頁巖氣鉆井技術淺析

仇常凱 張勁松 宋春光 于學瑞 龐茂源

摘要：我國頁巖氣勘探開發(fā)技術處于初級發(fā)展階段，缺乏新技術及豐富經驗。本文介紹了國外頁巖氣鉆完井技術的發(fā)展歷程，從直井、單多支水平井到目前應用范圍較廣的叢式水平井鉆井即PAD水平井。通過對國外的頁巖氣鉆完井技術及難點進行分析，從而闡述了國內的頁巖氣鉆井的重點是解決井壁穩(wěn)定、事故預防、降低成本、儀器研發(fā)及鉆井液配方選擇等問題上。

關鍵詞：頁巖氣;鉆完井技術;現(xiàn)狀;難點

1 頁巖氣鉆井的發(fā)展

美國的頁巖氣開發(fā)技術處在世界前列，已經進入了快速發(fā)展的階段，其產量在天然氣總產量中占據較大比例。美國自1821年完鉆世界上第一口頁巖氣井以后，頁巖氣鉆井經歷了直井、單多支水平井到目前應用范圍較廣的叢式水平井鉆井即PAD水平井。直井主要運用于了解頁巖氣特征的試驗，并對水平井鉆井技術進行優(yōu)化，從而獲得更多的鉆井和投產的經驗，直井是美國在2002年以前主要的開發(fā)頁巖氣的鉆井方式;在2002年Devon能源公司7口Barnett頁巖氣實驗水平井取得成功之后，水平井便成為頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式，它主要運用于生產，其優(yōu)點是儲層泄流面積更大，且天然氣產量更高;PAD水平井鉆井是一種將一個鉆井平臺作為基點鉆多口水平井的技術，可以降低成本并節(jié)約時間。

2 頁巖氣鉆井液技術

頁巖氣區(qū)別于常規(guī)天然氣的特征之一是以吸附和自由氣的形式存在于頁巖之中。由于頁巖的致密性，具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣藏儲層厚度都比較大。自從頁巖氣產業(yè)化以來，國內外都在儲層評價、水平井增產、射孔優(yōu)化和壓裂增產技術上不斷創(chuàng)新以尋求最佳的經濟效益。

2.1儲層評價技術

頁巖氣儲層評價的兩種主要手段是測井和取心應用測井數據，包括EC（Elemental Capture Spectroscopy）來識別儲層特征。單獨的GR 不能很好地識別出粘土，干酪根的特征是具有高GR 值和低Pe 值。成像測井可以識別出裂縫和斷層，并能對頁巖進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應力方向，進而為氣井增產提供數據。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性，并分析測試TOC 和吸附等溫曲線。

2.2射孔優(yōu)化技術

定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒減少井筒附近裂縫的彎曲程度，進而減少井筒附近的壓力損失，為壓裂時產生的流體提供通道過大量頁巖氣井的開發(fā)實踐，開發(fā)人員總結出定向射孔時應遵循的原則，即在射孔過程中，主要射開低應力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū)，采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流體的阻力。在對水平井射孔時，射孔垂直向上或向下。

2.3 壓裂增產技術

水力壓裂可以使儲層產生密集的裂縫網絡，進而提高儲層滲透率，使地層中的天然氣更容易流入井筒。進行壓裂前，應先對井（豎直井或水平井）進行測試，以確保井能夠承受壓裂的壓力和注入泵率。頁巖氣開采過程中可采用多種壓裂方式：重復壓裂、多層壓裂、清水壓裂、同步壓裂。重復壓裂主要是在不同方向上誘導產生新裂縫進而增加裂縫網絡，可有效改進井產量與生產動態(tài)特征;多層壓裂多用于垂直堆疊的致密地層。清水壓裂采用添加一定減阻劑的清水作為壓裂液。

2.4頁巖氣儲層改造技術

裂縫的發(fā)育程度是頁巖氣運移聚集、經濟開采的主要控制因素之一，為頁巖氣儲層裂縫模型。僅有少數天然裂縫十分發(fā)育的頁巖氣井可直接投入生產，其余90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產措施溝通其天然裂縫，提高井筒附近儲層導流能力。國外一些頁巖埋藏較深，地層壓力較高的頁巖氣藏開發(fā)歷程印證了鉆采技術的不斷更新：氮氣壓裂、泡沫壓裂、凝膠壓裂、清水壓裂、水平井鉆探技術。頁巖儲層改造技術要求針對頁巖儲層特點優(yōu)選壓裂層位和施工工藝，才能取得比較好的開發(fā)效果和經濟效益。對于埋藏較淺地層壓力較低的儲層通常采用氮氣泡沫壓

3 頁巖氣鉆完井技術

3.1鉆井技術

頁巖氣藏是開發(fā)成功的關鍵因素就是水平井，其開發(fā)進程的速度因水平井的應用推廣而加速。在頁巖氣層鉆水平井，可以使儲層泄流面積更大且天然氣產量更高。根據對美國頁巖氣開發(fā)進行研究的數據表明，水平井的日均和最終產氣量都是垂直井的4倍左右，產氣的速率提高了10倍，但總成本僅不足垂直井的一半。國外的頁巖氣鉆完井一般采用以下技術：旋轉導向技術，它主要應用于引導與評價地層，從而確定鉆井目標區(qū);LWD（隨鉆測井技術）和MWD（隨鉆測量技術），它們能對地層更精準的定位，從而找出中靶地質目標;控壓鉆井技術，用于對儲層的保護并提高鉆井速度，指一種利用空氣作為循環(huán)機遏制的技術;泡沫固井技術，能夠解決特殊環(huán)境下固井質量差等問題;有機和無機鹽復核防膨脹極速，能夠增加井壁的穩(wěn)定性。與此同時，頁巖氣水平井鉆井要考慮到成本因素，井段的垂直深度要低于3000米，長度在500至2500米之間。由于在鉆井完成之后要人工進行壓裂，因此，水平井的延伸方位是在垂直地層的最大應力方向，這樣才能保證壓裂的安全和效率。

3.2固井技術

頁巖氣的固井水泥漿組成成分有泡沫和酸溶性水泥、火山灰+H級水泥等類型，其中最后一種類型的水泥成本最低，而泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥的成本比較高，是其1.45倍。在頁巖氣井中泡沫水泥的使用率通常較高，由于泡沫水泥的漿體較穩(wěn)定、密度和滲透率低、抗拉強度較高，因此，泡沫水泥井的防竄效果較好，能夠減少儲層的損害，比一般水泥固井的產量要高出23%。而美國Bernatt頁巖鉆井固井則使用的是酸溶性水泥，它能提高碳酸鈣的含量，遇到酸性物質就會溶解，其溶解的過程受到接觸時間和溶解度的影響。常規(guī)水泥也能溶于酸，其溶解度在百分之二十五左右，而酸溶性水泥的溶解程度則高達百分之九十二，極易被酸化壓裂。

3.3完井技術

頁巖氣完井技術主要有套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、組合式橋塞完井、機械式組合完井等方式。套管固井后射孔完井的流程是在套感固井之后，用工具高速噴射出流體將套管和巖石射穿形成射孔，并將管柱拖動形成多層作業(yè)，這種方式的優(yōu)點是減少封隔器的使用，縮短工程時間，缺點是可能造成水泥漿對儲層的傷害。

總結

頁巖氣儲藏地層一般具有孔隙度和滲透率低等特點，與一般的天然氣相比，頁巖氣具有氣流阻力較大、采收率較低的特點，一般要將儲層壓裂進行改造才能進行開采，同時增加了頁巖氣的開發(fā)成本。所以，為提高頁巖氣開采的經濟效益，就必須要提高鉆井的速度和單井開采效率，并延長開采的時間限制。我國頁巖氣開發(fā)處于發(fā)展階段，借鑒美國的技術是必然的，但是不同的頁巖氣藏都有其獨特的特征，因此要實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)，我國頁巖氣水平井鉆完井技術仍需進一步研究。

參考文獻：

[1]王金磊，伍賢柱.頁巖氣鉆完井工程技術現(xiàn)狀[J].鉆采工藝，2012，05：7-10.

[2]陳安明，張輝，宋占偉.頁巖氣水平井鉆完井關鍵技術分析[J].石油天然氣學報，2012，11：98-103+170.

[3]郭南舟，王越之.頁巖氣鉆采技術現(xiàn)狀及展望[J].科技創(chuàng)新導報，2011，32：67-69.