探討國內深層頁巖氣鉆井難點及技術進展

趙崢

【摘? 要】深層頁巖氣鉆井之所以是最難的井下作業(yè)原因是地層深處埋藏頁巖的地區(qū)若存在自然資源則一般難以勘測，地層多樣導致難以鉆進，同時也因為鉆井困難而導致工期漫長。同時在自然資源儲藏位置的氣溫和氣壓很高從而導致井壁支護不安全。最后還有設備進入該區(qū)域后容易失靈的問題從而影響了該地質情況的自然資源的勘測和使用。所以本文綜述了近年來國內在防漏堵漏、高效鉆頭、固井技術等方面取得的進展。并在此基礎上分析了如何完成高效鉆井和開采天然氣的方法，并在研發(fā)的基礎上進一步改善鉆井技術，降低成本等，從而實現深層頁巖地理位置的天然氣的開發(fā)和使用，為我國的發(fā)展打下良好的基礎。

【關鍵詞】深層頁巖氣;水平井;PDC鉆頭;水基鉆井液;鉆井提速

1深層頁巖氣地質特征

（1）地質條件復雜，開發(fā)困難，分為多地層。

如涪陵江東區(qū)塊，鉆遇地層較焦石壩一期相比，地表露出地層增加侏羅系自流井組、珍珠沖組，三疊系須家河組、雷口坡組等陸相沉積層系，易發(fā)生井漏、垮塌的風險。

（2）鉆井設備使用過程中容易發(fā)生塌方等事故，同時研磨性有待處理。

深層頁巖的上方的巖石硬度非常高，難以利用鉆井設備完成鉆井作業(yè)。若使用PDC鉆頭又會面臨抗沖擊性差的難題;棲霞-黃龍組地層研磨性強，容易磨損鉆頭外排齒和保徑，嚴重制約PDC鉆頭使用效果和鉆井提速提效。

（3）天然氣儲藏位置不利于開采，地心氣溫過高，氣壓過大。

氣的儲存位置越向地心靠近，氣溫和氣壓越大。一般深層頁巖的埋藏深度為3700m左右，這一情況下一般這個位置的溫度遠超100℃，同時地層壓力梯度處于2.02MPa/100m的狀態(tài)。這樣的環(huán)境非常難以使用如今的開采技術。

2鉆完井難點

2.1井漏問題

經過多年地質勘測可知，存在頁巖的區(qū)域地質一般經歷多期構造運動，褶皺、斷裂、剝蝕作用頻繁，地形條件復雜，從表1可以看出，主要漏失層位為三疊系須家河、雷口坡、嘉陵江組以及志留系韓家店、小河壩、龍馬溪組，上部地層以溶洞性漏失和裂縫性漏失為主，中下部以裂縫性和滲透性漏失為主。并且鉆井過程中很容易發(fā)生遺漏情況，除了遺漏外還容易出現循環(huán)作業(yè)，固井失敗等情況。

2.2鉆頭與地層匹配性問題

開采過程中，鉆扣容易磨損的問題一直是懂啊只鉆孔速度降低的重要原因。同時若開采頁巖，則對鉆頭的硬度和小咯要求更高。一般用于開采的鉆頭很難適應，容易導致磨損發(fā)生后的高頻更換，從而導致效率降低也會影響到生產成本。另外，在將損壞的鉆頭取出并檢查中，發(fā)現受到磨損最為嚴重的位置是鉆頭肩部。這導致成本的增高過快，同時也不利于經濟效益的獲取。

2.3井壁穩(wěn)定性問題

頁巖周邊的黏土礦會和鉆井液混合，從而導致頁巖周邊壓力增大，這會影響井壁的安全。另一方面，在頁巖以伊利石為主的情況下，層理間細微裂縫處容易吸水，在毛細管作用下削弱巖石層面間的聯(lián)結力，使得井壁失穩(wěn)。井壁失穩(wěn)嚴重情況下會發(fā)生塌方等安全事故，嚴重可能導致該氣井不可再開采。

2.4高溫高壓導致儀器失效問題

深層頁巖所處位置造成天然環(huán)境不利于鉆井作業(yè)，特別是在投入鉆井液后，隨著密度的不斷增大，鉆頭處的輔助設備也會出現問題。導致成本增加外還會影響到鉆井效率和方向。

3主要技術進展

3.1高效防漏堵漏技術

針對淺層采用地球物理方法即電法勘探技術，通過電視法、電磁法視電阻率反演剖面，檢測地下溶洞、暗河，以達到避開漏失的高風險區(qū)域，為淺層鉆井設計提供可靠依據。所以面對以上情況，可以不采用鉆井液，利用純凈水強化鉆頭以及不使用輔助設備來鉆井等。

3.2優(yōu)化設計高效鉆頭

不同特性的頁巖可以采用不同的鉆頭來提升效率。

3.2.1牙輪鉆頭

涪陵江東平橋區(qū)塊早期采用HJT53GK型牙輪鉆頭進行二開鉆進，該鉆頭為勺尺型，露齒較高，攻擊性強，但抗沖擊性差。通過優(yōu)選耐磨性強的切削齒材料，所以改用耐磨性材料同時提升切削齒的數目，從而提升鉆井效率。例如HJT637GL鉆頭，該鉆頭實現了抗沖擊性的提升。

3.2.2混合鉆頭

江鉆公司研制了抗沖擊性牙輪齒+斧型復合片切削齒的ADGR系列混合鉆頭，該鉆頭的優(yōu)勢在于：（1）不容易磨損;（2）采用多類型傾角和間距的方式來完成鉆頭不同部位的設計;（3）在規(guī)徑位置加設減震設施，避免對環(huán)境的不利影響。該類型的鉆頭常用于多口頁巖井。不僅提高了鉆井效率也提升了鉆井速度。

3.3適用于深層頁巖氣的井眼軌跡控制技術

（1）采用高屏蔽聚焦伽馬定向開窗采集方法、磁偶極子跨螺桿鉆具信號傳輸方法、井下高分辨率快速掃描及大數據處理等，這些工藝方法讓了解鉆頭位置的地質環(huán)境成為了可能;（2）采用耐油耐溫螺桿鉆具+抗溫175℃旋轉導向工具+MWD+近鉆頭伽馬測量儀控制軌跡，同時水平段輔以水力振蕩器+震擊器減少托壓卡鉆風，這樣提升了鉆井成功的概率，同時也讓鉆遇率提升到了90%到96%之間。

4結論及建議

（1）深層頁巖這樣的地質條件對于開采鉆井工作來說難度系數很大。在這一地質條件極端困難的前提下，容易導致漏鉆以及鉆頭容易磨損的情況。同時難以控制井眼軌跡以及越接近地心越高溫高壓的情況也限制了深層頁巖氣鉆的發(fā)展。

（2）改善鉆頭并加設輔助設備，從而降低高溫和高壓環(huán)境對鉆井作業(yè)的影響。同時可以設計耐高溫的導向設備以及開發(fā)抗壓固井技術來實現對復雜地形位置的自然資源的采集。

（3）自然資源的埋深越深，隨著而來的自然環(huán)境越惡劣，所以對應的鉆頭設計和輔助設備的設計應當更適應困難的環(huán)境。

下步建議：進一步通過建立建立仿真模型來研究深層頁巖氣鉆技術的方法，從而提升開采技術;其次，應當積極研發(fā)和引進各類高新技術，從而實現鉆井工作的高效化;最后應當保證施工人員和設備的安全，減少固井失敗的概率。

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