页岩气钻探施工钻进护壁技术_刘文武.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-23修回日期 2020-04-29 基金项目 中国地质调查局地质调查项目 “南方重点地区15万页岩气地质调查”（编号 DD20201108） 资助。 第一作者简介 刘文武 （1981-） ， 男 （汉族） ， 天津人， 高级工程师， 现从事地质钻探、 地勘设备研发等工作。 页岩气钻探施工钻进护壁技术 刘文武*， 郭坤， 冯美贵 （北京探矿工程研究所， 北京 100083） 摘要 页岩气是指附存于富有机质泥页岩或高碳泥页岩及其夹层中， 由于有机质的吸附作用， 以吸 附和游离状态为主要存在方式的一种非常规天然气。相对于常规天然气， 由于页岩气具有低孔低渗 的特点， 岩性致密， 给页岩气的钻探带来了难度。为了解决页岩气井的钻探中井壁的稳定性差的问 题， 需采取相应的护壁技术， 详细介绍了钻井液护壁技术、 套管固井护壁技术和其他特种护壁技 术。 关键词 页岩气钻探； 护壁技术； 钻井液护壁技术； 套管固井护壁技术 中图分类号 P34 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202101-0060-03 1概况 中国页岩气广泛存在于海相及陆相沉积盆地中， 含气页岩层段时代从古生界分布至新生界， 储集层地 质条件较为复杂。我国富有机质页岩TOC含量较北 美低， 海相页岩热演化程度普遍偏高， 陆相页岩则普遍 偏低， 且含气量偏低， 埋深偏大。地形多为山地、 丘陵 等复杂地表， 构造复杂， 受构造条件影响大， 发育断裂， 保存条件较差。 2页岩气钻井钻进难度 页岩气储层的页理发育， 具有层理和天然裂隙等 薄弱面， 非均质性和各向异性强。泥页岩中一般含有 蒙脱石、 伊利石、 高岭石、 绿泥石等粘土矿物。粘土矿 物含量越多， 发生地层坍塌的可能性愈大。蒙托石吸 水膨胀率高达90～100， 而伊利石吸水膨胀率仅有 2.5， 混层矿物吸水膨胀率按蒙脱石所占的比例多少 而定， 比例大者吸水膨胀较大。由于粘土矿物吸水膨 胀产生的压力， 若不加以抑制， 则会大大的超过岩石的 胶结强度极限而引起井塌而带来井壁稳定性差的问 题， 为了解决页岩气井钻探的井壁稳定性差等问题， 需 采取科学合理的钻进护壁解决措施， 提高页岩气井钻 探的质量。 3钻进护壁技术 页岩气钻探中钻进护壁技术主要有钻井液护壁技 术、 套管固井护壁技术和其他特种护壁技术等。钻孔 护壁技术的选择通常要根据页岩气钻进过程中钻遇不 稳定地层的类型以及需要护壁的位置所处钻孔深度等 几个方面进行综合考虑， 有时还要采用多种护壁技术 组合以保证钻孔能继续实施。 3.1钻井液护壁技术 钻井液护壁就是在充满水和膨润土以及CMC等 其他外加剂的混合液情况下， 由于钻井液对孔壁产生 的静压力而在孔壁上形成的泥皮， 可以有效地防止孔 壁坍塌或剥落， 并维持钻孔的形状不变。钻井液还具 有携渣和冷却、 润滑钻具的作用。 （1） 破碎不稳定地层护壁。地层出现松散破碎等 情况， 采用双聚防塌钻井液体系。备用堵漏材料 （如锯 末等隋性堵漏材料） 、 加重材料 （重晶石） 、 稀释剂及润 滑剂等材料。 双聚防塌钻井液配方 清水0.1～0.2烧碱3～ 5膨润土0.8～1.5降失水剂 （GPNH） 1～2防 塌型随钻堵漏剂 （GPC） 0.3～0.6增粘剂 （GTQ） 0.2～0.3包被剂 （GBBJ） ； 钻井液性能 漏斗粘度25～35s； 密度1.02～1.05g/cm3 （密度根据现场需要调整） ； API滤失量6～10mL； 泥皮 不大于0.3mm； pH值8～10。 （2） 水敏性地层护壁。水敏性地层主要指遇水膨 胀和分散地层。该类地层可以采用成膜防塌钻井液体 系。该钻井液可在孔壁形成隔水膜， 能有效抑制水敏 60 2021年第1期西部探矿工程 性地层吸水膨胀与分散， 具有较强粘接性， 有利于松散 破碎地层孔壁稳定， 同时有利于保护岩芯和提高岩芯 采取率。 成膜防塌钻井液配方 水5成膜A剂0～5 成膜B剂0.3～0.8增粘剂 （GTQ） 1～2改性沥 青防塌剂 （GLA） 2～3封堵剂 （GFD-1） 0.2～ 0.3包被剂 （GBBJ） 。 3.2套管固井护壁技术 3.2.1套管固井护壁技术 套管固井护壁技术是钻探施工最有效和最可靠的 钻井护壁方案之一， 页岩气钻探施工所用套管有井口 管、 技术套管、 生产套管。除生产套管以外， 其他套管 均起到稳定井壁， 保证顺利施工的作用。 3.2.2固井技术 （1） 影响水泥浆设计的因素。影响水泥浆设计的 因素包括 井深、 钻井液液柱压力、 水泥浆粘度与水灰 比、 井温、 可泵时间及稠化时间、 支持套管柱所需的水 泥强度、 钻井液及其处理剂类型、 水泥浆密度等。 （2） 水泥浆体系选择 ①表层套管 常规水泥浆配方 G 级油井水泥 2.5降失水剂1.3分散剂0.1消泡剂44水。 ②技术套管 常规水泥浆配方 G 级油井水泥 2.5降失水剂1.5分散剂0.1消泡剂44水。 ③生产套管 领浆低密度韧性防气窜水泥浆配方 G级油井水泥20漂珠15微硅4.0弹性材料 5.0防气窜剂4.0液硅4.0降失水剂1.5分散 剂0.1消泡剂58水； 尾浆韧性防气窜水泥浆配方 G级油井水泥5.0防气窜剂4.0弹性材料1.0液 硅4.0降失水剂1.5分散剂0.1消泡剂44水。 （3） 水泥浆性能要求。水泥浆性能要求推荐数值， 见表1。 （4） 固井施工工艺措施。①对于钻孔存在漏失的 项目 密度g/cm3 失水量mL/7MPa30min 自由液 24h抗压强度MPa 初始稠度Bc 流动度 （cm） 弹性模量 （GPa） 40～100Bc过渡时间min 100Bc稠化时间min 表层套管 1.88 / / ≥14 ≤30.0 ≥22 / ≤30 150～180 技术套管 1.88 ＜100 0 ≥14 ≤30.0 ≥22 / ≤30 150～180 生产套管 领浆 1.50 ＜50 0 ≥5 ≤30.0 ≥22 ≤6 ≤30 240～260 尾浆 1.88 ＜50 0 ≥14 ≤30.0 ≥22 ≤6 ≤30 120～150 备注 实验温度 水泥柱顶界地层静止温度 实验温度 各层次套管鞋处地层循环温度 表1水泥浆性能要求 井段， 在下套管前应进行漏失段堵漏， 使地层有足够承 压能力保证固井施工时不发生漏失。②注水泥浆之 前， 现场取样， 进行水泥浆稠化时间、 相容性复核试验， 确保注水泥浆施工安全、 顺利。③下完套管到井底后， 充分循环钻井液， 钻井液性能应达到注水泥要求。④ 推荐采用大泵紊流顶替钻井液， 排量不低于钻进排 量。达不到紊流时， 应注入足量的前导低密度水泥浆， 尽量降低领浆密度， 以降低漏失风险。⑤注水泥必须 按照设计进行， 确保连续施工。水泥浆和前置液注入 量、 注替排量、 水泥浆密度和性能必须达到设计要求。 水泥浆密度应保持均匀， 平均密度与设计密度误差不 超过0.02g/cm3。⑥注水泥期间， 专人专岗观察井口 钻井液返出情况， 分析判断井下情况。⑦固井碰压后， 稳压2～3min后泄压， 如回压阀密封好， 则敞压候凝； 否 则， 需关井憋压候凝， 管内外静液柱压差2～3MPa， 并 派专人按要求放压。 3.3其他特种护壁技术 其他特种护壁技术包括注水泥护壁技术、 膨胀套 管护壁技术等， 本文主要阐述一下膨胀套管护壁技术。 近些年来膨胀管技术呈现快速发展， 膨胀套管护 壁技术主要包括膨胀实体套管技术、 膨胀波纹管技术 和膨胀有缝管技术。膨胀套管护壁技术采用多瓣梅花 型薄壁波纹管成形技术、 小口径膨胀波纹管悬挂锚固 （下转第65页） 61 2021年第1期西部探矿工程 是加强泥浆净化的关键， 泥浆本身的携带岩屑的效果 再好， 如果地面设备利用效果差， 被携带上的有害固相 同样又进入井下对井眼的净化造成破坏。 刹把操作 定向托压时， 司钻操作刹把采取点送送 钻方式应勤送短送， 并时常上下活动钻具， 防止托压时 间过长突然释放后钻头接触井底造成螺杆制动憋压诱 发井下复杂。托压时工具面摆放困难， 司钻摆工具面 前应上下长距离大幅度活动钻具使钻具扭矩全部释放 处于伸展状态并调整好钻压和反扭角之间的关系， 防 止反复在同一位置来回摆工具面冲出大肚子井眼。托 压严重时， 司钻可与定向井工程师沟通是否可以上提 划眼或先复合钻进再行定向钻进。 合理使用造斜工具， 准确计算螺杆造斜率， 根据倾 角变化合理预测地层走向， 优化井眼轨迹设计， 控制狗 腿度， 尽量保证井眼轨迹平滑。 7分支侧钻技术措施 （1） 侧钻位置确定和水泥塞的质量决定了侧钻是 否顺利， 甚至一次成功的关键。选择侧钻的位置时， 要 考虑报废进尺少、 可钻性好、 无大肚子的井段。如果是 直井， 要在井斜要求范围内的井段， 实施反扣便于形成 较厚的夹壁墙。 （2） 填井时要求较高的水泥浆密度， 以保证高质量 的水泥塞， 水泥塞长度不小于30m。水泥塞候凝不小 于48h。扫水泥塞时， 必须把混浆段全部扫除， 探出高 质量的水泥面。 （3） 侧钻开始时， 必须控制钻进速度， 采用轻压慢 打方法， 特别是侧钻井段较深， 可钻性较差的地层。待 返出的岩屑基本不含有水泥， 可适当提高速度。 （4） 如果是直井而井斜又很小侧钻完成后， 建议使 用稳斜钻具组合稳斜一段， 以增加夹壁墙的厚度。 （5） 下钻到侧钻井段前要控制速度， 防止把夹壁墙 冲塌。如果在侧钻井段遇阻可轻转转盘下放， 或开泵 下放， 如必须划眼时要警惕划出新井眼。 8水平分支孔全角变化率偏大处理措施 （1） 将井斜控制合理范围内。井斜是指钻孔轴线 上任一点的方向线与通过该点的重力线之间的夹角， 故钻场选址要结合采区工作面设计尽可能选在区域煤 层标高相对高处对应的地面位置， 避免出现水平段井 斜过大的情况。 （2） 井身全角变化率控制在合理范围内。井身全角 变化率俗称 “狗腿度” ， 是指单位孔段内钻孔钻进的方向 在三维空间内的变化， 即包含了井斜角的变化和方位角 的变化， 数值可在定向软件中自动生成。在满足设计要 求的前提下， 将狗腿度控制在8～9/30m左右， 一般不 超过10/30m， 能有效提高进尺， 缩短钻孔周期。 （上接第61页） 技术及小口径多根膨胀管对接技术， 能在有效封隔漏 失、 缩径、 坍塌等复杂情况地层的同时不损失井眼直 径。与常规的套管不同， 膨胀管从上层套管中下入、 膨 胀后， 坍塌、 掉块的复杂地层被膨胀管隔离， 随后可用 与膨胀管下入前的同样直径的钻头继续钻进。使用膨 胀套管技术， 钻遇页岩气不稳定地层时， 在钻穿该层位 后， 下入膨胀套管， 既稳定了孔壁， 又简化了钻孔结构， 套管层次可大大减少。 4结论与认识 通过对页岩气钻井中坍塌、 掉块等难点问题， 分析 推荐了钻井液护壁技术、 套管固井护壁技术和膨胀套 管护壁技术， 合理利用护壁技术， 可提高页岩气井钻探 的效率。①钻井液护壁技术， 针对页岩气钻井工艺和 地层特点， 选择合理的钻井液体系和性能参数， 做好现 场钻井液管理和维护调整工作， 确保井壁稳定和工程 质量。②套管护壁是钻探施工最有效和最可靠的钻井 护壁方案之一， 固井质量也是保证套管护壁效果的关 键技术。科学合理地设计水泥浆配比和套管结构， 采 取有效的工艺技术措施， 提高固井质量。③膨胀套管 护壁技术具有可以解决多种类型钻井的孔内井壁不稳 定事故的能力， 可为我国页岩气等非常规能源的钻探 开发提供了更加可靠的护壁技术。 参考文献 [1]宋新杰.兰渝铁路隧道深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践 [J].大陆桥视野， 2012， 278 162-163. 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