页岩气藏钻井难点及对策研究(初稿.docx

页岩气藏钻井难点及对策研究
引言
页岩气勘探开发已经成为了非常规天然气勘探开发的新热点，在世界能源行业掀起了一场革命”，可谓在全球油气勘探开发中一枝独秀。我国自2009年底开始在威远、长宁地区勘探开发页岩气，共完钻2口水平井和6口直井，正钻水平井1口（宁201-H1井），成为国内页岩气开发先导试验区。通过近年的钻井实践，对页岩气钻井情况有了初步认识，但对页岩气产层的井壁失稳机理认识还不够深入，时常因为页岩气井的井壁失稳问题而延误钻时，所以为了更好的解决页岩气钻井问题，需进一步深入研究页岩岩石力学性质、页岩岩性特征，弄清井壁失稳机理及影响因素，才能提高机械钻速和加快页岩气勘探开发进程。目前，国内汽油价格面对日益严重的油价高涨压力，寻找新气源对于改善供求关系，保障社会经济持续平稳发展起着至关重要的作用，而目前备受关注的新气源毫无疑问的应该首推页岩气资源。国内也在积极开展试点开釆区块，如长宁一威远区块。这些区块的钻井多采用和国外公司合作的方式进行，在学习国外先进技术的同时，也在积累适合我国地质区域特点的开采经验。通过与国外公司的技术交流以及国内页岩气钻井实践，不难发现，页岩气钻井难点是钻井尤其是钻水平井时面临的井壁失稳问题。在钻井过程中遇到井壁失稳会导致钻井速度慢、建井周期长，增加钻井成本和井下复杂事故、影响固井质量，甚至使得钻井作业失败、井眼报废。正因为如此，页岩气钻井井壁稳定是当前国内页岩气开发面临的一大重要问题，从安全、优质、快速、高效钻井的角度出发，深入研究页岩气水平井井壁稳定性问题就显得十分重要，是形成国内页岩气规模开发技术系列的关键。
页岩气是一种极富开发价值的非常规天然气资源，是一种以游离和吸附状态赋存于层里发育的暗色泥页岩和致密砂岩中的高效清洁能源。世界页岩气资源量估计为456×1012m3，我国可采资源量约为30.7×1012m3，资源储量丰富。我国页岩气资源总面积达到300×104km2，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。
一、国外页岩气藏钻井技术
人们早在19世纪中叶就已经开始了对井壁稳定性问题的研究，其研究思路大致经历了力学研究、化学研究、力化藕合研究等几个研究阶段。力学研究主要从岩石力学出发，着眼于井壁围岩的应力分布、岩石强度准则和本构关系等方面;化学研究则主要研究泥页岩的水化机理和控制其水化的各种工艺。到了19世纪90年代后期，泥页岩井壁稳定的力化藕合研究才开始发展起来。根据现场的相关研究，研究区块井壁稳定性主要受力学而非化学因素的影响，因此本节详述井壁稳定力学研究。从力学上讲，当岩石的原始强度低于破坏应力时，将出现井壁失稳。在1940年，H.M.Westergard发表了第一篇关于井壁稳定问题的正式文章。作者在文章中假设水平应力等于垂直应力以及液柱压力为0，对直井周围弹一塑性井眼的应力分布情况进行了分析。1957年，M.K.Hubbert和D.GWillis在H.M.Westergard的基础上引入了两个大小不同的水平应力和垂直应力、液柱压力，把地层看作连续的各向同性线弹性体，研究出了井壁应力的计算方法。从此以后，许多学者都对井壁失稳的力学机理进行了深入的研究，形成了以孔隙弹塑性力学为基础的井壁稳定分析计算方法。Fairhurst于1968年采用线弹性模型，分析了斜井、水平井的井壁应力分布规律。1979年，Bradley又在Fairhurst的基础上采用Drucker-Prager破坏准则对岩石的剪切破坏进行了评价，深入研究了井壁围岩应力计算方法，同时，他认为地层都存在微裂隙，不能承受拉伸载荷，故地层的抗拉强度应为零，并以此为破坏准则，评价了地层的拉伸破坏，利用这两个准则，Bradley首次分析了应力引起的井壁漏失和井壁坍塌破坏。研究发现，线弹性模型过于保守，基于线弹性模型确定的安全钻井液密度往往偏高。因此研究人员试图采用更接近于岩石力学性质的模型来研究井壁稳定问题。目前采用的模型主要有非线弹性模型和弹塑性模型两类。Santarilli于1987年采用广义虎克定律，假设弹性模量依赖于最小应力，并且弹性模鼻和最小应力之间满足幂律模型，分析了均匀水平地应力下的井周应力计算模型，并发现在特定条件下，最大切向应力在井周地层内部，不在井壁上在