全家正 白 龍 劉忠飛 周回生 王 洋 何峻宇 丁俊選

（1.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院）

川西首口頁巖氣水平井固井技術(shù)

全家正1白 龍1劉忠飛2周回生1王 洋1何峻宇1丁俊選1

（1.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院）

目前頁巖氣水平井的固井面臨著套管難以下入、居中度低、頂替效率低、水泥環(huán)彈韌性差等技術(shù)難題?；诖ㄎ鞯貐^(qū)地質(zhì)條件和鉆井狀況的認(rèn)知，分析了川西首口頁巖氣水平井XYHF－1井的固井難點(diǎn)，總結(jié)了有效通井、優(yōu)化扶正器安裝、滑套固井技術(shù)、優(yōu)選水泥漿體系等提高該井固井質(zhì)量的技術(shù)措施，對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行了分析總結(jié)并認(rèn)為SCW沖洗液、三級(jí)沖洗工藝、彈韌性水泥漿體系的應(yīng)用是提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量的有效措施。圖1表2參5

頁巖氣 水平井 固井技術(shù) 滑套固井

近年來，作為非常規(guī)天然氣的頁巖氣開發(fā)異軍突起，已成為全球油氣資源開發(fā)的新亮點(diǎn)。全球非常規(guī)油氣資源預(yù)計(jì)可達(dá)到921.4×1012m3，其中頁巖油氣資源量可達(dá)到456.0×1012m3。我國非常規(guī)油氣資源量巨大，頁巖油氣資源量達(dá)到26×1012m3［1－3］。頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是水平井技術(shù)和分段增產(chǎn)壓裂技術(shù)，這兩大核心技術(shù)對(duì)固井質(zhì)量的要求都很高，因此頁巖氣固井技術(shù)便成為了頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

而目前，我國國內(nèi)頁巖氣水平井固井技術(shù)處于研究與應(yīng)用的初級(jí)階段。XYHF－1井是川西首口頁巖氣水平井，在該井的固井過程中，存在水平段較長(zhǎng)、套管偏心、井壁界面油濕等難題。本文分析了這些固井難題，提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，并成功完成了固井施工，為后續(xù)頁巖氣水平井的固井工藝設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

1 XYHF－1井概況

XYHF－1井是中國石化在川西地區(qū)部署的第一口頁巖氣勘探水平井，該井所在區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，地層可鉆性差，地層漏失嚴(yán)重，且因含鹽膏層，導(dǎo)致井壁垮塌嚴(yán)重。該井自上而下分別鉆遇第四系、劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、白田壩組、須家河組，完鉆層位為上三疊統(tǒng)須家河組五段中亞段中部，完鉆井深4077 m，采用套管完井，該井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 XYHF－1井井身結(jié)構(gòu)圖

2 固井難點(diǎn)分析

XYHF－1井為川西首口頁巖氣水平井，該井的固井施工存在不少難點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

（1）頁巖遇水易膨脹，井眼不規(guī)則

由于本井是頁巖氣水平井，且水平位移長(zhǎng)達(dá)796.00 m，在鉆進(jìn)過程中鉆井液與頁巖儲(chǔ)層接觸時(shí)間較長(zhǎng)，因頁巖遇水易膨脹，造成井眼極不規(guī)則，形成“糖葫蘆”井眼，可嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。

（2）油基鉆井液的使用影響固井質(zhì)量

頁巖氣井井壁失穩(wěn)，一直是鉆井工程的難題，因此本井在四開時(shí)采用了油基鉆井液。為了在施工中做到有效攜巖，將油基鉆井液密度、黏度分別調(diào)到2.10 g／cm3和72 s，流動(dòng)性很差，嚴(yán)重影響了固井時(shí)的頂替效率。而且油基鉆井液還會(huì)降低水泥石強(qiáng)度及第二界面膠結(jié)程度。

（3）射孔、壓裂技術(shù)對(duì)水泥環(huán)質(zhì)量要求高

目的層為低孔低滲儲(chǔ)層，需要采取壓裂增產(chǎn)措施，對(duì)固井膠結(jié)質(zhì)量、水泥石力學(xué)性能均提出了較高的要求。在滿足生產(chǎn)井段水泥漿膠結(jié)質(zhì)量良好的前提下，要求水泥石具有高強(qiáng)的彈性、韌性以及耐久性。85%的頁巖氣井都采用套管射孔完井，射孔過程中，瞬間產(chǎn)生的高溫、高速聚能射流在水泥環(huán)上容易產(chǎn)生裂紋，影響固井質(zhì)量。

（4）封固井段長(zhǎng)，套管下入難

本井生產(chǎn)套管固井一次封固段長(zhǎng)達(dá)5000 m，上下溫差大，水泥漿設(shè)計(jì)困難；地層壓力高，既防漏又防竄，固井施工安全窗口很?。淮笮倍染魏退骄翁坠軐?duì)井壁側(cè)向力大，增加了下套管時(shí)的摩阻。

3 主要技術(shù)對(duì)策

針對(duì)XYHF－1井固井難點(diǎn)，為滿足頁巖氣水平井對(duì)固井質(zhì)量的要求，主要從提高頂替效率、第二界面封固質(zhì)量、水泥環(huán)彈韌性及耐久性三方面制定了技術(shù)措施，其中關(guān)鍵的技術(shù)措施有：

（1）滑套固井技術(shù)

為滿足頁巖氣較大壓力改造施工，降低成本，首次運(yùn)用威德?；坠叹夹g(shù)。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于滑套隨套管一趟下入，無需射孔和額外封井器卡層，壓裂作業(yè)一趟連續(xù)完成，節(jié)省了固井時(shí)間。

（2）三級(jí)沖洗工藝

本井在四開時(shí)為防止頁巖坍塌采用了油基鉆井液鉆進(jìn)，因井壁和套管壁上的油膜很難被沖洗干凈，嚴(yán)重影響了水泥石的膠結(jié)質(zhì)量。為此，采用了具有潤濕反轉(zhuǎn)作用的洗油沖洗液SCW，采用基油、高密度沖洗液、沖洗水泥漿三級(jí)沖洗工藝，保證了井眼的清洗效果，提高了固井頂替效率。

（3）SFP彈韌性水泥漿體系

頁巖氣多級(jí)壓裂對(duì)水泥環(huán)和巖層的破壞是相當(dāng)大的，對(duì)水泥石的彈性和韌性要求很高。為此，采用了SFP彈韌性水泥漿體系，提高了水泥石膠結(jié)能力和抗沖擊能力。另外鑒于封固井段較長(zhǎng)，使用了兩凝水泥漿柱結(jié)構(gòu)，提高裸眼段封固質(zhì)量，防止油、氣、水竄，兩凝分界點(diǎn)在井深3084 m左右。

（4）有效通井

下套管前制定合理的通井措施，采用不低于套管剛度的滿眼鉆具組合通井至井底，通井到底后充分循環(huán)，同時(shí)調(diào)整好鉆井液的潤滑性及各項(xiàng)性能［4］；在井斜角大（井深3200～4000 m）的遇卡井段（井深3200 m左右）反復(fù)劃眼通井，在造斜段（井深2600～3281 m）反復(fù)活動(dòng)鉆具清除巖屑床，保證套管順利下入。

（5）合理安裝扶正器

套管居中度不僅影響頂替效率，還會(huì)影響套管的順利下入，保證套管居中的直接辦法就是安裝扶正器。本井在固Φ139.7 mm油層套管時(shí)，在斜井段安裝剛性旋流扶正器，水平段采用非鉸鏈雙弓扶正器，直井段采用剛性扶正器。另外，在固井滑套上下3 m各安裝1.5個(gè)剛性扶正器，帶兩個(gè)止動(dòng)環(huán)，扶正器外徑為209.55 mm，具體使用情況如表1。

表1 油層套管扶正器安放情況

以上技術(shù)對(duì)策中扶正器的使用和有效的通井措施屬于常用的固井技術(shù)措施，滑套固井技術(shù)、三級(jí)沖洗工藝及SFP彈韌性水泥漿體系的應(yīng)用是針對(duì)頁巖氣開發(fā)的新技術(shù)。另外，為提高XYHF－1井的固井質(zhì)量，還采用了固井設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助計(jì)算，保證井內(nèi)壓力平衡；優(yōu)選施工參數(shù)，確保井內(nèi)施工安全；套管抬頭下套管技術(shù)等常用技術(shù)措施。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果分析

基于對(duì)XYHF－1井固井難點(diǎn)的分析，結(jié)合有針對(duì)性的技術(shù)措施，對(duì)該井開始固井施工，Φ508.0 mm表層套管、Φ346.1 mm表層套管和Φ244.5 mm技術(shù)套管均采用常規(guī)固井法進(jìn)行固井，Φ139.7 mm油層套管采用威德福的滑套固井技術(shù)，在管串結(jié)構(gòu)上增加了壓差滑套和投球滑套，四層套管固井水泥均返至地面。具體主要的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程如下：

（1）一開Φ508.0 mm表層套管下至井深244.58 m，采用常規(guī)法固井。固井水泥漿平均密度1.89 g／cm3，水泥漿返出地面2 m3，水泥塞高度符合要求，共使用嘉華G級(jí)水泥80 t。全井筒清水試壓15 MPa，試壓合格，固井質(zhì)量合格，滿足二開鉆進(jìn)施工。

（2）二開Φ339.7＋346.1 mm技術(shù)套管下至井深1715.50 m時(shí)套管接頭破裂，導(dǎo)致套管落井，經(jīng)事故處理，下至井深1865.27 m開始固井。共使用嘉華G級(jí)水泥175 t，固井水泥返出地面。

（3）三開Φ244.5 mm技術(shù)套管下至3279.00 m，座掛好套管后，開始常規(guī)法固井。使用了平均密度為2.17 g／cm3的膨脹水泥漿體系領(lǐng)漿，碰壓10 MPa，共使用嘉華G級(jí)水泥270 t，水泥返出地面。

（4）四開Φ139.7mm油層套管下至井深4039.46 m，套管座掛完畢后接循環(huán)頭循環(huán)，開始固井。先用清水試壓至35 MPa后注入柴油5 m3，然后依次注入平均密度為2.19 g／cm3的加重隔離液40 m3、密度為2.2 g／cm3沖洗水泥漿10 m3、平均密度為2.22 g／cm3的領(lǐng)漿67 m3、平均密度為2.21 g／cm3的尾漿35 m3、平均密度為2.19 g／cm3的加重隔離液1.8 m3。放膠塞并替清水9 m3，注入高黏保護(hù)液3 m3，最后注入2.15 g／cm3水基泥漿32.7 m3，碰壓15 MPa，使用四川夾江G級(jí)油井水泥196 t，水泥返出地面。本層套管固井過程中，在管串的連接上嚴(yán)格按照威德?；坠叹夹g(shù)的操作流程進(jìn)行。

固井后均用替漿液對(duì)各開套管試壓30min，試壓全部合格。XYHF－1井所有套管施工作業(yè)連續(xù)，附件下入數(shù)量均符合設(shè)計(jì)要求，回壓凡爾關(guān)閉良好，沒有串漏情況，水泥漿返出地面。各層套管固井質(zhì)量情況見表2。

表2 XYHF－1井各層套管固井質(zhì)量

本井采用低彈性模量和高韌性系數(shù)的SFP彈韌性水泥漿體系，其形成的水泥環(huán)具有較低的彈性模量、較高的泊松比和適中的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)受住了后期的分段壓裂施工［5］，沒有發(fā)生氣竄，是頁巖氣固井較好的水泥漿體系。SCW型沖洗液主要是利用化學(xué)沖洗作用來沖洗泥餅，改善泥餅的親水能力，該沖洗液的表面活性物質(zhì)會(huì)在泥餅表面吸附，產(chǎn)生溶脹作用，削弱泥餅表面的結(jié)構(gòu)力和內(nèi)聚力，同時(shí)也削弱了套管與油濾餅的作用力。沖洗液中含有活性固相顆粒并配合水力機(jī)械作用可增加物理沖刷作用，有效提高水泥漿的頂替效率和膠結(jié)面的強(qiáng)度，提高了本井的固井質(zhì)量。三開Φ244.5 mm技術(shù)套管和四開Φ139.7 mm油層套管最終所測(cè)的聲幅質(zhì)量較差，是因?yàn)榇笮倍染翁坠芫又卸容^差，頂替效率較低，同時(shí)水泥漿運(yùn)行段長(zhǎng)，同泥漿的密度接近，造成混漿段較長(zhǎng)，影響膠結(jié)質(zhì)量，因此在今后頁巖氣水平井固井過程中，須提高套管居中度和水泥漿同鉆井液的密度差。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)XYHF－1井固井難點(diǎn)的分析，結(jié)合有效的技術(shù)措施，成功完成了該井的固井施工，得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

（1）頁巖氣開發(fā)的分段壓裂技術(shù)和水平井技術(shù)造成了XYHF－1井的固井難題。前者主要體現(xiàn)在對(duì)固井膠結(jié)質(zhì)量要求高，后者主要體現(xiàn)在套管下入困難、居中度低、頂替效率低等方面。

（2）各種類型扶正器、SCW沖洗液和三級(jí)沖洗工

藝的應(yīng)用是提高頁巖氣水平井固井頂替效率的有效措施，值得大力推廣。三開和四開固井質(zhì)量較差表明，還應(yīng)加大對(duì)扶正器安放位置和個(gè)數(shù)的研究力度。

（3）彈韌性水泥漿體系不僅具有較好的防竄性能，還可以改變水泥石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，提高水泥石抗沖擊破壞的能力，非常適用于頁巖氣井固井；滑套固井技術(shù)無需射孔和額外封井器卡層，壓裂作業(yè)一趟連續(xù)完成，不僅節(jié)省固井時(shí)間，還為頁巖氣分段壓裂開發(fā)提供方便。

1 劉偉，陶謙，丁士東.頁巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)分析與對(duì)策［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）：40－43.

2 王金磊，黑國興，趙洪學(xué).昭通YSH1－1頁巖氣水平井鉆井完井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（4），23－27.

3 姜政華，童勝寶，丁錦鶴.彭頁HF－1頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（4）：28－31.

4 郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：14－18.

5 譚春勤，劉偉，丁士東，等.SFP彈韌性水泥漿體系在頁巖氣井中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（3）：53－56.

（修改回稿日期 2013－06－21 編輯 景岷雪）

全家正，男，1984年出生，西南石油大學(xué)石油與天然氣工程碩士，主要從事鉆井監(jiān)督工作。地址：（618000）四川省德陽市旌陽區(qū)云湖街6號(hào)中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心鉆井監(jiān)督所。電話：13689667676。E－mail：109208885qq.com