彭水地區(qū)海相頁巖氣水平井固井技術(shù)

劉偉（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

海相頁巖在中國有廣泛的發(fā)育和分布，層位上集中出現(xiàn)在古生界，它們多與碳酸鹽巖或其他碎屑巖共生，黑色頁巖具有分布面積廣、地層厚度大、埋深變化大，發(fā)育層系多、構(gòu)造改造強烈及后期保存多樣化等特點，海相黑色頁巖主要形成于沉積速率較快、地質(zhì)條件較為封閉、有機質(zhì)供給豐富的臺地或陸棚環(huán)境中，并形成了以下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)等為代表的8套黑色頁巖。彭水地區(qū)海相頁巖是頁巖氣發(fā)育及勘探研究的有利區(qū)域。該區(qū)發(fā)育了多套黑色（碳質(zhì)）頁巖，分布廣，厚度大（如下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖地層厚度為80～120m），變形強，埋藏淺，有機質(zhì)含量高，熱演化程度相對適中，區(qū)域上典型的隔擋式背斜褶皺帶及斷裂帶易于產(chǎn)生裂縫并形成 “甜點”［1～3］。

與常規(guī)水平井固井技術(shù)相比，頁巖氣井固井除滿足高要求的水泥漿基本性能外，水泥石必須具備與地層巖性相匹配的力學(xué)特性，以此保證環(huán)空良好的封固特性［4］，同時必須采用高效沖洗液和隔離液驅(qū)替油基鉆井液以保證全井的封固質(zhì)量［5］。隨著頁巖氣井開采的深入，不同區(qū)域存在的固井問題也越來越多，遇到的固井情況也越來越復(fù)雜，筆者通過對彭水地區(qū)海相頁巖氣水平井固井過程中遇到的漏失、油基鉆井液清洗困難、長水平段套管下入困難等問題的研究與分析，提出解決的技術(shù)方法與措施，為該區(qū)域頁巖氣水平井固井提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 固井難點

1.1 裂隙、溶洞發(fā)育，打鉆過程漏失嚴(yán)重

彭水地區(qū)是中石化華東分公司部署在上揚子盆地武陵褶皺帶彭水德江褶皺帶的海相頁巖氣分布區(qū)，也是中石化頁巖油氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)之一，主要開發(fā)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源。根據(jù)已鉆幾口井的資料，該地區(qū)地層裂隙發(fā)育，鉆井液密度窗口很窄，這些都給固井作業(yè)帶來了很大困難。水泥漿易漏失，造成水泥返高不夠；環(huán)空氣竄和油氣層漏封等事故時有發(fā)生。2012年在該區(qū)塊共鉆井4口，打鉆過程中全部發(fā)生漏失，漏失層位主要集中在小河壩組和龍馬溪組之間的不整合面，其中PY4HF井共發(fā)生12次失返性漏失，總漏失量超過500m3。PY3HF井在固井替漿后期發(fā)生漏失失返，漏封1700m。

1.2 高黏性油基鉆井液清洗驅(qū)替困難

油基鉆井液作為一種優(yōu)良的鉆井液體系用于頁巖氣水平井中并取得了良好的鉆井施工效果。但就固井施工而言，油基鉆井液會滯留在界面處并形成油漿和油膜，這將嚴(yán)重影響水泥環(huán)的界面膠結(jié)強度。目前彭水地區(qū)鉆井多采用柴油基鉆井液，為了提高水平段攜巖能力，油基鉆井液的油水比較小，呈現(xiàn)高黏切的特征，由此會導(dǎo)致環(huán)空循環(huán)壓差大，泵壓升高。以PY4HF井為例，雖然鉆井液密度只有1.24g／cm3，但漏斗黏度卻達(dá)到106s以上。這些含有鉆屑的油基鉆井液會牢牢黏附在套管和井壁上，由于油基鉆井液比水基鉆井液驅(qū)替更加困難，油基鉆井液與環(huán)空2個界面的超強附著力以及高黏度給水泥漿頂替帶來了很大的難度，固井時嚴(yán)重影響頂替效率。

1.3 水平段長，下套管難度大

以PY2HF井為例，該井現(xiàn)場根據(jù)地質(zhì)要求，從原設(shè)計井深3552m加深至3990m，水平段長度由設(shè)計的1250m達(dá)到1650m，這也是目前國內(nèi)頁巖氣水平段最長的井段。該井技術(shù)套管下深只有1609m，裸眼段較長，達(dá)到2381m，最大井斜角86.5°。鉆井時水平井段采用FEWD隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向儀器，由于未鉆導(dǎo)眼井，為了保證能順利鉆到目的層，鉆井時根據(jù)地質(zhì)要求頻繁調(diào)整井斜，致使井眼軌跡不夠光滑，同時在3040m和3280m等多處打鉆有阻卡現(xiàn)象發(fā)生，接頂驅(qū)劃眼才能通過該段。通過對返出巖屑進行分析，在3040m處為五峰組黑色頁巖和龍馬溪組黑色頁巖交界面，3280m處為五峰組黑色頁巖和臨湘組灰色灰?guī)r的交界面，五峰組黑色頁巖較龍馬溪組黑色頁巖和臨湘組灰色灰?guī)r軟一些，之前出現(xiàn)的阻卡現(xiàn)象為交界面處井徑不規(guī)則，形成巖屑床，導(dǎo)致起下遇阻影響后期長水平段套管順利下入，給長水平段套管下入帶來很大難度。

2 固井工藝技術(shù)

2.1 解決漏失問題的新型高性能低密度水泥漿體系

低密度水泥漿體系是解決低壓、易漏井固井水泥漿漏失的主要途徑之一。目前用于低密度水泥漿的減輕劑多為漂珠等，但由于漂珠顆粒較大（相對于水泥顆粒）、粒輕、壁薄、壁厚不均，在水泥漿中易上浮、進水、破碎，造成漿體沉降穩(wěn)定性、體積穩(wěn)定性變差，尤其是自身承壓能力弱，實際入井水泥漿密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常壓配制時的密度。為了解決彭水地區(qū)海相頁巖氣井固井漏失，需進一步降低固井水泥漿密度。由于PY3HF井采用常規(guī)漂珠減輕劑來降低環(huán)空液柱壓力以防止漏失，加量占水泥干重的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)40%。

地面配制的水泥漿密度1.41g／cm3，但實際漂珠低密度水泥漿在井下壓力45MPa時已經(jīng)達(dá)到1.54g／cm3，致使該井在固井替漿后期發(fā)生斷流，漏封1700m。因此為了進一步降低水泥漿密度，提高減輕材料的承壓能力，在彭水地區(qū)其他幾口井優(yōu)選了新型國產(chǎn)高性能LWSF低密度水泥漿體系，所優(yōu)選的LWSF低密度水泥漿體系中的減輕材料為一種特制的中空密閉的白色球形、粉末狀的超輕質(zhì)填充材料。主要成分是堿石灰硼硅酸玻璃，不溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，密度僅為0.40～0.60g／cm3，粒徑約為10～80μm，是封閉的內(nèi)充惰性氣體的玻璃珠［6，7］，具有滾珠軸承效應(yīng)，配制水泥漿時不吸水，水泥漿密度可以控制在1.20～1.40g／cm3，在少加水的情況下即可達(dá)到很好的密度減輕作用，而且低的水灰比對降低水泥石的滲透性，提高水泥石強度起到了重要作用。通過復(fù)配相應(yīng)的外加劑，其低密度綜合性能見表1。LWSF低密度水泥漿體系不僅綜合性能達(dá)到固井要求，且抗壓強度要高于漂珠水泥漿。

表1 LWSF低密度材料的水泥漿性能

2.2 滿足大型壓裂條件下的頁巖氣水平井固井水泥漿體系

頁巖氣開采采取多級壓裂技術(shù)，對水泥環(huán)的質(zhì)量要求較高。普通水泥石是脆性材料，其抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強度。水泥環(huán)壓裂后受到的損傷主要有：①水泥環(huán)與套管的彈性變形能力存在較大差異，當(dāng)受到由壓裂產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷作用時發(fā)生擴張引起水泥環(huán)徑向斷裂；②壓裂作業(yè)的沖擊作用產(chǎn)生的能量大于水泥石破碎前所能吸收的能量時，水泥環(huán)產(chǎn)生破碎。因此要求水泥環(huán)要具備較好的抗沖擊能力和柔韌性。

通過在水泥漿中添加一定的彈性和韌性材料，當(dāng)水泥石受沖擊力作用時，彈性粒子吸收部分能量產(chǎn)生彈性變形，起到緩沖作用，提高水泥石的抗沖擊性能。能在水泥石中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)水泥石受到外力作用時，利用增韌劑對負(fù)荷的傳遞，增加水泥石的抗折、抗沖擊能力。在彭水地區(qū)3口井固井中采用了低彈性模量和較高拉伸強度的SFP彈韌性水泥漿體系，其水泥石力學(xué)性能見表2。其中PY1HF井、PY3HF井分別經(jīng)受了12、22段分段壓裂施工的考驗。

2.3 油基鉆井液清洗技術(shù)

彭水地區(qū)鉆井采用的油基鉆井液油水比多小于75∶25。低油水比的高黏切油基鉆井液用常規(guī)的洗油沖洗液難以清洗干凈。為了有效驅(qū)替油基鉆井液，提高頂替效率，采用了具有潤濕反轉(zhuǎn)作用的洗油沖洗液SCW－M。該沖洗液的表面活性物質(zhì)會在油基鉆井液的濾餅表面吸附，其疏水基一端吸附濾餅的表面，親水基一端伸入水中，使油基鉆井液沖洗液中的溶劑和水易在油基鉆井液的表面滲入，產(chǎn)生溶脹作用，削弱了油濾餅的內(nèi)聚力和結(jié)構(gòu)力，同時也削弱了油濾餅和套管之間的作用力。然后SCW－M沖洗液在水力機械作用下，起到對油漿和油膜的拖拽作用，達(dá)到較好地沖刷套管壁和井壁，加快清除油污、提高界面膠結(jié)強度的目的。為了有效驅(qū)替黏度比較高的油基鉆井液，采用了具有一定黏度的加重隔離液，通過合理的黏度或密度設(shè)計，有效隔開油基鉆井液和水泥漿。同時為了提高洗油效果，根據(jù)室內(nèi)不同轉(zhuǎn)速下達(dá)到100%沖洗效果所需時間，確定了現(xiàn)場沖洗液的用量，見表3。同時考慮到?jīng)_洗液在注水泥漿時已經(jīng)出環(huán)空，為了使環(huán)空達(dá)到紊流頂替，在注入先導(dǎo)漿時排量要不小于1.5m3／min。

2.4 下套管技術(shù)措施

由于彭水地區(qū)海相頁巖氣水平段長度多在1200m以上，技術(shù)套管下深較淺，為了確保套管居中度達(dá)到67%以上，根據(jù)軟件計算至少需要下入200多只扶正器，這在一定程度上增大了套管的剛度。加之裸眼段長、裂縫性地層反復(fù)漏失、井徑不規(guī)則等因素，會發(fā)生多扶正器套管下不到位、下套管固井井漏、頂替效率低影響固井質(zhì)量，為此制定了以下措施：

1）下套管前認(rèn)真通井 頁巖氣水平井的井眼軌跡、井眼質(zhì)量對下套管影響很大，應(yīng)對起下鉆遇阻、遇卡井段，井斜變化率超標(biāo)井段認(rèn)真劃眼通井；在全角變化率大的井段反復(fù)大幅度活動鉆具，徹底清除巖屑床，到底后大排量循環(huán)鉆井液并活動鉆具；同時選用滿眼鉆具組合通井一到兩趟，通井管柱剛度不低于套管串的剛度，以利于套管順利下入。①采用兩次通井，分別采用單扶和雙扶正器，模擬套管剛度，確保下套管固井順利。②下套管通井必須保證井眼暢通，配高濃度清掃液，到底大排量洗井。起下鉆無異常摩阻方能下套管作業(yè)。

2）扶正器安放原則 為保證套管居中度，要優(yōu)化扶正器，提高水泥漿的頂替效率。依據(jù)鉆井工程設(shè)計，鑒于水平段相對較長，所以水平段選擇適合長水平段井的整體式扶正器，該扶正器居中能力強，由于是整體式結(jié)構(gòu)，在下入過程中不容易損壞，對井壁和自身均能起到有效的保護。相比于水平段，造斜段側(cè)向力較大，所以斜井段選擇剛性旋流扶正器。安放間距為1只扶正器1根套管。水平段采用彈性扶正器，不僅確保了居中度，彈性和剛性扶正器混搭，還降低了套管串剛度，有利于套管順利下入，這在彭水地區(qū)多口水平井固井中得到了驗證（表4）。

表2 彭水地區(qū)3口頁巖氣水平段彈韌性水泥石力學(xué)性能

表3 SCW－M沖洗液達(dá)到100%沖洗效果的沖洗時間和用量

表4 彭水地區(qū)4口頁巖氣水平井扶正器安放情況

3 固井現(xiàn)場應(yīng)用情況

PY2HF井位于重慶彭水苗族土家族自治縣桑柁鎮(zhèn)，完鉆井深3990m，垂深2394m，造斜點1730m，水平位移1990m，目的層主要分布在下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣層。由于該井上部灰?guī)r地層存在大型裂縫、溶洞，施工時在三開鉆進過程中采用油基鉆井液（密度1.28g／cm3、漏斗黏度120s）進行鉆井，但發(fā)生多次漏失，三開井段從1820m～完井，共發(fā)生16次漏失，全井總漏失量超過293.7m3。

三開鉆至3130m開始出現(xiàn)短起下鉆阻卡嚴(yán)重的現(xiàn)象，特別是2930、3040、3280m一般都是采用開泵倒劃眼多次起出，尤其在3225、3327、3370、3669m等處起下鉆多次遇卡，現(xiàn)場采用分段循環(huán)、下入通井鉆具、采用分段循環(huán)、套劃眼、短起下鉆，調(diào)整鉆井液性能和鉆井排量等措施。先用單扶鉆具，然后使用雙扶通井鉆具。雙扶通井鉆具結(jié)構(gòu)如下：215.9mm牙輪鉆頭×0.25m＋430×410×0.60m雙母接頭＋213mm扶正器×1.81m＋0.46m配合接頭＋127mm加重鉆×9.43m＋0.46m配合接頭＋210mm扶正器×1.39m＋127mm加重鉆桿×4根＋127mm鉆桿×121根×1426m＋127mm加重鉆桿×49根＋屈性長軸×3.38m＋隨鉆震擊器×6.58m＋127mm鉆桿×300根×3990m。

通井順利下到井底后開始下套管作業(yè)，當(dāng)套管下入至3380m處遇阻，下壓15t，未能下入，頂驅(qū)接循環(huán)頭循環(huán)頂通后下入，后續(xù)有間歇性遇阻，均采用上下提套管＋循環(huán)方式使套管下入。

該井后期要進行20段左右分段壓裂，固井采用單級雙密度固井方式，一次封固段長3990m。為保證頁巖水平段固井質(zhì)量，防止固井漏失，領(lǐng)漿（0～2140m）采用LWSF低密度1.30g／cm3水泥漿體系，尾漿（2140～3983m）采用彈韌性水泥漿體系，具體性能見表6。

表5 PY2HF井身結(jié)構(gòu)

表6 PY2HF井現(xiàn)場水泥漿性能

該井為頁巖氣水平井，水平段較長，為保證套管有效居中，從造斜點開始每根套管加1只扶正器，全井共安放扶正器263只，水平段最小居中度達(dá)到了70%（表7）。同時全井采用清水替漿，使套管在浮力作用下，減小套管的偏心程度，提高水泥漿的頂替效率。具體固井施工情況見表8、9。

表7 PY2HF井現(xiàn)場扶正器方案

表8 固井施工注替排量與注入量

表9 PY2HF井固井質(zhì)量

4 結(jié)論

1）通過在彭水地區(qū)采用LWSF低密度水泥漿體系固井，可以有效防止固井中漏失，密度可以控制在1.20～1.40g／cm3，具有較好的漿體穩(wěn)定性，承壓能力好，與各類外加劑配伍性好，稠化時間可調(diào)，失水能夠控制在50mL以內(nèi)，低密度水泥石抗壓強度顯著提高，滿足了彭水地區(qū)頁巖氣水平井固井要求。

2）在水平段采用SFP彈韌性水泥漿體系固井，大大降低水泥石彈性模量，增加了水泥石抗沖擊能力，滿足了彭水地區(qū)頁巖氣水平井大型分段壓裂的要求。

3）通過采用SCW－M高效洗油沖洗液，優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，優(yōu)選替漿排量和沖洗液用量，不僅清洗掉了黏附在界面處的油膜及濾餅，而且改善了環(huán)空界面的膠結(jié)環(huán)境，提高了固井膠結(jié)質(zhì)量。

4）采用雙扶通井，優(yōu)選、優(yōu)化套管扶正器的類型和安放位置等方面來確保水平段套管順利下入，從而提高水平井固井質(zhì)量。

5）采用長水平段固井配套工藝技術(shù)措施，在一定程度上防止了固井漏失，在彭水地區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用中取得較好的固井效果。

［1］張金川，姜生玲，唐玄，等 .我國頁巖氣富集類型及資源特點 ［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（12）：109～114.

［2］薄伯伶，包書景，王毅，等 .頁巖氣成藏條件分析——以美國頁巖氣盆地為例 ［J］.石油地質(zhì)與工程，2008，23（3）：33～36.

［3］張林曄，李政，朱月房 .頁巖氣的形成及開發(fā) ［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（1）：124～126.

［4］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.

［5］劉偉，陶謙，丁士東 .頁巖氣水平井固井技術(shù)難點分析與對策 ［J］.石油鉆采工藝，2012，19（5）：22～25

［6］張宏軍，楊亞新，林晶 .高強超低密度水泥漿體系研究 ［J］.鉆采工藝，2006，29（6）：107～110

［7］沙林浩，李立榮，高永會，等 .一種可替代漂珠的低密度材料 ［J］.鉆井液與完井液，2006，23（6）：55～60.