頁巖氣井環(huán)空帶壓防治難點分析及對策

宋建建， 陳小龍， 許明標(biāo),， 吳宇萌， 王曉亮

(1長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司 3長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心)

環(huán)空帶壓是指井口處套管環(huán)空的壓力經(jīng)過泄壓后又重新恢復(fù)到泄壓前的壓力水平的現(xiàn)象[1-2]。隨著我國天然氣需求量的增加，頁巖氣開發(fā)越來越受到重視。目前中國頁巖氣開發(fā)處于起步階段，涪陵焦石壩頁巖氣田是我國第一個大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田，根據(jù)現(xiàn)場資料顯示，焦石壩頁巖氣田已投產(chǎn)井環(huán)空帶壓比例遠(yuǎn)高于正常氣井環(huán)空帶壓比例，環(huán)空帶壓現(xiàn)象嚴(yán)重。環(huán)空帶壓不僅影響頁巖氣井的產(chǎn)量和開采安全，嚴(yán)重時造成氣井報廢。

氣井環(huán)空帶壓形成的原因主要有套管和油管密封失效、固井封固質(zhì)量差、固井后封固系統(tǒng)完整性遭到破環(huán)[3]。環(huán)空帶壓的預(yù)防和治理是一個復(fù)雜的過程，開發(fā)過程中的任何一項施工都可能造成環(huán)空帶壓隱患。有的工藝在施工初期可能達到了開采要求，但隨著后續(xù)各種作業(yè)的影響或開采時間的延長，環(huán)空帶壓現(xiàn)象開始出現(xiàn)并逐漸嚴(yán)重。為避免環(huán)空帶壓情況發(fā)生，開采過程中每個環(huán)節(jié)都需要引起足夠的重視，對沒有出現(xiàn)的問題及時防御，對已經(jīng)出現(xiàn)的問題進行技術(shù)上的處理。筆者從分析頁巖氣井環(huán)空帶壓防治難點出發(fā)，指出常規(guī)油氣井環(huán)空帶壓防治方法在頁巖氣井中的適用性，提出頁巖氣井環(huán)空帶壓防治對策，確保頁巖氣井安全、高效開發(fā)。

一、頁巖氣井環(huán)空帶壓防治難點

頁巖氣開發(fā)施工工藝復(fù)雜，作業(yè)過程容易造成環(huán)空帶壓隱患，要對環(huán)空帶壓進行有效防治，需要解決以下難題。

1.套管密封失效處理難度大

頁巖氣井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若井筒內(nèi)發(fā)生套管漏失，漏失點很難確定，且誤射孔、壓裂導(dǎo)致套管損壞大多發(fā)生在水平段，對套管密封修復(fù)提出了更大挑戰(zhàn)。

頁巖氣水平井采用分段壓裂完井的方式開采，在儲層改造的過程中，要實現(xiàn)安全有效的地層壓裂，需要套管有很好的承壓能力，頁巖氣井壓裂時套管所需要承壓能力通常在70～110 MPa，且分段壓裂周期較長，一般需持續(xù)7～10 d，對套管密封失效修復(fù)后承壓能力提出了更高的要求，處理難度更大。

2.長水平段油基鉆井液鉆進固井質(zhì)量難保證

在頁巖氣鉆井過程中，為了保障井眼穩(wěn)定和清潔，降低水平井作業(yè)的高摩阻對鉆井作業(yè)的影響，通常采用油基鉆井液鉆進，常規(guī)固井前置液很難對其清除，殘留在井眼中的油基鉆井液及濾餅嚴(yán)重影響著固井一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量[4]。

頁巖氣井多級壓裂對水泥環(huán)和巖層的作用是高壓在極短的時間內(nèi)完成的，頁巖氣水平井需要使用經(jīng)過射孔及多次壓裂后仍能夠保持水泥石完整性的水泥漿體系[5]，所使用的水泥漿體系需具有低濾失、無自由液、高沉降穩(wěn)定性、微膨脹等性能。

此外，由于重力作用，頁巖氣井水平段套管往往偏向下井壁，套管柱與井壁的間隙變小，套管居中度差，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[6]。

3.固井后施工作業(yè)對水泥環(huán)和套管外加載荷復(fù)雜

盡管固井專家可以利用各種技術(shù)增強水泥基質(zhì)對各種應(yīng)力的抵御力，但一旦水泥環(huán)完整性遭到破壞，這些技術(shù)將無法發(fā)揮作用。射孔完井作業(yè)過程中，瞬間產(chǎn)生的沖擊高壓可能破壞水泥石。同時，頁巖氣井壓裂施工壓力高、周期長，當(dāng)受到壓裂產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷作用時,水泥環(huán)受到較大的內(nèi)壓力和沖擊力,引起水泥環(huán)徑向斷裂或破碎[7]。

壓裂和后續(xù)開發(fā)作業(yè)過程中產(chǎn)生的劇烈的壓力和溫度變化，由套管內(nèi)傳遞到套管外的水泥石，當(dāng)套管受壓受熱膨脹時，若水泥環(huán)遭受的應(yīng)力高于水泥石強度，會造成水泥環(huán)內(nèi)部微裂縫的生成[8]。而在壓力或溫度下降后，套管收縮又會引起水泥環(huán)與套管界面膠結(jié)失效，形成微環(huán)隙。微裂縫或微環(huán)隙引起層間溝通，將直接導(dǎo)致環(huán)空氣竄，引起環(huán)空帶壓。

二、常規(guī)環(huán)空帶壓防治方法在頁巖氣井中的適用性

由于頁巖氣開發(fā)工藝的特殊性，常規(guī)油氣井環(huán)空帶壓預(yù)防、控制、治理方法在頁巖氣井中并不完全適用，但也有可以借鑒的技術(shù)。

常規(guī)油氣井環(huán)空帶壓預(yù)防和控制方法應(yīng)用于頁巖氣井的不足之處在于：①套管密封失效修復(fù)后，套管承壓能力不能滿足頁巖氣分段壓裂的要求。目前常規(guī)油氣井套管漏失修復(fù)技術(shù)的研究與應(yīng)用，國內(nèi)有一些成功的案例，套管漏失封堵后套管承壓一般在30～55 MPa[9-10]，但頁巖氣井壓裂施工壓力通常大于70 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足頁巖氣井壓裂的要求；②常規(guī)清洗液對油基鉆井液清洗效率低,不能保證頁巖氣固井質(zhì)量；③固井水泥石抵御外力破壞能力不足，壓裂等作業(yè)后水泥環(huán)損壞嚴(yán)重。頁巖氣井壓裂施工壓力高且周期長，要求水泥石具有高韌性以抵御高外加載荷的反復(fù)作用，常規(guī)油氣井水泥石彈性模量一般在6～10 GPa[11-12]，不能達到頁巖氣固井對水泥石要求。

針對固井后水泥環(huán)完整性破壞后的修復(fù)，國內(nèi)外研究的氣竄治理技術(shù)可為頁巖氣環(huán)空帶壓防治提供借鑒。

三、頁巖氣井環(huán)空帶壓防治對策

1.套管密封失效修復(fù)技術(shù)

針對套管絲扣損壞而造成的密封失效，在套管運輸過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制套管裝卸操作，采用套管絲扣膠帽保護絲扣；在套管入井前，套管連接上扣結(jié)束后，進行絲扣氣密封性測試，對絲扣密封不佳的情況在地面就及時處理。

對于井下套管密封失效，可采用套管微孔堵漏技術(shù)和套管破損堵漏技術(shù)解決。

1.1 套管微孔漏失堵漏技術(shù)

針對入井后套管絲扣密封失效等套管微孔漏失，微孔高效套管承壓堵漏技術(shù)是有效的解決方法之一，要求堵漏漿具有良好的流動性和密封能力，在堵漏漿進入微小漏失位置時及時停留，性能隨溫度變化可調(diào)，作業(yè)時間可控[13]。同時，對于漏失位置難以確定的井，可進行大井段盲堵，封堵滲漏點。頁巖氣井進行微孔堵漏后，其承壓能力至少需達到70 MPa以上。2014年，長江大學(xué)研制的套管密封修復(fù)液體系在涪陵頁巖氣田某套管絲扣漏失井首次應(yīng)用并獲得成功，試壓壓力持續(xù)穩(wěn)定在90 MPa，井筒無漏失。

1.2 套管破損堵漏技術(shù)

針對壓裂過程中套管破損引起的密封失效，可采用“模擬砂堵”技術(shù)進行封堵。堵漏漿體系由多種不同粒徑固體顆粒封堵劑以及分散凝膠液組成。施工時，固體顆粒在施工壓差作用下進入套管破損處，在裂縫或孔內(nèi)形成顆粒級配封堵層。隨后，向封堵層擠入化學(xué)分散凝膠液，凝膠液很快與堵漏顆粒形成具有高強度的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著化學(xué)凝膠液的不間斷擠入，充填了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空隙，將固體顆粒牢牢凝聚在一起，形成高強度封堵層封堵套管破損處。這項技術(shù)在涪陵頁巖氣田某壓裂套管破損井中應(yīng)用，實現(xiàn)了較好的封堵效果。

2.提高油基鉆井液鉆進水平井封固質(zhì)量

良好且穩(wěn)定的固井封固質(zhì)量，是有效預(yù)防環(huán)空帶壓的關(guān)鍵。固井的目的是在井筒環(huán)空形成有效封隔油氣水層的環(huán)空屏障[14]，為有效提高頁巖氣固井封固質(zhì)量，可考慮以下幾項對策。

2.1 研究具有優(yōu)異性能的高彈韌性水泥漿體系

彈韌性水泥漿體系是保證頁巖氣水平井固井質(zhì)量，預(yù)防環(huán)空帶壓形成的重要技術(shù)[15]。水泥環(huán)應(yīng)具有高彈韌性和適中的抗壓強度，才能抵抗分段壓裂帶來的沖擊載荷而不致破碎[16]。國內(nèi)外頁巖氣水平井固井的經(jīng)驗表明，頁巖氣固井水泥漿體系性能要求是水泥漿失水量小于50 mL，靜膠凝強度轉(zhuǎn)化時間小于45 min，線性膨脹率0.2%～0.5%,楊氏模量2.4～6.2 GPa，48 h抗壓強度大于14 MPa[17-18]。此外，由于頁巖氣井水平段長，水泥漿自由液和沉降穩(wěn)定性也需要控制在較好的范圍內(nèi)，水泥石上下密度差需小于0.03 g/cm3，以API標(biāo)準(zhǔn)測試水泥漿自由液為0 mL[19]。

國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)使用的彈韌性水泥漿體系主要包括了膠乳水泥漿體系、纖維增韌水泥漿體系、新型彈塑性水泥漿體系等，所使用的彈韌性材料主要是膠乳、橡膠、樹脂、纖維、聚合物彈性顆粒等。

2.2 使用高效清洗液體系

在清洗液中采用活性清洗劑，使清洗液在較短的接觸時間內(nèi)對濾餅進行有效滲透并將其剝離后隨清洗液帶走，通過對井壁和套管的沖刷，進而進行有效的水濕，增強水泥漿同井壁及套管的親和力，整理規(guī)劃井壁和套管環(huán)空壁面，提高第一界面膠結(jié)強度，改善第二界面膠結(jié)強度，進一步改善封固質(zhì)量。涪陵頁巖氣田使用的由特種表面活性劑、滲透剝離劑、增溶乳化劑、潤濕反轉(zhuǎn)劑等復(fù)合組成的高效油基清洗液體系，具有優(yōu)異的清洗、增溶、潤濕、滲透和剝離效果，現(xiàn)場應(yīng)用效果好，固井合格率100%，優(yōu)質(zhì)率達到90%以上[20]。

2.3 提高固井頂替效率

(1)優(yōu)化扶正器設(shè)計，提高套管居中度。扶正器設(shè)計既要保證套管居中度，又要考慮套管下入安全。水平段采用滾輪式剛性扶正器、整體式彈性扶正器改善套管居中度。此外，為套管入井安全，水平段位置彈性扶正器與剛性扶正器交替使用，扶正器安放密度根據(jù)井況設(shè)計，每2～3根安放一個扶正器。

(2)使用模擬軟件優(yōu)化固井工藝。為保證頁巖氣固井質(zhì)量，需要頂替效率超過90%。通過固井模擬軟件可以對整個固井程序進行模擬，包括不同扶正器加放方式的套管居中度、不同漿體流速下的頂替效率、各個施工階段下的井口壓力與環(huán)空壓力等。

3.水泥環(huán)完整性破壞后修復(fù)技術(shù)

3.1 自修復(fù)水泥漿技術(shù)

自修復(fù)水泥漿技術(shù)是解決水泥環(huán)微裂縫或微環(huán)隙問題的一項新技術(shù)，其設(shè)計原理是在水泥漿配方中加入一種能對井下竄流氣體進行自動回應(yīng)的材料。當(dāng)水泥環(huán)被破壞引起氣竄時，水泥石中的自修復(fù)材料被激活，對水泥環(huán)“傷口”進行自動修復(fù)。這類材料一旦被激活，就可以封堵水泥環(huán)損害層，自動形成一個完整的屏障，若有進一步的損害發(fā)生，體系可以再次被激活，直至不再發(fā)生氣體竄流。目前較有前途的自修復(fù)材料包括高分子材料、自愈合凝膠、瀝青材料等[21]。Muhammad Ali、J.A. Vargas Bermea、Salim Taoutaou等人對自修復(fù)水泥漿進行改進，研究出了一種柔性膨脹自修復(fù)水泥漿技術(shù)，該技術(shù)是柔性膨脹水泥漿與自修復(fù)技術(shù)的結(jié)合，通過加入配伍性優(yōu)良的增韌材料和自修復(fù)材料，保證水泥石柔韌性的同時兼具對氣竄通道的自修復(fù)性[22-24]。

3.2 高強高膠結(jié)密封膠塞技術(shù)

要對已發(fā)生的環(huán)空帶壓進行治理，就需要采用技術(shù)體系將氣竄通道封堵，切斷氣體積聚來源。高強高膠結(jié)密封膠塞技術(shù)，是從水泥環(huán)空上部向竄流通道返擠密封膠液，膠液凝固后在竄流通道頂部對氣竄進行堵塞。由于氣竄通道是水泥石微裂縫壁面或膠結(jié)破壞后的粗糙套管界面，要求密封膠塞具有高強度且與水泥石有很高的膠結(jié)能力，這樣才能在微裂縫或微環(huán)隙中有效固化粘結(jié)，阻止氣體竄流至井口。此外，密封膠液還需要具有高剪切下良好的流動性能和低剪切下瞬間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特性，使膠液能順利擠入微裂縫或微環(huán)隙，在擠入指定位置后最大程度避免“回吐”。

David W. Rusch等人[25]和Al-Ansari等人[26]分別提出使用壓力活性密封膠和熱激活樹脂治理環(huán)空帶壓。兩種技術(shù)方法都是向水泥環(huán)漏失微裂縫和微環(huán)隙內(nèi)擠入封堵液，封堵液在一定條件下固化，并與漏失通道壁面膠結(jié)，隔離壓力積聚來源，阻止環(huán)空帶壓形成。

四、結(jié)論

(1)頁巖氣井環(huán)空帶壓防治難點主要有套管密封失效處理難度大、長水平段油基鉆井液鉆進固井質(zhì)量難保證、固井后施工作業(yè)對水泥環(huán)和套管外加載荷復(fù)雜三個方面。

(2)常規(guī)油氣井環(huán)空帶壓防治措施在頁巖氣井中應(yīng)用的不足之處在于：套管漏失修復(fù)后承壓能力達不到頁巖氣井壓裂要求，常規(guī)清洗液對水平井油基鉆井液清洗效率低，水泥石韌性不能滿足頁巖氣井壓裂要求。

(3)針對頁巖氣井環(huán)空帶壓特點，提出使用微孔高效套管承壓堵漏技術(shù)和新型破損套管漏失封堵技術(shù)修復(fù)套管密封失效；通過研究高韌性水泥漿體和高效油基鉆井液清洗液體系，并提高固井頂替效率，提高頁巖氣井固井質(zhì)量；采用自修復(fù)水泥漿技術(shù)和高強高膠結(jié)密封膠塞技術(shù)治理水泥環(huán)破壞引起的環(huán)空帶壓。