深层页岩气藏高效钻井技术适应性分析与优化策略

一、引言

随着全球对清洁能源需求的不断增长，深层页岩气（埋深大于 3500 米）因其蕴藏着巨大的资源潜力，已然成为全球能源开发领域的焦点。我国四川盆地及周缘地区，如龙马溪组、五峰组等层系，页岩气资源极为丰富。然而，这些储层普遍存在埋藏深度大、地应力状态复杂、岩石可钻性差等难题，致使钻井作业面临周期冗长、成本高昂的困境。传统的钻井技术在应对深层页岩气开发时，暴露出诸多不足，难以满足高效开发的需求。因此，迫切需要结合深层页岩气藏独特的地质特征，对现有钻井技术展开全面的适应性分析与优化研究。

二、深层页岩气钻井技术难点分析

2.1 井壁稳定性差

深层页岩气储层内部微裂缝广泛发育，这一特性使得钻井液极易侵入地层。一旦钻井液侵入，其中的水分会与地层中的黏土矿物发生物理化学反应，导致黏土矿物吸水膨胀。例如，A 区块的直井段钻进过程中，当钻遇须家河组地层时，由于该地层温度高达 150^∘C 以上，常规水基钻井液的润滑性能在高温环境下大幅下降，无法有效降低钻具与井壁之间的摩擦阻力。这不仅使得钻具在旋转过程中受到的扭矩增大，还容易引发钻具与井壁之间的黏附，进而导致卡钻事故的发生率显著增加。据统计，在该区块使用常规水基钻井液时，卡钻事故率相较于其他低温地层增加了 30% 左右。

2.2 井眼轨迹控制复杂

在深层页岩气水平井的钻进过程中，水平井段需要精准穿越厚度通常小于 10 米的薄层优质储层。井眼轨迹的控制精度直接关系到储层的钻遇率，而钻遇率又与页岩气的最终采收率密切相关。以四川盆地东南部的五峰组地层为例，该地层倾角变化极为频繁且幅度较大，传统的螺杆钻具在这种复杂地层条件下，难以根据地层的变化及时、准确地调整井眼轨迹，导致井眼极易偏离预定靶区。据相关数据显示，在该区域使用传统螺杆钻具时，平均每口井的井眼偏离靶区距离达到 5-8 米，严重影响了后续的开采效果。为了实现对井眼轨迹的精确控制，需要依赖先进的旋转导向技术，将复杂的三维井眼轨迹转化为相对易于控制的二维轨迹。

2.3 高温高压与钻井液性能挑战

在超深层（大于 4500 米）的恶劣环境下，钻井液需要同时具备出色的抗高温（大于 180^∘C ）、低摩阻以及防塌性能。油基钻井液在应对井壁失稳问题上具有一定的优势，但其在高温环境下的降温技术以及针对裂缝性地层的堵漏技术仍有待进一步突破。例如，在 A 区块的某口超深井试验中，采用了地面降温技术，通过在地面循环系统中安装高效的冷却装置，对返回地面的钻井液进行冷却降温，再将冷却后的钻井液重新泵入井下。同时，结合纳米封堵材料，利用纳米材料的小尺寸效应和高比表面积特性，使其能够更好地填充地层裂缝，形成有效的封堵层。通过这一技术组合，成功将井底温度降低了 15% 左右，显著减少了钻具在高温环境下的磨损，延长了钻具的使用寿命。

三、高效钻井技术适应性分析

3.1 旋转导向与地质导向技术

旋转导向系统（RSS）通过内置的高精度传感器实时监测钻头的位置和姿态，并根据预设的井眼轨迹和地层信息，自动调整钻头的钻进方向。在涪陵页岩气田，大规模应用了三维地质导向技术，该技术结合了地质模型、随钻测井数据以及地震资料，能够实时分析地层的变化情况，为旋转导向系统提供准确的导向指令。实际应用数据表明，采用该技术后，水平段的钻遇率达到了 90% 以上，相较于传统的钻井导向方法，钻遇率提高了25% 左右。此外，“三图一表”跟踪法（即地质模型图、随钻测井图、地震剖面图与参数表）的应用，能够对井眼轨迹进行动态跟踪和优化。通过实时对比三张图中的数据信息，并结合参数表中的钻进参数，钻井工程师可以及时发现井眼轨迹的偏差，并采取相应的调整措施，以适应复杂多变的地层条件。

3.2 高效 PDC 钻头设计与破岩优化

深层页岩具有较强的研磨性，对 PDC 钻头的磨损极为严重。为了提高破岩效率，需要对 PDC 钻头的冠部形状和切削齿布局进行优化设计。在泸州区块，采用了非对称刀翼设计的 PDC 钻头，这种设计能够使钻头在旋转过程中产生不均匀的切削力，从而更有效地破碎岩石。同时，配合激进的钻进参数（钻压 8-12 吨，转速 120-150 转/分钟），充分发挥了钻头的切削性能。实际应用结果显示，采用该优化方案后，机械钻速提高了 20% 左右，大大缩短了钻井时间。

3.3 油基钻井液体系创新

油基钻井液在抗高温和润滑性方面具有显著优势。通过在油基钻井液中添加石墨烯润滑剂，利用石墨烯的二维片状结构和优异的润滑性能，能够在钻具与井壁之间形成一层高效的润滑膜，将摩阻系数降至 0.08 以下，有效降低了钻具的旋转扭矩和磨损。针对裂缝性漏失问题，采用桥接堵漏技术，将刚性材料（如碳酸钙颗粒）和柔性材料（如纤维材料）进行复合使用。刚性材料能够快速填充较大的裂缝，形成初步的封堵骨架，柔性材料则能够进一步填充刚性材料之间的缝隙，形成致密的封堵层，从而有效地解决了裂缝性漏失问题。

四、优化策略与未来发展方向

4.1 智能化钻井系统开发

引入人工智能与大数据技术，构建钻井参数动态优化模型。利用机器学习算法对大量的钻井历史数据进行分析和训练，建立井壁坍塌风险预测模型。通过实时监测钻井过程中的各种参数，如钻井液密度、排量、地层压力等，模型能够实时预测井壁坍塌的风险，并根据预测结果自动调整钻井液密度和排量等参数，以降低非生产时间。预计通过这一技术的应用，可将非生产时间降低 15% 左右。

4.2 环保型钻井液研发

针对油基钻井液在使用过程中可能带来的环境污染问题，开发生物降解型合成基钻井液。这种新型钻井液采用可生物降解的材料作为基液，在满足钻井性能要求的同时，能够在自然环境中快速分解，减少对环境的影响。结合低温催化破胶技术，能够在完井后将钻井液中的聚合物等添加剂快速分解，实现废弃物的无害化处理。

4.3 超深层钻井技术攻关

对于埋深大于 5000 米的页岩气藏，需要研发耐高温（大于 200^∘C ）的井下工具和抗高压堵漏材料。例如，中石化丁页 4 井通过改进压裂泵送系统，采用高强度的管材和耐高温的密封材料，提高了泵送系统的耐压和耐高温性能。在 4000 米深度实现了单井日产量 20 万立方米的高产纪录，为超深层页岩气的开发提供了宝贵的经验。

五、结论

深层页岩气高效钻井技术的核心在于“地质-工程一体化”创新。通过集成旋转导向、油基钻井液与井身结构优化等一系列先进技术，能够显著提升钻井效率和作业安全性。然而，未来仍需进一步突破超深层环境适应性的瓶颈，大力推动智能化与绿色化技术在深层页岩气钻井领域的广泛应用。只有这样，才能助力我国页岩气产量迈向千亿立方米的宏伟目标，为我国的能源安全和经济发展提供坚实的保障。

参考文献

1.王建龙等.川渝深层页岩气水平井钻井关键技术[J].石油天然气工业,2023.

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