頁巖氣水平井固井技術(shù)難點與對策淺析

鐘文力，洪少青，呂聰，張大翔，尹璽

(中國石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德陽 618000)

摘要：有效封固頁巖產(chǎn)層，避免氣體竄漏和穩(wěn)定氣井產(chǎn)量，是頁巖氣水平井固井的難題。在分析總結(jié)頁巖地層特征、鉆井施工條件及后期完井工藝特點的基礎(chǔ)上，指出頁巖氣水平井固井技術(shù)難點主要集中在井壁的穩(wěn)定性較差、套管安全下入難度大、套管居中度不高、油基鉆井液驅(qū)替及界面清洗困難、頂替效率不高、后期大型壓裂對水泥石性能要求高等方面。針對這些難點，從有效通井、扶正器合理安放保證套管居中、高效前置液技術(shù)、采用塑性水泥漿體系等幾個方面提出了提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量的技術(shù)對策，為今后頁巖氣水平井固井提供借鑒?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該配套技術(shù)提高了水泥環(huán)的封固質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：油基鉆井液；頁巖氣；固井；塑性水泥漿

中圖分類號:TE256

作者簡介：第一鐘文力(1987年生)，男，碩士研究生，助理工程師，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，從事固井技術(shù)研究工作。郵箱：290941494@qq.com。

Difficulties and Countermeasures for Shale Gas Horizontal Well Cementing

Zhong Wenli, Hong Shaoqing, Lv Cong, Zhang Daxiang, Yin Xi

(CementingCompanyofSinopecSouthwestOilfieldServiceCorporation,Deyang,Sichuan618000,China)

Abstract：Effective sealing of shale gas layer to avoid gas leakage and stabilized gas production is difficult for shale gas horizontal well cementing. Based on analyzing and summarizing shale formation features, drilling conditions and characteristics of well completion technology at late stage, it was point out that difficulties in shale gas horizontal well cementing concentrated in poor sidewall stability, great difficulty in safe casing running, lower centering degree of casing, difficult displacement of oil-based drilling fluid and hard boundary washing, lower replacing efficiency, and high requirement of large-scale fracturing on cement paste performance, etc. Technical solutions for enhancing shale gas horizontal well cementing quality were proposed in terms of effective drifting, rational placement of stabilizer to guarantee casing centralizing, efficient preflush technique, and use of plastic cement slurry. All these could be reference to shale gas horizontal well cementing in future. Field application showed that the new technology could enhance cementing quality of cement ring.

Key words: oil-based drilling fluid; shale gas; cementing; plastic cement slurry

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣，在我國儲量和產(chǎn)能潛力巨大[1，2]。由于頁巖含泥質(zhì)較多，具有易膨脹、易破碎，且儲層孔隙度和滲透率低的特點，其完井方式通常是套管固井后射孔完井，采用多級分段壓裂增產(chǎn)技術(shù)來提高頁巖氣氣井產(chǎn)量，因此對固井技術(shù)要求很高[3-9]。

與常規(guī)固井相比，頁巖氣井固井除水泥漿性能要求高外，還需要安全下入長水平段套管和提高套管居中度，采用有效手段驅(qū)替油基鉆井液及滿足后期壓裂要求。國內(nèi)的頁巖氣井固井技術(shù)研究與應(yīng)用處于起步階段，缺乏相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，筆者通過對川西南兩口頁巖氣水平井(YS108H1-01井和新505H井)固井技術(shù)的研究與分析，針對其難點提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。

1 頁巖氣井基本情況

近兩年川西南實施頁巖氣水平井固井2井次，頁巖氣井水平段長，均使用油基鉆井液，密度高、黏度大、油水比高，通過合理安放扶正器，優(yōu)化前置液體系和水泥漿性能，水平段固井聲幅質(zhì)量達到優(yōu)質(zhì)，后期壓裂未出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象(表1)。

YS108H1-01井是位于川南低陡褶帶南緣羅場復(fù)向斜建武向斜構(gòu)造上的一口頁巖氣開發(fā)水平井，設(shè)計井深為3960.00m(垂深2570.00m)，完鉆井深為4115.00m(垂深2572.58m)。

新505H井是位于川西凹陷孝泉—豐谷構(gòu)造帶新場構(gòu)造上的一口頁巖氣評價水平井。設(shè)計井深為4045.00m(垂深2963.00m)，完鉆井深為4049.00m(垂深2963.00m)。

表1　兩口水平井基本參數(shù)表

2 頁巖氣水平井固井難點

2.1 頁巖層穩(wěn)定性差

頁巖含泥質(zhì)較多，地層易坍塌破碎，水泥與井壁膠結(jié)質(zhì)量差，膠結(jié)強度較低，水泥環(huán)體積收縮時膠結(jié)面易生成微環(huán)空，形成氣體竄流通道，導(dǎo)致頁巖氣竄槽[10]。

2.2 水平段下套管難度大

頁巖儲層遇水易膨脹，導(dǎo)致井眼呈橢圓形。由于水平段較長、水平位移大，下套管摩阻較大，套管很難順利下至預(yù)定位置。新505H井水平位移為1206.69m，YS108H1-01井水平位移達到1729.17m。兩口井最后100m下套管時摩阻均較大。

2.3 頂替效率難以保證

由于井斜角的影響，大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是軸向而是徑向，極易導(dǎo)致套管偏心，使套管低邊的鉆井液驅(qū)動困難，容易竄槽，從而影響水泥漿的頂替效率。

油基鉆井液性能對固井質(zhì)量的影響主要反映在頂替效率、水泥石強度及第二界面膠結(jié)程度上，油基鉆井液比水基鉆井液驅(qū)替更加困難，且油基鉆井液與水泥漿的相容性差。此外，為了防止井壁失穩(wěn)、保證有效的攜巖效率，鉆井液的密度、黏度一般比較高，流動性差，嚴重影響固井頂替效率。新505H井油基鉆井液密度為2.09g/cm3，漏斗黏度為82s，油水比為95/5；YS108H1-01井油基鉆井液密度為2.16g/cm3，漏斗黏度為84s，油水比為90/10。

另外，由于殘存的濾餅和死鉆井液被滯留，導(dǎo)致水泥漿不能完全頂替鉆井液，使得形成的水泥環(huán)不完整。

2.4 對水泥環(huán)的破壞大

后期射孔壓裂等作業(yè)對套管及水泥環(huán)產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，會使水泥環(huán)局部區(qū)域產(chǎn)生高壓、高拉的應(yīng)變區(qū)。由于普通水泥石材料的抗壓、抗拉強度相差較大，易產(chǎn)生宏觀的裂縫，嚴重影響后期采氣及井的使用壽命[11，12]。因此，要求水泥環(huán)必須具備較好的抗沖擊能力和韌性。

2.5 對水泥漿的性能要求高

頁巖氣水平井固井對水泥漿的流變性能、沉降穩(wěn)定性、API(美國石油協(xié)會)失水、自由液等性能要求高。水泥漿穩(wěn)定性不好，在重力的作用下發(fā)生沉降，會在水平段留下上竄通道。

3 固井技術(shù)措施

固井技術(shù)措施為：

(1)針對頁巖氣水平井的特殊性，完井時要保證井眼的通暢和穩(wěn)定性，確保套管順利下放到位。

(2)合理安放扶正器，提高套管在水平段和斜井段居中度。

(3)優(yōu)化前置液沖洗技術(shù)，提高沖刷效果。

(4)優(yōu)化水泥漿配方，保證水泥環(huán)有效封固氣層及增強抗沖擊強度。

3.1 套管下入技術(shù)

3.1.1 下套管前認真通井

在下套管前使用高于套管串剛度的組合鉆具(如采用帶1個、2個或3個扶正器等不同鉆具組合)進行反復(fù)通井，對存在嚴重“狗腿”井段要重復(fù)劃眼，為套管順利下到位和固井施工創(chuàng)造良好的井眼條件。

3.1.2 套管抬頭下套管技術(shù)

在管串設(shè)計中，充分考慮套管引鞋居中，避免引鞋直接朝向井壁，形成硬接觸增大下行阻力?？拷褂枚烫坠?，通過在短套管上加入扶正器，確保引鞋“抬頭”居中。

3.1.3 套管居中

隨著水平位移增加，對扶正器的性能提出了更高要求。常規(guī)的彈性扶正器具有較高的復(fù)位力，旋流剛性扶正器不僅在下套管過程中能減輕遇阻沖力，而且對環(huán)空水泥漿產(chǎn)生旋流，提高頂替效率。兩口井的斜井段套管加密使用扶正器，保證套管最大居中度，既利于提高頂替效率，也利于提高環(huán)空水泥環(huán)均勻性。固井軟件模擬結(jié)果表明，水平段采用旋流剛性扶正器和彈性扶正器交叉使用的方式，可以保證套管居中度在67%以上[13-16]。

3.2 前置液沖洗技術(shù)

油基鉆井液的基本組成是油、水、有機黏土和油溶性化學(xué)處理劑，其具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、穩(wěn)定井壁、潤滑性好及對油氣層傷害小等優(yōu)良性能。然而在固井中，油基鉆井液與水泥漿的相容性差，井壁和套管上附著的油膜很難清洗干凈，導(dǎo)致水泥環(huán)與套管和井壁之間形成微環(huán)隙。且油基鉆井液塑性黏度大，頂替效率難以保證。針對這一難點，主要采用高效前置液沖洗技術(shù)。

前置液包括沖刷隔離液和加重隔離液，具有潤濕反轉(zhuǎn)性能，與油基鉆井液和水泥漿相容性好，且具有較好的懸浮穩(wěn)定性。前置液密度根據(jù)固井前鉆井液和水泥漿的密度進行確定，原則是：ρ鉆井液<ρ沖刷隔離液<ρ加重隔離液<ρ水泥漿(ρ為密度)，確保鉆井液、前置液和水泥漿之間具有一定的密度差，以提高頂替效率。前置液用量滿足接觸時間不小于10min。沖刷隔離液中的油基沖洗劑易在油膜的表面滲入，削弱油膜的結(jié)構(gòu)力和內(nèi)聚力，達到較好的沖刷效果，提高界面膠結(jié)質(zhì)量。在實驗室內(nèi)，模擬沖刷隔離液沖洗油基鉆井液的結(jié)果(圖1)可以很清楚地看到，沖刷12min后，套管壁基本清洗干凈。

圖1　實驗室模擬沖刷隔離液沖洗油基鉆井液的效果圖 Fig.1　Effect of oil-based drilling fluid washing with flushing spacer in laboratory

同時，為了有效驅(qū)替高塑性黏度、高密度油基鉆井液，也采用了具有一定黏度的加重隔離液，有效隔開油基鉆井液和水泥漿。在YS108H1-01井和新505H井兩口井中，前置液用量均為40m3，起到了良好的沖刷、攜帶和隔離效果。

3.3 優(yōu)化水泥漿體系

常規(guī)水泥石脆性較高，其抗拉強度遠低于抗壓強度。在后期射孔完井作業(yè)中，水泥石破裂形成裂紋，使水泥環(huán)整體完整性遭到破壞，導(dǎo)致頁巖氣層間封固能力失效。改善水泥石韌性、提高水泥石的抗沖擊力，是降低水泥石破裂程度的重要途徑。在上述兩口井中，水泥漿體系中加入塑性劑材料來提高水泥石形變能力，改進后的水泥漿體系不僅具有常規(guī)水泥漿優(yōu)良的綜合性能，而且還提高了水泥石的力學(xué)性能。

4 進一步優(yōu)化固井技術(shù)

針對油基鉆井液固井存在的技術(shù)難題，有必要應(yīng)用新工藝、新工具，形成適用于油基鉆井液的頁巖氣水平井固井配套技術(shù)。根據(jù)油基鉆井液水平井的特點，固井工藝應(yīng)重點發(fā)展以下技術(shù)：

(1)合理進行扶正器的選型和間距設(shè)計，盡可能提高套管的居中度。

(2)優(yōu)化前置液結(jié)構(gòu)和技術(shù)。沖刷和攜帶油膜是提高第二界面固井質(zhì)量的關(guān)鍵，研制新型的前置液技術(shù)，有效地洗凈和攜帶套管壁和井壁的油膜，提高膠結(jié)強度。

(3)優(yōu)化水泥漿體系，嚴格控制零析水、無沉降分層，提高水泥環(huán)的韌性強度、防氣竄能力、膠結(jié)強度[16-20]。

(4)頂替工藝技術(shù)。由于鉆井液性能的調(diào)整受限，因此，只能優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計和頂替參數(shù)，選擇合理的頂替工藝，目前常用的有活動套管頂替技術(shù)、旋轉(zhuǎn)套管頂替技術(shù)或旋流扶正器旋流頂替技術(shù)。而旋轉(zhuǎn)套管頂替技術(shù)還不成熟，在現(xiàn)場使用受到很大的限制，需要進一步深入研究。

5 結(jié)束語

(1)提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量，須重點研究扶正器的選型和間距設(shè)計。

(2)優(yōu)化前置液體系，加入油基沖洗劑等，充分有效地沖刷套管壁和井壁上的油膜。

(3)采用塑性水泥漿體系，增加水泥石韌性，降低射孔等作業(yè)對水泥環(huán)造成的傷害，提高水泥環(huán)氣層封固能力。

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