唐守寶盧 倩宋一磊李明建周號博

（1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100011；2.北京探礦工程研究所，北京 100083； 3.中國石油大學(xué)，北京 102249）

控壓鉆井技術(shù)在頁巖氣鉆探中的應(yīng)用前景

唐守寶1盧 倩2宋一磊1李明建1周號博3

（1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100011；2.北京探礦工程研究所，北京 100083； 3.中國石油大學(xué)，北京 102249）

隨著國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程的不斷加大，頁巖氣鉆井過程中遇到的復(fù)雜事故也愈發(fā)凸顯。針對我國南方易漏、巖性構(gòu)成復(fù)雜的頁巖地層，為了快速、安全有效地鉆穿復(fù)雜頁巖層段，決定采用控壓鉆井技術(shù)破解頁巖氣層常見鉆井難題。國內(nèi)南方揚(yáng)子地區(qū)主要發(fā)育了2套頁巖地層：志留系龍馬溪組和寒武系牛蹄塘組，純頁巖段較少、巖性構(gòu)成復(fù)雜且破碎嚴(yán)重。根據(jù)頁巖氣鉆井資料，鉆井過程中經(jīng)常鉆遇灰質(zhì)、粉砂質(zhì)和硅質(zhì)頁巖，溢流和井漏經(jīng)常并發(fā)出現(xiàn)，頁巖層發(fā)育較厚的目的層段鉆井鉆井液密度窗口較小，井壁極不穩(wěn)定。結(jié)合頁巖地層巖性發(fā)育特征、控壓鉆井技術(shù)特點(diǎn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析、現(xiàn)行的控壓鉆井配套設(shè)備等相關(guān)因素，可以考慮采用井底常壓法控壓鉆井技術(shù)鉆穿大段復(fù)雜頁巖層段。

頁巖地層；頁巖氣；復(fù)雜巖性；窄密度鉆井液窗口；控壓鉆井；壓力系數(shù)；井底常壓法

控壓鉆井作為一種新型的鉆井工藝，是繼欠平衡鉆井技術(shù)之后又一項(xiàng)新的鉆井革新技術(shù)。控壓鉆井通常是指在油氣鉆井過程中可以控制井筒靜液壓力變化，實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井的新型鉆井技術(shù)（MPD技術(shù)）［1］?？貕恒@井技術(shù)較常規(guī)鉆井技術(shù)有以下主要優(yōu)勢：（1）倘若發(fā)生井漏現(xiàn)象可快速及時(shí)地降低井底壓力；（2）窄密度窗口井段能夠及時(shí)地監(jiān)測井漏和井涌；（3）可以在井口快速加回壓，預(yù)防井噴事故發(fā)生；（4）能夠減少壓差卡鉆事故的發(fā)生，在井控較好的前提下更精細(xì)地控制井底壓力波動(dòng)［2］。控壓鉆井技術(shù)在鉆進(jìn)過程中可以快速調(diào)節(jié)套壓，增大ECD（當(dāng)量循環(huán)鉆井液密度），快速應(yīng)對井壁失穩(wěn)，對處理窄密度窗口復(fù)雜井段非常有利。

1 壓力鉆井技術(shù)模型

1.1 井底恒壓鉆井技術(shù)

井底恒壓鉆井方法即“當(dāng)量循環(huán)密度控制”，指用略低于常規(guī)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)密度的鉆井液進(jìn)行近平衡鉆井，關(guān)井接單根時(shí)，地面的回壓同井底壓力之間保持適度的過平衡狀態(tài)，從而控制地層流體的侵入［3］。井底常壓法可以做到在鉆井過程中保持井底壓力基本維持在可控的一個(gè)小范圍之內(nèi)，既不會(huì)因壓力過大壓漏地層也不會(huì)因壓力過小導(dǎo)致地層流體進(jìn)入井筒。

1.2 常規(guī)鉆井井底壓力計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，常規(guī)鉆井過程中密閉環(huán)形空間井底壓力通常主要受到環(huán)空壓耗、井口壓力、壓力波動(dòng)量（抽吸壓力和激動(dòng)壓力或因其他因素引起鉆井液擾動(dòng)而產(chǎn)生的壓力變化）影響，其模型為

式中，pb為井底壓力，MPa；ph為井筒靜液柱壓力，MPa；pc為套壓，MPa；pm為井口壓力（井口回壓），MPa；pf為環(huán)空壓耗，MPa。

依據(jù)上述計(jì)算模型，假如pb＞pp（地層孔隙壓力），則井底壓力會(huì)進(jìn)入地層孔隙通道污染儲(chǔ)層，壓差過大則壓裂地層造成井漏事故，如果pb＜pp［4］，地層流體進(jìn)入井筒，壓差過大會(huì)造成井涌甚至井噴事故，這種情況通常在異常高壓地層出現(xiàn)［5］。

1.3 井底常壓法控壓技術(shù)井底壓力計(jì)算模型

根據(jù)井底常壓控制壓力鉆井設(shè)計(jì)計(jì)算研究成果［6］，結(jié)合現(xiàn)場鉆井情況分析，壓力波動(dòng)通常是在起下鉆和鉆進(jìn)的過程中出現(xiàn)，停泵后環(huán)空壓耗為0井口回壓達(dá)到最大。鉆進(jìn)過程中井口回壓為0，環(huán)空壓耗達(dá)到最大［7］。因此，為保持井底壓力基本恒定，可控的井底壓力計(jì)算模型為

根據(jù)式（2），可通過調(diào)整井口回壓來實(shí)現(xiàn)井底壓力維持在合理的范圍之內(nèi)，避免出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)，根據(jù)國內(nèi)控壓鉆井技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，目前多數(shù)井底壓力控制精度已經(jīng)達(dá)到0.3 MPa左右。

2 國內(nèi)頁巖地層巖性發(fā)育特征

2.1 國內(nèi)頁巖氣埋藏發(fā)育概況

頁巖氣的主體通常位于暗色泥頁巖或者高碳泥頁巖中，主要以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式。除此之外，在頁巖氣藏中，氣體也常存于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中［8］，頁巖氣和常規(guī)氣體成分雖然都是以甲烷為主，但是二者在地下存在方式差別卻截然不同，首先是二者埋藏巖性不同；其次二者賦存方式及孔隙發(fā)育特征差異較大。就頁巖氣埋藏情況來看同一時(shí)代環(huán)境下也會(huì)發(fā)育不同的頁巖，因此中國南方頁巖發(fā)育和美國一些大的頁巖層發(fā)育集中的地區(qū)巖性存在許多不同，相對而言南方頁巖構(gòu)成更為復(fù)雜［9］。

2.2 南方揚(yáng)子地區(qū)頁巖地層巖性發(fā)育特征分析

頁巖層段巖性礦物含量復(fù)雜，在鉆井過程中面臨的鉆井環(huán)境和常規(guī)油氣層段比較相似，必然也會(huì)面臨諸多復(fù)雜鉆井事故。搞清頁巖地層巖性發(fā)育情況對預(yù)防井下復(fù)雜事故的發(fā)生有較好的指導(dǎo)意義。根據(jù)南方揚(yáng)子地層調(diào)研資料，南方頁巖主力生氣層目前主要以志留系龍馬溪組和寒武系牛蹄塘組為主，三疊、二疊和震旦系也均有發(fā)育。頁巖地層主要以碳質(zhì)和硅質(zhì)泥、頁巖為主，其中還夾雜有少量砂巖、碳酸鹽巖及白云巖等多種礦物［10］?？傮w來說，除了巖性礦物構(gòu)成復(fù)雜之外，南方頁巖地層巖石強(qiáng)度在橫向上均質(zhì)性差，破碎帶較為發(fā)育。南方頁巖地層巖性有一個(gè)明顯的特征：純頁巖發(fā)育不明顯，大段泥頁巖較少，巖性礦物含量復(fù)雜、夾層較多，受地質(zhì)構(gòu)造影響破碎帶發(fā)育較多（見圖1），在后續(xù)鉆井過程中鉆遇此類破碎嚴(yán)重的地層極易產(chǎn)生井壁不穩(wěn)定。

圖1 南方某區(qū)塊取芯收獲后的龍馬溪組破碎頁巖

3 針對頁巖地層巖性特征的控壓鉆井技術(shù)

3.1 頁巖地層鉆井面臨的主要復(fù)雜事故

國內(nèi)頁巖氣鉆探處于起步階段，頁巖氣鉆井過程中主要面臨的問題包括如何提高頁巖儲(chǔ)層鉆遇率，快速合理地發(fā)現(xiàn)頁巖油氣顯示，保護(hù)異常低壓頁巖儲(chǔ)氣層的同時(shí)還可以兼顧提高鉆井安全性等幾個(gè)主要問題。調(diào)研已鉆頁巖氣井資料發(fā)現(xiàn)：多數(shù)在鉆遇頁巖發(fā)育較好的層段時(shí)常因鉆井液處理不當(dāng)導(dǎo)致溢流和井漏同時(shí)發(fā)生，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象明顯。

因此，為有效應(yīng)對硬度較低、巖性礦物構(gòu)成復(fù)雜、頻繁發(fā)生溢流和井漏的窄密度窗口頁巖層段，借鑒常規(guī)油氣鉆井經(jīng)驗(yàn)，可引入井底常壓控壓技術(shù)鉆穿大段復(fù)雜泥頁巖儲(chǔ)層段。

3.2 利用常壓控壓鉆井技術(shù)鉆開頁巖復(fù)雜層段可行性

由于頁巖層段巖性組成非常復(fù)雜，且埋藏深淺差別較大，再加上頁巖本身易吸水膨脹，夾雜大量灰?guī)r極易發(fā)生井漏，而且膠結(jié)性較差，巖體缺乏良好的整體穩(wěn)定性［11］。對于淺部的軟泥巖則更容易發(fā)生井眼彈塑性縮徑問題，會(huì)造成一系列鉆井事故［12-15］。因此，利用控壓鉆井技術(shù)控制井底壓力波動(dòng)有利于維持井壁穩(wěn)定性，提高鉆井速度和鉆井質(zhì)量。

總體來說，利用常壓法控壓鉆井技術(shù)可以快速、安全有效地鉆穿窄密度鉆井液窗口頁巖地層，有效遏制地層坍塌破裂事故的頻繁發(fā)生，也可以保護(hù)裂縫發(fā)育相對較好的頁巖油氣儲(chǔ)層，不容易污染儲(chǔ)層。

3.3 井底常壓法控壓鉆井方案分析

控壓鉆井的關(guān)鍵就是搞清井底壓力變化時(shí)間、壓力變化主要因素，在此基礎(chǔ)上通過補(bǔ)償壓力變化以求達(dá)到控制井底壓力盡可能地和地層壓力平衡，圖2為南方一口頁巖氣井在鉆進(jìn)過程中壓力系數(shù)變化曲線，圖中壓力波動(dòng)的幾個(gè)點(diǎn)基本上都是在接單根后由于下鉆過快或者開泵過猛導(dǎo)致突然的激動(dòng)壓力波（正壓力波），形成的瞬時(shí)井底壓力可能因?yàn)閴毫^大鉆井液中的有害物質(zhì)容易侵入地層，污染地層，有時(shí)過高的井底壓力會(huì)對井壁造成瞬間很大的沖擊破壞井壁穩(wěn)定性。圖中3 200 m處瞬時(shí)井底壓力系數(shù)達(dá)到了1.15，而該層段地層壓力僅為0.8左右，鉆井資料顯示，3 205～3 412 m層段在鉆進(jìn)過程中曾發(fā)生不同程度的井漏事故。與此同時(shí)，該井在進(jìn)入主力層段之后所用的鉆井液密度過大是壓力不宜控制的主要原因。

圖2 鉆井過程中瞬態(tài)壓力分布曲線

3.4 控壓鉆井方案模擬應(yīng)對措施

針對上述問題，可采用空氣或者泡沫等低密度鉆井液體系鉆開頁巖儲(chǔ)層。具體實(shí)施過程如下。

（1）通過參考本地區(qū)地層壓力、破裂壓力剖面及鄰井區(qū)地層破裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用低鉆井液密度，給出盡可能低的密度鉆井液設(shè)計(jì)曲線，為壓力補(bǔ)償留足控制窗口。

（2）低密度鉆進(jìn)過程中，實(shí)施監(jiān)測井底壓力變化和鉆井事故發(fā)生情況，若因鉆井液密度過低或者環(huán)空壓力損耗過多導(dǎo)致井底壓力過低而發(fā)生溢流、井涌等情況可在井口加回壓補(bǔ)償壓力損失。

（3）如果因?yàn)閴毫Σ▌?dòng)或者其他因素導(dǎo)致井底壓力突然過大，可在井口泄壓的同時(shí)調(diào)整鉆井液密度和流變性，以求壓力不至于過大而壓裂地層、破壞井壁穩(wěn)定性。

對于井底及環(huán)空壓力的變化趨勢和變化規(guī)律，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過模擬該井段井底和環(huán)空壓力環(huán)境變化來實(shí)現(xiàn)，設(shè)定各種壓力變化誘因，同時(shí)不斷實(shí)測環(huán)空內(nèi)靜液柱壓力、環(huán)空壓耗、井底壓力數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，給出各種壓力系數(shù)剖面的變化規(guī)律和相對關(guān)系，見圖3。

圖3 模擬控壓系統(tǒng)前后井底壓力擬合變化曲線

圖中井深3 300 m以上有個(gè)大的壓力波動(dòng)（正壓力波），壓力系數(shù)波動(dòng)Pc由0.05增加到0.1，為了控制其波動(dòng)幅度，可采取措施對其進(jìn)行控制，使其降低到一個(gè)安全穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，圖中3 300 m之后采取井口泄壓并降低鉆井液密度和流變性使其靜液壓力降低，壓力系數(shù)波動(dòng)基本維持在0.005左右，井底壓力和地層預(yù)測壓力基本一致，利于安全鉆穿目的層和復(fù)雜頁巖層段。

模擬實(shí)驗(yàn)分析：根據(jù)模擬井筒密閉環(huán)空壓力變化規(guī)律不難發(fā)現(xiàn)，阻止井底壓力大幅度波動(dòng)有助于維護(hù)井底壓力穩(wěn)定，保護(hù)井壁穩(wěn)定性，防止鉆井復(fù)雜事故發(fā)生，可以安全快速鉆穿頁巖氣發(fā)育較好的目的層段。

4 控壓鉆井技術(shù)配套設(shè)備研制現(xiàn)狀

常規(guī)油氣井控壓鉆井現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明：控壓鉆井配套設(shè)備系統(tǒng)的研制是確保完成控壓作業(yè)施工的關(guān)鍵核心。

國外典型的主要有威德福公司研制的以監(jiān)控井口微小流量變化為主的MFC控壓鉆井系統(tǒng)、斯倫貝謝公司利用井底恒壓控制法研制開發(fā)的DAPC系統(tǒng)和哈里伯頓基于微小漏失檢測的MPD配套系統(tǒng)。

目前國內(nèi)比較具有代表性的有中國石油鉆井院研制開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PCDS-I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)、中石油川慶鉆探公司自主研發(fā)的CQMPD-I地面壓力控制鉆井系統(tǒng)及西部鉆探公司研制開發(fā)的XZ-MPD-Ⅰ控壓鉆井系統(tǒng)。

其中，CQMPD-I鉆井系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)和獨(dú)立/集成雙重控制方案；PCDS-1精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)利用常壓法控壓原理在解決易漏、地層巖性構(gòu)成復(fù)雜、窄密度窗口井段具有較大的優(yōu)勢，通過補(bǔ)償壓力損耗可以將井口回壓變化精度控制在0.5 MPa左右。

5 控壓鉆井技術(shù)鉆探頁巖地層所面臨的主要問題

（1）頁巖地層埋深相對較淺，壓力系數(shù)偏低，地層承壓能力是否達(dá)到控壓所需的技術(shù)要求仍需進(jìn)一步研究。

（2）頁巖地層巖性以石英和黏土礦物為主，且泥頁巖與粉砂巖和灰?guī)r的配置關(guān)系較為復(fù)雜、硬度較低且容易吸水軟化膨脹，在控壓鉆井施工過程中泵入低密度鉆井液能否仍然維持良好的井壁穩(wěn)定性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）頁巖氣屬自生自儲(chǔ)且氣體，在頁巖中以游離態(tài)和吸附態(tài)存在，壓力較低，從已鉆頁巖氣井產(chǎn)量來看和常規(guī)天然氣井單井產(chǎn)量差別較大，對其地質(zhì)儲(chǔ)量和產(chǎn)量的核實(shí)仍屬于探索階段，在這種背景下引入昂貴的控壓鉆井技術(shù)勢必大幅度提高鉆井成本，其實(shí)際意義和優(yōu)勢將大打折扣。這也是國內(nèi)頁巖氣開發(fā)主體單位引入控壓鉆井前所面臨的比較棘手問題。

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（修改稿收到日期 2013-12-24）

〔編輯 薛改珍〕

Application prospect of MPD technology in shale gas drilling

TANG Shoubao1,LU Qian2,SONG Yilei1,LI Mingjian1,ZHOU Haobo3
（1.Shenhua Geological Exploration Co.Ltd.,Beijing100011,China;2.Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing100083,China;3.China University of Petroleum (Beijing),Beijing102249,China）

As the exploration and development of domestic shale gas continue,the complex incidents we encountered during drilling are also increasingly prominent.For the shale formations which is leaky and have complex lithology in South China,MPD is necessary to learn to drill through the complicated shale interval in a fast,safe and efficient manner and to break these common technical challenges of drilling.Currently,southern Yangtze region mainly develops two sets of shale formations,Silurian Longmaxi and Cambrian Niutitang.However,there are less pure shale section,complicated lithology and serious fragmentation.According to the data of shale gas drilling,the limy,silty and siliceous shale is often met during drilling,frequently accompanied with overflow and lost circulation.For the target interval with thickly developed shale bed,the density window of drilling fluid is small and the well wall is extremely unstable.According to the lithologic development of shale bed,technical characteristics of MPD,lab analysis,current MPD supporting equipment and other relevant factors,the MPD in bottom hole constant pressure method can be used to drill through the large and complicated shale interval.

shale formation;shale gas;complex lithology;narrow mud density window;MPD;pressure coefficients;bottom hole constant pressure method

唐守寶，盧倩，宋一磊，等.控壓鉆井技術(shù)在頁巖氣鉆探中的應(yīng)用前景［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：14-17.

TE249

：A

1000-7393（2014）01-0014-04

10.13639/j.odpt.2014.01.004

中國神華能源股份公司2013年科技創(chuàng)新項(xiàng)目“非常規(guī)油氣勘探開發(fā)”(編號：SHKX0822)。

唐守寶，1982年生。2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事頁巖氣、煤層氣鉆、完井工藝、工具等方面的研究工作。電話：15101173684。E-mail：tsbcup2008@163.com。