頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析

叢 科

中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司 天津 300452

頁(yè)巖氣藏是一種低孔、低滲透氣藏，為了提高油氣產(chǎn)量,必須采用壓裂和其他措施,并要求高質(zhì)量的固井。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)天然氣的需求越來(lái)越大。頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)必須在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)解決, 既要保證新工藝的穩(wěn)定性和耐久性,又要保證生產(chǎn)能力,提高固井質(zhì)量。頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)性強(qiáng)。鉆完井技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛和系統(tǒng)。在學(xué)科方面,涉及化學(xué)、地質(zhì)、機(jī)械、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,許多學(xué)科都將打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在運(yùn)行中,通常需要多個(gè)部門(mén)協(xié)同工作,管理、交通、建設(shè)等多個(gè)部門(mén)的設(shè)立形成了較為完整的體系;從施工工藝來(lái)看,需要提前準(zhǔn)備,下鋼管、套管、注水泥等,工藝繁瑣。（2）隱蔽性強(qiáng),頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)具備顯著隱蔽性，體現(xiàn)在施工地點(diǎn)在井下完成，觀測(cè)困難；而質(zhì)量控制只能通過(guò)設(shè)計(jì)與籌劃來(lái)實(shí)現(xiàn)；施工中的隱患控制難度大，預(yù)估困難，施工危險(xiǎn)程度高。（3）施工成本較高，該技術(shù)在建設(shè)期間需要投入較高，頁(yè)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(shù)的實(shí)際應(yīng)用呈現(xiàn)一次性特征。一方面,如果固井質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn), 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(shí)間與物資，對(duì)成本消耗較高。

1 頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性低

頁(yè)巖結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性,在一定程度上決定了頁(yè)巖氣穩(wěn)定性差,導(dǎo)致固井工程難度大、穩(wěn)定性差。頁(yè)巖層中土壤和沉積物的成本較高,導(dǎo)致頁(yè)巖氣內(nèi)部穩(wěn)定性的缺乏和不足。在固井過(guò)程中,頁(yè)巖與井壁之間的膠結(jié)作用較低,使得機(jī)制內(nèi)部無(wú)法形成相對(duì)穩(wěn)定的整體。頁(yè)巖氣中含有大量黏土礦物,與鉆井液接觸后會(huì)迅速膨脹,影響頁(yè)巖的滲透性,破壞正常的構(gòu)造狀態(tài)。若在此過(guò)程中水泥體積縮小,微腫脹如果水泥體積在此過(guò)程中收縮, 可能會(huì)出現(xiàn)微環(huán)空,可能會(huì)出現(xiàn)微環(huán)空現(xiàn)象而內(nèi)部引發(fā)串槽問(wèn)題。

1.2 水平段下套管難度系數(shù)較大

在固井施工中下套管是一個(gè)難點(diǎn), 因此需要有較高的套管技術(shù)水平。但現(xiàn)實(shí)生活中存在許多不可控因素,增大了施工的難度系數(shù)比較高。首先,由于穩(wěn)定性較差,井壁發(fā)生巖石坍塌的概率也相應(yīng)增加, 巖屑會(huì)影響井口的清理工作,從而影響套管的下入質(zhì)量。其次,淺傾斜斷面會(huì)使井壁結(jié)構(gòu)呈不可控方向,整體呈階梯狀分布。最后,井眼結(jié)構(gòu)曲率較大,水平段位移也明顯增大,導(dǎo)致套管與井壁摩擦增大,影響了水平段套管下入結(jié)構(gòu)的開(kāi)展。

1.3 頂替效率低下

井斜角是固井作業(yè)中的一個(gè)關(guān)鍵因素。這一因素會(huì)影響套管下入的重力方向和水平井段, 導(dǎo)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(fā)展。特別是油基鉆井液的驅(qū)油效率會(huì)嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)值, 這主要是由于鉆井液與水泥漿的融合過(guò)程困難,影響膠結(jié)面的形成。如果井中有很多礦物殘留物,也會(huì)影響鉆井液的滲透。

1.4 水泥環(huán)的破壞程度顯而易見(jiàn)

水泥環(huán)因采用射孔、壓裂技術(shù)而在整個(gè)固井段受到嚴(yán)重破壞。大多數(shù)頁(yè)巖氣井都是射孔作業(yè), 表明它們?cè)诠叹衅鹬匾淖饔?。在射孔過(guò)程中, 可能會(huì)出現(xiàn)高溫,對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生較大影響。通過(guò)疊加反應(yīng)閾值,使水泥環(huán)局部壓力過(guò)高,當(dāng)壓力超過(guò)水泥環(huán)的容忍度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)裂縫。水泥環(huán)內(nèi)的超載裂縫嚴(yán)重影響了工程的穩(wěn)定性,有利于提高整個(gè)工程的質(zhì)量。作為射孔施工的一部分,頁(yè)巖氣必須通過(guò)多層裂縫獲得。這種技術(shù)使水泥環(huán)具有彈性,但也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力問(wèn)題。骨折后,水泥鞘可能發(fā)生輕微變化,甚至造成損傷。首先,水泥環(huán)的變形與套管的變形明顯不同。水泥環(huán)的斷裂方向通常為縱向。水泥環(huán)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(huán)的損傷程度非常明顯。射孔、壓裂等技術(shù)在后期會(huì)對(duì)水泥環(huán)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(dòng)和沉降在固井作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。如果泥漿選擇不符合實(shí)際要求,可能會(huì)導(dǎo)致井壁缺水而坍塌,增加了固井作業(yè)的安全隱患和施工難度。

2 頁(yè)巖氣鉆完井主要技術(shù)對(duì)策優(yōu)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(yè)巖氣鉆完井技術(shù)是指一套采用高壓可壓縮氣體的欠平衡鉆井技術(shù)頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)是指利用高壓可壓縮氣體介質(zhì)傳遞能量,實(shí)現(xiàn)空氣錘對(duì)巖層的高頻沖擊,外加旋轉(zhuǎn)靜水壓力、動(dòng)載荷和斜向沖擊破巖的一套欠平衡鉆井技術(shù)。它是在傳統(tǒng)空氣鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于巖體的剪切強(qiáng)度和硬度是只有10%的壓力阻力,沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)可以有效打破巖石, 主要采取沖擊動(dòng)載荷為主體,及其機(jī)械鉆井速度通常是大約兩到三倍的旋轉(zhuǎn)鉆探。空錘鉆進(jìn)也是克服硬巖鉆進(jìn)中最難提速的一種極其合理的方式,不僅可以進(jìn)一步降低鉆進(jìn)成本,還可以縮短鉆進(jìn)時(shí)間限制,從而提高整體工作效率,節(jié)約成本。利用氣體作為循環(huán)介質(zhì),在鉆井過(guò)程中保護(hù)儲(chǔ)層，由于部分地層可能鉆遇水層、氣層，甚至可能鉆遇溶洞?？諝忮N鉆井無(wú)法按設(shè)計(jì)要求實(shí)施到位，繼續(xù)進(jìn)行空氣錘鉆井存在卡鉆風(fēng)險(xiǎn)影響了機(jī)器鉆速，所以當(dāng)出水量足夠時(shí)候，就可以轉(zhuǎn)換為氣泡鉆井持續(xù)鉆進(jìn)，而氣泡鉆探所要求的設(shè)備則是在傳統(tǒng)氣體鉆探裝置的技術(shù)基礎(chǔ)上、提高了液態(tài)注水的過(guò)程，在此處還可通過(guò)將霧化泵成鉆井泥漿泵完成。

2.2 上部直井井段應(yīng)用空氣錘泡沫鉆井的獨(dú)特優(yōu)越性

（1）鉆井效率高,速度快(沖擊+ 旋轉(zhuǎn)),成本低。面對(duì)頁(yè)巖氣分布區(qū)表層堅(jiān)硬巖石,能起到良好的破巖效果,大大優(yōu)化了鉆井速度, 降低了鉆井作業(yè)總成本。鉆得越深,優(yōu)化效果越明顯。與淺層泡沫鉆井相結(jié)合,可以解決淺層鉆井用水問(wèn)題。泡沫鉆井液的侵徹率比常規(guī)鉆井液高19.39%?？諝忏@井段的機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆井液和氣體鉆井段提高了140.3%,純鉆井時(shí)間縮短了56.4%。泡沫鉆井段鉆速較常規(guī)鉆井液提高203.45%, 鉆井時(shí)間縮短78.1%。

（2）降低了鉆具的鉆進(jìn)時(shí)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(shù)克服了上直井段鉆井過(guò)程中存在的井斜問(wèn)題。在鉆直井時(shí),由于凹陷角大,由于活塞的磨損,鉆頭直接受到?jīng)_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(hù)生產(chǎn)層,減少儲(chǔ)層損失。鉆遇裂隙巖層可避免循環(huán)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(duì)鉆井作業(yè)環(huán)境的影響,減少對(duì)生產(chǎn)層的破壞,提高勘探生產(chǎn)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(zhì),不能承受大的壓應(yīng)力和扭矩,產(chǎn)品應(yīng)設(shè)計(jì)輕,允許較大的外徑,減少環(huán)空間隙，增加攜石速度。

3 頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)難點(diǎn)應(yīng)采取措施

3.1 提高水泥漿的穩(wěn)定性

在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中,水泥漿的穩(wěn)定性是非常關(guān)鍵的,必須加以重視。工程施工人員需根據(jù)料漿情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次試驗(yàn)分析,并將料漿強(qiáng)度調(diào)整到合適的密度值。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得出了水泥漿的密度。此外,流動(dòng)性也是非常重要的,所以工作人員必須控制水泥漿的穩(wěn)定性,確保頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)的合理使用。

3.2 改善套管技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)古井作業(yè)的高質(zhì)量完井, 作業(yè)人員應(yīng)采用套管下入,并根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化放空工藝。在選擇雨刷行程材料時(shí),一定要注意剛度。在施工狀態(tài)下所選擇材料剛度應(yīng)該比實(shí)際剛度更大，在通井工作中組合鉆具是非常關(guān)鍵的設(shè)備，而且也可以重復(fù)操作，為套管下入做準(zhǔn)備。套管下入作業(yè)中科學(xué)合理設(shè)置管串位置和方式，規(guī)范套管的設(shè)置，保證引斜居中。在水平段套管可能出現(xiàn)位移，因此要使用扶正器。

3.3 頂替技術(shù)效率的提升

解決這一問(wèn)題的途徑是合理選擇鉆井液。由于鉆井液相對(duì)突出,成分多樣,施工中可選用預(yù)液,并可使用預(yù)液增加井壁的清潔度和便利性,從而提高驅(qū)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(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu),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(shí), 可采用倒立鉆具減小摩擦阻力。使用倒置鉆井工具時(shí), 注意在鉆頭上施加鉆壓,保持鉆頭穩(wěn)定,盡量減少鉆頭的振動(dòng)和擺動(dòng),避免卡鉆。最后,要有效改善鉆井液性能,提高鉆井液的潤(rùn)滑性。目前,該鉆井系統(tǒng)主要是通過(guò)鉆井液將巖屑帶出井外,使鉆具工作時(shí),鉆柱的扭矩和摩擦力自然降低。

3.5 鉆井液體系的合理應(yīng)用

為了提高井筒穩(wěn)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(qiáng)抑制性水基鉆井液。油基鉆井液體系是目前用于頁(yè)巖氣鉆井施工的鉆井液體系。它能有效提高水濕頁(yè)巖的毛細(xì)壓力,防止鉆井液滲透到頁(yè)巖中,保證井筒良好的穩(wěn)定性。在應(yīng)用油基鉆井液體系時(shí), 應(yīng)注意對(duì)舊礦漿回收工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)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(jìn)過(guò)程中可交替使用滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)。鉆井工具應(yīng)減少滑動(dòng),增加旋轉(zhuǎn)。在調(diào)整過(guò)程中要注意鉆進(jìn)范圍,確保鉆進(jìn)孔的完整性和規(guī)律性,從而有效地控制井眼軌跡。

（2）選擇合理的鉆井工具,實(shí)時(shí)掌握鉆井工具的鉆進(jìn)情況,有效分析地層巖性與鉆井工具的關(guān)系,合理調(diào)整和分配滑動(dòng)鉆和復(fù)合鉆的鉆進(jìn)時(shí)間, 從而有效控制井眼軌跡。

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

（4）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可以應(yīng)用,和滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的工作模式可以用來(lái)保持旋轉(zhuǎn)鉆探狀態(tài), 這不僅提高了機(jī)械效率,而且能夠準(zhǔn)確地控制井眼軌跡,和鉆井筒會(huì)更順利。另外，積極優(yōu)化固井泥漿，保護(hù)水泥環(huán)，在實(shí)際作業(yè)中,作業(yè)者應(yīng)積極優(yōu)化,從水泥漿密度控制和流動(dòng)性方面入手,避免堵塞環(huán)空。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述, 頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)而復(fù)雜的施工技術(shù),在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還有很多問(wèn)題需要解決。對(duì)其進(jìn)行了分析,并對(duì)重要部分進(jìn)行了深入的描述?；诖?頁(yè)巖氣鉆完井技術(shù)的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究。