小口径岩心钻探技术在页岩气地质调查井中的应用分析

小口径岩心钻探技术在页岩气地质调查井中的应用分析

刘治

（山东省第三地质矿产勘查院山东烟台264004）

摘要：通过分析页岩气地质调查井的目的与要求，确定小口径岩心钻探技术在此领域的适用性。从页岩的物理化学特征以及页岩气气藏特点着手，开展对小口径岩心钻探技术应用于此领域的技术研究。从设备的选择、管理、技术三个方面分析此时小口径岩心钻探技术异于常规情况的要点控制，以保证页岩气地质调查井实施的经济性与安全性，促进小口径岩心钻探技术体系的进一步完善。

关键词：页岩气勘查；小口径钻探；岩心钻探；井控

Application Analysis on Small Diameter Core Drilling Technology in Shale Gas Geological Exploration Well/LIU Zhi(The Third Geological Teem of Shandong Bureau of Geology and Mineral, Yantai Shandong 264004, China) Abstract:By analyzing the purpose and requirements of the shale gas geological exploration well, the applicability of small diameter core drilling technology in this field is determined. Proceeding from the physical and chemical characteristics of shale and shale gas reservoir, the technical research on small diameter core drilling technology applied in this field is carried out. The analysis on the main points control is made for small diameter core drilling technology differing from conventional situation processing from equipments selection, management and technology to ensure the economy and safety of shale gas geology exploration well and further improve the small diameter core drilling technology system.

Key words: shale gas exploration; small diameter drilling; core drilling; well control

1 引言

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源［1］。

近几年，页岩气作为新能源成为世界能源研究的热点之一,其勘探开发在世界范围内轰轰烈烈的开展。除北美以外国家，我国的勘探与开发处于世界领先地位。但由于我国页岩气勘探开发起步较晚。目前存在页岩气勘探开发的关键技术未成熟、市场环境差，开发成本与收益悬殊以及政府对页岩气开发的补贴力度与市场准入的开放程度不够等诸多问题，造成我国页岩气勘探开发未形成大规模的产业化、商业化，依然处在起步阶段［2］。

该阶段，我国页岩气勘探开发依然需要蓄力，除研发先进的钻采技术与改善市场环境外，还应进一步深入对页岩气资源基础理论的研究，对有利目标区进行优选及资源量评价。而这项工作需要实施大量的页岩气地质调查井，通过获取岩心——实物资料从而获取有关的地质参数。

目前，随着矿业投资的减少，常规钻探工作量的下滑，页岩气地质调查井成为了钻探市场的主要任务之一。岩心钻探施工队伍根据市场需求，也随之进行了产业上的调整。而如何在页岩气地质调查井中安全、经济、高效的钻取岩心则是每个转型队伍需要面临与研究的问题。

2 页岩气地质调查井的特点

2.1 一般要求

页岩气调查井是页岩气基础地质调查的一种手段，是以了解富有机质泥页岩垂向分布、厚度，获取有机地化、岩石矿物、含气性等基本参数部署为目的的机械岩心钻探。深度一般＜2000m

（但目前，一些页岩气有利区域已实施2000~3000m钻井），完孔直径＞75mm。几乎要求全孔取心，目的层岩心采取率达到85%以上，附有煤炭测井和气测录井等。

2.2 小口径岩心钻探在页岩气地质调查井实施过程中的适用性

（1）基于我国页岩气勘探开发的阶段。我国页岩气勘探开发还处于起步阶段，此阶段要求我国对页岩气资源进一步加强认识，完善全国范围内的系统评价与调查，丰富页岩气储层地质理论、优化与评价页岩气有利区域等。在经历野外地质调查、重磁电页岩气物探调查、二维地震调查等地表调查手段后，必须采取以地下取样的方式进行验证。而地下岩心取样相较于岩屑取样更具有完整性与保真性，更能准确地划分地层与反应地下地质情况等。通过与井内地球物理测井相互印证，得出的科学数据更加准确。

（2）实施成本较低，经济效益好。页岩气地质调查井要求配有地球物理测井。目前岩心钻探对应的H口径，完井直径可以为95mm或98mm，完全满足测井仪器的下放要求。并且该口径的绳索取心技术十分成熟。相对于石油钻井的提钻取心，岩心钻探所投入的设备、人员、物资相对较少，成本仅为石油钻井的1/4~1/3。面对国家财政资金投入有限的困境，选择岩心钻探作为地质调查井的实施手段，也是一种资源最优化配置的选择。

（3）易于实施施工。相对于石油钻井工程，小口径岩心钻探施工所需要的设备、管材、工具的外形尺寸、质量较小，对场地及道路运输条件的要求较为简易，几乎在所有页岩气的地质调查范围均可采用，受地形地貌的影响较小。

（4）独特的取心优势。①取心效率高，采取绳索取心技术，可以实现连续取心，减少取心操作时间与辅助时间；②取心操作时间较短，可以满足一些保真科学实验的实施要求。

3 小口径岩心钻探技术应用于页岩气地质调查井的影响因素

页岩气地质调查井以泥页岩地层为实施对象，以发现、分析页岩气资源为目的。因此，在实施的过程中，应在考虑泥页岩地层特点的基础上，分析页岩气气藏特点，带有预防性质的提出具有针对性的技术措施与管理模式，以保证施工的安全性与成功率。

3.1页岩物理化学特征的影响

页岩是一种沉积岩，成分复杂，除粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母等）外，还含有许多碎屑矿物（如石英、长石、云母等）和自生矿物(如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等)。是由粘土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成，具有薄页状或薄片层状的节理。

（1）页岩表现为脆性易裂碎，抗风化能力弱。多数情况下页岩的普氏硬度系数1.5~3，结构比较致密者，其普氏硬度系数可以达到4~5，属于软岩或中等坚硬岩石。

（2）根据形成岩石时沉积情况的不同，页岩的塑性指数为5~23，属于粉土、粉质粘土和粘土范围。

（3）不同的页岩，其化学成分指标也是不一样的，自然界存在的页岩，其化学成分含量变化也是比较大的。一般情况下，页岩的Si02，含量在45%~80%，Al2O3量在12%~25%，Fe2O3含量在2%~10%，CaO含量在0.2%~12%，MgO含量在0.1%~5%。

由上可以分析得知页岩对小口径岩心钻探应用的影响有：

（1）页岩受构造影响后，破碎为脆性破碎。

（2）为亲水性岩石，属于软—中硬地层，吸水后可塑性较强。

（3）岩石表现为各向异性。

根据岩石可钻性分级，页岩可钻性为4级。

3.2 页岩气藏的分布及特征的影响

根据董大忠［3］等研究成果，我国页岩气主要储存于海相、海陆交互相以及陆相3类有机质泥页岩。我国三大类型机页岩分布情况及特点参见表1。）

表1 我国三大类型机页岩分布情况及特点