探究西北地区页岩气地质调查井钻探技术研究与应用

页岩气作为一种新型的清洁能源，在石油化工、电力、供热等领域得到广泛应用，而西北地区作为页岩气资源重要的分布区域，其蕴藏的页岩气资源潜力巨大。为此，近年来地质勘察部门为了确定页岩气在西北地区的开采可行性，通过开展精细化的地质调查工作来井钻探技术的适用性数据，旨在攻克西北地区复杂地质条件的难题，进而为寻找适配的井钻探技术提供更多具有参考价值的信息。

一、西北地区页岩气开采实施井钻探的地质条件影响因素分析

（一）地质结构复杂，地层类型多样

西北地区在漫长的地质演化进程中，曾经过了多期地质构造运动，以至于形成了各种不同的岩系，从远古时期的变质岩系到各类沉积岩系，使得各种不同岩性的地层堆叠在一起而产生了复杂的地质结构。地层上部多以砂泥岩为主，这种岩性体系稳定性极差，而地层下部多以灰岩为主，这种岩系硬度大、脆性高，在外力作用下极易破碎。如果在该地区进行井钻探作业，很容易出现坍塌、失稳的问题，甚至在钻探下部地层时还会引发卡钻事故，这就给整个钻探工作增加了难度与安全风险系数。

（二）岩石硬度高、脆性大，容易增加钻探成本

砂岩与灰岩是西北地区较为常见的地层结构，这种结构硬度高，抗压强强大，具有良好的研磨性，如果使用普通钻头进行钻探作业，钻头磨损速度加快，进而缩短了钻头的使用寿命，无形当中便增加了钻探成本。另外，页岩气这种资源的储层多以脆性岩为主，这种岩性的岩石内部存在大量的微裂缝，受到钻头的扰动与机械振动等干扰因素的影响，岩石极易破裂，进而引发井漏等事故，如果钻井液泄漏量大，井壁将很容易失去支撑而出坍塌事故，这不仅增加了钻探作业风险，并且也会给开采企业造成巨大的经济损失[1]。

（三）干旱少雨加大开采难度，交通环境恶劣影响钻探进度

相比于国内其它地区，西北地区干旱少雨，缺少严重，而井钻探作业在配制钻井液环节需要使用大量的水资源，如果钻井液出现供应中断的情况，不仅会缩短钻机的使用寿命，还会增加井壁失稳坍塌的风险。另一方面，西北地区地形起伏大，并且很大一部分页岩气均分布在一些偏远山区或者荒漠地带，这些区域交通通行环境极为恶劣，道路蜿蜒曲折，这就给井钻探设备的运输工作增加难度，不仅运输费用水涨船高，而且设备、物资供应延时的情况时有发生，这些因素都给井钻探工作顺利开展带来了诸多困扰。

二、西北地区页岩气地质调查适配的井钻探技术

（一）优化井身结构设计

通过对西北地区页岩气储层开展地质调查可以发现，由于该地区地质结构复杂、地层叠加特点突出，针对这一特点，在设计井身结构时需要考虑套管结构的适用性。为此设计人员提出了多层套管结构设计理念，这一理念能够和当地的地层岩性、压力分布、孔隙度等参数相匹配。首先在选择表层套管时应当结合地层上部岩性不稳定的特征，选择外径较大、钢级较高的套管，套管下入深度取决于上部地层的厚度，正常情况下，在确保钻井液正常循环，并且能够将岩屑顺利携带到地面即可。在选择技术套管时需要结合不同岩性段的特征而定，如果地层压力高，多选择厚度大、钢级高的套管，比如 P110 钢级材质的套管能够抵御地层的高压力。针对易漏地层，需要配合使用一些特殊的固井工艺，以降低液柱压力，避免压漏地层。在选择生产套管时，技术人员需要结合页岩气储层特性与开采工艺予以确定。比如在水平井开采中，多选择外径大、钢级好的套管，常见的套管外径为 139.7mm ，钢级为P110。

另外，井眼尺寸的大小与钻探井度、钻探效率也存在密切关系，因此，在西北地区开采页岩气资源时需要对井眼尺寸进一步优化，以满足不同阶段能够顺利钻进的最大井眼尺寸的要求。首先根据钻机的提升能力、转盘扭矩、泵压等参数来确定井眼尺寸的适用范围，然后根据钻井液循环携岩效率来建立实验模型，并以实验结果为主要依据来确定不同井眼尺寸范围所适用的钻井液流速、流量及对岩屑的携带能力范围。比如地层上部的岩屑量较大，为确保将该区域岩屑全部携带出井口，则需要适当的增大井眼尺寸，以保证钻井液环空流速能够始终介于 1.5-2.0m/s 之间。而地层稳定性作为影响井眼尺寸设计的重要因素之一，技术人员也需要予以重点关注，如果井眼尺寸过大，井壁很容易出现失稳风险，如果井眼尺寸过小，则不利于钻机的进入，为此，在对井眼尺寸进行优化设计时应当结合地层的坍塌压力与破裂压力，以最大限度地降低各类安全事故的发生概率。

（二）合理选择钻井液

结合西北地区干旱少雨的气候条件，以及环境保护的要求，页岩气开采单位可以选择性能优越的环保型水基钻井液，这种钻井液不仅可以减轻钻机对地层的侵害程度，并且还可以稳定井壁，防止失稳坍塌事故的发生。尤其在环境保护方面，水基钻井液能够循环利用，经过处理后的液体均满足排放标准。除了水基钻井液以外，还可以根据西北地区页岩气储层压力大、温度高的特点选择抗高温抗高压钻井液，即便在高温高压的环境下，这种钻井液也能够表现出良好的流变性、稳定性与润滑性。在钻进过程中，使用这种钻井液能够大幅降低钻具与井壁之间的摩擦阻力，使得钻井效率大幅提升[2]。

（三）匹配高性能钻头

由于西北地区地层岩石的硬度、研磨性等特理特性存在较大差异，因此，针对不同特点的地层，需要匹配不同的钻头。比如地层上部区域多为砂岩层，砂岩层岩质较软，适合使用牙轮钻头，在这种岩性特点的地层当中，牙轮钻头具有较大的冲击力，可以快速钻进。地层下部多以硬脆岩为主，针对这种岩性的地层宜采用硬度较高的PDC 钻头，这种钻头耐磨性好、切削效率高，由金钢石材质构成的切削刃能够快速冲破岩石阻力。而在软质与硬质岩性叠加的地层，可以使用混合钻头，根据地层岩性特点能够随时转换钻头，这对钻井效率的提升大有帮助。

（四）采用新型钻井技术

基于对西北地区复杂地质结构特点的考虑，在开展井钻探作业时可以采用一些新型的钻井技术来提高钻探成功率，降低钻探成本。以旋转导向钻井技术为例，该技术在处于连续旋转状态时也可以对井眼轨迹进行精准控制，并且整个钻进过程高效稳定，不会引发井壁失稳、坍塌等安全事故。

三、结语

通过对西北地区页岩气地质调查井钻探技术的研究发现：西北地区复杂的地质结构与多变的岩性地层给钻探工作增加了难度，为此，开采单位应当结合当地的地质条件设计多层套管井身结构、采用环保与抗高温高压的钻井液、匹配高性能钻头，并通过介入新型的钻井技术来冲破复杂地质结构的限制，助力西北地区页岩气产业的蓬勃发展。

参考文献：

[1]姜秉仁,邓恩德,韩明辉,等.黔西北地区石炭系祥摆组页岩微观孔隙结构及分形特征[J].现代地质,2022,36(04):1065-1073.

[2]黄璜.赣西北地区新开岭组泥页岩层地球化学特征[J].江西煤炭科技,2021,(04):111-113.

作者简介：

李森（1989-04-07），男，陕西榆林人，毕业于中国地质大学（武汉）勘查技术与工程专业，本科，探矿工程师，研究方向：矿产地质钻探、水文地质钻探，工程地质钻探。