页岩气基础地质调查钻井技术研究进展及展望

中国页岩气资源潜力巨大，页岩气地质资源量超过100×1012 m3，其中可采资源量约20×1012 m3，是天然气倍增发展的生力军，是未来高质量发展的重中之重（赵文智等，2020；Li et al., 2022）。自2009年8月17日，原国土资源部油气资源战略研究中心在重庆市綦江县启动中国首个页岩气资源勘查项目以来，页岩气勘查开采技术发展迅速，取得了良好的开发效果（Zhai et al., 2018）。2015年，位于四川盆地以东的正安地区安页1井（AY1）获得重大突破（翟刚毅等，2017）。2018年, 基于正安地区五峰组—龙马溪组为主要勘探层系的正安地区2口新井（AY2、AY3）开钻，并于次年成功点火试气（张福等，2021）。2019年，常规油气勘查不断在新区、新领域和新层系取得新突破，页岩气新增探明地质储量7644.24亿m3，同比增长513.1%，其中，中国石油在四川盆地的长宁页岩气田、威远页岩气田、太阳页岩气田等3个页岩气田新增探明地质储量均超过千亿立方米，形成川南万亿方页岩气大气区（付小东等，2021）。中国地质调查局于2019年1月组织实施页岩气调查科技攻坚战，先后查明长江下游皖南，中游湘中、鄂西，上游黔西、滇东北等重点地区构造特征、沉积演化和岩相古地理格局, 初步形成贵州遵义、湖北宜昌两大页岩气资源基地并实现页岩气商业开发（宋腾等，2018；周志等, 2018, 2020；李浩涵等，2020；张保民等，2021）。鄂西地区在震旦系、寒武系、志留系3个地质层系也均获高产页岩气流, 鄂西页岩气地质资源量达11.68万亿m3, 具有建成年产能100亿m3的基础，与重庆涪陵、四川长宁—威远“三足鼎立”，有望成为中国页岩气勘查开发和天然气增储上产的新基地（傅丛等，2021）。随着扬子地块北缘下寒武统和震旦系页岩气勘探取得重大突破（Zhang et al., 2020），下扬子地区常规油气、页岩气资源调查工作逐渐受到重视。中国地质调查局先后在苏皖南沿江坳陷带、江西萍乐—浙江钱塘坳陷带、南华北地区“两带一区”实施了28口页岩气调查井和参数井（郑红军等，2020），也标志着中国页岩气勘查开发已由长江上游向中下游战略拓展“, 缺煤、少油、乏气”的长江经济带有望形成绿色能源勘查开发新格局，有力地拓展与推动了公益性基础性页岩气调查与勘探（张文浩等，2021）。

地质调查井作为获取全井岩心的唯一手段，在支撑后续钻探工程部署、压裂试油试气助力页岩气调查取得发现或突破具有重要意义，尤其在南方下古生界页岩资料空白区，构造、地貌及地面条件极为复杂，其部署实施可直接查明勘探区域地层、构造以及沉积等地质条件，得到油气显示实物资料。既可修正补充物探、地质等手段所得到的数据，也可以配合物探、地质等手段揭示该区域成藏机理和富集规律，并为后期页岩气钻探工程部署实施提供必要的依据和借鉴，对页岩气地质调查起到重要支撑作用（朱迪斯等，2020）。经过近十余年的实施、改进，基于地质岩心钻探发展起来的小口径页岩气钻井装备及技术和基于常规油气钻井技术发展起来的大口径地质调查技术得到了融合和发展。2021年5月，《页岩气调查钻完井技术规程》（DZ/T 0365-2021）推荐性地质行业标准正式实施。

中国地质调查局在国家财政经费支持下，成功实施了173口页岩气井（图 1），累计完成进尺31万余米，其中小口径地质调查井137口。重点开展长江经济带页岩气调查科技攻坚战，通过部署钻井工程（表 1），取得了震旦系、寒武系和志留系页岩气调查的重大突破和二叠系页岩气调查重要发现。完成了长江经济带“三位一体”页岩气资源潜力评价，对优化能源消费结构、实现绿色发展、保障国家能源安全具有重要意义（庞飞等，2020）。

基础地质调查井主要包括小口径地质调查井和大口径地质调查井，公益性油气调查工作主要布置在油气勘探开发企业矿权区域以外，地球物理勘探等工作部署较少，通过实施钻探工程，获取地层层序、烃源岩特征并为油气储藏发现提供地质资料和测试数据，用以查明富含有机质泥页岩层系的分布特征、岩性组合、有机地化、岩石矿物学及含气性特征，初步评价调查区内页岩气资源的勘查前景。其中，小口径页岩气地质调查井特指以了解富有机质泥页岩垂向分布、厚度，获取有机地化、岩石矿物、含气性等基本参数部署的机械岩心钻探，开孔直径≤216 mm，终孔直径通常在75~122 mm为主，设计深度在1500~2000 m，一般穿透第四系覆盖层后，对全井段取心，并配合地球物理测井和气测录井。小口径地质调查钻井技术不仅能较好满足页岩气勘探初期的钻井目的，而且能缩短钻井周期，降低钻井成本，取得较大的经济效益（刘治，2017）。页岩气地质调查井与常规探井装备及技术、工艺对比见表 2。

大口径地质调查井钻机选型主要是常规石油转盘钻机，在复杂地层、尤其是在定向钻进过程中，提下钻时会经常发生遇阻卡钻、塌孔埋钻等事故，基于解决复杂地层深孔钻进时孔内卡钻事故频发难题，提速增效降耗，系列新型电动永磁直驱顶驱钻机系统的研发很好地满足了大口径地质调查井的实施，但由于成本的增高，在实际应用中较少。

在小口径地质调查井钻机选型时，国内比较成熟的岩心钻机是XY系列，代表机型主要有XY-6型、XY-8型、XY-6B型和XY-8B型等（表 3）。其中，XY-8B型钻机是在XY-8型钻机上增加了转盘，既可作为传统的立轴钻机使用，又可作为转盘钻机使用，实现一机多用。

大口径地质调查井可直接采用油气探井井控装备。小口径页岩气地质调查井施工一般采用立轴岩心钻机，该类钻机适用于绳索取心钻进，特别适应于小口径终孔、全井段取心、金刚石高转速钻进的钻探要求，采用机械岩心钻探工艺，当应用于页岩气勘查时，为了满足加装井控装置的空间，需要配备预留2~3m钻机底座。小口径绳索取心钻探配套钻塔、泥浆泵等，不适用于井控设备安装和井控操作，导致在井控、HSE、储备加重钻井液等方面还存在诸多亟须解决的问题（张德龙等，2015；伍晓龙等，2019）。

由于配备泥浆泵泵量小、最大泵压低，当发生井喷溢流时无法满足压井作业。由于价格昂贵、规格尺寸大（满足安装空间要求）、转速较低等原因，旋转防喷器不能直接用于金刚石绳索取心工艺。目前，小口径地质调查井井控设备主要包含单闸板、双闸板、放喷管线等。常见井控装置多为双闸板防喷器+四通+套管头+防喷管线，小口径调查井深度一般不超过2000 m，井控压力等级选择21 MPa或35 MPa。页岩气地质调查井一般开孔直径较石油钻井小，多为150 mm，终孔直径为95 mm或75 mm，进一步限定了井控装置的通径大小（丁涛，2018）。因此井口装置可采用套管头+井口四通+双闸板防喷器+防溢管的形式，降低了井口装置的高度，满足常规立轴钻机底座空间。闸板液压防喷器通径大小适应于岩心钻机小口径的特点，压力级别能满足大部分页岩气地质调查井对井控压力的要求。

页岩气钻井所产生的废弃物对施工现场周边环境影响较大。钻井液固控处理系统俗称泥浆不落地系统，可以提高钻井液固相控制和随钻治理的环保技术水平，降低环保压力，为油气钻井“绿色”、高效作业提供强有力的技术支撑与装备支持（冯美贵等，2020）。小口井页岩气钻井固控循环系统（图 2，表 4）主要由离心工艺和压滤工艺组成。满足钻井液的筛分—除气—除砂—除泥—离心机5级固相控制、钻井液配置、加重及储备等工艺要求。最大处理量6 m3/h，可满足开孔直径150~216 mm，井深2000~2500 m的调查井施工对钻井液处理的需求。

密闭取心和密闭保压取心被认为是页岩气钻井获取资料最准确的方法，但是费用较高，在天然气水合物取心中应用较多（彭奋飞等，2021；刘协鲁等，2021），在页岩气应用方面也开展了相关研究，如配套密闭取心钻头的理论研究（曹龙龙等，2021）。兼顾成本和效果的前提下，绳索取心技术能够缩短取心时间，是目前油气基础地质调查含气量测试常用的取心方式（彭粲璨等，2013）。小口径绳索取心钻具在机械岩心钻探中广泛应用，因口径较小难以满足测井需要，朱恒银等（2016a）以成熟的小口径绳索取心钻具结构为基础，优化钻具设计，研发了Ø 152 mm、Ø 140 mm、Ø 122 mm等系列大口径绳索取心钻具，配合绳索取心液动潜孔锤，实现了钻孔直径127 mm、岩心直径80 mm绳索取心钻进最大钻深达2700 m。在页岩气勘查中，通过加大钻杆与钻孔环空间隙，减小深井钻进钻井液上返阻力和对地层的压力，增加钻具的稳定性，改变钻具受力状态，匹配加重钻杆，组合大口径加重绳索取心钻具系统（图 3），其组合方式为：Ø 152 mm钻头+绳索取心双管钻具总成+ Ø 140 mm加重管+ Ø127 mm钻杆+扶正器+ Ø 114 mm绳索取心钻杆。

以浙江临安LC01井为例，通过地面加压及加重管孔底加压，孔内受力状况改善，钻具稳定性好，可实现降低井斜率，相比同地区其他钻孔，井斜率由1.1°/100 m降低至0.32°/100 m，同时减少了井内断钻杆等井下复杂发生，实施了页岩气井中长筒取心作业，累计完成钻探工作量7412.24 m，最深钻孔2328.18 m，最大终孔口径为152 mm。随着口径变大，为了降低钻机回转负荷，实现深部钻进，选取的钻杆柱尽可能轻便、强度高、柔性好，配套使用的金刚石钻头选取尖齿型，接触岩石面积小，排粉通畅，内外保径强等特点，以提高钻进效率和钻头寿命等。解决了深孔大直径薄壁绳索取心钻杆孔底加压、大流量冲洗液孔内背压高、孔斜、钻杆内壁结垢等技术难题。

KT型取心钻具（图 4）在科学钻探、地质勘探、石油天然气勘探、非常规油气勘探等领域应用广泛，是中国大陆科学钻探攻克复杂地层常用的一种钻具，目前已实现标准化、系列化，可实现大口径同径取心（朱芝同等，2019；张恒春等，2021）。在页岩气井同径取心条件下，KT-194型钻具切削面积比为64.7%，川8-4型钻具切削面积比为76.2%，前者切削面积比为后者的84.9%（熊虎林等，2019）。在页岩气井相同井径条件下，KT-216型钻具所取岩心直径较石油钻井相同规格的钻具大20 mm，显著提高了取心量，又减小了钻头的碎岩面积，有利于钻速的提高（朱永宜等，2018）。KT系列钻具将传统的石油钻井大口径特点及地质岩心钻探金刚石薄壁取心技术的特点相融合，对沉积岩、变质岩及岩浆岩具有较广泛的岩石适应性。可配套使用金刚石、PDC、巴拉斯、硬质合金等多种钻头，与螺杆钻具、涡轮钻具及液动锤等井底钻具配套使用，可实现高效率、长钻程取心作业。

以松辽盆地页岩油气勘查为例（白静等，2020），松辽盆地钻遇的青山口组泥岩致密、硬度高，局部含钙，普遍机械钻速低等问题，开展多种类钻具试验对比，结果表明，KT-194匹配孕镶金刚石钻头在机械钻速和取心质量上均优于常规川7-4和密闭取心钻具（图 5）。KT取心钻具组合为：Ø215.9 mm取心钻头+KT-194型取心钻具+LZ172-6螺杆+ Ø 178.8 mm钻铤+接头+ Ø 158.8 mm钻铤+接头+ Ø 127 mm加重钻杆+ Ø 127 mm钻杆+ 方钻杆。取心钻进参数为：钻压10~60 kN，转速：60~250 r/min，排量为20~25 L/s。

在地层条件允许的情况下，钻井井身结构越简单越好，可有效提高钻探施工效率，节约施工成本。但由于地质调查井口径较小，遇到井壁坍塌、漏失等复杂问题处理难度大，一般预留一级或多级套管，用于处理井内复杂。常规调查井的取心钻进一般是采用二开方式钻进，备用三至四开钻进。当采用常规钻具组合时，上部井段环空较大。倒塔式钻具组合相比常规等口径钻具组合或塔式钻具组合，其优势主要体现在可以合并使用不同口径钻杆，同时减少环空间隙，增加水力性能，利于钻井液携带岩屑上返，减少井下复杂事故的发生（徐云龙等，2014）。

以皖亳地1井为例，设计井深1500 m，井身结构为：一开采用Ø130 mm常规钻进，Ø165 mm扩孔，下Ø146 mm套管，固井，安装井口装置；二开采用Ø100 mm绳索取心钻进至终孔，备用Ø122 mm绳索取心钻进，下Ø108 mm套管，封隔二开段复杂层段；若遇地层特别复杂或设计加深，需要套管护壁时，可以下Ø89 mm套管，采用Ø76 mm绳索取心钻进至完钻。在实际钻进过程中，二开采用Ø122 mm PQ常规绳索取心钻进至1229 m，受限于钻机能力，三开采用倒塔式钻具组合（Ø100 mm金刚石取心钻头+Ø100.5 mm扩孔器+Ø96 mm HQ绳索取心钻具+ Ø100.5 mm扩孔器+ Ø91 mm绳索取心钻杆+变径+ Ø114 mm绳索取心钻杆+主动钻杆），动态调整两种不同规格绳索取心钻杆数量比例，钻进至目标井深。

空气钻井优点之一是能有效应对恶性溶洞性井漏，实现安全快速钻井。空气跟管钻进原理是通过空压机将压缩空气送入孔内，为潜孔锤提供动力，送入压缩空气量与岩屑上返速度相关。跟管钻进技术广泛应用于西部沙漠戈壁缺水地区固体矿产勘查，而在南方页岩气勘探区域，针对浅部地层裂隙、溶洞发育，破碎带多，井漏、井垮严重，泥浆护壁钻进成孔难度较大等情况，将潜孔锤技术和跟管技术融合在一起，并结合了同心滑块特性形成同心滑块跟管钻进技术，可以很好地解决近地表的浮土层、破碎带、裂隙、溶洞等所引起的恶性漏失、井壁垮塌等各种井下复杂情况（郭军等，2020; 苏舟等，2021）。

以黔水地1井为例，导管段钻探施工前期，钻遇地层裂隙、溶洞发育，井漏、井壁坍塌等各种复杂情况频现。采用转盘+同心滑块跟管钻进技术，施工井段20~33.7 m，进尺13.7 m，工程实施过程中未出现掉钻、卡钻等井下故障。进入基岩层，成功封隔浅部复杂地层后，停止跟管钻进施工，进行固井作业，导管下深33.7 m，相比回填黏土、商砼封堵、顶漏钻进、岩屑打捞等方式，空气跟管钻进+套管封隔有效解决了复杂地层坍塌、溶洞性地层钻进难题（迟焕鹏等，2020；郭军等，2021）。黔水地1井优快钻进技术及井身质量，为后续储层压裂改造和试气获得日产1.1万m3工业气流奠定了基础，助力中国南方复杂构造区页岩气调查取得重要突破，对该地区页岩气勘探开发具有引领示范作用（陈相霖等，2021）。

页岩气地质调查井与常规地质岩心钻探（煤炭、金属矿产钻探）相比，钻遇岩层不同，深度不同，因此基于岩性的钻头适应性不同。页岩气地质调查井主要目的层以页岩为主，非硅质页岩一般硬度不高，往往富含黏土质，容易对钻头形成泥包。在南方川黔地区石炭系—二叠系页岩气储层钻进中，当出现火成岩或软硬互层时，效率较为低下，基于此，针对不同层系围绕三个方向自主研制高效率长寿命取心钻头：一是异形PDC切削齿取心钻头（图 6a、b、c）。针对软硬互层、火成岩等复杂地层，选取屋脊齿及锥形齿等异形齿在钻头设计中的应用，提高地层吃入能力，较常规PDC钻头单只进尺以及机械钻速均取得了显著的提升，提高了钻头与地层的配伍性，钻井效率可提高至30%~80%；二是孕镶块钻头。针对硬岩地层钻头磨损形式、磨损机理和磨损分布规律进行了系统研究，开展孕镶块钻头研究（图 6d），孕镶块钻头具有PDC钻头破岩效率高和金刚石钻头工作寿命长的双重优点（刘笑傲等，2017；于金平，2020）。在PDC+孕镶块混合钻头设计中，通过优化PDC与孕镶块布齿高差，可实现其机械钻速、钻头寿命相比常规PDC钻头提高1.5倍（杨顺辉等，2014；王滨等, 2018a, b）；三是新型金刚石钻头（图 7）。针对泥岩等较硬地层金刚石钻头出刃差，效率低下难题，通过偏心斜齿、高胎体、高比压、强化胎体支撑、保径、岩屑自排屑等结构设计，研发高胎体偏心斜齿孕镶金刚石钻头，在黔宁地1井1006~1106 m井段泥岩、灰岩取心钻进中，相比常规金刚石钻头实现提速20%~30%（图 8），寿命提高10%以上。

为解决PDC钻头破岩过程中发生黏滑效应，在页岩气储层硬岩钻进过程中存有蹩跳钻现象严重、单只钻头进尺低及机械钻速低等问题。充分利用钻井液能量, 采用涡轮组作为动力源，通过万向节和减速器进行扭矩传递, 最终通过冲击组件旋转实现扭转冲击，向PDC钻头施加一个连续高频冲击力，不需要积聚能量即可瞬间对岩石进行剪切破碎（李小洋等，2019）。

“PDC钻头+扭力冲击器”相比“PDC钻头+螺杆钻具”和“孕镶金刚石钻头+涡轮钻具”在特殊地层使用，其提速效果明显（侯子旭等，2013；甘心，2021）。扭力冲击器能够适应深孔高温钻井环境，在页岩气储层硬岩地层钻进中取得了较好的应用效果，是页岩气勘探中应用较广泛的一种提速工具。目前常用的扭力冲击器主要有旋冲式、液压式、高频液力、双作用扭力、回转式扭力等类型冲击器（王杰，2015；齐列锋，2016；王红希，2018）。

页岩气地层岩性主要为泥岩、砂岩、页岩、炭质板岩、灰岩，该类地层裂隙发育、岩层破碎、水敏性强，钻进中易出现孔壁失稳，发生缩径、坍塌、卡钻、埋钻等井内事故及复杂情况，在钻井过程中，如何解决井壁稳定、悬浮携带岩屑、降低摩阻和减少对藏气地层污染堵塞等问题是选择钻井液的关键。在地层不很复杂或浅井施工的情况下，使用合成基钻井液和具有较强抑制性的无固相或低固相水基钻井液具有污染小、成本低等优势，需要解决的核心问题是如何保证页岩地层的井壁稳定，钻井液密度不合理是泥页岩井壁失稳的主要原因（程万等，2021）, 可通过物理封堵和化学抑制相结合的方式阻滞页岩水化（杨现禹等，2021）。要求钻井液具有3个特点：合理的钻井液密度；足够的水化抑制性；良好的微裂隙封堵能力。

中国南方页岩气储层主要集中于石炭系—二叠系，岩性以泥岩、灰岩或砂岩为主，在钻井液密度不能升高的情况下，加入高—中黏羧甲基纤维素（CMC）/高效增黏剂提高钻井液黏度至30 s以上，增大了钻井液切力，提高了钻井液悬浮能力，使其携带出大量沉渣，降低了钻井液含砂量，且CMC还具有一定的润滑性，减小钻具和井壁之间的摩擦和降低钻井液循环流动阻力。同时加入腐殖酸钾/磺化褐煤（SMC）钻井液失水量至4.5 mL/30 min以下，减小自由水向井壁的渗透，提高了钻井液防塌能力，起到稳定井壁的效果（朱恒银和王强，2013）。目前常用的页岩气调查井钻井液体系见表 5。

针对南方页岩层段岩性矿物含量复杂，在钻井过程中面临的钻井环境和常规油气层段比较相似，必然也会面临诸多井内事故及复杂情况。搞清页岩地层岩性发育情况对预防井内事故及复杂情况的发生有较好的指导意义。南方页岩主力生气层目前主要以志留系龙马溪组和寒武系牛蹄塘组为主，三叠系、二叠系和震旦系也均有发育。页岩地层主要以碳质和硅质泥、页岩为主，其中还夹杂有少量砂岩、碳酸盐岩及白云岩等多种矿物。利用常压法控压钻井技术可以快速、安全有效地钻穿窄密度钻井液窗口页岩地层，有效遏制地层坍塌破裂事故频繁发生，也可以保护裂缝发育相对较好的页岩油气储层，不容易污染储层。

通过对地层理化特性和力学不稳定性评价进行分析，认为页岩强度各向异性、弹性各向异性、井周渗流作用和传热效应是影响页岩井眼垮塌失稳的重要原因，其中，页岩强度各向异性是井眼失稳的主要力学机制。通过优化井眼轨迹、优化钻井液密度、减少钻井液浸泡时间和降低钻井液的侵入能力，能够有效解决页岩垮塌问题（Ma et al., 2020）。主要措施包括：一是匹配钻井液体系。通过定量分析方法在井壁稳定段及失稳段对钻井液密度窗口进行动态优化，合理确定钻井液密度，增强钻井液封堵能力和降低滤失量（赵莉萍等，2020）；二是优化井身结构及钻井工艺优化设计；三是快速钻穿页岩地层，通过下套管固井等技术措施防止页岩井眼垮塌。使井眼保持稳定，以避免或少漏、涌、塌、卡等井下复杂。

以皖太参1井长裸眼井段发生失返性漏失、卡钻为例，采用多种堵漏配方堵漏, 以及复合震击-卡点爆炸-套铣等一系列工序成功解卡（赵洪波等，2020）；云宣地1井则针对长裸眼井段恶性漏失、裂缝性漏失、岩石挤压破碎及井内掉块等复杂情况，通过优化钻井液、采取多种堵漏方法等进行处理（李岩等，2021）；针对井下落鱼或断钻具等井内事故及复杂情况采用侧钻绕障技术配合水力切割器可以成功绕过井内各种事故钻具，减少了使用反丝钻杆起绳索钻杆的次数，节约井下复杂情况处理的时间和成本；针对低固相钻井液中钻具悬停发生黏卡的问题，采用泡碱处理可实现快速解卡，对环境及原有钻井液体系影响小。

目前，页岩气地质调查井固井技术主要是配合井控要求，进行套管的封固，防止气体从套管与地层之间的环空上窜，确保施工的安全性。地质调查井由于口径较小，下套管后，环状间隙较小（一般不超过20 mm），给固井带来极大的挑战，易产生水泥桥，造成水泥环的强度与界面胶结性不好。下一步加强固井设计和优化固井工艺。从井身质量、井眼稳定、井底清洁、钻井液和水泥浆性能、固井施工等方面全面考虑，确保施工安全和固井质量。针对黔桂地区表层及碳酸盐岩地层漏失、煤系地层承压能力低等特点，探索干法固井工艺，固井前先提承压，封堵漏失层位，合理匹配水泥浆体系；针对井径不规则、存在“大肚子”或“糖葫芦”井眼的井，可以考虑采用合理的排量，探索利用“紊流” + “塞流”顶替的方法提高水泥浆顶替效率。此外，固井工艺应重点管控固井套管的壁厚、水泥浆的上返高度、固井设备与工具的选择、作业过程的监控等，加强固井质量评价与套管试压。

小口径井控装备目前主要是在常规油气探井的基础上改进而成，一旦钻遇高压地层与硫化氢地层，受限于钻机、泥浆泵等地面装备自身的局限性，重浆泵入难度高、关井能力不足等情况将严重威胁钻井施工安全。下一步针对四川盆地及周缘碳酸盐岩地层压力预测技术不成熟、地层含硫性不掌握等情况，开展小口径地质调查井井控设备升级优化，加强安全作业，实现井控安全。

膨胀套管技术作为井身结构优化的发展方向，主要用于优化井深结构、复杂层位封堵、套管补贴，可以在油气井中实现小井眼固井，目前成为国内外研究热点（吴柳根等，2013）。复杂结构井和特殊工艺井钻遇高压层、漏失层等复杂地层时, 常因常规技术难以封堵或井眼尺寸受限而导致后续钻井和完井方案无法实施。膨胀套管钻完井技术能有效解决页岩气复杂地层封堵、井身结构优化和完井内径过小等复杂钻完井难题，膨胀悬挂器作为膨胀套管技术的衍生产品，可为复杂井况条件下尾管完井提供技术手段（侯婷等，2015）。等井径膨胀套管技术作为膨胀套管技术和井身结构优化的发展方向，可以在不“牺牲”井眼直径尺寸的前提下对复杂层段进行封堵，作为一种应急预案用在裸眼井段来封隔不稳定储层段。相比常规钻井井身结构和膨胀套管结构（图 9），等井径膨胀套管可满足无内径损失地回接至上级套管，从而可以采用同样的钻具及钻头规格继续钻进，很好地解决减缩式井身结构带来的完井尺寸小等问题，达到最终完井井眼更大的目的，在小口径页岩气地质调查井中具有良好的应用前景，为后续地层含油气性测试提供了可能。等井径膨胀套管技术还有利于井控系统配备，实现井口标准化，同时缩短钻井周期，节约钻井成本。针对黔西、渝东等页岩气勘探区域，加强高强度、轻便型膨胀管研发，推广等井径套管技术试验及应用，以期优化井身结构，解决浅部坍塌破碎地层难钻进、易漏失卡钻井下等复杂问题，实现南方岩溶地区高效安全钻进。

强化高效PDC钻头、高强度螺杆、水力振荡器等提速工具协同，完善小井眼提速配套技术；开展PDC+小口径取心涡轮钻具（Ø89 mm）研发及应用推广；开展PDC钻头+螺杆钻具的复合钻井技术，合理匹配钻具组合，提高机械钻速，针对易斜段进行防斜纠斜。

基于钻柱-井壁-钻头-岩石系统动力学和钻头逆向设计理论，探索破岩、磨损机理研究，开展个性化钻头与钻井参数智能控制研究；针对南华北盆地安徽北部地区泥岩地层、软硬互层及硅质岩等多种岩性，结合地层特性持续开展多种类PDC、孕镶块钻头研发及野外优选试验，配套绳索取心工艺，达到长寿命、高效取心效果，加强不提钻换钻头研究，促进一趟钻技术形成。

钻井液被俗称为钻井的“血液”，其性能直接影响着钻井效率和安全（赵洪波等，2021）。下扬子安徽南部页岩气勘探区域大隆组岩心黏土矿物含量较高，岩石吸水后产生的膨胀导致岩石力学强度降低，岩心水化后应力分布不均易导致井眼坍塌，龙潭组地层复杂易掉块，导致后期起下钻扩划眼困难，易发生井内工具安全事故。进一步优化水基钻井液的流变性、抑制性、封堵性指标（高德利，2021），形成适用于南方页岩气的高性能水基钻井液体系，解决钻井井壁失稳、防漏防塌等问题。

地质调查井是页岩气发现的重要一环，也是最直接的一环。新区新层系地质条件复杂，调查难度大。中国大部分页岩气勘探区域地质构造复杂，盆地叠加改造强烈、沉积岩性岩相复杂多变，页岩气分布规律复杂，地质调查井作为页岩气发现重要手段，须加强地质调查井综合研究和管理，提高油气发现成功率。

从部署上，针对制约南方复杂构造区页岩气调查发现的关键基础地质问题，优先部署调查井，获取岩心资料，进而为下一步部署探井（参数井）提供依据，提升解决关键基础地质问题的能力，形成区域油气调查地质工程成果。

从管理上，推动地质调查井管理的标准化、制度化。将地质调查井“生命”划分为论证阶段、实施阶段及评价阶段三个阶段；通过地质调查井全生命周期数据动态管理，实现目标管理和决策流程的信息化；探索形成适合基础地质调查特点和不同调查阶段特征的管理模式。建立以地质、钻井双目标为导向的管理模式，提升地质调查成果水平（赵远刚等，2021）。

践行地质工程生态管理一体化勘探开发理念，快速推进地质工程生态管理一体化实践，充分发挥地质力学在井位部署、井眼轨道优化、钻井完井风险评估的作用。拓宽页岩气调查井应用，探索建立二氧化碳地质封存钻探技术，将地质调查井作为二氧化碳地质封存的重要通道，实现“一井多用”。

（1）中国地质调查局2013—2020年累计部署实施了173口页岩气勘查井，完成31万余米进尺，重点开展长江经济带页岩气调查科技攻坚战，取得了下古生界震旦系、寒武系和志留系页岩气调查的重大突破和上古生界二叠系页岩气调查重要发现，开辟了页岩气勘查的新区、新层系、新类型和新认识。

（2）通过钻井工程部署、技术攻关与现场试验，初步形成了公益性页岩气地质调查井钻井技术体系，包括在地质岩心钻探装备升级改造的系列钻机，绿色钻井液固控循环系统，配套绳索取心工艺，新型PDC及金刚石高效取心钻头，环保型水基钻井液体系等。相比取心较少、成本较高的常规石油探井（参数井），地质调查井作为获取全井岩心的唯一手段，可直接查明勘探区域地层、构造以及沉积等地质条件，得到油气显示实物资料。在支撑后续钻探工程部署、压裂试油试气助力页岩气取得发现或突破具有重要意义，构建了“调查井找方向，参数井抓重点”的油气调查钻探工程部署实施模式。

（3）下一步针对南方页岩气勘探复杂地质特征和不同页岩气储层类型，以“降本保质增效”为目标，从“安全提速”入手，研制适用于小口径固完井工具等井口装备，优化小口径固井工艺；研发高效率、长寿命钻头及工具，实现优快钻进；强化配套井控装备升级和钻井液固控系统应用推广；开展裂缝性地层钻井液技术、井壁稳定性等关键共性技术攻关；强化地质调查井综合研究与管理，向更快、更经济、更安全的方向发展；进一步拓宽页岩气调查井应用，助力二氧化碳地质封存，实现“一井多用”，以期为中国页岩气勘探发现与“双碳”目标实现提供支撑。

致谢: 非常感谢郝梓国研究员在文章多次修改过程中的交流和启发，感谢周红军教授级高级工程师在审稿中提出的宝贵意见。