页岩气有效开发的钻井液技术探讨(罗平亚)

页岩气有效开发的钻井液技术探讨罗平亚西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室2012年11月腾冲目录一、前言:页岩气有效开发对钻井液技术的要求二、用水基泥浆在页岩地层中低成本钻成井眼规则的长井段水平井的泥浆技术设想㈠.页岩地层井壁不稳定与坍塌应（压力P塌)㈡.页岩地层水化对井壁稳定的影响㈢.泥浆对页岩中裂缝的作用引起的井壁不稳及对P塌的影响㈣.用水基泥浆在页岩地层中低成本的钻成井眼规则的长井段水平井的泥浆技术攻关要求:一、前言:页岩气有效开发对钻井液技术的要求页岩气勘探开发的重要性及对国民经济和我国能源发展的重大战略意义已成为共识，得到党和国家的高度重视2009年11月15日，中美签署《中美关于在页岩气领域开展合作的谅解备忘录。2012年3月5日，温家宝总理在十一届人大五次会议政府工作报告中指出：我国要“加快页岩气勘探开发攻关”一、立项依据2012年3月13日，国家发改委、财政部、国土资源部和国家能源局发布了《页岩气发展规划(2011-2015年)》。到2015年，国内页岩气产量将达65亿方探明页岩气地质储量6000亿方可采储量2000亿方2012年4月11日，国务院召开常务会议，决定加大页岩气科技攻关。页岩气勘探开发列为国家重大专项的重要内容，并正拟列为新的一个(第十七或第十八)国家重大专项。页岩气的有效开发己成为是国家的重大需求，页岩含气是人们早已知道的事情,但由于页岩气藏含气量远远低于常规天然气藏,而且自身渗透性极低及页岩中天然气赋存状态(吸附态+游离态)的特殊性，因此，使用油气开发现有的各种开采技术都不能获得具有工业开采价值的单井产量(每天一口井只产几百方或几十方或捡测不出来),所以一直无法开采利用。没有技术可以获得具有工业开采价值的单井产量(稳产一万方/日左右)国外提出“以页岩中长段水平井为基础,采用多级分段压裂的体积改造技术”:沿水平井段尽可能多地形成横切井眼轴线、且沿井眼径向延伸规模较大的裂缝网络，由裂缝网络将整个被改造的岩体“分割成若干小块”。在井周以井眼轴线为中心形成一个柱状松动层，从而最大限度地提高页岩气的泄流面积和大大缩短岩石中气体在任一方向上进入(人工)裂缝的距离以及提高其渗流能力,从而使原来极低的单井产量百倍、千倍、万倍的增加(初产几万方/日、稳产一万方/日左右)从而具有工业开采价值。(找到了有效技术)页岩中有利于裂缝网络形成的规则井眼长井段水平井钻井系列配套技术;形成裂缝网络的体积改造压裂系列配套技术…,是页岩气能否有效开发的关健技术。它们与现有的水平井钻井技术,压裂技术有很大不同,而且复杂得多,困难得多.同时由于页岩气单井产量普遍较低,因此这些更为复杂,困难的技术要求其应用成本比现有技术更低得多。88超低渗油气,致密气,页岩气,煤层气有效开发技术应保证对其経济有效开发:●提高单井产量和采收率达到具有工业价值(日产量初产?万方/天,稳产几千-1万方/天)；●降低开发综合成本到如此单井产量仍有経济效益。99国外成熟的页岩气勘探开发技术経过近二、三十年艰苦攻关，美国率先形成页岩气的评价方法和勘探开发系列配套技术，而且日趋成熟，实现了页岩气的工业开发。页岩气资源评价(“甜点”评价)技术；页岩中长段水平井钻完井技术；水平井分段压裂及体积改造技术；钻完井及压裂“工厂化作业”10一、对钻井的要求及主要技术难点:在页岩地层中低成本钻成井眼规则的长井段(1000M—2000M)水平井.为实现体积改造提供必要的“平台”。水平井钻井技术是成熟技术,但在页岩中钻长水平井时,其关键技术:轨迹设计,轨迹控制,钻柱设计,技术套管下入及保护,井壁稳定,摩阻扭矩分析与降低,井眼净化,低环空循环压降(1000米上长水平段，重泥浆情况下)…,井壁稳定及其由它而引发的各种井下复杂问题成为实现这个目标的重大技术难题(瓶颈)。11页岩直井井壁稳定问题己基本解决,但在页岩地层中钻成井眼规则的长井段(1000M—2000M)水平井国内外都没完全解决。钻井中80﹪的井壁稳定问题发生在页岩地层井段;难点在于:页岩的水敏性引发的向题;破碎性地层细微裂缝发育时引发的问题.因浸泡时间增长,井斜角增大而激化…。是钻井中重大难题-井壁稳定问题所有难点的高度集中……其主要问题:页岩地层的水化抑制问题没有很好(难以)解决;“甜点”区域内页岩发育的微裂缝、细微裂缝引发的井壁稳定问题没有很好(难以)解决;水平井段越长(1000M—2000M)浸泡时间越长使问题更为恶化;水平井眼轨迹和方位可能增大地层P塌;综合作用使泥浆密度(防塌)升高,从而诱发一系列问题。井壁稳定难,井眼规则更难！13国外在大多数的页岩气开发水平井中使用的是油基泥浆;雪弗龙公司开发了硅酸钾基钻井液体系;贝克休斯开发了专用于页岩的performax水基钻井液体系;当井壁稳定不突出的时候，可以使用低固相不分散钻井液体系。14使用油基泥浆可以在页岩地层中钻成井眼规则的长井段(1000M—2000M)水平井.油基泥浆对页岩不水化,全抑制;油基泥浆本身对亲水的页岩细微裂缝有封堵作用(见下页);各种油基泥浆封堵剂的合理使用;地层P塌不因泥浆水化作用而升高或升高不多,可以用低密度、低粘度油基泥浆保持井壁稳定和规则井眼。并有利用降低摩阻和井眼净化。15油基泥浆物理化学封堵亲水的地层用油基泥浆：毛管压力阻止泥浆进入裂缝。设：地层完全亲水ow=50dyncm-1，油基泥浆对裂缝的物理化学封堵作用(见右)。对微米级裂缝,井越浅封堵作用越强;裂缝宽度越小封堵作用越强。H(井深m)D(缝宽μ)(当量泥浆密度)300013.33300021.67300031.11400012.50400021.25400030.83500012.00500021.00500030.6816存在问题:1.我国油基泥浆还未形成完整的系列配套技术:没有系列配套的处理剂;没有系列配套的油基泥浆体系及应用技术;没有形成配套的安全、环保技术;没有配套的用过泥浆的回收处理及循环使用技术;没有含油钻屑的处理技术;油基泥浆测井技术油基泥浆固井技术不配套;172.成本难以降低,很难实现低成本;3、环保问题压力大;小结:使用油基泥浆可以在页岩地层中钻成井眼规则的长井段水平井.但尚需全面组织攻关,在我国形成成熟的油基泥浆完整的系列配套技术之后才能过关,这是我们努力的方向之一(比较好完成)。但很难实现更低成本.只有实现使用水基泥浆可以在页岩地层中钻成井眼规则的长井段水平井,才能真正达到我们的目的。这是我们努力的另一方向----难度很大的主攻方向。国外现也正在努力攻关18二、用水基泥浆在页岩地层中低成本钻成井眼规则的长井段水平井的泥浆技术设想:首先是优质高速钻成：井眼稳定、规则，低密度、高钻速，低摩阻，强净化，低伤害…。同时实现低成本;页岩气有效开发必须攻克的关健技术!国内外都没能很好解决的重大技术难题。核心是页岩地层中长水平段井眼页岩地层的井壁稳定问题.(以及为保持井壁稳定被迫采用高密度泥浆带来的问题)。19解决用水基泥浆钻页岩的井壁稳定问题我们具有丰富经验并能较好解决生产问题的系列配套技术(提高密度、提高抑制性、有效封堵)，但同时又是我们并未能完全掌握而时常碰到的技术难题,特别是在强水敏页岩地层,裂缝发育的页岩地层,尤其是在它们中间打长井段水平井时的井壁稳定问题没有能完全解决。。水基泥浆钻页岩的井壁稳定问题2020例如：井壁稳定技术（研究最多，成果最多）人所共知页岩井壁稳定三要素：①合理泥浆密度②足够的抑制性③足够的封堵能力人所共知：决定井壁稳定问题的坍塌压力是岩石力学与化学耦合的结果。（多大才合理？）（多大算足够？如何准确测量评价？)(多大算足够？如何准确测量评价？)但致今没有建立起他们之间的关系。只能是经验的合理应用！21而页岩地层钻长水平井难题的本质是:1、水平段井眼的井壁地层坍塌压力大于同层直井井眼的井壁地层坍塌压力(一般正常情况下水平井大于0,而直井可能=0)。2、泥浆的抑制性不能有效抑制页岩水化澎涨作用,造成井壁不稳定,而长井段水平井钻井造成的地层长期浸泡而大大激化了这种作用。而不能准确评价这种作用的大小及影响程度。3、泥浆对页岩地层大量裂缝的侵入必大大幅加地层的P塌,从而导至严重的井壁不稳定,而泥浆密度越大影响越大,而地层长期浸泡而大大加剧了这种作用。而不能准确评价这种作用的大小及影响程度。(其中1是力学因素;2、3是(泥浆)化学因素。然而决定井壁稳定问题是岩石力学与化学耦合的结果)22㈠.页岩地层井壁不稳定与坍塌应（压）力P塌(从岩石力学角度理解井壁不稳定)井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁坍塌应力。P塌≥0。它是引起井壁不稳定的根本原因(P泥P塌)。但所钻地层形成井眼不一定必然会产生坍塌压力(即P塌=0)。23P塌一旦产生（P塌＞0）井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（缩径、掉块丶垮塌）。钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆柱压力有效平衡：P泥≥P塌则井壁保持稳定(防塌),对应泥浆密度称为防塌泥浆密度。井壁保持稳定实质是力学平衡的问题.井壁稳定关健是:准确掌握P塌;由此科学确定所用泥浆密度,并使其P泥作用于井壁以有效平衡P塌.24决定P塌的因素:P塌与地应力方向和大小、岩石的力学性质、岩体强度、强度（破坏）准则有关；与岩石物性（渗透率、裂缝发育程度与状态、界面润湿性……）、地层流体组成性质有关；与地层流体压力(泥浆柱作用下)、岩石组成、产状及水化状态有关；与井眼状态（斜度、方位…）等因素有关；与泥浆的抑制性与封堵性能密切相关。25一般而言井眼倾斜角越大,井眼井壁地层坍塌压力越大。水平段地层的坍塌压力一般情况下都大于0(其大小可以由岩石力学与实验相结合计算出来,具有一定的参考价值)。*******井段泥页岩的坍塌压力埋深（m）3000垂向应力MPa）75.0水平最大主应力（MPa）68.0水平最小主应力（MPa）54.0地层压力(MPa）30.0孔弹性系数1.0弹性模量(MPa）13000泊松比0.29抗张强度MPa）5.0内聚力（MPa）15.0内摩擦角（°）30.00.40.50.60.70.80.911.11.21.30153045607590井眼倾角（°）坍塌压力（MPa/100m）沿水平最大主应力方位沿水平最小主应力方位㈡.页岩地层水化对井壁稳定的影响1、泥浆抑制性与井壁稳定:泥浆引起页岩地层(粘土)水化而引起地层坍塌,页岩水化程度越高,地层坍塌越严重;反之则越轻。页岩地层(粘土)被水化程度高低是页岩地层井壁稳定程度的主要决定因素泥浆抑制性(能力)是指对页岩(粘土)水化,澎涨,分散作用抑制的总称。抑制页岩(粘土)水化能力(针对井壁稳定,防塌剂)抑制页岩(粘土)水化澎涨能力(针对井壁稳定,防塌剂;针对储层保护,粘土防澎剂…)抑制页岩(粘土)水化澎涨分散能力(针对造浆,包被剂、絮凝剂;针对储层保护,粘土稳定剂…)28对井壁稳定而言泥浆抑制性是指控制页岩水化的能力,泥浆水化抑制能力指泥浆阻止地层中水敏性矿物(粘土)在原有水化状态下进一步水化的能力。即阻止地层中水敏性矿物(粘土)的原有水化程度进一步增加的能力。淡水泥浆引起地层中水敏性矿物(粘土)的原有水化程度进一步增加到其最大值,则其抑制性最差。若泥浆能完全制止地层中水敏性矿物(粘土)水化程度的增加(不再水化),则抑制性最好,泥浆使地层粘土水化程度提高越多则抑制能力则越差,反之则越强。关健是水化程度的评价和测定。292.泥浆引起页岩中粘土水化造成井壁不稳定。。⑴.粘土表面水化：由粘土粒子表面能产生、各种粘土都具有,其水化膜由四个水分子构成,厚度约10埃.其澎涨压极大40～4000大气压（400MPa)而澎涨量很小,在井壁上这种作用不引起缩经、多引起掉块或垮塌。粘土表面己吸附四层水分子则表面水化不会发生;若表面完全未水化则四层水分子水化依次发生,若表面己吸附一层水分子,则第二、第三、第四层水分子水化依次发生……30一般情况下地层中粘土大都己存在不同程度的表面水化,埋深愈浅,表面水化程度愈全(四层)