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江漢油田頁巖氣開發技術分析

文檔作者：王四虎陳向軍文檔來源：中國石化石油機械裝備重點實驗室江漢石油管理局石油機械研究院		點擊數：	更新時間： 2025年09月23日
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上一篇：老河口油田適度防砂技術

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第23卷第3期
2013年9月
江 漢 石 油 科 技
JIANGHAN PETR0I UM SCIENCE AND TECHN0LOGY
Vo1．23 No-3
Sep．2013
江漢油田頁巖氣開發技術分析
王四虎， 陳向軍
(中國石化石油機械裝備重點實驗室、江漢石油管理局石油機械研究院，武漢430223)
摘要：江漢油田通過前期地質勘探調查，發現建南區塊頁巖氣儲層地質特征與美國主要產氣頁巖儲層
相當，含有豐富頁巖氣資源。2011年油田在建南成功鉆探了建頁HF一1頁巖氣水平井，進行了地層壓裂改造
施工，獲得了工業氣流顯示。為下一步頁巖氣的勘探開發，通過了解、分析國外頁巖氣開發采用的常規技術
手段，與HF一1井鉆井設計方案、施工方法、固井特點、后期儲層改造、壓裂等技術手段進行了對比分析，
對頁巖氣開發提出幾點認識。
關鍵詞：頁巖氣；水平井；鉆井；分段壓裂；地層改造
1 江漢油田頁巖氣開發步伐
美國頁巖氣資源的成功開發對我國頁巖氣資源
的開發啟示很大：頁巖氣的開發靠的是科學的開發
理念和先進的施工工藝技術，即規模開發、水平井
鉆井、叢式井、多段壓裂、同層壓裂、網格式壓裂
等。目前，我國處于頁巖氣資源調查與勘探開發探
索起步階段。我國頁巖氣資源潛力巨大，分布廣
泛，有南方(即揚子沿線：川渝、湘鄂、滇黔桂一
帶等)、華北等五大區域。據統計頁巖氣的遠景資
源量可達到26×10 m ，南方地區和西北地區是頁
巖氣成藏條件最有利的區域 。江漢油田建南頁巖
氣勘探開發區塊就位于我國頁巖氣成藏條件最有利
的區域之一的南方地區。
江漢油田建南頁巖氣勘探開發區塊地區屬于南
方川渝區域的中揚子江地段，位于四川盆地川東南
中隆高陡構造東部石柱復向斜內，面積3065 km ，
礦權內面積2836km ，據估算，僅建南構造淺層自
流井組段頁巖氣資源就有1．028×10 m 。在建南區
塊江漢油田有402年天然氣開發經驗，加上特殊的
地理位置，豐厚的頁巖氣資源儲藏，被中石化選為
頁巖氣開發示范片區，已經早早邁開了頁巖氣勘探
開發的步伐。經過先期勘探，對建南頁巖沉積地層
做了初步選層評價，選出建南構造頁巖層淺層東岳
廟段和須六段為江漢頁巖氣先期重點勘探層系。建
南頁巖氣淺層各層段構造形態相似，為北東向展布
的長軸背斜，西北翼陡，東南翼緩，中間起伏平
緩，見圖l。建111井作為江漢第一口頁巖氣評價探
井于2010年7月完鉆，l2月初壓裂施工完畢，
2011年5月進人正規頁巖氣生產；中石化布置的第
一口頁巖氣水平式評價井一建頁HF一1井于2011年
6月3日開鉆，8月25日完鉆，9月14日～17日進行了
七段壓裂施工作業；20l1年12月3 Et，建南第二口
頁巖氣水平式評價井建密HF—l井在與建頁HF一1井
同一井場開鉆。此外，2010年10月開鉆的河頁1頁
巖氣井，12月5日完鉆，2011年2月25日進行了壓裂
施工作業。建111井作為建南地區首口淺頁巖氣儲
層預探井，位于建南構造北高點附近，井深845m，
完井層位是須家河組須五段，壓裂層位是東岳廟儲
層段。作為一口水平井評價井，建頁HF一1井布置于
石柱復向斜中部建南構造北高點上，完鉆井深
1777．77m， 垂直深度613．58m， 水平位移
1262．39m，水平段長1022．52m，位垂I：L2．06，水平段
鉆探方位352．5。，位于侏羅系下統自流井組東岳廟
段。通過此井的施工獲取建南地區侏羅系頁巖氣評
價參數，為整體評價該區頁巖氣勘探潛力提供了有
力的地質依據；同時了解到了建南北高點侏羅系淺
頁巖儲層含氣面積，獲取了頁巖氣地質儲量計算參
數。
第一作者簡介：王四虎，男，1989年6月畢業于西安
石油學院，高工，現從事石油工程研究。

江 漢 石 油 科 技 第23卷
3．1 頁巖氣井設計特色
當前美國頁巖氣開發中主要應用的是單支大位
移水平井。雖然大位移水平段的鉆井技術難度大、
成本高，一般是垂直井的1．5—2．5倍，但水平井經
過分段壓裂后能獲得較垂直井來說更大的泄流面
積，使得水平井的產量是垂直井的3倍左右。一般
水平段越長，最終采收率和初始開采速度也就越
高。但不是設計的越長就越好，據美國公布的數
據，最有效的水平井進尺包括造斜井段，一般為
914～ 1219m 。
在井眼軌道設計上，水平井段與井眼方位一般
選擇在有機質與硅質富集、裂縫發育程度高的頁巖
層段，水平井的方位角及進尺對頁巖氣產量有著重
要影響。理論上講，在與最大水平應力方向垂直的
方向上進行鉆井，可使井筒穿過盡可能多的裂縫
帶，從而優化在壓裂過程中流出井筒和在生產過程
中流入井筒的情況，提高頁巖氣采收率 。井身結
構通常設計成三級結構：導管、技術套管、生產套
管。在完井方式上選用套管完井方式，水泥固井返
高到井口位置，屬于全井段固井。
3．2 頁巖氣水平井鉆探應用技術
在水平段鉆井中通常采用PDC(聚晶)鉆頭，
鉆頭使用壽命提高，延長了單趟鉆井尺度，節省了
施工時間。垂直段的鉆井方法采用常規的鉆完井工
藝，關鍵的鉆井技術難點在造斜段和水平段。造斜
段水平段的鉆井技術難點有兩個方面：其一是大斜
度大位移水平段井眼軌道控制鉆井技術；其二是在
鉆井過程中對井筒和頁巖氣儲層的保護技術。
頁巖氣井施工從造斜點開始到水平段鉆井完
畢，由于井身位移長，施工難度比較大。為了保證
沿目標區內鉆進，必須采用隨鉆測量(MWD)井眼
軌跡控制鉆井技術。有條件睛況下更可以采用隨鉆
測井(LWD)地質導向鉆井技術和旋轉導向鉆井技
術，達到水平井的精確定位，同時做出地質評價，
引導中靶地質目標。
由于水平段設計方位是要沿最小主應力方向，
頁巖層中粘土膨脹是最不利于鉆探井眼的穩定。此
外，低孔隙度、低滲透率是頁巖氣儲層特殊地質特
性，發育程度高的天然裂縫是有效開發頁巖氣的必
須條件。而頁巖層中蒙脫石等吸水膨脹性礦物組分
含量高，其吸水膨脹后容易堵封住頁巖層的中天然
裂縫，就是堵封了頁巖氣向井筒中的運移通道，嚴
重影響頁巖氣的開發。因此，鉆井液體系選擇要考
慮的主要因素有：必須能保證井筒的穩定性，潤滑
性、減少施工作業中的摩阻，提高機械鉆速；阻止
固、液相侵入頁巖層，防止粘土膨脹。符合條件的
鉆井液有清水泥漿、KCl基泥漿、油基泥漿。此
外，為了保護儲層，根據頁巖地層礦物學特性和應
力條件，在鉆井方法上通常采用欠平衡鉆井技術，實
施負壓鉆井，避免損害儲層。
4 江漢建頁HF一1頁巖氣井水平設計方
案及鉆井應用技術
建頁HF一1井設計的是大位移水平井，設計參數
是：導眼井垂深660m，水平井A靶點垂深611m、B靶
點垂深615m、水平段長1003m，方位352．5。。實際
施工結果是：導眼井垂深668m，水平井A靶點垂深
613．58m、B靶點垂深621．31m、井斜90．1。、水平位
移1243．19m、水平段長1022．52m，方位351．94o ～
354．04。之問。施工結果基本達到設計要求。井位
走向穿向構造西北陡坡，符合理論要求。建頁HF井
身結構見圖3，三級井身結構：導管、技術套管、
生產套管。要求套管完井。
建頁HF一1井鉆井施工時，垂直段是按常規的鉆
井工藝。一開使用正電膠防塌鉆井液，密度1．14～
1．20g，c 。導眼段使用鉀基聚合物防塌鉆井液，密
度1．17—1．21 g／cm 。從側鉆點開始就一直使用
圖3 建頁HF-1井井身結構示意圖
第3期 王四虎等： 江漢油田頁巖氣開發技術分析 ·51·
MWD技術對井眼軌跡進行控制，同時鉆井液開始使
用INVERMUL油基泥漿， 泥漿比重1．42～
1．47g／crna， 油水~t90：10，HTHP失水1．0—1．5ml，電穩
定性1000—155Ov，粘度63—176s，切力5／10～
15．5／22，5Pa。油基泥漿是引用哈里伯頓油基產品，
按哈里伯頓提供的技術配制的。油基泥漿中加入的
氧化瀝青、超細石灰石等井壁穩定劑有效地阻止
固、液相侵入地層，起到了穩定井壁的作用，防止
了上部脆性疏松地層及頁巖地層的垮塌，保證了勘
探任務)I~N完成。建頁HF-1井水平段鉆進時一直采
用 215．9mmPDC~頭。
5 頁巖氣井固井技術特點和建頁
HF-1井完井固井技術
由于頁巖氣儲層多為低孔低滲，開采頁巖氣層
需要采取壓裂增產措施，頁巖氣大型壓裂和分段壓
裂對固井膠結質量的要求更高，不僅要求生產井段
水泥漿膠結質量良好，而且要求水泥環具有高強的
彈塑性以及耐久性。
5．1 頁巖氣井固井技術特點
頁巖氣井在固井方式上要求全井段固井，在固
井技術上比常規井要更加難，主要表現在三個方
面：第一，使用油基泥漿的井，需盡量減少油基泥
漿對固井質量的影響；第二，固井施工時要考慮保
護頁巖氣儲層，避免儲層受到損害；第三，固井質
量要保證壓裂施工的順利實施，水泥強度必須能夠
抵抗壓裂施工的沖擊而不破碎；第四，要考慮頁巖
巖層特點對固井造成的困難，諸如頁巖易水化膨
脹、易破碎、井眼不規則、水平段套管偏心、水泥
漿體系防氣竄能力等技術難題。
所以固井前要稀釋清洗井壁泥漿，提高水泥環
面膠結質量。油基泥漿會影響水泥與套管及地層間
的膠結質量。清洗油基泥漿及泥餅主要靠清洗劑，
但頁巖氣水平井水平位移很長，套管人井后，在大
斜度及水平段部分由于重力原因，而難以居中，這
給清洗及固井施工帶來很大困難，所以下井的套管
外壁必須帶有起居中作用的扶正器。
基于壓裂施工的需要，要求頁巖氣固井水泥環
應具有較低的彈性模量，較高的泊松比和較高的抗
壓強度等性能。同時考慮到頁巖內層理發育且巖石
較脆，存在一定的裂縫，水泥還必須具備一定的防
漏特性嘲。泡沫水泥具有漿體穩定、密度低、滲透
率低、失水小、抗拉強度高等特點，因此具有良好
的防竄效果，能解決低壓易漏長封固段復雜井的固
井問題。而且水泥侵入距離短，可以減小儲層損
害。因此，頁巖氣固井一般選用泡沫水泥，根據國
外經驗，泡沫水泥固井比常規水泥固井產氣量平均
高出23％。此外，國外頁巖氣固井中還采用酸溶性
水泥(美國Bematt頁巖氣田)、泡沫酸溶性水泥、
成本低廉的火山灰+H級水泥進行頁巖氣井固井。在
國內、中國石化石油工程技術研究院根據頁巖氣井
的特殊地質結構和壓裂施工技術要求，自行研制出
一種SFP彈性水泥漿體系用于頁巖氣井固井。
5．2 建頁HF一1井完井固井技術
建頁HF一1井完鉆井深1777．77m， 采用
139．7mm常規套管。在下套管作業中，為了保證套
管居中，提高洗井效率、增強固井質量，在套管外
壁上裝了大量扶正器。水平段使用雙弓彈性套管扶
正器，前5根套管每根安裝一個，后每2根安裝一
個，直井段每5根安裝一個鋼性扶正器。使用頂驅
循環并上下活動，套管下至1720．73mm。這么密集
的扶正器給下套管作業帶來很大了很大施工阻力。
該井固井前采用驅油型化學沖洗液進行洗井作業。
在清洗液中增加表面活性劑的濃度，達到對界面有
良好的化學沖洗及水潤濕效果；采用懸浮能力強、
沉降穩定性好的加重隔離液，隔離鉆井液與水泥
漿，提高水泥與套管及井壁的膠結強度。
建頁HF一1井設計為水泥漿全井段封固，固井中
的施工設計、沖洗液、隔離液、尾漿及現場施工技
術負責等技術服務邀請中國石化石油工程技術研究
院來完成，采用該院研究的SFP彈性水泥漿體系進
行固井。泥漿體系中的添加物彈塑性材料和增韌材
料均由該院提供。水泥漿體系由嘉華G級水泥、彈
塑性材料、增韌材料、防氣竄降失水劑、分散劑、
早強劑、加重劑、硅粉、緩凝劑、分散劑等組成，
密度1．89g／em 。建頁HF一1井固井施工過程順利，未
發生漏失，但固井質量測井評價顯示：水平井段
660～1678m低邊幾乎連續竄槽，為液體和少量氣體
充填。
· 52· 江 漢 石 油 科 技 第23卷
6 頁巖氣儲層改造技術和建頁HF一1井
壓裂技術
頁巖氣開采的重要技術之一就是對頁巖氣儲層
的體積改造技術。通過體積改造，實現頁巖層天然
裂縫、巖石層理的溝通，極大地提高儲層頁巖氣的
動用率和采收率。天然裂縫幾乎存在于所有的頁巖
產層中，但在水力壓裂施工打開和溝通這些天然裂
縫前，它們都幾乎對產量不起任何作用。
6．1 頁巖氣儲層改造技術
頁巖儲層體積改造的具體措施是對頁巖氣井水
平段進行分段壓裂作業。壓裂方式包括單井壓裂和
多井同步壓裂。壓裂改造是在先進行過多簇式射孔
的層段進行。通過壓裂，把低黏液體、以及轉向材
料以高排量、大液量的形式從射孔洞內擠進地層或
地層裂縫中，在形成一條或者多條主裂縫，同時，
在主裂縫的側向強制形成次生裂縫，并在次生裂縫
上繼續分枝形成二級次生裂縫和多級次生裂縫，讓
主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網絡系統，將
可以進行滲流的有效儲集體“打碎” ，使裂縫壁面
與儲層基質的接觸面積最大，使得油氣從任意方向
的基質向裂縫的滲流距離最短，極大地提高儲層整
體滲透率，實現對儲層在長、寬、高三維方向的全
面改造。天然裂縫狀況及能否產生復雜縫網，是實
現體積改造的前提條件。儲層體積改造技術不僅可
以大幅度提高單井產量，還能夠降低儲層有效動用
下限，最大限度提高儲層動用率和采收率。對于套
管完井的分段壓裂工藝技術， 固井質量直接決定了
分段壓裂的段數選擇、分段壓裂的效果以及施工的
安全性和成功率，因此，固井質量的好壞對儲層改
造至關重要。
壓裂施工過程中一般采用微地震監測技術對壓
裂過程實施動態監測，檢測壓裂過程中裂縫擴展形
態及動態變化過程。通過研究、分析壓裂過程中地
層天然裂縫變化情況和次生裂縫生成情況來判斷壓
裂效果，優化完善頁巖水平井壓裂技術等問題，促
進頁巖氣儲層體積改造技術向更完美的方面發展，
提高頁巖氣的采收率。大量研究表明儲層改造體積
越大，增產效果越明顯，儲層改造體積與增產效果
具有顯著的正相關陛。
6．2 建頁HF一1井壓裂技術
建頁HF一1井的壓裂設計由美國貝克·休斯公司
完成，壓裂井段：755．23～1690．18m， 長934．95
m，，由于建頁HF一1井的固井質量并不理想，計劃
只能分八段壓裂，實際壓裂七段。本井水平段主要
巖性為泥巖、頁巖、灰質(含灰)頁巖、含砂質頁
巖等其胞l生礦物含量高，便于壓裂施工改造儲層的
聯通性。每層在壓裂前先進行了簇式射孔，由于采
用減阻水作為壓裂液，其攜砂能力較差，并且該井
施工時由于泵注設備的限制注入排量也較低，因此
每段射開3／1,段，每小段射開0．5m左右，采用19孔
／m，孔徑12．7mm的射孔彈射孔，降低孔眼摩阻。采
用60。的相位角射孔，以減少近井的裂縫扭曲。壓
裂液采用減阻水，由清水添加減阻劑、粘土控制
劑、長期粘土控制劑、殺菌劑、助排劑配制而成，
壓裂用的支撐劑為粒徑100目和40／70目的石英砂。
壓裂過程中的射孔和坐封橋塞施工由貝克·休
斯公司作業。第一層采取普通傳輸射孔方式射孔，
使用27／8鉆桿連接射孔槍下井，其目的：滿足第一
層壓裂需要；為后續的水力輸送電纜射孑L打開水力
輸送通道。國外在沒有鉆機的情況下，一般采取連
續油管輸送方式射孔。后續壓裂層位采取電纜射孔
與電橋塞聯作，水力推送到目的層位，一次下井完
成4次點火：先坐封橋塞、后依次完成三次簇式射
孔。為了保證壓裂效果，坐封橋塞采用的是貝克·
休斯公司產品，外徑114．3mm，內徑10．8ram，由復
合材料做成，可鉆式，鉆屑易排出，坐封效果好。
橋塞坐封射孔作業完畢后，起出射孔管柱，投放低
密度球封堵橋塞中心通道，然后才能開始壓裂施工
作業。
建頁HF一1井的壓裂施工由江漢井下測試公司負
責實施。施工壓裂設備及輔助設備有：2000型壓裂
車14臺、210混砂車2臺、105管匯車2臺、700型壓
裂車1臺、400型水泥車1臺、儀表車2臺、100m 立
式砂柜1具、40 儲液罐24具、2臺吊車等。本次七
級壓裂施工完成壓裂總液量12037．6m ， 總砂量
603．6t，施工壓力21～36MPa，施工排量l0—10．5m
／rain，平均砂tg4．1。在壓裂井場附近還有微地震檢
測車對壓裂過程的地層進行檢測。
(下轉第55頁)
．g3期 高婷等：鎮涇油田油井腐蝕結垢原因分析與防治措施 ·55·
表5 緩蝕劑試驗結果
由加藥前的40-100mg／1左右下降到加藥后的20rTl 以
下，檢泵周期延長1倍以上。
3 結論
(1)延安組地層水水型主要為NazSO 和
NaHCO，型，富含大量的結垢離子，當地層液在流
人井底和汲入泵筒過程中，液柱壓力遠低于地層水
溶解二氧化碳氣體的分壓，導致二氧化碳氣體逸
出，形成鹽垢。
(2)造成延安組油井井筒腐蝕的主要原因是
高礦化度的采出液以及cO腐蝕，其次是溶解氧、
細菌、垢下腐蝕及偏磨，上述因素的共同作用導致
井筒腐蝕嚴重。
(3)室內評選出HKWC一1阻垢劑及cJ緩蝕劑
兩種藥劑對延安組油井適應性強，防腐防垢效果
好，針對延安組提出的井口連續注入緩蝕阻垢劑及
井下自動加藥裝置兩種加藥工藝，開展了現場試
驗。通過現場監測，這兩種加藥工藝方便簡單，能
有效延長檢泵周期，延長了油井生產周期，提高了
油井產量。
參考文獻
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(編輯汪孝芝)
(上接第52頁)
7 對江漢頁巖氣開發的幾點認識
國外頁巖氣的成功開發靠得是先進的技術理念
和先進的施工設備。江漢頁巖氣勘探開發剛剛起
步，還有漫長的路要走。通過對所做工作的分析、
總結，有如下認識：
(1)江漢油田頁巖氣前期勘探開發取得了一
定的成果。對建南頁巖氣儲層淺層構造有了定性的
認識；大位移水平頁巖氣井開發的各個環節，高水
平的完成，特別象油基泥漿裸眼井測井、頁巖氣水
平井壓裂施工設計、簇式射孔和橋塞坐封施工、微
地震監測解釋等都是聘請當前世界上最先進技術或
設備完成進行的，對提高江漢油田整體技術及裝備
有積極的推進作用。
(2)頁巖氣水平井的鉆探技術和設備有待提
升和改進。使用的MWD定向儀，儀器零長17m，隨
鉆監測數據滯后，增加了定向施工難度。鉆井技術
上能使用旋轉導向技術結合地質導向隨鉆技術。
(3)油基泥漿鉆井液成本很高，對隨鉆儀
器、井隊設備損害較大。研發適合自己頁巖氣儲層
的鉆井泥漿液，能從根本上節約頁巖氣開發成本。
(4)要從根本上對頁巖氣水平井固井質量有
深刻認識。固井質量直接影響到頁巖氣的儲層改造
計劃。
(5)地層改造成果，需要開發一個井工廠、
形成較大規模壓裂水平后，才能在儲層改造上有較
準確完整的認識及科學合理的開發部署。
(6)提高壓裂設備水平和規模。
參考文獻
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【5] 建頁HF-1井東岳廟頁巖段分段壓裂設計[R】企業內部
資料．

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