页岩气与钻井技术

页岩气与水平井钻井技术

石工10-9班林鑫2010022116

(中国石油大学石油工程学院，北京102249)

摘要：

页岩气在世界油气资源中占有巨大的比重，但因其渗透率低，开采难度大。目前对页岩气的开采方式主要是以水平井为主。水平井与直井相比，具有与油层接触面积大，采油率高等特点，因而被广泛的应用到非常规油气和老井增产中去。本文分析介绍了水平井钻井技术中的一些关键技术，对水平井技术中存在的问题进行了探讨，并对水平井的几个研究的方向进行了介绍。

1.目的：

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上，以游离相态（大约50%）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间，以吸附状态（大约50%）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此，有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。中国主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿－30万亿立方米，经济价值巨大。另一方面，生产周期长也是页岩气的显著特点。页岩气的储量巨大，但开采难度也很高，为能充分开采页岩气，目前采用的技术有水平井技术和压裂技术，为此，对页岩水平井钻井技术的研究具有重要的意义。

2.技术进展

水平井是定向井的一种，指井眼轨迹达到水平后，井眼继续眼神一定长度的定向井。这里所说的“达到水平”是指井斜角达到90°左右（一般大于85°）。“延伸一定长度”一般是在油层里延伸，并且延伸的长度要大于有层厚度的六倍。

根据垂直段向水平段转弯时的曲率半径的大小，将水平井分为五类，分别为：

2.1水平井的优势

1.水平井的突出特点是井眼穿过油层的长度长，大大增加了井与油层的接触表面积，从而使油井的单井产量高，油井的生产速度快，减少了生产时间。

2.水平井在具有天然裂缝的岩层中，可以将天然裂缝相互连接起来，由于天然裂缝的渗透率要远大于岩石基质的渗透率，降低了油气流入井筒的压力损耗，形成阻力很小的输油线路，从而可以使一大批用直井或普通定向井无开采价值的油藏具有工业开采价值。

3.如果产层为水驱动，当原油粘度比水高的多时，垂直井可能会遇到水锥的问题，水平井可以在油层的中上部造斜，然后在生产层中钻一定长度的水平段，这样不仅可以减少水锥的可能性，延长无水采油期，而且每单位长度的产油段的压力降比垂直井产油段低，其他效果也都有所提高。同时水平井还能减少气锥的有害影响，提高油井产量。

4.水平井可以连续贯穿几个薄油层，从而使不具有工业开采价值的油层也能进行生产，提高了原油的采收率。

2.2水平井设计原则和设计顺序

水平井设计与一般定向井、大斜度井设计概念及设计程序是不同的。它是一门综合性多学科的、极其复杂的、相互关联的技术。涉及许多学科门类，如油藏工程、地质工程、采油工程、钻井工程等。

具体设计可分成垂直阶段、造斜阶段、、水平井眼阶段和完井阶段。垂直井眼阶段所做的设计要与造斜阶段、水平阶段、完井阶段等工艺措施相配套，特别要尽可能打直，为以后各阶段施工创造条件。造斜、稳斜阶段设计要侧重于造斜点和增斜率的选择，以及与水平段设计相同的各种技术要求。水平井眼阶段应包括钻具设计、井下动力钻具性能要求、钻井液选择、水力参数、钻头选择、井控等。完井阶段主要提出对完井工具、工艺技术及采油设备等的要求，以确定最小井眼尺寸、套管程序。

但是在水平井设计时，应按照从储集层物性、完井方法、曲率半径、套管程序、井下测量仪器和工具、地面设备的顺寻从上到下的顺序进行设计，但是在钻井过程中，设计的顺序正好与之相反。

2.3钻井技术在页岩气中的应用

页岩气水平井钻井是一项综合技术，需要与测井、油藏等学科结合起来在钻井过程中，FMI全井眼微电阻率扫描成像测井显示出水平井钻遇的裂缝和层理特征，钻井诱发的裂缝沿着钻井轨迹顶部和底部，沿应力最高的井筒侧面终止；MWD在钻井过程中提供井斜角和方位角信息；LWD随钻测井实时获得所钻地层岩性和岩石中流体的状况；SWD 随钻地震提供钻头前方待钻地层岩石类型岩石孔隙度、孔隙压力与其他声学敏感的岩石参数；通过三维地震解释技术能够更好地设计水平井井眼轨迹，钻遇更多的产层；采用GST 地质导向技术，根据随钻测量和随钻地质评价测井数据，控制井眼轨迹，使钻头始终沿油层钻进，自动避开地层和地层流体界面。水平井钻井在定向的时候由于扭矩高，摩阻大钻压高，造斜十分困难，通常采用旋转导向技术。

与常规钻井相比，页岩气钻井主要要实现3个方面的要求：第一，浅层的快速批钻钻井，即为了节省时间降低钻井成本，要实现浅层的快速钻进，往往采用

表层特殊钻机实现批钻；第二，水平段快速侧钻；第三，在钻井过程中，要时刻了解随钻过程中的岩石储层物性，以实现水平段着陆。

2.4水平井的地质导向技术

水平井在设计顺序完成后，要进行的下一步工作就是钻井。钻井过程中，如何控制钻头按照预定井眼轨迹进行钻井是水平井钻进过程中的关键。所以在钻进工程中，要进行地质导向。地质导向是在钻井过程中通过特定设备对地层中地质情况进行了解，并通过对地质情况的分析及时作出调整，使钻头能按照预定的轨迹进行钻进。

水平井井深轨迹的初级控制包括水平井的最优剖面的设计，下部钻具的组合。在设计水平井剖面时，必须考虑到造斜点处的井眼特性和现有下部钻具实现该剖的可能性。设计方法中要考虑的设计参数为：垂直井段的井深，顶角和井身弯曲强度等。对于井下钻具的组合在设计时要考虑工作情况。钻具的组合包括涡轮钻具、加重钻铤和支撑定心构件。在水平井的钻进实践中，由于定心器在井内不可能更换，所以很难通过改变它的直径来控制弯曲程度，此外，涡轮钻具外壳与井壁之间的间隙很小，也不允许加大定心器的结构尺寸，所以，控制弯曲的主要因素只有钻头上方的校准器和钻头类型。

控制水平井方位的技术必须用到井底遥测系统，以连续监测弯曲参数和有效校正井眼轨迹，其中必不可少的系统为MWD系统。无线随钻测量系统是目前国际上钻井中普遍采用的一种先进测量仪器。它可以在钻井作业的同时，实时测取地质参数、井眼轨迹参数，并绘制各种类型的测井曲线，为下一步施工提供依。MWD无线随钻测斜仪是在有线随钻测斜仪的基础上发展起来的一种新型的随钻测量仪器，其传输方式有钻井液脉冲、电磁波、声波和光纤4种.其中，钻井液脉冲和电磁波方式已经应用到生产实践中，绝大数的无线随钻测量系统都是采用钻井液脉冲传输方式，但钻井液脉冲方式不能用在空气钻井、泡沫钻井等没有连续液相的钻井。

2.4.1钻井液脉冲传输方式

钻井液脉冲传输方式主要有三种：连续波反式，正脉冲方式和负脉冲方式。