页岩气钻探中的井壁稳定及高效钻完井基础研究

Shale gas will be major back-up energy to relieve the contradiction of energy supply and demand with large reserve volume and wide distribution range in China, but research about shale gas is still in blank in China. Aiming at solving theoretical and technological problems in shale gas drilling, in this research program, chemical mechanisms of wellbore instability caused by drilling fluid and factors and regulations affecting wellbore stability are revealed. Also methods of drilling fluid safe density window calculations of horizontal well, wellbore collapse period prediction, wellbore stability improvement and shale formation protection technologies are established. Secondly new kind of environmental drilling fluid and the related recycling and reuse technology of wasted drilling fluid are developed by analyzing drilling fluid contaminations mechanisms. Thirdly according to distributions of shale gas reservoir and directions of cracks and in-situ stress, high intersection rate of wellbore trajectory and cracks design and control technology is established. Finally methods of well completion optimized design and technology are formed by analyzing flow regulations of shale gas in reservoir. Thus in this project, “multi- field coupling “theory of shale wellbore stability improvement and safe density window expansion and methods and technologies of shale gas horizontal well drilling and completion optimized engineering design are established, which will provide the theory basis and the technical support for shale gas efficient exploration and development in China.

我国页岩气分布范围广、储量大，将成为缓减我国能源供需矛盾的主要后备能源，但我国对页岩气的研究几乎还是空白。本项目针对钻探页岩气过程中存在的主要科学问题和关键技术难题，首先揭示钻井液在井下引起页岩井壁失稳的力学化学机理、影响因素和规律，建立计算页岩气水平井安全钻井液密度窗口、预测地层坍塌周期、提高井壁稳定性、保护页岩气储层的方法与技术；第二，揭示钻井液对环境的破坏机理、研发“绿色”钻井液体系、废弃钻井液回收与再利用的方法与技术；第三，根据页岩气储层分布、裂隙发育和地应力方向，建立井眼轨道与裂缝高交汇率设计和井眼轨迹控制的方法和技术；第四，通过气体在页岩气储层中流动规律研究，建立页岩气储层完井方式优化方法和技术。从而建立提高页岩井壁稳定性、扩大安全密度窗口的“多场耦合”理论，页岩气水平井高效钻完井方式优化和工程设计的方法与技术，为高效勘探开发我国页岩气资源提供理论依据和技术支撑。

我国页岩气分布范围广、储量大，已成为缓减我国能源供需矛盾的主要后备能源，但我国对页岩气的研究几乎还是空白。美国页岩气大规模商业性开发，取得了成功的页岩气开发模式，即“水平井+压裂完井”，对我国的页岩气工业发展有很好的借鉴意义。然而，井壁稳定问题是钻井过程中经常遇到的十分棘手的重大问题，特别是页岩气地层的井壁稳定问题是目前的世界级难题。针对该问题，国内外许多学者进行了大量的研究工作，从研究思路来看，主要经历了纯力学研究-钻井液化学研究-力学、化学耦合-力学、化学、电力学、热力学耦合研究，但均未能实现真正的耦合。此外，大部分页岩气以吸附态赋存于页岩中，储层渗透率极低，要提高产率，需要对页岩气完井方式和完井参数进行优化，从而能够既提高渗透率，又避免储层损害。.本项目针对钻探页岩气中存在的主要科学问题和关键技术难题，首先揭示了钻井液在井下引起页岩井壁失稳的力学化学机理、影响因素和规律，建立了计算页岩气水平井安全钻井液密度窗口、预测地层坍塌周期、提高井壁稳定性、保护页岩气储层的方法与技术；第二，揭示了钻井液对环境的破坏机理，研发“绿色”钻井液体系、废弃钻井液回收与再利用的方法与技术。第三，根据页岩气储层分布、裂隙发育和地应力方向，建立了井眼轨道与裂缝高交汇率设计和井眼轨迹控制的方法和技术；第四，通过气体在页岩气储层中流动规律研究，建立了页岩气储层完井方式优化方法和技术。从而建立了提高页岩井壁稳定性、扩大安全密度窗口的“多场耦合”理论，页岩气水平井高效钻完井方式优化和工程设计的方法与技术，为高效勘探开发我国页岩气资源提供理论依据和技术支撑。.已发表学术期刊论文47篇，其中SCI论文22篇；国际会议论文7篇；专著1篇；获授权发明专利32件（其中美国专利10件）、受理发明专利19件（其中美国专利2件），申请实用新型专利9 件（已授权），获计算机软件著作权3件，获部级及以上等奖5项，培养研究生71名博士后1名。