李　闖

(東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318)

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國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀

李闖

(東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318)

摘要：通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，介紹了當(dāng)前中國(guó)頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。目前頁(yè)巖氣開發(fā)主要以水平井為主，頁(yè)巖氣鉆完井中主要應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)包括井工廠技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、油基鉆井液技術(shù)及固井技術(shù)。井工廠技術(shù)用最小的叢式井井場(chǎng)使井網(wǎng)覆蓋區(qū)域最大化，為后期批量化鉆井壓裂施工奠定基礎(chǔ)，還可節(jié)省地面工程；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)在裂縫性儲(chǔ)層、低滲透儲(chǔ)層、薄油層等復(fù)雜儲(chǔ)層中具有準(zhǔn)確定向的優(yōu)勢(shì)；油基鉆井液耐高溫及抑制水敏性能好；漂浮下套管等固井技術(shù)大大提高了套管居中度和固井質(zhì)量。以上關(guān)鍵技術(shù)在頁(yè)巖氣鉆完井中取得的了良好的應(yīng)用效果，為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣高效開發(fā)起到一定的支撐作用。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；井工廠技術(shù)；油基鉆井液

隨著北美頁(yè)巖氣的成功開發(fā)，全球范圍內(nèi)掀起了一股頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的熱潮。中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)油氣資源的需求逐年增加，供需矛盾日益嚴(yán)峻[1]。高效勘探開發(fā)致密氣、頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣已成為保障中國(guó)油氣資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。頁(yè)巖氣從資源發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模開發(fā)的歷程表明，技術(shù)進(jìn)步是成功開發(fā)的關(guān)鍵，水平井鉆完井和水力壓裂是頁(yè)巖氣開發(fā)的核心技術(shù)。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低孔、低滲,氣流阻力比常規(guī)天然氣大,采收率比常規(guī)天然氣低,需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開采出來(lái)，因此其開發(fā)成本相應(yīng)增加[2]。且不同地質(zhì)特征的頁(yè)巖氣開發(fā)情況也有所不同，因此盲目參照國(guó)外頁(yè)巖氣開發(fā)的模式不可取[3-4]。為了加快鉆井速度,提高鉆井質(zhì)量，獲得較高的油氣收益率，必須了解中國(guó)頁(yè)巖氣的基本地質(zhì)特征、頁(yè)巖氣鉆井開發(fā)現(xiàn)狀及采用的關(guān)鍵技術(shù)。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開發(fā)及取得進(jìn)展的基礎(chǔ)上，介紹了針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)特征的鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，歸納了中國(guó)頁(yè)巖氣鉆完井目前面臨的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

近兩年來(lái)，涪陵頁(yè)巖氣區(qū)塊的成功開發(fā)標(biāo)志著中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)揭開了新篇章[5-6]。雖然中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)取得了階段性的成果，但不可否認(rèn)的中國(guó)頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)相對(duì)于國(guó)外仍比較落后。即使已有一些先進(jìn)的鉆完井技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用于頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)，但仍不能改變中國(guó)頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)老化的事實(shí)。

目前中國(guó)頁(yè)巖氣定向鉆井技術(shù)為滑動(dòng)鉆井技術(shù)，由于頁(yè)巖地層的特殊性和高鉆井質(zhì)量要求，主要采用國(guó)外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)；為了加快鉆進(jìn)速度，結(jié)合地層特性運(yùn)用了自主研發(fā)的空氣錘鉆井技術(shù)，這是一種可以在低鉆壓、低鉆速情況下進(jìn)行高沖擊破巖回轉(zhuǎn)的鉆井技術(shù)。在造斜井段大多采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的油基鉆井液，國(guó)外研制的高效環(huán)保油基鉆井液也有應(yīng)用。鉆井液回收再利用應(yīng)用了國(guó)外的高效回收技術(shù)。“井工廠技術(shù)”是國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用多年并加以深化的提高鉆進(jìn)速度、減少鉆進(jìn)資金的重要鉆井技術(shù)，但國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開發(fā)中僅有個(gè)別井使用了該技術(shù)，且配套設(shè)備及相關(guān)工藝技術(shù)還不成熟，國(guó)內(nèi)尚沒有實(shí)現(xiàn)真正的流水線作業(yè)、遠(yuǎn)程化控制。所以中國(guó)頁(yè)巖氣鉆完井正處于攻堅(jiān)階段，優(yōu)點(diǎn)需要繼續(xù)保持，針對(duì)不足之處應(yīng)及時(shí)學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)[7-8]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

頁(yè)巖氣與常規(guī)天然氣特征不同，采用的技術(shù)也有所不同，為了提高鉆進(jìn)效率和節(jié)約鉆井資金，目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)主要包括：“井工廠”技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、高效油基鉆井液技術(shù)及漂浮下套管技術(shù)等。

2.1 頁(yè)巖氣“井工廠技術(shù)”

北美頁(yè)巖氣開發(fā)模式表明，“井工廠技術(shù)”可有效提高作業(yè)效率，縮短投產(chǎn)周期，降低開發(fā)成本[9]。 鉆井技術(shù)作為“井工廠技術(shù)”的重要組成部分，在頁(yè)巖氣高效開發(fā)中發(fā)揮著重要作用?！熬S技術(shù)”是采用一系列先進(jìn)的鉆完井技術(shù)和裝備，利用可重復(fù)的井眼設(shè)計(jì)和對(duì)井下風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，高效降低成本的一種作業(yè)方式[10]。頁(yè)巖氣布井的原則是利用最小的叢式井井場(chǎng)使開發(fā)井網(wǎng)覆蓋區(qū)域最大化，從而為后期批量化鉆井作業(yè)、壓裂施工奠定基礎(chǔ)，使地面工程及生產(chǎn)管理得到簡(jiǎn)化。中國(guó)頁(yè)巖氣同樣需要“井工廠技術(shù)”，配備快速移動(dòng)鉆機(jī)，合理的井眼軌跡設(shè)計(jì)，以及高效的導(dǎo)向鉆具實(shí)現(xiàn)整個(gè)井場(chǎng)高效、有序安全鉆進(jìn)[11]。

井工廠布井可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用的最大化。多口井依次一開，依次固井，依次二開，再依次固完井。鉆井、固井、測(cè)井設(shè)備無(wú)需停下等待。2014年4月，涪陵頁(yè)巖氣田的焦頁(yè)9號(hào)平臺(tái)兩口井試驗(yàn)“井工廠”交叉式壓裂，相比傳統(tǒng)的單口井分別壓裂作業(yè)，工作效率提高了近1倍，同時(shí)避免了重型設(shè)備搬遷重組，試氣周期大幅度縮減[12]。

中國(guó)頁(yè)巖氣富集區(qū)塊大多處于山區(qū)和丘陵地帶，地面交通十分不便，井場(chǎng)條件也非常苛刻，同時(shí)中國(guó)屬于典型的水資源缺乏國(guó)家，頁(yè)巖氣鉆井和儲(chǔ)層壓裂需要消耗大量水資源，成本很高，污水排放對(duì)環(huán)境的影響很大，也嚴(yán)重制約頁(yè)巖氣開發(fā)，“井工廠技術(shù)”對(duì)地面井場(chǎng)的節(jié)約和施工液體的回收再利用能很好地規(guī)避以上矛盾，符合中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的需求。

2.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

頁(yè)巖氣鉆井大多數(shù)為水平井，傳統(tǒng)的井下馬達(dá)導(dǎo)向?yàn)榛瑒?dòng)鉆進(jìn)，鉆柱彎曲比旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)嚴(yán)重，井壁與鉆柱間的軸摩擦力非常大，使得鉆壓很難加載到鉆頭上，尤其大位移井和水平井中這種情況更為嚴(yán)重，極端情況下會(huì)造成鉆柱發(fā)生螺旋彎曲[12]，因此傳統(tǒng)的導(dǎo)向馬達(dá)鉆具限制了頁(yè)巖氣井的深度及水平段長(zhǎng)度。頁(yè)巖氣鉆井后需要對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂，既要保證儲(chǔ)層不受破壞，還要保證上部井段的井眼軌跡質(zhì)量，要求井筒平滑。為了準(zhǔn)確鉆遇目的層，并在目的層中穩(wěn)定高效鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)必不可少[13]。

目前商用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向主要包括Baker Hughes公司的AutoTrak RCLS、Schlumberger公司的Power Drive SRD和Halliburton公司的Geo-Pilot系統(tǒng)[14]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣鉆井大多應(yīng)用指向式導(dǎo)向系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)向結(jié)構(gòu)全部安置在鉆柱內(nèi)部，不與井壁直接接觸，導(dǎo)向效果不受地層不完整或井眼擴(kuò)徑的影響，特別在松軟地層中鉆進(jìn)效果比推靠式的好，不會(huì)出現(xiàn)井眼螺旋化、擴(kuò)徑等問(wèn)題，能夠鉆出更規(guī)則的井眼，更好地保障井下安全[15]。

彭頁(yè)HF-1井后期鉆井過(guò)程中采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，水平段長(zhǎng)達(dá)1500m以上，平均機(jī)械鉆速為8.67m/h。鉆進(jìn)過(guò)程中體現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具近鉆頭測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，可隨時(shí)發(fā)出指令改變方向，根據(jù)目標(biāo)方向自動(dòng)定向，保持井斜在設(shè)定井斜0.2°范圍內(nèi)浮動(dòng)。同時(shí)通過(guò)MWD/LWD(隨鉆測(cè)斜儀/隨鉆測(cè)井)向地面發(fā)出信號(hào)，隨時(shí)跟蹤地層，對(duì)井眼軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。保證準(zhǔn)確入靶，實(shí)現(xiàn)水平段在目標(biāo)層中穩(wěn)定鉆進(jìn)[16-17]。在儲(chǔ)層較復(fù)雜的情況下，尤其是裂縫性儲(chǔ)層、低滲透儲(chǔ)層、薄油層，傳統(tǒng)的定向鉆具無(wú)法準(zhǔn)確定向到目標(biāo)地層，而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的地質(zhì)導(dǎo)向。

2.3 油基鉆井液技術(shù)

頁(yè)巖的層理不同于普通地層，在頁(yè)巖氣鉆井過(guò)程中目的層更容易坍塌，坍塌程度由泥頁(yè)巖含量及其致密程度控制。泥頁(yè)巖可能含有蒙皂石等水敏性礦物，遇水發(fā)生膨脹，鉆進(jìn)過(guò)程極易引起井壁失穩(wěn)。美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)針對(duì)不同的泥頁(yè)巖，考慮環(huán)境、成本、維護(hù)等多種因素，綜合選擇鉆井液體系，包括合成基鉆井液、柴油基鉆井液等，在直井段大多采用高性能的水基鉆井液。目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣鉆井主要采用油基鉆井液，少數(shù)采用水基鉆井液[18-19]。

油基鉆井液是目前國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開發(fā)中應(yīng)用最多的鉆井液體系，與水基鉆井液相比，油基鉆井液抑制性強(qiáng)，潤(rùn)滑性能好，有利于井壁穩(wěn)定，而且還能最大限度保護(hù)氣層。同時(shí)油基鉆井液性能穩(wěn)定、易于維護(hù)、抗高溫能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好，但其成本較高，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)后期固井也有一定影響[20]。油基鉆井液的基液主要有柴油和白油，白油更有利于安全環(huán)保，柴油的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格較低。為了減少油基鉆井液對(duì)環(huán)境的污染，減少鉆井成本，國(guó)內(nèi)研發(fā)了油基鉆井液的回收利用技術(shù)，其主要流程如圖1所示。

根據(jù)威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特性，威201-H3井在定向段、水平段應(yīng)用了油基鉆井液體系，保證了合理的鉆井液密度、強(qiáng)封堵性、低濾失量和良好的攜砂能力；同時(shí)在實(shí)鉆中建立了遇仙寺組及下伏地層全套流體中水的活度剖面數(shù)據(jù)庫(kù)，為鉆井液的活度防塌提供了良好的理論支撐。油基鉆井液應(yīng)用于威201-H3頁(yè)巖氣水平井鉆井取得了成功，較好地解決了威遠(yuǎn)地區(qū)泥頁(yè)巖垮塌的問(wèn)題[21]。同時(shí)油基鉆井液具有良好的抗高溫性能和抑制性能，在鉆復(fù)雜頁(yè)巖氣井特別是高溫深井和鉆水敏性地層時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2.4 固井關(guān)鍵技術(shù)

頁(yè)巖氣井90%以上采用套管固井，以滿足井壁穩(wěn)定、后期大型壓裂和生產(chǎn)的要求。頁(yè)巖氣水平井水平段大多采用油基鉆井液，形成了一系列針對(duì)頁(yè)巖氣水平井固井的相關(guān)技術(shù)，包括高效驅(qū)油前置液技術(shù)、柔性水泥漿等，并利用性能穩(wěn)定的漂浮接箍浮鞋及可旋轉(zhuǎn)式高性能水平井套管扶正器，大幅度提升長(zhǎng)水平段套管下入能力。

2.4.1 高效驅(qū)油前置液技術(shù)

高效驅(qū)油前置液技術(shù)主要包括稀釋型沖洗液和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)隔離液，采用“稀釋+沖刷”技術(shù)，沖洗液中的表面活性劑會(huì)吸附在油基鉆井液的泥餅表面，其疏水基一端吸附泥餅表面，親水基一端吸附水，在油基鉆井液泥餅表面覆蓋了一層表面活性劑分子[22]，使油基鉆井液泥餅具有親水性能。油基鉆井液沖洗液中的溶劑和水易滲入油基鉆井液的表面，產(chǎn)生溶脹作用，削弱油基鉆井液泥餅的內(nèi)聚力，同時(shí)也減弱了其和套管之間的作用力，油基鉆井液被沖洗液中的表面活性劑分子形成的膠束包裹，分散到油基鉆井液隔離液和沖洗液中，提高了固井質(zhì)量。由于頁(yè)巖氣井一般較深，固井一般采用雙凝雙密度水泥漿體系，領(lǐng)漿采用低密度水泥漿，尾漿采用彈性水泥漿[23]。

2.4.2 漂浮下套管技術(shù)

漂浮下套管技術(shù)通過(guò)在套管串結(jié)構(gòu)中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內(nèi)封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用減少下入過(guò)程中井壁對(duì)套管的摩阻，達(dá)到安全下入套管的目的；同時(shí)可提高套管居中度，提高固井質(zhì)量。

漂浮下套管技術(shù)的主要原理：在套管串中連接1～2個(gè)漂浮接箍，使漂浮接箍上、下套管水眼內(nèi)形成臨時(shí)隔斷。漂浮接箍以下的套管柱內(nèi)不灌鉆井液或灌低密度的液體，增加漂浮接箍以下的套管串浮力，降低對(duì)井壁的正壓力，使其在下套管過(guò)程中處于漂浮狀態(tài)，降低套管下入阻力，提升固井質(zhì)量[24]。

涪頁(yè)HF-1井生產(chǎn)套管下至技術(shù)套管鞋2309m處，循環(huán)1周，先注入密度為1.50g/cm3的輕漿12m3，再注入密度為1.73g /cm3的重漿10m3。計(jì)算輕漿段長(zhǎng)為套管底部1000m，套管懸重明顯下降，漂浮效果良好。出套管鞋后10根灌漿一次，縮短套管串靜止時(shí)間，避免遇卡。采用膠乳防竄水泥漿體系和常規(guī)防竄水泥漿體系，具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力和防氣竄能力，確保了固井質(zhì)量[25]。雙凝雙密度水泥漿技術(shù)和漂浮下套管技術(shù)主要應(yīng)用于地層壓力變化較大的深井,在提高固井質(zhì)量的同時(shí)縮短了固井周期。

3 面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)家對(duì)頁(yè)巖氣的政策支持和石油公司的勘探開發(fā)投資使中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)得到了突破性進(jìn)展，隨北美地區(qū)之后進(jìn)入了大規(guī)模商業(yè)開發(fā)時(shí)期，大規(guī)模的資源勘探與評(píng)測(cè)也取得良好的結(jié)果。但目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井鉆完井面臨很多問(wèn)題，主要包括淺部地層出水、空氣鉆井受限、井漏頻繁、定向井段機(jī)械鉆速低、水平段油基鉆井液固井質(zhì)量差等。其中四川盆地部分地區(qū)鉆井過(guò)程中在淺部地層普遍鉆遇水層，部分井區(qū)地層水量較大，不得不轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井，限制了空氣或泡沫鉆井技術(shù)的使用，嚴(yán)重降低了機(jī)械鉆速，增加了鉆井周期。

四川盆地已完鉆水平井統(tǒng)計(jì)表明，一開直井段平均機(jī)械鉆速為5.39m/h，二開直井段平均機(jī)械鉆速最高為14.5m/h，二開定向段平均機(jī)械鉆速最低為1.74m/h。此外，由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的特殊性，井漏也普遍發(fā)生，增加鉆井周期，消耗了資金。由于水平井定向段和水平段摩阻扭矩較大，因此定向段目前基本采用油基鉆井液減小摩阻，導(dǎo)致油基鉆井液頂替效率低，同時(shí)會(huì)造成環(huán)境污染[26]。

挑戰(zhàn)存在的同時(shí)也有機(jī)遇，目前頁(yè)巖氣鉆井的發(fā)展趨勢(shì)仍主要為水平井鉆完井技術(shù)，未來(lái)中國(guó)會(huì)形成真正意義的“井工廠”配套工藝技術(shù)，進(jìn)入頁(yè)巖氣開發(fā)新階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

頁(yè)巖氣鉆完井關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于中國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)，并取得了良好效果?！熬S技術(shù)”提高了鉆井效率、節(jié)省了資金；80%的頁(yè)巖氣水平井鉆井已成功應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，加快機(jī)械鉆速的同時(shí)提高了井眼質(zhì)量，有利于后期壓裂及開發(fā)；中國(guó)自主研發(fā)的新型高效油基鉆井液同樣取得了良好的使用效果，后期鉆井液的回收加工技術(shù)也逐漸趨于成熟；漂浮下套管技術(shù)也已成功應(yīng)用，提高了套管居中度，大大提高固井質(zhì)量。

目前中國(guó)的頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)仍面臨很大的挑戰(zhàn)，必須加大鉆完井技術(shù)的研究，形成具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)，解決頁(yè)巖氣開發(fā)的難題。

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The Current Situation of Horizontal Well Drilling and Completion Technology for Shale Gas in China

Li Chuang

(NortheastPetroleumUniversity,Daqing，Heilongjiang163318,China)

Abstract:Through the investigation of domestic and abroad literatures, the current situation of shale gas drilling and completion technologies has been introduced, including problems and challenge faced by these technolologies. At present, shale gas development mainly depends on horizontal wells, the key technologies including well factory, rotary steerable technique, oil based drilling fluids and cementing are being applied to shale gas drilling and completion. Well factory technique is to use the smallest cluster well location covering the maximal area of the well pattern, so as to lay the foundation for the latter patch drilling and fracturing operation, and save the ground engineering；Rotary steerable technology has advantage of accurate oritation in the complex formations such as fractured reservoir, low permeability reservoir, thin oil layer and so on; Oil based drilling fluids are resistant to high temperature, with good inhibition to water sensitivity. Casing running with float coupling and cementing have greatly improved the casing centering and cementing quality. All the key technologies mentioned above have gained good results in shale gas well drilling and completion, and played an important role in developing shale gas efficiently.

Key words:Shale gas; rotary steerable technique; well factory technology; oil based drilling fluids

作者簡(jiǎn)介：李闖(1990年生)，男，碩士，主要研究方向?yàn)橛蜌饩こ塘W(xué)。郵箱：991457592@qq.com。

中圖分類號(hào)：TE243

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A