控壓鉆井技術在頁巖氣鉆探中的應用前景

唐守寶盧 倩宋一磊李明建周號博

（1.神華地質勘查有限責任公司，北京 100011；2.北京探礦工程研究所，北京 100083； 3.中國石油大學，北京 102249）

控壓鉆井技術在頁巖氣鉆探中的應用前景

唐守寶1盧 倩2宋一磊1李明建1周號博3

（1.神華地質勘查有限責任公司，北京 100011；2.北京探礦工程研究所，北京 100083； 3.中國石油大學，北京 102249）

隨著國內頁巖氣勘探開發進程的不斷加大，頁巖氣鉆井過程中遇到的復雜事故也愈發凸顯。針對我國南方易漏、巖性構成復雜的頁巖地層，為了快速、安全有效地鉆穿復雜頁巖層段，決定采用控壓鉆井技術破解頁巖氣層常見鉆井難題。國內南方揚子地區主要發育了2套頁巖地層：志留系龍馬溪組和寒武系牛蹄塘組，純頁巖段較少、巖性構成復雜且破碎嚴重。根據頁巖氣鉆井資料，鉆井過程中經常鉆遇灰質、粉砂質和硅質頁巖，溢流和井漏經常并發出現，頁巖層發育較厚的目的層段鉆井鉆井液密度窗口較小，井壁極不穩定。結合頁巖地層巖性發育特征、控壓鉆井技術特點、室內實驗分析、現行的控壓鉆井配套設備等相關因素，可以考慮采用井底常壓法控壓鉆井技術鉆穿大段復雜頁巖層段。

頁巖地層；頁巖氣；復雜巖性；窄密度鉆井液窗口；控壓鉆井；壓力系數；井底常壓法

控壓鉆井作為一種新型的鉆井工藝，是繼欠平衡鉆井技術之后又一項新的鉆井革新技術?？貕恒@井通常是指在油氣鉆井過程中可以控制井筒靜液壓力變化，實現安全快速鉆井的新型鉆井技術（MPD技術）［1］。控壓鉆井技術較常規鉆井技術有以下主要優勢：（1）倘若發生井漏現象可快速及時地降低井底壓力；（2）窄密度窗口井段能夠及時地監測井漏和井涌；（3）可以在井口快速加回壓，預防井噴事故發生；（4）能夠減少壓差卡鉆事故的發生，在井控較好的前提下更精細地控制井底壓力波動［2］?？貕恒@井技術在鉆進過程中可以快速調節套壓，增大ECD（當量循環鉆井液密度），快速應對井壁失穩，對處理窄密度窗口復雜井段非常有利。

1 壓力鉆井技術模型

1.1 井底恒壓鉆井技術

井底恒壓鉆井方法即“當量循環密度控制”，指用略低于常規現場經驗密度的鉆井液進行近平衡鉆井，關井接單根時，地面的回壓同井底壓力之間保持適度的過平衡狀態，從而控制地層流體的侵入［3］。井底常壓法可以做到在鉆井過程中保持井底壓力基本維持在可控的一個小范圍之內，既不會因壓力過大壓漏地層也不會因壓力過小導致地層流體進入井筒。

1.2 常規鉆井井底壓力計算模型

根據現有研究成果，常規鉆井過程中密閉環形空間井底壓力通常主要受到環空壓耗、井口壓力、壓力波動量（抽吸壓力和激動壓力或因其他因素引起鉆井液擾動而產生的壓力變化）影響，其模型為

式中，pb為井底壓力，MPa；ph為井筒靜液柱壓力，MPa；pc為套壓，MPa；pm為井口壓力（井口回壓），MPa；pf為環空壓耗，MPa。

依據上述計算模型，假如pb＞pp（地層孔隙壓力），則井底壓力會進入地層孔隙通道污染儲層，壓差過大則壓裂地層造成井漏事故，如果pb＜pp［4］，地層流體進入井筒，壓差過大會造成井涌甚至井噴事故，這種情況通常在異常高壓地層出現［5］。

1.3 井底常壓法控壓技術井底壓力計算模型

根據井底常壓控制壓力鉆井設計計算研究成果［6］，結合現場鉆井情況分析，壓力波動通常是在起下鉆和鉆進的過程中出現，停泵后環空壓耗為0井口回壓達到最大。鉆進過程中井口回壓為0，環空壓耗達到最大［7］。因此，為保持井底壓力基本恒定，可控的井底壓力計算模型為

根據式（2），可通過調整井口回壓來實現井底壓力維持在合理的范圍之內，避免出現較大的壓力波動，根據國內控壓鉆井技術現場試驗結果，目前多數井底壓力控制精度已經達到0.3 MPa左右。

2 國內頁巖地層巖性發育特征

2.1 國內頁巖氣埋藏發育概況

頁巖氣的主體通常位于暗色泥頁巖或者高碳泥頁巖中，主要以吸附或游離狀態為主要存在方式。除此之外，在頁巖氣藏中，氣體也常存于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、甚至砂巖地層中［8］，頁巖氣和常規氣體成分雖然都是以甲烷為主，但是二者在地下存在方式差別卻截然不同，首先是二者埋藏巖性不同；其次二者賦存方式及孔隙發育特征差異較大。就頁巖氣埋藏情況來看同一時代環境下也會發育不同的頁巖，因此中國南方頁巖發育和美國一些大的頁巖層發育集中的地區巖性存在許多不同，相對而言南方頁巖構成更為復雜［9］。

2.2 南方揚子地區頁巖地層巖性發育特征分析

頁巖層段巖性礦物含量復雜，在鉆井過程中面臨的鉆井環境和常規油氣層段比較相似，必然也會面臨諸多復雜鉆井事故。搞清頁巖地層巖性發育情況對預防井下復雜事故的發生有較好的指導意義。根據南方揚子地層調研資料，南方頁巖主力生氣層目前主要以志留系龍馬溪組和寒武系牛蹄塘組為主，三疊、二疊和震旦系也均有發育。頁巖地層主要以碳質和硅質泥、頁巖為主，其中還夾雜有少量砂巖、碳酸鹽巖及白云巖等多種礦物［10］?？傮w來說，除了巖性礦物構成復雜之外，南方頁巖地層巖石強度在橫向上均質性差，破碎帶較為發育。南方頁巖地層巖性有一個明顯的特征：純頁巖發育不明顯，大段泥頁巖較少，巖性礦物含量復雜、夾層較多，受地質構造影響破碎帶發育較多（見圖1），在后續鉆井過程中鉆遇此類破碎嚴重的地層極易產生井壁不穩定。

圖1 南方某區塊取芯收獲后的龍馬溪組破碎頁巖

3 針對頁巖地層巖性特征的控壓鉆井技術

3.1 頁巖地層鉆井面臨的主要復雜事故

國內頁巖氣鉆探處于起步階段，頁巖氣鉆井過程中主要面臨的問題包括如何提高頁巖儲層鉆遇率，快速合理地發現頁巖油氣顯示，保護異常低壓頁巖儲氣層的同時還可以兼顧提高鉆井安全性等幾個主要問題。調研已鉆頁巖氣井資料發現：多數在鉆遇頁巖發育較好的層段時常因鉆井液處理不當導致溢流和井漏同時發生，井壁失穩現象明顯。

因此，為有效應對硬度較低、巖性礦物構成復雜、頻繁發生溢流和井漏的窄密度窗口頁巖層段，借鑒常規油氣鉆井經驗，可引入井底常壓控壓技術鉆穿大段復雜泥頁巖儲層段。

3.2 利用常壓控壓鉆井技術鉆開頁巖復雜層段可行性

由于頁巖層段巖性組成非常復雜，且埋藏深淺差別較大，再加上頁巖本身易吸水膨脹，夾雜大量灰巖極易發生井漏，而且膠結性較差，巖體缺乏良好的整體穩定性［11］。對于淺部的軟泥巖則更容易發生井眼彈塑性縮徑問題，會造成一系列鉆井事故［12-15］。因此，利用控壓鉆井技術控制井底壓力波動有利于維持井壁穩定性，提高鉆井速度和鉆井質量。

總體來說，利用常壓法控壓鉆井技術可以快速、安全有效地鉆穿窄密度鉆井液窗口頁巖地層，有效遏制地層坍塌破裂事故的頻繁發生，也可以保護裂縫發育相對較好的頁巖油氣儲層，不容易污染儲層。

3.3 井底常壓法控壓鉆井方案分析

控壓鉆井的關鍵就是搞清井底壓力變化時間、壓力變化主要因素，在此基礎上通過補償壓力變化以求達到控制井底壓力盡可能地和地層壓力平衡，圖2為南方一口頁巖氣井在鉆進過程中壓力系數變化曲線，圖中壓力波動的幾個點基本上都是在接單根后由于下鉆過快或者開泵過猛導致突然的激動壓力波（正壓力波），形成的瞬時井底壓力可能因為壓力過大鉆井液中的有害物質容易侵入地層，污染地層，有時過高的井底壓力會對井壁造成瞬間很大的沖擊破壞井壁穩定性。圖中3 200 m處瞬時井底壓力系數達到了1.15，而該層段地層壓力僅為0.8左右，鉆井資料顯示，3 205～3 412 m層段在鉆進過程中曾發生不同程度的井漏事故。與此同時，該井在進入主力層段之后所用的鉆井液密度過大是壓力不宜控制的主要原因。

圖2 鉆井過程中瞬態壓力分布曲線

3.4 控壓鉆井方案模擬應對措施

針對上述問題，可采用空氣或者泡沫等低密度鉆井液體系鉆開頁巖儲層。具體實施過程如下。

（1）通過參考本地區地層壓力、破裂壓力剖面及鄰井區地層破裂試驗數據采用低鉆井液密度，給出盡可能低的密度鉆井液設計曲線，為壓力補償留足控制窗口。

（2）低密度鉆進過程中，實施監測井底壓力變化和鉆井事故發生情況，若因鉆井液密度過低或者環空壓力損耗過多導致井底壓力過低而發生溢流、井涌等情況可在井口加回壓補償壓力損失。

（3）如果因為壓力波動或者其他因素導致井底壓力突然過大，可在井口泄壓的同時調整鉆井液密度和流變性，以求壓力不至于過大而壓裂地層、破壞井壁穩定性。

對于井底及環空壓力的變化趨勢和變化規律，可在實驗室內通過模擬該井段井底和環空壓力環境變化來實現，設定各種壓力變化誘因，同時不斷實測環空內靜液柱壓力、環空壓耗、井底壓力數據并結合現場采集數據，給出各種壓力系數剖面的變化規律和相對關系，見圖3。

圖3 模擬控壓系統前后井底壓力擬合變化曲線

圖中井深3 300 m以上有個大的壓力波動（正壓力波），壓力系數波動Pc由0.05增加到0.1，為了控制其波動幅度，可采取措施對其進行控制，使其降低到一個安全穩定的范圍之內，圖中3 300 m之后采取井口泄壓并降低鉆井液密度和流變性使其靜液壓力降低，壓力系數波動基本維持在0.005左右，井底壓力和地層預測壓力基本一致，利于安全鉆穿目的層和復雜頁巖層段。

模擬實驗分析：根據模擬井筒密閉環空壓力變化規律不難發現，阻止井底壓力大幅度波動有助于維護井底壓力穩定，保護井壁穩定性，防止鉆井復雜事故發生，可以安全快速鉆穿頁巖氣發育較好的目的層段。

4 控壓鉆井技術配套設備研制現狀

常規油氣井控壓鉆井現場經驗表明：控壓鉆井配套設備系統的研制是確保完成控壓作業施工的關鍵核心。

國外典型的主要有威德福公司研制的以監控井口微小流量變化為主的MFC控壓鉆井系統、斯倫貝謝公司利用井底恒壓控制法研制開發的DAPC系統和哈里伯頓基于微小漏失檢測的MPD配套系統。

目前國內比較具有代表性的有中國石油鉆井院研制開發的具有自主知識產權的PCDS-I精細控壓鉆井系統、中石油川慶鉆探公司自主研發的CQMPD-I地面壓力控制鉆井系統及西部鉆探公司研制開發的XZ-MPD-Ⅰ控壓鉆井系統。

其中，CQMPD-I鉆井系統采用模塊化結構和獨立/集成雙重控制方案；PCDS-1精細控壓鉆井系統利用常壓法控壓原理在解決易漏、地層巖性構成復雜、窄密度窗口井段具有較大的優勢，通過補償壓力損耗可以將井口回壓變化精度控制在0.5 MPa左右。

5 控壓鉆井技術鉆探頁巖地層所面臨的主要問題

（1）頁巖地層埋深相對較淺，壓力系數偏低，地層承壓能力是否達到控壓所需的技術要求仍需進一步研究。

（2）頁巖地層巖性以石英和黏土礦物為主，且泥頁巖與粉砂巖和灰巖的配置關系較為復雜、硬度較低且容易吸水軟化膨脹，在控壓鉆井施工過程中泵入低密度鉆井液能否仍然維持良好的井壁穩定性需要進一步驗證。

（3）頁巖氣屬自生自儲且氣體，在頁巖中以游離態和吸附態存在，壓力較低，從已鉆頁巖氣井產量來看和常規天然氣井單井產量差別較大，對其地質儲量和產量的核實仍屬于探索階段，在這種背景下引入昂貴的控壓鉆井技術勢必大幅度提高鉆井成本，其實際意義和優勢將大打折扣。這也是國內頁巖氣開發主體單位引入控壓鉆井前所面臨的比較棘手問題。

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（修改稿收到日期 2013-12-24）

〔編輯 薛改珍〕

Application prospect of MPD technology in shale gas drilling

TANG Shoubao1,LU Qian2,SONG Yilei1,LI Mingjian1,ZHOU Haobo3
（1.Shenhua Geological Exploration Co.Ltd.,Beijing100011,China;2.Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing100083,China;3.China University of Petroleum (Beijing),Beijing102249,China）

As the exploration and development of domestic shale gas continue,the complex incidents we encountered during drilling are also increasingly prominent.For the shale formations which is leaky and have complex lithology in South China,MPD is necessary to learn to drill through the complicated shale interval in a fast,safe and efficient manner and to break these common technical challenges of drilling.Currently,southern Yangtze region mainly develops two sets of shale formations,Silurian Longmaxi and Cambrian Niutitang.However,there are less pure shale section,complicated lithology and serious fragmentation.According to the data of shale gas drilling,the limy,silty and siliceous shale is often met during drilling,frequently accompanied with overflow and lost circulation.For the target interval with thickly developed shale bed,the density window of drilling fluid is small and the well wall is extremely unstable.According to the lithologic development of shale bed,technical characteristics of MPD,lab analysis,current MPD supporting equipment and other relevant factors,the MPD in bottom hole constant pressure method can be used to drill through the large and complicated shale interval.

shale formation;shale gas;complex lithology;narrow mud density window;MPD;pressure coefficients;bottom hole constant pressure method

唐守寶，盧倩，宋一磊，等.控壓鉆井技術在頁巖氣鉆探中的應用前景［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：14-17.

TE249

：A

1000-7393（2014）01-0014-04

10.13639/j.odpt.2014.01.004

中國神華能源股份公司2013年科技創新項目“非常規油氣勘探開發”(編號：SHKX0822)。

唐守寶，1982年生。2011年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，碩士，現主要從事頁巖氣、煤層氣鉆、完井工藝、工具等方面的研究工作。電話：15101173684。E-mail：tsbcup2008@163.com。