周福新，王曉亮，宋建建4中石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北 潛江

2非常規(guī)油氣湖北省協同創(chuàng)新中心(長江大學)，湖北 武漢

3荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州

4長江大學石油工程學院，湖北 武漢

高溫高密度頁巖氣固井技術研究及應用

周福新1，王曉亮2,3*，宋建建41中石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北 潛江

2非常規(guī)油氣湖北省協同創(chuàng)新中心(長江大學)，湖北 武漢

3荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州

4長江大學石油工程學院，湖北 武漢

隨著頁巖氣井勘探開發(fā)的不斷深入，深層頁巖氣勘探開發(fā)技術成為技術人員的研究重點。深層頁巖氣普遍存在的高溫、高密度等地質特征對現有鉆完井技術尤其是固井技術無疑是個挑戰(zhàn)。如何提高深層頁巖氣井的固井質量，是深層頁巖氣井勘探開發(fā)成功的關鍵。通過系統(tǒng)分析深層頁巖氣井固井過程中所面臨的難題和挑戰(zhàn)，提出了提高深層頁巖氣井固井質量的5項技術措施。將該技術措施與現場井況相結合，應用于深層頁巖氣井產層固井作業(yè)中，72 h候凝測井顯示固井質量優(yōu)質。

頁巖氣，固井，高溫高密度，韌性水泥漿

AbstractWith the continuous deepening of exploration and development of shale gas wells, the deep shale gas exploration and development technology has become the focus of technical personnel. The deep shale gas was commonly characterized by high temperature, high density and other geological features, which was undoubtedly a challenge in existing drilling and well completion technology, especially in cementing technology. How to improve the cementing quality of deep shale gas wells was the key to the success of exploration and development in deep shale gas wells. In this paper, five technical measures are proposed to improve the quality of cementing of deep shale gas wells by analyzing the problems and challenges in the cementing process. In combination with the field conditions and the technical measures, the technology is applied to the cementing operation of deep shale gas wells; 72 hours curing well logging shows that the quality of cementing is good.

KeywordsShale Gas, Cementing, High Temperature and High Density, Toughness Cement Slurry

1. 引言

近年來，頁巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破，相應的開發(fā)技術已經成為研究熱點。隨著頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，開發(fā)技術逐步向深井方向發(fā)展，因而鉆遇高溫、高壓地層的概率顯著增大[1][2][3]。由于頁巖氣大多采用水平井鉆井技術與體積壓裂技術相結合的開采方式，對固井質量要求較高，再加上高溫、高壓地層固井作業(yè)的挑戰(zhàn)，給固井帶來困難，固井質量難以保證,也給固井提出了新的課題。

2. 高溫高密度頁巖氣固井施工技術難點分析

2.1. 油層套管的選擇

若套管剛度過小、韌性不夠，在體積壓裂的過程中，射孔段周圍的套管易受剪切、滑移、錯段等復雜的力學行為以及地應力場變化的作用，最終導致套管失效，喪失水平井密封完整性。

2.2. 長水平段油層套管下入難

頁巖氣長水平段固井套管下入較困難[4]。套管下入易遇阻，頁巖儲層井壁穩(wěn)定性不易保證，易坍塌，沉積于井壁的掉塊及未清洗凈的巖屑都將增加套管下入摩阻，并可能在下套管過程逐步堆積導致無法下入。頁巖氣井因井壁沉積物未清洗盡、鉆井液高溫穩(wěn)定性問題導致套管下入過程巖屑、重晶石等逐步堆積，最終導致套管無法下入，被迫起套管。

2.3. 水泥漿頂替效率低

要獲得較好的固井質量，套管居中度應大于67%。在水平段由于重力作用，套管往往偏向下井壁，套管柱與井壁的間隙很小，居中度差，導致寬窄間隙處流速分布極不均勻，頂替效率不高，影響固井質量。水平段套管扶正器設計是一個難點。

2.4. 高比重油基鉆井液清洗挑戰(zhàn)

頁巖氣鉆井使用了油基鉆井液，這就造成形成井眼的濾餅表面具有一層油膜[5]，井壁和濾餅表面本身就是一種高能表面，水在其表面可以自動鋪展，但是表面黏附一層油膜后使其變?yōu)榈湍鼙砻?，水與低能表面界面張力大，不能很好地被水所潤濕鋪展，即油膜與水泥環(huán)(親水的)存在高的界面張力，水泥漿是極性溶液，而油是非極性溶液，不能很好地膠結在一起，嚴重影響界面膠結質量?；谝陨显?，為保證良好的固井質量，與常規(guī)水基鉆井液條件固井相比，對固井頂替效率提出了更高的要求。

2.5. 后期作業(yè)破壞水泥環(huán)完整性

固井作業(yè)結束后，環(huán)空中的水泥環(huán)需要經歷、修井、壓裂生產以及棄井等后續(xù)過程[6]。這些過程中產生的較為劇烈的壓力和溫度變化，會由套管傳遞到其后的水泥石。當套管受壓受熱膨脹時，對水泥環(huán)產生的應力高于水泥石強度時，會造成水泥環(huán)內微裂縫的生成，甚至大范圍的水泥破碎。同時，頁巖氣井多數需要水平段分級壓裂，若水泥環(huán)在壓裂等高壓環(huán)境下遭到破壞，將會影響壓裂施工的有效分級，可能有層間溝通的情況發(fā)生。頁巖氣井后期作業(yè)會破壞水泥環(huán)完整性，引起環(huán)空帶壓問題。為保證井筒完整性，需要采用特殊技術和工藝。

2.6. 長水平段固井挑戰(zhàn)

1) 水泥漿沉降穩(wěn)定性要求高。由于頁巖氣目的層水平段較長，因此目的層固井對水泥漿的穩(wěn)定性、水平段防氣竄性、頂部強度發(fā)育和力學性能都有較高的要求。

2) 大溫差固井對水泥石強度要求高[7]。對深井長封固段來說，水泥漿面臨著大溫差挑戰(zhàn)。在滿足長封固段施工時間的稠化性能時，難以兼顧水泥漿頂部強度的發(fā)育速度。水泥漿的配方設計難度較大，對油井水泥降失水劑、緩凝劑等提出了較大的挑戰(zhàn)，若漿體配方體系的設計不合理，可能導致水泥漿頂部強度發(fā)展緩慢，嚴重影響固井質量，耽誤作業(yè)周期。

3) 高壓氣井防氣竄挑戰(zhàn)。頁巖氣水平井目的層固井時，有上千米甚至超過兩千米水平段需要有效封固，在理想的鉆遇率情況下，固井過程中及候凝、水泥硬化后發(fā)生氣竄的風險都很高。

3. 固井技術研究及對策

3.1. 水平井油層套管的選擇

基于頁巖氣水平井的下套管作業(yè)難度和后期體積壓裂對油層套管的剛度要求，需對套管合理的鋼級和規(guī)格進行選擇，以達到固井下套作業(yè)的順利進行和保障后期水平井井筒完整性的目的，為此需對所選的兩種套管進行嚴格的強度校核檢驗。

油層套管以鋼級劃分大體有以下兩種：①鋼級較高，壁厚較小，能有效保證套管內通徑；②鋼級較低，壁厚較大，在滿足性能要求的基礎上，大幅降低勘探開發(fā)的成本。

3.2. 長水平段套管下入措施

1) 通井措施。通井的主要目的是擴劃井壁、破除臺肩、消除井壁阻點。通井鉆具結構應充分考慮所鉆井井眼軌跡和入井管柱的特殊性，通過計算下部鉆柱和入井無接箍套管的剛性，對比分析其尺寸、剛性和長度因素，綜合考慮該井與其他井的井眼準備情況，設計通井鉆具結構進行通井作業(yè)。

2) 旋轉浮鞋。針對長水平段下套管的難點，可選用旋轉浮鞋，使得即使遇到較大狗腿度井段也能順利通過。

3) 漂浮下套管。漂浮下套管適用于摩阻力大，下放大鉤載荷呈現負載荷現象的情況。該技術通過在套管串結構中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用，來減小套管下入過程中井壁對套管的摩阻，以達到套管安全下入的目的。

3.3. 水平井固井頂替技術

1) 液體纖維井眼清潔技術。液體纖維攜砂井眼清潔技術是一種通過向前置液里加入一定量液體纖維，增加前置液機械攜帶能力而不影響前置液性能的有效清潔井眼的創(chuàng)新模式。其較強的攜巖能力、簡便的配制工藝對維護井眼清潔、提高生產時效、確保鉆完井作業(yè)安全具有十分重要的意義。

2) 固井前鉆井液性能調整。固井前的鉆井液性能調整主要為下套管和有效的泥漿驅替服務。下套管前的鉆井液性能需具備在靜止條件下良好的井眼穩(wěn)定性保持能力。下套管前可做鉆井液老化試驗，測試靜止一個下套管時間長度后的鉆井液的性能變化，比如穩(wěn)定性、黏切數值等等。

3) 優(yōu)選扶正器提高套管居中度。頁巖氣水平井常用滾輪扶正器、整體式彈性扶正器改善套管居中度，在進行水平井扶正器設計時應結合使用。滾輪扶正器能降低套管下放摩阻，同時能改善套管居中度，能使套管順利入井。整體式彈性扶正器能對套管提供足夠的支撐力，提高套管居中度，同時結構堅固，強度高，無應力薄弱點,可靠性高。

3.4. 驅油型清洗前置液體系

針對油基鉆井液界面沖刷問題，使用高密度洗油型沖洗隔離液改善界面膠結質量。

油基泥漿清洗液體系中加入了表面活性劑。表面活性劑的親油基團與界面上的油基鉆井液中的油類成分吸附，表面活性劑的親水基團延伸向清洗液中的水相[7]。由于隔離液中的表面活性劑與油基鉆井液中的油類物質形成了分子間作用力，使得界面上部分油膜及油漿在驅替過程中被沖洗隔離液帶走，同時，沖洗隔離液體系中的部分表面活性劑會吸附在界面上，從而使親油性界面由于表面活性物質的吸附改變成了親水界面。

室內實驗考察了密度為2.1 g/cm3的清洗液在不同溫度養(yǎng)護后的沖洗效率。清洗液配方：水+0.3%懸浮劑+300%加重劑+20%清洗液(配方中的百分數為質量分數)，沖洗時間為5 min。沖洗效果見圖1，從圖中觀察經清洗液清洗后油膜明顯脫離，粗糙砂紙表面基本恢復到原來的面貌。為了保證壁面沖洗效果，后續(xù)繼續(xù)使用沖洗液沖洗10 s，獲得粗糙砂紙表面油膜的沖洗效率。實驗結果如表1所示。

Table 1. The evaluation of the anti-temperature performance of the flushing fluid表1. 沖洗隔離液抗溫性能評價

Figure 1. The effect after washing by cleaning solution圖1. 清洗液沖洗后效果圖

3.5. 彈塑性水泥漿體系

頁巖氣水平井油層套管固井后，要進行試壓、分段壓裂等后續(xù)作業(yè)，易造成水泥環(huán)密封失效，對水泥石力學性能要求高，需要水泥石具備較低的彈性模量以防止破壞失效。彈塑性水泥具有較低的彈性模量，既可以抵御壓裂、射孔等作業(yè)中對附近水泥環(huán)的壓力沖擊，又可通過其膨脹特性規(guī)避完井、替液等作業(yè)中的微環(huán)空風險。

針對后期壓裂作用造成水泥環(huán)損壞，引起環(huán)空帶壓問題，室內研制一種彈塑性水泥漿體系。井底至造斜點附近使用常規(guī)密度彈塑性水泥漿體系保證水泥環(huán)密封完整性，造斜點至井口使用高密度彈塑性水泥漿體系。領漿使用高密度水泥漿體系封固造斜點至井口。室內對使用的彈塑性水泥漿體系性能進行研究，結果如表 2。可以看出，常規(guī)密度和高密度彈塑性水泥漿體系抗溫性能都較高，彈塑性較高，綜合性能都能滿足施工要求，適合用作高溫高密度固井技術水泥漿體系。

Table 2. The property of elastoplastic cement slurry表2. 彈塑性水泥漿性能

4. 現場應用情況

4.1. 工程概況

Table 3. The structure of the wellbore表3. 井身結構

某頁巖氣井是一口評價井，鉆探目的層埋深4200 m，試驗深層水平井壓裂工藝。井深結構設計如表3所示。目的層實測壓力因數1.98，破裂壓力因數2.67。該井儲層頁巖脆性指數約70%，水平段采用高性能油基鉆井液，鉆井液密度范圍設計2.05～2.40 g/cm3。同時，4200 m處實測溫度120℃，該井設計井深5466 m，預測該井井底溫度約為130℃。

4.2. 技術應用

該頁巖氣井油層套管固井面臨著水平段長套管下入困難，套管居中度不高影響頂替效率，高密度油基鉆井液清除困難，后期作業(yè)水泥環(huán)破壞可能出現環(huán)空帶壓，長封固大溫差及氣竄風險對水泥漿綜合性能要求高等難點。針對技術難點，采取以下技術措施。

1) 下套管技術。根據井身結構及水平段長度，下套管前嚴格執(zhí)行雙扶通井技術措施，并根據軟件計算套管下入阻力，推薦使用旋轉下套管技術，幫助套管順利下入。考慮漂浮下套管技術并未在川渝主要頁巖氣區(qū)塊中應用，且該井水平段長度僅為1500 m，水垂比不高，可不采用漂浮下套管技術。

2) 固井工具附件。為提高套管居中度，需要合理設計扶正器安放。重合段5根套管安放1只外徑210 mm剛性扶正器。裸眼段扶正器安放：如果井眼條件良好，可采用外徑205 mm旋流剛扶和外徑216 mm整體式彈性扶正器間隔相加，使用設計軟件調整扶正器間距，使套管居中度達到67%以上；如果井眼條件不好，井眼清潔不良或井壁穩(wěn)定性較差，則使用外徑205 mm旋流剛扶和外徑205 mm滾輪扶正器間隔相加，減少套管下入阻力。

3) 固井工藝。采用一次性正注固井施工，水泥漿返至地面，采用清水替漿，施工參數采用固井工程設計軟件計算，前期替漿排量1.2～1.5 m3/min，后期泵壓高后，單獨使用壓裂車替漿，排量降低為1 m3/min。為保證水平段固井質量，使用高密度驅油型清洗前置液體系，采用兩凝水泥漿體系，尾漿使用常規(guī)密度彈塑性水泥漿體系封固井底至造斜點，領漿使用高密度水泥漿體系封固造斜點至井口。固井地面施工需要2～3臺雙機泵水泥車、1臺壓裂車、1臺儀表車、配套高壓管線、額定工作壓力70 MPa以上水泥頭等。

4.3. 應用結果

在通井、扶正器安放設計、前置液水泥漿體系以及注替工藝等方面都進行了針對性設計，現場施工嚴格按照設計進行，現場施工順利，未發(fā)生水泥漿漏失，候凝72 h，經聲幅變密度測井固井質量檢測，總長為1500 m的水平段固井質量全優(yōu)質。

5. 結論

1) 在頁巖氣固井中，在合理控制油層套管使用成本的前提下，選材既要考慮下套管作業(yè)的可行性，同時也需滿足后期體積壓裂對套管剛度、形變能力的要求，保證頁巖氣水平井良好的井筒密封完整性。

2) 要保證高溫高密度頁巖氣固井質量，必須做好固井計算機軟件模擬計算，施工過程中下套管前進行通井，并使用旋轉下套管或漂浮下套管技術。

3) 在下套管時將滾輪扶正器、整體式彈性扶正器結合使用，可改善套管居中度，同時無應力薄弱點,可靠性高。

4) 頁巖氣固井油基泥漿清洗的技術關鍵在于前置液的設計，應用有針對性的高效前置液體系，能有效清洗和沖刷掉油基泥餅和油膜，實現潤濕反轉，提高固井水泥漿的頂替效率及膠結質量。

5) 高溫固井應用彈塑性雙凝水泥漿體系，領漿使用高密度彈塑性水泥漿體系，尾漿采用常規(guī)密度彈塑性水泥漿體系，能夠有效增加水泥漿防氣竄性能，提高水泥漿的穩(wěn)定性及彈韌強度，是高溫頁巖氣水泥漿體系的最佳選擇。

References)

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[編輯]帥群

Research and Application of Cementing Technology for High Temperature and High Density Shale Gas

Fuxin Zhou1, Xiaoliang Wang2,3*, Jianjian Song41Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Company Drilling Company, Qianjiang Hubei
2Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas (Yangtze University), Wuhan Hubei3Jingzhou Jiahua Technology Co. Ltd., Jingzhou Hubei
4School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei

周福新(1967-)，男，工程師，現主要從事鉆完井技術研究和管理工作。

2017年5月30日；錄用日期：2017年6月7日；發(fā)布日期：2017年8月15日

Copyright ? 2017 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: May 30th, 2017; accepted: Jun. 7th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 周福新, 王曉亮, 宋建建. 高溫高密度頁巖氣固井技術研究及應用[J]. 石油天然氣學報, 2017, 39(4):217-223.

10.12677/jogt.2017.394058

*通信作者。