页岩气钻井关键技术及难点研究

无法明确判定钻头实际工作的钻压；钻具在过高的轴 水平位移长，套管在井眼内存在较大偏心，低边泥浆难
向压力下会发生屈曲。
以驱动，产生“拐点扰流”现象；油基钻井液必须进行润
4.3 岩屑床难清除
湿反转后，水泥浆才能有效胶结。
泥页岩的崩塌、钻井液性能及返速、钻井岩屑重力 4.10 固井过程中井漏
效应使得岩屑床难清除，残留的岩屑将进一步增加摩
第 32 卷 第 6 期 2013 年 6 月
石油化工应用 PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION
Vol.32 No.6 June. 2013
页岩气钻井关键技术及难点研究
郭 昊 1，袁 玲 2
（1.中石化江汉油田钻井一公司，湖北潜江 433100；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）
性。另外，页岩气水平井钻井要考虑其成本，垂直井
水平井钻井技术是降低页岩气开采成本的一项非 段的深度不超过 3 000 m，水平井段的长度介于 500～
常关键技术，水平井的推广应用加速了页岩气的开发 2 500 m。考虑到钻井完成后，页岩气开发要进行人工
过程。页岩气开发先后经历了直井、单支水平井、多分 压裂，水平井延伸方位要垂直地层最大应力方向，这样
1 页岩气定义及其基本特征
页岩气是一种特殊的非常规天然气，赋存于泥岩 或页岩中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成 藏、低孔低渗等特征。一般无自然产能或低产，需要大 型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生 产周期长。页岩气藏与常规气藏基本特点对比 （见表 1）[2~3]。
* 收稿日期：2013－04-08 作者简介：郭昊，男（1988-），2011 年毕业于长江大学石油工程专业，现主要从事钻井方面的研究工作。
已经钻成了水平位移超过 10 000 m，最大水平段长度 4.6 套管受损
已达 6 000 m 以上。目前国内浅层大位移水平井钻井
套管柱通过水平井弯曲段时随井眼弯曲承受弯曲
研究情况非常缺乏。
应力作用。同时，套管属于薄壁管或中厚壁管，套管柱
随井眼弯曲变形时，即使弯曲应力未超过其材料的屈
4 页岩气钻井技术难点
合，确保页岩地层水平段井眼基本按照设计轨迹钻 过程中的关键之一。
进。对于厚度变化大的页岩地层，采用 PDC 钻头+螺杆 3.2 钻井井位部署
钻具+LWD 底部钻井组合, 确保井眼沿设计轨迹快速
页岩气的吸附气含量达到 25 %~85 %，同时没有
钻井。
远距离的运移和聚合，因此，其开采必须借助于现代化
（2）控压或欠平衡钻井技术，用于防漏、提高钻速 的压裂工艺，通过进一步扩充裂缝，连通相关的孔隙，
随着能源需求压力、天然气价格的增长、开发技术 不断提高以及人们对新型清洁低碳能源的依赖，目前 页岩气正愈益受到社会的广泛关注，成为世界资源勘 探开发的重要领域。我国页岩气资源丰富，可采储量 36 万亿立方米左右[1]，但页岩气的勘探和开发正处于 初级阶段，技术不够成熟。本文对页岩气水平井钻井技 术进行了阐述，指出钻井过程中的关键技术，总结了页 岩气钻井技术难点。
浅层大位移水平井，由于其定向造斜段造斜率高， 成为页岩气开发的主要钻井方式。
斜井段滑动钻进，定向时容易在井壁形成小台阶；造斜
（3）页岩气钻井的关键技术包括页岩气进入井眼
点至 A 靶点相对狗腿度较大，起下钻过程中容易形成 途径、钻井井位部署和浅层大位移井技术。
第6期
郭 昊等 页岩气钻井关键技术及难点研究
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表 1 页岩气藏与常规气藏基本特点对比表
特点
页岩气藏
常规气藏
成藏条件
自生自储
运移路径上的圈闭
储集介质
页岩或泥岩及其间的砂质岩夹层
多孔隙砂岩、裂缝性碳酸盐岩等
赋存方式
20 %~80 %为吸附，其余为游离和水溶
各种圈闭的顶部高点，不考虑吸附影响因素
分布特征
摘 要：随着世界能源发展需求，页岩气已成为全球能源界焦点。页岩气的独特特征使其开发技术不同于常规油气。阐述 了页岩气水平井钻井技术，页岩气进入井眼途径、钻井井位部署和浅层大位移井技术为页岩气钻井关键技术。指出页岩气 钻井技术难点主要有井壁稳定技术、井眼轨迹优化设计和控制技术、下套管与固井技术、降摩阻技术、井眼清洗技术。 关键词：页岩气；水平井钻井；关键技术；技术难点 doi:10.3969/j.issn.1673-5285.2013.06.004 中图分类号：TE243 文献标识码：A 文章编号：1673-5285（2013）06-0012-04
面摆放困难等因素使井眼轨迹控制难。井漏、井垮以 5 结论
及其它井下事故和复杂情况；频繁变化的扭矩严重干
扰定向的实际效果，定向工具、钻头作用力方向控制
（1）页岩气储层具有自生自储、低孔低渗、无自然
和调节。
产能、开发周期长的特点，因而具有独特的开发方式。
4.5 套管下入困难
（2）水平井能有效提高页岩气的开发效率，目前已
支水平井、丛式井、丛式水平井钻井（PAD 水平井）的发 才能保证能沿着地层最大应力方向进行压裂。
展历程，目前水平井已成为页岩气开发的主要钻井方
式。在页岩气层钻水平井，可以获得更大的储层泄流面 3 页岩气钻井关键技术
积，更高的天然气产量。
根据美国页岩气开发的经验，水平井的日均产气 3.1 页岩气进入井眼途径
（1）水平段导向技术，用于地层引导和地层评价， 表面进行解析；在浓度差的作用下，页岩气由基质系统
确保目标区内钻井，对于厚度大，横向分布范围大的页 向裂缝系统进行扩散；在流动势的作用下，页岩气通过
岩地层，采用 PDC 钻头+螺杆钻具+MWD 底部钻井组 裂缝系统流向井眼。页岩气进入井眼途径复杂，是钻井
力集中，井眼未能建立新的平衡。井壁稳定性差导致各 4.8 套管居中程度差
种相应的井下事故或复杂情况（井漏、井垮、钻具阻卡严
由于造斜点浅，从造斜点至 A 靶点，井斜将达最
重、埋钻具）的发生，从而限制了钻头、钻具组合、钻井液 大井斜，下套管时，斜井段套管易与井壁发生大段面积
以及钻井参数的选择和确定。
接触。当井斜超过 70°时，套管重力的 90 %将作用于井
量及最终产气量是垂直井的 3～5 倍，产气速率则提高
页岩气井中，页岩气进入井眼的过程如下：在钻
10 倍，而水平井的成本则仅为垂直井的 1.5~2 倍。国外 井、完井压降的作用下，裂缝系统中的页岩气流（游离
在页岩气水平井钻井中主要采用的相关技术有[4]：
气）向井眼并且基质系统中的页岩气（吸附气）在基质
和储层保护，采用空气作循环介质在页岩中钻进，欠平 从而获得一定产能的页岩气。以前由于压裂工艺和设
衡钻井时，人们有意识地在裸眼井段使井筒压力低于 备的限制，导致无法获得具有工业价值的页岩气。现代
地层压力，当钻遇渗透性地层时，地层流体会不断流入 设备和技术的快速发展，是目前页岩气工业能够快速
井筒并循环到地面加以控制，页岩气用空气作循环介 发展的重要因素之一。
（3）泡沫固井技术，用于解决低压易漏长封固水平 60°，具有很大的水平位移和很长的大井斜稳斜井段。
段固井质量，套管开窗侧钻水平井技术，降低增产措施
地质导向工具、旋转导向钻井系统、闭环钻井、先
的技术难度。
进的随钻测量系统、新型钻井液、先进完井工具得到开
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石油化工应用 2013 年
第 32 卷
发和应用，促进了长水平井钻井技术的迅速发展，目前 能否安全下至地质设计井深有很大的风险。
2.College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan Hubei 430100，China）
Abstract:With the developing needs of the world's energy,shale gas has become the focus of the global energy field.As the unique characteristics exist in shale gas,its exploitation technol－ ogy is different from that of the conventional oil and gas.In this paper,shale gas horizontal drilling technology is presented.Key drilling technologies of shale gas include:the pathway of shale gas into the wellbore,the deployment of drilling locations and shallow extended reach well technology.Pointed out that shale gas drilling technical challenges are wellbore stability, well trajectory optimization of the design and control technology,casing and cementing tech－ nology, friction reduction technology,well bore cleaning technology. Key words：shale gas；horizontal drilling；key technology；challenge
4.2 摩阻和扭矩高
眼下侧，套管严重偏心，居中难以达到 66.7 %以上。
摩阻和扭矩来源于钻具与井壁摩擦、钻头扭矩、机 4.9 固井前洗井、驱替效果差，水泥浆胶结质量差
械扭矩和动态扭矩。摩阻和扭矩高会导致如下问题：起
岩屑床中的岩屑也难以清洁干净；油气层顶界埋
钻的负荷明显增加，下钻的阻力大；定向滑动钻进时， 深浅，顶替时接触时间段，不容易顶替干净；井斜角大、
固井作业过程中，井底泥浆柱产生的正压差要比
阻、扭矩和井下事故复杂发生的机率。
钻井过程中压差大得多。且要求水泥浆返至地面，封固
4.4 井眼控制轨迹难
段长，由于水泥浆摩阻及携砂能力大于常规钻井液，顶
页岩气井造斜点浅、井壁稳定性差，目的层疏松、 替钻井液后期易造成水泥浆漏失。
机械钻速高、井径变化大、扭矩规律性不强，定向工具
页岩内粘土矿物遇水膨胀，形成新的孔隙、膨胀压力， 松，胶结质量差，同时页岩易垮塌的特性，上部钻具自
削弱结构力；层理和微裂缝较发育，水或钻井液滤液极 身质量轻，加压困难，导致整个钻具组合的选择更加受
易进入微裂缝破坏其原有的平衡，破坏泥页岩胶结性， 限制。如果钻具组合选择不恰当，极易偏磨套管。扭矩、
导致岩石的破裂。井眼周围的应力场发生改变，引起应 摩阻过大，也将极易导致发生钻具事故。
服极限，但套管截面已成为椭圆形状而丧失稳定性。由
于椭圆的短轴小于套管公称尺寸，故一些工具无法下
4.1 井壁稳定性差
入。套管柱弯曲严重时也有可能产生屈曲变形破坏。
成岩过程后，强结合水变成自由水，排不出则形成 4.7 钻具组合选择局限性大
高压，孔隙压力高于钻井液密度；滤液进入层理间隙，
浅层大位移水平井，由于造斜点浅，上部地层疏
质在暗色页岩中钻进，可依据演化模式预测暗色页岩 3.3 浅层大位移井
对扩散相天然气封闭的能力，以指导页岩气藏勘探，提
大位移井是在定向井、水平井技术之后又出现的一
高勘探开发水平。另外，在页岩气水平井钻井中，采用 种特殊工艺井。大位移井的定义一般是指井的水平位移
欠平衡钻井技术，实施负压钻井，能够避免损害储层。 与井的垂深之比等于或大于 2 的定向井且井斜角大于
Key technologies and challenges research of shale gas drilling
GUO Hao1，YUAN Ling2 （1.NO.1 Drilling Company of Jianghan Oilfield，Sinopec，Qianjiang Hubei 433100，China；
大面积分布，丰度低
局部高度富集
渗流特征
纳米级空间渗流
微米级空间渗流
储层物性
物性差，低孔低渗，一般不具自然产能
物性好，一般具有自然产能
开采特征
压力驱动开采，单井产量高
需实施储层压裂改造，生产周期长
经济效益
成wenku.baidu.com高，回收期长，效益差
成本低，回收期短，效益好
2 页岩气水平井钻井技术
（4）有机和无机盐复合防膨技术，确保井壁的稳定