頁巖氣鉆探施工鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)

劉文武，郭 坤，馮美貴

（北京探礦工程研究所，北京100083）

1 概況

中國頁巖氣廣泛存在于海相及陸相沉積盆地中，含氣頁巖層段時(shí)代從古生界分布至新生界，儲(chǔ)集層地質(zhì)條件較為復(fù)雜。我國富有機(jī)質(zhì)頁巖TOC 含量較北美低，海相頁巖熱演化程度普遍偏高，陸相頁巖則普遍偏低，且含氣量偏低，埋深偏大。地形多為山地、丘陵等復(fù)雜地表，構(gòu)造復(fù)雜，受構(gòu)造條件影響大，發(fā)育斷裂，保存條件較差。

2 頁巖氣鉆井鉆進(jìn)難度

頁巖氣儲(chǔ)層的頁理發(fā)育，具有層理和天然裂隙等薄弱面，非均質(zhì)性和各向異性強(qiáng)。泥頁巖中一般含有蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物。粘土礦物含量越多，發(fā)生地層坍塌的可能性愈大。蒙托石吸水膨脹率高達(dá)90%～100%，而伊利石吸水膨脹率僅有2.5%，混層礦物吸水膨脹率按蒙脫石所占的比例多少而定，比例大者吸水膨脹較大。由于粘土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的壓力，若不加以抑制，則會(huì)大大的超過巖石的膠結(jié)強(qiáng)度極限而引起井塌而帶來井壁穩(wěn)定性差的問題，為了解決頁巖氣井鉆探的井壁穩(wěn)定性差等問題，需采取科學(xué)合理的鉆進(jìn)護(hù)壁解決措施，提高頁巖氣井鉆探的質(zhì)量。

3 鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)

頁巖氣鉆探中鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)主要有鉆井液護(hù)壁技術(shù)、套管固井護(hù)壁技術(shù)和其他特種護(hù)壁技術(shù)等。鉆孔護(hù)壁技術(shù)的選擇通常要根據(jù)頁巖氣鉆進(jìn)過程中鉆遇不穩(wěn)定地層的類型以及需要護(hù)壁的位置所處鉆孔深度等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，有時(shí)還要采用多種護(hù)壁技術(shù)組合以保證鉆孔能繼續(xù)實(shí)施。

3.1 鉆井液護(hù)壁技術(shù)

鉆井液護(hù)壁就是在充滿水和膨潤土以及CMC 等其他外加劑的混合液情況下，由于鉆井液對(duì)孔壁產(chǎn)生的靜壓力而在孔壁上形成的泥皮，可以有效地防止孔壁坍塌或剝落，并維持鉆孔的形狀不變。鉆井液還具有攜渣和冷卻、潤滑鉆具的作用。

（1）破碎不穩(wěn)定地層護(hù)壁。地層出現(xiàn)松散破碎等情況，采用雙聚防塌鉆井液體系。備用堵漏材料（如鋸末等隋性堵漏材料）、加重材料（重晶石）、稀釋劑及潤滑劑等材料。

雙聚防塌鉆井液配方：清水+0.1%～0.2%燒堿+3%～5%膨潤土+0.8%～1.5%降失水劑（GPNH）+1%～2%防塌型隨鉆堵漏劑（GPC）+0.3%～0.6%增粘劑（GTQ）+0.2%～0.3%包被劑（GBBJ）；

鉆井液性能：漏斗粘度25～35s；密度1.02～1.05g/cm3（密度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)整）；API 濾失量6～10mL；泥皮不大于0.3mm；pH值8～10。

（2）水敏性地層護(hù)壁。水敏性地層主要指遇水膨脹和分散地層。該類地層可以采用成膜防塌鉆井液體系。該鉆井液可在孔壁形成隔水膜，能有效抑制水敏性地層吸水膨脹與分散，具有較強(qiáng)粘接性，有利于松散破碎地層孔壁穩(wěn)定，同時(shí)有利于保護(hù)巖芯和提高巖芯采取率。

成膜防塌鉆井液配方：水+5%成膜A 劑+0%～5%成膜B劑+0.3%～0.8%增粘劑（GTQ）+1%～2%改性瀝青防塌劑（GLA）+2%～3%封堵劑（GFD-1）+0.2%～0.3%包被劑（GBBJ）。

3.2 套管固井護(hù)壁技術(shù)

3.2.1 套管固井護(hù)壁技術(shù)

套管固井護(hù)壁技術(shù)是鉆探施工最有效和最可靠的鉆井護(hù)壁方案之一，頁巖氣鉆探施工所用套管有井口管、技術(shù)套管、生產(chǎn)套管。除生產(chǎn)套管以外，其他套管均起到穩(wěn)定井壁，保證順利施工的作用。

3.2.2 固井技術(shù)

（1）影響水泥漿設(shè)計(jì)的因素。影響水泥漿設(shè)計(jì)的因素包括：井深、鉆井液液柱壓力、水泥漿粘度與水灰比、井溫、可泵時(shí)間及稠化時(shí)間、支持套管柱所需的水泥強(qiáng)度、鉆井液及其處理劑類型、水泥漿密度等。

（2）水泥漿體系選擇：

①表層套管：常規(guī)水泥漿配方：G 級(jí)油井水泥+2.5%降失水劑+1.3%分散劑+0.1%消泡劑+44%水。

②技術(shù)套管：常規(guī)水泥漿配方：G 級(jí)油井水泥+2.5%降失水劑+1.5%分散劑+0.1%消泡劑+44%水。

③生產(chǎn)套管：領(lǐng)漿低密度韌性防氣竄水泥漿配方：G 級(jí)油井水泥+20%漂珠+15%微硅+4.0%彈性材料+5.0%防氣竄劑+4.0%液硅+4.0%降失水劑+1.5%分散劑+0.1%消泡劑+58%水；尾漿韌性防氣竄水泥漿配方：G級(jí)油井水泥+5.0%防氣竄劑+4.0%彈性材料+1.0%液硅+4.0%降失水劑+1.5%分散劑+0.1%消泡劑+44%水。

（3）水泥漿性能要求。水泥漿性能要求推薦數(shù)值，見表1。

（4）固井施工工藝措施。①對(duì)于鉆孔存在漏失的井段，在下套管前應(yīng)進(jìn)行漏失段堵漏，使地層有足夠承壓能力保證固井施工時(shí)不發(fā)生漏失。②注水泥漿之前，現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行水泥漿稠化時(shí)間、相容性復(fù)核試驗(yàn)，確保注水泥漿施工安全、順利。③下完套管到井底后，充分循環(huán)鉆井液，鉆井液性能應(yīng)達(dá)到注水泥要求。④推薦采用大泵紊流頂替鉆井液，排量不低于鉆進(jìn)排量。達(dá)不到紊流時(shí)，應(yīng)注入足量的前導(dǎo)低密度水泥漿，盡量降低領(lǐng)漿密度，以降低漏失風(fēng)險(xiǎn)。⑤注水泥必須按照設(shè)計(jì)進(jìn)行，確保連續(xù)施工。水泥漿和前置液注入量、注替排量、水泥漿密度和性能必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。水泥漿密度應(yīng)保持均勻，平均密度與設(shè)計(jì)密度誤差不超過±0.02g/cm3。⑥注水泥期間，專人專崗觀察井口鉆井液返出情況，分析判斷井下情況。⑦固井碰壓后，穩(wěn)壓2～3min后泄壓，如回壓閥密封好，則敞壓候凝；否則，需關(guān)井憋壓候凝，管內(nèi)外靜液柱壓差2～3MPa，并派專人按要求放壓。

表1 水泥漿性能要求

3.3 其他特種護(hù)壁技術(shù)

其他特種護(hù)壁技術(shù)包括注水泥護(hù)壁技術(shù)、膨脹套管護(hù)壁技術(shù)等，本文主要闡述一下膨脹套管護(hù)壁技術(shù)。

近些年來膨脹管技術(shù)呈現(xiàn)快速發(fā)展，膨脹套管護(hù)壁技術(shù)主要包括膨脹實(shí)體套管技術(shù)、膨脹波紋管技術(shù)和膨脹有縫管技術(shù)。膨脹套管護(hù)壁技術(shù)采用多瓣梅花型薄壁波紋管成形技術(shù)、小口徑膨脹波紋管懸掛錨固技術(shù)及小口徑多根膨脹管對(duì)接技術(shù)，能在有效封隔漏失、縮徑、坍塌等復(fù)雜情況地層的同時(shí)不損失井眼直徑。與常規(guī)的套管不同，膨脹管從上層套管中下入、膨脹后，坍塌、掉塊的復(fù)雜地層被膨脹管隔離，隨后可用與膨脹管下入前的同樣直徑的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。使用膨脹套管技術(shù)，鉆遇頁巖氣不穩(wěn)定地層時(shí)，在鉆穿該層位后，下入膨脹套管，既穩(wěn)定了孔壁，又簡(jiǎn)化了鉆孔結(jié)構(gòu)，套管層次可大大減少。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)頁巖氣鉆井中坍塌、掉塊等難點(diǎn)問題，分析推薦了鉆井液護(hù)壁技術(shù)、套管固井護(hù)壁技術(shù)和膨脹套管護(hù)壁技術(shù)，合理利用護(hù)壁技術(shù)，可提高頁巖氣井鉆探的效率。①鉆井液護(hù)壁技術(shù)，針對(duì)頁巖氣鉆井工藝和地層特點(diǎn)，選擇合理的鉆井液體系和性能參數(shù)，做好現(xiàn)場(chǎng)鉆井液管理和維護(hù)調(diào)整工作，確保井壁穩(wěn)定和工程質(zhì)量。②套管護(hù)壁是鉆探施工最有效和最可靠的鉆井護(hù)壁方案之一，固井質(zhì)量也是保證套管護(hù)壁效果的關(guān)鍵技術(shù)。科學(xué)合理地設(shè)計(jì)水泥漿配比和套管結(jié)構(gòu)，采取有效的工藝技術(shù)措施，提高固井質(zhì)量。③膨脹套管護(hù)壁技術(shù)具有可以解決多種類型鉆井的孔內(nèi)井壁不穩(wěn)定事故的能力，可為我國頁巖氣等非常規(guī)能源的鉆探開發(fā)提供了更加可靠的護(hù)壁技術(shù)。