用于连续型页岩储层的完钻方法与流程

本发明涉及页岩气井钻井工程领域，具体涉及用于连续型页岩储层的完钻方法。

背景技术：

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，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20％～85％。页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态(大约50％)存在于裂缝、孔隙及其它储集空间，以吸附状态(大约50％)存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中。天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中。天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集，表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此，有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。

近年来，受美国、加拿大页岩气成功商业开发的影响，全球页岩气勘探开发呈快速发展态势。然而，由于页岩气原地成藏的圈闭模式，其储存介质为页岩岩层。对于常规油气田而言，页岩岩层都是作为生油层或盖层的地质结构，因此可想而知页岩气的储集层渗透率极低，开采难度很大。

首先，页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。其次，页岩气采收率比常规天然气低，常规天然气采收率在60％以上，而页岩气仅为5％～60％。低产影响着人们对它的热衷，美国已经有一些先进技术可以提高页岩气井的产量。中国页岩气藏的储层与美国相比有所差异，如四川盆地的页岩气层埋深要比美国的大，美国的页岩气层深度在800～2600米，而四川盆地的页岩气层埋深在2000～3500米。页岩气层深度的增加无疑在我们本不成熟的技术上又增添了开发难度。具体到钻井工程上，由于页岩层段极低的岩石渗透率，导致钻井过程中页岩气储层段中，钻井液无法在井壁脱水形成完整的泥饼，泥饼的欠缺，导致钻具与井壁之间缺少润滑与缓冲，导致摩阻极大，起下钻困难，严重时甚至导致后续套管无法顺利下入，导致井眼报废或只能够进行侧钻，造成严重的工程事故。现有技术中对此都是在钻井液的性能、配方上进行研究，如使用油基钻井液等尝试，试图通过优化钻井液来确保套管顺利下至页岩气井的井底储层段中，然而这种方式效果不佳，特别是对于我国四川盆地埋深相对较深的页岩气藏而言，还会导致钻井液成本急剧攀升、导致商业开采利润微薄甚至利润为负，这对于本就难以进行商业开发的页岩气而言，无异于雪上加霜。此外，对于页岩储层而言，具有生油能力的储层必然具有一定的沉积厚度，表现在地质分层上就是具有一整套厚度大的页岩岩层，页岩与上下两侧不同岩性的地层交界处，岩石的孔隙度、渗透率、胶结矿物都都会进行突变，而在钻井过程中，又必然只能使用一套钻井液体系进行钻进，这就导致了在岩性交界处，钻井液对井壁的稳定与维护情况产生差异、生成泥饼情况也显著变化。对应到页岩储层，则极可能是页岩段上下两端生成均匀稳定泥饼，而页岩段泥饼突然变薄且不均匀、页岩段上下两端井眼扩大率偏大而页岩段井眼扩大率明显降低。这些由于页岩岩性所导致的钻井施工效果，会加剧对于连续大段的页岩储层的施工难度，导致在页岩储层与上下不同岩层的交界处，井下情况复杂，极易在这些位置形成台阶、砂桥，对后续下套管作业带来极大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于连续型页岩储层的完钻方法，以解决现有技术中厚度较大的连续型页岩储层完钻后起下钻困难、下套管风险大的问题，实现通过施工工艺降低作业风险、提高下套管安全系数的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

用于连续型页岩储层的完钻方法，包括以下步骤：

(a)携带随钻测井工具钻进至设计井深，以排量a循环至井底岩屑返出至井口，根据岩屑录井和随钻测井资料，确定页岩储层与上部地层的交界井深m、页岩储层与下部地层的交界井深y；取x＝(y-m)/2+m；

(b)倒划眼起钻至井深y，在y±10m的范围内上下划眼，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内；继续倒划眼起钻至井深m，在m±10m的范围内上下划眼，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内；继续倒划眼起钻至上层套管鞋，在上层套管鞋内循环一周，停泵停转下钻至井底，探井底沉砂高度；破坏井底沉砂，重新钻进至设计井深，以排量a循环一周；

(c)停泵停转起钻至井深x：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，则进入步骤(e)；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则进入步骤(d)；

(d)以排量a/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量a/4下划眼下钻至阻挂点下方10m，之后停泵停转再次起钻：若起钻过程中阻挂小于10t，则继续起钻至井深x，进入步骤(e)；若遇阻仍然超过10t，则重复本步骤，直至停泵停转起钻时的阻挂小于10t，再继续起钻至井深x，进入步骤(e)；

(e)在井深x处，以排量a循环一周，停泵停转下钻至y，并再次起钻至井深x处；若(y-m)＞18m，则令y＝x，取x’＝(y-m)/2+m；

(f)用x’替换x，重复步骤(c)～(e)，直至(y-m)≤18m；

(g)起钻至井深m，在井深m上方以排量a/4循环一周；再起钻至上层套管鞋内；

(h)下钻至井底，顶替下套管所需钻井液，起钻至井口，下套管。

针对现有技术中埋深较深的页岩气井完钻起下钻困难、下套管风险大的问题，本发明提出用于连续型页岩储层的完钻方法，本方法完全通过钻井工程工艺控制，确保页岩气井的井底储层段井眼通畅，改善由于井壁泥饼的欠缺导致的下套管风险大的问题。本方法首先携带随钻测井工具钻进至设计井深，以排量a循环至井底岩屑返出至井口，从而完成全井段的岩屑录井，以确保岩屑录井工作的完整，同时使得井内刚钻出的岩屑能够返排至井口经固控设备进行处理，避免井内新岩屑的堆积。根据岩屑录井和随钻测井资料，地质部门即可确定出页岩储层与上部地层的交界井深m、页岩储层与下部地层的交界井深y；取x＝(y-m)/2+m；此时的深度x，即是页岩储层段在井眼轨迹上的中点井深。之后对裸眼井段进行第一次处理，具体为：倒划眼起钻至井深y，在y±10m的范围内上下划眼，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内，从而对页岩储层与下部地层的交界处进行充分修整，不断通过上下划眼消除由于岩性突变而形成的台阶、砂桥等阻碍。其中泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内，是指在y±10m的范围内上下划眼过程中，记泵压的最大值为pmax，泵压的最小值为pmin，扭矩的最大值为qmax，扭矩的最小值为qmin；则计算泵压、扭矩各自的中值为p＝(pmax+pmin)/2，q＝(qmax+qmin)/2。当0.8p＜pmin＜p＜pmax＜1.2p，且0.8q＜qmin＜q＜qmax＜1.2q，则表示泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内。此时通过参数显示，可得知下部交界处的井眼已经得到充分修整，从而继续倒划眼起钻至井深m，在m±10m的范围内上下划眼，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内；同理对上部交界处的井眼进行充分修整。期间，也对整个页岩储层井段通过倒划眼方式进行了一次修整，利用底部钻具组合(bha)中的扶正器、钻头保径等大尺寸的部位，自下而上的对井壁进行修整，消除钻开新地层时在页岩层的井壁形成的不规则的异形棱角，使得整个页岩储层段井眼趋于平整连续。并且，倒划眼过程中必然开泵，因此能够利用钻井液逐渐将从井壁刮落的异形棱角岩屑向上驱赶，直至倒划眼至上层套管鞋内，此时钻具处于了安全位置，充分进行循环，确保循环时间至少一周，使得钻头之上的所有套管内的钻井液都能够进行循环，从而使得被倒划眼向上驱赶的岩屑能够充分的被排出至井口进行处理。循环一周，即是指钻井液从泥浆泵泵入钻杆中，至从环空中返出至井口所需的时间。由于套管内径已知，钻杆内外径已知，泥浆泵的排量已知，因此循环一周所需时间均是可以直接算出的。在循环满足一周的时间要求后，停泵停转下钻至井底，探井底沉砂高度并记录沉砂高度，为后期下套管、下完井管柱提供配长依据。探到井底沉砂后，开泵，重新钻进至设计井深，从而破坏井底沉砂，便于在井底进行循环。此时以排量a循环一周，再次清理井内岩屑，使下钻过程中磕碰的掉块也被排出井内。之后进入步骤(c)，停泵停转，起钻至井深x：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，表示从井底至井深x的距离内，页岩储层的下半部分井段、已经位于页岩层下方的地层井段中，井眼经过上述处理已经较为通畅，10t以内的阻挂点在工程上也不会对下套管作业造成过分危害，套管灌水下放过程中利用惯性即能够通过10t以内的阻挂点，因此直接进入步骤(e)；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则进入步骤(d)。所述步骤(d)为：以排量a/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量a/4下划眼下钻至阻挂点下方10m，之后停泵停转再次起钻：若起钻过程中阻挂小于10t，则继续起钻至井深x，进入步骤(e)；若遇阻仍然超过10t，则重复本步骤，直至停泵停转起钻时的阻挂小于10t，再继续起钻至井深x，进入步骤(e)。其中，通过阻挂点的倒划眼作业取a/2的排量，即是此处降低排量至正常循环排量的一半，避免井眼在阻挂点受堵塞严重时，排量过大井内突然憋压，导致底部钻具同时受到上方阻挂点的阻挡、下方钻井液压力的抬升，形成上下同时向中间施力的复杂情况，此种情况下，底部钻具上卡下憋，极易导致钻具卡死，形成严重的工程事故。因此本发明中控制倒划眼作业排量为正常循环排量的一半，即使出现憋压情况，压力上升也会显著变慢，不至于瞬间卡死。在压力开始上升时，为司钻提供出足够的反应时间快速下放钻具，使钻具快速离开危险区域，极大的克服了现有技术中页岩气井容易憋压卡死钻具的情况。而通过阻挂点的下划眼作业取a/4的排量，即是此处降低排量至正常循环排量的四分之一。取a/4的排量的技术效果在于：首先仍然防止突然的井内憋压，为司钻预留更多的反应操作时间，避免突出憋压抬升钻具导致上部较为薄弱的钻杆承受瞬间的冲击；其次，现有的底部钻具组合中，时常使用螺杆马达钻具，此类钻具的特点在于输出转速与排量大小正相关，在此前提下，在下划眼过程中，降低排量至a/4，能够有效使得螺杆马达的输出转速相较于钻进过程中的转速明显下降，下划眼过程中钻头无法快速破开本就较为坚硬的页岩岩层，能够有效沿着老井眼前进，避免钻出新井眼或者钻出较大台阶、孔洞等的情况，显著的提高下划眼过程中的安全性和井眼稳定性。之后停泵停转再次起钻，此时的起钻为试起钻，目的在于检验刚才进行的倒划眼、下划眼效果，是否将井壁修整规矩。若井壁已经得到充分的修整，则此时起钻应该较为顺畅，表现在工程参数上则是无10t以内的阻挂点，此时则可继续起钻至井深x。若井壁通过一次倒划眼、下划眼的修整，仍然难以通过，表现在工程参数上就是遇阻仍然超过10t，则重复本步骤，即是重复“以排量a/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量a/4下划眼下钻至阻挂点下方10m，之后停泵停转再次起钻”，直至停泵停转起钻时的阻挂小于10t，再继续起钻至井深x，起钻过程中，遇到任何遇阻超过10t的点，都执行本步骤，从而保证对全井段都的遇阻点都进行修整。之后进入步骤(e)：在井深x处，以排量a循环一周，对开泵划眼过程中修整上赶至上层套管内的岩屑进行循环，使之排出井内。之后停泵停转下钻至页岩储层与下部地层的交界井深y，并再次起钻至井深x处；若(y-m)＞18m，则令y＝x，取x’＝(y-m)/2+m；用x’替换x，重复步骤(c)～(e)，直至(y-m)≤18m。步骤(e)至(f)则是对位于页岩储层内的井段进行逐次的对半修整，每次修整的分界点取上方页岩储层内的裸眼井段的中点，直至(y-m)≤18m，也就是最后一次修整的分界点距离上层套管鞋的距离小于或等于18m，取18m的意义在于一根钻杆的长度一般为9m多，因此若(y-m)≤18m，再次对半取值后，长度还不够一根钻杆的长度了，再此长度范围内无法进行充分的划眼与循环，且意义也不大，因此此种情况下表示已经非常接近页岩段的顶部，因此直接起钻到m位置。此时，深度m以下的所有遇阻超过10t的阻挂点都已经被充分修整，整个页岩层段内的井壁得到充足的规范，井壁的不规则棱角、键槽、倒台阶等都会影响起下钻的位置都能够得到稳定的修整，从而确保了下套管作业的可靠性。在(y-m)≤18m时，直接起钻至井深m，在井深m上以排量a/4循环一周，此时的循环排量仅为排量a/4，是因为此时井筒环空内已经处于较为干净的状态。之后，再起钻至上层套管鞋内；此时由于前期已经进行了大量的起下钻工作，钻井绞车的大绳难免受到磨损，进入套管鞋内，井下钻具处于安全状态，因此可以为井队提供出维护设备、滑移或更换钻井大绳的作业时间，进一步提高本发明的安全性。之后下钻至井底，顶替下套管所需钻井液，起钻至井口，下套管。此处对顶替下套管所需钻井液井下解释：因为下套管前为了改善井内钻井液的整体性能，最佳的方式就是直接顶替新浆，新浆由于未受岩屑污染，对岩屑的悬浮能力极佳、各项性能都处于最佳状态，能够有效防止上部钻井液中的杂物下沉至井底。以a/4的小排量循环，能够有效降低对已经修整好的井壁所带来的压力激动，确保井壁平稳的接受新老钻井液的置换。循环一周后，即可完成新浆顶替，之后直接起钻至井口，进行下套管作业。本发明针对页岩气储层段完钻的钻井工艺进行了保护，特别适用于页岩岩层的沉积厚度大、具有整套连续的页岩岩性的储层，提供了一套可行性高、效果显著的工程施工方法，且无需采用价格高昂的钻井液体系，仅仅从工程角度入手，对页岩层段的裸眼井段进行了充分的修整与规范，特别针对页岩层段所对应的井段、以及页岩沉积层上下两侧与其它岩层的交界处进行了充分的处理与调整，解决了现有技术中厚度较大的连续型页岩储层完钻后起下钻困难、下套管风险大的问题，实现了从施工工艺上降低作业风险、提高下套管安全系数的目的。

进一步的，排量a满足井底至上层套管鞋的环空返速不低于0.8m/s。对于钻井工程而言，不同尺寸的井眼、不同尺寸的钻杆、以及不同的泥浆泵性能，都是影响具体排量的因素，因此难以对排量进行具体限定。而排量的最终反应就是环空返速，因此本方案中限定环空返速不低于0.8m/s，排量a仅需满足该条件，即可对不同的井中的排量a进行定量设置。

优选的，所述随钻测井工具包括电阻率测井、自然伽马测井、自然电位测井、密度测井。利用电阻率测井、自然伽马测井、自然电位测井可以有效分辨出岩性的变化，从而为该井的具体地质分层提供充分依据，结合岩屑录井从而准确判断页岩层与其他岩层之间的分解位置。利用密度测井还能够配合对储层中的流体进行分辨，便于地质部门对该井所对应的页岩储层展开评价。

优选的，所述倒划眼的转速为40～50rpm，所述下划眼的转速为20～30rpm。倒划眼过程中，利用40～50rpm，可以通过钻头的保径齿充分对井壁进行修整。而下划眼过程中，转速仅为20～30rpm，能够进一步避免钻出新井眼或者钻出较大台阶、孔洞等的情况，进一步提高下划眼过程中的安全性和井眼稳定性。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明用于连续型页岩储层的完钻方法，对页岩储层所对应井段与下部地层交界处、上部地层交界处的井眼都进行充分修整，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内；期间也对整个页岩储层井段自下而上的对井壁进行修整，消除钻开新地层时在页岩层的井壁形成的不规则的异形棱角，使得整个页岩储层段井眼趋于平整连续，解决了现有技术中由于岩性变化，页岩段上下两端生成均匀稳定的泥饼，而页岩段泥饼突然变薄且不均匀；页岩段上下两端井眼扩大率偏大而页岩段井眼扩大率明显降低的问题，克服了由于页岩岩性变化导致的下套管作业的风险。

2、本发明用于连续型页岩储层的完钻方法，针对页岩气储层段完钻的钻井工艺进行了保护，特别适用于页岩岩层的沉积厚度大、具有整套连续的页岩岩性的储层，提供了一套可行性高、效果显著的工程施工方法，且无需采用价格高昂的钻井液体系，仅仅从工程角度入手，对页岩层段的裸眼井段进行了充分的修整与规范，特别针对页岩层段所对应的井段、以及页岩沉积层上下两侧与其它岩层的交界处进行了充分的处理与调整，解决了现有技术中厚度较大的连续型页岩储层完钻后起下钻困难、下套管风险大的问题，实现了从施工工艺上降低作业风险、提高下套管安全系数的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的逻辑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示的用于连续型页岩储层的完钻方法，包括以下步骤：

(a)携带随钻测井工具钻进至设计井深，以排量a循环至井底岩屑返出至井口，根据岩屑录井和随钻测井资料，确定页岩储层与上部地层的交界井深m、页岩储层与下部地层的交界井深y；取x＝(y-m)/2+m；

(b)倒划眼起钻至井深y，在y±10m的范围内上下划眼，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内；继续倒划眼起钻至井深m，在m±10m的范围内上下划眼，直至泵压、扭矩的波动范围在20％范围以内；继续倒划眼起钻至上层套管鞋，在上层套管鞋内循环一周，停泵停转下钻至井底，探井底沉砂高度；破坏井底沉砂，重新钻进至设计井深，以排量a循环一周；

(c)停泵停转起钻至井深x：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，则进入步骤(e)；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则进入步骤(d)；

(d)以排量a/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量a/4下划眼下钻至阻挂点下方10m，之后停泵停转再次起钻：若起钻过程中阻挂小于10t，则继续起钻至井深x，进入步骤(e)；若遇阻仍然超过10t，则重复本步骤，直至停泵停转起钻时的阻挂小于10t，再继续起钻至井深x，进入步骤(e)；

(e)在井深x处，以排量a循环一周，停泵停转下钻至y，并再次起钻至井深x处；若(y-m)＞18m，则令y＝x，取x’＝(y-m)/2+m；

(f)用x’替换x，重复步骤(c)～(e)，直至(y-m)≤18m；

(g)起钻至井深m，在井深m上方以排量a/4循环一周；再起钻至上层套管鞋内；

(h)下钻至井底，顶替下套管所需钻井液，起钻至井口，下套管。

实施例2：

如图1所示的用于连续型页岩储层的完钻方法，在实施例1的基础上，排量a满足井底至上层套管鞋的环空返速不低于0.8m/s。所述随钻测井工具包括电阻率测井、自然伽马测井、自然电位测井、密度测井。所述倒划眼的转速为40～50rpm，所述下划眼的转速为20～30rpm。本实施例中底部钻具组合的钻头保径尺寸为8-1/2＂，钻杆外径5＂，排量2.5m³/min，在不考虑井眼扩大率的情况下，计算可得此时环空返速1.92m/s。由于页岩岩层的压实稳定性和致密性，井眼扩大率一般在10～20％之间，显而易见的，环空返速仍然能够保持在1.6m/s之上。即是即是以a/2，即1.25m³/min的排量进行倒划眼的过程中，仍然能够满足环空返速在0.8m/s之上，对于岩屑的返排能力有充分保证。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。