頁(yè)巖氣鉆井技術(shù)淺析

仇常凱 張勁松 宋春光 于學(xué)瑞 龐茂源

摘要：我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)處于初級(jí)發(fā)展階段，缺乏新技術(shù)及豐富經(jīng)驗(yàn)。本文介紹了國(guó)外頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)的發(fā)展歷程，從直井、單多支水平井到目前應(yīng)用范圍較廣的叢式水平井鉆井即PAD水平井。通過(guò)對(duì)國(guó)外的頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)及難點(diǎn)進(jìn)行分析，從而闡述了國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣鉆井的重點(diǎn)是解決井壁穩(wěn)定、事故預(yù)防、降低成本、儀器研發(fā)及鉆井液配方選擇等問(wèn)題上。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣;鉆完井技術(shù);現(xiàn)狀;難點(diǎn)

1 頁(yè)巖氣鉆井的發(fā)展

美國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)處在世界前列，已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，其產(chǎn)量在天然氣總產(chǎn)量中占據(jù)較大比例。美國(guó)自1821年完鉆世界上第一口頁(yè)巖氣井以后，頁(yè)巖氣鉆井經(jīng)歷了直井、單多支水平井到目前應(yīng)用范圍較廣的叢式水平井鉆井即PAD水平井。直井主要運(yùn)用于了解頁(yè)巖氣特征的試驗(yàn)，并對(duì)水平井鉆井技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得更多的鉆井和投產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，直井是美國(guó)在2002年以前主要的開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的鉆井方式;在2002年Devon能源公司7口Barnett頁(yè)巖氣實(shí)驗(yàn)水平井取得成功之后，水平井便成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要鉆井方式，它主要運(yùn)用于生產(chǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)層泄流面積更大，且天然氣產(chǎn)量更高;PAD水平井鉆井是一種將一個(gè)鉆井平臺(tái)作為基點(diǎn)鉆多口水平井的技術(shù)，可以降低成本并節(jié)約時(shí)間。

2 頁(yè)巖氣鉆井液技術(shù)

頁(yè)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(yè)巖之中。由于頁(yè)巖的致密性，具有商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層厚度都比較大。自從頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、水平井增產(chǎn)、射孔優(yōu)化和壓裂增產(chǎn)技術(shù)上不斷創(chuàng)新以尋求最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的兩種主要手段是測(cè)井和取心應(yīng)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，包括EC（Elemental Capture Spectroscopy）來(lái)識(shí)別儲(chǔ)層特征。單獨(dú)的GR 不能很好地識(shí)別出粘土，干酪根的特征是具有高GR 值和低Pe 值。成像測(cè)井可以識(shí)別出裂縫和斷層，并能對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行分層。聲波測(cè)井可以識(shí)別裂縫方向和最大主應(yīng)力方向，進(jìn)而為氣井增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。巖心分析主要是用來(lái)確定孔隙度、儲(chǔ)層滲透率、泥巖的組分、流體及儲(chǔ)層的敏感性，并分析測(cè)試TOC 和吸附等溫曲線。

2.2射孔優(yōu)化技術(shù)

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(jìn)而減少井筒附近的壓力損失，為壓裂時(shí)產(chǎn)生的流體提供通道過(guò)大量頁(yè)巖氣井的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，開(kāi)發(fā)人員總結(jié)出定向射孔時(shí)應(yīng)遵循的原則，即在射孔過(guò)程中，主要射開(kāi)低應(yīng)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(duì)水平井射孔時(shí)，射孔垂直向上或向下。

2.3 壓裂增產(chǎn)技術(shù)

水力壓裂可以使儲(chǔ)層產(chǎn)生密集的裂縫網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高儲(chǔ)層滲透率，使地層中的天然氣更容易流入井筒。進(jìn)行壓裂前，應(yīng)先對(duì)井（豎直井或水平井）進(jìn)行測(cè)試，以確保井能夠承受壓裂的壓力和注入泵率。頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中可采用多種壓裂方式：重復(fù)壓裂、多層壓裂、清水壓裂、同步壓裂。重復(fù)壓裂主要是在不同方向上誘導(dǎo)產(chǎn)生新裂縫進(jìn)而增加裂縫網(wǎng)絡(luò)，可有效改進(jìn)井產(chǎn)量與生產(chǎn)動(dòng)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(yè)巖氣儲(chǔ)層改造技術(shù)

裂縫的發(fā)育程度是頁(yè)巖氣運(yùn)移聚集、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的主要控制因素之一，為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層裂縫模型。僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁(yè)巖氣井可直接投入生產(chǎn)，其余90%以上的頁(yè)巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通其天然裂縫，提高井筒附近儲(chǔ)層導(dǎo)流能力。國(guó)外一些頁(yè)巖埋藏較深，地層壓力較高的頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)歷程印證了鉆采技術(shù)的不斷更新：氮?dú)鈮毫?、泡沫壓裂、凝膠壓裂、清水壓裂、水平井鉆探技術(shù)。頁(yè)巖儲(chǔ)層改造技術(shù)要求針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層特點(diǎn)優(yōu)選壓裂層位和施工工藝，才能取得比較好的開(kāi)發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于埋藏較淺地層壓力較低的儲(chǔ)層通常采用氮?dú)馀菽瓑?/p>

3 頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)

3.1鉆井技術(shù)

頁(yè)巖氣藏是開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵因素就是水平井，其開(kāi)發(fā)進(jìn)程的速度因水平井的應(yīng)用推廣而加速。在頁(yè)巖氣層鉆水平井，可以使儲(chǔ)層泄流面積更大且天然氣產(chǎn)量更高。根據(jù)對(duì)美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究的數(shù)據(jù)表明，水平井的日均和最終產(chǎn)氣量都是垂直井的4倍左右，產(chǎn)氣的速率提高了10倍，但總成本僅不足垂直井的一半。國(guó)外的頁(yè)巖氣鉆完井一般采用以下技術(shù)：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，它主要應(yīng)用于引導(dǎo)與評(píng)價(jià)地層，從而確定鉆井目標(biāo)區(qū);LWD（隨鉆測(cè)井技術(shù)）和MWD（隨鉆測(cè)量技術(shù)），它們能對(duì)地層更精準(zhǔn)的定位，從而找出中靶地質(zhì)目標(biāo);控壓鉆井技術(shù)，用于對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)并提高鉆井速度，指一種利用空氣作為循環(huán)機(jī)遏制的技術(shù);泡沫固井技術(shù)，能夠解決特殊環(huán)境下固井質(zhì)量差等問(wèn)題;有機(jī)和無(wú)機(jī)鹽復(fù)核防膨脹極速，能夠增加井壁的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，頁(yè)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(zhǎng)度在500至2500米之間。由于在鉆井完成之后要人工進(jìn)行壓裂，因此，水平井的延伸方位是在垂直地層的最大應(yīng)力方向，這樣才能保證壓裂的安全和效率。

3.2固井技術(shù)

頁(yè)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(jí)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(yè)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(qiáng)度較高，因此，泡沫水泥井的防竄效果較好，能夠減少儲(chǔ)層的損害，比一般水泥固井的產(chǎn)量要高出23%。而美國(guó)Bernatt頁(yè)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(zhì)就會(huì)溶解，其溶解的過(guò)程受到接觸時(shí)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(dá)百分之九十二，極易被酸化壓裂。

3.3完井技術(shù)

頁(yè)巖氣完井技術(shù)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(jī)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(dòng)形成多層作業(yè)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是減少封隔器的使用，縮短工程時(shí)間，缺點(diǎn)是可能造成水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

總結(jié)

頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏地層一般具有孔隙度和滲透率低等特點(diǎn)，與一般的天然氣相比，頁(yè)巖氣具有氣流阻力較大、采收率較低的特點(diǎn)，一般要將儲(chǔ)層壓裂進(jìn)行改造才能進(jìn)行開(kāi)采，同時(shí)增加了頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)成本。所以，為提高頁(yè)巖氣開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益，就必須要提高鉆井的速度和單井開(kāi)采效率，并延長(zhǎng)開(kāi)采的時(shí)間限制。我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)處于發(fā)展階段，借鑒美國(guó)的技術(shù)是必然的，但是不同的頁(yè)巖氣藏都有其獨(dú)特的特征，因此要實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)，我國(guó)頁(yè)巖氣水平井鉆完井技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]陳安明，張輝，宋占偉.頁(yè)巖氣水平井鉆完井關(guān)鍵技術(shù)分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，11：98-103+170.

[3]郭南舟，王越之.頁(yè)巖氣鉆采技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，32：67-69.