国内页岩气水平井钻完井技术现状

李　闯

(东北石油大学，黑龙江大庆163318)



国内页岩气水平井钻完井技术现状

李闯

(东北石油大学，黑龙江大庆163318)

摘要：通过调研国内外文献，介绍了当前中国页岩气钻完井技术应用现状，阐述了页岩气钻完井技术面临的问题与挑战。目前页岩气开发主要以水平井为主，页岩气钻完井中主要应用的关键性技术包括井工厂技术、旋转导向技术、油基钻井液技术及固井技术。井工厂技术用最小的丛式井井场使井网覆盖区域最大化，为后期批量化钻井压裂施工奠定基础，还可节省地面工程；旋转导向技术在裂缝性储层、低渗透储层、薄油层等复杂储层中具有准确定向的优势；油基钻井液耐高温及抑制水敏性能好；漂浮下套管等固井技术大大提高了套管居中度和固井质量。以上关键技术在页岩气钻完井中取得的了良好的应用效果，为实现页岩气高效开发起到一定的支撑作用。

关键词：页岩气；旋转导向；井工厂技术；油基钻井液

随着北美页岩气的成功开发，全球范围内掀起了一股页岩气勘探开发的热潮。中国社会经济持续高速发展，对油气资源的需求逐年增加，供需矛盾日益严峻[1]。高效勘探开发致密气、页岩气、煤层气等非常规油气已成为保障中国油气资源可持续发展的关键。页岩气从资源发现到大规模开发的历程表明，技术进步是成功开发的关键，水平井钻完井和水力压裂是页岩气开发的核心技术。

页岩气储层低孔、低渗,气流阻力比常规天然气大,采收率比常规天然气低,需要实施储层压裂改造才能开采出来，因此其开发成本相应增加[2]。且不同地质特征的页岩气开发情况也有所不同，因此盲目参照国外页岩气开发的模式不可取[3-4]。为了加快钻井速度,提高钻井质量，获得较高的油气收益率，必须了解中国页岩气的基本地质特征、页岩气钻井开发现状及采用的关键技术。本文在总结国内页岩气开发及取得进展的基础上，介绍了针对中国页岩气地质特征的钻完井关键技术，归纳了中国页岩气钻完井目前面临的问题及未来发展趋势。

1 技术现状

近两年来，涪陵页岩气区块的成功开发标志着中国页岩气勘探开发揭开了新篇章[5-6]。虽然中国页岩气开发取得了阶段性的成果，但不可否认的中国页岩气钻完井技术相对于国外仍比较落后。即使已有一些先进的钻完井技术及设备应用于页岩气现场，但仍不能改变中国页岩气钻完井技术老化的事实。

目前中国页岩气定向钻井技术为滑动钻井技术，由于页岩地层的特殊性和高钻井质量要求，主要采用国外的旋转导向钻井技术；为了加快钻进速度，结合地层特性运用了自主研发的空气锤钻井技术，这是一种可以在低钻压、低钻速情况下进行高冲击破岩回转的钻井技术。在造斜井段大多采用国内自主研发的油基钻井液，国外研制的高效环保油基钻井液也有应用。钻井液回收再利用应用了国外的高效回收技术。“井工厂技术”是国外已经应用多年并加以深化的提高钻进速度、减少钻进资金的重要钻井技术，但国内页岩气开发中仅有个别井使用了该技术，且配套设备及相关工艺技术还不成熟，国内尚没有实现真正的流水线作业、远程化控制。所以中国页岩气钻完井正处于攻坚阶段，优点需要继续保持，针对不足之处应及时学习国外的先进技术[7-8]。

2 关键技术

页岩气与常规天然气特征不同，采用的技术也有所不同，为了提高钻进效率和节约钻井资金，目前国内页岩气钻完井关键技术主要包括：“井工厂”技术、旋转导向钻井技术、高效油基钻井液技术及漂浮下套管技术等。

2.1 页岩气“井工厂技术”

北美页岩气开发模式表明，“井工厂技术”可有效提高作业效率，缩短投产周期，降低开发成本[9]。 钻井技术作为“井工厂技术”的重要组成部分，在页岩气高效开发中发挥着重要作用。“井工厂技术”是采用一系列先进的钻完井技术和装备，利用可重复的井眼设计和对井下风险的有效控制，高效降低成本的一种作业方式[10]。页岩气布井的原则是利用最小的丛式井井场使开发井网覆盖区域最大化，从而为后期批量化钻井作业、压裂施工奠定基础，使地面工程及生产管理得到简化。中国页岩气同样需要“井工厂技术”，配备快速移动钻机，合理的井眼轨迹设计，以及高效的导向钻具实现整个井场高效、有序安全钻进[11]。

井工厂布井可以实现设备利用的最大化。多口井依次一开，依次固井，依次二开，再依次固完井。钻井、固井、测井设备无需停下等待。2014年4月，涪陵页岩气田的焦页9号平台两口井试验“井工厂”交叉式压裂，相比传统的单口井分别压裂作业，工作效率提高了近1倍，同时避免了重型设备搬迁重组，试气周期大幅度缩减[12]。

中国页岩气富集区块大多处于山区和丘陵地带，地面交通十分不便，井场条件也非常苛刻，同时中国属于典型的水资源缺乏国家，页岩气钻井和储层压裂需要消耗大量水资源，成本很高，污水排放对环境的影响很大，也严重制约页岩气开发，“井工厂技术”对地面井场的节约和施工液体的回收再利用能很好地规避以上矛盾，符合中国页岩气开发的需求。

2.2 旋转导向钻井技术

页岩气钻井大多数为水平井，传统的井下马达导向为滑动钻进，钻柱弯曲比旋转钻进时严重，井壁与钻柱间的轴摩擦力非常大，使得钻压很难加载到钻头上，尤其大位移井和水平井中这种情况更为严重，极端情况下会造成钻柱发生螺旋弯曲[12]，因此传统的导向马达钻具限制了页岩气井的深度及水平段长度。页岩气钻井后需要对目标储层进行压裂，既要保证储层不受破坏，还要保证上部井段的井眼轨迹质量，要求井筒平滑。为了准确钻遇目的层，并在目的层中稳定高效钻进，旋转导向钻井技术必不可少[13]。

目前商用的旋转导向主要包括Baker Hughes公司的AutoTrak RCLS、Schlumberger公司的Power Drive SRD和Halliburton公司的Geo-Pilot系统[14]。

当前国内页岩气钻井大多应用指向式导向系统，其优点在于导向结构全部安置在钻柱内部，不与井壁直接接触，导向效果不受地层不完整或井眼扩径的影响，特别在松软地层中钻进效果比推靠式的好，不会出现井眼螺旋化、扩径等问题，能够钻出更规则的井眼，更好地保障井下安全[15]。

彭页HF-1井后期钻井过程中采用了旋转导向钻井技术，水平段长达1500m以上，平均机械钻速为8.67m/h。钻进过程中体现了旋转导向工具近钻头测量的优势，可随时发出指令改变方向，根据目标方向自动定向，保持井斜在设定井斜0.2°范围内浮动。同时通过MWD/LWD(随钻测斜仪/随钻测井)向地面发出信号，随时跟踪地层，对井眼轨迹进行实时调整。保证准确入靶，实现水平段在目标层中稳定钻进[16-17]。在储层较复杂的情况下，尤其是裂缝性储层、低渗透储层、薄油层，传统的定向钻具无法准确定向到目标地层，而旋转导向可实现准确的地质导向。

2.3 油基钻井液技术

页岩的层理不同于普通地层，在页岩气钻井过程中目的层更容易坍塌，坍塌程度由泥页岩含量及其致密程度控制。泥页岩可能含有蒙皂石等水敏性矿物，遇水发生膨胀，钻进过程极易引起井壁失稳。美国页岩气开发针对不同的泥页岩，考虑环境、成本、维护等多种因素，综合选择钻井液体系，包括合成基钻井液、柴油基钻井液等，在直井段大多采用高性能的水基钻井液。目前国内页岩气钻井主要采用油基钻井液，少数采用水基钻井液[18-19]。

油基钻井液是目前国内外页岩气开发中应用最多的钻井液体系，与水基钻井液相比，油基钻井液抑制性强，润滑性能好，有利于井壁稳定，而且还能最大限度保护气层。同时油基钻井液性能稳定、易于维护、抗高温能力强、热稳定性好，但其成本较高，会对环境造成污染，对后期固井也有一定影响[20]。油基钻井液的基液主要有柴油和白油，白油更有利于安全环保，柴油的优势是价格较低。为了减少油基钻井液对环境的污染，减少钻井成本，国内研发了油基钻井液的回收利用技术，其主要流程如图1所示。

根据威远地区页岩气储层特性，威201-H3井在定向段、水平段应用了油基钻井液体系，保证了合理的钻井液密度、强封堵性、低滤失量和良好的携砂能力；同时在实钻中建立了遇仙寺组及下伏地层全套流体中水的活度剖面数据库，为钻井液的活度防塌提供了良好的理论支撑。油基钻井液应用于威201-H3页岩气水平井钻井取得了成功，较好地解决了威远地区泥页岩垮塌的问题[21]。同时油基钻井液具有良好的抗高温性能和抑制性能，在钻复杂页岩气井特别是高温深井和钻水敏性地层时优势更加明显。

2.4 固井关键技术

页岩气井90%以上采用套管固井，以满足井壁稳定、后期大型压裂和生产的要求。页岩气水平井水平段大多采用油基钻井液，形成了一系列针对页岩气水平井固井的相关技术，包括高效驱油前置液技术、柔性水泥浆等，并利用性能稳定的漂浮接箍浮鞋及可旋转式高性能水平井套管扶正器，大幅度提升长水平段套管下入能力。

2.4.1 高效驱油前置液技术

高效驱油前置液技术主要包括稀释型冲洗液和润湿反转隔离液，采用“稀释+冲刷”技术，冲洗液中的表面活性剂会吸附在油基钻井液的泥饼表面，其疏水基一端吸附泥饼表面，亲水基一端吸附水，在油基钻井液泥饼表面覆盖了一层表面活性剂分子[22]，使油基钻井液泥饼具有亲水性能。油基钻井液冲洗液中的溶剂和水易渗入油基钻井液的表面，产生溶胀作用，削弱油基钻井液泥饼的内聚力，同时也减弱了其和套管之间的作用力，油基钻井液被冲洗液中的表面活性剂分子形成的胶束包裹，分散到油基钻井液隔离液和冲洗液中，提高了固井质量。由于页岩气井一般较深，固井一般采用双凝双密度水泥浆体系，领浆采用低密度水泥浆，尾浆采用弹性水泥浆[23]。

2.4.2 漂浮下套管技术

漂浮下套管技术通过在套管串结构中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍与套管鞋中间套管内封闭的空气或低密度钻井液的浮力作用减少下入过程中井壁对套管的摩阻，达到安全下入套管的目的；同时可提高套管居中度，提高固井质量。

漂浮下套管技术的主要原理：在套管串中连接1～2个漂浮接箍，使漂浮接箍上、下套管水眼内形成临时隔断。漂浮接箍以下的套管柱内不灌钻井液或灌低密度的液体，增加漂浮接箍以下的套管串浮力，降低对井壁的正压力，使其在下套管过程中处于漂浮状态，降低套管下入阻力，提升固井质量[24]。

涪页HF-1井生产套管下至技术套管鞋2309m处，循环1周，先注入密度为1.50g/cm3的轻浆12m3，再注入密度为1.73g /cm3的重浆10m3。计算轻浆段长为套管底部1000m，套管悬重明显下降，漂浮效果良好。出套管鞋后10根灌浆一次，缩短套管串静止时间，避免遇卡。采用胶乳防窜水泥浆体系和常规防窜水泥浆体系，具有较强的胶结能力和防气窜能力，确保了固井质量[25]。双凝双密度水泥浆技术和漂浮下套管技术主要应用于地层压力变化较大的深井,在提高固井质量的同时缩短了固井周期。

3 面临的挑战及发展趋势

国家对页岩气的政策支持和石油公司的勘探开发投资使中国页岩气产业得到了突破性进展，随北美地区之后进入了大规模商业开发时期，大规模的资源勘探与评测也取得良好的结果。但目前国内页岩气水平井钻完井面临很多问题，主要包括浅部地层出水、空气钻井受限、井漏频繁、定向井段机械钻速低、水平段油基钻井液固井质量差等。其中四川盆地部分地区钻井过程中在浅部地层普遍钻遇水层，部分井区地层水量较大，不得不转换为钻井液钻井，限制了空气或泡沫钻井技术的使用，严重降低了机械钻速，增加了钻井周期。

四川盆地已完钻水平井统计表明，一开直井段平均机械钻速为5.39m/h，二开直井段平均机械钻速最高为14.5m/h，二开定向段平均机械钻速最低为1.74m/h。此外，由于页岩气储层的特殊性，井漏也普遍发生，增加钻井周期，消耗了资金。由于水平井定向段和水平段摩阻扭矩较大，因此定向段目前基本采用油基钻井液减小摩阻，导致油基钻井液顶替效率低，同时会造成环境污染[26]。

挑战存在的同时也有机遇，目前页岩气钻井的发展趋势仍主要为水平井钻完井技术，未来中国会形成真正意义的“井工厂”配套工艺技术，进入页岩气开发新阶段。

4 结束语

页岩气钻完井关键技术已成功应用于中国的页岩气勘探开发，并取得了良好效果。“井工厂技术”提高了钻井效率、节省了资金；80%的页岩气水平井钻井已成功应用旋转导向技术，加快机械钻速的同时提高了井眼质量，有利于后期压裂及开发；中国自主研发的新型高效油基钻井液同样取得了良好的使用效果，后期钻井液的回收加工技术也逐渐趋于成熟；漂浮下套管技术也已成功应用，提高了套管居中度，大大提高固井质量。

目前中国的页岩气产业仍面临很大的挑战，必须加大钻完井技术的研究，形成具有中国自主知识产权的页岩气钻完井技术，解决页岩气开发的难题。

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The Current Situation of Horizontal Well Drilling and Completion Technology for Shale Gas in China

Li Chuang

(NortheastPetroleumUniversity,Daqing，Heilongjiang163318,China)

Abstract:Through the investigation of domestic and abroad literatures, the current situation of shale gas drilling and completion technologies has been introduced, including problems and challenge faced by these technolologies. At present, shale gas development mainly depends on horizontal wells, the key technologies including well factory, rotary steerable technique, oil based drilling fluids and cementing are being applied to shale gas drilling and completion. Well factory technique is to use the smallest cluster well location covering the maximal area of the well pattern, so as to lay the foundation for the latter patch drilling and fracturing operation, and save the ground engineering；Rotary steerable technology has advantage of accurate oritation in the complex formations such as fractured reservoir, low permeability reservoir, thin oil layer and so on; Oil based drilling fluids are resistant to high temperature, with good inhibition to water sensitivity. Casing running with float coupling and cementing have greatly improved the casing centering and cementing quality. All the key technologies mentioned above have gained good results in shale gas well drilling and completion, and played an important role in developing shale gas efficiently.

Key words:Shale gas; rotary steerable technique; well factory technology; oil based drilling fluids

作者简介：李闯(1990年生)，男，硕士，主要研究方向为油气井工程力学。邮箱：991457592@qq.com。

中图分类号：TE243

文献标识码:A