页岩气水平井难点及防托压钻井技术分析

摘要：页岩气水平井钻井技术难点是丛式井的防碰绕障，大位移和长水平段定向托压问题。从垂直井段转变为水平井段的曲率半径越小,施工难度越大。水平井钻井技术包括井身结构设计、井眼轨道设计、轨迹控制技术、钻井液技术等。本文侧重点在论述水平井的井眼轨迹控制和定向施工中的托压问题。

关键词：页岩气；水平井；防托压；钻井技术；分析

一、页岩气水平井

1.页岩气水平井介绍

页岩气地貌属于山区地形，为了能够满足页岩气开发的整体需要，一个平台钻探设计多口水平井，导致了以钻丛式三维水平井为主。三维水平井指的是实际井口到入窗点的闭合方位与水平段靶体方位不在同一条直线上的井。由于水平井的靶体要求矢量入靶，入靶方位角必须和设计方位一致，而三维水平井井口与入靶靶点存在偏移距，这就需要在入靶前提前调整，在合适的井段从三维扭方位段变为目标垂面内二维轨迹，提高现场轨迹控制的精确性和科学性。

2.井身结构

水平井是根据地质条件并结合了施工难易程度进行设计，一般采取三级井身结构，封固不稳定地层，是一种非常安全的井身结构。

3.剖面设计

（1）剖面设计的原则。①满足地质中靶的要求，提高储层钻遇率；②满足丛式井的防碰要求；③能克服储层深度预测和工具造斜率的不确定问题；④应保证钻进和起下钻摩阻扭矩最小；⑤能保证套管安全顺利下入；⑥有利于实际轨迹控制。

（2）剖面类型的选择。水平井剖面设计是水平井施工的首要环节，剖面优化能有效降低钻进过程中的摩阻扭矩、施工难度，提高钻井速度和中靶精度。页岩气水平井受井身结构的影响，选择中长半径相结合的剖面，以正常施工。剖面类型采用“五点六段制”，五点即二开造斜点，稳斜段起始点，扭方位起始点，全力增斜点，入靶点。五个节点将全井段划分为六段，即“直井段、初始造斜段、稳斜控制段、全力增斜段、水平段”，各段分工明确，易于操作。

（3）造斜率的选择。通过前期施工的摸索，二开井段造斜率以0.12～0.14°/m为最佳选择，兼顾低摩阻要求的同时，尽量缩短定向进尺，同时考虑到特殊地层的需求。三开造斜段考虑到应对靶点调整的需要，造斜率须预留一定空间，造斜率以0.18～0.20°/m为最佳选择。水平段造斜率以0.10°/m为最佳选择，满足轨迹调整需求的同时，确保井身质量合格

二、页岩气水平井难点介绍

1.井眼轨道设计复杂

由于地面条件限制，为了最大限度减小井场数量、单井占地面积及地面工程造价，提高页岩气整体开发效益，页岩气开发以钻丛式水平井为主。井口与靶区通常不在一条直线上，需要钻三维水平井来满足工程需求。三维水平井有大偏移距，和反向位移的特点。

2.丛式井防碰

在页岩气开发过程中，钻进过程中的防碰问题日益突出，给钻井施工带来了一定的困难，防碰绕障处理不当就会发生两井相碰，导致两口井报废的严重事故。为避免井碰事故的发生，同平台相邻井直井段和不同平台两口井造斜段的防碰绕障工作是钻井防碰作业中典型状况。其中前一种情况即直井段的防碰绕障相对较容易，而后一种情况则相对复杂，要考虑包括施工难度、井眼轨迹、后续施工和精确中靶等各种因素。到目前为止，总结出防碰主要存在以下难点：布井密度较高，井网布置较密，直井段普遍较长的特点。

一开为了提高钻井速度和井眼扩大率，钻井队采用0.5°螺杆加塔式钟摆的钻具组合（直螺杆有利于防斜打直，但井径扩大率小，不利于处理井下复杂；弯螺杆有利于扩大井径，但不利于防斜打直）。通过各个平台上的多口井实钻数据显示，0.5°螺杆防斜效果较差。井径扩大使扶正器与井径间隙增大，降低了钟摆降斜力，导致防斜效果差。

直井段井漏井垮等复杂情况较为频繁，钻井队施工中通常加压抢钻、减少测斜，直井段井身质量得不到保证。由于测斜仪器本身的精度、测量环境对仪器测量的干扰、测点位置的准确性、测斜仪器轴线与井眼轴向不重合、系统随机误差、井眼轨迹拟合方法的偏差等原因，使得防碰扫描结果显示相碰的两井结果没有相碰，而防碰扫描发现不会相碰的两井却发生井眼碰撞的现象可能发生。

3.防碰规范准则。

（1）一开及二开直井段钻进时，选择塔式钟摆钻具组合，钻进期间必须注意均匀送钻，尽量做到直井段防斜打直。

（2）对于存在井碰风险的井，必须提前制定防碰措施和方案，并由主管领导审核签字认可。负责施工人员应实时跟踪轨迹走向，及时汇报各井直井段当前防碰情况。

（3）若钻进期间发生钻时突然升高、扭矩异常、钻具憋跳或岩屑中出现水泥、铁屑等情况时，应立即停止钻进，排除井碰故障。

（4）加强电子单多点测斜仪的管理和维护工作，严格执行行业标准。

（5）有防碰关系的井，根据不同井深需满足安全施工距离。

4.轨迹控制

由于三维水平井的限制，设计从造斜点开始，将轨迹尽量靠近目的层的连线，称之为稳斜井段。实钻中由于钻具组合、地层及钻井参数的不同，井斜、方位是会发生变化的，稳斜段施工假如是降斜趋势就必须及时定向增井斜，稳斜段如果是增斜趋势只有降钻压或定向降斜来满足轨迹控制要求，水平井施工中应尽量避免定向降斜的发生，否则会对后期的施工带来很大的生产隐患。

由于定向仪器测点距钻头有约20米的盲区，而在面对丛式井的防碰，着陆点的控制和探目的层的过程中有些力不从心。通过与斯伦贝谢合作，利用近钻头LWD，盲区只有1.5m，可以成功解决上述问题。

三、页岩气水平井防托压技术

1.二开摩阻扭矩分析

（1）地层对摩阻扭矩的影响。地层岩性对摩阻系数的影响较大如下：①地层的岩性不同，会造成钻头破碎地层后形成井眼规则程度不同。②某些地层容易缩径，会造成导致定向托压或卡钻。

（2）井眼轨迹对摩阻扭矩的影响。①造斜点深度对摩阻扭矩的影响。对于三维水平井，造斜点的选择尤为重要，上提造斜点，可以使稳斜段井斜角相对较小，有利于扭方位，同时根据软件摩阻扭矩计算，适当上提造斜点可以减小二开井段井下摩阻。②井眼曲率对摩阻扭矩的影响。井眼曲率对摩阻扭矩的影响表现在井眼曲率越大，相应位置的侧向力越大，摩擦阻力也越大。在造斜点附近，低造斜率剖面的侧向力明显小于高造斜率剖面的侧向力，同时低造斜率剖面滑动钻进摩阻也是小于高造斜率剖面滑动钻进摩阻。由此低造斜率剖面具有摩阻扭矩小的优势，有效改善定向托压，提高钻井速度，避免井下复杂。③轨迹平滑度对摩阻扭矩的影响。二开轨迹平滑度主要体现在在长稳斜段是否频繁通过定向调整轨迹使得井眼曲率不断发生变化，井眼平滑度降低，拐点增多造成钻具与井壁的接触点增多，钻具侧向力增大，摩阻相应增大。

（3）钻井液性能对摩阻扭矩的影响。高密度钻井液会引起钻柱在内、外压差的作用下贴向井壁，造成接触面积增大，引起摩阻增大，同时支撑高密度的高固相含量会造成井眼净化不足，摩阻系数增大。

2.降摩减阻措施

（1）优化井眼轨迹。对大三维井、鱼钩井等复杂井甲方设计基本是难以更改的，只能通过一些措施降低复杂井眼轨迹对定向造成的托压的影响。①提高造斜点位置②采用渐增式定向造斜率设计

（2）改善钻井液性能。①进一步加强水基泥浆润滑性，保证井下安全的前提下，加大钻进期间的排量，提高泥浆携砂能力，并通过短起下、长起下及通井等手段破坏岩屑床。②加强固控设备的使用力度。③对于反复堵漏的井，尽量去除泥浆中的堵漏材料，净化井壁。

四、结论

页岩气丛式水平井的井眼轨道具有横向偏移距大、靶前位移大、水平段长的特点，特别是大位移水平井和“鱼钩状”水平井的轨迹控制难度大，其井眼轨道设计与井眼轨迹控制难度大。其次，阐述了三维水平井井眼轨道设计复杂，台式井井网间距小，井碰风险高，制定了针对性的措施。三维水平井定向工作量大，造斜段和扭方位段定向工作密集，稳斜段和水平段需要定向调整，而定向过程中的托压现象比较常见，加强钻井地质特征精细描述、完善三维水平井井眼轨道优化设计与井眼轨迹控制技术、研究与应用钻井提速新技术、优选钻井液体系、配套页岩气水平井套管强度设计以及固井质量评价方法是解决页岩气开发钻井技术难点和大幅度提高开发效益的有效途径。