CN109488212B - 钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，对于进入页岩储层后钻速降低不明显的井而言，定期替入的低粘度钻井液，极大的降低了泥包现象发生的可能性，进而确保钻压有效施加至地层上；对于进入页岩储层后钻速降低较为明显的井而言，极大的提高井筒内部的洁净程度，使得增大的钻压能够有效通过钻头作用至井底。本发明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。本发明解决了现有技术中在页岩储层内钻时慢、钻速低；完钻起下钻困难、下套管风险大的问题，实现了提高在页岩储层内的钻速、提高工程效率；降低作业风险、提高下套管安全系数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程领域，具体涉及钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法。
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国本不成熟的开采技术上又增添了开发难度。具体到钻井工程上，标准的页岩储层，不同于压实程度不够的泥页岩地层，而是经过了充分压实与沉积的致密岩层，它在岩性上具有致密、胶结充分、硬度高、可钻性低、造浆能力弱等特点。这些特点组合起来，表现在钻井工程上就是钻时慢、钻速低。现有技术中没有针对页岩储层钻时过慢的有效方法，只能够依靠大钻压缓慢钻进，导致工程效率低下，浪费人力物力成本。
此外，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。
发明内容
本发明的目的在于提供钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，以解决现有技术中在页岩储层内钻时慢、钻速低；完钻起下钻困难、下套管风险大的问题，实现提高在页岩储层内的钻速、提高工程效率；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：
钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，包括钻进过程和完钻处理过程；
所述钻进过程包括：
(a)使用PDC钻头按照设计井眼轨迹，钻进至距离页岩储层顶部5～10m垂深的位置，钻进过程中钻井液的粘度为A，单位厘泊；密度为B，单位g/cm3；统计钻进过程中近24小时的平均钻速为X，单位m/h；钻杆平均转速为Y，单位rpm；平均钻压为Z，单位吨；平均排量为Q，单位L/min；循环，起钻，将钻头更换为与所述PDC钻头等径的三牙轮钻头，并在底部钻具组合中使用新的螺杆钻具；
(b)下钻至井底、探沉砂，钻进至页岩储层内，以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，监测在页岩储层内一个小时内的平均钻速X1，若X1≥X或X1/X≥0.8，则以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，每隔两小时向钻杆内替入0.8～1.5m3粘度为0.5A的稀浆；若X1/X＜0.8，进入步骤(c)；
(c)将钻头提离井底，保持排量Q不变，降低转速至Y1，Y1/Y＝0.7～0.8，同时增大钻压至Z1，Z1/Z＝1.2～1.8，继续钻进，得到此时的钻速X2；
(d)若X2＞X1，则保持排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；若X2≤X1，依次向钻杆内替入1～2m3密度为1.5B～2B的重浆、1～2m3粘度为1.5A～2A的稠浆，根据泵冲数判断重浆与稠浆出钻头时，将钻头提离井底，之后以排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；
(e)X2每次更新后，都带入步骤(d)中进行判断，直至钻进至设计井深，井底留完井口袋，完钻；
所述完钻处理过程包括：
(f)完钻后，以排量Q0循环至井底岩屑返出至井口，完成全井段的岩屑录井；记井底深度为H1、上层套管鞋的深度为H2，取H＝(H1-H2)/2+H2；
(g)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Q0循环一周；
(h)停泵停转起钻至井深H：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，则进入步骤(j)；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则进入步骤(i)；
(i)以排量Q0/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量Q0/4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H，进入步骤(j)；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H，进入步骤(j)；
(j)在井深H处，以排量Q0循环一周，停泵停转下钻至H1，并再次起钻至井深H处；若(H1-H2)＞50m，则令H1＝H，取H’＝(H1-H2)/2+H2；
(k)用H’替换H，重复步骤(h)～(j)，直至(H1-H2)≤50m；
(l)起钻至上层套管鞋内，在上层套管鞋内以排量Q0/4循环一周，起钻至井口，下套管。
现有技术中在页岩储层内钻时慢、钻速低，并且由于页岩储层造浆能力极为薄弱，且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，钻井液无法在井壁自然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，因此现有技术中在针对页岩储层进行钻井时，为了维护井壁的稳定性，必然会使用高粘度的钻井液体系。本发明在此基础之上，提出一种钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，本方法首先在进入页岩储层之前使用PDC钻头按照设计井眼轨迹正常进行钻进，在进入页岩储层之前使用PDC钻头能够利用PDC钻头优良的切削性能，对上部岩层快速进行钻进。在距离页岩储层顶部5～10m垂深的位置停止钻进，得到钻进过程中钻井液的粘度A、密度为B；近24小时的平均钻速X、钻杆平均转速为Y、平均钻压为Z、平均排量为Q等钻井参数备用，之后循环，直到井底岩屑返出至井口、满足了岩屑录井需求，并且井内岩屑循环至满足起钻要求，之后起钻更换底部钻具组合BHA，具体的更换内容为：将钻头更换与所述PDC钻头等径的三牙轮钻头，并在底部钻具组合中使用新的螺杆钻具。此处，若之前使用了螺杆钻具，则更换新的螺杆，若之前没有使用螺杆钻机，则添加新的螺杆，通过更换新的螺杆钻具，保证此次入井钻开页岩储层时有足够的底部动力。将PDC钻头更换为三牙轮钻头，是由于PDC钻头虽然具有较高的钻进能力，但那是针对普通地层而言，PDC钻头上的金刚石复合片能够配合高转速，快速的对地层进行逐层切削，这种破岩方式在页岩岩层内，由于页岩岩层极高的压实程度和致密性，会导致切削效果不佳，PDC钻头失效较快，需要频繁起钻进行更换。而三牙轮钻头，其破岩机理在于破碎而非切削，也就是说，利用钻具重力使牙轮吃入地层中，直接对下部地层进行整体搅碎，而非逐层的切削，这种破岩方式看似传统，反而更有利于在页岩地层内的钻进效果。因此本发明摒弃了现有技术中一味利用PDC钻头来追求高钻速的做法，而是专门起钻更换三牙轮钻头，克服了现有技术中认为PDC钻头必然比牙轮钻头的钻速更快的技术偏见。更换钻头及螺杆钻具后，下钻至井底、探沉砂，钻进至页岩储层内，以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，监测在页岩储层内一个小时内的平均钻速X1，若X1≥X或X1/X≥0.8，表明在进入页岩储层后，钻速没有下降或下降幅度较小，属于正常的受页岩可钻性影响的结果，则以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，每隔两小时向钻杆内替入0.8～1.5m3粘度为0.5A的稀浆。继续钻进，每隔两小时向钻杆内替入0.8～1.5m3粘度为0.5A的稀浆。本发明中在页岩储层内的钻进过程中，定时替入一定量的稀浆，稀浆即为低粘度钻井液，具体粘度0.5A，即只有正常钻井时的钻井液粘度的一半。定时替入稀浆的原因在于，本申请的发明人研究得出，为了克服页岩岩层造浆能力较弱的缺陷，现有技术在页岩储层内的钻井液体系粘度一般都较高，这就导致了钻井液对地层与岩屑的冲蚀能力较弱。再加上页岩储层胶结致密的特点，底部钻具组合上极易粘黏上页岩中的胶结物，进而导致钻压无法有效施加至地层上、严重时甚至诱发泥包。而本发明中，每隔两小时替入一次低粘度稀浆，替入的量仅为0.8～1.5m3，在正常钻进排量下，能够快速通过环空被返出，不会对井壁稳定性造成影响。每次稀浆出钻头后，首先利用其粘度低的特性，对下部地层进行强力的冲击，瞬时提高对地层的冲蚀能力。其次，更是利用稀浆将包覆在底部钻具外表面的页岩储层中的胶结物进行稀释与冲散，使得各种胶结物脱离钻具表面悬浮至环空中，从而便于被钻井液所携带返出，因此本发明利用定期替入的低粘度钻井液，能够提高对页岩地层的冲蚀能力，并且定期清理底部钻具组合上粘黏的页岩胶结物，极大的降低了泥包现象发生的可能性，进而确保钻压有效施加至地层上，以此使得在页岩储层的钻进过程中，钻速能够稳定在相对较高水平。若X1/X＜0.8，表明在进入页岩储层后，钻速下降明显，此时进入步骤(c)，按照步骤(c)～(d)中的工艺方法进行处理。步骤(c)为：将钻头提离井底，保持排量Q不变，降低转速至Y1，Y1/Y＝0.7～0.8，同时增大钻压至Z1，Z1/Z＝1.2～1.8，继续钻进，得到此时的钻速X2；即是，步骤(c)中首先将钻头提离井底调整转速，降低转速至原有转速Y的0.7～0.8倍，之后使钻头接触井底用原有钻压Z的1.2～1.8倍大钻压进行钻进。利用大钻压、低转速的钻井参数，大钻头能够将三牙轮钻头的各牙轮底端充分压入地层中，再配合低转速，使得各牙轮在地层内慢速转动，逐渐将地层搅碎破开，避免了页岩层胶结致密、高转速反而使得牙轮钻头在地层中打滑、吃力效果不佳的问题。使得施加的大钻压能够充分作用在地层内部，而非用于克服摩阻进行高速旋转，极大的提高了牙轮钻头的破岩能力。因此，步骤(c)中利用大钻压配合低转速的钻井参数模式，充分将大钻压施加至地层内部，使得三牙轮钻头能够充分发挥其破岩机理，将下部地层逐渐搅碎破开，从而从钻井参数上进行优化，提高在页岩储层内部的钻进能力。步骤(c)中在对钻井参数调整后，得到此时的钻速为X2；之后通过步骤(d)对X2进行比较，若X2＞X1，表示调整钻井参数取得了良好的效果，因此保持排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；若X2≤X1，表示调整钻井参数依然无法有效提高对页岩储层的钻进能力，此时的问题在于，钻压无法直接有效的加载在钻头上，因此依次向钻杆内替入1～2m3密度为1.5B～2B的重浆、1～2m3粘度为1.5A～2A的稠浆，根据泵冲数判断重浆与稠浆出钻头时，将钻头提离井底，之后以排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2。即是，先替入1～2m3密度为1.5B～2B的重浆，随即立马替入1～2m3粘度为1.5A～2A的稠浆。首先替入的密度为1.5B～2B的重浆，即为高密度的钻井液，钻井液对于岩屑的悬浮能力，除了受粘度控制外，也与钻井液密度呈正相关的关系，因此本发明中，首先替入的重浆能够有效的将附着在井壁的岩屑扬起，使躺在井壁上无法被常规密度的钻井液所携带的岩屑，也被重浆托起进入环空中，之后随着后续稠浆的到来，再利用稠浆高粘度的特性，将被重浆所托起的岩屑进一步携带至井口排出，因此本发明中利用扫重浆和扫稠浆的配合，对于附着在井壁的难以被携带的岩屑具有极强的清理能力，特别是对于定向井而言，能够有效的消除躺在井眼轨迹低位的岩屑堆积物，能够极大的提高井筒内部的洁净程度，从而使得整个钻具所受到的摩阻显著降低，使得增大的钻压能够有效通过钻头作用至井底，从而提高钻速。此处的稠浆密度，优选为与重浆相同的密度，使得稠浆不仅粘度高、且密度也大，能够一次性的对井内岩屑进行十分有效的清理。由于泵的冲程已知，钻杆内径已知，因此根据泵冲数，本领域技术人员能够判断重浆、稠浆何时出钻头，重浆与稠浆出钻头时，将钻头提离井底，是为了避免突然携带起较多岩屑导致环空受阻泵压增大，若此时钻头在井底，则钻具没有向下活动的空间，向上活动又存在上卡下抬卡死钻具的风险，因此重浆与稠浆出钻头时将钻头提离井底能够有效保证对井内岩屑清理的过程中的井下安全，使得钻具具有下放泄压活动的空间。X2每次更新后，都带入步骤(d)中进行判断，从而一旦发现上一个小时内的钻速下降，则采取替入重浆和稠浆的方式对井内进行清扫，保证钻压能够有效的通过钻头加载在地层上，从而解决了现有技术中在页岩储层内钻时慢、钻速低的问题，实现通过工程手段、配合不同钻井液的顶替效果，提高在页岩储层内的钻速、提高工程效率的目的。
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，本发明还对完钻处理过程进行了充分优化，本优化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。本发明依靠所述钻进过程钻进至设计井深、井底留完井口袋，完井口袋能够为沉砂提供下落空间，也为后期完井工具提供足够的口袋深度。之后以排量Q0循环至井底岩屑返出至井口，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。此时记井底深度为H1、上层套管鞋的深度为H2，取H＝(H1-H2)/2+H2，此时的深度H，即是井底至上层套管鞋之间的井深中点。之后对裸眼井段进行第一次处理。倒划眼、下划眼属于钻井工程中的专业名词，本领域技术人员均可理解。通过倒划眼起钻至上层套管鞋内，从而对裸眼井段进行第一次处理，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井壁形成的不规则的异形棱角，使得整个井眼趋于平整连续。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Q0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。之后停泵停转，起钻至井深H：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，表示井底深度H1至井深H的距离内，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太大危害，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(j)；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则：以排量Q0/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量Q0/4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H，进入步骤(j)；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H，进入步骤(j)。其中，通过阻挂点的倒划眼作业取Q0/2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Q0/4的排量，即是此处降低排量至正常循环排量的四分之一。取Q0/4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Q0/4，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正，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H。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Q0/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量Q0/4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H，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(j)：在井深H处，以排量Q0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H1，并再次起钻至井深H处；若(H1-H2)＞50m，则令H1＝H，取H’＝(H1-H2)/2+H2；用H’替换H，重复步骤(h)～(j)，直至(H1-H2)≤50m。即是对页岩储层的裸眼井段进行逐次的对半修整，每次修整的分界点取上部裸眼井段的中点，直至(H1-H2)≤50m，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50m，此时，全井段都已经被充分修整，所有遇阻超过10t的阻挂点都已经被充分修整，整个裸眼井段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(H1-H2)≤50m时，直接起钻至上层套管鞋内，在上层套管鞋内以排量Q0/4循环一周，此时的循环排量仅为排量Q0/4，是因为此时井筒环空内已经处于较为干净的状态，无需利用排量夹带岩屑上返，循环一周只是为了为工程上顶替下套管前所需的新浆提供必要工序。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Q0/4的小排量循环，能够有效降低底部钻具对上层套管的挂削，减少对上层套管内壁的伤害。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，特别适用于非均质性严重，从宏观上看页岩储层段较长的井身结构，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，解决了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，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。
优选的，步骤(d)中顶替重浆、稠浆时的排量为Q’，所述Q’/Q＝0.6～0.7；待所述稠浆从井口完全返出后，重新增大排量至Q。即是以低排量顶替重浆、稠浆，使得重浆、稠浆能够较为缓慢的在环空中流动，更加充分的将附着在井壁上的岩屑扬起携带，进一步提高携砂清扫的效果。
优选的，步骤(b)中顶替稀浆时的排量为Q”，所述Q”/Q＝1.2～1.4；待所述稀浆从井口完全返出后，重新降低排量至Q。即是以高排量顶替稀浆，首先使得稀浆喷出钻头时具有更大的动能，以此提供更大的对地层的冲蚀能力。其次也使得稀浆更快的返出井口，维护井内稳定。
优选的，所述稀浆从井口返出，通过振动筛筛离岩屑后，不再进入钻井液循环池。避免稀浆混入循环池中与常规钻井液混合、进而影响钻井液的性能。环保达标不含油气的稀浆，能够进行直接排放；否则，则通过污油罐统一回收进行处理。
优选的，步骤(b)中，根据泵冲数判断稀浆出钻头时，提高钻具转速；稀浆从井口返出后，调回转速至Y。通过钻具的高转速，为附着在钻具上的岩屑胶结物等施加更大的离心力，配合稀浆的冲蚀与稀释，使得附着在钻具上的岩屑胶结物更加有效的脱离钻具表面，进一步提高顶替稀浆时的效果。
优选的，排量Q0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Q0仅需满足该条件，即可对不同的井中的排量Q0进行定量限定。
优选的，步骤(i)中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。
优选的，步骤(l)中还包括在下套管之前进行测井作业。此项作业在起钻到井口后进行，指的是传统的电缆测井作业。对于使用更加先进的随钻测井LWD技术进行的钻井施工而言，则无需进行本步骤。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法利用钻具重力使牙轮吃入地层中，直接对下部地层进行整体搅碎，而非逐层的切削，这种破岩方式看似传统，反而更有利于在页岩地层内的钻进效果。因此本发明摒弃了现有技术中一味利用PDC钻头来追求高钻速的做法，而是专门起钻更换三牙轮钻头，克服了现有技术中认为PDC钻头必然比牙轮钻头的钻速更快的技术偏见。
2、本发明钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，利用大钻压配合低转速的钻井参数模式，充分将大钻压施加至地层内部，使得三牙轮钻头能够充分发挥其破岩机理，将下部地层逐渐搅碎破开，从而从钻井参数上进行优化，提高在页岩储层内部的钻进能力。
3、本发明钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，对于进入页岩储层后钻速降低不明显的井而言，定期替入的低粘度钻井液，能够提高对页岩地层的冲蚀能力，并且定期清理底部钻具组合上粘黏的页岩胶结物，极大的降低了泥包现象发生的可能性，进而确保钻压有效施加至地层上，以此使得在页岩储层的钻进过程中，钻速能够稳定在相对较高水平。
4、本发明钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，对于进入页岩储层后钻速降低较为明显的井而言，利用扫重浆和扫稠浆的配合，对于附着在井壁的难以被携带的岩屑具有极强的清理能力，特别是对于定向井而言，能够有效的消除躺在井眼轨迹低位的岩屑堆积物，能够极大的提高井筒内部的洁净程度，从而使得整个钻具所受到的摩阻显著降低，使得增大的钻压能够有效通过钻头作用至井底，从而提高钻速，解决了现有技术中在页岩储层内钻时慢、钻速低的问题，实现通过工程手段、配合不同钻井液的顶替效果，提高在页岩储层内的钻速、提高工程效率的目的。
5、本发明钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，对页岩储层的裸眼井段进行逐次的对半修整，每次修整的分界点取上部裸眼井段的中点，直至(H1-H2)≤50m，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50m，此时，全井段都已经被充分修整，所有遇阻超过10t的阻挂点都已经被充分修整，整个裸眼井段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。
6、本发明钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，针对页岩气储层段完钻的钻井工艺进行了保护，特别适用于非均质性严重，从宏观上看页岩储层段较长的井身结构，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，解决了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，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中钻进过程的流程示意图；
图2为本发明具体实施例中完钻处理过程的流程示意图。
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与图2所示的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，包括钻进过程和完钻处理过程；
所述钻进过程包括：
(a)使用PDC钻头按照设计井眼轨迹，钻进至距离页岩储层顶部5～10m垂深的位置，钻进过程中钻井液的粘度为A，单位厘泊；密度为B，单位g/cm3；统计钻进过程中近24小时的平均钻速为X，单位m/h；钻杆平均转速为Y，单位rpm；平均钻压为Z，单位吨；平均排量为Q，单位L/min；循环，起钻，将钻头更换为与所述PDC钻头等径的三牙轮钻头，并在底部钻具组合中使用新的螺杆钻具；(b)下钻至井底、探沉砂，钻进至页岩储层内，以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，监测在页岩储层内一个小时内的平均钻速X1，若X1≥X或X1/X≥0.8，则以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，每隔两小时向钻杆内替入0.8～1.5m3粘度为0.5A的稀浆；若X1/X＜0.8，进入步骤(c)；(c)将钻头提离井底，保持排量Q不变，降低转速至Y1，Y1/Y＝0.7～0.8，同时增大钻压至Z1，Z1/Z＝1.2～1.8，继续钻进，得到此时的钻速X2；(d)若X2＞X1，则保持排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；若X2≤X1，依次向钻杆内替入1～2m3密度为1.5B～2B的重浆、1～2m3粘度为1.5A～2A的稠浆，根据泵冲数判断重浆与稠浆出钻头时，将钻头提离井底，之后以排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；(e)X2每次更新后，都带入步骤(d)中进行判断，直至钻进至设计井深，井底留完井口袋，完钻；
所述完钻处理过程包括：
(f)完钻后，以排量Q0循环至井底岩屑返出至井口，完成全井段的岩屑录井；记井底深度为H1、上层套管鞋的深度为H2，取H＝(H1-H2)/2+H2；(g)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Q0循环一周；(h)停泵停转起钻至井深H：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，则进入步骤(j)；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则进入步骤(i)；(i)以排量Q0/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量Q0/4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H，进入步骤(j)；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H，进入步骤(j)；(j)在井深H处，以排量Q0循环一周，停泵停转下钻至H1，并再次起钻至井深H处；若(H1-H2)＞50m，则令H1＝H，取H’＝(H1-H2)/2+H2；(k)用H’替换H，重复步骤(h)～(j)，直至(H1-H2)≤50m；(l)起钻至上层套管鞋内，在上层套管鞋内以排量Q0/4循环一周，起钻至井口，下套管。
以川庆钻探集团承包作业的的川南威远某页岩气圈闭为例，以三口地质条件非常接近的邻井进行比较，在钻进过程中：一口作为参照井，使用常规作业方法，携带PDC钻头进入页岩储层的钻井参数为：钻井液粘度60cp，钻井液密度1.20g/cm3，平均钻速X为10.4m/h，钻杆平均转速Y为60rpm；平均钻压Z为8吨；平均排量Q为2600L/min。而另外两口井作为对比井，使用本实施例中的方法进行施工，其中一口对比井更换三牙轮钻头后X1为7.1m/h，因此进入步骤(c)～(d)进行调整，取Y1为45rpm，Z1为12吨，得到X2为12.3m/h。在钻进10小时后，X2下降为7.4m/h，因此替入2m3密度为2..0g/cm3的重浆、2m3粘度为100cp的稠浆，顶替完成，且重浆、稠浆充分返出后，钻速上升至15.8m/h。另一口对比井更换三牙轮钻头后，X1为10.1m/h，与原有钻速X差距极小，因此保持原有钻井参数继续钻进，每隔两小时向钻杆内替入1m3粘度为30cp的稀浆，每次顶替完成后，钻速在接下来的一小时内均有4～5m/h的增长。
在完钻处理过程中，本实施例中各井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。即是以Q0/2，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。其中，Q0＝(1±0.1)Q。
实施例2：
如图1与图2所示的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，在实施例1的基础上，步骤(d)中顶替重浆、稠浆时的排量为Q’，所述Q’/Q＝0.6～0.7；待所述稠浆从井口完全返出后，重新增大排量至Q。步骤(b)中顶替稀浆时的排量为Q”，所述Q”/Q＝1.2～1.4；待所述稀浆从井口完全返出后，重新降低排量至Q。所述稀浆从井口返出，通过振动筛筛离岩屑后，不再进入钻井液循环池。步骤(b)中，根据泵冲数判断稀浆出钻头时，提高钻具转速；稀浆从井口返出后，调回转速至Y。排量Q0满足井底至上层套管鞋的环空返速不低于0.8m/s。步骤(i)中所述倒划眼的转速为40～50rpm，所述下划眼的转速为20～30rpm。步骤(l)中还包括在下套管之前进行测井作业。所述稀浆通过振动筛筛离岩屑后，进入污油罐回收。
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。
Claims (8)
1.钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，包括钻进过程和完钻处理过程；
所述钻进过程包括：
（a）使用PDC钻头按照设计井眼轨迹，钻进至距离页岩储层顶部5~10m垂深的位置，钻进过程中钻井液的粘度为A，单位厘泊；密度为B，单位g/cm3；统计钻进过程中近24小时的平均钻速为X，单位m/h；钻杆平均转速为Y，单位rpm；平均钻压为Z，单位吨；平均排量为Q，单位L/min；循环，起钻，将钻头更换为与所述PDC钻头等径的三牙轮钻头，并在底部钻具组合中使用新的螺杆钻具；
（b）下钻至井底、探沉砂，钻进至页岩储层内，以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，监测在页岩储层内一个小时内的平均钻速X1，若X1/X≥0.8，则以转速Y、钻压Z、排量Q继续钻进，每隔两小时向钻杆内替入0.8~1.5m³粘度为0.5A的稀浆；若X1/X＜0.8，进入步骤（c）；
（c）将钻头提离井底，保持排量Q不变，降低转速至Y1，Y1/Y=0.7~0.8，同时增大钻压至Z1，Z1/Z=1.2~1.8，继续钻进，得到此时的钻速X2；
（d）若X2＞X1，则保持排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；若X2≤X1，依次向钻杆内替入1~2m³密度为1.5B~2B的重浆、1~2m³粘度为1.5A~2A的稠浆，根据泵冲数判断重浆与稠浆出钻头时，将钻头提离井底，之后以排量Q、转速Y1、钻压Z1继续钻进，每隔一小时更新X2；
（e）X2每次更新后，都带入步骤（d）中进行判断，直至钻进至设计井深，井底留完井口袋，完钻；
所述完钻处理过程包括：
（f）完钻后，以排量Q0循环至井底岩屑返出至井口，完成全井段的岩屑录井；记井底深度为H1、上层套管鞋的深度为H2，取H=(H1-H2)/2+H2；
（g）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Q0循环一周；
（h）停泵停转起钻至井深H：若起钻过程中无10t以内的阻挂点，则进入步骤（j）；若起钻过程中有阻挂点，且遇阻超过10t，则进入步骤（i）；
（i）以排量Q0/2倒划眼起钻至阻挂点上方10m，再以排量Q0/4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H，进入步骤（j）；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H，进入步骤（j）；
（j）在井深H处，以排量Q0循环一周，停泵停转下钻至H1，并再次起钻至井深H处；若(H1-H2)＞50m，则令H1=H，取H’=(H1-H2)/2+H2；
（k）用H’替换H，重复步骤（h）~（j），直至(H1-H2)≤50m；
（l）起钻至上层套管鞋内，在上层套管鞋内以排量Q0/4循环一周，起钻至井口，下套管。
2.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，步骤（d）中顶替重浆、稠浆时的排量为Q’，所述Q’/Q=0.6~0.7；待所述稠浆从井口完全返出后，重新增大排量至Q。
3.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，步骤（b）中顶替稀浆时的排量为Q’’，所述Q’’/Q=1.2~1.4；待所述稀浆从井口完全返出后，重新降低排量至Q。
4.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，所述稀浆从井口返出，通过振动筛筛离岩屑后，不再进入钻井液循环池。
5.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，步骤（b）中，根据泵冲数判断稀浆出钻头时，提高钻具转速；稀浆从井口返出后，调回转速至Y。
6.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，排量Q0满足井底至上层套管鞋的环空返速不低于0.8m/s。
7.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，步骤（i）中所述倒划眼的转速为40~50 rpm，所述下划眼的转速为20~30rpm。
8.根据权利要求1所述的钻井工程中在页岩储层内的钻进与完钻方法，其特征在于，步骤（l）中还包括在下套管之前进行测井作业。
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