摘要：页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，用途广泛。我国页岩气资源潜力巨大，今几年来钻探技术与钻探工艺不断进步，但仍有许多难题，如页岩气所在地层岩性主要为泥岩、砂岩、页岩，该类地层破碎易坍塌容易出现卡钻埋、埋钻、孔壁坍塌等事故，另外我国对于页岩气地层的水平压裂技术还不是很成熟很大程度制约了页岩气钻探的发展，本文就页岩气钻探难题及关键技术做简要阐述。
关键词：干热岩钻探；难点；解决方案
1、页岩气钻探目前形势
页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，主要成分以甲烷为主，是一种清洁高效的能源资源和化工原料，可用于发电、居民燃气、汽车燃料等，相比常规天然气，页岩气生产过程无需排水、生产周期长，一般为30年～50年，勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值[1]。我国页岩气储量巨大，初步估计我国页岩气可采资源量在36.1万亿立方米，与常规天然气相当[2]。2019年1月22日，中国自然资源部中国地质调查局公布的消息称，中国鄂西地区（湖北省西部）页岩气调查取得重大突破，有望成为中国页岩气勘查开发和天然气增储上产新的基地，形成与重庆涪陵、长宁-威远“三足鼎立”的资源格局[3]。我国页岩气钻探起步较晚，钻探技术还不是很成熟，有待加强研究与实践。
2、页岩气钻探难题
2.1 井壁稳定性差
页岩气所在地层主要以泥岩、页岩为主，泥页岩在遇水后膨胀导致井缩卡钻，另外孔壁松散易导致卡钻、埋钻等事故，降低了钻探的效率[4]。另一方面泥岩与钻杆的摩阻大导致钻杆回转速度降低扭矩增大、增加了起钻的负荷。
2.2 井眼轨迹控制难
页岩气主井深度小造斜点浅、加上孔壁松散稳定性不高，井径容易变化，定向工具摆放困难，导致井眼的轨迹控制难度增大，另一方面在造斜处容易出现键槽卡钻，井漏、井壁垮塌、频繁的扭矩变化会影响定向工具、钻头的方向控制。
2.3 水平井压裂、稳定产气困难
页岩气井主要以浅井大位移水平井为主，目前已经钻成了水平位移超过10000 m，最大水平段长度已达 6 000 m 以上，超长的水平井段是产气的重要通道，压裂则是至关重要的一步，通过压裂致密的泥页岩并进一步用支撑剂扩张支撑裂缝，从而能够获取具有工业价值的页岩气，因此压裂的工艺技术和支撑材料的选择对于页岩气钻探是一个难题[5]。
3 页岩气钻探面对难题的技术策略
3.1 水平井钻探技术
目前水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式。在页岩气层钻水平井，可以获得更大的储层泄流面积，更高的天然气产量，目前水平井导向技术采用PDC钻头+螺杆钻具+MWD底部钻井组合，对于厚度变化大的地层可采用PDC钻头+螺杆钻具+了LWD底部钻井组合，确保井眼设计轨迹快速钻进[6]。为了避免储层的破坏和钻井液的漏失，可采用空气钻井液钻进水平井段，形成欠平衡钻井，使井筒压力低于地层压力，有效保护储层。
3.2 井眼轨迹控制技术
目前国外页岩气水平井轨迹控制多采用三维旋转导向闭环系统，其核心为旋转导向工具，结合随钻地质参数测量系统、地面井下双向信息传输系统和地面监控系统组成的智能闭环钻井系统。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆旋转导向工具具有独立电动液压模块和控制系统，可通过精确控制3个转向臂与井壁的连续作用力实现导向，同时利用闭环控制系统每秒自动测量套筒位置，及时修正摩擦与振动引起的套筒非正常转动，确保导向矢量方向准确。最终实现在钻柱旋转的同时完成钻进、监测和导向作业，从而解决了非常规油气水平井在水平段滑动钻井时间过长、控制井眼轨迹难度大、摩阻和扭矩高，以及钻完井周期长、投资成本高的问题，实现了在变化的钻井环境中保持相容性和一致性，保证井眼质量，实现高效钻井。
3.3 水力压裂技术
利用水力压裂的技术为水力喷射射孔技术，其采用喷水/喷砂射孔器取代传统的射孔枪，使用含砂的高压水流击穿套管和地层岩石，实现在地层中射孔。特点是作业安全，施工效率高，但操作时间较长[7]。该压裂技术主要用于砂岩储层改造中，关键部件是喷嘴，喷嘴的耐用性和可靠性是制约该技术的瓶颈。目前，喷嘴的制造材料主要有硬质合金、陶瓷、人造宝石、金刚石等。
另一种比较环保的压裂方式为无水压裂技术是一种利用氮气、二氧化碳和液化天然气（如丙烷、丁烷）等代替水作为压裂液的新技术，相比于传统的水力压裂技术，无水压裂技术基本不需要水，极大地缓解了对水资源的压力[8]。目前，北美无水压裂技术主要有氮气泡沫压裂、二氧化碳压裂和LPG压裂技术。氮气泡沫压裂技术具有地层伤害小、滤失低、携砂能力强的特点，但只能适用在水敏性地层和埋深较浅的井。
二氧化碳压裂技术具有以下特点：（1）无水相，不会对储层造成水敏或水锁伤害；（2）无残渣，不会对储层和裂缝渗透率造成残渣伤害；（3）具有很好的增产作用，压力释放后，二氧碳气体膨胀，实现迅速返排和压后快速排液投产；（4）液态二氧化碳属于牛顿流体，压裂液在管柱中的高流速流动会产生的摩阻较大；（5）压裂设计复杂，因为二氧化碳相态随压力、温度的改变而变化。LPG压裂技术是可以同时兼顾经济效益和环境效益的技术。与传统水力压裂方法不同，LPG压裂技术利用已经生产出的碳氢化合物来提取更多的碳氢化合物，同时也不需要杀菌剂。当凝胶与一种特有的化学品反应时，LPG压裂液粘度仍能保持稳定，不需要使用昂贵的CO2或N2来调节粘度。使用LPG压裂液还可减少燃烧处理过程，比传统的压裂液更清洁。
我国涪陵页岩气公司深入分析研究页岩气压裂试气工艺、入井材料、组织运行等方面情况，对压裂工程方案进行优化，采取新型“多簇密切割+投球转向+连续加砂”压裂工艺，通过将每段射孔簇数增加，大幅缩短簇间距，并将压裂一段一级改为一段二级，提高了地下缝网改造复杂程度，把地层撕得更“碎”，有效提高了溢气面积，标志着我国在页岩气压裂方面取得重大突破。
参考文献：
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[2]彭新明. 我国干热岩地热资源钻采工艺浅议［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009（增刊1）：167
[3]高科，高红通，谭现锋 等 .仿生异型齿钻头在干热岩钻探中的应用［J］. 吉林大学学报（地球科学版），2018，48
[4]刘伟莉，马庆涛，付怀刚 . 干热岩地热开发钻井技术难点与对策［J］. 石油机械，2015，43（8）：11-15.
[5]赖晓晴，楼一珊，屈沅治，等 . 超高温地热井泡沫钻井流体技术 ［J］ . 钻井液与完井液，2009，26（2）：37 － 38.
[6]黄雪琴，孟庆昆，液氮应用于干热岩钻探的可行性探讨［J］. 探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（2）：22 - 25.
[7]郑克棪，陈梓慧 . 中国干热岩开发：任重而道远［D］. 中外能源，2017.
[8]杨立中，孙占学，刘金辉，等. 中国典型干热岩潜力区的地热深井部署 ［J］ . 地质与勘探，2017，53（2）
作者简介：海存斌（1991-），男，回族，青海省民和县人，教员，主要从事钻探专业教学和研究工作。
论文作者:海存斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/26
标签：页岩论文; 压裂论文; 技术论文; 地层论文; 水平论文; 地热论文; 导向论文; 《基层建设》2019年第20期论文;