一、項目概況  

    隨著我國社會經濟的持續高速發展，國家對油氣資源需求逐年增加，供需矛盾日益嚴峻。高效勘探開發致密氣、頁巖氣、煤層氣等非常規油氣資源已經成為保障我國油氣資源可持續發展戰略的關鍵。我國頁巖氣儲量豐富，勘探開發頁巖氣資源有利于改善我國能源構成、發展低碳經濟，進一步保證我國能源安全。  

    由于頁巖具有脆性強、孔隙結構復雜、滲透性差等地質特點，頁巖氣勘探開發工程經常面臨井壁垮塌、井眼凈化清潔困難、固井質量差及頁巖氣井完井產能不足等問題，并最終導致頁巖氣開發成本高，效益低下。因此，低成本鉆成長井段規則水平井及體積改造是頁巖氣開發的核心關鍵技術，也是嚴重制約頁巖氣規模化開發、亟需突破的技術瓶頸。  

    研究頁巖儲層巖石力學特性與破壞模式及工作液（尤其水基工作液）作用下的巖石力學特性與破壞模式變化，探索頁巖水平井井壁失穩機理及井周壓裂縫成網機制，形成水平井井眼穩定性與壓裂縫網的調控理論、方法，將為頁巖氣儲層水平井鉆井、儲層壓裂體積改造等工程問題的解決提供基礎理論支撐，提升我國頁巖氣開發技術的自主創新能力和國際競爭力。  

    國家自然科學基金-石油化工聯合基金重點項目《頁巖氣低成本高效鉆完井技術基礎研究》2012年獲批立項，研究期限：2013年1月-2016年12月，由劉向君教授任項目負責人，羅平亞院士負責整體研究思路及研究方向的把控、指導，并在項目實施過程全程給予了指導；主要研究成員包括項目組成員梁利喜副教授、中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院韓烈祥教授級高工、楊兆中教授、李小剛副教授、黃進軍教授、梁大川副教授、李相臣講師、趙峰副教授。隨著研究的深入以及穩定井壁水基工作液研發的需要，吸引了茍紹華教授進入到項目研究團隊；熊健（已留校任教）、白楊（已留校任教）等大批碩博士研究生也參與了研究工作。同時，本項目研究過程中得到了油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室、中石油測井重點實驗室工程測井研究室以及中石油物探重點實驗室頁巖氣地球物理研究室的支持。  

二、項目進展及成果

（一）深入系統認識了頁巖的礦物組分、結構、理化性能及其力學特征

   （1）研究明確了作為頁巖氣賦存體的頁巖，其組分以石英、粘土、長石以及碳酸鹽巖礦物為主，石英等脆性礦物含量高，粘土礦物主要為伊利石、綠泥石及少量伊/蒙間層，基本不含蒙脫石，屬弱膨脹性地層；提出了“抑制滲透水化膨脹不是該類地層穩定井壁鉆井液設計與性能優化中面對的首要矛盾，而抑制其表面水化作用防止井壁頁巖地層掉塊是其關鍵”的論斷。  

   （2）研究揭示了頁巖結構具有層理發育、壓實程度高、結構緊密、粘土礦物定向排列，并不同程度地發育有不同類型微裂縫的顯著特征；理論分析與實驗研究結合明確了層理、微裂縫的發育不僅加劇了頁巖力學特性及其巖石物理響應的各向異性、弱化了原巖的力學性能，同時也為鉆井過程中的鉆井液進入地層提供了通道。據此提出了“強化封堵能力、最大程度減少鉆井液對頁巖的侵入應是頁巖氣井鉆井液性能設計與優化中必須首先解決的問題”的指導性論斷。  

   （3）實驗揭示了作為頁巖氣賦存的頁巖呈現油水兩相潤濕的特征；并理論分析與實驗研究相結合，指出受毛管效應影響，油、水均易通過自吸作用沿微裂紋侵入頁巖，其毛細管力將在裂紋尖端產生不可忽略的尖劈效應，誘發、加劇頁巖的破壞失穩。據此提出了“除水化抑制性外，單純的油基鉆井液體系不會表現出比水基更強的穩定井壁優勢”觀點。  

   （4）通過大量實驗研究明確了頁巖具有強度高、脆性強、失穩碎裂程度高，破壞模式及力學強度受卸載作用、孔隙壓力、接觸流體、層理結構影響顯著的力學特征，為井壁穩定、壓裂優化理論與技術建立奠定了基礎。  

（二）在系統揭示頁巖水化行為特征、井壁失穩機理的基礎上，建立了井壁穩定評價理論與控制技術。  

    （1）通過系統研究，揭示了頁巖水平井井壁失穩是流體浸入、頁巖水化、鉆井卸荷、層理發育、井眼軌跡及層理面與井眼軌跡交切狀態、應力狀態等多因素協同作用的結果。  

    （2）針對頁巖地層的結構特點，建立了頁巖力學參數預測評價方法，優選了水平井井周應力分布描述模型及頁巖失穩評價準則，形成了頁巖井壁穩定性力學評價理論與方法。基于該理論、方法，系統認識了層理結構、水平井軌跡、地應力狀態、鉆井卸荷等因素對頁巖井壁穩定的影響與控制，形成了利于保持井壁穩定的水平井軌跡優化及安全鉆井液密度確定的理論與方法。  

    （3）揭示了頁巖氣層巖石強度具有時間不確定性和環境不確定性的特征，即頁巖地層力學強度隨地層與鉆井液接觸時間的改變而改變，隨與地層接觸的鉆井液性質改變而改變。受巖石力學強度影響，頁巖地層井壁穩定性也具有時間不確定性和環境不確定性，表現為與地層接觸的鉆井液不同，頁巖地層的坍塌壓力不同，鉆井液接觸作用時間不同，坍塌壓力也不同。  

    （4）揭示了頁巖水化坍塌壓力增量主要源于沿裂縫侵入液相對頁巖微裂紋結構強度的弱化作用以及液相沿裂紋的尖劈破巖效應。基于該認識，提出了“與傳統水化膨脹性泥巖地層穩定井壁鉆井液技術以強化抑制性為首要不同，強化鉆井液封堵性能是頁巖地層穩定井壁鉆井液性能的首要和關鍵，通過強化封堵性、優化鉆井液體系組分，可調控頁巖地層坍塌壓力，減低或消除坍塌壓力增量”的觀點。

    （5）引入了巖石抗壓強度和巖石硬度指標，建立了全新的穩定井壁鉆井液體系性能室內評價方法及水基鉆井液引起頁巖地層坍塌壓力增量的室內定性和定量評價方法。為該類地層鉆井液體系的科學評價奠定了技術方法基礎。

    （6）研發了具有封堵效應和抑制水化雙重作用的化學劑，室內頁巖巖石力學評價表明效果較好。

（三）揭示了頁巖氣水平井井周壓裂縫網成網機制及主控因素，建立了壓裂縫網調控、優化的思路與方法。

    （1）系統分析了天然裂縫、層理、地應力等地質力學因素以及水平井眼軌跡、布縫分簇參數（數量、間距和均勻程度）、完井參數（射孔孔徑、孔數）等工程因素對井周壓裂縫網形成、擴展的影響，揭示了天然裂縫分布、地應力狀態、井眼軌跡等因素是井周縫網形成的基礎以及其對壓裂形成縫網的影響規律。

    （2）研究指出了恰當的井眼軌跡、層理、微裂縫發育及水-巖相互作用引起的裂縫擴展是該類地層體積改造過程中復雜縫網形成的重要條件；充分考慮地層的特點，并通過改變井眼軌跡調整近井地帶地應力分布，以及井筒與層理相互關系，合理處理水平井、地應力與弱結構面之間的關系，是實現復雜誘導裂縫的關鍵。

    本項目研究成果為形成低成本、高效、安全的頁巖氣儲層水平井鉆井和壓裂改造方法和技術提供了基礎理論支撐，同時對致密油氣資源的高效、低成本開發也具有借鑒和指導意義。

    依托本項目，迄今，研究團隊已在國內外重要學術期刊公開發表論文58篇，其中SCI論文23篇（其中兩篇論文為ESI前1%高被引論文）、EI論文6篇、CSCD期刊論文26篇；申請國家發明專利11項，已授權2項；獲軟件著作權7項；先后培養碩博士22人，其中博士研究生7人；參加國內外學術交流17人次；撰寫專著4部（其中1部已于2015年8月在科學出版社正式出版，3部即將正式發行）。

    本項目邊研究、邊應用、邊實踐，項目實施過程中所產生的實驗方法、理論方法和階段性研究成果等都通過與油田企業的合作科研項目得到了及時的應用推廣，同時在實際應用推廣過程中所暴露出問題的反饋又進一步促進和推動了本項目研究的不斷完善和深化。2013年以來，研究團隊與中石油川慶鉆探、中石化工程院、延長油礦等圍繞長寧、威遠、礁石壩、延長等區塊，以及四川盆地一些潛在頁巖氣區塊的頁巖氣層鉆井、壓裂等展開了較為深入系統的長期合作研究，有力地促進和推動了這些地區頁巖氣的鉆完井技術進步。