高溫高密度頁(yè)巖氣固井技術(shù)研究及應(yīng)用

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(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢

3荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州

4長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

高溫高密度頁(yè)巖氣固井技術(shù)研究及應(yīng)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(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢

3荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州

4長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

隨著頁(yè)巖氣井勘探開發(fā)的不斷深入，深層頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)成為技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。深層頁(yè)巖氣普遍存在的高溫、高密度等地質(zhì)特征對(duì)現(xiàn)有鉆完井技術(shù)尤其是固井技術(shù)無(wú)疑是個(gè)挑戰(zhàn)。如何提高深層頁(yè)巖氣井的固井質(zhì)量，是深層頁(yè)巖氣井勘探開發(fā)成功的關(guān)鍵。通過(guò)系統(tǒng)分析深層頁(yè)巖氣井固井過(guò)程中所面臨的難題和挑戰(zhàn)，提出了提高深層頁(yè)巖氣井固井質(zhì)量的5項(xiàng)技術(shù)措施。將該技術(shù)措施與現(xiàn)場(chǎng)井況相結(jié)合，應(yīng)用于深層頁(yè)巖氣井產(chǎn)層固井作業(yè)中，72 h候凝測(cè)井顯示固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。

頁(yè)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(lái)，頁(yè)巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破，相應(yīng)的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。隨著頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，開發(fā)技術(shù)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(yè)巖氣大多采用水平井鉆井技術(shù)與體積壓裂技術(shù)相結(jié)合的開采方式，對(duì)固井質(zhì)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(lái)困難，固井質(zhì)量難以保證,也給固井提出了新的課題。

2. 高溫高密度頁(yè)巖氣固井施工技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1. 油層套管的選擇

若套管剛度過(guò)小、韌性不夠，在體積壓裂的過(guò)程中，射孔段周圍的套管易受剪切、滑移、錯(cuò)段等復(fù)雜的力學(xué)行為以及地應(yīng)力場(chǎng)變化的作用，最終導(dǎo)致套管失效，喪失水平井密封完整性。

2.2. 長(zhǎng)水平段油層套管下入難

頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平段固井套管下入較困難[4]。套管下入易遇阻，頁(yè)巖儲(chǔ)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(guò)程逐步堆積導(dǎo)致無(wú)法下入。頁(yè)巖氣井因井壁沉積物未清洗盡、鉆井液高溫穩(wěn)定性問(wèn)題導(dǎo)致套管下入過(guò)程巖屑、重晶石等逐步堆積，最終導(dǎo)致套管無(wú)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(zhì)量，套管居中度應(yīng)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(dǎo)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(zhì)量。水平段套管扶正器設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。

2.4. 高比重油基鉆井液清洗挑戰(zhàn)

頁(yè)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(dòng)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(rùn)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(jié)在一起，嚴(yán)重影響界面膠結(jié)質(zhì)量。基于以上原因，為保證良好的固井質(zhì)量，與常規(guī)水基鉆井液條件固井相比，對(duì)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(jié)束后，環(huán)空中的水泥環(huán)需要經(jīng)歷、修井、壓裂生產(chǎn)以及棄井等后續(xù)過(guò)程[6]。這些過(guò)程中產(chǎn)生的較為劇烈的壓力和溫度變化，會(huì)由套管傳遞到其后的水泥石。當(dāng)套管受壓受熱膨脹時(shí)，對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力高于水泥石強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成水泥環(huán)內(nèi)微裂縫的生成，甚至大范圍的水泥破碎。同時(shí)，頁(yè)巖氣井多數(shù)需要水平段分級(jí)壓裂，若水泥環(huán)在壓裂等高壓環(huán)境下遭到破壞，將會(huì)影響壓裂施工的有效分級(jí)，可能有層間溝通的情況發(fā)生。頁(yè)巖氣井后期作業(yè)會(huì)破壞水泥環(huán)完整性，引起環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。為保證井筒完整性，需要采用特殊技術(shù)和工藝。

2.6. 長(zhǎng)水平段固井挑戰(zhàn)

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

2) 大溫差固井對(duì)水泥石強(qiáng)度要求高[7]。對(duì)深井長(zhǎng)封固段來(lái)說(shuō)，水泥漿面臨著大溫差挑戰(zhàn)。在滿足長(zhǎng)封固段施工時(shí)間的稠化性能時(shí)，難以兼顧水泥漿頂部強(qiáng)度的發(fā)育速度。水泥漿的配方設(shè)計(jì)難度較大，對(duì)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(shè)計(jì)不合理，可能導(dǎo)致水泥漿頂部強(qiáng)度發(fā)展緩慢，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量，耽誤作業(yè)周期。

3) 高壓氣井防氣竄挑戰(zhàn)。頁(yè)巖氣水平井目的層固井時(shí)，有上千米甚至超過(guò)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(guò)程中及候凝、水泥硬化后發(fā)生氣竄的風(fēng)險(xiǎn)都很高。

3. 固井技術(shù)研究及對(duì)策

3.1. 水平井油層套管的選擇

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

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

3.2. 長(zhǎng)水平段套管下入措施

1) 通井措施。通井的主要目的是擴(kuò)劃井壁、破除臺(tái)肩、消除井壁阻點(diǎn)。通井鉆具結(jié)構(gòu)應(yīng)充分考慮所鉆井井眼軌跡和入井管柱的特殊性，通過(guò)計(jì)算下部鉆柱和入井無(wú)接箍套管的剛性，對(duì)比分析其尺寸、剛性和長(zhǎng)度因素，綜合考慮該井與其他井的井眼準(zhǔn)備情況，設(shè)計(jì)通井鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行通井作業(yè)。

2) 旋轉(zhuǎn)浮鞋。針對(duì)長(zhǎng)水平段下套管的難點(diǎn)，可選用旋轉(zhuǎn)浮鞋，使得即使遇到較大狗腿度井段也能順利通過(guò)。

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(xiàn)負(fù)載荷現(xiàn)象的情況。該技術(shù)通過(guò)在套管串結(jié)構(gòu)中加入漂浮接箍，利用漂浮接箍與套管鞋中間套管內(nèi)封閉的空氣或低密度鉆井液的浮力作用，來(lái)減小套管下入過(guò)程中井壁對(duì)套管的摩阻，以達(dá)到套管安全下入的目的。

3.3. 水平井固井頂替技術(shù)

1) 液體纖維井眼清潔技術(shù)。液體纖維攜砂井眼清潔技術(shù)是一種通過(guò)向前置液里加入一定量液體纖維，增加前置液機(jī)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(qiáng)的攜巖能力、簡(jiǎn)便的配制工藝對(duì)維護(hù)井眼清潔、提高生產(chǎn)時(shí)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(diào)整。固井前的鉆井液性能調(diào)整主要為下套管和有效的泥漿驅(qū)替服務(wù)。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(yàn)，測(cè)試靜止一個(gè)下套管時(shí)間長(zhǎng)度后的鉆井液的性能變化，比如穩(wěn)定性、黏切數(shù)值等等。

3) 優(yōu)選扶正器提高套管居中度。頁(yè)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(jìn)行水平井扶正器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合使用。滾輪扶正器能降低套管下放摩阻，同時(shí)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(duì)套管提供足夠的支撐力，提高套管居中度，同時(shí)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，強(qiáng)度高，無(wú)應(yīng)力薄弱點(diǎn),可靠性高。

3.4. 驅(qū)油型清洗前置液體系

針對(duì)油基鉆井液界面沖刷問(wèn)題，使用高密度洗油型沖洗隔離液改善界面膠結(jié)質(zhì)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(tuán)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(tuán)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(zhì)形成了分子間作用力，使得界面上部分油膜及油漿在驅(qū)替過(guò)程中被沖洗隔離液帶走，同時(shí)，沖洗隔離液體系中的部分表面活性劑會(huì)吸附在界面上，從而使親油性界面由于表面活性物質(zhì)的吸附改變成了親水界面。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)考察了密度為2.1 g/cm3的清洗液在不同溫度養(yǎng)護(hù)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?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，沖洗時(shí)間為5 min。沖洗效果見圖1，從圖中觀察經(jīng)清洗液清洗后油膜明顯脫離，粗糙砂紙表面基本恢復(fù)到原來(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(píng)價(jià)

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(yè)巖氣水平井油層套管固井后，要進(jìn)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(duì)水泥石力學(xué)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(duì)附近水泥環(huán)的壓力沖擊，又可通過(guò)其膨脹特性規(guī)避完井、替液等作業(yè)中的微環(huán)空風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)后期壓裂作用造成水泥環(huán)損壞，引起環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，室內(nèi)研制一種彈塑性水泥漿體系。井底至造斜點(diǎn)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(diǎn)至井口使用高密度彈塑性水泥漿體系。領(lǐng)漿使用高密度水泥漿體系封固造斜點(diǎn)至井口。室內(nèi)對(duì)使用的彈塑性水泥漿體系性能進(jìn)行研究，結(jié)果如表 2?？梢钥闯觯Ｒ?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(shù)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.1. 工程概況

Table 3. The structure of the wellbore表3. 井身結(jié)構(gòu)

某頁(yè)巖氣井是一口評(píng)價(jià)井，鉆探目的層埋深4200 m，試驗(yàn)深層水平井壓裂工藝。井深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表3所示。目的層實(shí)測(cè)壓力因數(shù)1.98，破裂壓力因數(shù)2.67。該井儲(chǔ)層頁(yè)巖脆性指數(shù)約70%，水平段采用高性能油基鉆井液，鉆井液密度范圍設(shè)計(jì)2.05～2.40 g/cm3。同時(shí)，4200 m處實(shí)測(cè)溫度120℃，該井設(shè)計(jì)井深5466 m，預(yù)測(cè)該井井底溫度約為130℃。

4.2. 技術(shù)應(yīng)用

該頁(yè)巖氣井油層套管固井面臨著水平段長(zhǎng)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(xiàn)環(huán)空帶壓，長(zhǎng)封固大溫差及氣竄風(fēng)險(xiǎn)對(duì)水泥漿綜合性能要求高等難點(diǎn)。針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)，采取以下技術(shù)措施。

1) 下套管技術(shù)。根據(jù)井身結(jié)構(gòu)及水平段長(zhǎng)度，下套管前嚴(yán)格執(zhí)行雙扶通井技術(shù)措施，并根據(jù)軟件計(jì)算套管下入阻力，推薦使用旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)，幫助套管順利下入?？紤]漂浮下套管技術(shù)并未在川渝主要頁(yè)巖氣區(qū)塊中應(yīng)用，且該井水平段長(zhǎng)度僅為1500 m，水垂比不高，可不采用漂浮下套管技術(shù)。

2) 固井工具附件。為提高套管居中度，需要合理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軟件調(diào)整扶正器間距，使套管居中度達(dá)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(shù)采用固井工程設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，前期替漿排量1.2～1.5 m3/min，后期泵壓高后，單獨(dú)使用壓裂車替漿，排量降低為1 m3/min。為保證水平段固井質(zhì)量，使用高密度驅(qū)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(diǎn)，領(lǐng)漿使用高密度水泥漿體系封固造斜點(diǎn)至井口。固井地面施工需要2～3臺(tái)雙機(jī)泵水泥車、1臺(tái)壓裂車、1臺(tái)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(yīng)用結(jié)果

在通井、扶正器安放設(shè)計(jì)、前置液水泥漿體系以及注替工藝等方面都進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)施工順利，未發(fā)生水泥漿漏失，候凝72 h，經(jīng)聲幅變密度測(cè)井固井質(zhì)量檢測(cè)，總長(zhǎng)為1500 m的水平段固井質(zhì)量全優(yōu)質(zhì)。

5. 結(jié)論

1) 在頁(yè)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(shí)也需滿足后期體積壓裂對(duì)套管剛度、形變能力的要求，保證頁(yè)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(yè)巖氣固井質(zhì)量，必須做好固井計(jì)算機(jī)軟件模擬計(jì)算，施工過(guò)程中下套管前進(jìn)行通井，并使用旋轉(zhuǎn)下套管或漂浮下套管技術(shù)。

3) 在下套管時(shí)將滾輪扶正器、整體式彈性扶正器結(jié)合使用，可改善套管居中度，同時(shí)無(wú)應(yīng)力薄弱點(diǎn),可靠性高。

4) 頁(yè)巖氣固井油基泥漿清洗的技術(shù)關(guān)鍵在于前置液的設(shè)計(jì)，應(yīng)用有針對(duì)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(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，提高固井水泥漿的頂替效率及膠結(jié)質(zhì)量。

5) 高溫固井應(yīng)用彈塑性雙凝水泥漿體系，領(lǐng)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(qiáng)度，是高溫頁(yè)巖氣水泥漿體系的最佳選擇。

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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(xiàn)主要從事鉆完井技術(shù)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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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(yè)巖氣固井技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2017, 39(4):217-223.

10.12677/jogt.2017.394058

*通信作者。