页岩气井高效开发井筒稳定性及水力压裂控制技术研究

目录
一 背景 二 页岩气井井筒失稳机理与控制技术 三 页岩储层高效压裂地质力学关键技术 四 基础条件
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
1、传统井壁稳定研究存在的问题
9 页岩储层致密，渗透率极低（纳达西）, 钻井液如何参与井壁围岩破坏； 9 提高密度不能有效抑制垮塌，钻井液性能、井眼轨迹如何影响井壁破坏； 9 传统钻井液性能对坍塌压力影响程度偏经验化，缺乏科学性量化指标。
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
2、需要解决的关键难题
难题1
井壁围岩微裂 缝如何形成
确定合理的 钻井液密度
合理液柱压 力支护井壁
难题2
钻井液如何参与 井壁围岩破坏
优化钻井液的化 学性能
强化井壁岩石强 度
传统井壁稳定理论存在的缺陷
J.C. ROEGIERS Younane N.
从1962 ~ 2012年，E. Detourny, Rice, Yew, Reogiers, Younane认为岩石应力超过破坏准则井壁破坏，没有解 释两个问题：
页岩气井井筒稳定性是页岩气高效开发最为关注的重大攻 关方向之一，是具有挑战性的国际难题。
一、背景
我国页岩气赋存环境
与美国页岩气相比： z 中国页岩气赋存环境恶劣，储层埋藏深度更深（一般大于2000m）； z 断层与构造运动更加剧烈、产层不均质性显著，页岩储层以裂隙和微孔
为主，层理、节理及夹层发育。
2014年西南油气田预计总开钻100口多井，在2015 年年初、一季度、二季度分别投产1/3
一、背景
页岩气开发现状
地质构造特征
构造地应力 断层
岩石力学特征 分段压裂方式 钻井液体系
中石化焦石坝产区
中石油长宁产区
位于包鸾-焦石坝背斜带焦石坝构造，焦石坝构造 位于四川盆地东部川东隔挡式褶皱带、盆地边界 断裂齐岳山断裂以西，是万县复向斜内一个特殊 的正向构造。焦石坝构造主体变形较弱，上、下 构造层形态基本一致，表现出似箱状断背斜形态， 即顶部宽缓、地层倾角小、断层不发育，两翼陡 倾、断层发育； 储层为上奥陶统五峰组-下志留系龙马溪组下部为 主
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
应力作用下井壁围岩压力传导规律
最大应力出现在 井壁至井周515mm
径向应力
周向应力
9 随着距井眼半径增大，径向应力逐渐减小，随着时间的增加，径向应力增大。 9 随着距井眼半径的增加，井周切向应力先减小后增大。当地层压力扩散传导一段
时间后，切向应力随着距井眼半径的增加而增大，并始终处于拉伸状态。
预计产量：
9 2014年在涪陵实现40亿立方米页岩气总产量 9 2015年力争在涪陵形成50亿立方米/年的产能。 9 2017年焦石坝地区计划建成产能100亿立方米页岩气田
新井：
2014年计划新开钻页岩气水平井87口，投资52‐70亿元；
至2015年底共开钻253口井，2013年‐2015年总投 资152‐ 202亿元 2014年1月29日，随着涪陵工区焦页15-2HF井正式开钻，标志 涪陵国家级页岩气示范区圆满收官，一期产能建设拉开序幕。
南充 内江
达县 重庆
昭通
六盘水
贵阳
昆明
中国南方地貌卫片解译图
明确国内外页岩气开采的理论、技术和方法的差异性
建立适合国内的“工厂化”钻井和压裂理论、技术方法可以有效指导我国 页岩气储层的高效开发。
一、背景
z 钻完井井筒稳定是指井眼在钻完井过程中保持规则的尺寸与形状且与水泥 环、套管协同作用降低地层流体在井眼整个寿命期间无控制流动的风险， 保证油气井安全钻进与开采，是事关钻完井安全、高质的核心技术。
9延长油矿：直井1口、水平井2口
9壳牌：直井5口、水平井3口
一、背景
页岩气开发现状
中石化焦石坝产区
中石油长宁地区
当前产量：
2013年 累计产气1.43亿立方米，建成产能6亿方； 其中： 焦页1‐HF井日产20.3万立方米；
焦页1‐3HF井日产11万立方米； 焦页7‐2HF井日产12万立方米； 焦页6‐2HF井日产37.6万立方米； 焦页8‐2HF井日产54.7万立方米； 焦页9‐2HF井日产6万立方米。
9南方勘单探一：裂涪陵缝国家级页岩气示范区日产气220万立方米
，进入产能建设阶段；随着丁页1HF和丁页2HF的成功开发 ，丁山地区成为中石化第二个页岩气突破区。 9华东局：直井4口、水平井2口。其中南页1HF井深 5820m，成为国内最深页岩气井 9河南油田：水平井1口 9胜利油田：水平井1口：渤页平1 9江汉油田：直井1口、水平井3口 9西南局：直井1口
过困难，施工压力较高； ¾ 加砂困难和频繁砂堵； ¾ 压裂液返排出液量较高； ¾ 同步压裂井间缝网干扰； ¾ 同步压裂压裂施工参数设计缺少理论支持； ¾ 工程设计与施工缺乏有效基础参数支撑；
一、背景
压裂解决方案
针对储层地质环境特点，进行地质力学精细描述，为压裂设计 和施工提供理论支持和有效基础参数。
当前产量：
目前长宁—威远国家级页岩气示范区完钻16口井， 完成压裂试气12口井，直井日产量0.2‐3.3万方，水平 井日产量1‐16万方。 其中：宁201‐H1井日产15万方，其他产量较低。
预计产量：
9 2014年在长宁‐威远、云南昭通区块完成20‐30亿方的 页岩气产量。
新井：
2014年长宁‐威远地区预计投产8口新井；
理论：揭示页岩储层同步压裂井间缝网干扰机理和层间扩展
机理，实现页岩气生产与压裂缝网的主动调控。
方法：基于岩石力学、断裂力学和损伤力学相结合，将微观
-细观-宏观多尺度协同研究方法引入到页岩气压裂设计中， 以实现页岩气的高效开发。
技术：针对地质环境因素和现场施工难点，结合室内理论和
研究方法，提出可行技术措施，有效指导压裂设计和施工。
在获得不同体系钻井液条件井壁围岩裂缝应力强度应力后，即可利用 井壁围岩的断裂韧度 来判断井壁围岩缝网的扩展情况。当裂纹尖端的应 力强度因子K大于断裂韧度KIC后，裂缝发生扩展。
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
钻井液润湿特性对岩石裂缝网络的影响规律
9 界面张力与应力强度因子呈线性关系； 9 随着润湿角的增加，应力强度因子减小，且在润湿角在90°附近时应力强度因子
井壁的破坏首先发生在井壁围岩内部，而非在井壁； 致密地层井壁失稳发生在井眼裸露一段时间后发生。
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
3、揭示了页岩地层井壁围岩失稳的本质
通过室内试验发现了致密性页岩内部微裂缝萌生、扩展和形成缝网导致 井壁呈现周期性垮塌的现象。
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
提出了“井壁围岩裂缝萌生、发展、贯穿解体模型”新概念
焦页1HF井井下掉块
一、背景
9 水平井分段压裂时井下动态应力条件井筒完整性失效机理不清； 9 常规水泥环封隔质量难以保证，现有室内试验条件无法准确评价水泥环在井
下动态应力环境的密封失效问题。
封隔器上下第一界面失效，射孔段完 整性好？？？
抗压强度不能作为是否成为有效层间 封隔的指标。
一、背景
国内外井筒稳定技术现状
井壁围岩失稳本质：密度偏低，非均匀地应力挤压形成的应力集中导致 井筒附近微裂缝区形成，钻井液滤液沿沟通井筒的弱面（层理面、裂缝） 进入地层，钻井液和地应力联合作用导致裂缝传播、扩展与裂缝网络形 成，直至本体解体，井壁围岩发生周期垮塌。
裂缝如何产生？裂缝为什么会扩展、转向并形成裂缝网络？ 裂缝扩展、转向的本质是什么？
页岩气井井筒稳定性 及水力压裂控制技术
• 中国石油大学（北京） • 陈勉 • 2014 年 4 月
目录
一 背景 二 页岩气井井筒失稳机理与控制技术 三 页岩储层高效压裂地质力学关键技术 四 基础条件
一、背景
页岩气开发现状
中石油
中石化 延长油矿 壳牌合作
92009年12月第一口页岩气井威201井开钻 9 西南油气田：自营区直井16口、水平井4口；壳牌钻直井5 口、水平井3口。其中宁201-H1井和阳201-H2井初期产量 超过15万方，其它产量不高。 9浙江油田：直井5口、水平井1口
目的层 龙马溪 龙马溪 筇竹寺
复杂情况 井漏、井壁垮塌、卡钻
垮塌、阻卡、井漏 侧钻，垮塌提前完钻
损失时间d 73 38.8 62
一、背景
9焦页1HF井井漏后井壁发生垮塌，起下钻8次其中5次上提遇卡，在2300m2430m井段遇阻频繁，提前中完。 9焦页10-2HF井志留系韩家店组时发生严重的井塌卡钻事故，造成填井侧钻。 9泌页HF-1井、建页2HF井：井漏导致垮塌，填井侧钻。
一、背景
钻完井井筒失稳难题
9威201-H1井采用了油基防塌钻井液体系并提高钻井液密度在龙马溪页 岩层段井壁垮塌严重，高密度段塞累计举出垮塌物约35m3。 9威201-H3井钻进至井深3642.24m因井下垮塌造成卡钻，提前完钻。
井号 宁201‐H1 威201‐H1 威201‐H3
井深m 3790 2823 3648
9 国外主要依靠油基钻井液技术解决页岩地层井壁失稳难题，但我国部分页岩地层 采用油基钻井液井壁垮塌更严重（威201-H1井）；
9 采用弹塑性水泥、泡沫水泥及套管居中技术提高固井质量，技术封锁，成本高。
探索适合中国页岩气地层特征的钻采技术显得尤为重要。
一、背景
高效压裂技术关键
页岩气储层一般低孔隙度、低渗透率，采收率低。水平井及分段 压裂成为提高储层泄流面积和天然气产量的主要技术。
走滑断层
发育多条走滑断层
垂直与水平方向均质性好，利于水平井井壁稳定
页岩水平层理非常发育
单井压裂、拉链式压裂
单井压裂、拉链式压裂
油基钻井液体系（与长江大学合作）
油基钻井液体系
提出符合构造地质环境的井筒稳定控制技术和高效压裂设计理论和方法。
一、背景
页岩气开发现状 1美.研国页究岩现气状“工厂化”生产
成都 乐山
重要技术关键：如何部署水平井，如何保证直井段、定向段及水平段 的快速、安全钻进，如何利于分段压裂。如何解决井工厂同平台多口 水平井的轨迹设计与控制及互相干扰的分段压裂设计与施工技术难题。
钻井液 密度
（g/cm3）
需要明确勘探开发区块的地质环境
一、背景
压裂面临问题
¾ 岩石力学、地应力及脆性指数等关键参数判别精度较低； ¾ 储层内部上下层间脆性特征差异性明显； ¾ 埋藏较深，破裂压力较高，对施工排量和施工压力有一定限制； ¾ 裂缝延伸结果无法有效评判； ¾ 小规模断层对压裂规模设计有一定影响； ¾ 部分层段泥质含量较高，地层偏塑性，裂缝扩展困难；缝宽较窄，支撑剂通
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
（1）裂缝的形成：建立了基于孔隙弹性理论的井周应力分布模型
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
应力作用下井壁围岩异常压力变化特征
打开井壁瞬间
48小时以后
9 孔隙弹性造成井壁打开瞬间水平最小主应力处产生异常高压，近井地带孔 隙压力当量密度增长0.25；
9 对于致密性页岩储层，渗透率较低，孔隙中流体扩对策
获得了井壁围岩裂缝体形成的控制因素
地层渗透率对破坏的影响
差应力对破坏的影响
原始孔隙压力对破坏的影响
地层渗透率越低，破坏作用的时间越长，说明破坏产生裂缝区越发育； 随着差应力比值增加，岩石将持续发生破坏； 随着井筒孔隙压力的增加，井壁围岩破坏加剧。
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
（2）裂缝的扩展：建立了岩石与钻井液接触过程中微裂缝体扩 展的控制方程。
新理论的核心是将钻井液与岩石接触的润湿特性引入传统的水力裂缝张开性扩展理 论，发展为错动张开性扩展，为井壁围岩裂缝弯曲扩展提供了科学判据。
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
水基钻井液时，考虑界面效应的缝尖应力强度因子为
油基钻井液时，考虑界面效应的缝尖应力强度因子为
二、强水敏页岩地层井壁失稳机理与对策
提出了有时间效应的井壁围岩破坏准则
井壁围岩微裂缝形成必须具备两个条件： 9 井周应力值超过岩石强度； 9 地应力差值产生的超过岩石强度近井筒异常应力状态持续一段必要的时间。
莫尔库伦破坏临界线
评价指标：地应力、孔隙压力、井筒液 柱压力、岩石强度、地层渗透率和作用 时间
北部为长宁构造，形似雏鸟，主体构 造轴部为北西西-南东东向，剖面反映 的构造形态为北陡南缓的单箱状、裙 边式复式背斜，西倾没端与北东向的 灯杆坝构造呈斜鞍相接触，构造东北 翼较陡。
主要的页岩气目的层为志留系龙马溪 组和寒武系筇竹寺组。
上覆岩层压力与水平最大主应力大小相近
区域最大主应力方向为东偏东南，部 分井区略有差异，应力方向相对集中。 上腹岩层压力为中间应力。