钻页岩用钻井液技术--油井工作液化学作业

钻页岩用钻井液技术——油气井工作液化学作业姓名：学号：专业：学院：石油工程学院2015年11月摘要摘要页岩油气开发目前成为全球关注的热点。

中国的页岩油气勘探开发技术刚刚起步，缺乏相关的经验和技术；美国是最早进行页岩油气研究和开采的国家，目前已形成相当的规模，并且进入了开发的快速发展阶段。

页岩油气在世界油气资源中占有巨大的比重，但因其渗透率低，开采难度大。

目前对页岩油气的开采方式主要是以水平井为主。

与常规天然气相比，页岩油气开发虽然产能低，但具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩由于分布范围广、厚度大，且普遍含气，页岩油气资源量巨大，因而页岩油气井能够长期地以稳定的速率产气，一般开采寿命为30~50 年, 随着世界能源消费的不断攀升，包括页岩油气在内的非常规能源受到越来越多的重视。

本论文在国内外文献调研的基础上系统地介绍了钻页岩用钻井液技术中的一些关键内容，对页岩钻井技术中存在的问题进行了探讨，并对钻页岩用钻井液技术的几个研究方向进行了介绍。

关键词：页岩；水平井；钻井液；前言1.1研究目的及意义页岩油气是从页岩层中开采出来的石油或天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩油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、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，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油气发育条件。

中国主要盆地和地区页岩油气资源量约为15万亿－30万亿立方米，经济价值巨大。

另一方面，生产周期长也是页岩油气的显著特点。

页岩油气的储量巨大，但开采难度也很高，为能充分开采页岩油气，目前采用的技术有水平井技术和压裂技术，为此，对页岩水平井钻井技术的研究具有重要的意义。

然而页岩油气水平井钻井存在一些重要问题。

一方面，页岩是以粘土矿物为主的沉积岩，钻井过程中粘土矿物水化造成强度降低，进而产生缩径、井壁垮塌、卡钻等复杂事故；另一方面，在页岩油气水平井钻井中，水平段较长，井壁失稳、摩阻、携岩及地层污染等问题非常突出。

因此，钻井液的选择及其配方直接影响钻井效率、工程事故的发生率及储层保护效果。

从钻井液角度看，要求钻井液能提高地层承压能力，防漏堵漏效果好，最重要的是抑制粘土水化膨胀，造成储层伤害。

选择钻井液体系的原则为：要使钻井液有较强的抑制性、封堵性能和较低的渗透性和活度；能阻止滤液进入页岩地层，防止页岩吸水、强度降低。

所以研究钻页岩用钻井液技术就显得尤为重要。

1.2国内外研究现状1.2.1 国外研究现状页岩气的勘探开发历史悠久，已有近200 年的历史，目前正迈入快速发展期。

北美页岩气的发展尤其迅速，实现了高效经济、规模开发，成为北美天然气供应的重要来源，并引起全球天然气供应格局的重大变化。

世界第一口页岩气井位于美国东部1821~1975 年为页岩气早期勘探开发阶段。

1821 年在美国东部阿巴拉契亚盆地泥盆系Dunkirk页岩中完钻的、井深仅21m 的一口井，在井深8.23m的泥盆系Perrysbury Dunkirk 页岩中获得天然气。

该井成为北美陆台上的第一口页岩气井，也是全球第一口商业性页岩气井，生产的天然气满足了Fredonia 城市的照明和部分生活的需要，一直供气到1858 年，长达37 年。

1870~1900 年的勘探开发范围涉及到了美国东部的纽约、宾夕法尼亚、俄亥俄、肯塔基、弗吉尼亚等州或地区。

1914 年在阿巴拉契亚盆地泥盆系Ohio 页岩的钻探中获得日产气2.83×104m3 的高产气流，由此发现了世界第一个页岩气田———Big Sandy 气田，1926 年Big Sandy 气田的含气范围由阿巴拉契亚盆地的东部扩展到西部，成为当时世界已知的最大气田。

目前，Big Sandy 气田已累计钻井约10000 口，单井平均日产气最高为2831.2m3，2008 年年产气量为15.2×108m3，处于美国第20 大气田的位置。

BigSandy 气田为页岩气早期勘探开发的重大成果。

2000 年以来，页岩气勘探开发技术不断提高，并得到了广泛应用。

同时加密的井网部署，使页岩气的采收率提高了20%，年生产量迅速攀升[8]。

2000年，美国页岩气年产量为122×108m3，生产井约有28000 口[9]；2004 年美国页岩气年产量为200×108m3，约占天然气总产量的4%；2006 年，美国有页岩气井40000 余口，页岩气年生产量为311×108m3，占天然气总产量的6%；2007 年美国页岩气生产井近42000口，页岩气年产量450×108m3，约占美国年天然气总产量的9%。

参与页岩气开发的石油企业从2005 年的23 家发展到2007 年的64 家。

美国相关专家预测，2010 年美国页岩气产量将占天然气总产量的13%。

当然除美国之外，页岩气开发规模最大的当属加拿大！1.2.2 国内研究现状就像老师说的为了政治需要中央在页岩气开采研究方面做赔本买卖，不管对于错，我个人觉得这是很必要的，随着石油价格一路狂涨，加之中东动荡而中国又是一个资源稀少而消耗浪费严重的国家，恰好中国据推测中国的页岩气地质资源量将达到100×〖10〗^12 m^3，十分可观,不过很可惜在页岩气研究方面远落后于欧美，就连页岩气的所需的化学剂受到来自美国无情的剥削，看来落后不是挨打就是吃亏。

中国对页岩气的高度关注是近几年的事，目前对中国的页岩气资源的认识程度还远远不够，有利勘探开发区域和层系尚不明晰。

2页岩岩性及成藏特征2.1页岩岩性及气藏基本特征页岩是一种渗透率极其低的沉积岩，通常被认为是油气运移的天然遮挡。

在含气油页岩中，气产自其本身，页岩既是气源岩，又是储层。

天然气可以储存在页岩岩石颗粒之间的孔隙空间或裂缝中，也可以吸附在页岩中有机物的表面上。

对常规气藏而言，天然气从气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩地层中，并聚集在构造或地层圈闭内，其下通常是气水界面。

因此，与常规气藏相比，将含气页岩看作非常规气藏也就理所当然了。

与煤层气类似，富含有机质的页岩本身可以作为页岩气的气源岩，又可以作为储集层，页岩气的赋存方式、成藏机理和成藏过程与常规天然气有很大不同，因此，页岩气藏具有独特的地质特征。

页岩气的赋存方式和赋存空间的特殊性，决定了页岩气藏具有隐蔽性特征和裂缝型圈闭。

构造圈闭对页岩气藏的形成并不起主导作用，但是一个长期长期稳定的构造背景，对页岩气聚集可能具有一定的积极作用。

泥页岩的孔隙较小且不发育，游离状态的页岩气主要赋存于裂缝系统中，泥页岩中的裂缝发育带往往是页岩气的有利聚集带，因此，裂缝型圈闭是页岩气藏的主要圈闭类型。

裂缝产生的原因主要是上文中提到的气体的连续生产所产生的页岩内外压力差，另外构造作用也是产生裂缝的原因之一。

2.2页岩矿物组成的影响页岩的矿物成分较复杂, 除高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物以外, 还混杂石英、长石、黄铁矿、云母等许多碎屑矿物和自生矿物。

为美国4大页岩储层矿物组成三角图[ 12] 。

其相对组成对页页岩储层矿物组成三角图岩的岩石力学性质、储层特性及气体的吸附能力均有一定影响。

与方解石相比, 黏土矿物和石英具有更多的微孔隙和更大的表面积, 吸附和赋存更多的气体。

那些有机质和石英含量高的页岩, 脆性较强, 容易在外力的作用下形成天然裂缝和人工诱导裂缝, 有利于天然气的渗流, 同等情况下可以采出更多的天然气。

页岩的矿物成分在一定程度上影响着裂缝的发育程度, 从而影响页岩气的产能。

2.3天然裂缝的发育程度世界页岩气资源很丰富, 但尚未得到广泛勘探开发, 最根本原因是页岩气藏的渗透率一般很低只有增加天然裂缝网络, 才能增加页岩基质渗透率。

那些已经投入开发利用页岩储层往往天然裂缝系统比较发育。

裂缝发育在大部分页岩中，以多种成因（压力差、断裂作用、顺层作用等）的网状裂缝系统为特征。

在页岩中裂缝、溶蚀页理缝是主要的储集空间。

次要储集空间：钙质条带中的溶孔、生物体腔孔、晶间孔、粒间孔等。

粒间孔主要是指的砂质及泥质双重孔隙。

在钙质泥页岩互层为主的夹薄层砂岩的地层中，具有泥页岩裂缝、层理缝和薄层砂岩孔隙等储集空间。

裂缝发育带不但提供了游离态页岩气赋存的空间，而且为页岩气的运移、聚集提供了输导通道，并且对页岩气的开发十分有利。

美国页岩气的开发实践证明只有裂缝发育的页岩气藏不需压裂就可以获得工业气流，多数的页岩气藏必须经过压裂才能达到工业产量要求。

页岩气虽然具有地层普遍含气性特点，但目前具有工业勘探价值的页岩气藏或甜点主要依赖于页岩地层中具有一定规模的裂缝系统。

在美国的大约30000 口钻井中，钻遇具有自然工业产能的裂缝性甜点的井数只有大约10 %，表明裂缝系统是提高页岩气钻井工业产能的重要影响因素。

除了页岩地层中的自生裂缝系统以外,构造裂缝系统的规模性发育为页岩含气丰度的提高提供了条件保证。

因此,构造转折带、地应力相对集中带以及褶皱—断裂发育带通常是页岩气富集的重要场所。

一般来说, 裂缝对页岩气藏具有双重作用: 既是储集空间, 也是渗流通道。

一方面裂缝为天然气提供了聚集空间, 有助于页岩气总含气量的增加; 另一方面是页岩气从基质孔隙流入井底的必要途径。

页岩气藏的油藏描述重点是地层裂缝, 包括裂缝的生成、形态、展布、规模以及对流体渗流的影响, 裂缝是控制地层渗流的主要因素。

因此, 页岩气藏的勘探目标应首选那些拥有较高渗透能力或具有可改造条件的泥页岩裂缝发育带。

裂缝发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素。

2.4页岩气的成藏过程页岩系统的地层组成：多为暗色泥页岩夹浅色泥质粉砂岩、粉砂质泥页岩的薄互层。

在页岩系统中，天然气的赋存状态多种多样。

除极少量的溶解状态天然气以外，大部分均以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面，或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中。

吸附状天然气与游离状天然气含量之间呈彼此消长关系，其中吸附状态天然气的含量变化于20 %～85 % 之间。

因此从赋存状态观察页岩气介于煤层吸附气（吸附气含量在85 % 以上）和常规圈闭气（吸附气含量通常忽略为零）之间（张金川等，2004）。

页岩气成藏体现出了非常复杂的多机理递变特点，除天然气在孔隙水、干酪根有机质以及液态烃类中的溶解作用机理以外，天然气从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚，再到生烃高峰的置换式运聚，体现出了页岩气自身所构成的完整性天然气成藏机理序列。