水基鉆井液鉆進頁巖氣儲層段配套固井技術(shù)與應(yīng)用

吳宏杰 (中國石化江漢石油工程公司，湖北 潛江 433121)

為了促進頁巖氣鉆井液體系朝著綠色環(huán)保的方向發(fā)展[1,2]，中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司在焦頁18號平臺部署了第一口水基鉆井液穿行頁巖層位的試驗井焦頁18-10HF。該井垂深2867m，水平段段長1348m，在經(jīng)歷22d的鉆進后，最終完成了三開水平段鉆進。由于頁巖地層具有強水敏性、微裂縫發(fā)育等特征，易發(fā)生水化分散[3～5]。所以，固井過程中如何保障井壁穩(wěn)定、避免頁巖水化分散、提高套管居中度、改善不規(guī)則井壁段的沖洗效率將是決定固井作業(yè)成功的關(guān)鍵。

1 基本情況

焦頁18-10HF井設(shè)計井深4560.00m。2019年4月6日一開鉆進，5月26日二開鉆進，6月14日三開鉆進，完鉆井深4434m，水平段長1348m。其井身結(jié)構(gòu)和使用的鉆井液的性能分別見表1和表2。

表1 井身結(jié)構(gòu)

表2 鉆井液的性能

2 固井作業(yè)難點分析

2.1 套管下入難點

1)相對于油基鉆井液而言，水基鉆井液鉆進頁巖氣井，摩阻系數(shù)偏大(油基鉆井液摩阻系數(shù)0.2～0.25，水基鉆井液摩阻系數(shù)0.35～0.40，相對摩擦系數(shù)增長60%～75%)，模擬顯示套管下入摩阻增大40%～60%。

2)水平井段在井壁側(cè)向力大，水平段較長及井壁虛泥餅較厚的條件下易造成套管下入困難[6～8]。

3)水平井段套管所受的重力方向不是軸向而是徑向，極易造成套管偏心，甚至貼邊，這一方面會增加套管下入摩阻，另一方面致使套管居中困難。

2.2 提高頂替效率難點

1)水基鉆井液濾餅較油基鉆井液濾餅厚度增加250%(油基鉆井液濾餅厚度通常在0.2cm左右，而水基鉆井液濾餅厚度多在0.5cm)，較厚的濾餅既需要性能優(yōu)越的沖洗液，又需要更長時間的沖洗或者更快流速的沖洗，沖洗液的環(huán)空返速與沖洗效率直接影響頂替效果，進而影響固井質(zhì)量。因此，需要根據(jù)濾餅的沖刷效果試驗重新確定沖洗液和流速。

2)在頁巖段鉆進過程中出現(xiàn)不同程度的掉塊，井徑不規(guī)則，井段呈“糖葫蘆”樣，井段內(nèi)殘留的鉆井液較難驅(qū)替干凈，水泥漿的膠結(jié)質(zhì)量難以保障。

3)套管居中度低致使套管低邊鉆井液驅(qū)動困難，水平段更容易發(fā)生竄槽問題[9,10]，要解決相關(guān)問題還需要增加扶正器安放數(shù)量。

2.3 防漏、防塌難點

1)由于在頁巖段鉆進過程中有掉塊現(xiàn)象發(fā)生，若水泥漿失水量稍大或水泥漿密度偏低都有可能造成施工過程中出現(xiàn)垮塌，影響施工作業(yè)安全。

2)焦頁18號平臺鄰井存在層間壓裂串通的問題，且中途鉆進中鉆遇澗草溝組(澗草溝組屬于破碎帶)，固井施工時存在漏失可能。

3)焦頁18號平臺鄰井在鉆井過程中氣侵較為嚴重，氣層較為活躍，在漿柱結(jié)構(gòu)壓穩(wěn)及水泥漿防竄性能方面要求較高，即壓穩(wěn)、防竄要同時兼顧[11,12]。

2.4 固井流體設(shè)計難點

1)水基鉆井液濾餅較厚，沖刷較為困難，固井前置液需要具有良好的沖刷、剝離效果。由于井壁存在失穩(wěn)風險同時需要前置液具有良好的頁巖膨脹抑制能力，所以雙效抑制型前置液體系是頁巖水基鉆井液固井最佳選擇。

2)由于固井過程中存在漏失和井壁失穩(wěn)風險，要求水泥漿除了具有良好的穩(wěn)定性和防竄能力外，還要求水泥漿具有防漏和低失水性能[13～15]，盡量保障固井過程中壓穩(wěn)防漏。

3)氣層較為活躍，水泥漿防竄要求較高，首先保障固井過程中壓穩(wěn)防竄，其次要保障候凝過程中防竄，需要水泥漿防竄性能提升[16～18]，也需要改進防竄工藝技術(shù)措施。

3 固井技術(shù)措施

3.1 模擬通井確保套管順利下入

1)嚴格執(zhí)行模擬通井技術(shù)措施，且保證通井鉆具的剛性不低于套管柱的剛性并對縮徑、遇阻井段進行擴劃眼，確保套管順利下入。

2)通井到底后要小排量頂通循環(huán)，待泵壓正常后，逐步提高排量，最后達到大排量(大于1.60m3/min)循環(huán)鉆井液充分洗井，調(diào)整好鉆井液性能，保證井眼干凈無沉砂。

3)洗井完成后，維護好鉆井液性能，可適當加入石墨類潤滑劑降低摩阻，為順利下入套管做好準備。

4)根據(jù)完井通井起下鉆摩阻數(shù)據(jù)，反演出摩阻系數(shù)，確定套管的下入及扶正器安放位置。

5)在扶正器安放方面，水平井段每1根套管安放1只扶正器，采用剛性滾珠扶正器和彈性扶正器交替安放；造斜段按照每3根套管安放1只剛性扶正器；直井段要求每5根套管安放1只剛性扶正器。

3.2 優(yōu)化前置液方案提高頂替效率

1)隔離液設(shè)計方案：同密度低黏先導(dǎo)泥漿+雙效抑制型隔離液。

2)固井前最后1周循環(huán)，將鉆井液的屈服值和靜切力適當降低。

3)固井施工前注入冷卻的先導(dǎo)泥漿(漏斗黏度≤65s)25m3。

4)套管到底后，最終循環(huán)排量要達到1.60m3/min，確保固井施工排量。

5)在隔離液中加入硬質(zhì)纖維，兼顧增強擾動沖刷和防漏效果。

6)隔離液、水泥漿按最小的密度差梯度，在高固相的水基鉆井液條件下，水平段能減少高低邊流動差異，從而達到更好的頂替效果。

3.3 優(yōu)化水泥漿性能側(cè)重防漏、防塌

1)做好提承壓試驗，確保固井施工安全。

2)循環(huán)時鉆井液進出口密度差不大于0.02g/cm3，壓穩(wěn)氣層后方可進行下套管及固井施工作業(yè)。

3)采用平衡壓力固井，設(shè)計合理的隔離液、水泥漿密度以及適當?shù)墓叹┕?shù)。

4)在隔離液中加入硬質(zhì)纖維增加防漏效果。

5)在領(lǐng)漿里加入堵漏復(fù)合纖維，固井施工時進行防漏處理預(yù)防漏失，提高固井質(zhì)量。

6)控制水泥漿密度及注替排量，若固井施工發(fā)生漏失，適當降低注替排量，確保固井質(zhì)量。

3.4 優(yōu)化施工參數(shù)，采用環(huán)空加壓雙防技術(shù)提高固井質(zhì)量

1)合理設(shè)計漿柱結(jié)構(gòu)，采用雙凝雙密度防竄韌性水泥漿體系，領(lǐng)漿性能在保證穩(wěn)定性良好的前提下，盡量使用低切力有利于壓穩(wěn)，同時領(lǐng)、尾漿稠化時間大于60min，保證在尾漿失重的情況下，上部水泥漿對地層流體的靜態(tài)壓穩(wěn)。

2)保持固井注水泥漿排量始終接近大泵循環(huán)排量，確保固井施工過程中的動態(tài)壓穩(wěn)。

3)施工結(jié)束后環(huán)空加回壓必須在尾漿靜膠凝強度形成后進行作業(yè)，防止壓漏地層。

4 水泥漿室內(nèi)研究

頁巖地層的水敏性強、微裂縫發(fā)育，易發(fā)生水化分散，是造成井壁掉塊與失穩(wěn)的主要原因。頁巖氣水平井固井質(zhì)量提升的要素之一在于井壁泥漿濾餅?zāi)芊裼行宄?。目前常用的沖洗液、隔離液通常用淡水配制，淡水的體積占比在60%以上，直接用來沖刷井壁，頁巖水化膨脹、分散的機率大大提升，固井作業(yè)風險極高。所以選擇具有頁巖抑制效果和濾餅剝離與沖刷效果的雙效抑制型沖洗隔離液作為頁巖段水平井固井作業(yè)的前置液。

針對頁巖層段固井水泥漿體系，選擇零自由水膠乳韌性防竄水泥漿體系進行固井作業(yè)。利用膠乳的“壓差成膜”特性降低水泥漿濾液向地層滲透，一方面極大地降低了水泥漿失水，另一方面提升了水泥漿的防氣竄效果。

4.1 雙效抑制型隔離液室內(nèi)評價

4.1.1 雙效抑制型隔離液清洗效率評價

為了評價雙效抑制型隔離液的清洗效率，采用如下步驟進行試驗：將配制好的油基鉆井液按高溫高壓失水方法壓制濾餅；用橡皮筋將濾餅固定在六速旋轉(zhuǎn)黏度計的外筒上(轉(zhuǎn)子不裝)；將配制好的清洗液裝入杯中(升至目標溫度)，打開黏度計開關(guān)，在固定轉(zhuǎn)速(一般300r/min)下旋轉(zhuǎn)固定的時間(一般10min)，取出后，查看濾餅清洗效果，并拍照；計算清洗效率：

(1)

式中：ηA為清洗效率，%；G0為轉(zhuǎn)筒和濾紙質(zhì)量(由于壓濾餅的那張濾紙無法稱重，因此濾紙要測預(yù)先潤濕的濾紙重量，潤濕幾張濾紙，取平均值作為空白的質(zhì)量)，g；G1為壓濾餅后轉(zhuǎn)筒和濾紙的質(zhì)量，g；G2為清洗后轉(zhuǎn)筒和濾紙的質(zhì)量，g。

室內(nèi)測試的試驗過程見圖1，試驗結(jié)果見表3。

表3 沖刷時間與清洗效率

由表3可見，在沖刷5min后濾餅的清洗效率可達64%，在沖刷10min后濾餅的清洗效率可達92%，可見雙效抑制型隔離液具有較好的沖刷剝離濾餅的作用。

4.1.2 雙效抑制型隔離液抑制性能評價

評價隔離液對頁巖的抑制性能，室內(nèi)主要采用分散性試驗-滾動回收率方法。試驗步驟：取干燥的龍馬溪組露頭土和鉆屑，粉碎，取巖樣6～10目部分；在加熱老化罐中加入350mL水或隔離液和50g篩取的巖樣；將老化罐放入滾子加熱爐中滾動4h(控制所需溫度)；冷卻后倒出，過40目篩，取篩上部分巖樣干燥稱重；計算滾動回收率：

(2)

式中：ηB為滾動回收率，%；M為滾動后收集的巖樣質(zhì)量，g。

室內(nèi)評價的隔離液體系抑制性結(jié)果見表4。由表4可見，質(zhì)量分數(shù)為30%的隔離液具有較強的頁巖抑制能力，針對龍馬溪組露頭土的滾動回收率達89.56%，針對頁巖鉆屑的滾動回收率達96.32%，能夠有效保障井壁穩(wěn)定性。

表4 體系抑制性能評價

4.2 韌性防竄水泥漿體系室內(nèi)評價試驗

頁巖儲層段固井水泥漿體系采用雙凝雙密度水泥漿體系設(shè)計；尾漿采用零自由水膠乳韌性防竄水泥漿，領(lǐng)漿采用纖維低密度防竄防漏水泥漿體系。水泥漿嚴格控制失水量與自由水量，領(lǐng)漿中添加了質(zhì)量分數(shù)為0.2%的防漏、堵漏纖維，用于提升低密度領(lǐng)漿的防漏、堵漏能力。尾漿和領(lǐng)漿的基本性能測試結(jié)果分別見表5和表6。

表5 零自由水膠乳韌性防竄水泥漿性能

表6 纖維低密度防竄防漏水泥漿性能

由表5可以看出，零自由水膠乳韌性防竄水泥漿的失水量較低，無自由液產(chǎn)生，且沉降穩(wěn)定性好，養(yǎng)護強度可達23.5MPa，彈性模量數(shù)據(jù)顯示水泥漿具有較好的彈韌性。由表6可以看出，纖維低密度防竄防漏水泥漿體系的基本性能較好，漿體性能穩(wěn)定，且漏失控制能力強。2種水泥漿體系共同使用且兼具防漏與防竄功能，能夠有效保障水基鉆井液頁巖段的固井質(zhì)量。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

焦頁18-10HF井于2019年7月14日進行固井施工作業(yè)，注入密度1.60g/cm3先導(dǎo)泥漿25m3，注入1.60g/cm3雙效抑制型隔離液19.8m3，注入水泥漿103.3m3(其中領(lǐng)漿42m3，尾漿61.3m3)。注水泥漿排量1.55m3/min，替漿排量1.55～0.8m3/min；注水泥漿領(lǐng)漿密度1.62g/cm3，尾漿密度1.87g/cm3。施工過程順利，碰壓25～28MPa，水泥漿返出地面2m3，環(huán)空憋壓8MPa，72h候凝，全井段固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，平均聲幅值在10%以內(nèi)(見圖2)。

6 結(jié)論與建議

1)分析了水基鉆井液鉆進頁巖氣儲層段的配套固井作業(yè)的技術(shù)難點，提出4項技術(shù)措施解決相關(guān)問題：精準模擬通井，確保套管順利下入；優(yōu)化前置液方案，提高頂替效率；優(yōu)化水泥漿性能，側(cè)重防漏、防塌；優(yōu)化施工參數(shù)附加環(huán)空加壓雙技術(shù)提高固井質(zhì)量。

2)雙效抑制型隔離液體系不僅具有較好的沖刷、剝離濾餅的作用(濾餅的沖洗效率可達92%)，而且還具有較強的頁巖抑制能力，當質(zhì)量分數(shù)為30%時，其滾動回收率高達96.32%。

3)雙凝雙密度水泥漿體系設(shè)計能較好滿足頁巖儲層段固井作業(yè)，尾漿選擇零自由水膠乳韌性防竄水泥漿體系，失水量控制在40mL以內(nèi)，自由水量為0，水泥漿的彈性模量控制在6.6GPa，確保水泥漿有效封固；領(lǐng)漿選擇纖維低密度防竄防漏水泥漿體系，失水量控制在50mL內(nèi)；水泥漿應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性，密度差控制在0.02g/cm3內(nèi)。

4)順利完成了焦石壩區(qū)塊第一口水基鉆井液鉆進頁巖儲層段的固井作業(yè)，經(jīng)過72h的候凝，測井曲線顯示全井段平均聲幅幅值在10%以內(nèi)。