一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法.pdf

本发明涉及一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法；该方法利用磁定位和自然伽马测井的方法以及利用陀螺仪测量井斜角从而确定套管的开孔具体方位，然后利用磨铣钻头在确定的套管上开窗，再通过高压射流喷射钻至少两个径向水平孔，径向水平孔均处于目的层中且径向水平孔相互之间均匀分布，最后高压泵入压裂液，形成油气运移所需的岩石裂缝。本发明的有益效果为：在提高页岩气单井产气量同时，有利于压后返排及保护环境，单井作业成本及风险大大降低，无论从技术、环境和经济上均具有突出的优势。

1.  一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，利用磁定位和自然伽马测井确定套管开孔深度；
步骤二，利用陀螺测斜仪确定套管开孔方位；
步骤三，利用包括磨铣钻头的钻具组合在目的层的套管上开孔；
步骤四，通过连续油管下入喷射组件在目的层中喷射出径向水平孔；
步骤五，通过连续油管和喷射组件向步骤四中喷射出的径向水平孔中泵入压裂液，形成岩石裂缝；
步骤六，采用微地震监测法对步骤五中得到的岩石裂缝的规模和延伸方向进行实时监测，得到岩石裂缝的规模和延伸方向数据；
步骤七，根据步骤六中监测得到的岩石裂缝的规模和延伸方向数据，实时调整泵入压裂液的参数；
步骤八，判断步骤七中得到的岩石裂缝的规模和延伸方向数据是否符合油气运移所需；符合需求步骤结束，否则重复执行步骤一到步骤八。

2.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，步骤三中所述的包括磨铣钻头的钻具组合为两套；其中一套用于套管、水泥环的开孔；另一套用于钻径向水平孔。

3.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，磨铣钻头的钻具组合包括磨鞋、随钻打捞杯、钻铤和造斜钻具；造斜钻具是弯接头、弯外壳和偏心垫块中的任一种或是弯接头、弯外壳和偏心垫块中的任意组合。

4.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井 方法，其特征在于，步骤三中磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量至少为两个。

5.  根据权利要求4所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，步骤三中磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量为四个，四个孔的方位各不相同。

6.  根据权利要求4所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，步骤三中磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量为四个，四个孔分为两组，其中两个孔为一组；一组中的两个孔的方位相同，一组中的两个孔位于目的层中的井眼轴线的不同位置，且所开的孔的孔径为20mm。

7.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，步骤四中的喷射组件是高压软管与高压水射流喷嘴的组合。

8.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，步骤四中喷射出的水平孔的直径范围为30mm至50mm；喷射出的水平孔的长度范围为50m至100m。

9.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，喷射组件中喷射的液体是粘土抑制剂。

10.  根据权利要求1所述的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，其特征在于，步骤六中的微地震监测法的监测方式包括：地面监测、浅层监测和井下监测。

一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法
技术领域
本发明属于页岩气开采技术领域，具体涉及一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法。
背景技术
页岩气是一种特殊的非常规天然气藏，赋存于富有机质页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的烃类气体,具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征。页岩气主要成分为甲烷，与常规天然气相似，用途相同。
页岩气一般无自然产能或低产，需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，但早期产量递减快。由于页岩气储层的比表面相对常规砂岩储层的比表面大很多，其吸附气量远大于砂岩吸附气量，因此需要通过大规模压裂，增大改造体积。如果天然裂缝不发育或不能通过大型压裂形成复杂的多缝或网络裂缝，页岩气储层很难成为有效储层。脆性和天然裂缝发育的地层中容易实现体积改造，而塑性较强地层实现体积改造比较困难。储层所含的硅质矿物、碳酸盐岩矿物、粘土矿物不同，导致储层岩石的脆性程度不同，从而引起改造模式和改造效果不同；储层的脆性越强，压裂时越易实现脆性断裂形成网状裂缝，从而实现体积改造。
页岩气作为一种新兴的非常规能源，全球对页岩气的开发并不普遍，在中 国更是刚刚起步。由于中美地质条件差异较大，中国的页岩气开采成本约为美国同类页岩气活动的3-5倍，导致其价格缺乏竞争力，商业化开发难度更大。
目前在国内外常规的页岩气开发完井方式，即水平井加水力压裂具有作业程序多、周期长，所需液量大,返排困难，缝高、横向缝网不可控的特点。
现有技术中，在页岩气开发项目的完井阶段，尤其是酸化压裂阶段投资的成本颇高，但是酸化压裂的效果还很差，浪费的压裂液体的体积很大，大体积的酸化压裂对油气地层造成了严重的污染。
现有技术中，常规的页岩气完井方式为，水平井加水力压裂完井方式，但是水平井加水力压裂的完井方式具有作业程序多、周期长，所需压裂液的量十分巨大，而且返排困难，缝高、横向缝网不可控的技术缺陷，同样由于使用的压裂液的量十分巨大，对环境的影响大，作业风险及成本都会增高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术缺陷，本发明提供一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，该完井方法与常规水平井分级压裂相比，用水量仅为水平井多级压裂的15％至20％，在保护环境的同时，有利于压后返排，单井作业成本及风险大大降低，无论从技术、环境和经济上均具有突出的优势。
本发明所采用的技术方案为：一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，包括以下步骤：
步骤一，利用磁定位和自然伽马测井确定套管开孔深度；
步骤二，利用陀螺测斜仪确定套管开孔方位；
步骤三，利用包括磨铣钻头的钻具组合在目的层的套管上开孔；
步骤四，通过连续油管下入喷射组件在目的层中喷射出径向水平孔。
步骤五，通过连续油管和喷射组件向步骤四中喷射出的径向水平孔中泵入压裂液，形成岩石裂缝；
步骤六，采用微地震监测法对步骤五中得到的岩石裂缝的规模和延伸方向进行实时监测，得到岩石裂缝的规模和延伸方向数据。
步骤七，根据步骤六中监测得到的岩石裂缝的规模和延伸方向数据，实时调整泵入压裂液的参数；
步骤八，判断步骤七中得到的岩石裂缝的规模和延伸方向数据是否符合油气运移所需；符合需求步骤结束，否则重复执行步骤一到步骤八。
进一步优选的技术方案是，步骤三中所述的包括磨铣钻头的钻具组合为两套；其中一套用于套管、水泥环的开孔；另一套用于钻径向水平孔。
更进一步优选的技术方案是，磨铣钻头的钻具组合包括磨鞋、随钻打捞杯、钻铤和造斜钻具；造斜钻具是弯接头、弯外壳和偏心垫块中的任一种或是弯接头、弯外壳和偏心垫块中的任意组合。
进一步优选的技术方案是，步骤三中磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量至少为两个。
进一步优选的技术方案是，步骤三中磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量为四个，四个孔的方位各不相同。
进一步优选的技术方案是，步骤三中磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量为四个，四个孔分为两组，其中两个孔为一组；一组中的两个孔的方位相同，一组中的两个孔位于目的层中的井眼轴线的不同位置，且所开的孔的孔径为20mm。
进一步优选的技术方案是，步骤四中的喷射组件是高压软管与高压水射流喷嘴的组合。
进一步优选的技术方案是，步骤四中喷射出的水平孔的直径范围为30mm至50mm；喷射出的水平孔的长度范围为50m至100m。
更进一步优选的技术方案是，喷射出的水平孔的长度为100m。
更进一步优选的技术方案是，喷射组件中喷射的液体是粘土抑制剂。
进一步优选的技术方案是，步骤六中的微地震监测法的监测方式包括：地面监测、浅层监测和井下监测。
本发明的有益效果为：径向喷射钻井能够有效扩大气井和裂缝的接触面积，同时提高单井的控制储量；进一步地将径向喷射钻井与压裂措施联作的技术方案(根据主应力方向先钻引导延伸径向孔、再实施压裂)，能够有效控制缝高段裂缝走向、增加裂缝延伸长度。
四个方位各不相同的水平孔，假设每个孔均为100m的小井眼挤入压裂液以后，压裂的波及范围相当于400m的裸眼压裂；与水平井压裂的技术方案相比，由于井眼长度的减少，因此有利于压后返排；压裂后不需要磨铣桥塞，能够直接投产；同时单井作业成本及风险大大降低，无论从技术上和经济上均具有突出的优势。
单就水力体积压裂部分作业周期而言，按4个水平分支施钻，该联作工艺作业周期在6天左右，而水井井分段压裂工期一般在1-2周时间，再加上后期的磨铣桥塞和返排，时间会更长，一方面增加施工成本，另一方面，压裂液在储层中的时间越长，返排越困难，对储层的伤害也越大。
直井常规压裂工程中，裂缝的延伸及流体的渗流通道与现场的地应压力、天然裂缝发育程度关系密切。与之相比，通过径向喷射而成的水平井眼可以将 压裂液均匀输送到井眼100m范围内的地层中，液体在三维空间呈体积方式波及，有效控制了压裂方向，大幅增加压裂受效区域，使体积压裂效果更显著。
对4个分支同时进行压裂，能够形成‘同步压裂’效应，这与水平井同步压裂原理一致，使得此联作工程区域内的缝网更加均匀密集。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明完井方法的喷射的径向水平孔示意图。
图中：1-径向水平孔。
具体实施方式
如图1所示是本发明提供的一种页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法的流程图，其具体步骤包括：利用磁定位和自然伽马测井确定套管开孔深度；利用陀螺测斜仪确定套管开孔方位；利用包括磨铣钻头的钻具组合在目的层的套管上开孔；通过连续油管下入喷射组件在目的层中喷射出径向水平孔；通过连续油管和喷射组件向喷射出的径向水平孔中泵入压裂液，得到岩石裂缝；采用微地震监测法对岩石裂缝的规模和延伸方向进行实时监测，得到岩石裂缝的规模和延伸方向数据；根据监测得到的岩石裂缝的规模和延伸方向数据，实时调整泵入压裂液的参数；判断压裂后得到的岩石裂缝的规模和延伸方向数据是否符合油气运移所需；符合需求步骤结束，否则重复执行以上所述步骤。
更进一步清楚说明以上所述步骤，所述的包括磨铣钻头的钻具组合为两套；其中一套用于套管、水泥环的开孔；另一套用于钻径向水平孔。
磨铣钻头的钻具组合包括磨鞋、随钻打捞杯、钻铤和造斜钻具；造斜钻具 是弯接头、弯外壳和偏心垫块中的任一种或是弯接头、弯外壳和偏心垫块中的任意组合。
磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量至少为两个。
磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量为四个，四个孔的方位各不相同。
磨铣钻头在目的层的套管上所开的孔的数量为四个，四个孔分为两组，其中两个孔为一组；一组中的两个孔的方位相同，一组中的两个孔位于目的层中的井眼轴线的不同位置，且所开的孔的孔径为20mm。
喷射组件是高压软管与高压水射流喷嘴的组合。
喷射出的水平孔的直径范围为30mm至50mm；喷射出的水平孔的长度范围为50m至100m。
喷射出的水平孔的长度为100m。
喷射组件中喷射的液体是粘土抑制剂。
微地震监测法的监测方式包括：地面监测、浅层监测和井下监测。
其中水力喷射径向井方法(径向喷射钻井)的基本原理是：是利用磁定位和自然伽马测井确定套管开孔深度及利用陀螺测斜仪确定套管开孔方位，然后利用磨铣钻头在目的层套管上开一个直径20mm的孔，再通过连续油管下入高压软管及高压水射流喷嘴在目的层中喷射出直径30～50mm、长度50～100m的径向水平孔。采用两套钻具，其中一套用于套管、水泥环开孔；另一套用于钻径向水平孔。
将水力喷射径向井方法与体积压裂联合在一起，即
a.在直井的页岩气储层段，不同方位开窗，采用填加粘土抑制剂的流体水平喷射钻4个延伸100m左右的水井小井眼；
b.同时往4个分支小井眼中高速泵入水力压裂液进行体积压裂改造，效果与同步压裂相似；
c.采用微地震监测技术对造缝的规模及延伸方向进行实时监测。
优选地实施方式是:
如图2所示，利用径向喷射钻井的方法，在目的层为喷射出四个长度为100m且井下方位各不相同的径向水平孔，压裂车连接连续油管并且通过高压软管和高压喷嘴在四个方位不同的四个径向水平孔中高压泵入压裂液(也可以是水)，对四个径向水平孔进行压裂，四个径向水平孔得到压裂后的岩石裂缝，并且四个径向水平孔的岩石裂缝彼此相接，能够达到‘同步压裂’的技术效果。
进一步优选的实施方式是：压裂车连接连续油管并且通过高压软管和高压喷嘴在四个方位不同的四个径向水平孔中高压泵入压裂液的初期，可以采用低速、低压的注入速度，使液体逐步进入四个径向水平孔并逐步延伸到岩石的天然裂缝中，注入一段时间以后逐步提高注入速度和注入压力，使目的层同步受力，目的层的裂缝均匀地裂开。
本发明的页岩气层径向喷射钻井与体积压裂联作的完井方法，具有的优越技术效果是：
在页岩气改造的应用具有作业难度小、作业周期短、波及范围广、能过形成同步压裂效应，地层适应性强、成本低等六大技术优势，使页岩气的勘探评 价及开发不再仅依赖成本很高的水平井开发，由于淡水用量的大幅降低，对自然环境的伤害也降到了最低。
进一步解释优越效果：施工作业难度小：该联作工艺作业难度与水平井清水压裂相比，大大降低，工程施工风险小。作业过程中，压井液在地层中滞留时间短，易返排；压裂后不需要磨铣桥塞，直接投产。
作业周期短：单就水力体积压裂部分作业周期而言，按4个水平分支施钻，该联作工艺作业周期在6天左右，而水井井分段压裂工期一般在1-2周时间，再加上后期的磨铣桥塞和返排，时间会更长，一方面增加施工成本，另一方面，压裂液在储层中的时间越长，返排越困难，对储层的伤害也越大。
压裂液波及范围广：直井常规压裂工程中，裂缝的延伸及流体的渗流通道与现场的地应压力、天然裂缝发育程度关系密切。与之相比，通过径向喷射而成的水平井眼可以将压裂液均匀输送到井眼100m范围内的地层中，液体在三维空间呈体积方式波及，有效控制了压裂方向，大幅增加压裂受效区域，使体积压裂效果更显著。
同步压裂效应：对4个分支同时进行压裂，可能形成‘同步压裂’效应，这与水平井同步压裂原理一致，使得此联作工程区域内的缝网更加均匀密集。
地层适应性强：径向喷射井的分支在储层的摆放位置也依据地层的性质调整到最佳。第一，如果页岩气储层是最大主应力方向为正南北向，则分支水平段的方位可以设计为东西方位0度和180度，如果主应力为斜交的两个方向，则四个分支可以分两组与主应力正交，达到最佳造缝网效果；第二，如果页岩层薄，且下部有水层分布，一般采用对水平井上部射孔，但是射孔的深度没法 控制，从而进一步影响压裂规模和改造效果，径向喷射分支水平段由于位置可以灵活设计，水平段可尽量靠近页岩储层的上部，以增加避水高度，控制压裂规模，保证压裂不沟通水体，并能形成直径100m的体积缝网(见图)；第三，如果页岩层中有较稳定且一定厚度的隔夹层，径向喷射井的多分支可灵活避开，提高压裂效率；第四，如果页岩储层厚度非常大，就垂向的储量控制能力而言，同等钻井成本条件下，径向喷射分支水井优于常规水平井。
成本大幅降低：首先勘探初期，在直井的基础上进行400m的小井眼水平段压裂改造，一般一口井4个水平段合计只需要4-5方，而水平井水力压裂需要10000-20000方的压裂液，无论从清水的用量及添加剂的用量上都大大节约；诱导裂缝沿着优化的径向孔方向延伸，在储层中形成多条水力压裂裂缝及裂缝矩阵，水力压裂的规模也随着更加高效的压裂施工而大幅减少，进而能有效控制缝高及裂缝走向、增加裂缝延伸长度。即提高了压裂效率，又大幅降低了作业成本；其次，由于压裂施工工期的大幅缩短也使得作业成本大大降低；最后，由于施工工艺的不同，径向喷射钻井与体积压裂联作工艺国内施工队伍可独立完成，而页岩气水平井水力压裂需在外方技术专家的合作基础上实现，施工费用大大降低。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。