頁巖氣鉆井防噴井控技術(shù)研究

長城鉆探工程有限公司鉆井一公司 遼寧 盤錦 124000

1 引言

頁巖氣是一種位于泥頁巖中,以吸附或自由狀態(tài)存在的天然氣,頁巖氣藏的特點(diǎn)是:巖石致密、滲透率低、吸附氣含量低、孔隙中的自由氣含量高。同時(shí)天然氣作為一種清潔無污染的能源,其需求量不斷增加,但由于我國的天然氣油井的存儲(chǔ)量少,大部分需要進(jìn)口。為了緩解這一矛盾壓力,我國早在2012年明確提出推進(jìn)頁巖氣的開發(fā),推進(jìn)天然氣的開發(fā)進(jìn)程。與常規(guī)油井開采相比,頁巖氣的開發(fā)難度大,一方面由于頁巖容易水化膨脹,微裂縫發(fā)育,另外一方面,頁巖氣開采的井型復(fù)雜。另外,頁巖氣的存儲(chǔ)形式以游離態(tài)和吸附態(tài)兩種形式存在,其中游離態(tài)的頁巖氣占比30%－85%,游離態(tài)含量越多,越容易出現(xiàn)井噴的風(fēng)險(xiǎn)。

2 頁巖氣特征

(1)頁巖氣主要通過地層中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行熱演化產(chǎn)生,其較多的分布在富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖地層中,能夠進(jìn)行自生、自儲(chǔ)等特點(diǎn)。

(2)頁巖氣屬于烴類氣體,其存儲(chǔ)形式主要可以分為吸附、游離和溶解,頁巖氣主要以吸附和游離為主,溶解狀態(tài)存在的頁巖氣相對較少。

(3)頁巖氣主要受富有機(jī)質(zhì)頁巖分布控制,而常規(guī)油氣的分布則主要受烴源巖和圈閉的控制。

3 頁巖氣鉆井防噴井控技術(shù)難點(diǎn)

3．1 低滲低壓的控井難題 針對油氣田的開發(fā),以往的關(guān)注重點(diǎn)主要在高壓高滲氣井,而對于低滲低壓儲(chǔ)層的頁巖氣開發(fā),相關(guān)的控井資料和參考技術(shù)相對較少。目前,我國的頁巖氣開發(fā)主要集中在四川盆地區(qū)域。低滲低壓氣井的開采關(guān)鍵技術(shù)主要是水平井技術(shù)和壓裂技術(shù)。而壓裂技術(shù)需要借助高壓設(shè)備向井內(nèi)輸入壓裂液,使得壓裂液進(jìn)入孔隙或裂縫內(nèi),對地層原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,這種壓裂技術(shù)對于低滲低壓的頁巖氣控井而言十分不利,很容易導(dǎo)致出現(xiàn)井噴異常。

3．2 新區(qū)地層壓力預(yù)測不準(zhǔn) 湘西北地區(qū)的斷層相對較多,地層構(gòu)造復(fù)雜,尤其對于湘西北地區(qū)屬于新的頁巖氣勘測區(qū)塊,可以用于參考的資料相對較少,而對該地區(qū)的壓力預(yù)測精度不能有效滿足需求,給控井帶來直接的影響。

3．3 井壁易失穩(wěn) 從巖層的特性力學(xué)角度分析,微裂縫的存在會(huì)大大降低巖層結(jié)構(gòu)的致密性和整體性,使得巖層的整體物理結(jié)構(gòu)性能受到破壞,力學(xué)強(qiáng)度降低。在實(shí)際的鉆井過程中,為了保證鉆井液能夠有效進(jìn)入到巖層中,需要人為制造一些巖層中的微裂縫。巖層中的微裂縫存在一方面會(huì)誘發(fā)水力劈裂作用,導(dǎo)致井壁巖層結(jié)構(gòu)破碎,另外一方面地層結(jié)構(gòu)中注入鉆井液,會(huì)加劇鉆井液物質(zhì)與地層巖層結(jié)構(gòu)的相互作用,降低巖層井壁的穩(wěn)定性,促使井壁失穩(wěn)。因此需要對鉆井液進(jìn)行科學(xué)的篩選,提升井壁的穩(wěn)定性。

4 頁巖氣鉆井防噴井控技術(shù)

4．1 選擇合適的鉆井液 油基鉆井液由于連續(xù)相是油,本身具有良好的潤滑性,可以滿足鉆井過程中對于潤滑性的要求,同時(shí)因油基鉆井液不會(huì)造成巖層出現(xiàn)水化作用,有較好的抑制作用,充分保證巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前,北美國家使用的鉆井液多數(shù)采取油基鉆井液。近幾年來,中國石化加大對油基鉆井液的應(yīng)用研究,并成功在四川的涪陵地區(qū)采取柴油基鉆井液進(jìn)行頁巖井開采應(yīng)用,鉆井過程中的井壁狀態(tài)穩(wěn)定,且?guī)r屑的返出順利,沒有出現(xiàn)鉆井液導(dǎo)致的復(fù)雜事故情況,取得較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。油基鉆井液的研究主要圍繞乳化劑、流變調(diào)節(jié)劑、封堵材料進(jìn)行。

乳化劑是保證油基鉆井液體系穩(wěn)定性的關(guān)鍵,目前國內(nèi)采取的乳化劑多為脂肪酸、脂肪酸皂等表面活性劑,該類物質(zhì)一般同時(shí)存在親水基團(tuán)和親油基團(tuán),親油基團(tuán)分布在油相中,一般親水基團(tuán)含有負(fù)電荷,與水相中的鈣離子相互結(jié)合。但正是由于親水基團(tuán)含有負(fù)電荷,在界面上進(jìn)行排列時(shí)受到同種電荷排斥的作用,難以形成致密層,不利于油水界面層的強(qiáng)度提升,對于鉆井液的切力提升也有阻礙,具體表現(xiàn)為乳化穩(wěn)定程度不高。為此對乳化劑進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)分子中含有多個(gè)吸附基團(tuán),通過化學(xué)鍵將吸附基團(tuán)鏈接到乳化劑分子上,這樣發(fā)揮作用時(shí),通過化學(xué)鍵的作用,避免出現(xiàn)親水基團(tuán)的相互排斥情況,改善界面結(jié)構(gòu)。

流變調(diào)節(jié)劑主要改善鉆井液的流變性能,使得一定鉆井速度和剪切速率條件下,鉆井液高分子結(jié)構(gòu)能夠保持一定的粘度,有效發(fā)揮潤滑效果。通過加入流變調(diào)節(jié)劑,可以提升鉆井液的切力、結(jié)構(gòu)力和動(dòng)塑比。

4．2 壓裂技術(shù) 主裂縫壓力的控制與優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)效果良好壓裂網(wǎng)絡(luò)的前提和關(guān)鍵,主裂縫凈壓力的大小主要與儲(chǔ)層的特征參數(shù)和人為控制因素兩方面有關(guān),其中儲(chǔ)層的特征參數(shù)指標(biāo)有垂向主應(yīng)力剖面、彈性模量、泊松比和斷裂韌性等,人為控制因素有施工排量,壓裂液粘度和平均砂液比。通過對裂縫不同階段的具體特征進(jìn)行分析,選擇與之對應(yīng)的控制方法,可以更大限度的保證裂縫的壓裂質(zhì)量。例如,可采用裂縫模擬方法,考察分析裂縫凈壓力對平均砂液比的敏感程度,來決定是否選用提高平均砂液比來實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)的辦法。

在實(shí)際的施工過程中,可能會(huì)遇到儲(chǔ)存條件不能滿足上述施工的技術(shù)要求,如果此時(shí)采用上述的壓裂技術(shù),可能僅能實(shí)現(xiàn)部分儲(chǔ)層縫網(wǎng)的壓裂。在施工過程中,壓裂液的粘度相對固定,只能通過控制施工的排量來對凈壓力實(shí)現(xiàn)控制,上述的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)起來相對困難。因此,可以通過端部脫砂壓裂技術(shù),增加主裂縫的凈壓力,實(shí)現(xiàn)良好的壓裂效果。

4．3 井控工程技術(shù) 在實(shí)際鉆井過程中,標(biāo)準(zhǔn)化安裝井控設(shè)備并試壓合格后再開始鉆進(jìn)。從二開開始堅(jiān)持鉆井液、錄井和鉆井三方同時(shí)坐崗觀察,記錄好鉆井液增減量。鉆進(jìn)過程中加強(qiáng)防噴演練,發(fā)現(xiàn)溢流立即關(guān)井,疑似溢流關(guān)井檢查。在處理井漏時(shí)與預(yù)防井噴同步進(jìn)行,防止發(fā)生漏噴轉(zhuǎn)換。在壓力異常地層可以考慮降低鉆井液密度配合使用控壓鉆井技術(shù)。在起鉆之前通過短程起下鉆方式驗(yàn)證油氣上竄速度,滿足安全的前提下再起鉆。

5 結(jié)語

頁巖氣的開采可以很大上緩解我國對于天然氣的能源需求壓力,在頁巖氣開采中容易使得頁巖的結(jié)構(gòu)受到影響,頁巖氣存儲(chǔ)地層條件相對復(fù)雜,在開采過程中如果不能進(jìn)行有效的控井,可以產(chǎn)生一系列的問題,直接影響頁巖氣的安全開采。