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一、项目概况
随着我国社会经济的持续高速发展，国家对油气资源需求逐年增加，供需矛盾日益严峻。高效勘探开发致密气、页岩气、煤层气等非常规油气资源已经成为保障我国油气资源可持续发展战略的关键。我国页岩气储量丰富，勘探开发页岩气资源有利于改善我国能源构成、发展低碳经济，进一步保证我国能源安全。
由于页岩具有脆性强、孔隙结构复杂、渗透性差等地质特点，页岩气勘探开发工程经常面临井壁垮塌、井眼净化清洁困难、固井质量差及页岩气井完井产能不足等问题，并最终导致页岩气开发成本高，效益低下。因此，低成本钻成长井段规则水平井及体积改造是页岩气开发的核心关键技术，也是严重制约页岩气规模化开发、亟需突破的技术瓶颈。
研究页岩储层岩石力学特性与破坏模式及工作液（尤其水基工作液）作用下的岩石力学特性与破坏模式变化，探索页岩水平井井壁失稳机理及井周压裂缝成网机制，形成水平井井眼稳定性与压裂缝网的调控理论、方法，将为页岩气储层水平井钻井、储层压裂体积改造等工程问题的解决提供基础理论支撑，提升我国页岩气开发技术的自主创新能力和国际竞争力。
国家自然科学基金-石油化工联合基金重点项目《页岩气低成本高效钻完井技术基础研究》2012年获批立项，研究期限：2013年1月-2016年12月，由刘向君教授任项目负责人，罗平亚院士负责整体研究思路及研究方向的把控、指导，并在项目实施过程全程给予了指导；主要研究成员包括项目组成员梁利喜副教授、中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院韩烈祥教授级高工、杨兆中教授、李小刚副教授、黄进军教授、梁大川副教授、李相臣讲师、赵峰副教授。随着研究的深入以及稳定井壁水基工作液研发的需要，吸引了苟绍华教授进入到项目研究团队；熊健（已留校任教）、白杨（已留校任教）等大批硕博士研究生也参与了研究工作。同时，本项目研究过程中得到了油气藏地质及开发工程国家重点实验室、中石油测井重点实验室工程测井研究室以及中石油物探重点实验室页岩气地球物理研究室的支持。
二、项目进展及成果
（一）深入系统认识了页岩的矿物组分、结构、理化性能及其力学特征
（1）研究明确了作为页岩气赋存体的页岩，其组分以石英、粘土、长石以及碳酸盐岩矿物为主，石英等脆性矿物含量高，粘土矿物主要为伊利石、绿泥石及少量伊/蒙间层，基本不含蒙脱石，属弱膨胀性地层；提出了“抑制渗透水化膨胀不是该类地层稳定井壁钻井液设计与性能优化中面对的首要矛盾，而抑制其表面水化作用防止井壁页岩地层掉块是其关键”的论断。
（2）研究揭示了页岩结构具有层理发育、压实程度高、结构紧密、粘土矿物定向排列，并不同程度地发育有不同类型微裂缝的显著特征；理论分析与实验研究结合明确了层理、微裂缝的发育不仅加剧了页岩力学特性及其岩石物理响应的各向异性、弱化了原岩的力学性能，同时也为钻井过程中的钻井液进入地层提供了通道。据此提出了“强化封堵能力、最大程度减少钻井液对页岩的侵入应是页岩气井钻井液性能设计与优化中必须首先解决的问题”的指导性论断。
（3）实验揭示了作为页岩气赋存的页岩呈现油水两相润湿的特征；并理论分析与实验研究相结合，指出受毛管效应影响，油、水均易通过自吸作用沿微裂纹侵入页岩，其毛细管力将在裂纹尖端产生不可忽略的尖劈效应，诱发、加剧页岩的破坏失稳。据此提出了“除水化抑制性外，单纯的油基钻井液体系不会表现出比水基更强的稳定井壁优势”观点。
（4）通过大量实验研究明确了页岩具有强度高、脆性强、失稳碎裂程度高，破坏模式及力学强度受卸载作用、孔隙压力、接触流体、层理结构影响显著的力学特征，为井壁稳定、压裂优化理论与技术建立奠定了基础。
（二）在系统揭示页岩水化行为特征、井壁失稳机理的基础上，建立了井壁稳定评价理论与控制技术。
（1）通过系统研究，揭示了页岩水平井井壁失稳是流体浸入、页岩水化、钻井卸荷、层理发育、井眼轨迹及层理面与井眼轨迹交切状态、应力状态等多因素协同作用的结果。
（2）针对页岩地层的结构特点，建立了页岩力学参数预测评价方法，优选了水平井井周应力分布描述模型及页岩失稳评价准则，形成了页岩井壁稳定性力学评价理论与方法。基于该理论、方法，系统认识了层理结构、水平井轨迹、地应力状态、钻井卸荷等因素对页岩井壁稳定的影响与控制，形成了利于保持井壁稳定的水平井轨迹优化及安全钻井液密度确定的理论与方法。
（3）揭示了页岩气层岩石强度具有时间不确定性和环境不确定性的特征，即页岩地层力学强度随地层与钻井液接触时间的改变而改变，随与地层接触的钻井液性质改变而改变。受岩石力学强度影响，页岩地层井壁稳定性也具有时间不确定性和环境不确定性，表现为与地层接触的钻井液不同，页岩地层的坍塌压力不同，钻井液接触作用时间不同，坍塌压力也不同。
（4）揭示了页岩水化坍塌压力增量主要源于沿裂缝侵入液相对页岩微裂纹结构强度的弱化作用以及液相沿裂纹的尖劈破岩效应。基于该认识，提出了“与传统水化膨胀性泥岩地层稳定井壁钻井液技术以强化抑制性为首要不同，强化钻井液封堵性能是页岩地层稳定井壁钻井液性能的首要和关键，通过强化封堵性、优化钻井液体系组分，可调控页岩地层坍塌压力，减低或消除坍塌压力增量”的观点。
（5）引入了岩石抗压强度和岩石硬度指标，建立了全新的稳定井壁钻井液体系性能室内评价方法及水基钻井液引起页岩地层坍塌压力增量的室内定性和定量评价方法。为该类地层钻井液体系的科学评价奠定了技术方法基础。
（6）研发了具有封堵效应和抑制水化双重作用的化学剂，室内页岩岩石力学评价表明效果较好。
（三）揭示了页岩气水平井井周压裂缝网成网机制及主控因素，建立了压裂缝网调控、优化的思路与方法。
（1）系统分析了天然裂缝、层理、地应力等地质力学因素以及水平井眼轨迹、布缝分簇参数（数量、间距和均匀程度）、完井参数（射孔孔径、孔数）等工程因素对井周压裂缝网形成、扩展的影响，揭示了天然裂缝分布、地应力状态、井眼轨迹等因素是井周缝网形成的基础以及其对压裂形成缝网的影响规律。
（2）研究指出了恰当的井眼轨迹、层理、微裂缝发育及水-岩相互作用引起的裂缝扩展是该类地层体积改造过程中复杂缝网形成的重要条件；充分考虑地层的特点，并通过改变井眼轨迹调整近井地带地应力分布，以及井筒与层理相互关系，合理处理水平井、地应力与弱结构面之间的关系，是实现复杂诱导裂缝的关键。
本项目研究成果为形成低成本、高效、安全的页岩气储层水平井钻井和压裂改造方法和技术提供了基础理论支撑，同时对致密油气资源的高效、低成本开发也具有借鉴和指导意义。
依托本项目，迄今，研究团队已在国内外重要学术期刊公开发表论文58篇，其中SCI论文23篇（其中两篇论文为ESI前1%高被引论文）、EI论文6篇、CSCD期刊论文26篇；申请国家发明专利11项，已授权2项；获软件著作权7项；先后培养硕博士22人，其中博士研究生7人；参加国内外学术交流17人次；撰写专著4部（其中1部已于2015年8月在科学出版社正式出版，3部即将正式发行）。
本项目边研究、边应用、边实践，项目实施过程中所产生的实验方法、理论方法和阶段性研究成果等都通过与油田企业的合作科研项目得到了及时的应用推广，同时在实际应用推广过程中所暴露出问题的反馈又进一步促进和推动了本项目研究的不断完善和深化。2013年以来，研究团队与中石油川庆钻探、中石化工程院、延长油矿等围绕长宁、威远、礁石坝、延长等区块，以及四川盆地一些潜在页岩气区块的页岩气层钻井、压裂等展开了较为深入系统的长期合作研究，有力地促进和推动了这些地区页岩气的钻完井技术进步。
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