第七章_页岩气钻完井工艺.

第七章页岩气井钻完井技术石油工程学院周德胜2013年10月1.页岩气钻完井历程2.水平井钻井相关技术3.页岩气钻井液4.水平井固井技术5.水平井完井技术第七章页岩气钻完井技术一、页岩气钻完井历程•自从美国1821年完钻世界上第一口页岩气井以来，页岩气钻井先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、PAD水平井钻井（丛式水平井）的发展历程。•2002年以前，直井是美国页岩气开发的主要钻井方式；•随着2002年Devon能源公司7口Barnett页岩气实验水平井取得巨大成功，水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式；•PAD水平井钻井是利用一个钻井平台作为钻井点钻多口水平井，可以降低成本、节约时间，是比较新的页岩气钻井技术1.页岩气井历程•水平井钻井技术经过近80年发展，目前已相当成熟完善，特别是井下动力钻具、地质导向工具、旋转导向钻井系统、随钻测量系统、控压钻井等新技术出现，使得在页岩气勘探开发领域水平井较直井更具优势；•目前，直井主要用于试验，了解页岩气藏特性，获得钻井、压裂和投产经验，并优化水平井钻井方案；•水平井主要用于生产，可以获得更大的储层泄流面积，得到更高的天然气产量；•水平井能增加井筒与储层的接触面积。尽管水平井成本稍高，大概是直井的1.5－2倍，但是日产气量和可采储量为直井的3－4倍。•水平井可大大提高页岩气储层的天然裂隙钻遇率。提高天然裂隙钻遇率高达几十倍甚至几百倍，从而改善储层流体的流动状态，获得更大泄流面积，提高天然气产量。•水平井可用在复杂地质条件下的页岩气开采。在Barnett页岩气田外围生产区块中，利用水平井成功解决了Barnett组的页岩受上下石灰岩的包夹问题，防止了Ellenburger组白云岩层遭水侵，为后续压裂改造降了低风险。2.页岩水平井•水平井可减少钻井数量，解决地面施工受限问题，同时也延伸了页岩气开采区域。为了开采多层页岩气，水平井、分支井开始大量用于页岩气开发。2004－2006年，Barnett页岩成功开发的水平井总计4050口，约占生产井总数57%，2007年完钻水平井2219口，占该区全年页岩气完井总数的94%。•页岩气水平井井眼方位一般选择在应力较低、脆性矿物和干酪根富集、裂缝发育程度高、孔隙度较高的页岩层区域，为后期压裂提供有利条件。•为使井眼穿过尽可能多的裂缝，理论上讲井眼前进方向应与地层最小主应力方向一致。一般水平井选择与主要裂缝网络系统大致平行的方位钻井，能够生成众多横向诱导裂缝，使天然或诱导裂缝网络彼此连通，增大与气体接触的表面积，提高采收率。1.水平井井身结构设计•水平井井身结构设计是页岩气水平井开采的关键环节。由于页岩吸附气解析、扩散速度慢，使得生产周期变长，页岩气井寿命一般大于25年，而页岩气井都需要进行压裂才有商业价值。所以，页岩气水平井井身结构设计要满足多次压裂和长达30－50年生产周期的要求；•Woodford和Hayneeville两个区块的页岩气钻井都是采用三级井身结构。由于后期加砂压裂，因此对套管承压能力要求较高，固井质量要好，水泥返高到地面。•在井身结构设计中，采用三维地震解释技术，尽量保证水平轨迹沿着最小水平主应力方向前进，以增加压裂裂缝与天然裂缝相交的可能性，打开更多的储层。二、水平井钻井相关技术Woodford和Hayneeville区块井身结构参数区块名称井眼尺寸/mm套管/mm完井套管型号测量井深/mWoodford508.00444.50311.15222.25406.40339.70219.08139.70J－55H－40N－80P－1109.14141.731676.404206.24Hayneeville508.00342.90205.80171.45406.40273.05193.68127.00J－55N－80P－110P－1109.14768.103108.965151.122.页岩钻井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：•浅层的快速钻井，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；•水平段快速侧钻；•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。因此，页岩气钻完井的主要设备为表层特殊钻机、导向工具包括旋转导向和地质导向工具；随钻测量工具包括LWD、MWD和EM－MWD等。二、水平井钻井相关技术3.表层特殊钻机4.旋转导向技术用于地层引导和地层评价，确保目标区内钻井。旋转导向技术常应用于一些位移大、水平段长、风险高的页岩气水平井钻井。因为该项技术可有力解决困扰该类水平井施工的主要技术瓶颈，比如，摩阻和扭矩偏大，机械钻速偏低、井下事故频繁等；5.随钻测井技术（LWD）和随钻测量技术（MWD）用于水平井精确定位、地层评价，引导中靶地质目标。不但可以对井斜、方位进行实时监测，优化关键钻进参数，同时将随钻测量数据和地震数据进行对比，对地层做出及时评价，精确引导中靶地质目标，提高储层钻遇率。电磁MWD是井底实时传输系统，与常规MWD相比，它不受钻井时井眼流体和循环漏失物质的限制，传输信号更精确。5.随钻测井技术（LWD）和随钻测量技术（MWD）电磁MWD主要由3部分组成，即间接接头、着陆器接头以及发射机探测器。其中间接接头分离2个电极天线，向地层放射电磁波。着陆器接头由卡箍接头和压力扶正器组成，后者坐落在着陆器接头卡箍上，下端连接探针，具有井眼和环空传感器的作用。发射机探测器包括发射机传到井口的电子系统、井眼压力电子数据和环空压力测试器（井底钻井问题早期检测）以及高分辨率数据记录的存储器模块。它采用锂电池组为井底系统提供电源。1—间接接头；2—着陆器接头；3—发射机探测器电磁MWD(EM-MWD)6.控压或欠平衡钻井技术用于防漏、提高钻速和储层保护，采用空气作循环介质在页岩中钻进；欠平衡钻井时，人们有意识地在裸眼井段使井筒压力低于地层压力，当钻遇渗透性地层时，地层流体会不断流入井筒并循环到地面以利于控制，页岩气用空气作循环介质在暗色页岩中钻进，可依据演化模式预测暗色页岩对扩散相天然气封闭的能力，以指导页岩气藏勘探，提高勘探开发水平。在页岩气水平井钻井中，采用欠平衡钻井技术，实施负压钻井，能够避免损害储层。•由于页岩页理构造发育，地层裂缝发育，具有层理和天然裂隙等薄弱面，蒙脱石等吸水膨胀性矿物组分含量高，易膨胀、易破碎。页岩气水平井水平段较长，钻井中摩阻扭矩、井眼清洁等问题比较突出。钻进过程中易发生井漏、坍塌等井壁稳定问题。对钻井液的性能提出了很高的要求。•钻井液主要作用包括：防止黏土膨胀以提高井壁稳定性、预防钻井液漏失以保护页岩储层、提高机械钻速。钻井液的优化设计对机械钻速提高和减少环境影响起到关键作用。三、页岩气钻井液•美国页岩气钻井经验：直井段（三开前）对钻井液体系无特殊要求，主要采用水基泥浆，水平段钻井液主要采用油基钻井液体系。目前，使用较多的有硅酸钾基钻井液体系和专用于页岩的Performax水基钻井液体系，分别由雪佛龙公司和贝克休斯公司开发。•我国第1口页岩气水平井威201井，在钻进过程中，针对页岩地层极易破碎，液相侵入容易造成力学失稳和水平井段失去垂直力学支撑，极易垮塌等特点，在施工中采用油基钻井液体系，强化了钻井中的井眼清洁措施，从而实现了安全快速钻进。美国钻井液体系页岩盆地所用钻井液密度（g/cm3）BarnettHaynesvilleMarcellusEagleFord水基泥浆，油基泥浆/盐水造斜点以上使用水基泥浆，以下使用油基泥浆造斜点以上使用充气泥浆，以下水泥、油基泥浆造斜点以上使用无机盐水，以下用油基泥浆＜1.201.44－4.981.38－1.681.32－1.44页岩气固井水泥浆主要有泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H级水泥等4种类型。其中火山灰+H级水泥成本最低，泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥成本相当，高于其他两种水泥，是火山灰+H级水泥成本的1.45倍。–页岩气井通常采用泡沫水泥固井技术，由于泡沫水泥具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水量小、抗拉强度高等特点。因此泡沫水泥有良好的防窜效果，能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题，而且水泥侵入距离短，可以减轻储层损害，泡沫水泥固井比常规水泥固井产气量平均高出23%。四、水平井固井技术美国Oklahoma的Woodford页岩储层中就利用了这种泡沫水泥来固井，它确保了层位封隔同时又抵制了高的压裂压力。泡沫水泥膨胀并填充了井筒上部，这种膨胀也可以有助于避免凝固过程中的井壁坍塌，泡沫水泥的延展性弥补了其低的压缩强度。–美国Barnett页岩钻井过程用酸溶性水泥固井，酸溶性水泥提高了碳酸钙的含量，当遇到酸性物质水泥将会溶解，接触时间及溶解度影响其溶解过程。溶解能力是碳酸钙比例及接触时间的函数。常规水泥也是溶于酸的，但达不到酸溶性水泥的这个程度，常规水泥溶解度一般为25%，而酸溶性水泥溶解度则达到92%，较容易进行酸化压裂。–泡沫酸溶性水泥由泡沫水泥和酸溶性水泥构成，具有泡沫和酸溶性水泥的特点，同时皆备泡沫水泥和酸溶性水泥的优点。一种典型的泡沫酸溶水泥由H级普通水泥加上碳酸钙，以提高酸的溶解性，然后用氮气产生泡沫。该类型水泥固井不仅能够避免水泥凝固过程中的井壁坍塌，而且还能够提高压裂能力。–火山灰+H级水泥体系通过调整泥浆密度来改变水泥强度，用来有效防止漏失，同时有利于水力压裂裂缝，流体漏失添加剂和防漏剂的使用能有效防止水泥进入页岩层。这种水泥要能抵制住比常规水泥更高的压力。页岩气储层物性较差，渗透率极低，极少数气井具有自然生产能力，一般页岩气井都需要采用压裂增产措施，所以，页岩气水平井完井方式必须和压裂增产措施统筹考虑。页岩气水平井对完井技术要求较高，是整个页岩气钻完井施工的关键，直接关系到页岩气采收率的大小。页岩气井的完井方式主要包括：套管固井后分段射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井等。其中，较为常用的完井技术为套管射孔完井、组合式桥塞完井，工艺成熟，且有利于多段压裂。五、水平井完井技术谢谢！