控压钻井技术在页岩气钻探中的应用前景.pdf

第 36 卷 第 1 期 2014 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China; 3. China University of Petroleum Beijing, Beijing 102249, China） Abstract As the exploration and development of domestic shale gas continue, the complex incidents we encountered during drilling are also increasingly prominent. For the shale ations 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 ations, 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 can be used to drill through the large and complicated shale interval. Key words shale ation; shale gas;complex lithology; narrow mud density window; MPD; pressure coefficients; bottom hole constant pressure 基金项目中国神华能源股份公司 2013 年科技创新项目“非常规油气勘探开发” 编号SHKX0822。 作者简介 唐守宝， 1982 年生。2011 年毕业于中国石油大学（北京） 油气井工程专业， 硕士， 现主要从事页岩气、 煤层气钻、 完井工艺、 工 具等方面的研究工作。电话15101173684。E-mailtsbcup2008。 控压钻井作为一种新型的钻井工艺， 是继欠平 衡钻井技术之后又一项新的钻井革新技术。控压钻 井通常是指在油气钻井过程中可以控制井筒静液压 力变化， 实现安全快速钻井的新型钻井技术（MPD 技术） ［1］ 。控压钻井技术较常规钻井技术有以下主 要优势（1） 倘若发生井漏现象可快速及时地降低井 底压力；（2） 窄密度窗口井段能够及时地监测井漏和 井涌；（3） 可以在井口快速加回压， 预防井喷事故发 生；（4） 能够减少压差卡钻事故的发生， 在井控较好的 前提下更精细地控制井底压力波动［2］。控压钻井技 15唐守宝等控压钻井技术在页岩气钻探中的应用前景 术在钻进过程中可以快速调节套压， 增大 ECD（当 量循环钻井液密度） ， 快速应对井壁失稳， 对处理窄 密度窗口复杂井段非常有利。 1 压力钻井技术模型 1.1 井底恒压钻井技术 井底恒压钻井方法即“当量循环密度控制” ， 指 用略低于常规现场经验密度的钻井液进行近平衡钻 井， 关井接单根时， 地面的回压同井底压力之间保持 适度的过平衡状态， 从而控制地层流体的侵入［3］。 井底常压法可以做到在钻井过程中保持井底压力基 本维持在可控的一个小范围之内， 既不会因压力过 大压漏地层也不会因压力过小导致地层流体进入井筒。 1.2 常规钻井井底压力计算模型 根据现有研究成果， 常规钻井过程中密闭环形 空间井底压力通常主要受到环空压耗、 井口压力、 压 力波动量（抽吸压力和激动压力或因其他因素引起 钻井液扰动而产生的压力变化） 影响， 其模型为 pb＝ phpcpmpf ［1］ （1） 式中， pb为井底压力， MPa；ph为井筒静液柱压力， MPa；pc为套压， MPa；pm为井口压力（井口回压） ， MPa；pf为环空压耗， MPa。 依据上述计算模型， 假如 pb pp（地层孔隙压力） ， 则井底压力会进入地层孔隙通道污染储层， 压差过 大则压裂地层造成井漏事故， 如果 pb pp［4］， 地层流 体进入井筒， 压差过大会造成井涌甚至井喷事故， 这 种情况通常在异常高压地层出现［5］。 1.3 井底常压法控压技术井底压力计算模型 根据井底常压控制压力钻井设计计算研究成果 ［6］ ， 结合现场钻井情况分析， 压力波动通常是在起下钻 和钻进的过程中出现， 停泵后环空压耗为 0 井口回 压达到最大。钻进过程中井口回压为 0， 环空压耗达 到最大［7］。因此， 为保持井底压力基本恒定， 可控的 井底压力计算模型为 pb＝ phpcpm （2） 根据式（2） ， 可通过调整井口回压来实现井底压 力维持在合理的范围之内， 避免出现较大的压力波 动， 根据国内控压钻井技术现场试验结果， 目前多数 井底压力控制精度已经达到 0.3 MPa 左右。 2 国内页岩地层岩性发育特征 2.1 国内页岩气埋藏发育概况 页岩气的主体通常位于暗色泥页岩或者高碳 泥页岩中， 主要以吸附或游离状态为主要存在方式。 除此之外， 在页岩气藏中， 气体也常存于夹层状的粉 砂岩、 粉砂质泥岩、 泥质粉砂岩、 甚至砂岩地层中［8］， 页岩气和常规气体成分虽然都是以甲烷为主， 但是 二者在地下存在方式差别却截然不同， 首先是二者 埋藏岩性不同；其次二者赋存方式及孔隙发育特征 差异较大。就页岩气埋藏情况来看同一时代环境下 也会发育不同的页岩， 因此中国南方页岩发育和美 国一些大的页岩层发育集中的地区岩性存在许多不 同， 相对而言南方页岩构成更为复杂［9］。 2.2 南方扬子地区页岩地层岩性发育特征分析 页岩层段岩性矿物含量复杂， 在钻井过程中面 临的钻井环境和常规油气层段比较相似， 必然也会 面临诸多复杂钻井事故。搞清页岩地层岩性发育 情况对预防井下复杂事故的发生有较好的指导意 义。根据南方扬子地层调研资料， 南方页岩主力生 气层目前主要以志留系龙马溪组和寒武系牛蹄塘组 为主， 三叠、 二叠和震旦系也均有发育。页岩地层主 要以碳质和硅质泥、 页岩为主， 其中还夹杂有少量砂 岩、 碳酸盐岩及白云岩等多种矿物［10］。总体来说， 除了岩性矿物构成复杂之外， 南方页岩地层岩石强 度在横向上均质性差， 破碎带较为发育。南方页岩 地层岩性有一个明显的特征纯页岩发育不明显， 大段泥页岩较少， 岩性矿物含量复杂、 夹层较多， 受 地质构造影响破碎带发育较多（见图 1） ， 在后续钻 井过程中钻遇此类破碎严重的地层极易产生井壁不 稳定。 图 1 南方某区块取芯收获后的龙马溪组破碎页岩 3 针对页岩地层岩性特征的控压钻井技术 3.1 页岩地层钻井面临的主要复杂事故 国内页岩气钻探处于起步阶段， 页岩气钻井过 程中主要面临的问题包括如何提高页岩储层钻遇 率， 快速合理地发现页岩油气显示， 保护异常低压页 岩储气层的同时还可以兼顾提高钻井安全性等几个 主要问题。调研已钻页岩气井资料发现多数在钻 遇页岩发育较好的层段时常因钻井液处理不当导致 溢流和井漏同时发生， 井壁失稳现象明显。 因此， 为有效应对硬度较低、 岩性矿物构成复 杂、 频繁发生溢流和井漏的窄密度窗口页岩层段， 借 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期16 鉴常规油气钻井经验， 可引入井底常压控压技术钻 穿大段复杂泥页岩储层段。 3.2 利用常压控压钻井技术钻开页岩复杂层段可行性 由于页岩层段岩性组成非常复杂， 且埋藏深浅 差别较大， 再加上页岩本身易吸水膨胀， 夹杂大量灰 岩极易发生井漏， 而且胶结性较差， 岩体缺乏良好的 整体稳定性［11］。对于浅部的软泥岩则更容易发生 井眼弹塑性缩径问题， 会造成一系列钻井事故［12-15］。 因此， 利用控压钻井技术控制井底压力波动有利于 维持井壁稳定性， 提高钻井速度和钻井质量。 总体来说， 利用常压法控压钻井技术可以快速、 安全有效地钻穿窄密度钻井液窗口页岩地层， 有效 遏制地层坍塌破裂事故的频繁发生， 也可以保护裂 缝发育相对较好的页岩油气储层， 不容易污染储层。 3.3 井底常压法控压钻井方案分析 控压钻井的关键就是搞清井底压力变化时间、 压力变化主要因素， 在此基础上通过补偿压力变化 以求达到控制井底压力尽可能地和地层压力平衡， 图 2 为南方一口页岩气井在钻进过程中压力系数变 化曲线， 图中压力波动的几个点基本上都是在接单 根后由于下钻过快或者开泵过猛导致突然的激动压 力波（正压力波） ， 形成的瞬时井底压力可能因为压 力过大钻井液中的有害物质容易侵入地层， 污染地 层， 有时过高的井底压力会对井壁造成瞬间很大的 冲击破坏井壁稳定性。图中 3 200 m 处瞬时井底压 力系数达到了 1.15， 而该层段地层压力仅为 0.8 左 右， 钻井资料显示， 3 2053 412 m 层段在钻进过程 中曾发生不同程度的井漏事故。与此同时， 该井在 进入主力层段之后所用的钻井液密度过大是压力不 宜控制的主要原因。 图 2 钻井过程中瞬态压力分布曲线 3.4 控压钻井方案模拟应对措施 针对上述问题， 可采用空气或者泡沫等低密度 钻井液体系钻开页岩储层。具体实施过程如下。 （1） 通过参考本地区地层压力、 破裂压力剖面及 邻井区地层破裂试验数据采用低钻井液密度， 给出 尽可能低的密度钻井液设计曲线， 为压力补偿留足 控制窗口。 （2） 低密度钻进过程中， 实施监测井底压力变化 和钻井事故发生情况， 若因钻井液密度过低或者环 空压力损耗过多导致井底压力过低而发生溢流、 井 涌等情况可在井口加回压补偿压力损失。 （3） 如果因为压力波动或者其他因素导致井底压 力突然过大， 可在井口泄压的同时调整钻井液密度 和流变性， 以求压力不至于过大而压裂地层、 破坏井 壁稳定性。 对于井底及环空压力的变化趋势和变化规律， 可在实验室内通过模拟该井段井底和环空压力环境 变化来实现， 设定各种压力变化诱因， 同时不断实测 环空内静液柱压力、 环空压耗、 井底压力数据并结合 现场采集数据， 给出各种压力系数剖面的变化规律 和相对关系， 见图 3。 图 3 模拟控压系统前后井底压力拟合变化曲线 图中井深 3 300 m 以上有个大的压力波动（正 压力波） ， 压力系数波动 Pc 由 0.05 增加到 0.1， 为了 控制其波动幅度， 可采取措施对其进行控制， 使其降 低到一个安全稳定的范围之内， 图中 3 300 m 之后采 取井口泄压并降低钻井液密度和流变性使其静液压 力降低， 压力系数波动基本维持在 0.005 左右， 井底 压力和地层预测压力基本一致， 利于安全钻穿目的 层和复杂页岩层段。 模拟实验分析根据模拟井筒密闭环空压力变 化规律不难发现， 阻止井底压力大幅度波动有助于 维护井底压力稳定， 保护井壁稳定性， 防止钻井复杂 事故发生， 可以安全快速钻穿页岩气发育较好的目 的层段。 4 控压钻井技术配套设备研制现状 常规油气井控压钻井现场经验表明控压钻井 配套设备系统的研制是确保完成控压作业施工的关 键核心。 国外典型的主要有威德福公司研制的以监控井 口微小流量变化为主的 MFC 控压钻井系统、 斯伦贝 谢公司利用井底恒压控制法研制开发的 DAPC 系统 17唐守宝等控压钻井技术在页岩气钻探中的应用前景 和哈里伯顿基于微小漏失检测的 MPD 配套系统。 目前国内比较具有代表性的有中国石油钻井 院研制开发的具有自主知识产权的 PCDS-I 精细 控压钻井系统、 中石油川庆钻探公司自主研发的 CQMPD-I 地面压力控制钻井系统及西部钻探公司 研制开发的 XZ-MPD- Ⅰ控压钻井系统。 其中， CQMPD-I 钻井系统采用模块化结构和独 立 / 集成双重控制方案；PCDS-1 精细控压钻井系 统利用常压法控压原理在解决易漏、 地层岩性构成 复杂、 窄密度窗口井段具有较大的优势， 通过补偿压 力损耗可以将井口回压变化精度控制在0.5 MPa左右。 5 控压钻井技术钻探页岩地层所面临的主要 问题 （1） 页岩地层埋深相对较浅， 压力系数偏低， 地层 承压能力是否达到控压所需的技术要求仍需进一步 研究。 （2） 页岩地层岩性以石英和黏土矿物为主， 且泥 页岩与粉砂岩和灰岩的配置关系较为复杂、 硬度较 低且容易吸水软化膨胀， 在控压钻井施工过程中泵 入低密度钻井液能否仍然维持良好的井壁稳定性需 要进一步验证。 （3） 页岩气属自生自储且气体， 在页岩中以游离态 和吸附态存在， 压力较低， 从已钻页岩气井产量来看 和常规天然气井单井产量差别较大， 对其地质储量和 产量的核实仍属于探索阶段， 在这种背景下引入昂 贵的控压钻井技术势必大幅度提高钻井成本， 其实 际意义和优势将大打折扣。这也是国内页岩气开发 主体单位引入控压钻井前所面临的比较棘手问题。 参考文献 ［1］ 周英操， 崔猛， 查永进 . 控压钻井技术探讨与展望［J］. 石油钻探技术， 2008， 36 （4） 1-2. ［2］ 石林， 杨雄文， 周英操， 等 . 国产精细控压钻井装备在塔 里木盆地的应用［J］. 天然气工业， 2012， 32 （8） 1-3. ［3］ 陈明 . 控制压力钻井技术研究综述［J］. 重庆科技学 院学报， 2012， 12 （5） 30-31. ［4］ 解习农， 李思田， 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