页岩气钻探关键技术问题分析研究.docx

页岩气钻探关键技术问题分析研究卢予北1,2吴烨1,3 陈莹1,21.中国地质大学，湖北武汉4300742.河南省深部探矿工程技 术研究中心，河南郑州4500533.河南工程学院，河南郑州451191摘要： 页岩气是一种重要的非常规天然气资源， 页岩则是页岩气生成的源岩，也是聚集和保存其储层和盖层，页 岩气钻探具有自身特点和更高的要求。针对页岩物理化学性质及地层特点，分析了页岩气钻探特点，并对页岩气 钻探过程中存在的主要问题，如钻孔不稳定性成因、钻探设备和机具配套、钻探方法选择、钻井液设计进行了较为 详细的分析研究。在实践和理论分析基础上，提出了页岩气钻探要实现“快速钻探、抑制性钻井液优先”原则。关键词：页岩气；钻探；设备选择；钻井液tu443akeytechnicalanalyze andresearch onshalegasdrillingluyu-bei1,2 wu ye1,3chenying1 1.no. 388lumo road,wuhan430074,china; 2.no. 56nanyangroad,zhengzhou,p.r,china,450053;3.no.1zhongshannorth road,longhuxinzheng,zhengzhou,p.r.china,451191abstract:shalegasisalind ofimportantunconventionalnaturalgasresources,shaleisthesourcerocksofshalegas,andalsoitsreservoirandcaprock,shalegasdrillinghasitscharactersandhighertechnicalrequirements.this paperaimstothephysicalandchemicalpropertiesandthestratum,analyzedthecharactersofshalegasdrilling,andconductthedetailedresearch onthemainproblemsduringtheshalegasdrilling,suchasthereasononwellholeunstabilize,drillingequipmentsandtools,drillingmethodchoose,designondrillingmud.onthebaseofpracticeandtheory,putforwardtheprincipleoffastdrilling,inhibitorydrillingmudpriorityinshalegasdrilling.keywords: shalegas;drilling; equipmentchoose; drillingfluid28探矿工程(岩土钻掘工程)2012年第39卷(增刊1)土和黏土范围。塑性指数愈大，表明页岩中土的颗 主要存在着缩径、超径和漏失3大类问题。 粒愈细，比表面积愈大岩石中的粘粒或亲水矿物在软页岩地层中，由于该类型水化作用极强，所 (如蒙脱石)含量愈高，页岩处在可塑状态的含水量 以，在钻探过程中造浆严重，经常出现孔壁遇水膨胀 变化范围就愈大。(钻孔缩径)、孔底泥包钻头、吸附粘钻等现象；在硬不同的页岩，其化学成分指标也是不一样的，自 脆页岩地层中，随着钻孔深度的逐渐增加，其钻井液 然界存在的页岩，其化学成分含量变化也是比较大 柱压力随之提高，在压力作用下，钻井液中的水分子 的。一般情况下，页岩中sio。含量为45-80， 极易沿着贞岩中微裂缝或构造压力异常区向四周扩 a1：o。含量为1225，fez 03含量为2 散，从而加速水化作用。同时，由于页岩中含有各种 lo，cao含量为0212，mgo含量为01 不同成分的矿物，其吸水膨胀率差别较大。所以，在5。该类地层中易出现孔壁崩塌、剥落、掉块现象，最终裹l常见页岩类型及特性引发钻孔超径或卡钻、埋钻问题。类型组份及特性页岩中微裂缝发育、宽窄不等，形状不规则，其钙质页岩cac()。禽鲢较高但其含鞋不超过25遇稀盐酸起缝隙宽度多数情况下在055ptm，最大可达泡如超过25，则称之为泥灰岩。钙质贝岩分布较广常见于陆相、过渡相的红色岩系中，也见于海相、泻8001m。据石油钻井统计：页岩钻井其井径扩大率湖相的钙泥质岩系中。为550，最大超径率达981j。由此可见，在铁质页岩含少量铁的氧化物、氧氧化物碳酸盐(菱铁矿)及铁的硅酸盐(鲕绿泥石、鳞绿泥石)，常旱红色或庆绿色，产页岩地层中钻探孔壁遇水膨胀缩径和孔径扩大是主于红层、煤系地层及海相砂泥质岩系中。要问题，这些问题的存在将会导致常规绳索取心钻硅质页岩si02含量高达85以上。其硅质来源主要有陆源和海底火lli喷发的硅质或生物成闪。硅质贝岩比普通页岩探困难、钻探效率低、孔内事故(吸附粘钻、卡钻和埋硬度大常与铁质岩、锰质岩、磷质岩及燧石等共生。钻)等问题。碳质页岩含大量分散的炭化有机质。炭质页岩能污手但含灰分高，故不易燃烧。常形成于湖泊一沼泽环境与煤层实际工程显示：无论是石油钻井、地热钻井还是共生。盐矿等其他钻井，当遇到泥岩、页岩地层时，经常出黑色页岩富含有机质及分散黄铁矿、菱铁矿而显黑色很少化石。常具极薄层理外貌似炭质页岩但不染手。厚度现钻孔缩径、吸附粘钻、泥包钻头等问题。其中，大时町成为良好的生油岩系。一般是在温湿气候下80以上钻孔都会出现缩径和泥包钻头，30的湖泊、沼泽的还原环境形成。油母页岩是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，它和煤的主50的钻孔都会不同程度出现吸附粘钻。这些现象要区别是灰分超过40与碳质页岩的主要区别是含和问题的出现将花费大量的时间处理，严重者导致油牢大于35。油页岩经低温千馏町以得到页岩油页岩油类似原油ur以制成汽油、柴油或作为燃料钻孔报废从而影响着钻探效率、成本和质量。油。除单独成藏外油页岩还经常与煤形成伴生矿藏。粉砂质页岩粉砂质泥质结构纹层和页理构造岩白|由泥质和细碎当钻井液液柱压力、环空循环压力及孔内激动屑组成泥质含量5075细碎屑含量2550，常压力过大时，则易造成地层压裂或漏失问题。自动植物化石。22关键技术研究根据上述页岩的物理化学特性分析可知：(1)页针对页岩地层特性和钻探主要问题分析可知： 岩属于较软中硬地层；(2)塑性指数较高，具有极 在页岩气钻探工程中，只有实现快速钻穿目的层，才 强的亲水性和可塑性；(3)页岩沉积过程复杂，类型 可能避免因长期施工而造成的井眼不稳定和孔内事 较多，故成分及各种矿物含量不同，表现出各向异性 故等问题。其关键技术主要有设备及钻具配套、钻 特点。总之，可简单将页岩划分为2大类：软页岩 探方法选择、钻井液设计。 (亲水膨胀)和硬脆性页岩(亲水或应力作用下崩塌、221页岩气钻探特点剥落、掉块)。(1)钻遇地层相对较软岩石级别。(2)钻孔口径较大，钻探深度一般在10002页岩气钻探关键技术问题研究4000 m。21钻探主要问题分析(3)为了防止钻井液对岩芯污染和因压力温度页岩气钻探目的层主要是页岩，就岩性及岩石 降低后岩芯中气体膨胀散逸，页岩气钻探需要采用 的强度来说碎岩机具目前的技术水平均能够满足要非常规密闭取芯技术。 求特别是石油钻井设备和工艺，在该类地层中都能(4)页岩地层的特性决定了常规小口径绳索取 够实现快速钻进。而对于地矿行业固体矿产岩心钻 芯工艺难以实现；石油钻井或地热钻井普通提钻取 探和水文水井(地热)钻探来说，在该类地层中钻探 芯工艺，效率低、成本高。2012年第39卷(增刊1)探矿工程(岩土钻掘工程) 29222设备选择及钻具配套 表，避免重复破碎，提高钻探效率。因石油钻机和地 绳索取芯钻进具有效率高、岩芯质量好、钻头寿热水源钻机转盘转速相对较低(45170 rrain)，所 命长、劳动强度和成本低等特点z。但是，小口径岩 以，绳索取芯钻杆在大口径、低转速的情况下具有足 芯钻探钻具与孔壁环空间隙最小051 mm，最大够的可靠性和安全性，通过实际工程和强度计算证2-3 mmo，由此会产生以下系列问题：明了这一点。(1)钻具与孔壁间隙小，钻井液循环时泵压增幅由于该类地层岩石级别较低，所以，选用合金或 过大，易造成孑l内压力平衡的破坏，从而导致漏失和 pdc钻头则可满足要求。 孑l壁失稳问题。同时，由于环空间隙过小，孔底岩屑 223钻探方法选择原则 上返阻力过大和循环通道不顺畅，使之重复破碎、钻 全面钻进：针对不同岩性和装备情况可选择正 效低，并且易造成埋钻、“砂桥”卡钻和吸附粘钻事循环泥浆钻进、螺杆马达+液动潜孑l锤(单项或“二 故【45l。合一”)钻进、空气潜孔锤钻进、气举反循环钻进。当(2)传统岩芯钻探设备回转速度高，当钻具在长 二开较浅或地下水位较深条件下优选空气潜孑l锤； 期高速旋转的情况下，由于离心作用使钻井液中的 若地下水能满足一定沉没比时可在一开、二开选用 固体物在钻杆内壁形成不均匀的“结垢”现象，从而气举反循环钻进；若泵量和泵压能够满足螺杆和液 造成投放和打捞内管总成遇阻。 动潜孔锤所需流量和压力时，在基岩段优先采用螺 (3)在硬脆页岩地层中，由于孔壁崩塌、剥落等杆马达+液动潜孔锤“二合一”钻进，也可拆开单项引起的超径系数过大，易产生钻杆受力不均折断和使用。钻井液上返速度变化、减小而引起的岩屑重复破碎。取芯钻进：页岩目的地层时则优先采用绳索取 石油钻井具有钻进能力强、动力大、全面钻进速心工艺。具体方法选择见表2。度快等特点。但是。与岩芯钻探相比设备笨重、提钻裹2页岩气钻探方法选择裹页岩气钻探同时具有岩芯钻探和石油钻井的特熊鞠搿赫貉心取芯效率低、钻井成本高。特点泥浆孔锤反循环奄：j訾14”。性，即：在页岩目的层一般要求取芯钻进；而在非目一开松散可选择一可选择一一的层则采用全面钻进。所以，在页岩气钻探时可把二开成岩，半胶结可选择可选择可选掸优先选择一三开岩石(或页岩)可选择一可选择优先选择可选择岩心钻探和石油钻井2种工艺相结合，采取“扬长避四开岩石(或贞岩)一一一町选择优先选择短、优势互补”的原则进行设备和机具选择。钻机可根据钻孔深度确定合适的设备，一般采上述钻探方法选择的原则是在现有技术经济条 用带平台的石油钻机或水源钻机即可。件下和不同的地质情况提供了多项选择，其主要目 泥浆泵优先采用高压、大排量的石油系列泵组，的是实现快速钻探、降低成本、保证岩芯和钻孔质 如350,-,1300马力的石油钻井泵，理论计算和实践量。当钻孔较浅和地层复杂程度较低时，钻孔三开 经验表明：高压、大排量的泥浆泵可以提高钻井液的结构即可，此时，三开为取芯钻进；当钻孔较深或地 上返速度，使钻井液的流态由层流变为紊流，在紊流层复杂时，采用四开结构。如果生产井在水平段施 状态下孔底较大颗粒的岩屑上返速度远远大于沉降工时，则采用螺杆马达+pdc钻头全面钻进；直井速度，并对膨胀孔段不断进行冲刷。从而可以避免段钻探方法可参照表2据情况选定。 岩屑的重复破碎，大幅度提高钻井效率。同时，可以224钻井液设计 减少埋钻和缩径事故。(1)孔壁不稳定类型及成因分析备用89 mm(或西127 mm)普通钻杆和西89 页岩气整个钻探过程中钻遇的地层均属于不稳 mm(或(i)127 mm)绳索取芯钻杆，前者主要在全面 定地层，如：松散覆盖层、煤系地层、砾岩、砂岩、泥 钻进中使用后者在取芯时使用。值得注意的是：绳 岩、粉砂质泥岩、页岩等。页岩气钻：fl孑l壁不稳定类 索取芯钻具和钻头必须在常规规格尺寸上进行改 型主要有孑l壁坍塌、孔壁膨胀缩径和地层压裂漏失 制在钻杆直径一定情况下，增加取芯钻具和钻头外 3大类。在这类地层中90以上的孔壁坍塌均发生 径。保证钻杆和钻孔之间的环空间隙大于10 mm。 在泥页岩中；页岩、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩和 增加环空间隙目的主要是：一方面防止因缩径引起 粉砂岩中则发生孔壁膨胀(缩径)问题i地层压裂(漏 的卡钻事故l另一方面使孔底岩屑呈体积状上返地 失)则可发生在任何地层中6。孔壁不稳定成因及30探矿工程(岩土钻掘工程)2012年第39卷(增刊1)现象见表3。应力系数；pp为孔隙压力，mpa；h为井深，m；妒为表3页岩气钻探孔璧不稳定成因及现象内摩擦角，。不稳定类型成因现象式(21)表明：防塌钻井液密度与井深、岩石强孔壁坍塌喜磊篓；骡篙主云严水耋磊釜墓蓄窖且量大、泵度、地层应力、孔隙压力、地层渗透性、孔径扩大率、地层破碎程度、孔斜角和方位角等有关。所以，钻遇孔壁缩径薯磊素毫菩魏其中黏土莘薨菪未严下钻遇阻、该类地层时首先根据地层力学参数进行密度计算。地层压裂蓑蓥鎏暑环压力大于地层磊箍毳璧#井液柱下降易坍塌地层钻井液类型较多，实际可根据需要选择。以下为国内外公认最理想防塌钻井液配方：钻井液在整个钻探过程中，不但具有冷却钻头、 kcl一聚合物钻井液(钾盐聚合物)：15 携带岩屑、清洗孔底、润滑钻具、提供动力功能外，最 3膨润土+01o3pam(或其衍生物)+ 主要的是维护孔壁稳定。其性能指标和工艺不当时 38kcl+适量降滤失剂(pac、cmc、cms) 同样会造成孔壁的坍塌、缩径和漏失。+少量除氧剂(na2s03)。孔壁坍塌原因分析另外，采用水泥浆和沥青处理剂也是最常用的 钻井液密度低、钻孔内液柱压力低于地层压力；防塌钻井液。其中，沥青类防塌机理是：沥青在温度 起钻时提拉钻具速度过高形成的抽吸力过大，速度 低于其软化点时呈固态，而在软化点温度时在孔内 越高、钻井液粘度越大。抽吸力越大，孔壁坍塌的几压差作用下，易挤入地层裂隙或微小缝隙中，从而阻 率越高；钻井液环空上返速度过高时，对裂隙发育和止钻井液中的水或其他流体进入地层，从而可预防破碎地层冲刷时也会导致掉块和坍塌。据统计：在坍塌l7。 钻至易坍塌地层时，钻井液循环在层流条件下，孔径防缩径钻井液的扩大率小于6 o610，紊流时其扩大率高达页岩的塑性指数为523，属于较强的可塑性 30506i。地层。所以，页岩地层缩径实际上是由于地层吸水孔壁缩径原因分析后其岩石中黏土塑性变形而引起，式(22)为防止 钻井液失水量偏高或孔壁“泥皮薄膜”性能差 页岩地层塑性变形钻井液密度计算公式：时，地层中黏土矿物水化作用随着时间和接触面积广n 9n砌=1318+0108581nhi孑型一的增加而增强，其膨胀和缩径程度越严重。o吖3 hby漏失原因分析当钻井液密度过高，孔内液柱压力大于地层压rued(号)+d2(号)4+1 jdy(22)力时，或下钻速度过快时产生孔内的激动压力都将式中，砌为钻井液密度，gcm3；h为井深，m；b为 诱发地层压裂或漏失。蠕变参数；y为极坐标矢径，m；口为钻孔半径，m。(2)页岩气钻井液设计d值可由下式确定： 页岩气地层钻孔不稳定现象主要是坍塌、缩径d一鱼exp(ert)一和漏失。所以，在钻井液设计时按照“确定合理的钻1+雎72103a井液密度，保持孔壁稳定；选择防塌钻井液类型与配 式中，a为蠕变参数；力为所控制井眼的闭合速 方，采用物理化学方法阻止或抑制地层的水化作用” 度，；雎为页岩横向和纵向蠕应变速率的比值，其 原则。值可取05；t为地温(用绝对温度表示)，为井深的防塌钻井液函数k。对于硬脆页岩地层，可以按照式(21)进行孔通过式(22)可知：防塑性变形(缩径)钻井液 壁防塌所需钻井液密度计算：密度与钻孔深度、孔径、孔内温度、钻开页岩时间等 阳一r(l一纰)2ck+有关。其钻井液设计原则：提高钻井液的抑制性必 矽p(k21)(k2+r)hx 100(21)要时采用物理化学法封堵地层的层理和裂隙阻止 k=cot(45。一92)钻井液滤液进入地层；提高钻井液对地层的膜效率， 式中，阳为钻井液密度，gctn3；刁为应力非线性修降低钻井液活度使其等于或小于地层水的活度；提 正系数；“l为最大水平地应力，mpa；毗为最小水 高钻井液粘度降低钻井液高温高压滤失量和泥饼平地应力，lmpa；c为岩石的粘聚力，mpa；口为有效 渗透率，减少钻井液滤液进入地层。2012年第39卷(增刊1)探矿工程(岩土钻掘工程) 31石油钻井在该类地层中钻进常采用聚合醇(多其中，地层破裂压力与钻井液密度(孔内静液柱 元醇)钻井液起到了较好的效果。该类型钻井液是 压力)、钻井液环空压力损耗、孔内激动压力有关。 在原有水基钻井液基础上，加入一定数量的聚合醇所以，在渗透性漏失层钻进时，尽可能降低钻井液密 配制而成。它具有很强的抑制性和封堵性，并且具 度、环空循环压力和提下钻速度。另外，通过适当增 有很好的润滑性，当聚合醇加量3时，钻井液的润 加钻井液中的膨润土或加入增粘剂来提高钻井液的 滑系数可降低80。另外，聚合醇可降低钻井液表 动切力、静切力来提高地层的承载力。当漏失严重 面张力，对页岩气层损害程度低，地层渗透率可恢复 时，可以选用物理化学堵漏剂进行必要的封堵。 85以上；毒性极低，易生物降解，对环境影响小。聚合醇种类较多，常选用聚乙二醇、聚丙烯乙二醇、3结语聚丙二醇等。常用的配方有：在页岩气钻探过程中由于孔壁不稳定问题，导 低固相泥浆体系的配方：4膨润土+03xy致钻探效率低、孔内事故频发，甚至造成钻孑l报废-27+1腐植酸钾+2磺化酚醛树脂+05部 等，从而严重影响了钻探工程。特别是页岩气钻探 分水解聚丙烯腈铵盐+o2nazcos+2聚合醇。要求将会更加严格和规范，其钻探和取心难度也将 无固相泥浆体系的配方：007