《页岩气水平井钻井关键技术》主要介绍页岩地层钻井地质环境因素的室内测试及测井解释技术方法，页岩气丛式水平井组井眼轨道设计等钻井工程设计技术，页岩气水平井高效钻头、螺杆等提速关键工具，页岩气水平井随钻测控等井眼轨迹控制技术，页岩气“井工厂”地面布局与水平井钻井作业模式等。《页岩气水平井钻井关键技术》注重理论与实践相结合，以重点地区的页岩气水平井为例重点示范基础理论的应用方法。介

目录
前言
第1章 页岩地层钻井地质环境因素描述技术 1
1.1 页岩地层岩石力学参数求取方法 1
1.2 地应力求取技术 10
1.3 页岩地层孔隙压力求取技术 22
1.4 页岩地层坍塌压力和破裂压力求取技术 29
1.5 页岩地层可钻性求取技术 39
参考文献 43
第2章 页岩气丛式水平井组钻井工程设计技术 45
2.1 页岩气丛式水平井组整体设计方法 45
2.2 页岩气丛式水平井井身结构设计技术 54
2.3 页岩气丛式水平井组井眼轨道设计 60
2.4 页岩气丛式水平井套管密封完整性设计技术 78
2.5 页岩气钻井井控设计 83
参考文献 88
第3章 页岩气水平井钻井提速关键工具 89
3.1 高效定向钻头 89
3.2 高效螺杆动力钻具 97
3.3 水力振荡器 102
3.4 冲击类破岩提速工具 109
参考文献 116
第4章 页岩气水平井井眼轨迹控制技术 117
4.1 随钻测控仪器 117
4.2 井眼轨迹控制技术 124
4.3 随钻地层评价 134
4.4 降摩减阻技术 148
参考文献 152
第5章 页岩气“井工厂”水平井钻井作业模式 153
5.1 “井工厂”的概念 153
iv 页岩气水平井钻井关键技术
5.2 地面布局设计 158
5.3 “井工厂”井眼轨道设计 165
5.4 “井工厂”钻井作业设备 185
5.5 “井工厂”作业流程 188
参考文献 203
第6章 重点地区钻井实例 205
6.1 涪陵页岩气田应用实例 205
6.2 南川东胜常压页岩气应用实例 221
6.3 威远深层页岩气钻井实例 236
参考文献 246

第1章页岩地层钻井地质环境因素描述技术
　　钻井地质环境因素是指与安全高效钻井有直接影响的地质因素，涉及地质学、沉积学、构造学、岩石力学等学科，主要包括岩石力学参数、岩石可钻性、地层压力、地层潜在危险因素、钻速方程中反映地层和钻头固有特性的基础参数等。钻井地质环境因素描述就是通过特定的技术方法与手段，对钻完井、测试、测井及物探资料进行综合处理或分析，从中提取出与钻井工程有关的地质因素信息，实现对钻井地质环境因素定量或定性描述，这是钻井优化设计及安全高效钻进的基础（佚名，2021）。
　　受沉积成岩环境、构造运动等因素影响，页岩地层岩石具有基质致密、微裂隙、层理面发育、岩性脆等非常规地质特征，其力学性质与一般的致密砂岩、碳酸盐岩相比呈现出更强的非均质性和各向异性。常规地层钻井地质环境因素描述方法和技术不完全适用于页岩地层。本章围绕页岩地层微裂隙、层理发育及硬脆性的特点，系统阐述了页岩地层岩石力学参数求取方法、孔隙压力求取技术、坍塌压力和破裂压力求取技术以及可钻性求取技术等。
　　1.1 页岩地层岩石力学参数求取方法
　　页岩地层岩石力学试验通常包括常规压缩试验、抗拉试验、剪切试验，通过这些试验可以直观测试页岩基础的抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、抗剪切强度等参数，并且根据应力-应变-时间关系评价页岩的力学属性（弹性、塑性、黏性），结合页岩的变形与破坏关系，进一步评价页岩的脆性力学特征这一关键参数。另外，针对页岩地层层裂缝发育、脆性强、标准试验用岩样加工成功率较低且加工过程容易诱发损伤，提出了新型的原尺寸岩样的连续刻划试验（scratch testing）方法，克服了页岩地层岩石力学强度参数传统测试方面存在的困难。
　　1.1.1 岩石力学试验测试方法
　　1）岩石压缩试验
　　岩石压缩试验是通过压缩标准试验岩样的形式测试岩石力学基本特性，是*常见的室内测试方式。该类试验一般是在液压伺服控制下的试验机上进行的，先进的试验机包括轴压加载系统、围压系统、孔隙压力及渗透率系统、温度和自动数据采集与控制系统等。试验过程中通过实时采集岩样的轴向与径向变形、承受载荷等信息，采用有关方法针对这些信息进行处理即可得到岩石力学参数。根据试验条件，岩石压缩试验又分为单轴压缩试验和常规三轴压缩试验，单轴压缩试验是在无围压和无孔隙压力条件下直接加轴向载荷测试；常规三轴压缩试验则是在施加围压或施加围压和孔隙压力条件下进行岩石压缩试验。结合岩石压缩试验过程采集的受力、变形信息，绘制应力-应变*线，可以得到岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。
　　2）连续刻划试验
　　连续刻划试验是利用具有一定宽度的金刚石刀片沿岩石表面以一定速率和切削深度刻划出一条沟槽，并获得岩石抗压强度等参数的测试方法，见图1-1。连续刻划试验已在国外页岩气等非常规领域得到了推广应用（韩艳浓等，2015；陈军海等，2017），该测试方法能够提供连续、高分辨率的岩石强度剖面，既克服了复杂地层标准岩样不易加工等难题，又能对岩石强度的非均质性进行评价。页岩地层裂缝发育，脆性显著，岩石压缩试验需要的标准岩样加工成功率极低，造成页岩岩石压缩试验的很多岩样带有很多缺陷，影响了页岩力学特性的评价准确度，因此，用连续刻划试验测试页岩的岩石强度非常适合。
　　3）抗拉试验
　　岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的*大拉应力为岩石的单轴抗拉强度。岩石抗拉试验又可分为直接法抗拉试验和间接法抗拉试验两种。直接法抗拉试验是将圆柱形岩样的两端用黏合剂使之与固定在压机压盘上的金属前面板（压机上的帽套）黏合以传递压力。若设*大破坏拉力为Fc，原岩样径向截面积为A，则试件的抗拉强度St=Fc/A。不过由于对岩石进行直接单轴拉伸试验时在准备岩样方面需花费大量的时间，且不易取得准确数据，一些间接试验方法涌现出来，*为著名的是巴西劈裂试验。巴西劈裂试验是在压机压盘之间对岩石圆柱体施加径向压力，该试验即巴西劈裂仪，使岩样在加载平面内以拉伸破裂的方式发生破坏（图1-2）。
　　4）剪切试验
　　岩石在剪切载荷作用下达到破坏时所能承受的*大剪应力为岩石的抗剪切强度。岩石的抗剪切强度在岩石剪切仪上进行直接剪切试验获得，如图1-3所示，先在岩样上施加法向正压力Fn，然后在水平方向逐级施加水平切应力Fs，直至岩样破坏。
　　1.1.2 岩石力学参数计算方法
　　结合岩石力学试验过程采集的力学、变形与时间等信息，利用试验分析技术可以得到岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪切强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。
　　1.页岩岩石弹性参数
　　由岩石压缩试验得到的应力-应变*线可知，页岩脆性特征显著，且岩石裂缝等发育，应力-应变*线具有明显线弹性变形阶段。图1-4为岩石在正常加载速率单轴压缩条件下的应力-应变全过程*线，大致可分为五个阶段：oa段体积随压力增加而压缩；ab段岩石的应力-应变*线呈近直线（线弹性变形阶段）；bc段岩石的体积由压缩转为膨胀；cd段岩石变形随应力迅速增长；d点往后为残余应力阶段。以上五个阶段可对应四个特征应力值：弹性极限（b点）、屈服极限（c点）、峰值强度（或单轴抗压强度）（d点）及残余强度，其中，de'为普通试验机在岩石破裂瞬间释放能量获得的破坏*线，而de为刚性试验机在岩石破坏时所获得的残余强度*线。对于体积应变εv，ob'对应初期裂纹压应阶段，b'时应力-体积应变*线开始偏离直线，b'为裂纹开始扩展的特征点，随着扩展的持续发生，体积应变增量由压缩转为膨胀，即扩容现象，b''为扩容点，即达到破坏临界状态。应指出的是，岩石由于成分、结构不同，其应力-应变*线不尽相同，并非所有岩石都可明显划分出五个变形阶段。岩石脆性特征显著，且岩石裂缝等发育，应力-应变*线一般都难以划分出这五个变形阶段。*线通常具有明显的弹性变形阶段，可以分析得到岩石的弹性模量，即单轴抗压强度测试时得到的应力-应变*线的斜率，结合变形量可以确定岩石的泊松比大小。
　　压缩试验中，岩样在径向和轴向方向都会发生变形，试验前后岩样直径的相对变化称为径向应变，岩样长度的相对变化则为轴向应变。泊松比ν为径向应变εr与相应载荷下轴向应变εa之比。泊松比是由弹性理论引入的，故只适用于岩石弹性变形阶段，即只有在载荷不会使裂隙发生或发展的有限范围内，这种比例性能才能保持。
　　应力-应变*线的斜率是岩石的弹性模量E，即单轴应力时，应力相对应变的变化率。对于各向同性线弹性情况，只有两个*立性常数E和ν，利用E和ν还可以引申得到剪切模量G和体积模量K。
　　剪切模量G：
　　G=E/[2(1+ν)]
　　体积模量K：
　　K=E/[3(1-2ν)]
　　在单轴压缩破坏试验中，大多数岩石表现为脆性破坏，因此可以直接测得单轴抗压强度σc。但是由于应力-应变*线通常是非线性的，E和ν的值会随轴向应力的不同而不同。在实际工作中，通常在50%σc处取定E和ν值。从理论上讲，试件上的*大裂缝和裂纹决定了单轴抗压强度。而且σc的试验结果对试件的非均质性、取心或岩心处理过程中所产生的裂缝极为敏感，从而产生很大的随意性。为了减少这种不确定性，可以在较小的围压下做三轴抗压试验，这样可以消除岩石中非固有裂隙的影响。
　　图1-5为岩石单轴及围压条件下的应力-应变全过程*线，单轴时应力-应变*线为线弹性，具有明显的脆性特征，围压条件下，受力变形表现出一定的非线弹性特征。单轴时的弹性模量为23GPa，泊松比为0.21；30MPa围压条件下弹性模量为25GPa，泊松比为0.24。一般而言，由于页岩气储层的岩石泊松比具有随围压增大而增加的趋势，弹性模量的改变对围压变化不敏感。
　　2.页岩岩石的强度参数
　　在外载荷作用下，当载荷达到或超过某一极限时，岩石就会发生破坏。岩石破坏可以根据破坏形式分为张性破坏、剪切破坏和流动破坏三种基本类型。破坏发生时岩石所能承受的*大应力称为岩石的强度，其包括单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、抗剪切强度等。
　　1）岩石单轴抗压强度及三轴抗压强度
　　单轴压缩试验岩石破坏发生时所承受的*大应力称为岩石的单轴抗压强度，常规三轴压缩试验对应的*大应力则为三轴抗压强度，两种抗压强度均为*大轴向载荷与岩样横截面积之比，通常用σc表示：
　　式中，σc为抗压强度，MPa；F'为轴向载荷，N；A'为岩样横向截面积，mm2。
　　与其他岩石不同的是，页岩具有显著的层理特性，在与层理面呈不同角度处取心，可以获得页岩强度随层理方向的强度变化特征，这也是页岩地层抗压强度测试中广泛采用的试验方案，对于分析井眼的坍塌压力尤为关键。试验结果显示，取心角度为0°时，抗压强度*大；取心角度为30°时，页岩抗压强度*小，见图1-6。
　　近年兴起的连续刻划试验主要基于Detournay和Defourny（1992）建立的塑性破坏模式下刀片受力模型，在该模型下刀片底部摩擦忽略不计，在刻划过程中刀片受到力F的作用，其在水平方向（即切向力方向）的力定义为Fs，在垂直方向（即正应力方向）的力定义为Fn，F可分解表述为
　　Fs=εcA
　　Fn=ζcA
　　A=wd
　　ζ=tan(θm+ψ)
　　式中，ζ为正应力Fn与切应力Fs的比值，其值为常数，由式（1-7）得到；ε为岩石固有破碎比功，kJ/m3；A为刻划面横截面积，m2；w为刀片的宽度，m；d为刻划深度，m；θm为刀片后倾角，（°）；ψ为界面摩擦角，（°）。
　　由岩石塑性破坏的破碎比功可以得到岩心连续的单轴抗压强度剖面，见图1-7。
　　连续刻划试验还可用于页岩岩石强度受工作液作用的影响分析，因为连续刻划试验本身是非破坏性试验，因而使同一块岩样在不同工作液环境下测试强度成为可能，克服了传统的压缩试验（破坏性试验）面临的岩样不可重复性的问题。可以将原尺寸岩样在