项目名称：多级裂缝性页岩水平井防卡钻关键技术及规模化应用

所属企业：中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司工程技术研究院、西南石油大学、中国石化西南油气分公司非常规油气勘探开发管理部、四川长宁天然气开发有限责任公司、四川页岩气勘探开发有限责任公司、长江大学

获评奖项：科技进步奖一等奖

成果水平：国际先进水平

项目编号：ECF-2025-SET-1018

项目主要参与人：王旭东、陈烨、胡锡辉、代锋、刘伟、张佩玉、范翔宇、张千贵、夏成宇、刘鹭、何海康、刘厚彬、黄丹超、王志强、王启任

评审专家点评：国际先进水平。该项目针对裂–脆性页岩水平井易塌方、易卡钻的世界性技术难题，系统提出“抑制封堵固岩、力学支撑防塌、高效净化控砂”协同防卡钻理论，研发多级颗粒堆叠与纳米薄片封堵技术，构建高性能防塌油基钻井液体系及耦合井壁稳定性评价模型，开发井眼清洁工具、快速净化技术与智能预警系统，形成多维协同防塌防卡安全成井技术体系。成果实现页岩水平井从“打不成”到“打成”再到“打好”的跨越，在长宁–威远等示范区规模化应用，支撑建成国内最大页岩气生产基地，显著提升钻井成功率与安全性，取得突出经济与社会效益，对我国页岩气高效安全开发具有重要示范意义。

主要创新点：

针对裂-脆性页岩水平井井壁坍塌卡钻机理不明、钻井液防塌效果差、坍塌压力预测不准、井眼净化能力不足以及卡钻风险预警难度大等关键技术难题，技术瓶颈，形成了裂-脆性页岩水平井多维协同防塌防卡安全成井关键技术体系，支撑了四川盆地页岩气规模效益开发。主要创新如下：

（1）研制了泥页岩多场耦合三轴伺服试验装置和水平井岩屑运移模拟实验系统，揭示了裂-脆性页岩水平井井周水化-力学耦合动态破坏失稳机制和沉砂掉块堆积卡钻机理，创建了“抑制封堵固岩、力学支撑防塌、高效净化控砂”协同防塌防卡理论。（附件 7-4-1、7-4-3、7-4-11、7-4-13、7-4-4、7-4-15）

（2）研制了基于页岩裂缝发育特征的纳米薄片封堵材料，研发了适合于裂-脆性页岩地层的“封堵垒”式高性能防塌油基钻井液，页岩平均抗压强度提高 23.6%。（附件 7-4-2、7-4-12、7-4-6、7-4-7、7- 4-8、7-4-16）

（3）构建了考虑裂缝扩展与水化效应耦合的裂-脆性页岩强度准则，创建了页岩结构-温度-力学-化学耦合井壁稳定性评价方法，坍塌压力预测精度达 95.0%。（附件 7-4-1、7-4-5、7-4-14）

（4）创建了井眼净化程度多元融合判定标准，研制了智能岩屑清理装置和凸轮式岩屑清理工具，研发了水平井高速“传输带”式井眼净化技术，井眼净化程度平均提升 32.5%；建立了基于拉依达准则的卡钻预警标准，开发了卡钻事故风险智能预警系统，预警准确率达到 91.6%，预警时间平均提前 40分钟；建立了“智能预警+高效净化”二位一体式防卡钻工艺。（附件 7-4-3、7-4-13、7-4-9、7-4-10、 7-4-15）成果应用实现了裂-脆性页岩水平井从“打不成”到“打成”再到“打好”的转变，创造了水平段长3150 米、钻井周期 18.83 天等纪录，将井下复杂事故降低到最低水平，奠定了四川盆地页岩气田安全高效开发的技术基础，支撑了长宁-威远页岩气国家示范区年产 159.5 亿方、国内最大的页岩气生产基地建成，有力促进了 2035 年千亿方级页岩气产能基地建设，助力了国家能源战略和“双碳”目标的实现。

产品主要用途、技术原理： 

项目组在国家重点基础研究发展计划（973 计划）课题、四川省人才项目、中石油重大科技专项等项目支持下，历时 10 年，突破了裂-脆性页岩水平井“防卡钻技术”的核心理论、关键材料、重要装备及工艺等瓶颈，在攻克裂-脆性页岩水平井井壁失稳、掉块卡钻机理难题基础上，集成“封堵抑制双重井壁强化”、“钻井液密度精细预测优化”、“井眼高效净化与卡钻预警”三维协同的创新先进技术体系，解决了四川盆地裂-脆性页岩水平井钻井“易垮塌、洗不净、测不准”的世界性技术难题，使我国页岩气水平井钻井技术从“国外技术借鉴”到“自主创新研发”再到“集成规模化应用”的转变，实现了裂-脆性页岩长水平井“打不成”到“打成”再到“打好”的转变，莫定了四川盆地页岩气田高效开发技术基础。主要创新技术如下：

（1）揭示了裂-脆性页岩水平井井壁失稳和掉块卡钻机理，提出了三维协同防卡理论。针对裂-脆性页岩水平井井壁失稳、岩屑运移与卡钻机理不明确的关键问题，厘清了裂-脆性页岩水平井井壁失稳关键影响因素和失稳机理，揭示了页岩气水平井井眼高边高速“传输带”原理，创建了井眼净化程度多维判定标准，找准了裂-脆性页岩水平井卡钻的根本原因，指明了防卡钻关键技术攻关方向，为井壁稳定性评价技术研究、钻井液关键处理剂研发与参数设计、高效井眼净化技术及装备研发、卡钻预警技术与软件开发等提供了基础依据。

（2）研制了裂-脆性页岩强封堵全抑制高性能防塌油基钻井液体系，强化了岩石本体稳定。针对四川盆地页岩地层多尺度裂缝封堵难、水化抑制难的关键技术难题，构建了钻井液裂缝封堵效果评价新方法，研制了抗温抗盐纳米封堵剂；构建了钻井液水化抑制性能评价方法，研制了黏土矿物表面水化抑制剂；研发了适合于裂-脆性页岩地层的强封堵全抑制高性能防塌油基钻井液体系。

（3）创建了裂-脆性页岩水平井钻井液密度优化技术，强化了井壁力学稳定。针对裂-脆性页岩水平井井壁稳定性评价理论技术匮乏的关键问题，创新提出了一种基于有效应力原理与 Hoek-Brown 强度理论的水化裂-脆性页岩强度准则，构建了页岩结构-温度-力学-化学耦合井壁稳定性计算模型，形成了裂-脆性页岩水平井井壁稳定性评价方法，裂-脆性页岩水平井稳定性评价及钻井液密度设计提供了理论支撑。

（4）研发了长水平井高速传输带式井眼净化技术及卡钻智能预警系统，强化了井眼清洁效果。针对裂-脆性页岩水平井“掉块多、尺寸大”导致井眼净化难、净化程度定量判断难、卡钻预警难的问题，研发了水平井高速传输带式井眼净化装备与工艺技术，研制了水平井卡钻智能预警系统，支撑了裂-脆性页岩水平井井眼净化装备与卡钻预警系统的自主研发、工艺实施和智能监测的技术升级

技术应用： 

本项目突破了裂-脆性页岩水平井防塌防卡钻关键技术的核心理论方法、工具、工艺等技术壁垒，形成了拥有自主知识产权的强封堵高性能防塌油基钻井液、裂-脆性页岩水平井稳定性评价技术、水平井高速“传输带”式井眼净化技术及卡钻预警等关键技术。截止 2024 年 10 月，本成果在中石油长宁、自贡、泸州区块和中石化永川、威荣区块成功规模应用于 800 口井的钻井作业，有效解决了裂-脆性页岩水平井易掉块、易垮塌、易卡钻难题，大幅降低了卡钻、埋钻率，确保了页岩气水平井的安全增效钻井，有力支撑了长宁-威远国家级页岩气示范区产能建设，实现年产达到 159.5 亿方重大突破，并建设成为国内最大的页岩气生产基地，为“川渝千亿方天然气产能基地”建设奠定了坚实的技术基础。

（1）四川长宁天然气开发有限责任公司的应用情况

长宁页岩气储层历经多期构造演化，页岩硬脆，部分区块发育微纳米裂缝，具备典型裂-脆性特征，常规油基钻井液难以有效封堵，在外力作用下极易剥落掉块；且页岩储层致密，须采用水平井组和长水平段进行开发，导致三维井眼轨迹复杂，近 2000 米长水平段造成岩屑运移困难，形成严峻的“井壁失稳+井眼沉砂”双重诱因卡钻、埋钻问题。以大坝东区为例，应用前钻井 11 口，卡埋旋转导向工具 10口，被称为“旋导禁区”，损失巨大。项目攻关研究取得 4 项创新成果“裂-脆性页岩水平井井壁失稳和掉块卡钻机理”、“裂-脆性页岩强封堵高性能防塌油基钻井液”、“裂-脆性页岩水平井井壁稳定性评价技术”和“长水平井高速传输带式井眼净化技术及卡钻智能预警系统”为长宁页岩气水平井安全、高效钻井奠定了坚实的技术基础。

自 2020 年以来，项目整体成果在长宁区得到全面推广应用，指导了《长宁区块钻井指导意见》、《川渝页岩气水平井钻井防卡指导意见》的编制，支撑了长宁区块页岩气勘探开发。2020.1~2024.10，长宁公司运用项目成果完成了 269 口井钻井作业，卡钻率由 10.28%降低至 0.7%。该成果强力支撑长宁-威远国家级页岩气示范区产能建设，为公司高质量上产提供了技术保障。

（2）四川页岩气勘探开发有限责任公司的应用情况

川南泸州区块页岩气历经多期构造演化，页岩硬脆、天然裂缝发育，导致钻井过程中井壁失稳掉块严重，且复杂三维轨迹、长水平段条件下井眼净化难度大，造成卡钻、埋钻等安全事故频发，处理时间长，损失金额大，严重制约页岩气安全、高效建产。针对泸州深层页岩气水平井卡钻、埋钻事故频发的重大工程技术难题，项目开展了卡钻机理、钻井液防塌体系、井眼清洁工艺等方面的理论方法、室内实验、工艺技术研究，取得了 4 项创新成果：①阐明了裂-脆性页岩水平井井壁失稳、岩屑床运移沉积卡钻机理；②研发了裂-脆性页岩水平井井壁稳定性评价技术；③研制了强封堵全抑制高性能防塌油基钻井液体系；④研发了长水平井高速“传输带”式井眼净化技术及卡钻智能预警系统，构建了裂-脆性页岩多维协同防卡钻关键技术，实现了“密度支撑+井壁强化+井眼净化”多维协同防卡，为泸州页岩气水平井安全、高效钻井奠定了坚实的技术基础。自 2020 年以来，项目整体成果在泸州区块得到全面推广应用，指导了《泸 203、阳 101 井区钻井指导意见 2.0》、《川渝页岩气水平井钻井防卡指导意见》的编制，支撑了泸州区块页岩气勘探开发。2020.1~2024.10，运用项目成果完成了 301 口井钻井作业，卡钻率由 8.57%降低至 1.2%，强力支撑了泸州深层页岩气产能建设，为公司“上产 500 亿”提供了技术保障。

（3）中国石油化工股份有限公司西南油气公司的应用情况

针对深层页岩气钻井面临井壁失稳、井眼清洁及卡钻埋钻等难题，通过集中攻关，形成了“密度支撑+井壁强化+井眼净化”为核心的多维协同防塌防卡安全成井关键技术，在中石化威荣、永川区块得到了推广应用，高效支撑了产能建设工作。

2020 年 1 月-2024 年 10 月，项目技术成果在工区推广应用完钻 159 口井（威荣 119 口井、永川 40口井），与 2019 年相比故障率由 6.20%降低至 0.60%，平均单井损失时间由 6.20 天降低至 0.45 天节约钻井成本 11891.50 万元，产生经济效益 7729.47 万元。按照加强型 ZJ50D 和 ZJ70D 钻机柴油消耗 5.0 和 7.0 吨/天，1 吨柴油按 1.4571 吨标准煤（1千克煤燃烧产生 0.075 千克 SO2、2.5 千克 CO2、0.0375 千克氮氧化物和 0.68 千克碳粉尘）测算，2020年1月-2024 年 10 月完钻 159 口井减排 278.84 吨 SO2、9294.52 吨 CO2、139.42 吨氨氧化物、2528.11吨碳粉尘，社会效益显著。

（4）中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司开发事业部的应用情况

随着开发深度和区域逐渐扩大地质工程条件更加复杂，页岩气储层普遍非均质性强，天然裂缝、层理弱面发育，页岩硬脆性明显，表现出典型的裂-脆性特征，易发生井壁失稳掉块。且为获取更高效益，采用平台井组和长水平段开发页岩气，导致岩屑运移效率低，井壁失稳掉块后更容易产生卡钻，卡钻、埋钻事故频发，导致页岩气安全高效生产面临严重挑战。针对自 201 井区页岩气水平井卡钻埋钻重大安全生产难题，项目开展了卡钻机理、钻井液防塌体系井眼清洁工艺等方面的理论方法、室内实验、工艺技术研究，取得了 4 项创新成果“裂-脆性页岩水平井井壁失稳和掉块卡钻机理”、“裂-脆性页岩强封堵高性能防塌油基钻井液”、“裂-脆性页岩水平井井壁稳定性评价技术”和“长水平井高速传输带式井眼净化技术及卡钻智能预警系统”，形成了裂-脆性页岩多维协同防卡钻关键技术，实现了“密度支撑+井壁强化+井眼净化”多维协同防卡，为页岩气水平井安全、高效钻井奠定了坚实的技术基础。

自 2020 年以来，项目整体成果在自 201 井区得到全面推广应用，指导了《自 201 井区钻井指导意见》、《川渝页岩气水平井钻井防卡指导意见》的编制，支撑了自贡区块页岩气勘探开发。2020.1~2024.10，开发事业部运用项目成果完成了 71 口井钻井作业，卡钻率由 11.92%降低至 1.4%，强力支撑了自贡区块页岩气产能建设，为西南油气田“上产 500 亿”提供了技术保障。

该成果大幅降低了页岩气水平井卡钻率和旋导落井率，减少了故障复杂处理时间，加快了页岩气上产步伐，支撑了页岩气规模效益开发和我国最大的页岩气生产与综合利用基地的建成，强力支撑了西南油气田公司上产 500 亿的战略计划，对国内外同类页岩防卡钻具有重要指导和借鉴意义，培养了一支故障复杂防治方面高水平团队，具有广阔的应用前景，整体社会效益巨大。