國(guó)內(nèi)深層頁(yè)巖氣鉆井難點(diǎn)及技術(shù)進(jìn)展

黃寶勝

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì),山東 臨沂 276002）

鉆井技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上開(kāi)采頁(yè)巖氣的關(guān)鍵點(diǎn)，是保證頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中提高鉆井效率和保障緊閉安全的重中之重。隨著我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)綠色能源開(kāi)發(fā)的力度加大，鉆井技術(shù)在頁(yè)巖氣的開(kāi)采中受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。

1 國(guó)內(nèi)深層頁(yè)巖氣鉆井概述

隨著我國(guó)新時(shí)期綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在社會(huì)發(fā)展中的不斷實(shí)施，在極大程度上改變了我國(guó)工業(yè)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展對(duì)能源類(lèi)型的針對(duì)性，隨著天然氣等綠色能源在社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用力度不斷擴(kuò)大，我國(guó)也加大了對(duì)該類(lèi)能源的探索和開(kāi)發(fā)程度。而在這其中頁(yè)巖氣就是以多種形態(tài)匯聚并存在的一類(lèi)天然氣，為響應(yīng)我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，對(duì)頁(yè)巖氣的鉆井開(kāi)發(fā)技術(shù)和儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)，以及水平井等多方面進(jìn)行了重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和研究，而通過(guò)廣泛的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐證明，水平井是當(dāng)前形勢(shì)下開(kāi)發(fā)的主要方式。但依托于當(dāng)前科技的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)在實(shí)際操作中，仍有著一系列亟需解決的問(wèn)題存在，其中地層污染、摩阻以及卡鉆和井壁坍塌是其中的重點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題在施工過(guò)程中，工作人員可以利用欠平衡氣體鉆井技術(shù)和鉆井液技術(shù)，來(lái)防止頁(yè)巖水化和促進(jìn)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程順利進(jìn)行。其中鉆井液技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)頁(yè)巖氣氣鉆井的實(shí)際效率和儲(chǔ)層保護(hù)有著極大的影響。

2 頁(yè)巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)

2.1 對(duì)巖屑進(jìn)行清理

在實(shí)際的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)水平井井眼進(jìn)行清理是一項(xiàng)非常重要的工作，但是因?yàn)樗骄矍謇黼y度大，受巖屑重力影響和水平段頁(yè)巖坍塌以及經(jīng)驗(yàn)空間較小和泵壓較高等眾多因素的影響，導(dǎo)致這一工作環(huán)節(jié)在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中增加了許多難度。因此針對(duì)這一問(wèn)題在利用鉆井液技術(shù)進(jìn)行煙氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中要極其注重它的清砂效果。因?yàn)轫?yè)巖的本質(zhì)是較為松散的，易于破碎和膨脹，因此，要根據(jù)頁(yè)巖的具體特征和情況來(lái)合理選擇鉆井液，同時(shí)也避免摩阻和卡鉆等相關(guān)問(wèn)題的產(chǎn)生[2]。

2.2 井壁穩(wěn)定性

井壁的穩(wěn)定性是使用頁(yè)巖氣鉆井液技術(shù)關(guān)鍵性因素，因?yàn)樵趯?shí)際的工程開(kāi)發(fā)過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)轫?yè)巖不穩(wěn)定而導(dǎo)致井眼發(fā)生問(wèn)題。因此鉆井液在使用時(shí)會(huì)讓地縫獵場(chǎng)與巖層發(fā)生作用而對(duì)頁(yè)巖的空隙壓力產(chǎn)生影響，在鉆井液進(jìn)入夜宴空隙中與其中的粘土和礦物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，使之膨脹而增大巖層張力時(shí)，就會(huì)對(duì)井壁平衡造成極大的威脅。同時(shí)，如果鉆井液遇到水敏性底層發(fā)育不成熟和膠結(jié)性較差頁(yè)巖時(shí)，濾液會(huì)使頁(yè)巖穩(wěn)健性遭受更嚴(yán)重的破壞，如果濾液進(jìn)入巖層的微裂縫中就會(huì)使巖層的力學(xué)平衡失調(diào)，從而造成嚴(yán)重的工程問(wèn)題。

2.3 頂替效率難以保證

水平井存在著傾斜井段，受到井斜角度因素的影響，傾斜度大的井段和水平井段下放套管形成的重力會(huì)變成徑向，如果控制不好就會(huì)出現(xiàn)套管偏心問(wèn)題，套管低邊鉆井液很難進(jìn)行有效的驅(qū)替，極易出現(xiàn)竄槽問(wèn)題，會(huì)對(duì)水泥漿頂替作業(yè)帶來(lái)不良影響。采用油基型鉆井液會(huì)使頂替效率、水泥環(huán)強(qiáng)度和界面膠度存在著一定的問(wèn)題，無(wú)法與水泥漿進(jìn)行很好地相容。除此之外，為避免裸眼井壁失穩(wěn)，進(jìn)一步提高攜帶巖屑的效率，保證鉆井液達(dá)到設(shè)計(jì)的密度，就會(huì)使鉆井液粘度提高，但又會(huì)使得鉆井液不具備很好的流動(dòng)性。殘存下來(lái)的濾餅和鉆井液會(huì)使水泥漿不能完全把鉆井液頂替出來(lái)，會(huì)使得水泥環(huán)無(wú)法形成統(tǒng)一的整體。

3 固井技術(shù)改進(jìn)措施

3.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

當(dāng)前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用中，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，技術(shù)水平比較先進(jìn)，大多應(yīng)用在特殊油藏的高難度定向井、大位移井、水平井、超深井以及水平分支井。在實(shí)際應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)主要通過(guò)遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)界面輸入工具參數(shù)值，由脈沖傳至井底儀器，優(yōu)化工具面角，以實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的控制。相比于傳統(tǒng)螺桿導(dǎo)向鉆井方式而言，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)具有極強(qiáng)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)軌跡控制的最大精度，保證導(dǎo)向鉆井中的持續(xù)性旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)摩阻扭矩的控制。

3.2 固井技術(shù)

通過(guò)對(duì)本油田頁(yè)巖氣水平井鉆進(jìn)難點(diǎn)的分析，參考國(guó)內(nèi)外固井技術(shù)，選擇雙凝雙密度水泥漿，配置比例為1.38：1.88=低密度緩凝水泥漿：髙膠結(jié)彈性防氣竄水泥漿，二者配合使用，不僅可以降低水泥漿液柱壓力，還可以提高下部產(chǎn)層固井質(zhì)量，避免固井中出現(xiàn)水泥漿泄露問(wèn)題。且由于髙膠結(jié)彈性防氣竄水泥漿具有極強(qiáng)的膠結(jié)能力與防氣竄能力，便于后續(xù)壓裂施工，提高固井綜合質(zhì)量。

3.3 激進(jìn)式鉆井技術(shù)

為了環(huán)節(jié)環(huán)空壓耗較高的問(wèn)題，本鉆進(jìn)工程中選擇激進(jìn)式鉆井技術(shù)，在設(shè)置鉆井水力參數(shù)中，將鉆井參數(shù)和水力參數(shù)的實(shí)際值都超出其設(shè)計(jì)值。與此同時(shí)，必須對(duì)現(xiàn)有鉆井設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，把原有35MPa地面高壓管提高到52MPa，根據(jù)井深大于5000m的水平井應(yīng)用大功率F-2200型鉆井泵，符合激進(jìn)式水力參數(shù)要求。選擇Landmark軟件進(jìn)行巖屑床厚度和井斜角關(guān)系進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)若井斜角高于50°，則巖屑床厚度激增后提高了井眼清潔程度要求，必須優(yōu)化鉆井液排量與鉆具轉(zhuǎn)速，進(jìn)而保證鉆進(jìn)效率和水平井質(zhì)量。

3.3.1 鉆具轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

設(shè)井斜角65°下，鉆井液排量達(dá)到40L/s，其機(jī)械轉(zhuǎn)速設(shè)定5.2m/h，通過(guò)Landmark軟件模擬，獲得巖屑床厚度和鉆具轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，如圖1。

圖1 巖屑床厚度和鉆具轉(zhuǎn)速間的關(guān)系

由圖中可得，在鉆具鉆速不斷增加后，巖屑床厚度與懸浮巖屑濃度呈逐漸下降趨勢(shì)，基本判定當(dāng)前增加鉆具鉆速可以促進(jìn)井眼清潔度的提升，結(jié)合井壁穩(wěn)定性，確定鉆具鉆速要從60-80r/min增加到80-100r/min。

3.3.2 排量設(shè)計(jì)

設(shè)井斜角65°下，鉆井液排量達(dá)到40L/s，其機(jī)械轉(zhuǎn)速設(shè)定5.2m/h，通過(guò)Landmark軟件模擬，獲得巖屑床厚度和鉆井液排量間的關(guān)系，如圖2。

圖2 巖屑床厚度和鉆井液排量間的關(guān)系

由圖中可以得到，隨著鉆井液排量不斷增加后，巖屑床厚度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，基本判定鉆井液排量可以促進(jìn)井眼清潔程度的提高。按照水平井鉆井要求，將鉆井液排量由原來(lái)的30L/s，增加到32L/s，在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中要增加到3532L/s，進(jìn)而有效控制巖屑沉降，達(dá)到最佳的井眼清潔情況。

3.4 使用油基鉆井液

考慮到本油田頁(yè)巖氣水平井施工難度，選擇高性能油基鉆井液，這是因?yàn)轫?yè)巖具有親水性特征，吸水后迅速膨脹，造成井壁掉塊脫落的情況，降低井壁的穩(wěn)定性，鉆進(jìn)中必須使用高性能的鉆井液，而高性能油基鉆井液在高溫高壓環(huán)境下30分鐘的慮失量達(dá)到1.8ml，大大提高了井壁穩(wěn)定性。與此同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，油基鉆井液主要以柴油為基礎(chǔ)油，以脂肪酸和共聚物為原材料，對(duì)傳統(tǒng)油基鉆井液進(jìn)行了改進(jìn)，取替有機(jī)膨潤(rùn)土，將固相含量控制在5%-9%之間，有效提升了泥餅質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)摩阻扭矩的控制。除此之外，油基鉆井液的凝膠強(qiáng)度高，有效預(yù)防井漏問(wèn)題[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在油田頁(yè)巖氣水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，要不斷優(yōu)化鉆井技術(shù)難點(diǎn)，改變?cè)械你@進(jìn)方式，綜合分析水平井軌跡控制、摩阻扭矩以及固井質(zhì)量等方面因素，確定機(jī)械鉆進(jìn)速度，將摩阻扭矩控制在合理范圍內(nèi)，配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油田頁(yè)巖氣水平井可以成功鉆進(jìn)，提高施工質(zhì)量，保證施工進(jìn)度，進(jìn)而達(dá)到最佳的應(yīng)用效益。