頁巖氣井固井技術(shù)難點(diǎn)分析*

夏元博曾建國張?chǎng)╈常?.天津中油渤星工程科技有限公司　2.CNPC鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　3.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室）

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頁巖氣井固井技術(shù)難點(diǎn)分析*

夏元博1,2,3曾建國1,2,3張?chǎng)╈?,2,3
（1.天津中油渤星工程科技有限公司2.CNPC鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室）

摘要頁巖氣是我國一個(gè)新的天然氣礦種，具有非常廣闊的開采前景。頁巖氣藏屬于低孔低滲氣藏，其特殊的生產(chǎn)方式對(duì)固井質(zhì)量要求非常高。但頁巖氣藏地質(zhì)特征、鉆完井方式及開發(fā)方式?jīng)Q定了頁巖氣井固井難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣井。結(jié)合我國頁巖氣資源特點(diǎn)，從頂替效率、水泥環(huán)完整性和水泥漿體選擇三方面分析頁巖氣井固井技術(shù)難點(diǎn)，以期對(duì)頁巖氣固井技術(shù)開發(fā)提供幫助。分析表明：不規(guī)則井眼條件下的水平井固井、保證水泥環(huán)長期完整性和水泥漿性能與成本的平衡問題是我國頁巖氣井固井作業(yè)的主要難點(diǎn)。建議從“水平井復(fù)雜井況下提高頂替效率技術(shù)、水泥環(huán)長期完整性評(píng)價(jià)技術(shù)、頁巖氣固井水泥漿體系”三方面加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，以提高我國頁巖氣井勘探開發(fā)效益。參11

關(guān)鍵詞頁巖氣固井頂替水泥環(huán)完整性水泥漿

0　前言

頁巖氣是我國一個(gè)新的天然氣礦種。初步預(yù)測(cè)表明我國頁巖氣地質(zhì)資源（15～30）×1012m3［1］，國家發(fā)改委公布的《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011～2015)》計(jì)劃到2015年我國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到65×108m3，到2020年達(dá)到（600～1000）×108m3，具有非常廣闊的開采前景。頁巖氣藏屬于低孔低滲氣藏，一般采用水平井開發(fā)，完井措施復(fù)雜，對(duì)固井質(zhì)量要求非常高。由于頁巖氣井儲(chǔ)層易塌易漏、后期增產(chǎn)措施多、生產(chǎn)周期長等特點(diǎn)，頁巖氣井固井難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)油井。結(jié)合我國頁巖氣資源特點(diǎn)，從頂替效率、水泥環(huán)完整性和水泥漿體選擇三方面分析頁巖氣井固井技術(shù)難點(diǎn)，以期對(duì)頁巖氣固井技術(shù)開發(fā)提供幫助。

1　提高頂替效率難點(diǎn)分析

（1）井眼條件差

我國頁巖氣資源勘探潛力最大的為南方區(qū)域［2］，氣藏儲(chǔ)層埋藏深、構(gòu)造活動(dòng)劇烈，頁巖中混雜的石英等脆性物質(zhì)在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下易導(dǎo)致頁巖層微裂縫發(fā)育，鉆井過程井下漏失風(fēng)險(xiǎn)高。滇黔北頁巖氣井目的層鉆進(jìn)時(shí)多口井出現(xiàn)不同程度漏失，單井最多漏失2000余立方米，固井安全密度窗口極窄。

頁巖氣一般采用水平井鉆進(jìn)，井眼方位平行于最小水平地應(yīng)力方向，以保證在后期的壓裂過程中可使更多天然裂縫與誘導(dǎo)裂縫彼此連通，提高頁巖氣采收率［3］。由于頁巖層理發(fā)育、黏土成分含量高、非均質(zhì)性嚴(yán)重，本身穩(wěn)定性差，沿最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)更進(jìn)一步增加井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)［4］。威遠(yuǎn)、長寧頁巖氣井高伽瑪碳質(zhì)頁巖井段井眼垮塌現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，造成多次井下復(fù)雜事故。一般情況下，頁巖氣井井徑規(guī)則程度較差。

由于井壁穩(wěn)定條件差，尤其是地層漏失的影響，固井前大排量循環(huán)鉆井液、鉆井液性能調(diào)整等井眼準(zhǔn)備工作充分開展難度較大，固井工程時(shí)應(yīng)充分考慮。

（2）管柱居中難

為增大頁巖氣儲(chǔ)層裸露面積，頁巖氣水平井水平段較長，一般為1500 m甚至更長，套管下放摩阻較大［5］；頁巖氣井井徑規(guī)則程度較差，增加了下套管過程中硬卡的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，由于頁巖本身穩(wěn)定性差，下套管過程中對(duì)井壁的刮擦易引起井壁坍塌等事故。從套管安全下入的角度的設(shè)計(jì)，管柱扶正器數(shù)量一般較少，基本不可能做到一根套管下一只扶正器。根據(jù)管柱居中度模擬計(jì)算，對(duì)于水平井，一根套管下一只扶正器時(shí)管柱居中度一般也僅能達(dá)到40%～50%，兩根套管下一只扶正器是管柱居中度僅為20%～30%。所以頁巖氣井管柱居中度很難滿足固井一般要求。

（3）鉆井液的安全風(fēng)險(xiǎn)大

為提高鉆井液的抑制性，減小鉆井復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)，頁巖氣井目的層鉆進(jìn)一般采用油基鉆井液鉆進(jìn)［6］。油基鉆井液易在井壁及套管上附著油膜，且清洗較困難，不利于水泥環(huán)與套管及井壁的膠結(jié)。同時(shí)，油基鉆井液一般與水泥漿相容性不好，混漿后易形成高黏混漿段，存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4）常規(guī)頂替措施難以奏效

對(duì)于普通水平井，文獻(xiàn)中記載有多種技術(shù)措施可提高頂替效率，如紊流接觸時(shí)間、有效層流頂替、壁面剪應(yīng)力固井等[7－8]。由于頁巖氣藏井壁問題突出，文獻(xiàn)中記載的部分提高頂替效率的頂替參數(shù)設(shè)計(jì)原則很難實(shí)現(xiàn)。如紊流接觸時(shí)間，由于頁巖中粘土易遇水膨脹而引起井壁垮塌，頁巖氣井固井時(shí)無法注入足量沖洗液。對(duì)于有效層流頂替、壁面剪應(yīng)力固井強(qiáng)調(diào)的增大水泥漿流動(dòng)阻力以有效驅(qū)替鉆井，由于固井安全密度窗口窄、井深等頁巖氣井客觀存在的條件，實(shí)現(xiàn)難度較大。

2　保證水泥環(huán)完整性難點(diǎn)分析

（1）壓裂作業(yè)時(shí)水泥環(huán)完整性差

頁巖氣儲(chǔ)集層通常呈低孔、低滲透率特征，氣流阻力比常規(guī)天然氣大，儲(chǔ)層無自然產(chǎn)能，因此所有的井都需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開采出來。我國頁巖氣儲(chǔ)層埋藏深、地應(yīng)力一般受逆斷層或走滑斷層控制，儲(chǔ)層破裂壓力較高。如滇黔北頁巖氣示范區(qū)筇竹寺組頁巖層，粗略計(jì)算破裂壓力在70 MPa左右，壓裂作業(yè)時(shí)水泥環(huán)需承受很大的套管內(nèi)壓。根據(jù)文獻(xiàn)中記載的完整性分析結(jié)論[9－10]，需要較低彈性模量、彈性變形能力強(qiáng)的高性能水泥石才能滿足壓裂條件下水泥環(huán)完整性要求，大大限制了水泥漿體系的選擇范圍。

（2）水泥環(huán)長期完整性保持難

頁巖氣在泥頁巖地層中主要以游離態(tài)和吸附態(tài)存在。游離氣滲流速度快，初期產(chǎn)量較高，但產(chǎn)量下降快；相反，吸附氣解析、擴(kuò)散速度慢，產(chǎn)量相對(duì)較低，但屬于頁巖氣穩(wěn)產(chǎn)期。進(jìn)入該時(shí)期后產(chǎn)量遞減速度慢，使得生產(chǎn)周期變長，一般頁巖氣井生產(chǎn)壽命可達(dá)30～50年。同時(shí)，頁巖氣井服役期間，需進(jìn)行多次、重復(fù)壓裂，以保證頁巖氣產(chǎn)量。目前針對(duì)水泥環(huán)完整性的文獻(xiàn)，一般多考慮完鉆后井周地應(yīng)力得到部分釋放，著重研究短期內(nèi)套管內(nèi)壓變化對(duì)水泥環(huán)完整性的影響。事實(shí)上，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，長期時(shí)間內(nèi)地應(yīng)力會(huì)重新加載在水泥環(huán)邊界。而根據(jù)文獻(xiàn)記載[11]，當(dāng)考慮地應(yīng)力對(duì)水泥環(huán)作用時(shí)，水泥石則需要高強(qiáng)度以滿足水泥環(huán)完整性要求，與短期壓裂作業(yè)時(shí)水泥石力學(xué)性能要求不同。目前對(duì)于保證水泥環(huán)長期完整性的深入研究基本沒有，水泥石力學(xué)性能選擇仍以壓裂作業(yè)時(shí)水泥石力學(xué)性能需求為主。

3　水泥漿體系選擇難點(diǎn)分析

（1）水泥漿性能要求高

頁巖氣固井水泥漿性能設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮井壁穩(wěn)定、施工性能、儲(chǔ)層保護(hù)、水泥環(huán)完整性等因素，且性能數(shù)據(jù)要求嚴(yán)格，體系設(shè)計(jì)難度較大，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

井壁穩(wěn)定方面：水泥漿密度應(yīng)嚴(yán)格控制，減小井下溫度壓力對(duì)水泥漿密度的影響；水泥漿失水應(yīng)嚴(yán)格控制，避免固井過程井壁垮塌堵塞環(huán)空。

施工性能方面：水泥漿沉降穩(wěn)定性、自由水等參數(shù)均應(yīng)嚴(yán)格控制，以滿足水平井固井一般技術(shù)要求。

儲(chǔ)層保護(hù)方面：水泥漿體系應(yīng)具有較高的滲流阻力，同時(shí)可迅速形成薄而密的濾餅，減小水泥漿滲流對(duì)儲(chǔ)層的污染程度；另外水泥漿體系應(yīng)具有良好的酸溶率，利于酸化壓裂作業(yè)。

水泥環(huán)完整性方面：水泥石同時(shí)具有較高強(qiáng)度和較低彈性模量，以同時(shí)壓裂及長期完整性要求。

（2）水泥漿成本控制嚴(yán)格

頁巖氣采收率較低、生產(chǎn)周期較長，所以頁巖氣進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段后，鉆完井成本控制將變得非常重要。而我國頁巖氣資源埋藏深、豐度低，且頁巖氣資源勘探潛力最大的南方區(qū)域缺乏適合地形特征的“叢式水平井工廠化”作業(yè)模式，控制鉆完井成本愈發(fā)顯得重要。所以在固井材料的設(shè)計(jì)與選擇上，控制材料成本又成為一個(gè)不可逾越的難點(diǎn)。

4　結(jié)論與建議

綜合考慮我國頁巖氣資源特點(diǎn)與鉆完井條件，頁巖氣井固井技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

（1）頂替方面：井眼條件差、管柱居中度不易保證、油基鉆井液不易沖洗、提高頂替效率技術(shù)措施實(shí)施難度大。

（2）水泥環(huán)完整性方面：壓裂作業(yè)壓力高、對(duì)水泥石力學(xué)性能要高；長期完整性評(píng)價(jià)技術(shù)尚不成熟。

（3）水泥漿體系方面：水泥漿體系性能要求多、成本控制嚴(yán)格，設(shè)計(jì)難度大。

建議從“水平井復(fù)雜井況下提高頂替效率技術(shù)、水泥環(huán)長期完整性評(píng)價(jià)技術(shù)、頁巖氣固井水泥漿體系”三方面加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，以提高我國頁巖氣井勘探開發(fā)效益。

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（修改回稿日期2015-04-14編輯文敏）

作者簡(jiǎn)介夏元博，男，工程師；畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事固井工藝技術(shù)研究工作。地址：（300451）天津市塘沽區(qū)津塘公路40號(hào)固井樓415。電話：（022）66310216。E-mail：xiayb001@cnpc.com.cn

*基金項(xiàng)目：中國石油天然氣集團(tuán)公司課題（2014A-4213）《水泥石封固性能改造新技術(shù)研究》。