李　闖

(東北石油大學，黑龍江大慶163318)

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國內頁巖氣水平井鉆完井技術現(xiàn)狀

李闖

(東北石油大學，黑龍江大慶163318)

摘要：通過調研國內外文獻，介紹了當前中國頁巖氣鉆完井技術應用現(xiàn)狀，闡述了頁巖氣鉆完井技術面臨的問題與挑戰(zhàn)。目前頁巖氣開發(fā)主要以水平井為主，頁巖氣鉆完井中主要應用的關鍵性技術包括井工廠技術、旋轉導向技術、油基鉆井液技術及固井技術。井工廠技術用最小的叢式井井場使井網(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，還可節(jié)省地面工程；旋轉導向技術在裂縫性儲層、低滲透儲層、薄油層等復雜儲層中具有準確定向的優(yōu)勢；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大大提高了套管居中度和固井質量。以上關鍵技術在頁巖氣鉆完井中取得的了良好的應用效果，為實現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)起到一定的支撐作用。

關鍵詞：頁巖氣；旋轉導向；井工廠技術；油基鉆井液

隨著北美頁巖氣的成功開發(fā)，全球范圍內掀起了一股頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮。中國社會經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，對油氣資源的需求逐年增加，供需矛盾日益嚴峻[1]。高效勘探開發(fā)致密氣、頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣已成為保障中國油氣資源可持續(xù)發(fā)展的關鍵。頁巖氣從資源發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模開發(fā)的歷程表明，技術進步是成功開發(fā)的關鍵，水平井鉆完井和水力壓裂是頁巖氣開發(fā)的核心技術。

頁巖氣儲層低孔、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,需要實施儲層壓裂改造才能開采出來，因此其開發(fā)成本相應增加[2]。且不同地質特征的頁巖氣開發(fā)情況也有所不同，因此盲目參照國外頁巖氣開發(fā)的模式不可取[3-4]。為了加快鉆井速度,提高鉆井質量，獲得較高的油氣收益率，必須了解中國頁巖氣的基本地質特征、頁巖氣鉆井開發(fā)現(xiàn)狀及采用的關鍵技術。本文在總結國內頁巖氣開發(fā)及取得進展的基礎上，介紹了針對中國頁巖氣地質特征的鉆完井關鍵技術，歸納了中國頁巖氣鉆完井目前面臨的問題及未來發(fā)展趨勢。

1 技術現(xiàn)狀

近兩年來，涪陵頁巖氣區(qū)塊的成功開發(fā)標志著中國頁巖氣勘探開發(fā)揭開了新篇章[5-6]。雖然中國頁巖氣開發(fā)取得了階段性的成果，但不可否認的中國頁巖氣鉆完井技術相對于國外仍比較落后。即使已有一些先進的鉆完井技術及設備應用于頁巖氣現(xiàn)場，但仍不能改變中國頁巖氣鉆完井技術老化的事實。

目前中國頁巖氣定向鉆井技術為滑動鉆井技術，由于頁巖地層的特殊性和高鉆井質量要求，主要采用國外的旋轉導向鉆井技術；為了加快鉆進速度，結合地層特性運用了自主研發(fā)的空氣錘鉆井技術，這是一種可以在低鉆壓、低鉆速情況下進行高沖擊破巖回轉的鉆井技術。在造斜井段大多采用國內自主研發(fā)的油基鉆井液，國外研制的高效環(huán)保油基鉆井液也有應用。鉆井液回收再利用應用了國外的高效回收技術?！熬S技術”是國外已經(jīng)應用多年并加以深化的提高鉆進速度、減少鉆進資金的重要鉆井技術，但國內頁巖氣開發(fā)中僅有個別井使用了該技術，且配套設備及相關工藝技術還不成熟，國內尚沒有實現(xiàn)真正的流水線作業(yè)、遠程化控制。所以中國頁巖氣鉆完井正處于攻堅階段，優(yōu)點需要繼續(xù)保持，針對不足之處應及時學習國外的先進技術[7-8]。

2 關鍵技術

頁巖氣與常規(guī)天然氣特征不同，采用的技術也有所不同，為了提高鉆進效率和節(jié)約鉆井資金，目前國內頁巖氣鉆完井關鍵技術主要包括：“井工廠”技術、旋轉導向鉆井技術、高效油基鉆井液技術及漂浮下套管技術等。

2.1 頁巖氣“井工廠技術”

北美頁巖氣開發(fā)模式表明，“井工廠技術”可有效提高作業(yè)效率，縮短投產周期，降低開發(fā)成本[9]。 鉆井技術作為“井工廠技術”的重要組成部分，在頁巖氣高效開發(fā)中發(fā)揮著重要作用?！熬S技術”是采用一系列先進的鉆完井技術和裝備，利用可重復的井眼設計和對井下風險的有效控制，高效降低成本的一種作業(yè)方式[10]。頁巖氣布井的原則是利用最小的叢式井井場使開發(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，使地面工程及生產管理得到簡化。中國頁巖氣同樣需要“井工廠技術”，配備快速移動鉆機，合理的井眼軌跡設計，以及高效的導向鉆具實現(xiàn)整個井場高效、有序安全鉆進[11]。

井工廠布井可以實現(xiàn)設備利用的最大化。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、測井設備無需停下等待。2014年4月，涪陵頁巖氣田的焦頁9號平臺兩口井試驗“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，同時避免了重型設備搬遷重組，試氣周期大幅度縮減[12]。

中國頁巖氣富集區(qū)塊大多處于山區(qū)和丘陵地帶，地面交通十分不便，井場條件也非?？量?，同時中國屬于典型的水資源缺乏國家，頁巖氣鉆井和儲層壓裂需要消耗大量水資源，成本很高，污水排放對環(huán)境的影響很大，也嚴重制約頁巖氣開發(fā)，“井工廠技術”對地面井場的節(jié)約和施工液體的回收再利用能很好地規(guī)避以上矛盾，符合中國頁巖氣開發(fā)的需求。

2.2 旋轉導向鉆井技術

頁巖氣鉆井大多數(shù)為水平井，傳統(tǒng)的井下馬達導向為滑動鉆進，鉆柱彎曲比旋轉鉆進時嚴重，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重，極端情況下會造成鉆柱發(fā)生螺旋彎曲[12]，因此傳統(tǒng)的導向馬達鉆具限制了頁巖氣井的深度及水平段長度。頁巖氣鉆井后需要對目標儲層進行壓裂，既要保證儲層不受破壞，還要保證上部井段的井眼軌跡質量，要求井筒平滑。為了準確鉆遇目的層，并在目的層中穩(wěn)定高效鉆進，旋轉導向鉆井技術必不可少[13]。

目前商用的旋轉導向主要包括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]。

當前國內頁巖氣鉆井大多應用指向式導向系統(tǒng)，其優(yōu)點在于導向結構全部安置在鉆柱內部，不與井壁直接接觸，導向效果不受地層不完整或井眼擴徑的影響，特別在松軟地層中鉆進效果比推靠式的好，不會出現(xiàn)井眼螺旋化、擴徑等問題，能夠鉆出更規(guī)則的井眼，更好地保障井下安全[15]。

彭頁HF-1井后期鉆井過程中采用了旋轉導向鉆井技術，水平段長達1500m以上，平均機械鉆速為8.67m/h。鉆進過程中體現(xiàn)了旋轉導向工具近鉆頭測量的優(yōu)勢，可隨時發(fā)出指令改變方向，根據(jù)目標方向自動定向，保持井斜在設定井斜0.2°范圍內浮動。同時通過MWD/LWD(隨鉆測斜儀/隨鉆測井)向地面發(fā)出信號，隨時跟蹤地層，對井眼軌跡進行實時調整。保證準確入靶，實現(xiàn)水平段在目標層中穩(wěn)定鉆進[16-17]。在儲層較復雜的情況下，尤其是裂縫性儲層、低滲透儲層、薄油層，傳統(tǒng)的定向鉆具無法準確定向到目標地層，而旋轉導向可實現(xiàn)準確的地質導向。

2.3 油基鉆井液技術

頁巖的層理不同于普通地層，在頁巖氣鉆井過程中目的層更容易坍塌，坍塌程度由泥頁巖含量及其致密程度控制。泥頁巖可能含有蒙皂石等水敏性礦物，遇水發(fā)生膨脹，鉆進過程極易引起井壁失穩(wěn)。美國頁巖氣開發(fā)針對不同的泥頁巖，考慮環(huán)境、成本、維護等多種因素，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。目前國內頁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內外頁巖氣開發(fā)中應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，潤滑性能好，有利于井壁穩(wěn)定，而且還能最大限度保護氣層。同時油基鉆井液性能穩(wěn)定、易于維護、抗高溫能力強、熱穩(wěn)定性好，但其成本較高，會對環(huán)境造成污染，對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)勢是價格較低。為了減少油基鉆井液對環(huán)境的污染，減少鉆井成本，國內研發(fā)了油基鉆井液的回收利用技術，其主要流程如圖1所示。

根據(jù)威遠地區(qū)頁巖氣儲層特性，威201-H3井在定向段、水平段應用了油基鉆井液體系，保證了合理的鉆井液密度、強封堵性、低濾失量和良好的攜砂能力；同時在實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，為鉆井液的活度防塌提供了良好的理論支撐。油基鉆井液應用于威201-H3頁巖氣水平井鉆井取得了成功，較好地解決了威遠地區(qū)泥頁巖垮塌的問題[21]。同時油基鉆井液具有良好的抗高溫性能和抑制性能，在鉆復雜頁巖氣井特別是高溫深井和鉆水敏性地層時優(yōu)勢更加明顯。

2.4 固井關鍵技術

頁巖氣井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的要求。頁巖氣水平井水平段大多采用油基鉆井液，形成了一系列針對頁巖氣水平井固井的相關技術，包括高效驅油前置液技術、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式高性能水平井套管扶正器，大幅度提升長水平段套管下入能力。

2.4.1 高效驅油前置液技術

高效驅油前置液技術主要包括稀釋型沖洗液和潤濕反轉隔離液，采用“稀釋+沖刷”技術，沖洗液中的表面活性劑會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，產生溶脹作用，削弱油基鉆井液泥餅的內聚力，同時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，提高了固井質量。由于頁巖氣井一般較深，固井一般采用雙凝雙密度水泥漿體系，領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

漂浮下套管技術通過在套管串結構中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用減少下入過程中井壁對套管的摩阻，達到安全下入套管的目的；同時可提高套管居中度，提高固井質量。

漂浮下套管技術的主要原理：在套管串中連接1～2個漂浮接箍，使漂浮接箍上、下套管水眼內形成臨時隔斷。漂浮接箍以下的套管柱內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，降低對井壁的正壓力，使其在下套管過程中處于漂浮狀態(tài)，降低套管下入阻力，提升固井質量[24]。

涪頁HF-1井生產套管下至技術套管鞋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。計算輕漿段長為套管底部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，具有較強的膠結能力和防氣竄能力，確保了固井質量[25]。雙凝雙密度水泥漿技術和漂浮下套管技術主要應用于地層壓力變化較大的深井,在提高固井質量的同時縮短了固井周期。

3 面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

國家對頁巖氣的政策支持和石油公司的勘探開發(fā)投資使中國頁巖氣產業(yè)得到了突破性進展，隨北美地區(qū)之后進入了大規(guī)模商業(yè)開發(fā)時期，大規(guī)模的資源勘探與評測也取得良好的結果。但目前國內頁巖氣水平井鉆完井面臨很多問題，主要包括淺部地層出水、空氣鉆井受限、井漏頻繁、定向井段機械鉆速低、水平段油基鉆井液固井質量差等。其中四川盆地部分地區(qū)鉆井過程中在淺部地層普遍鉆遇水層，部分井區(qū)地層水量較大，不得不轉換為鉆井液鉆井，限制了空氣或泡沫鉆井技術的使用，嚴重降低了機械鉆速，增加了鉆井周期。

四川盆地已完鉆水平井統(tǒng)計表明，一開直井段平均機械鉆速為5.39m/h，二開直井段平均機械鉆速最高為14.5m/h，二開定向段平均機械鉆速最低為1.74m/h。此外，由于頁巖氣儲層的特殊性，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，導致油基鉆井液頂替效率低，同時會造成環(huán)境污染[26]。

挑戰(zhàn)存在的同時也有機遇，目前頁巖氣鉆井的發(fā)展趨勢仍主要為水平井鉆完井技術，未來中國會形成真正意義的“井工廠”配套工藝技術，進入頁巖氣開發(fā)新階段。

4 結束語

頁巖氣鉆完井關鍵技術已成功應用于中國的頁巖氣勘探開發(fā)，并取得了良好效果?！熬S技術”提高了鉆井效率、節(jié)省了資金；80%的頁巖氣水平井鉆井已成功應用旋轉導向技術，加快機械鉆速的同時提高了井眼質量，有利于后期壓裂及開發(fā)；中國自主研發(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也逐漸趨于成熟；漂浮下套管技術也已成功應用，提高了套管居中度，大大提高固井質量。

目前中國的頁巖氣產業(yè)仍面臨很大的挑戰(zhàn)，必須加大鉆完井技術的研究，形成具有中國自主知識產權的頁巖氣鉆完井技術，解決頁巖氣開發(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

作者簡介：李闖(1990年生)，男，碩士，主要研究方向為油氣井工程力學。郵箱：991457592@qq.com。

中圖分類號：TE243

文獻標識碼:A