頁巖氣鉆井技術淺析

仇常凱 張勁松 宋春光 于學瑞 龐茂源

摘要：我國頁巖氣勘探開發技術處于初級發展階段，缺乏新技術及豐富經驗。本文介紹了國外頁巖氣鉆完井技術的發展歷程，從直井、單多支水平井到目前應用范圍較廣的叢式水平井鉆井即PAD水平井。通過對國外的頁巖氣鉆完井技術及難點進行分析，從而闡述了國內的頁巖氣鉆井的重點是解決井壁穩定、事故預防、降低成本、儀器研發及鉆井液配方選擇等問題上。

關鍵詞：頁巖氣;鉆完井技術;現狀;難點

1 頁巖氣鉆井的發展

美國的頁巖氣開發技術處在世界前列，已經進入了快速發展的階段，其產量在天然氣總產量中占據較大比例。美國自1821年完鉆世界上第一口頁巖氣井以后，頁巖氣鉆井經歷了直井、單多支水平井到目前應用范圍較廣的叢式水平井鉆井即PAD水平井。直井主要運用于了解頁巖氣特征的試驗，并對水平井鉆井技術進行優化，從而獲得更多的鉆井和投產的經驗，直井是美國在2002年以前主要的開發頁巖氣的鉆井方式;在2002年Devon能源公司7口Barnett頁巖氣實驗水平井取得成功之后，水平井便成為頁巖氣開發的主要鉆井方式，它主要運用于生產，其優點是儲層泄流面積更大，且天然氣產量更高;PAD水平井鉆井是一種將一個鉆井平臺作為基點鉆多口水平井的技術，可以降低成本并節約時間。

2 頁巖氣鉆井液技術

頁巖氣區別于常規天然氣的特征之一是以吸附和自由氣的形式存在于頁巖之中。由于頁巖的致密性，具有商業開發價值的頁巖氣藏儲層厚度都比較大。自從頁巖氣產業化以來，國內外都在儲層評價、水平井增產、射孔優化和壓裂增產技術上不斷創新以尋求最佳的經濟效益。

2.1儲層評價技術

頁巖氣儲層評價的兩種主要手段是測井和取心應用測井數據，包括EC（Elemental Capture Spectroscopy）來識別儲層特征。單獨的GR 不能很好地識別出粘土，干酪根的特征是具有高GR 值和低Pe 值。成像測井可以識別出裂縫和斷層，并能對頁巖進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應力方向，進而為氣井增產提供數據。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性，并分析測試TOC 和吸附等溫曲線。

2.2射孔優化技術

定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒減少井筒附近裂縫的彎曲程度，進而減少井筒附近的壓力損失，為壓裂時產生的流體提供通道過大量頁巖氣井的開發實踐，開發人員總結出定向射孔時應遵循的原則，即在射孔過程中，主要射開低應力區、高孔隙度區、石英富集區和富干酪根區，采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流體的阻力。在對水平井射孔時，射孔垂直向上或向下。

2.3 壓裂增產技術

水力壓裂可以使儲層產生密集的裂縫網絡，進而提高儲層滲透率，使地層中的天然氣更容易流入井筒。進行壓裂前，應先對井（豎直井或水平井）進行測試，以確保井能夠承受壓裂的壓力和注入泵率。頁巖氣開采過程中可采用多種壓裂方式：重復壓裂、多層壓裂、清水壓裂、同步壓裂。重復壓裂主要是在不同方向上誘導產生新裂縫進而增加裂縫網絡，可有效改進井產量與生產動態特征;多層壓裂多用于垂直堆疊的致密地層。清水壓裂采用添加一定減阻劑的清水作為壓裂液。

2.4頁巖氣儲層改造技術

裂縫的發育程度是頁巖氣運移聚集、經濟開采的主要控制因素之一，為頁巖氣儲層裂縫模型。僅有少數天然裂縫十分發育的頁巖氣井可直接投入生產，其余90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產措施溝通其天然裂縫，提高井筒附近儲層導流能力。國外一些頁巖埋藏較深，地層壓力較高的頁巖氣藏開發歷程印證了鉆采技術的不斷更新：氮氣壓裂、泡沫壓裂、凝膠壓裂、清水壓裂、水平井鉆探技術。頁巖儲層改造技術要求針對頁巖儲層特點優選壓裂層位和施工工藝，才能取得比較好的開發效果和經濟效益。對于埋藏較淺地層壓力較低的儲層通常采用氮氣泡沫壓

3 頁巖氣鉆完井技術

3.1鉆井技術

頁巖氣藏是開發成功的關鍵因素就是水平井，其開發進程的速度因水平井的應用推廣而加速。在頁巖氣層鉆水平井，可以使儲層泄流面積更大且天然氣產量更高。根據對美國頁巖氣開發進行研究的數據表明，水平井的日均和最終產氣量都是垂直井的4倍左右，產氣的速率提高了10倍，但總成本僅不足垂直井的一半。國外的頁巖氣鉆完井一般采用以下技術：旋轉導向技術，它主要應用于引導與評價地層，從而確定鉆井目標區;LWD（隨鉆測井技術）和MWD（隨鉆測量技術），它們能對地層更精準的定位，從而找出中靶地質目標;控壓鉆井技術，用于對儲層的保護并提高鉆井速度，指一種利用空氣作為循環機遏制的技術;泡沫固井技術，能夠解決特殊環境下固井質量差等問題;有機和無機鹽復核防膨脹極速，能夠增加井壁的穩定性。與此同時，頁巖氣水平井鉆井要考慮到成本因素，井段的垂直深度要低于3000米，長度在500至2500米之間。由于在鉆井完成之后要人工進行壓裂，因此，水平井的延伸方位是在垂直地層的最大應力方向，這樣才能保證壓裂的安全和效率。

3.2固井技術

頁巖氣的固井水泥漿組成成分有泡沫和酸溶性水泥、火山灰+H級水泥等類型，其中最后一種類型的水泥成本最低，而泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥的成本比較高，是其1.45倍。在頁巖氣井中泡沫水泥的使用率通常較高，由于泡沫水泥的漿體較穩定、密度和滲透率低、抗拉強度較高，因此，泡沫水泥井的防竄效果較好，能夠減少儲層的損害，比一般水泥固井的產量要高出23%。而美國Bernatt頁巖鉆井固井則使用的是酸溶性水泥，它能提高碳酸鈣的含量，遇到酸性物質就會溶解，其溶解的過程受到接觸時間和溶解度的影響。常規水泥也能溶于酸，其溶解度在百分之二十五左右，而酸溶性水泥的溶解程度則高達百分之九十二，極易被酸化壓裂。

3.3完井技術

頁巖氣完井技術主要有套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、組合式橋塞完井、機械式組合完井等方式。套管固井后射孔完井的流程是在套感固井之后，用工具高速噴射出流體將套管和巖石射穿形成射孔，并將管柱拖動形成多層作業，這種方式的優點是減少封隔器的使用，縮短工程時間，缺點是可能造成水泥漿對儲層的傷害。

總結

頁巖氣儲藏地層一般具有孔隙度和滲透率低等特點，與一般的天然氣相比，頁巖氣具有氣流阻力較大、采收率較低的特點，一般要將儲層壓裂進行改造才能進行開采，同時增加了頁巖氣的開發成本。所以，為提高頁巖氣開采的經濟效益，就必須要提高鉆井的速度和單井開采效率，并延長開采的時間限制。我國頁巖氣開發處于發展階段，借鑒美國的技術是必然的，但是不同的頁巖氣藏都有其獨特的特征，因此要實現頁巖氣商業化開發，我國頁巖氣水平井鉆完井技術仍需進一步研究。

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