页岩气钻井关键技术及难点研究
摘要：页岩气属于非常规天然气资源，国外的页岩气开发已经积累了一定的经验。我国的页岩气开发处于初级阶段，为了更好地开发页岩气，结合我国页岩气
井钻探的实际情况，对页岩气钻井关键技术进行研究，解决钻井的难点问题，不
断提高页岩气井钻探的效率。
关键词：页岩气；钻井；关键技术；难点分析
我国页岩气资源丰富，普遍存在分布广、丰度低、易发现、难开采等特点，
是具有自生自储、低孔低渗、无气水界面、大面积连续成藏的低效型气藏资源。据在川南和滇北地区的页岩气完钻井统计显示，页岩气开发主要存在地层不确
定因素多，压力及流体性质难以预测; 泥页岩和致密砂岩易水化膨胀、易破碎，
井壁不稳定; 固井易气窜，完井困难; 储层易损害，采收率低; 钻井速度慢，钻井
周期长; 开发技术难度大，钻井成本高等问题。为获得较高的钻井收益率，需要
掌握页岩气藏地层特点，预防和克服井下复杂情况，加快页岩气优快钻井配套
技术研究，实现我国非常规油气资源开发的突破与发展。
1.页岩气钻井关键技术
1.1页岩气进入井眼途径
页岩气井中，页岩气进入井眼的过程如下：在钻井、完井压降的作用下，裂
缝系统中的页岩气流（游离气）向井眼并且基质系统中的页岩气（吸附气）在基
质表面进行解析；在浓度差的作用下，页岩气由基质系统向裂缝系统进行扩散；在流动势的作用下，页岩气通过裂缝系统流向井眼。页岩气进入井眼途径复杂，
是钻井过程中的关键之一。
1.2钻井井位部署
页岩气的吸附气含量达到25 %~85 %，同时没有远距离的运移和聚合，因此，其开采必须借助于现代化的压裂工艺，通过进一步扩充裂缝，连通相关的孔隙，
从而获得一定产能的页岩气。以前由于压裂工艺和设备的限制，导致无法获得具
有工业价值的页岩气。现代设备和技术的快速发展，是目前页岩气工业能够快速
发展的重要因素之一。
1.3浅层大位移井
大位移井是在定向井、水平井技术之后又出现的一种特殊工艺井。大位移井
的定义一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于 2 的定向井且井斜角大
于 60°，具有很大的水平位移和很长的大井斜稳斜井段。地质导向工具、旋转导
向钻井系统、闭环钻井、先进的随钻测量系统、新型钻井液、先进完井工具得到
开发和应用，促进了长水平井钻井技术的迅速发展，目前已经钻成了水平位移超
过 10 000 m，最大水平段长度已达 6 000 m 以上。目前国内浅层大位移水平井钻
井研究情况非常缺乏。
2.页岩气水平井钻完井技术的难点分析
2.1井眼轨迹优化设计及控制
由于页岩气储层渗透率低，为了实现页岩气的高效开发，必须进行大量水平
井钻井，而长水平段水平井钻井过程中，如何有效降低摩阻扭矩，如何实现井眼
轨迹精确控制则是需要解决一个难点。为了获得更好的压裂效果、沟通更多的
天然裂缝以及井壁稳定的考虑，水平井眼轨迹通常设计为沿着最小水平地应力
方向，同时，为了降低钻井成本，国外多采用多井平台长水平段水平井开发，即
每平台 6～8 口水平井，最多可达 24 口井，水平段长度通常介于 1000～1500m，
页岩气是一种非常规天然气，它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率极低的泥页岩之中，开采难度更大，因此被业界归为非常规油气资源。但是随着技术的突破，页岩气开发逐渐进入我们的视野，并以其巨大的资源储量引得各国油气公司纷纷将眼光投向这块未来能源新领域[1]。 在中国开发页岩气资源的前景十分广阔，近年来,我国的油气勘探专家、学者也积极开展了泥页岩气的探索,初步研究表明,我国泥页岩气资源十分丰富,估算资源量为23.5×1012～100×1012,中国的泥页岩气资源主要分布在松辽盆地白垩系、渤海湾盆地及江汉盆地的古近系和新近系、四川盆地中生界、扬子准地台、华南褶皱带和南秦岭褶皱带等,其勘探潜力巨大。泥页岩气的勘探开发将成为未来我国天然气能源新的增长点[2]。 尽管如此我国的页岩气资源的开发却也只是处在勘探阶段，开发技术十分不成熟，为了为我国的页岩气的开发提出建议，做出指导，对开发页岩气所需要的各方面技术进行调研与分析是不可或缺的工作。美国作为开发页岩气的先驱也指出技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键[3]。 1988年到2007年Barnett页岩气产量与技术的关系如下[4]： 图1 产量与技术关系 由图中我们可以看出每一次技术的进步都带来了页岩气产量的飞速增长，特别是在重复压裂以及水平井分段压裂技术的引入之后产量的增长更为显著。因此我们进行页岩气调研，不仅可以对我国页岩气开发中的增产作业做出指导，也可以为日后的工程研究提供一些基本的理论知识，推动我国页岩气压裂增产技术的进步。 对于页岩气储层的评价与常规储层应该有所不同，常规储层首先想到的都是储量，孔、渗、饱等储层物性参数，而对于页岩气我们应该首先考虑的则是，该处的页岩是否有能够适应压裂的一些特性。因为不能通过压裂增产的页岩是没有开采价值的。从这个考虑出发，我们跟据美国开发的经验初步拟定了如下的一些特性评价标准： 天然裂缝存在并可以在压后维持一定的导流能力对于页岩气的生产是十分
页岩气水平井钻井技术 摘要当前我国页岩气水平井钻井施工整体表现出成本高、周期长、复杂事故多等问题。针对这些问题，本文对国内页岩气井进行了技术跟踪，归纳了当前我国页岩气水平井钻井过程中所面临的轨迹优化及控制、井壁稳定、摩阻扭矩、井眼清洁以及固井技术等难点问题。 关键词页岩气水平井轨迹控制井壁稳定摩阻 美国页岩气资源的规模化开发和商业化利用，正在改变着世界能源格局，而同为世界能源进口大国的中国，同样拥有丰富的页岩气资源。政策以及相关支持政策的陆续出台，不但表明了我国政府大力发展页岩气资源的决心，而且正在积极推进我国页岩气产业的全面、快速发展。 页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式，在一定地质条件下聚集成藏并具有商业开发价值的非常规天然气。与常规天然气藏相比，页岩气储层孔隙度主体小于10％，储层孔隙为0~500nm，孔喉直径介于5~200nm，渗透率极低，一般多采用水平井并经水力压裂技术改造后进行开发。当前，公认的具备商业开采价值的页岩气藏需具备以下条件：①页岩气储集层厚度大于100ft（30m）；②富有机质页岩有机质丰富，TOC > 3 %；③成熟度Ro在1.1-1.4之间；④气含量>100ft3/t；⑤产水量较少，低氢含量；⑥黏土含量小于40 %，混合层组分含量低；⑦脆性较高，低泊松比、高杨氏弹性模量；⑧围岩条件有利于水力压裂控制。页岩气藏作为典型的连续型油气聚集，往往分布在盆地内厚度大、分布广的集“生-储-聚”为一体的页岩烃源岩地层中。页岩作为粘土岩常见岩石类型之一，是由粘土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成的，其成分复杂，除包含高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等粘土矿物外，还含有诸如石英、长石、云母等碎屑矿物和铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等自生矿物，页岩层理构造发育，多呈页状或薄片状（图1左），并沿层理发育有大量裂隙和微裂隙（图1右），脆性高、易碎，外力击打作用下易裂成碎片，且吸水膨胀性强，长时间裸露浸泡后极易引起井壁缩径、垮塌、掉块等复杂事故。例如，四川威远-长宁构造完成的3口页岩气水平井，水平井段钻进过程多次遭遇井壁垮塌、掉块等复杂，引发卡钻、报废进尺等事故，并导致3口水平井储层段40%进尺作业占总作业时间70%以上。同时，页岩气水平井井壁失稳问题频发，不但严重影响到钻井周期、钻井成本等问题，还直接导致井身质量差、固井难度大、储层污染严重等问题，这些问题都给后续开发带来极为不利的影响。据不完全统计，截止2012年初，四川威远、长宁及云南昭通页岩气产业化示范区完钻的4口水平井，平均井深3357米，平均钻井时间118天，而北美地区井深4000~5000米，水平段1500~2000米的页岩气井钻井周期通常在15~20天，水平段钻井时间仅为5~8天。由此可见，我国相对落后的页岩气水平井钻井技术，已经成为制约我国页岩气工业快速发展的重要瓶颈。
美国页岩气开发情况的分析 美国页岩气的快速发展为世人瞩目，对美国乃至全球的能源格局形成了不容忽视的影响。在此我们进行介绍，以期对我国页岩气产业的发展提供借鉴。 页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，它与煤层气、致密砂岩气一起，被称为非常规油气资源的三大品种。相对常规天然气而言，页岩气实际上是原生原储的天然气贫矿。有一个形象的说法，常规天然气好比是“大金娃娃”，页岩气相对富集的地质块体不过是“甜点”。就是这种贫矿，十年前美国的开采还微不足道，而现在已占美国天然气开采总量的约1/4，一场页岩气开发热潮正在美国上演。而且，页岩气的开发也在深刻影响着美国的能源利用和应对气候变化行动。 美国页岩气开发现状 美国是世界上最早进行页岩气资源勘探开发的国家，开采历史可以追溯到1821年。但是，页岩致密低渗的特点导致页岩气开采难度大、成本高，在本世纪以前，页岩气大规模开发并不具有经济上的可行性。随着水平井技术和水力压裂技术的成熟，开采成本大幅下降，页岩气的商业化开发具备了可行性。 近年来美国页岩气勘探开发的发展速度惊人。2004年，美国页岩气井仅有2900口，2005年不过3400口，2007年暴增 至41726口，到2009年，页岩气生产井数达到了98590口。而且，这种增长势头还在继续保持，2011年仅新建页岩油气井数就达到了10173口。 美国页岩气的大开发，提高了美国能源自给水平，美国能源对外依存度降至20世纪80年代以来最低水平。美国石油进口从2005年占石油总消费量的60%下降到2012年的42%，净进口量从1300多万桶/天降至800万桶/天。而且，美国60年来首次成为炼油产品出口国，美国在2009年已经超越俄罗斯成为最大的天然气生产国。国际能源署在2012年11月份发布一份十分乐观的预测：在2017年将超过沙特成为最大的石油生产国，到2035年美国将实现能源自给自足。 美国页岩气开发热潮出现的原因 北美大陆页岩气储量丰富。2013年，由美国能源信息署组织的研究团队对世界41个国家、137个页岩气沉积盆地进 行了全球页岩气评估。结果显示，全球页岩气技术可采资源量为206.68万亿立方米，与常规天然气探明可采储量相当。其中，北美洲页岩气资源最为丰富，占全球总量的23.4%。按照国家分布情况，美国页岩气技术可采资源量为18.8万亿立方米，位居世界第四。
页岩气资源调查评价 钻井地质技术工作要求 二○一三年二月
为确保页岩气资源调查评价项目保质保量按时完成上级下达任务，根据《页岩气勘查开发相关技术规程（试行）2012.8.》及国土资源部油气中心等有关要求，针对本项目工作具体情况，加强页岩气钻井地质技术管理，特制定以下页岩气钻井地质技术工作要求： 一、准备工作 1. 收集相关资料 页岩气钻井地质人员（岩芯编录人员，下同）应收集与本页岩气井相关的技术资料：规程或规范、井位论证报告、钻井工程及地质设计、井区及区域地质资料、其它有关技术学习资料等。 2. 工具、材料及表册 在出野外工作前，应充分准备工具或材料：照相机、罗盘、地质锤、钢卷尺、岩芯箱摄影牌（含标贴）、放大镜、盐酸；量倾角用直尺和量角器、黑中性笔、彩色标记笔、采样袋、绵纸、包装胶袋；钻探原始记录表（班报）、简易水文观测原始记录表（班报）、岩芯鉴定表、岩芯回次鉴定表、岩芯回次票、岩芯分层票、停钻通知书、岩芯处理报告书、测井通知书、封孔设计书、封孔报告书、采样登记表、送样标签、送样登记表（含测试项目）、开工报告、开孔验收书、钻探工程质量验收书等。 3. 其它准备工作 应熟悉井区地层、构造，熟练掌握井区各层位岩性、古生物化石等。 4. 钻井井场 钻塔、井场除按规定（责任、安全牌等）要求外，钻塔要求有红布标——“贵州省黔西南区××页×井”（纵幅挂），安全警戒线（附彩旗）。 岩芯用岩芯箱装，并有防水设备保护。 5. 钻井开工工作 页岩气井施工方将钻井工程设备安装、岩心箱（含岩心遮盖防温布）、安全及责任牌、场地准备就绪，地质人员接到施工方信息后，应立即把编制好的开工报告（一式四份）加盖项目承担单位、所在县国土地局、贵州省矿权储备局公章留存备案或送呈，现场验收钻井并填写开孔验收书（含签名）。 二、岩芯编录工作 钻井施工页岩气目的层的上覆地层孔深每100～200m，地质人员应及时进行现场岩芯鉴定编录，孔深至目的层之前20～50m，地质技术人员应随班钻井观察岩性及层位，孔深到达目的层时除随班钻井观察岩性及层位外，应随时跟踪泥页岩层（含砂泥岩软岩层）含气情况，及时配合现场解吸工作人员采解吸样，目的层孔深每50m应及时进行岩芯编录。 岩芯编录时，应仔细观察岩石的岩性、颜色、结构、层理、构造、节理、裂隙、结核、古生物化石等并依次记录。岩性属砂岩类还应观察记录分选性、磨圆度、胶结物，化石描述应尽量到属或种，腕足类、瓣腮类切忌混淆搞错。 岩芯编录时，凡泥页岩类岩层厚度0.5m以上应单独分层描述，若目的层厚大于100m，泥地比大于60%，0.5m以下泥页岩为其它主岩层的夹层原则上可不单独分层，但需注明井深段位置，否则应单独分层描述；凡颜色深（深灰色、灰黑色、黑色）的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩厚度大于1m无论目的层厚度多少应单独分层描述；凡颜色深的粉砂岩、细砂岩、含泥灰岩、泥灰岩厚度大于2m无论目的层厚度厚薄应单独分层描述。 岩芯观察时若遇颜色深的碳酸盐类岩石与砂泥岩等岩石难以辨别，可借助盐
长宁页岩气田钻井技术难点及对策探讨 谢果1，任虹宇 2 （1.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院，四川 广汉 618300； 2.中国石油西南管道德宏输油气分公司，云南 芒市 678400） 摘要：随着时代的进步，科技的发展，人类社会对油气资源需求量越来越大，油气资源成为了人类发展史上最为主要的资源之一。国家经济发展建设离不开油气资源，工业生产、国防建设离不开油气资源。随着油气资源开采力度的加大，世界范围内能源紧缺加剧，这使得页岩气成为油气勘探的新方向。我国页岩气虽然资源丰富，但地质条件较复杂，开发存在难度，气田钻井技术存在难点，如何解决值得研究。本文将针对长宁页岩气田钻井技术难点及对策展开研究和分析。 关键词：钻井技术；页岩气田；技术难点；对策中图分类号：TE242.9 文献标识码：A 作者简介：谢果（1987-），男，大学本科学历，助理工程师，研究方向：钻井技术及固井技术研究。收稿日期： 2016-03-10随着我国经济发展速度的加快，能源消耗问题日益突出，为了缓解国内能源供求矛盾，解决能源供应问题，寻找新能源势在必行。相关调查研究表明，全世界目前拥有6 600万亿立方英尺的可开发页岩气，中国拥有1 275万亿平方英尺可开发页岩气，占全球存储量的五分之一，说明我国完全可以开发页岩气田，缓解能源紧缺压力。但目前我国页岩气田开发刚刚起步，相关技术经验缺乏，尤其在钻井技术方面存在难点，如何进行技术改进值得研究。 1 页岩气田基本特征及其开发情况 页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，其成分以甲烷为主，主要分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中[1]，属于高效、清洁能源，应用领域非常广泛。当前很多发达国家都在尝试开发页岩气，从而解决常规天然气存储量下降问题。页岩气勘探开发成功率高，相对成本低，生产周期长，具 有较高工业经济价值[2]。 中国页岩气储备量世界第一，但开采难度较大，储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流阻力比常规天然气大，所有井都需实施储层压裂改造才能开采出来。目前中国页岩气开发仍处于起步阶段，距离商业化仍有一定距离。 2 长宁页岩气田钻井技术难点 长宁地形地势复杂，属于典型盆地，南北两端小， 中腹较大，地势南高北低，南部为中低山，中北部为丘陵。目的层埋深大于2 300 m ，深层页岩气埋深超过了4 500 m ，页岩气形成机理复杂，所储位置特殊，开发难度大。 （1）地层井壁稳定性差。保障地层井壁稳定性很重要，是保障正常开发的前提条件。影响井壁稳定性的因素多种多样，具有不确定性。长宁页岩地层非均质性及各向异性突出，有层理裂缝特征。因此，在钻井过程中，在外力作用下，页岩地层结构发生改变，超出应力荷载范围，将造成裂缝延伸，诱发质量安全问题，对井壁稳定性造成影响，导致井壁不能满足质量要求[3]。另一方面，长宁页岩地区，矿物成分脆性矿物含量较多，已经达到50%以上，所以脆性好，页岩地层强度低，也会严重影响井壁稳定性，甚至引起井下故障，发生井壁垮塌事故。 （2）井眼轨道复杂。为了保障经济效益的实现，减少井场数量，目前开发中主要采用的是丛式水平井。而这种井与常规水平井相比井眼轨道差距非常大，复杂性较强。丛式水平井是偏移距大的三维井眼轨道。为了实现地下井网全覆盖，所以通常情况下会利用交叉式开发模式，更进一步加大了井眼轨道复杂性。开发过程中长水平段，开发效率高，成本低。但水平井段并不是越长越好，长度增加不仅会诱发垮塌，更会加大钻井难度，提高钻井成本。此外，由于轨道复杂，工具的使用也会存在诸多限制和困难，会严重影响工具面摆放与控制。 3 长宁页岩气田钻井技术难点的对策 (下转47页) 谢果 等·长宁页岩气田钻井技术难点及对策探讨
第13卷第2期重庆科技学院学报（自然科学版）2011年4月 收稿日期：2010-11-29 基金项目：国家重大专项（2008ZX05022-005） 作者简介：胡进科（1985-），男，四川合江人，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为页岩气储层保护理论与技术、欠平衡钻 完井。 页岩是一种渗透率极低的沉积岩，通常被认为是油气运移的天然遮挡。在含气油页岩中，天然气产自其中，页岩既是气源岩，又是储层。天然气可以储存在页岩岩石颗粒之间的孔隙空间或裂缝中，也可以吸附在页岩中有机物的表面上。我国页岩气勘探开发起步较晚，尚有待进一步发展完善。美国是世界上勘探开发页岩气最成功的国家。在此我们对国外页岩气勘探开发现状进行分析，以资借鉴。 1资源量概况 从全球范围来看，页岩气拥有巨大的资源量。 据统计，全世界的页岩气资源量约为456.24× 1012m 3，相当于致密砂岩气和煤层气资源量的总 和，具有很大的开发潜力，是一种非常重要的非常规资源[1]。页岩气资源量占3种非常规天然气（煤层气、致密砂岩气、页岩气）总资源量的50%左右，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区，与常规天然气相当。页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。世界各地区非常规天然气分布和资源量情况如表1和图1所示，图1中1tcf=2.8317×1010m 3。 2 勘探开发情况 2.1 勘探 勘探方面主要采用地震勘探技术。高分辨率三 维地震技术有助于准确认识复杂构造、储层非均质 国外页岩气勘探开发综述 胡进科 李 皋1 陈文可2 姚 远3 蒋延娜4 （1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500； 2.中石化江苏油田钻井处泥浆公司，扬州225263； 3.中石化胜利油田钻井泥浆公司，东营257064； 4.中石化西南石油局地质录井公司，绵阳621605) 摘要：美国是世界上勘探开发页岩气最成功的国家，主要采用水平井+水力压裂进行开发。调研表明，页岩气资源 量约占全球非常规天然气资源量的一半。国外页岩气勘探主要采用三维地震和微地震技术优化设计，已形成一套资源评价系统。国外钻井选择直井和水平井两种方式。完井储层改造多采用裸眼、筛管等完井方式，配合大型水力压裂改善页岩的超低渗透率。 关键词：页岩气；钻井；完井；储层改造中图分类号：TE132 文献标识码：A 文章编号：1673-1980（2011）02-0072-04表1 世界各地区非常规天然气资源量分布情况 m 3 地区页岩气 煤层气致密砂岩气合计 北 美 108.7×10 12 85.4×10 12 38.8×1012 232.9×1012拉丁美洲59.9×1012 1.1×101236.6×101297.6×1012中欧+西欧15.5×10127.7×101212.2×101235.4×1012前苏联17.7×1012112.0×101225.5×1012155.2×1012中东+非洲79.9×1012 1.1×101245.5×1012126.5×1012中亚+中国99.8×101234.4×101210.0×1012144.2×1012太平洋地区65.5×101213.3×101220.0×101298.8×1012其他亚太地区8.9×1012 1.1×101221.0×101231.0×1012全世界456.0×1012256.1×1012 209.6×1012 921.7×10 12 图1 页岩气全球资源分布情况
Q/SYCQZ 川庆钻探工程有限公司企业标准 Q/SYCQZ 647.2—2013 页岩气水平井钻井作业技术规范 第2部分：钻井作业 2013-12-22发布2014-01-22实施
目次 前言................................................................................. II 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 钻井工程设计 (1) 4 井眼轨迹控制 (2) 5 防碰作业 (3) 6 水平段安全钻井 (3)
前言 《页岩气水平井钻井作业技术规范》分为五个部分： ——第 1 部分：丛式井组井场布置； ——第 2 部分：钻井作业； ——第 3 部分：油基钻井液； ——第 4 部分：水平段油基钻井液固井； ——第 5 部分：井控。 本部分为第 2 部分。 本标准按 GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第 1 部分：标准的结构和编写规则》进行编写和表述。 本标准由川庆钻探工程有限公司提出。 本标准由川庆钻探工程有限公司钻井专业标准化技术委员会归口。 本标准起草单位：川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院、川庆钻探工程有限公司川东钻探公司、川庆钻探工程有限公司川西钻探公司 本标准主要起草人：张德军、赵晗、卓云、叶长文。
页岩气水平井钻井作业技术规范第2部分：钻井作业 1 范围 本标准规定了页岩气丛式井组钻井工程设计、井眼轨迹控制、防碰作业、水平段安全钻井等内容和要求。 本标准适用于川渝地区页岩气井的钻井作业。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 SY／T 1296 密集丛式井上部井段防碰设计与施工技术规范 SY／T 5088-2008 钻井井身质量控制规范 SY／T 5416 定向井测量仪器测量及检验 SY／T 5435-2003 定向井井眼轨迹设计与轨迹计算 SY／T 5547 螺杆钻具使用、维修和管理 SY／T 5619 定向井下部钻具组合设计方法 SY／T 6332-2004 定向井轨迹控制 SY／T 6396 钻井井眼防碰技术要求 Q／SYCQZ 001 钻井技术操作规程 Q／SYCQZ 372-2011 丛式井井眼防碰技术规程 3 钻井工程设计 3.1 井身结构 3.1.1 表层套管应封隔地表漏层和垮塌层，相邻两井表层套管下深错开20 m以上。 3.1.2 水平井技术套管下入位置井斜应不低于60°，若井下出现严重垮塌、钻遇高压油气，可提前下入技术套管。 3.1.3 油层套管尺寸不小于 11 4.3 mm，抗内压强度与增产改造施工压力之比＞1.25。 3.1.4 水平段长度宜控制在800 m ～ 1400 m。 3.2 靶区 3.2.1 靶区半径设计符合SY／T 5088-2008的规定，且满足井眼轨迹控制要求。 3.2.2 水平段井眼方向与地层最小主应力方向的夹角不小于 15°。 3.3 井眼轨道 3.3.1 每口井地下靶心与井口位置连线相互之间不宜空间交叉。
页岩气钻井关键技术及难点研究 摘要：页岩气属于非常规天然气资源，国外的页岩气开发已经积累了一定的经验。我国的页岩气开发处于初级阶段，为了更好地开发页岩气，结合我国页岩气 井钻探的实际情况，对页岩气钻井关键技术进行研究，解决钻井的难点问题，不 断提高页岩气井钻探的效率。 关键词：页岩气；钻井；关键技术；难点分析 我国页岩气资源丰富，普遍存在分布广、丰度低、易发现、难开采等特点， 是具有自生自储、低孔低渗、无气水界面、大面积连续成藏的低效型气藏资源。据在川南和滇北地区的页岩气完钻井统计显示，页岩气开发主要存在地层不确 定因素多，压力及流体性质难以预测; 泥页岩和致密砂岩易水化膨胀、易破碎， 井壁不稳定; 固井易气窜，完井困难; 储层易损害，采收率低; 钻井速度慢，钻井 周期长; 开发技术难度大，钻井成本高等问题。为获得较高的钻井收益率，需要 掌握页岩气藏地层特点，预防和克服井下复杂情况，加快页岩气优快钻井配套 技术研究，实现我国非常规油气资源开发的突破与发展。 1.页岩气钻井关键技术 1.1页岩气进入井眼途径 页岩气井中，页岩气进入井眼的过程如下：在钻井、完井压降的作用下，裂 缝系统中的页岩气流（游离气）向井眼并且基质系统中的页岩气（吸附气）在基 质表面进行解析；在浓度差的作用下，页岩气由基质系统向裂缝系统进行扩散；在流动势的作用下，页岩气通过裂缝系统流向井眼。页岩气进入井眼途径复杂， 是钻井过程中的关键之一。 1.2钻井井位部署 页岩气的吸附气含量达到25 %~85 %，同时没有远距离的运移和聚合，因此，其开采必须借助于现代化的压裂工艺，通过进一步扩充裂缝，连通相关的孔隙， 从而获得一定产能的页岩气。以前由于压裂工艺和设备的限制，导致无法获得具 有工业价值的页岩气。现代设备和技术的快速发展，是目前页岩气工业能够快速 发展的重要因素之一。 1.3浅层大位移井 大位移井是在定向井、水平井技术之后又出现的一种特殊工艺井。大位移井 的定义一般是指井的水平位移与井的垂深之比等于或大于 2 的定向井且井斜角大 于 60°，具有很大的水平位移和很长的大井斜稳斜井段。地质导向工具、旋转导 向钻井系统、闭环钻井、先进的随钻测量系统、新型钻井液、先进完井工具得到 开发和应用，促进了长水平井钻井技术的迅速发展，目前已经钻成了水平位移超 过 10 000 m，最大水平段长度已达 6 000 m 以上。目前国内浅层大位移水平井钻 井研究情况非常缺乏。 2.页岩气水平井钻完井技术的难点分析 2.1井眼轨迹优化设计及控制 由于页岩气储层渗透率低，为了实现页岩气的高效开发，必须进行大量水平 井钻井，而长水平段水平井钻井过程中，如何有效降低摩阻扭矩，如何实现井眼 轨迹精确控制则是需要解决一个难点。为了获得更好的压裂效果、沟通更多的 天然裂缝以及井壁稳定的考虑，水平井眼轨迹通常设计为沿着最小水平地应力 方向，同时，为了降低钻井成本，国外多采用多井平台长水平段水平井开发，即 每平台 6～8 口水平井，最多可达 24 口井，水平段长度通常介于 1000～1500m，
油气井智能开采技术综述与发展趋势 刘宁(长江大学石油工程学院)王英敏(河南油田勘探开发研究院) 摘要 油田数字化是目前油气田发展的新趋势,而智能井技术是实现油田数字化的主要构成部分,是实时油藏管理的关键结构单元,通过安置在油藏平面上的传感器与控制阀,可以对油藏与油井的动态进行实时监测,分析数据,制定决策,改变完井方式,以及对设备的性能进行优化,从而提高油藏采收率,增加油井产量;减少作业中投入的劳动力,更有效地进行油气藏管理。本文叙述了智能井技术的发展历史、原理及特点,并结合实例说明了其技术优势以及国内外智能井的发展趋势。 关键词 数字油田 智能井 系统 传感器 智能完井 DOI:10 3969/j.issn.1002-641X 2010 11 009 1 简介 智能井技术是为了适应现代油藏经营管理和信息技术应用于油气藏开采而发展起来的新技术,通过生产动态的实时监测和实时控制,达到提高油藏采收率和提高油藏经营管理水平的目的[1] 。 自从1997年世界上第一套智能井系统(SCRAM S)在北海首次安装,全球智能井系统的应用迅速加快,其功能和可靠性有了显著的提高。例如,贝克休斯公司1999年推出的液压智能井系统InForce TM 已商业化;2000年下半年将其全电力智能井系统InCharg efM 推向市场;其他的智能井系统有斯伦贝谢公司的油藏监测和控制(RM C)系统、BJ 公司的系列智能井仪器和威德福公司的Simply Intellig ent TM 智能井系统[2]。 目前,各种类型的电力智能井系统、电力-液压智能井系统与光纤-液压智能井系统均已成功应用,这些技术将油藏动态实时监测与实时控制结合在一起,为提高油藏经营管理水平提供了一条崭新的途径。 2 智能井技术原理及特点 智能井这个术语一般指基本过程控制向井下的 转移,是一个实时注采管理网络,是一种利用放置在井下的永久性传感器实时采集井下压力、温度、流量等参数,通过通信线缆将采集的信号传输到地面,利用软件平台对采集的数据进行挖掘、分析和学习,同时结合油藏数值模拟技术和优化技术,形成油藏管理决策信息,并通过控制系统实时反馈到井下对油层进行生产遥控、提高油井产状的生产系统[2]。智能井系统的主要构成和用途,如图1所示 [3] 。 图1 典型智能井系统组成和用途 在油田开发过程中,智能井的主要优点是: 优化产量和储量采收率; 最大限度地降低基建费用(CAPEX)和作业费用(OPEX);!更加有效地管理油藏。 在油田开发过程中,智能井的基本用途: 控制注入井内的注入水或注入气沿井眼分布; 控制或隔断生产井内无用流体从井眼流出;!通过合采加速生产。 智能井的其他用途: 能够有效地管理油藏采油过程,特别是对二次注水或三次EOR 采油项目尤为重要; 智能井还能控制注入水或注入气在井内层间、隔层间和油藏间的分布,从而限制或隔断无用的流出物从井内不同产层产出,因此,作业者能够管理注水或采油过程,使未波及到的储量得以动用;!控制压降,确保井眼的稳定性;不同储层流体组分混合;控制自流;连接井;气举和自动气举;减少干扰或进行遥控等作用[4]。 总之,智能井技术是一种强有力的工具,它有助于处理油田开发中经常遇到的各种地下不确定因素,解决各种挑战性问题。包括:驱动机理对采收 33 刘宁等:油气井智能开采技术综述与发展趋势
页岩气开采技术 1 综述 页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气，是一种非常重要的天然气资源，主要成分是甲烷。页岩气的形成和富集有其自身的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。如图1.1所示。页岩气一般存储在页岩局部宏观孔隙体系中、页岩微孔或者吸附在页岩的矿物质和有机质中。页岩孔隙度低而且渗透率极低，可以把页岩理解为不透水的混凝土，这也是页岩气与其他常规天然气矿藏的关键区别。可想而知，页岩气的开采过程极为艰难。根据美国能源情报署（EIA）2010年公布的数据，全球常规天然气探明储量有187.3×1012m3，然而页岩气总量却高达456×1012m3，是常规天然气储量的2.2倍。与常规天然气相比，页岩气具有开采潜力大，开采寿命长和生产周期长等优点，至少可供人类消费360年。从我国来看，中国页岩气探明储量为36×1012m3，居世界首位，在当今世界以化石能源为主要消费能源的背景下，大力发展页岩气开采技术，对我国减少原油和天然气进口，巩固我国国防安全有很重要的意义。我国页岩气主要分布在四川盆地、长江中下游、华北盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地以及准噶尔盆地，如图1.2所示。 图1.1页岩气藏地质条件图1.2中国页岩气资源分布页岩气开采是一种广分布、低丰度、易发现、难开采、自生自储连续型非常规低效气藏，气开采过程需要首先从地面钻探到页岩层，再通过开凿水平井穿越页岩层内部，并在水平井内分段进行大型水力加砂压裂，获得大量人工裂缝，还需要在同一地点，钻若干相同的水平井，对地下页岩层进行比较彻底的改造，造成大面积网状裂缝，最后获得规模产量的天然气。因此，水平井技术和水力压裂技术的页岩气成功开采的关键。 2 页岩气水平井技术 1821年，世界上第一口商业性页岩气井在美国诞生，在井深21米处，从8米厚的页岩裂缝中产出了天然气。美国也是页岩气研究开采最先进的国家，也是技术最成熟的国家。国外页岩气开采主要在美国和加拿大（因为加拿大和美国地质条件类似，因此可以承接美国的开采技术），主要得益于水平井技术、完井及压裂技术的成功应用。 2.1 开采技术 早期的页岩气开采主要运用直井技术，直井开采技术简单，开始投入成本低，但是开采
第31卷 第4期2010年7月 石油学报 AC TA PET ROLEI SINICA V o l .31July N o .4 2010 基金项目:国家自然科学基金项目(No .40730422)资助。 作者简介:陈尚斌,男,1983年3月生,2009年获中国矿业大学硕士学位,现为中国矿业大学在读博士研究生,主要从事煤层气与页岩气地质的学习 和研究工作。E -mail :shangbin chen @https://www.doczj.com/doc/0d11766447.html, 文章编号:0253-2697(2010)04-0689-06 综 述 中国页岩气研究现状与发展趋势 陈尚斌1,2 朱炎铭1,2 王红岩3 刘洪林3 魏 伟3 罗 跃1,2 李 伍1,2 方俊华1,2 (1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 221116; 2.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221008; 3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007) 摘要:借助维普中文科技期刊全文数据库,系统检索了中国页岩气的研究论文,分析了这百余篇论文的分布特征,归纳了研究机 构、科研群体及基金资助等情况,综述了中国页岩气研究现状,探讨了未来其研究的走向和发展需求。研究结果表明:①中国页岩气论文总数少,具有典型发展初期阶段分布特征,说明基础研究与勘探开发刚驶入一个全新的起步发展阶段,在未来一个较长时期,页岩气资源评价理论与方法将是研究的主要方向,地质基础研究工作必受重视,勘探试井及与之相关的产能模拟、压裂等增产开发措施研究也会逐步展开;②基于地质条件、成藏要素及油气产区特殊条件的综合分析,四川盆地南部地区很可能会成为中国第一个页岩气勘探开发的先导性试验建设基地;③在政策扶植和基金支持下,坚持科技攻关,开展多种合作,增进学术交流,促进人才培养,中国页岩气研究将迅速发展,并会较早结束探索阶段而逐步向商业化方向发展。关键词:页岩气;论文分布特征;研究现状;发展趋势;综述;维普中文科技期刊全文数据库;中国中图分类号:T E 122.2 文献标识码:A Research status and trends of shale gas in China CH EN Shangbin 1,2 ZH U Yanming 1,2 WANG H ongyan 3 LIU H onglin 3 W EI Wei 3 LUO Yue 1,2 LI Wu 1,2 FANG Junhua 1,2 (1.K ey L aboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation P rocess of the Ministry of E ducation , China University o f Mining and T echnology ,X uzhou 221116,China ; 2.School of Resources and Earth Science ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou ,221008,China ; 3.L ang f ang Branch ,PetroChina E x ploration and Development Research Institute ,Lang f ang 065007,China ) A bstract :With the aid of VI P Chinese sci -tech periodical full -tex t da tabase ,the pre sent paper sy stematically searched for the research papers on shale ga s in Chinese ,analyzed the distributio n char ac te ristics of these ov er o ne hundred pape rs ,summarized the research units ,research g roups and fo undatio n sponso rships ,etc .involved in shale -g as researches ,review ed the cur rent status of shale -g as researches in China ,and pr obed into the trend and develo pment necessity of shale -g as researches in the future .T he results sho wed tha t firstly ,shale -g as paper s in Chinese a re characterized by a limited number and a typical distributio n of the initial resea rch ,indica -ting an infancy for both the basic research and the explo ration and develo pment .W ithin a longe r period of time in the future ,the as -sessme nt theo ry and me tho ds on shale -gas resour ces will be the focus of the research ,basic resea rche s on geo log ical a naly ses w ill be highlighted ,and studies on the pro specting well -te sting a nd the related pro duction and development measures including capacity sim -ula tion and fr acturing w ill be gr adually put o n the agenda as well .Seco ndly ,comprehensiv e analyses o f geolog ical co nditio ns ,reser -v oir elements a nd specific conditio ns o f oil -ga s pro vinces indicated that the so uther n reg io n o f the Sichuan Basin is mor e likely to be the first pio neering ex perimental area fo r shale -g as explora tion and development in China .T hirdly ,the shale -gas resea rch in China will develop rapidly ,end the exploring stag e soo n and trend to the co mmercial develo pment prog ressively prov ided tha t the po licy fostering and fund suppor t a re available ,key problems in scientific and technological researches are solved via persistent effo rts ,va ri -eties o f co operation are ex panded ,academic exchang es are enhanced and per so nnel training is pr omo ted . Key words :shale gas ;pape r distribution char acte ristics ;r esear ch status ;developing trend ;review ;VIP China sci -tech pe riodical full -tex t database ;China 随着油气资源的日趋紧缺和对于能源安全的考虑,页岩气这一新能源已成为世界能源研究的热点 之一,而中国的页岩气研究与勘探开发尚处于探索起步阶段 [1-2] 。一个领域内论文的分布蕴含着丰富
一.页岩气概述 （一）页岩气 页岩气，是从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气常分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。2012年3月中国公布发现可采资源潜力为25.1万亿立方米页岩气可供中国使用近200年。 页岩气（shale gas）是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气很早就已经被人们所认知，但采集比传统天然气困难，随着资源能源日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，人们逐渐意识到页岩气的重要性。 页岩气主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50％）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间。 页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点——大部分产气页岩分布 范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。随着世界能源消费的不断攀升，包括页岩气在内的非常规能源越来越受到重视。美国和加拿大等国已实现页岩气商业性开发。（二）储量分布 北美的克拉通盆地、前陆盆地侏罗系、泥盆系-密西西比系富集多种成因、多种成熟度的页岩气资源。而在中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层，互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件，不同规模的天然气发现，但尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一突破。 中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此之外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，因此被确定为首批实地勘查工作目标区。 从全世界范围看，泥、页岩约占全部沉积岩的60%，页岩气资源前景巨大。主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联。加拿大西部地区大约有550万至860万亿立方英尺页岩气储量。美国页岩气地质储量约28万亿立方米。2007年美国页岩气总产量500亿立方米，占当年美国天然气总量的8%以上。中国的页岩气储量超过其它任何一个国家，可采储量有36万亿立方米。按当前的消耗水平，这些储量足够中国使用300多年。 （三）成藏条件 1. 沉积环境 页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础，要求生烃有机质含量达到一定标准。那些有机质丰度高的黑色泥页岩是页岩气成藏的最好源岩，它们的形成需要较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。沉积速率较快可以使得富含有机质页岩在被氧化破坏之前能够大量沉积下来，而水体缺氧可以抑制微生物的活动
页岩气成藏机理及气藏特征 页岩气是泛指赋存于富含有机质的暗色页岩或高碳泥页岩中，主要以吸附或游离状态存在的非常规天然气资源。在埋藏温度升高或有细菌侵入时，暗色泥页岩中的有机质，甚至包括已生成的液态烃，裂解或降解成气态烃，游离于基质孔隙和裂缝中，或吸附于有机质和矿物表面，在一定地质条件下就近聚集，形成页岩气藏。 从全球范围来看，页岩气拥有巨大的资源量。据统计，全世界的页岩气资源量约为456.24×1012m3，相当于致密砂岩气和煤层气资源量的总和，具有很大的开发潜力，是一种非常重要的非常规资源[1-6]。页岩气资源量占3种非常规天然气（煤层气、致密砂岩气、页岩气）总资源量的50%左右，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区，与常规天然气相当。页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。 1.1 页岩气成藏机理 1.1.1 成藏气源 页岩气藏的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成，页岩既是烃源岩、储层，也是盖层。研究表明，烃源岩中生成的烃类能否排出，关键在于生烃量必须大于岩石和有机体对烃类的吸附量，同时必须克服页岩微孔隙强大的毛细管吸附等因素。因此，烃源岩所生成的烃类只有部分被排出，仍有大量烃类滞留于烃源岩中。 北美地区目前发现的页岩气藏存在3种气源，即生物成因、热成因以及两者的混合成因。其中以热成因为主，生物成因及混合成因仅存在于美国东部的个别盆地中，如Michigan盆地Antrim生物成因页岩气藏及Illinois盆地New Albany混合成因页岩气藏[21]。 1.1.2 成藏特点 页岩气藏中气体的赋存形式多种多样，其中绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和黏土颗粒的表面，这与煤层气相似。游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝中，这与常规气藏中的天然气相似。因此，页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气两者特征，为不间断充注、连续聚集成藏（图1-1）。
页岩气充气泥浆钻井技术 充气泥浆钻井是将一定量的气体 （空气、氮气、天然气等）连续不断 注入泥浆内，使其呈均匀气泡分散于 泥浆中，形成充气泥浆。从井内返出 的泥浆经过地面除屑除气后再次注入 井内循环。充气泥浆的密度可根据用 用户要求在0.45g/cm3以上进行调整， 从而达到防止漏失和防止油气层污染 的目的。其主要优点为：减少钻井液 漏失造成对目的层的污染，提高机械 钻速，降低钻井成本。
充气钻井液的分散相气体可以是空气、天然气、氮气等气体； 连续相可以是各种类型的常规钻井液，也可以是淡水、清洁盐水、地层水、柴油等液体，但作为连续相的钻井液必须是易充气、易脱气且很稳定。 充气钻井液入井前通过调整气、液量来调整钻井液的密度；返出井口后经过地面除气器，气体从充气钻井液中脱离出来，以保证泵的正常上水。
?充气钻井技术优点 ⑴在0.55～1.03g/cm 3密度范围内能够通过充气进行有效地调整，从而降低静液柱压力，实现近平衡或欠平衡钻井，保护油气层； ⑵需要较高静液柱压力（而其它气体系不能产生）的油气藏，可以采用充气钻井液来钻，从而最大程度地降低地层损害； ⑶将充气钻井液应用到其它气体体系不能奏效的情况下，例如，在欠平衡钻井过程中，能够产出大量水的严重漏失地层，通过调整注气量和液量，可以在环空中获得平衡状态，从而既不漏失，也不井涌；对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力；
⑷基液可以是钻井液而不是水，因此可以在钻穿水敏性地层时，维持井眼的稳定性； ⑸减少钻具磨损和井下钻具着火的危险； ⑹钻井时效高，能大幅提高钻机作业效率； ⑺保持较高的PH值用于克服内在的腐蚀损害和对充气钻井液的破坏； ⑻消除了着火和灰尘危害，有利于保护环境；