頁巖氣井固井水泥漿體系研究進展

趙軍

【摘 要】頁巖氣開發(fā)已成為當前非常規(guī)天然氣領域的一個研究熱點，也是我國實現(xiàn)大規(guī)模增產(chǎn)天然氣的一個突破口。頁巖氣儲層與常規(guī)天然氣儲層差異大，對鉆完井和增產(chǎn)技術要求高。我國頁巖氣開發(fā)起步較晚，目前還處在前期起步階段。固井水泥漿技術是鉆完井技術的一個重要組成部分，是實現(xiàn)有效層間封隔保證頁巖氣高效開發(fā)的重要因素之一。本文對近年來國內外在頁巖氣固井水泥漿技術上取得的進展進行調研分析，闡述在頁巖氣井固井過程中采用的新技術，指出下一步頁巖氣井水泥漿技術發(fā)展方向。

【關鍵詞】頁巖氣；水平井；固井；水泥漿

中圖分類號： TE256.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0220-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.103

Research progress on cementing mud system in shale gas Wells

ZHAO Jun

（Oilfield Chemistry Division of China Oilfield Service Co.，LTD.，Yanjiao Hebei 065201，China）

【Abstract】shale gas development has become a research hotspot in the field of unconventional gas at present， and it is also a breakthrough for China to achieve large-scale increase in natural gas production.Shale gas reservoir differs greatly from conventional gas reservoir，which requires high drilling completion and production technology.China's shale gas development started late and is still in its early stage.Cementing mud technology is an important part of drilling completion technology，and it is one of the important factors to realize effective interlayer sealing and ensure the efficient development of shale gas. In this paper，in the shale gas solid slurry technology at home and abroad in recent years，the progress on the research analysis，this paper used in the process of shale gas well cementing of new technology，points out the next step of shale gas well water slurry technology development direction.

【Key words】Shale gas；Horizontal well；The cementing；The slurry

0 引言

天然氣作為一種清潔能源在我國的消費量逐年增加，進口量也快速增加，其中2017年進口量達920億立方米[1]。頁巖氣作為一種儲量豐富的非常規(guī)油氣資源，近年來得到快速發(fā)展。美國通過頁巖氣的開發(fā)成功的由天然氣凈進口國轉變?yōu)槌隹趪６覈搸r氣資源非常豐富，高效的開發(fā)利用不但具有良好經(jīng)濟效益還具有極高的戰(zhàn)略意義。

頁巖氣主要分布于致密、低孔、低滲的泥頁巖地層中，其主要的儲存空間是巖石發(fā)育的微孔和裂縫，并且存在方式主要以吸附為主，與常規(guī)砂巖儲層不同，頁巖儲層具有脆性強、構造裂縫及微裂縫發(fā)育等特點。此外，頁巖中富含的黏土成分還會使頁巖水敏性、膨脹性強、容易坍塌。而不合適的固井措施會導致井筒層間封隔失效，進而引起氣竄。天然氣竄至井口引起的環(huán)空帶壓現(xiàn)象會影響到天然氣產(chǎn)量和增產(chǎn)措施的實施。據(jù)統(tǒng)計，美國賓夕法尼亞地區(qū)2008-2011年間的3533口問題頁巖氣井中，9.2%的井屬于環(huán)空氣竄問題、水泥環(huán)或者套管失效問題[2，3]。良好性能的水泥漿體系是實現(xiàn)頁巖氣井在全生命周期有效層間封隔、防止環(huán)空氣竄的重要保障之一。本文對近年來國內外頁巖氣固井水泥漿技術進行調研分析，介紹了國內外在頁巖氣井水泥漿技術方面取得的進展。

1 頁巖氣固井面臨的困難與挑戰(zhàn)

由于頁巖含泥質較多，產(chǎn)層極易跨塌破碎，與水泥石膠結質量差，膠結強度低。另外，水泥石在凝固和硬化過程中會發(fā)生體積收縮，在套管與水泥環(huán)、水泥環(huán)與地層之間的膠結界面容易生成微環(huán)空和微間隙，形成氣體竄流通道，導致頁巖氣發(fā)生竄流。竄至井口形成環(huán)空帶壓，至低壓層會影響產(chǎn)量，嚴重的環(huán)空帶壓會導致整個氣井報廢[4]。

頁巖氣水平井普遍具有位移大的特點，后續(xù)的增產(chǎn)措施多采用多級壓裂方式。水泥石是一種硬脆性材料，自身協(xié)調形變能力差，和地層及套管具有不同的彈性和形變能力。在多級壓裂過程中會反復遭受循環(huán)載荷，水泥石受到較大的內應力和沖擊力產(chǎn)生徑向裂紋、裂縫。此外，在后續(xù)生產(chǎn)階段的增產(chǎn)措施也會對水泥石產(chǎn)生循環(huán)應力，使水泥石疲勞產(chǎn)生裂紋、裂縫。因此，實現(xiàn)頁巖氣井有效的層間封隔也對水泥石的力學性能有著較高的要求[5]。

因此，頁巖氣固井要求水泥漿要具備如下特征：1）沉降穩(wěn)定性好，上下密度差?。?）無自由水；3）失水量小；4）防氣竄能力強；5）水化體積收縮率??；6）力學性能好等[6，7]。

2 國內外頁巖氣井水泥漿技術

2.1 泡沫水泥

泡沫水泥自上世紀七十年代首次在油田得到成功應用以來，得到廣泛的發(fā)展并日趨成熟。泡沫水泥具有良好的失水控制性、泥漿頂替效率以及較低的液柱壓力等優(yōu)點，多用于低壓易漏失地層固井施工。泡沫水泥相對常規(guī)水泥還具備更好的拉伸和延展性能，不但可以有效防止壓裂井環(huán)空竄流，尤其是環(huán)空氣竄問題；還有利于人工壓裂造縫，增加產(chǎn)量。通常的制備方法是將氮氣注入含有泡沫穩(wěn)定劑的水泥基漿中，注入氣體量推薦控制范圍在35%以內，密度范圍一般在0.8～1.8g/cm3之間。隨著氣體量的增加滲透率和抗壓強度下降[8，9]。鑒于泡沫水泥的優(yōu)良特性，在美國頁巖氣井中得到廣泛的應用，并取得較好的經(jīng)濟效益。如在Oklahoma州Arkoma盆地Woodford頁巖氣井固井施工時以H級水泥作為基漿，用氮氣起泡，將密度調整為1.6～1.7g/cm3之間。施工時以非泡沫水泥作為領漿封固垂直井段，少量的非泡沫水泥尾漿被用來封固套管鞋連接處[10]。中國石化在涪陵頁巖氣田焦頁9井成功應用泡沫水泥封固嚴重漏失含氣層，固井質量優(yōu)于漂珠水泥，該泡沫水泥采用氮氣發(fā)泡，井下平均密度為1.55g/cm3[11]。

2.2 酸溶性水泥

酸溶水泥曾被用來暫時封堵易漏失產(chǎn)層[5]。采用常規(guī)水泥漿體系的水平段通常在射孔時會在套管和地層間形成具有一定彎曲度的通道，環(huán)空中的水泥產(chǎn)生的堵塞效應也會影響流體的流動，這些不利因素影響了頁巖氣井后續(xù)多級壓裂時在每個射孔位置成功實現(xiàn)獨立的人工裂縫以及在射孔段之間形成有效層間封隔的效果。添加一定量CaCO3的酸溶水泥相對常規(guī)水泥在鹽酸（HCl）中表現(xiàn)出更好的溶解性，其溶解度達到92%，而常規(guī)水泥的溶解度約為25%。酸溶的速度主要取決于水泥中CaCO3的溶解度和與酸液接觸的時間?？梢酝ㄟ^調整注入酸液的體積以及注入速率控制溶蝕程度。因此，先于壓裂液注入采用酸溶水泥的水平井中清除射孔處的水泥屑和堵塞，同時還在相應環(huán)空形成大片的連通區(qū)域從而為多級壓裂提供良好的施工環(huán)境。此外，酸溶水泥的強度較常規(guī)水泥下降，但還是足以支撐套管串并形成良好的層間封隔。在現(xiàn)場操作中，酸溶水泥在美國Fort Worth 盆地Barnett頁巖氣井中得到成功應用[12，13]。

2.3 泡沫酸溶水泥

如果固井層段地層脆弱，天然裂縫發(fā)育，常規(guī)密度酸溶水泥不能有效的實現(xiàn)層間封隔。在酸溶水泥中加入泡沫穩(wěn)定劑并充入氮氣制備成低密度的泡沫酸溶水泥。該體系同時集合了泡沫水泥和酸溶水泥的優(yōu)點，具有良好的力學性能和堵漏性能。典型的泡沫酸溶水泥的基漿為H級水泥，添加碳酸鈣增加溶解性，密度為1.9g/cm3。注入氮氣生成泡沫可將密度減輕至1.6 g/cm3。施工過程用少量非泡沫水泥作為領漿封固垂直井段，酸溶泡沫水泥封固水平段，尾漿采用少量非泡沫水泥封固套管鞋連接處[10]。

2.4 火山灰水泥

火山灰水泥利用火山灰和H級水泥作為基漿，摻比為50：50。該體系強度和密度中等，典型的密度在1.6～1.7g/cm3之間。體系的強度雖然較常規(guī)密度水泥漿低，但是卻在防漏失方面性能良好，尤其是在具有天然裂縫和煤層段固井時降低漏失和破裂壓力方面起到良好的作用。此外該體系還有利于壓裂作業(yè)，易于達到理想的壓裂效果。添加了降失水劑和防濾失控制材料的該體系也能有效的降低頁巖層的水泥濾失[10]。

2.5 膠乳水泥

膠乳是一種顆粒直徑在200～500nm的聚合物乳液，通常采用表面活性劑作為穩(wěn)定劑。固相含量一般在50%。添加膠乳的油井水泥具有良好的膠結性、抗腐蝕性、降失水性、抗沖擊和延展性等優(yōu)點。通常應用于易發(fā)生環(huán)空氣竄固井、小間隙固井以及含腐蝕介質固井。常用的膠乳為醋酸聚乙烯膠乳和丁苯膠乳[5]。水泥漿中氯離子會引起膠乳凝結使水泥漿粘度增大。此外低溫下應用還需要增加大量酒精、乙醚、硫酸鹽類穩(wěn)定劑和減阻劑來保證膠乳的懸浮穩(wěn)定性。美國Louisiana和Texas地區(qū)的Haynesville頁巖氣水平井具有大位移、高溫高壓、小間隙、壓力窗口窄的特點，給固井施工帶來了挑戰(zhàn)。Pavlock等采用一種改進的膠乳水泥漿體系成功解決了這一難題。該膠乳在不添加穩(wěn)定劑的條件下能在濃度為18%的鹽溶液中保持穩(wěn)定，添加少量穩(wěn)定劑能在飽和的濃鹽水中依然保持穩(wěn)定。該體系流變性好并在大溫差下依然保持穩(wěn)定，最高承受溫度可達204℃。水泥石良好的拉伸性和彈性有效防止環(huán)空氣竄的發(fā)生[6]。

2.6 彈性膨脹水泥漿

彈性膨脹水泥通過添加膨脹劑和彈性材料改善了水泥石收縮和彈性性能。相對常規(guī)水泥將能經(jīng)受多次循環(huán)應力變換，保證了水泥環(huán)長期完整性，防止出現(xiàn)環(huán)空氣竄[14]。彈性膨脹水泥固相含量可達60%，密度可以在1.6～1.9g/cm3之間調整，同時線性膨脹可達0.4%。美國Marcellus頁巖氣井中有25%出現(xiàn)了環(huán)空氣竄問題，Wiliams等根據(jù)該地區(qū)頁巖的力學性能設計了一種彈性膨脹水泥漿，和常規(guī)水泥漿相比，楊氏模量下降了40%～70%。固井施工方案將彈性膨脹水泥漿用在封固水平井段上部地層，水平井段采用常規(guī)水泥漿封固。該水泥漿在6口井得到了應用，超聲測井結果顯示固井質量達到設計要求[7]。

2.7 纖維韌性水泥

在水泥中添加一定比例的纖維可以增加水泥的抗沖擊性能。主要原理是纖維可以吸收和傳遞負荷，使水泥石在受到?jīng)_擊時能量能被分擔一部分。趙常青等[15]針對四川盆地頁巖氣井的特點研制出增韌水泥漿。該增韌水泥漿添加的纖維為高彈模纖維和低彈模纖維組合而成的不同長徑比的復合纖維。常規(guī)密度的增韌水泥能比常規(guī)水泥抗沖擊韌性和抗折強度分別增加了20%和10%～15%，彈性模量則下降了約20%。該水泥漿體系在川渝地區(qū)成功完成固井施工，保證了后續(xù)大規(guī)模分段壓裂的施工。

2.8 彈韌性水泥

在纖維水泥中加入彈性材料可以提高水泥石的彈性。譚春勤等[16]針對頁巖氣井固井需求研制開發(fā)了具有較高強度和彈塑性的彈韌性水泥漿體系。采用的經(jīng)過表面改性的彈塑性材料SFP-1與水泥漿配伍良好，基本不影響其流變性。采用的韌性材料SFP-2是經(jīng)過改性的，長度分別為3、5和6mm的聚丙烯纖維復合而成。該彈韌性水泥漿體系表現(xiàn)出更好的抗沖擊性和韌性，其彎曲韌性系數(shù)約為常規(guī)水泥石的2.4倍。該水泥漿體系已在黃頁1井得到成功應用，固井質量優(yōu)良。

3 結論

1）頁巖氣井地質條件復雜，容易出現(xiàn)井漏、氣竄現(xiàn)象。此外，頁巖氣井多采用大位移水平井，并在后續(xù)采取多級壓裂的儲層改造增產(chǎn)措施，這些因素對固井水泥漿體系有著更高的要求，水泥環(huán)良好的力學性能是保證多級壓裂成功并防止環(huán)空氣竄的重要因素之一。

2）不同的頁巖氣井固井水泥漿體系各具有獨特的優(yōu)良特性，在實際固井工作中，應結合國家環(huán)保法律法規(guī)、地質狀況、后續(xù)增產(chǎn)措施等方面設計出安全經(jīng)濟可靠的水泥漿體系。

3）當前，我國頁巖氣開發(fā)尚處于初期階段，對頁巖氣固井水泥漿技術從理論到實踐的研究還不夠深入，建議加強對配套多級壓裂增產(chǎn)措施井的水泥漿技術研究。

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