页岩气开发水平井技术

页岩气开发水平井技术
水平钻井：页岩气开发的“杀手锏”
今天，水平井已经成为美国页岩气开发最主要的方式，也是页岩生 产井最有利的完井方式。水平井单井产量大，生产周期长，特别是对 于页岩这样的产层薄，孔隙度小、渗透率低的储层开发，显示出直井 无法比拟的效果。页岩气从水平井中获得的估计最终采收率大约是直 井的3倍。 水平钻井技术是页岩气开发的核心技术之一，广泛应用于页岩气开 发钻井。水平井页岩气单井产量高，生产时间长，是页岩气开发最合 理的方式，水平井井位应该尽量选择在天然裂缝系统发育、有机质富 集、泊松比低和杨氏模量高的地方。 水平井钻井主要有低压欠平衡空气钻井、控制压力钻井和旋转导 向钻井等技术，低压欠平衡空气钻井技术应用较成熟，控制压力钻井 技术能够很好的克服井壁坍塌问题，旋转导向钻井技术是页岩气水平 钻井技术发展的方向。水平钻井结合合理的增产措施是提高页岩气产 量的必要手段。
杨氏模量是描 述固体材料抵 抗形变能力的 物理量。
页岩气水平井钻井井位的选择
天然裂缝系统发育程度是影响页岩气开采效益的直接因素，因此页岩气水平井井位应选择在裂 缝发育程度高的页岩地区及层位，特别是垂直裂缝发育的地方，除此之外，还应尽量选择在有机质 富集、黏土含量中等，脆性成分含量高，泊松比低和杨氏模量高的地方。在作业过程中，一般选择 与主要裂缝网络系统大致平行的方位钻井，这样能够产生较多的横向诱导裂缝，使天然或诱导裂缝 网络彼此连通，沿垂直最大水平应力方向钻井可以增加井筒与裂缝相交的可能性，增大气体渗流面 积，从而提高页岩气的采收率。通常情况下，页岩气井的水平段越长，初始开采速度和最终采收率 就会越高，美国Barnett页岩水平井水平段长为457.20～1371.60m，据资料统计，页岩气井最有效的 造斜及水平段总长度一般为914～1219m。 在页岩地层的钻井中，作业者面临着井塌、扭矩和阻力方面的问题，难度比普通钻井更大，特 别是完井方案的设计，这是在井身设计阶段就必须考虑好的问题，它对井眼的稳定性及能否获得持 续产量至关重要。 页岩水平井完井方式有裸眼完井、滑动套管完井、连续油管完井、井下钻具组合完井等。裸眼 完井的后期压裂作业难度大，对水力压裂技术的要求较高，往往需要与先进的现代水力压裂技术结 合使用，如使用滑动套管压裂，适用于黏土含量小的井。套管完井井筒稳定，在储层改造时能够选 择性地射孔，从而进行优化增产作业，套管完井后，可以采用连续油管压裂对页岩储层进行改造。 页岩气井的水平井段多采用套管完井。不同完井方式对钻井工艺要求不同，因此在钻井设计时应注 意考虑完井方式这一因素。在页岩气井固井和分段隔离作业时，作业者一般使用酸溶性水泥（ASC） 作为常规水泥的替代品。酸溶性水泥物理性能和常规水泥十分相似，但不会抑制裂缝的产生，它在 酸基压裂液里溶解度很高（>90%），容易清除。
控制压力钻井技术 控制压力钻井技术（Managed Pressure Drilling, MPD）是用于精确控制整个井眼压力剖面的适宜钻井程 序，目的是确定井下压力的环境限制，并以此控制环空液压剖面（图3）。控制压力钻井的最终目标是使钻 井作业最优化，缩短非生产时间和减少钻井事故，有效控制地层流体侵入井眼，减少井涌、井漏、卡钻等 多种钻井复杂情况。 实现控制压力技术钻井的方式有井底常压压力控制、双梯度压力控制、加压钻井液帽压力控制和无隔 水管控制压力等技术，无论是那种技术，目的都是在整个钻井作业过程中无论是否钻进、钻井液是否循环， 都能精确控制井底压力。要保证控制压力钻井技术成功应用，一般需要满足3个条件：一套封闭、承压的钻 井液循环系统与压力控制钻井装置相连；钻前水力学优化设计；训练有素且熟悉这一概念的工程技术人员。 由于页岩渗透率极低，发生井喷的可能性不大，因此在钻井中，欠平衡钻井或控制压力钻井都是可行的技 术。但是，在钻遇那些含气量较大的页岩地层时，裂缝发育导致气体溢出量剧增也是一个潜在的安全问题， 近年来控制压力钻井技术在页岩开发水平钻井中得到越来越多的应用。在页岩钻井过程中，控制压力钻井 技术能够准确地控制静态泥浆比重和当量循环密度，实时调整流入和损失量，结合连续油管钻井技术 （CTD），使泥浆不停循环，相对于当量循环密度没有静态泥浆比重，便于在一个较小的范围内进行精确的 钻井控制，减少了泥浆漏失甚至是技术套管的使用。控制压力钻井能够很好的解决页岩地层的井壁坍塌问 题，并广泛应用在页岩开发气水平钻井中。威德福、哈里伯顿等公司已进行了相关的控制压力钻井技术研 究和现场试验应用，取得了较好的应用效果。
水 平 钻 井 技 术 应 用 效 果 显 著
技术进步是页岩气产业发展的主要动力，水平钻井技术的应用解决了页岩储层中 日产量低、生产周期短等缺点。目前水平井被公认为是页岩气开发的最合理方式，已 经广泛应用在美国页岩气开发钻井中。 Barnett(巴尼特)页岩的开发情况充分反映了水平钻井技术在页岩气开发钻井中的应 用效果。美国Texas州北部的Barnett页岩是美国开发时间最早、产量最大的页岩，面积 超过5000平方英里，遍及15个县，核心地区位于Denton、Tarrant、Johnson和Wise县境 内。1981年，Mitchell能源公司在Fort Worth盆地的Barnett页岩中完钻了第一口直井， Barnett页岩开发开始起步，但发展缓慢；1992年，Mitchell能源公司在Barnett页岩中完 成第一口水平井，但此时水平井只是作为一种新的尝试，并没有大规模地应用于页岩 气开发中；2002年，Devon能源公司收购Mitchell能源公司后，开始在Barnnet页岩大规 模打水平井；2004年，Barnett页岩中共有生产井3889口，其中水平井377口，天然气年 产量为1.08×1010m3；2007年，Barnett页岩中生产井数达到了8419口，其中水平井 4078口，天然气年产量达到了1.42×1010m3；2008年，整个Barnett页岩中共有生产井 10000口左右，其中2/3的井为水平井，天然气年产量达到了4.54×1010m3。Barnett页 岩实际钻井经验表明，从水平井中获得的估计最终采收率大约是直井的三倍。从 Barnett页岩开发发展历程来开，2002年前，直井一直是Barnett页岩气开发的主要方式， 日产量很低，2003年，水平井大规模应用在Barnett页岩中后，结合压裂工艺的改进， Barnett页岩天然气年产量呈直线增长。据Pickering Energy Partners公司对2004年Texas州 的11个县的Barnett页岩生产井情况统计，水平井的月最大产量明显高于直井，特别是 在核心地区，这一现象更加明显，水平井的月最大产量是直井的4倍左右。
连续油管钻井技术是国外近年来迅速发展起来的钻井前沿技术，被认为是21世纪油气钻井方法的一项革命性新技术，掀起了安全 新型钻井方式的浪潮；是利用钻井手段和方法提高油气采收率的新途径。连续油管钻井技术为进行短半径、大位移、多侧向的水 平钻井，以及欠平衡、小井眼钻井，提供了安全、先进、有效的技术手段。
旋转导向钻井技术 它是基于旋转导向系统的钻井技术，是一种井眼轨迹自动控制的技术，特别适合于特殊油藏的超 深井、高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等钻探（图4）。旋转导向系统（RSS）是在钻 柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统。在旋转导向系统出现以前，作业者多 采用由泥浆马达驱动的滑动导向钻井系统实施导向钻井。旋转导向系统与滑动导向钻井系统相比，具 有摩阻与扭阻小、机械钻速高、钻井成本低、井眼轨迹平滑，压差卡钻风险低等优点。 旋转导向系统按其导向方式分为推靠钻头式（Push the Bit）和指向钻头式（Point the Bit）两种。 目前，旋转导向钻井系统形成了两大发展方向，一是以贝克休斯公司的AutoTrak和哈里伯顿公司的GeoPilot为代表的不旋转外筒式闭环自动导向钻井系统，二是以斯伦贝谢公司的Power Driver为代表的全旋 转自动导向钻井系统。 美国Oklahoma州的Woodford页岩是近年来美国天然气产量增长最快的页岩之一，在2008年，大约 有20亿美元被用来投入到该页岩的主要产层。尽管美国Woodford页岩生产潜力巨大，但是低孔低渗的 条件限制了井的生产能力，以最大的生产速度开发该页岩，对钻井技术和完井方案还是提出了挑战。 由于井段较长，在常规的水平钻井过程中面临着很多难题，如滑移钻井时间过长，井眼轨迹难以控制， 扭矩和阻力大等。为了避免这些问题，作业者在钻井过程中采用了旋转导向封闭循环系统。旋转导向 封闭循环系统很好的解决了Woodford页岩水平钻井中的难题，由于该系统的应用，许多井的造斜角达 到了10°/30m。巴尼特页岩Fra bibliotek巴尼特
水平井
直井
用于页岩气的专业钻井设备
现代化的钻井设备都应该专业化。可滑移井架有很好的可移动性，方便钻井过 程中的设备和井架的移动，且能够节省钻井成本，因此其是页岩气水平钻井的常用 设备。顶部驱动系统和井下动力钻具分别是用于水平井竖直井段和水平井段的动力 设备。 顶部驱动钻井系统是集机、电、液于一体，结构复杂，多学科交叉，用于取代 传统钻井设备的新型装置。该系统可以一次接入和钻进约28m长的一个立根，上卸 扣时间减少了2/3，且可在任意位置提起钻具划眼循环，清洗井眼。垮塌是页岩地 层的常见现象，特别是黏土含量较大时，这一现象越明显，使用顶部驱动钻井系统 越能够很好地避免井塌和卡钻事故的发生。页岩气水平钻井成本较高，一般是同进 尺的直井的2～3倍，减小钻井时间是降低钻井成本的方法之一，采用顶部驱动钻 井系统可节省15%～25%的钻井时间。泥浆马达是定向钻井作业中常用的动力设备， 特别是在水平钻井作业中，由于井身弯曲，常规动力钻具在造斜和水平井段往往 很难钻进，井下动力钻具可根据作业者需要随时调节钻进角度大小，满足不同角 度钻井的需要。 根据地层岩性的不同，钻井作业中要选择不同的钻头。在页岩地层中，由于 页岩具有较高的杨氏模量，一般采用PDC钻头，该钻头是一种切削式钻头，具有耐 磨性，与井下动力钻具配合，适合于高转速、低泵压、低钻压下工作层，且残余 的碎屑便于清洗。
三大核心技术及工艺
国外页岩气开发有直井和水平井两种方式，直井一般用作探井，目的是用于试验，获得地层的地化参数， 了解页岩聚集的特性以及获得钻井、压裂和试井经验，生产井多采用水平井，水平井可以获得更大的储层泄 流面积，提高天然气产量。水平钻井开支巨大，是同进尺直井的2～3倍，提高钻井速度是减少钻井开支的关 键方法。在页岩气开发钻井作业中，直井层段一般采用常规的钻井技术，在水平层段钻进时，需要采用适用 于页岩地层的钻井技术。 欠平衡钻井技术 欠平衡钻井技术（Underbalanced Drilling，UBD）就是在钻井过程中，当设计的钻井液柱压力小于所钻地 层压力时，地层流体流入井眼，将其循环到地面，进行有效控制（图2）。欠平衡钻井技术能很好地克服钻井 作业过程中的卡钻、井漏、井塌等问题，提高钻井速度，减轻地层伤害，提高油气井产能，并实时发现地质 异常情况和评价油气藏，有效地降低油气田的勘探开发成本。 欠平衡可以有两种方式产生，即自然方式和人工诱导方式。自然方式又称为流钻(Flow drilling)，是指采 用常规钻井液钻井高压地层时，钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力，使井底压力自然处于欠 平衡状态。而人工诱导方式的欠平衡是指在钻井过程中，通过往钻井液中加入降密度剂（包括氮气、天然气 和空气等）使钻井流体的液柱压力低于所钻地层的孔隙压力以保持欠平衡钻井条件。 井壁坍塌是欠平衡钻井过程中容易出现的问题，当页岩地层中黏土含量较大时，容易出现井壁坍塌事故。 为了减少页岩地层在钻井过程中出现坍塌事故，一般使用空气钻井。空气钻井是以空气作为循环介质进行欠 平衡钻井，它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。在页岩水平钻井中，作业者通过压缩机将干燥的空气 注入井中进行低压欠平衡钻井，很好地克服了井壁坍塌和液体钻井液对储层伤害问题，同时也提高了水平井 产量。国外已经有应用低压欠平衡空气钻井技术开发页岩气的成功案例，美国能源部采用用空气钻井使泥盆 纪的页岩水平井产量提高了约10倍，达到8.4×104m3/d左右，在Texas州西部的页岩钻井中，作业者使用空气 钻井使钻井费用节省了64%。