国内外页岩气钻井液研究现状

目录国内外页岩气钻井液技术研究现状..........................................1摘要.......................................................................................1第一章绪论...........................................................................11.1页岩气概况...........................................................................................11.2国外页岩气勘探开发历史与研究现状...................................................21.3国外页岩气勘探开发历史与研究现状...................................................3第二章国内外页岩气钻井液技术研究现状..............................42.1国外固井技术......................................................................................42.2国内固井技术......................................................................................52.3页岩地层水基钻井液研究进展.............................................................52.4结论及建议..........................................................................................9参考文献................................................................................101国内外页岩气钻井液技术研究现状摘要我国已在页岩气开发实验区钻井62口，其中24口井获得工业气流，这预示着国内页岩气资源开发全面铺开。页岩气储层与常规储层差异很大，必须采用先进技术，尤其是水平井钻井、完井及压裂技术，才能实现经济有效开发。介绍了国外页岩气开采技术以及国内近两年在页岩气钻井技术、钻井液技术、固井技术和压裂技术方面取得的经验，这些经验奠定了国内页岩气开发的技术基础。今后，需要结合国内页岩气藏特点，在借鉴国外新技术及国内经验基础上，通过工具研制、技术配套、方案优化，尽快完善适用于页岩气开发的水平井钻井技术；从流变性、封堵能力方面进一步完善油基钻井液体系，同时开展适用于页岩气水平井钻井的水基钻井液体系研究；针对页岩气水平井多采用油基钻井液的现状，进一步完善冲洗液、水泥浆体系及固井工艺技术。关键词：页岩气，钻井液，水平井，井壁失稳，进展第一章绪论1.1页岩气概况当前国际能源供需矛盾突出，能源问题日益成为各国关注的焦点，页岩气资源勘查开发备受世界瞩目；全球页岩气资源非常丰富，主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联地区；近年来随着开采和利用技术的不断进步，美洲、欧洲、亚洲国家对页岩气的勘查开发正在形成热潮。页岩气作为一种非常规能源，2011年年底被国土资源部确定为第172个独立矿种，2012年温家宝总理所作的政府工作报告中，要求“加快页岩气勘查、开发攻关，提高新能源和可再生能源比重”，将页岩气的勘查开发工作上升为国家战略。各省积极响应，多部门全力推进页岩气的勘查与开发工作。长期以来，在经典的石油地质学理论中都是将泥页岩作为烃源岩或盖层来研究，但随着能源需求的增长与理论、技术的进步，富有机质泥页岩现今也成为了油气勘查与开发的重要目标。美国与加拿大最先在泥页岩中寻找天然气，并已取得了显著的成果１］。国内学者按有无纹层或页理构造将粘土岩（粒径小于0.0039ｍｍ）划分为页岩和泥岩，而国外学者将粒径小于0.0039ｍｍ的细粒沉积岩统称为页岩，即国外所指的页岩包含国内所指的泥岩与页岩。页岩气分为3个部分，即吸附于干酪根和页岩颗粒表面的吸附气、存储2于储层孔隙和裂隙中的游离气和少量溶解气。国内学者一般将页岩气定义为：成分以甲烷为主，含少量轻烃气体；主体位于暗色泥页岩或高炭质泥页岩中，以吸附或游离态为主要存在方式的天然气聚集。其中也包括存在于页岩夹层中的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，甚至是砂岩地层中的天然气聚集。1.2国外页岩气勘探开发历史与研究现状从全世界范围看，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。目前，世界上页岩气勘探开发时间最长、程度最高、研究工作开展最多的国家为美国，其次为加拿大，其他国家页岩气的勘探开发和研究普遍还处于刚起步阶段．因此，了解北美地区特别是美国页岩气的勘探开发和研究现状，对于我国页岩气勘探开发与研究工作具有重要借鉴意义．美国是世界上最早从事页岩气勘探开发的国家．尽管页岩气引起广泛关注只是在最近几年，但早在19世纪晚期已在美国阿帕拉契亚山区开始生产．1821年，在纽约州Fredonia附近泥盆纪富有机质的Dunkirk页岩完钻的页岩气井是美国第一口商业生产的页岩气井，比Drake上校在宾夕法尼亚州所钻的著名的油井早了将近40年．1859年Drake油井之后，因常规天然气储层产出了更多量的天然气，页岩气的生产不再受到关注．尽管如此，1926年，阿帕拉契亚盆地泥盆纪页岩气已投入商业性开发，并且成为当时最大的气田．但美国页岩气广泛的商业性开采直到1980年实施了非常规燃料税收优惠政策以后，特别是1981年Mitchell能源公司在得克萨斯州北部FortWorth盆地Barnett页岩钻探了第一口页岩气井后，页岩气的商业性开采才再一次引起了人们的兴趣．然而，由于技术等原因，1989年美国仅产页岩气42×108m3;1998年，美国页岩气产量达到85×108m3，占其天然气产量的1．6%;页岩气储量1104×108m3，占全国天然气探明总储量的2．3%．到了1999年，美国页岩气产量突破百亿方，达到108×108m3。加拿大是继美国之后世界上第二个对页岩气进行勘探开发的国家，源自页岩的天然气生产也已有数十年的历史．早期的页岩气生产来自阿尔伯达省东南部和萨斯喀彻温省西南部白垩系科罗拉多群近年来，加拿大页岩气勘探开发的兴趣大大增强，勘探开发的地区主要集中在BC省东北部的中泥盆统HornRiver盆地与三叠纪Montney页岩．随着新技术的应用，许多公司对页岩气勘探开发的兴趣除阿尔伯达省和BC省外，还扩展到了萨斯喀彻温省、安大略省、魁北克省、新布伦斯威克省以及新斯克舍省．2009年，加3拿大页岩气产量(仅限于Montney和HornRiver)达到1981×104m3/d［6］，相当于年产72．3×108m3，其中Montney页岩气产量为1698×104m3/d，相当于年产62×108m3．1.3国外页岩气勘探开发历史与研究现状2007年10月，中国石油与美国新田石油公司签署了《威远地区页岩气联合研究》的协议，国土资源部2009年10月在重庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目[1]。这标志着继美国和加拿大之后，我国正式开始页岩气这一新型能源资源的勘探开发。2009年12月18日中石油第一口页岩气井威201井开钻[2]，中石化江汉油田建南地区首口页岩气井———建111井于2010年6月23日完钻并试采成功[3]。2011年底，页岩气被正式批准为我国第172个独立矿种，中国“十二五”规划也明确要求：“推进页岩气等非常规油气资源开发利用”，初步提出2015年达到65×108m3的产量目标。去年以来，一大批页岩气井钻井及大型压裂施工相继完成，到2012年4月，我国已在页岩气开发实验区钻井62口，其中24口井获得工业气流[4]，富顺—永川区块第一口页岩气井阳201-H2井2012年10月上旬日产量达到43×104m3，成为中国测试产量最高的一口页岩气井[5]，这预示着页岩气资源开发已全面铺开，并即将商业化。因页岩气储层与常规储层的差异很大，必须采用先进的开发技术，才能实现经济有效的开发。可见，推动页岩气开发技术进步，尤其是水平井钻井、完井及压裂技术的进步，对推动页岩气开发起着至国内页岩气开采技术进展有重要的作用。针对页岩气藏的特点，水平井钻井技术和水力压裂技术成为了页岩气开发的核心技术[6]。本文在国外页岩气开采技术简述的基础上，介绍近两年国内在页岩气开采技术方面取得的一些进展、面临的问题及下步工作方向。4第二章国内外页岩气钻井液技术研究现状钻井液作为石油工业的血液，经过多代科研人员的努力使之形成了比较完整和固定的体系，是石油工业中较为成熟的一个分支，目前研究主要以开发能优化泥浆某项或几项特定性能的处理剂，以期适应特定地层(超深、超高温、异常压力、大段泥膏岩)的快速安全钻井。硬脆性页岩即是其中的特殊地层［2］。2.1国外固井技术国外页岩气固井技术的核心是水泥浆体系，所涉及的水泥浆包括泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H级水泥等4种类型：①泡沫水泥，由于泡沫水泥具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水量小、抗拉强度高等特点，其良好的防窜效果，能有效解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题，而且水泥侵入距离短，可以减轻储层损害。泡沫水泥固井比常规水泥固井产气量平均高出23%。在水力压裂期间，泡沫水泥相对低的抗压强度不会增加水泥环里裂缝产生和扩大的风险。美国页岩气井通常采用该技术。②酸溶性水泥固井技术，尽管常规水泥也可溶于酸，但酸的溶解度一般为25%，而酸溶性水泥的溶解度则达到92%，容易从地层孔隙中清除，所以通常用于需进行限流水力压裂的水平井段固井。美国Bernatt页岩钻井过程即用酸溶性水泥固井。③泡沫酸溶性水泥，由泡沫水泥和酸溶性水泥组成，兼顾泡沫水泥和酸溶性水泥的特点和优点。典型的泡沫酸溶水泥由H级普通水泥和碳酸钙组成，用氮气发泡。该类型水泥固井不仅能避免水泥凝固过程中的井壁坍塌，且能提高压裂能力。④火山灰+H级水泥体系，可通过调整水泥浆密度来改变水泥石强度，可有效防止漏失，同时有利于水力压裂裂缝，该水泥要能抵制住比常规水泥更高的压力。流体漏失添加剂和防漏剂的使用，能有效防止水泥进入页岩层。国外M—1钻井液公司的Ｒ.Schlemmer等人研制成功了取代糖类成膜剂和丙烯酸盐类成膜剂;中国石油勘探开发研究院等研究单位已研制出BTM—1水基钻井液成膜剂;石油大学(华东)研制成功了多功能聚醚多元醇防塌剂SYP—1;新星石油公司钻井研究所和华东石油大学联合研制的成膜树脂防塌剂FGA;分别在胜利油田车古208井、塔里木油田HD4—23H井、新疆窝埔地区柴3井及松南HD29—20、HD27—18井得5到了成功应用。西南石油大学蒲晓林教授获得国家自然科学基金“基于钻井液井壁界面的膜形成技术与膜传递过程研究”课题资助。尽管如此，由于成膜效果受到多方面制约，大多数成膜剂在现场应用效果不显著，影响了其在现场的推广使用，因此成膜效果更好，稳定性更好的成膜剂还有待进一步研究开发。2.2国内固井技术目前随着非常规能源页岩气在国内的兴起，在新一轮的资源评估之后页岩气已被证实在我国具有广泛的开采前途，是解决目前国内油气资源紧张，实现油气增储上产，保障国家能源安全的重中之重，与此同时围绕页岩气开发的一些关键科学问题也被提上日程。以往页岩地层是作为非储层进行研究，但随着页岩气的勘探开发进入工业开采实质性阶段，页岩地层作为主力储层进行开发，在目前研究的重点区域诸如川渝地区的龙马溪组和筇竹寺组储层均为硬脆性页岩地层，和传统的水敏性泥页岩相比，其水敏