頁巖氣鉆完井技術現狀及難點分析

叢 科

中海油能源發展工程技術分公司 天津 300452

頁巖氣藏是一種低孔、低滲透氣藏，為了提高油氣產量,必須采用壓裂和其他措施,并要求高質量的固井。隨著科學技術的不斷發展,人們對天然氣的需求越來越大。頁巖氣鉆完井技術必須在短時間內及時解決, 既要保證新工藝的穩定性和耐久性,又要保證生產能力,提高固井質量。頁巖氣鉆完井技術具有以下特點：（1）系統性強。鉆完井技術的應用范圍非常廣泛和系統。在學科方面,涉及化學、地質、機械、流體力學等多個學科,許多學科都將打下堅實的基礎。在運行中,通常需要多個部門協同工作,管理、交通、建設等多個部門的設立形成了較為完整的體系;從施工工藝來看,需要提前準備,下鋼管、套管、注水泥等,工藝繁瑣。（2）隱蔽性強,頁巖氣鉆完井技術具備顯著隱蔽性，體現在施工地點在井下完成，觀測困難；而質量控制只能通過設計與籌劃來實現；施工中的隱患控制難度大，預估困難，施工危險程度高。（3）施工成本較高，該技術在建設期間需要投入較高，頁巖氣固井成本占鉆井成本的1/ 3,占固井勘探總成本的1/ 5。（4）一次性,該技術的實際應用呈現一次性特征。一方面,如果固井質量達不到標準, 將直接作廢。另一方面利用水泥等材料完善，其間也需要消耗大量時間與物資，對成本消耗較高。

1 頁巖氣鉆完井技術難點

1.1 作業現場穩定性低

頁巖結構具有一定的特殊性,在一定程度上決定了頁巖氣穩定性差,導致固井工程難度大、穩定性差。頁巖層中土壤和沉積物的成本較高,導致頁巖氣內部穩定性的缺乏和不足。在固井過程中,頁巖與井壁之間的膠結作用較低,使得機制內部無法形成相對穩定的整體。頁巖氣中含有大量黏土礦物,與鉆井液接觸后會迅速膨脹,影響頁巖的滲透性,破壞正常的構造狀態。若在此過程中水泥體積縮小,微腫脹如果水泥體積在此過程中收縮, 可能會出現微環空,可能會出現微環空現象而內部引發串槽問題。

1.2 水平段下套管難度系數較大

在固井施工中下套管是一個難點, 因此需要有較高的套管技術水平。但現實生活中存在許多不可控因素,增大了施工的難度系數比較高。首先,由于穩定性較差,井壁發生巖石坍塌的概率也相應增加, 巖屑會影響井口的清理工作,從而影響套管的下入質量。其次,淺傾斜斷面會使井壁結構呈不可控方向,整體呈階梯狀分布。最后,井眼結構曲率較大,水平段位移也明顯增大,導致套管與井壁摩擦增大,影響了水平段套管下入結構的開展。

1.3 頂替效率低下

井斜角是固井作業中的一個關鍵因素。這一因素會影響套管下入的重力方向和水平井段, 導致套管和重心偏移,排量低。此外,鉆井液的特性在很大程度上影響著固井工作的發展。特別是油基鉆井液的驅油效率會嚴重偏離標準值, 這主要是由于鉆井液與水泥漿的融合過程困難,影響膠結面的形成。如果井中有很多礦物殘留物,也會影響鉆井液的滲透。

1.4 水泥環的破壞程度顯而易見

水泥環因采用射孔、壓裂技術而在整個固井段受到嚴重破壞。大多數頁巖氣井都是射孔作業, 表明它們在固井中起著重要的作用。在射孔過程中, 可能會出現高溫,對水泥環產生較大影響。通過疊加反應閾值,使水泥環局部壓力過高,當壓力超過水泥環的容忍度時,就會出現裂縫。水泥環內的超載裂縫嚴重影響了工程的穩定性,有利于提高整個工程的質量。作為射孔施工的一部分,頁巖氣必須通過多層裂縫獲得。這種技術使水泥環具有彈性,但也會導致應力問題。骨折后,水泥鞘可能發生輕微變化,甚至造成損傷。首先,水泥環的變形與套管的變形明顯不同。水泥環的斷裂方向通常為縱向。水泥環不能因大沖擊波和斷裂碎片而危害井筒施工的整體安全。

1.5 其他

水泥環的損傷程度非常明顯。射孔、壓裂等技術在后期會對水泥環造成較大的破壞；此外,泥漿性能的滯后也非常顯著。泥漿的流動和沉降在固井作業中起著至關重要的作用。如果泥漿選擇不符合實際要求,可能會導致井壁缺水而坍塌,增加了固井作業的安全隱患和施工難度。

2 頁巖氣鉆完井主要技術對策優化和建議

2.1 上部直井井段空氣錘鉆井及泡沫鉆井提速

頁巖氣鉆完井技術是指一套采用高壓可壓縮氣體的欠平衡鉆井技術頁巖氣鉆完井技術是指利用高壓可壓縮氣體介質傳遞能量,實現空氣錘對巖層的高頻沖擊,外加旋轉靜水壓力、動載荷和斜向沖擊破巖的一套欠平衡鉆井技術。它是在傳統空氣鉆井技術的基礎上發展起來的。由于巖體的剪切強度和硬度是只有10%的壓力阻力,沖擊旋轉鉆機可以有效打破巖石, 主要采取沖擊動載荷為主體,及其機械鉆井速度通常是大約兩到三倍的旋轉鉆探。空錘鉆進也是克服硬巖鉆進中最難提速的一種極其合理的方式,不僅可以進一步降低鉆進成本,還可以縮短鉆進時間限制,從而提高整體工作效率,節約成本。利用氣體作為循環介質,在鉆井過程中保護儲層，由于部分地層可能鉆遇水層、氣層，甚至可能鉆遇溶洞。空氣錘鉆井無法按設計要求實施到位，繼續進行空氣錘鉆井存在卡鉆風險影響了機器鉆速，所以當出水量足夠時候，就可以轉換為氣泡鉆井持續鉆進，而氣泡鉆探所要求的設備則是在傳統氣體鉆探裝置的技術基礎上、提高了液態注水的過程，在此處還可通過將霧化泵成鉆井泥漿泵完成。

2.2 上部直井井段應用空氣錘泡沫鉆井的獨特優越性

（1）鉆井效率高,速度快(沖擊+ 旋轉),成本低。面對頁巖氣分布區表層堅硬巖石,能起到良好的破巖效果,大大優化了鉆井速度, 降低了鉆井作業總成本。鉆得越深,優化效果越明顯。與淺層泡沫鉆井相結合,可以解決淺層鉆井用水問題。泡沫鉆井液的侵徹率比常規鉆井液高19.39%。空氣鉆井段的機械鉆速比常規鉆井液和氣體鉆井段提高了140.3%,純鉆井時間縮短了56.4%。泡沫鉆井段鉆速較常規鉆井液提高203.45%, 鉆井時間縮短78.1%。

（2）降低了鉆具的鉆進時間和使用壽命,在一定程度上降低了鉆具的磨損。

（3）氣錘鉆井技術克服了上直井段鉆井過程中存在的井斜問題。在鉆直井時,由于凹陷角大,由于活塞的磨損,鉆頭直接受到沖擊,鉆桿不受較大的軸向力。速度明顯降低。隨著鉆探的深入, 可以保持更多的凹陷角度,以保護生產層,減少儲層損失。鉆遇裂隙巖層可避免循環滲漏。鉆井水敏巖層可避免下部沉井井壁垮塌,有利于減少漏失對鉆井作業環境的影響,減少對生產層的破壞,提高勘探生產效率。

（4）能有效地清理井底巖屑。由于鉆桿是主要輸出工作介質,不能承受大的壓應力和扭矩,產品應設計輕,允許較大的外徑,減少環空間隙，增加攜石速度。

3 頁巖氣鉆完井技術難點應采取措施

3.1 提高水泥漿的穩定性

在整個作業過程中,水泥漿的穩定性是非常關鍵的,必須加以重視。工程施工人員需根據料漿情況對現場進行多次試驗分析,并將料漿強度調整到合適的密度值。根據實際經驗得出了水泥漿的密度。此外,流動性也是非常重要的,所以工作人員必須控制水泥漿的穩定性,確保頁巖氣鉆完井技術的合理使用。

3.2 改善套管技術

為了實現古井作業的高質量完井, 作業人員應采用套管下入,并根據實際情況優化放空工藝。在選擇雨刷行程材料時,一定要注意剛度。在施工狀態下所選擇材料剛度應該比實際剛度更大，在通井工作中組合鉆具是非常關鍵的設備，而且也可以重復操作，為套管下入做準備。套管下入作業中科學合理設置管串位置和方式，規范套管的設置，保證引斜居中。在水平段套管可能出現位移，因此要使用扶正器。

3.3 頂替技術效率的提升

解決這一問題的途徑是合理選擇鉆井液。由于鉆井液相對突出,成分多樣,施工中可選用預液,并可使用預液增加井壁的清潔度和便利性,從而提高驅替效率。

3.4 降低鉆柱的扭矩與摩阻

為了有效降低鉆柱的扭矩和摩擦, 可以在水平井的斜段使用斜面鉆桿, 以減少井壁與鉆桿之間的摩擦。此外,還可以優化鉆具結構,采用加重鉆桿代替鉆鋌。在水平井小斜度井段采用加重鉆桿時, 可采用倒立鉆具減小摩擦阻力。使用倒置鉆井工具時, 注意在鉆頭上施加鉆壓,保持鉆頭穩定,盡量減少鉆頭的振動和擺動,避免卡鉆。最后,要有效改善鉆井液性能,提高鉆井液的潤滑性。目前,該鉆井系統主要是通過鉆井液將巖屑帶出井外,使鉆具工作時,鉆柱的扭矩和摩擦力自然降低。

3.5 鉆井液體系的合理應用

為了提高井筒穩定性,可以合理使用鉆井液體系。鉆井液體系分為油基鉆井液、合成基鉆井液和強抑制性水基鉆井液。油基鉆井液體系是目前用于頁巖氣鉆井施工的鉆井液體系。它能有效提高水濕頁巖的毛細壓力,防止鉆井液滲透到頁巖中,保證井筒良好的穩定性。在應用油基鉆井液體系時, 應注意對舊礦漿回收工藝進行改進和優化,既能降低有害固體含量,又能減少油基鉆井液的污染,從而有效提高鉆井液性能。

3.6 提升井眼軌跡的控制精度

（1）鉆具在鉆進過程中可交替使用滑動鉆進和復合鉆進。鉆井工具應減少滑動,增加旋轉。在調整過程中要注意鉆進范圍,確保鉆進孔的完整性和規律性,從而有效地控制井眼軌跡。

（2）選擇合理的鉆井工具,實時掌握鉆井工具的鉆進情況,有效分析地層巖性與鉆井工具的關系,合理調整和分配滑動鉆和復合鉆的鉆進時間, 從而有效控制井眼軌跡。

（3）造斜點會給井眼軌跡控制帶來一定的影響，因此,在選擇井段時,盡量選擇地層穩定性好、巖性好的井段,可以為井斜的穩定性提供保障。

（4）旋轉導向鉆井技術可以應用,和滑動和旋轉的工作模式可以用來保持旋轉鉆探狀態, 這不僅提高了機械效率,而且能夠準確地控制井眼軌跡,和鉆井筒會更順利。另外，積極優化固井泥漿，保護水泥環，在實際作業中,作業者應積極優化,從水泥漿密度控制和流動性方面入手,避免堵塞環空。

4 結語

綜上所述, 頁巖氣鉆完井技術是一項系統而復雜的施工技術,在實際應用過程中還有很多問題需要解決。對其進行了分析,并對重要部分進行了深入的描述。基于此,頁巖氣鉆完井技術的應用需要進一步研究。