一、成果简介
本研究成果获得2019年度湖北省科技进步二等奖。
我国超过3500m的深层页岩气资源量巨大，以焦石坝、丁山、南川等区域为例，其深层页岩气资源量高达4612×108m3，勘探开发前景十分广阔。深层页岩埋深大、构造强烈、水平差应力高，导致钻井、固井和压裂面临极大挑战，具体表现为：水平井井壁失稳问题突出，钻井时效低、周期长、成本高；复杂应力路径下水泥环完整性失效，严重威胁气井生产安全；深井压裂改造施工难度大、风险高，增产效果差，制约了深层页岩高效钻完井、压裂改造及效益开发。
针对上述重大科技难题，项目组历时10年，采用室内试验、理论分析、物模试验及现场试验等手段，系统性开展了“深层页岩气藏高效改造一体化技术及应用”的研究，最终在深部页岩水平井井壁稳定性方面，提出了基于CT扫描的页岩水化评价方法，实现了水化损伤定量评价；在大型分段压裂固井水泥环损伤方面，提出了基于周期荷载作用下水泥石塑性损伤累积指标作为界面失效的判别依据，建立了分段压裂工况下水泥环完整性评价模型，形成了水泥石抗压裂性能图版，指明了深层页岩高强改造所需水泥石体系技术指标；在深层页岩压裂改造方面，构建了室内真三轴压裂物理模拟系列试验系统，建立了以声发射、CT重构、形貌扫描为核心的复杂缝网表征方法，解决了压裂缝难以表征的技术难题，并针对深层改造压裂缝形态单一的技术难题，以近井带高强改造为指导提出了变排量+密切割为核心的复合促缝改造技术思路，成功应用于深层页岩改造中。
二、技术创新
创新一：自主研发了页岩井壁失稳机理实验评价关键技术，建立了页岩钻井液抑制性和微孔缝封堵性能实验评价方法，解决了页岩水化力学损伤、压力传递以及微纳米孔缝封堵评价难题；实验揭示了页岩强度非线性演化规律，提出了层理、强度演化等多因素影响的井壁失稳判据，系统考虑各向异性影响建立了井壁失稳力-化耦合动态评价方法，揭示了钻井液长期浸泡影响下页岩井壁周期失稳的力学机制，明确了防塌钻井液所需的性能指标；攻克纳-微米材料在钻井液中团聚和分散稳定差难题，发明了分散稳定性能好的纳-微米封堵材料，研发了1套可代替油基钻井液的强抑制、强封堵高效防塌水基钻井液体系。
创新二：自主研发了水泥环密封性全尺寸物模试验系统，实现了复杂应力路径下压裂全过程水泥环全尺寸密封能力测试，提出了复杂应力路径下水泥环力学性能评价方法，建立了压裂施工全过程水泥环完整性判据，构建了水泥石抗压裂性能图版，明确了所需水泥石性能指标；基于低温等离子接枝技术，攻克了传统纤维亲水性差和不均匀分散难题，研发了改性纤维增韧降脆水泥浆体系；该体系在涪陵平桥区块页岩气井进行了推广应用，水泥环耐受分段压裂极限施工压力由90MPa提高到110MPa，环空带压井比例显著降低。
创新三：构建了深层页岩多尺度裂缝三维表征方法，明确了深层压裂缝起裂、延伸及有效支撑的作用机制；建立了初期“酸蚀处理+射孔优化”的综合降压方法，以远井扩缝-近井高强度改造为目标，形成了以“变排量+密切割”为核心的复合促缝改造工艺，创新了基于“缝内暂堵+多粒径组合”模式的多尺度裂缝分级支撑技术，解决了深层高闭合应力条件下人工裂缝难以有效支撑的问题，综合提出了深层页岩“前期降压、中后期促缝、分级强化支撑”分阶段一体化压裂技术。
三、应用示范
项目获国家发明专利23件，制定企业规范3项，发表论文106篇（SCI 60篇；EI 46篇）。目前本项目成果已成功应用于中石油威远、长宁页岩气区块，及中石化涪陵焦石坝、江东、平桥页岩气区块。其中，页岩气水平井井壁稳定技术已应用于威远-长宁地区的15口页岩气水平井，井壁失稳问题明显缓解，机械钻速、井眼扩大率、钻井周期均与油基钻井液情况相当，单井成本由最初7000万降至5000万以下；高强压裂下水泥环完整性保持技术，已在涪陵页岩气平桥区块应用情况15口井，水泥环空带压问题得到有效解决；“降压、促缝、多级支撑”为主导的深层页岩压裂改造工艺技术，已应用于涪陵区块焦石坝、江东、平桥深井压裂改造过程中，2016年-2018年累计现场实施186井次，单井产能提升明显，解决了深层高应力条件下压裂缝形态单一、改造不充分的技术难题，为我国南方海相深层页岩气安全高效开发提供了重要的科技支撑。
