止大型壓裂導致的環空水泥環密封失效，為頁巖氣井的井筒長期密封提供了新的技術方法。

3.3 高效滑溜水體系

深層頁巖氣儲層特征和體積壓裂要求壓裂液低摩阻、低黏度、低傷害、高攜砂等，研發了新型高效降阻劑(SRFR)、增稠劑(SRFP)、交聯劑(SRFC)、黏土穩定劑(SRCS)和助排劑(SRCA)等關鍵化學產品，并以關鍵化學品為基礎，在中淺層頁巖氣壓裂用的Ⅰ型滑溜水體系的基礎上，開發了適合深層頁巖氣壓裂的Ⅱ型滑溜水體系，降摩阻率達到80%，性能見表2。新型滑溜水體系具有低摩阻、低膨脹、低傷害、低成本、快溶解等特點，在涪陵頁巖氣田平橋和江東、川南東溪頁巖氣等區塊現場應用了50余井次，成功率100%，取得了較好的現場應用效果，滿足了深層頁巖氣儲層體積壓裂改造的需要。

4 工程作業關鍵技術

4.1 井身結構與井眼軌道優化設計技術

四川盆地深層頁巖氣地表裂縫、溶洞、出水、出氣等復雜情況多，為此，應用高密度電法勘探、測井、鉆井、錄井等綜合技術手段[7-8]，弄清地表溶洞、裂縫的分布規律，明確地層出水、出氣以及壓力分布特征，將四開井身結構簡化為三開，并持續優化套管和鉆頭尺寸。針對定向段造斜率低、技術套管下深大和井眼尺寸大的問題，通過提高定向段造斜率(造斜率由4-5°/30 m提高至6-7°/30 m，靶前距由350 m調整到300 m)、上提技術套管下深等措施，將造斜點下移至技術套管鞋之下，定向段井眼尺寸由311.2 mm縮小為215.9 mm，實踐表明，機械鉆速同比提高30%～40%。

4.2 深層頁巖氣鉆井提速技術

(1)沖擊器+大功率螺桿+PDC鉆井提速技術

提高鉆井速度，縮短鉆井周期是鉆井作業永恒的追求目標，針對深層頁巖氣井提速問題，提出了提高硬地層破巖效率三要素理論，即與地層相匹配的鉆頭、大鉆壓大扭矩破巖能量、減少鉆頭破巖能量損耗，基于該理論，制定了沖擊器+大功率螺桿+PDC鉆井提速技術。旋沖鉆井是通過在鉆頭上部安裝一個沖擊器，將鉆井液壓力能轉變為高頻沖擊力，在旋轉和沖擊共同作用下破碎巖石，顯著提高了破巖效率；大功率螺桿采用等壁厚馬達結構，提高每級承壓能力，它具有優選短幅內擺線線型結構，該線型具有不打扣、偏心距小、綜合曲率半徑大等優點，改善了馬達受力狀況，輸出扭矩15 000 Nm，機械鉆速同比提高30%～40%。

(2)控壓降密度鉆井技術

淺層裂縫氣量小、侵入快、易漏失，采用控壓降密度鉆井技術可有效提高井筒穩定性并減少漏失；頁巖儲層裂縫斷層發育帶溢漏同存，采用控壓降密度鉆井技術，防止油基鉆井液漏失和復雜情況的發生。該技術在JY9-3HF等井中應用，復雜時效顯著降低，井內無漏失、坍塌，平均機械鉆速13.04 m/h，同比提高29.89%。

4.3 提高裂縫改造體積技術

(1)平面射孔技術

與螺旋射孔不同，平面射孔模式(圖6)類似于直井的定向射孔，但直井定向射孔對裂縫方位的要求非常精確，而平面射孔對此無嚴格要求。優化的平面射孔的孔密為 4～8孔/周，3～5簇/段。平面射孔可使得破裂壓力降低10%～20%，壓裂車組數量減少30%～50%，提高改造時效，同時可增加裂縫改造強度，使裂縫高度、寬度、長度增加19%～36%，SRV增加20%～40%。

圖6 平面射孔和螺旋射孔示意圖Fig. 6 Planar perforation VS helical perforation

(2)交替注入技術

深層頁巖氣儲層水平應力差大，靠壓裂施工參數調整難以獲得能突破天然裂縫張開的臨界壓力，因此，裂縫的復雜性也難以提升。目前常用的縫內轉向劑也存在諸多弊端，如深層壓裂的壓力窗口窄，難以有效封堵動態擴展的裂縫；若高角度天然裂縫與層理縫共存，也容易引起裂縫高度的失控等。針對鈣質含量高的頁巖儲層，采用滑溜水和酸液交替注入2～3次，可形成酸蝕通道，降低巖石強度，使破裂壓力降低30%以上，施工壓力降低2～3 MPa，提高了裂縫復雜性。

(3)變黏度、變排量技術

為了形成多尺度復雜縫，采用變黏度、變排量組合模式注入滑溜水和線性膠，使裂縫寬度增加50%以上，SRV增加30%以上。排量對裂縫形態和SRV影響較大，一般線性膠排量控制在2～6 m3/min，滑溜水排量控制在10～12 m3/min。低、中、高黏滑溜水產生多尺度裂縫破裂，中、高黏度線性膠(占比20%～30%)使多尺度裂縫延伸(不超過100 mPa·s)。

(4)多尺度小粒徑支撐劑技術

造出不同尺度的裂縫空間后，如何實現全尺度裂縫的飽和充填是提高ESRV的終極目標。采用多尺度小粒徑支撐劑的優勢有：在高閉合壓力下導流能力與中粒徑差別不大，有利于提高鋪砂濃度和增強抗嵌入能力，確保不同分支裂縫封堵、降濾失和支撐，同時，支撐劑沉降速度減小1/3～1/2，有利于提高遠井筒裂縫支撐效率。實踐證明，小粒徑支撐劑用量30%～40%，其加砂量提高10%～20%。

表3 深層頁巖氣鉆完井及壓裂情況Table 3 The application of drilling and fracturing in deep shale gas drilling

4.4 現場應用情況

深層頁巖氣工程技術在涪陵頁巖氣田平橋和江東區塊、威榮、永川、丁山等地區現場實踐和應用近80口井，取得了顯著效果(見表3所示)。應用后，江東和平橋地區鉆井機械鉆速同比提高了27.2%，鉆井周期縮短了29.8%，測試產量達到10×104m3以上，基本實現了深層頁巖氣的商業化開發。

5 結論與建議

國外深層頁巖氣區塊已部分得到商業開發，并形成了配套鉆井、壓裂技術。我國深層頁巖氣勘探開發剛剛起步，地質條件更為復雜，近幾年深層頁巖氣工程技術取得了較大進展，并成功完成了一批深層頁巖氣井，但離高速、高效、低成本的要求還有差距，仍需進一步優化提升、配套完善與持續攻關。

(1)強化基礎理論研究。完善硬地層鉆井提速理論與方法，建立深層頁巖氣高效鉆井方法；攻克深層頁巖多尺度縫構建機制，構建高導流方法，進一步提高深層頁巖壓裂體積；持續攻關生產套管變形規律及機理，提出套管外部載荷計算模型，徹底解決套管變形問題。

(2)攻克一趟鉆技術。目前與國外的最大差距是鉆井周期長，核心問題是井下工具性能差，高效PDC鉆頭、大扭矩長壽命螺桿、旋轉導向等仍是制約深層頁巖氣高效鉆井的瓶頸技術，要大力開展攻關，實現一開次、一趟鉆。

(3)推廣深層頁巖氣工程新技術。推廣深層高壓頁巖控壓降密度鉆井技術、高性能水基鉆井液、泡沫水泥漿、彈韌性水泥漿、近鉆頭伽馬成像探測、深層頁巖高導流體積壓裂技術等新技術，縮短鉆井周期，提高單井產量，降低工程成本。

致謝：在本文撰寫過程中，中國石化石油工程技術研究院臧艷彬、王海濤、甄劍武、倪衛寧、陶謙、魏遼等同志在資料收集及論文修改等方面提供了大量幫助。牛新明、蔣廷學等同志提出了許多寶貴修改意見。在此一并表示感謝！