國內(nèi)深層頁巖氣鉆井難點及技術(shù)進展

黃寶勝

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊,山東 臨沂 276002）

鉆井技術(shù)是當前國際上開采頁巖氣的關(guān)鍵點，是保證頁巖氣開采過程中提高鉆井效率和保障緊閉安全的重中之重。隨著我國綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對綠色能源開發(fā)的力度加大，鉆井技術(shù)在頁巖氣的開采中受到了越來越多的關(guān)注[1]。

1 國內(nèi)深層頁巖氣鉆井概述

隨著我國新時期綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在社會發(fā)展中的不斷實施，在極大程度上改變了我國工業(yè)發(fā)展和社會發(fā)展對能源類型的針對性，隨著天然氣等綠色能源在社會發(fā)展中的應用力度不斷擴大，我國也加大了對該類能源的探索和開發(fā)程度。而在這其中頁巖氣就是以多種形態(tài)匯聚并存在的一類天然氣，為響應我國綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和促進經(jīng)濟發(fā)展的需求，對頁巖氣的鉆井開發(fā)技術(shù)和儲層壓裂改造技術(shù)，以及水平井等多方面進行了重點開發(fā)和研究，而通過廣泛的頁巖氣開發(fā)實踐證明，水平井是當前形勢下開發(fā)的主要方式。但依托于當前科技的頁巖氣開發(fā)技術(shù)在實際操作中，仍有著一系列亟需解決的問題存在，其中地層污染、摩阻以及卡鉆和井壁坍塌是其中的重點問題。針對這些問題在施工過程中，工作人員可以利用欠平衡氣體鉆井技術(shù)和鉆井液技術(shù)，來防止頁巖水化和促進頁巖氣開發(fā)工程順利進行。其中鉆井液技術(shù)在實際應用中對頁巖氣氣鉆井的實際效率和儲層保護有著極大的影響。

2 頁巖氣水平井固井技術(shù)難點

2.1 對巖屑進行清理

在實際的頁巖氣開發(fā)過程中對水平井井眼進行清理是一項非常重要的工作，但是因為水平井井眼清理難度大，受巖屑重力影響和水平段頁巖坍塌以及經(jīng)驗空間較小和泵壓較高等眾多因素的影響，導致這一工作環(huán)節(jié)在實際實施過程中增加了許多難度。因此針對這一問題在利用鉆井液技術(shù)進行煙氣開發(fā)過程中要極其注重它的清砂效果。因為頁巖的本質(zhì)是較為松散的，易于破碎和膨脹，因此，要根據(jù)頁巖的具體特征和情況來合理選擇鉆井液，同時也避免摩阻和卡鉆等相關(guān)問題的產(chǎn)生[2]。

2.2 井壁穩(wěn)定性

井壁的穩(wěn)定性是使用頁巖氣鉆井液技術(shù)關(guān)鍵性因素，因為在實際的工程開發(fā)過程中往往會因為頁巖不穩(wěn)定而導致井眼發(fā)生問題。因此鉆井液在使用時會讓地縫獵場與巖層發(fā)生作用而對頁巖的空隙壓力產(chǎn)生影響，在鉆井液進入夜宴空隙中與其中的粘土和礦物質(zhì)產(chǎn)生反應，使之膨脹而增大巖層張力時，就會對井壁平衡造成極大的威脅。同時，如果鉆井液遇到水敏性底層發(fā)育不成熟和膠結(jié)性較差頁巖時，濾液會使頁巖穩(wěn)健性遭受更嚴重的破壞，如果濾液進入巖層的微裂縫中就會使巖層的力學平衡失調(diào)，從而造成嚴重的工程問題。

2.3 頂替效率難以保證

水平井存在著傾斜井段，受到井斜角度因素的影響，傾斜度大的井段和水平井段下放套管形成的重力會變成徑向，如果控制不好就會出現(xiàn)套管偏心問題，套管低邊鉆井液很難進行有效的驅(qū)替，極易出現(xiàn)竄槽問題，會對水泥漿頂替作業(yè)帶來不良影響。采用油基型鉆井液會使頂替效率、水泥環(huán)強度和界面膠度存在著一定的問題，無法與水泥漿進行很好地相容。除此之外，為避免裸眼井壁失穩(wěn)，進一步提高攜帶巖屑的效率，保證鉆井液達到設(shè)計的密度，就會使鉆井液粘度提高，但又會使得鉆井液不具備很好的流動性。殘存下來的濾餅和鉆井液會使水泥漿不能完全把鉆井液頂替出來，會使得水泥環(huán)無法形成統(tǒng)一的整體。

3 固井技術(shù)改進措施

3.1 旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)

當前，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)應用中，具有較大的應用優(yōu)勢，技術(shù)水平比較先進，大多應用在特殊油藏的高難度定向井、大位移井、水平井、超深井以及水平分支井。在實際應用中，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)主要通過遠端計算機，在計算機界面輸入工具參數(shù)值，由脈沖傳至井底儀器，優(yōu)化工具面角，以實現(xiàn)井眼軌跡的控制。相比于傳統(tǒng)螺桿導向鉆井方式而言，旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)具有極強的準確性和及時性，可以實現(xiàn)經(jīng)驗軌跡控制的最大精度，保證導向鉆井中的持續(xù)性旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)摩阻扭矩的控制。

3.2 固井技術(shù)

通過對本油田頁巖氣水平井鉆進難點的分析，參考國內(nèi)外固井技術(shù)，選擇雙凝雙密度水泥漿，配置比例為1.38：1.88=低密度緩凝水泥漿：髙膠結(jié)彈性防氣竄水泥漿，二者配合使用，不僅可以降低水泥漿液柱壓力，還可以提高下部產(chǎn)層固井質(zhì)量，避免固井中出現(xiàn)水泥漿泄露問題。且由于髙膠結(jié)彈性防氣竄水泥漿具有極強的膠結(jié)能力與防氣竄能力，便于后續(xù)壓裂施工，提高固井綜合質(zhì)量。

3.3 激進式鉆井技術(shù)

為了環(huán)節(jié)環(huán)空壓耗較高的問題，本鉆進工程中選擇激進式鉆井技術(shù)，在設(shè)置鉆井水力參數(shù)中，將鉆井參數(shù)和水力參數(shù)的實際值都超出其設(shè)計值。與此同時，必須對現(xiàn)有鉆井設(shè)備進行升級，把原有35MPa地面高壓管提高到52MPa，根據(jù)井深大于5000m的水平井應用大功率F-2200型鉆井泵，符合激進式水力參數(shù)要求。選擇Landmark軟件進行巖屑床厚度和井斜角關(guān)系進行模擬，發(fā)現(xiàn)若井斜角高于50°，則巖屑床厚度激增后提高了井眼清潔程度要求，必須優(yōu)化鉆井液排量與鉆具轉(zhuǎn)速，進而保證鉆進效率和水平井質(zhì)量。

3.3.1 鉆具轉(zhuǎn)速設(shè)計

設(shè)井斜角65°下，鉆井液排量達到40L/s，其機械轉(zhuǎn)速設(shè)定5.2m/h，通過Landmark軟件模擬，獲得巖屑床厚度和鉆具轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，如圖1。

圖1 巖屑床厚度和鉆具轉(zhuǎn)速間的關(guān)系

由圖中可得，在鉆具鉆速不斷增加后，巖屑床厚度與懸浮巖屑濃度呈逐漸下降趨勢，基本判定當前增加鉆具鉆速可以促進井眼清潔度的提升，結(jié)合井壁穩(wěn)定性，確定鉆具鉆速要從60-80r/min增加到80-100r/min。

3.3.2 排量設(shè)計

設(shè)井斜角65°下，鉆井液排量達到40L/s，其機械轉(zhuǎn)速設(shè)定5.2m/h，通過Landmark軟件模擬，獲得巖屑床厚度和鉆井液排量間的關(guān)系，如圖2。

圖2 巖屑床厚度和鉆井液排量間的關(guān)系

由圖中可以得到，隨著鉆井液排量不斷增加后，巖屑床厚度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，基本判定鉆井液排量可以促進井眼清潔程度的提高。按照水平井鉆井要求，將鉆井液排量由原來的30L/s，增加到32L/s，在水平段鉆進過程中要增加到3532L/s，進而有效控制巖屑沉降，達到最佳的井眼清潔情況。

3.4 使用油基鉆井液

考慮到本油田頁巖氣水平井施工難度，選擇高性能油基鉆井液，這是因為頁巖具有親水性特征，吸水后迅速膨脹，造成井壁掉塊脫落的情況，降低井壁的穩(wěn)定性，鉆進中必須使用高性能的鉆井液，而高性能油基鉆井液在高溫高壓環(huán)境下30分鐘的慮失量達到1.8ml，大大提高了井壁穩(wěn)定性。與此同時，在實際應用中，油基鉆井液主要以柴油為基礎(chǔ)油，以脂肪酸和共聚物為原材料，對傳統(tǒng)油基鉆井液進行了改進，取替有機膨潤土，將固相含量控制在5%-9%之間，有效提升了泥餅質(zhì)量，實現(xiàn)摩阻扭矩的控制。除此之外，油基鉆井液的凝膠強度高，有效預防井漏問題[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，在油田頁巖氣水平井鉆進過程中，要不斷優(yōu)化鉆井技術(shù)難點，改變原有的鉆進方式，綜合分析水平井軌跡控制、摩阻扭矩以及固井質(zhì)量等方面因素，確定機械鉆進速度，將摩阻扭矩控制在合理范圍內(nèi)，配合旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)，實現(xiàn)油田頁巖氣水平井可以成功鉆進，提高施工質(zhì)量，保證施工進度，進而達到最佳的應用效益。