李?yuàn)^強(qiáng)

（湖南省煤田地質(zhì)局油氣資源勘探隊(duì)，長(zhǎng)沙4100141）

湘西北區(qū)域頁巖氣固井工藝技術(shù)參數(shù)研究

李?yuàn)^強(qiáng)

（湖南省煤田地質(zhì)局油氣資源勘探隊(duì)，長(zhǎng)沙4100141）

當(dāng)前頁巖氣勘探領(lǐng)域大都引用中石油或中石化領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用的前提大都是5000 m以上、甚至上萬m以上的深孔或超深孔鉆井工程。而湘西北區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、裂隙發(fā)育，易造成鉆井液漏失或地層坍塌。該區(qū)域的頁巖氣鉆井深度目的層在3500 m以內(nèi)，平均在3000 m左右，為此對(duì)其部分技術(shù)參數(shù)的選用值得商榷和探討。結(jié)合花垣、永順、龍山、保靖和桑植五大區(qū)塊的頁巖氣資源普查評(píng)價(jià)與鉆井工程的實(shí)踐資料，采用Eaton法預(yù)測(cè)地層壓力，建立湘西北區(qū)塊地層壓力剖面，推算出該地區(qū)的地層壓力系數(shù)為1.1；通過鉆井液、水泥漿和前置液做相溶配伍性試驗(yàn)，取得了該區(qū)域固井用水泥漿液性能參數(shù)，提出了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工藝技術(shù)參數(shù)和水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)推薦標(biāo)準(zhǔn)。

頁巖氣固井；地層壓力系數(shù)；水泥漿液性能；注水泥設(shè)計(jì)；質(zhì)量推薦標(biāo)準(zhǔn)；湘西北

固井技術(shù)的發(fā)展是從多方面同時(shí)進(jìn)行的，主要是固井工藝、固井設(shè)備、固井水泥漿體系、固井添加劑、固井工具附件、固井軟件等各項(xiàng)技術(shù)的配套發(fā)展。現(xiàn)代的固井技術(shù)不但能解決各種漏失井、高壓井、長(zhǎng)封固段井、大位移井、水平井、小間隙井、鹽膏層井等復(fù)雜井的固井，同時(shí)把固井的目的擴(kuò)大到不只是為了能夠達(dá)到生產(chǎn)要求，而且還要做到油氣層保護(hù)和增產(chǎn)、增效。由于頁巖氣具有與常規(guī)油氣藏不同的成藏特點(diǎn)［1，2］，決定了其固井工藝技術(shù)的選擇與優(yōu)化具有與常規(guī)油氣勘探的相異之處［3-5］。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水平井鉆井和固井技術(shù)進(jìn)行了研究，尤其是美國在這方面做出了很大的貢獻(xiàn)［6-9］。當(dāng)前，在工藝技術(shù)方面，中石油在水平井固井、分段壓裂改造，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面取得重要進(jìn)展；而中石化在關(guān)鍵固完井工具研發(fā)，水平井鉆井液，壓裂液體系研發(fā)，以及壓裂裝備研制等方面取得進(jìn)展；中海油則初步掌握了頁巖氣鉆完井技術(shù)，初步具備了設(shè)計(jì)能力［10-15］。對(duì)于非常規(guī)油氣來說，頁巖氣具有“三低”（低壓、低滲、低飽和度）的特點(diǎn)，它與常規(guī)油氣的高壓特性存在較大的差異性。本文就湘西北區(qū)域的固井工藝技術(shù)的主要性能參數(shù)進(jìn)行研究與探討。

1地質(zhì)條件分析

湘西北區(qū)塊在大地構(gòu)造位置上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，其東側(cè)為江南地軸，屬長(zhǎng)期隆起區(qū)，西側(cè)相對(duì)坳陷。區(qū)內(nèi)主題構(gòu)造呈北北東方向，元古界及下古生界廣泛分布；上古生界及三疊系中、下統(tǒng)主要分布在大庸、永順、保靖、花垣一線以西，中、新生界分布較零星。在地層分區(qū)上，基本上為下寒武統(tǒng)分布的武陵山過渡區(qū)，隸屬于揚(yáng)子區(qū)和江南區(qū)的過渡地帶。湘西北區(qū)內(nèi)出露地層由老到新有板溪群、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第四系。巖性以砂巖、泥巖、頁巖、砂礫巖和灰?guī)r為主，可鉆性較好。

湘西北地區(qū)頁巖氣勘探目的層主要為下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組兩套地層。下志留統(tǒng)龍馬溪組下部有效厚度在30 m以上，有機(jī)碳含量（TOC）多大于2.5%，有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中，鏡質(zhì)體反射率（R0）在1.3%～2.1%，有機(jī)指標(biāo)均較好，從埋深來看，位于區(qū)內(nèi)兩個(gè)向斜的核部埋深在4000 m以上為有利的深度條件；下寒武統(tǒng)牛蹄塘組烴源巖有效厚度平均為185 m，有機(jī)碳含量（TOC）為2.5%～3.5%，從埋深來看，區(qū)塊的中西部在4000 m以上，中部的紅巖溪-比耳背斜最淺。

2相關(guān)固井技術(shù)參數(shù)研究

當(dāng)前頁巖氣勘探領(lǐng)域大都引用中石油或中石化領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用的前提大都是5000 m以上、甚至上萬m以上的深孔或超深孔鉆井工程。而湘西北區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、裂隙發(fā)育，易造成鉆井液漏失或地層坍塌，該區(qū)域的頁巖氣鉆井深度目的層在3500 m以內(nèi)，平均在3000 m左右。為此對(duì)其部分技術(shù)參數(shù)的選用值得商榷和探討，如地層壓力系數(shù)、水泥漿液性能指標(biāo)及固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。

2.1地層力系數(shù)計(jì)算

地層壓力預(yù)測(cè)方法是基于壓實(shí)理論、均衡理論及有效應(yīng)力理論。利用地震資料和已鉆井資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合Eaton法預(yù)測(cè)地層壓力［17］，建立湘西北區(qū)塊地層壓力剖面，指導(dǎo)鉆井設(shè)計(jì)和施工。Eaton法預(yù)測(cè)壓力的公式如下：

式中，Pp為地層壓力，單位為MPa；P0為上覆巖層壓力，單位為MPa；Pn為靜液柱壓力，單位為MPa；Δtn為該深度點(diǎn)正常趨勢(shì)線上的聲波時(shí)差、Δt為地層實(shí)際聲波時(shí)差，單位為μs/ft（3.28×10-6s/m）；c為伊頓指數(shù)；ρ為液體介質(zhì)的密度，單位為g/cm3；h為液柱的垂直高度，單位為m；ρma為巖石骨架密度，單位為g/ cm3；φp為巖石孔隙度，單位為%；H為地層的垂直深度，單位為m。

根據(jù)式1，利用慈頁1井（井深3008 m）井旁道速度譜點(diǎn)Eaton指數(shù)和趨勢(shì)線擬合圖（圖1，圖2），推算出該地區(qū)的地層壓力系數(shù)為1.1，并應(yīng)用到龍參2井、桑頁1井、花頁1井和永頁2井的井控、分級(jí)固井和環(huán)空蹩回壓候凝等工序中的壓力指標(biāo)值的選用中，認(rèn)為該地層壓力系數(shù)具有普遍的指導(dǎo)意義。

2.2水泥漿液性能與注水泥設(shè)計(jì)

2.2.1水泥漿性能分析

圖1　Eaton指數(shù)和趨勢(shì)線擬合圖Figure 1 Fitting diagram of Eaton indices and trend line

圖2　計(jì)算壓力與實(shí)測(cè)壓力對(duì)比圖Figure 2 Comparison chart of computed and measured pressures

通常情況下，一、二開采用常規(guī)水泥漿體系，G級(jí)油井水泥+早強(qiáng)劑+調(diào)凝劑+降失水劑+消泡劑；三開則采用雙密度水泥漿體系。水泥漿要做大樣復(fù)查，固井水取井場(chǎng)用水，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3，它反映出：隨著水灰比的增大，水泥漿的粘度、密度、結(jié)石率等性能指標(biāo)呈現(xiàn)顯的降低態(tài)勢(shì)，且在水灰比1.8～2.0趨于穩(wěn)定。在工程實(shí)踐中的選用的原則為：“正常地層壓力梯度設(shè)計(jì)水泥漿密度不應(yīng)小于1.89 g/ cm3，設(shè)計(jì)水泥漿密度大于2.1 g/cm3時(shí)應(yīng)選用加重材料對(duì)水泥加重，地層承壓能力差、漏失嚴(yán)重要宜選用低密度水泥漿”。

圖3　水泥漿性能指標(biāo)Figure 3 Cement slurry performance indices

2.2.2促凝早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿液的影響

選取水灰比為1∶1水泥漿，分別選取沒有外加劑、3%的水玻璃、2%的三乙醇銨和5%的三乙醇銨各種情形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見表1。結(jié)果表明：合適的速凝早強(qiáng)劑加量為；三乙醇銨加量為水泥質(zhì)量5‰以下，水玻璃加量為水泥質(zhì)量3%以下。

表1　速凝劑對(duì)水泥漿液性能的影響Table 1 Impacting from accelerating agent on cement slurry performance

2.2.3注水泥設(shè)計(jì)與施工工序

鉆井液、水泥漿和前置液必須做相溶配伍性試驗(yàn)。施工工藝和主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）前置液配制，其特性必須對(duì)鉆井液及水泥漿具有良好的相溶性，并能控制濾失量，不腐蝕套管，不影響水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度。使用量為：在不造成氣侵及垮塌的原則下，占環(huán)空高度300～500 m。

⑵施工程序：注先導(dǎo)漿→注前置液→注水泥漿→壓膠塞→替井漿→碰壓→候凝。

⑶先注入漂珠低密度水泥漿，后注入常規(guī)密度水泥漿。注水泥要求：推薦領(lǐng)漿密度1.45～1.60 g/ cm3，注量必須滿足井眼承壓能力的要求；尾漿密度1.90～1.95 g/cm3，注量必須封固到地面。

⑷現(xiàn)場(chǎng)須對(duì)從套管下到底到固井完試壓施工全過程工況仔細(xì)設(shè)計(jì)、計(jì)算，保證套管及其附件和井口裝置處在安全的范圍內(nèi)，必要時(shí)可采取調(diào)整后期替漿密度等措施。

2.3水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合慈頁1井、保頁1井（圖4）、龍參2井、桑頁1井等固井質(zhì)量評(píng)價(jià)，初步確定了本地區(qū)的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

圖4　保頁1井（2665-2765m）固井處理成果圖Figure 4 Well consolidation result of well Baoye No.1（2665～2765m）

表2　固井質(zhì)量推薦性標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Well consolidation quality recommended standard

3結(jié)論及建議

（1）注水泥漿量依據(jù)電測(cè)井徑計(jì)算，附加系數(shù)取10%～20%，同時(shí)考慮水泥漿與井壁的接觸時(shí)間，頁巖氣層頂部以上200 m處接觸時(shí)間應(yīng)在8 min以上。

（2）采用兩凝或多凝水泥固井時(shí)，促凝水泥一般應(yīng)返至主要頁巖氣水層以上200 m，緩凝水泥的稠化時(shí)間要大于促凝水泥的稠化時(shí)間120 min以上。

（3）水泥稠化時(shí)間的確定：促凝水泥漿稠化時(shí)間等于施工注替時(shí)間附加60 min，緩凝水泥漿稠化時(shí)間等于施工注替時(shí)間附加120 min，分級(jí)固井第一級(jí)施工和尾管固井施工時(shí)間應(yīng)包括將水泥漿循環(huán)出井口的時(shí)間附加120 min。

（4）水泥漿注替排量，應(yīng)根據(jù)井眼條件綜合考慮。依據(jù)實(shí)測(cè)的鉆井液、水泥漿及隔離液流變參數(shù)和地層的承壓能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)施工排量。

［1］肖正輝，楊榮豐，馮濤，等.湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏條件及其勘探潛力分析［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，27（1）：50-54.

［2］張金川，薛會(huì)，卞昌蓉，等.中國非常規(guī)天然氣勘探雛議［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（12）：53-56.

［3］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，et al.UnconventionaI shalegas systems：the Mississippian Barnett shale of northcentral Texas as one model for thermogenic shale gas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：301-306.

［4］Hill R J，Zhang E，Katz B J，et al.Modeling of gas generation from the Barnett shale，F(xiàn)ort Worth basin，Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：411-415.

［5］王中華.國內(nèi)頁巖氣開采技術(shù)進(jìn)展［J］.中外能源，2013，18（2）：23-32.

［6］Mutalik P N，Gibson B Case history of sequential and simultaneous fracturing of the Barnett Shale in Parker County［R］，SPE 116124-MS，2008.

［7］John B，Curtisc，David G，Hill2 and Paul G，Lillis3 Classic and Emerging Plays，the Resource Pyramid and a Perspective on Future E&P San Antonio，AAPG Bulletin，April 20-23，2008.［8］Liu He，SPE，Lan Zhongxiao，Zhang Guoliang，et al Evaluation of refracture reorientation in both laboratory and field scales，SPE 112445，2008

［9］Zahid S，Bhatti A A，Khan H A，et al Development of unconventional gas resources：stimulation perspective［R］，SPE 107053，2007

［10］李海洋.淺淡固井技術(shù)在鉆井工程中的重要性［J］.高端裝備制造，2013，164（8）：111.

［11］辜濤，李明，魏周勝.頁巖氣水平井固井技術(shù)研究進(jìn)展［J］.鉆井液與完井液，2013，30（4）：75-80.

［12］趙德利.固井技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)探討［J］.應(yīng)用技術(shù)，2012，06（3）：55-56.

［13］陳小旭，李鵬.深層氣井固井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.信息與工程，2010，20（6）：50-51.

［14］沈文青，毛國揚(yáng).頁巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)分析與對(duì)策［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012，15：117-118.

［15］閆聯(lián)國，周玉倉.彭頁HF-1井頁巖氣水平段固井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（4）：47-51.

［16］高德利，劉希圣，徐秉業(yè).井眼軌跡控制［M］.石油大學(xué)出版社，1994.

［17］楊振平，吳波，王勇.Eaton法預(yù)測(cè)油田地層孔隙壓力［J］.石油與天然氣學(xué)報(bào)，2012，34（9）：181-182.

Study on Shale Gas Well Consolidation Technological Parameters in Northwestern Hunan Area

Li Fenqiang
（Hydrocarbon Resources Exploration Team，Hunan Bureau of Coal Geological Exploration，Changsha，Hunan 410014）

At present，in shale gas exploration domain，mostly have quoted technical norms from CNPC or Sinopec，their premise of application are mostly deep or ultra-deep drilling projects over 5000 meters，even over than ten thousand meters.While regional geological condition in the northwestern Hunan area is complicated with developed fissures，easy to cause drilling fluid loss or strata collapsing.The target horizon depth of shale gas exploration is less than 3500m，average about 3000m.For this reason，the selection of part technological parameters is worth to discuss.Based on shale gas resources prospecting assessment and practical drilling data from five large blocks of Huayuan，Yongshun，Longshan，Baojing and Sangzhi，using the Eaton method to predict strata pressure，establish northwestern Hunan strata pressure sections，and estimated strata pressure coefficient is 1.1 in the area.Through the compatibility and consistency test of drilling fluid，cement slurry and prepad fluid，achieved cement slurry performance parameters for well consolidation in the area；put forward site operation technological parameters and cement sheath bonding quality assessment recommended standard.

shale gas well consolidation；strata pressure coefficient；cement slurry performance；cement injection design；quality recommended standard；northwestern Hunan

TE256

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.15

1674-1803（2016）08-0072-04

湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目（201400495）

李?yuàn)^強(qiáng)（1964—），男，廣東五華縣人，博士研究生，教授級(jí)高工，從事非常規(guī)油氣地質(zhì)（頁巖氣、生物氣、致密砂巖氣、干熱巖等）、地基與基礎(chǔ)施工和災(zāi)害地質(zhì)治理、礦山地質(zhì)應(yīng)急救援及其信息化技術(shù)研究和相關(guān)技術(shù)服務(wù)。

2016-01-20

責(zé)任編輯：樊小舟