頁巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)及對策研究

王澤林

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司技術(shù)管理中心，黑龍江大慶163000）

1 概述

近年來，隨著我國石油及天然氣資源需求量的持續(xù)增加，國內(nèi)油氣田生產(chǎn)能力滿足不了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求，能源自給率嚴(yán)重不足，對進(jìn)口的依賴程度上升。為了改變這種不利局面，國內(nèi)油氣田加大了勘探開發(fā)力度，在常規(guī)油氣資源難以獲得突破的情況下，非常規(guī)油氣資源成為勘探的熱點(diǎn)，其中尤以頁巖氣受到青睞，在四川取得了較好的勘探效果。我國頁巖氣資源量豐富，勘探開發(fā)潛力巨大，在四川頁巖氣開發(fā)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。頁巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層不同，儲(chǔ)集巖性多為頁巖，屬于低孔低滲，甚至是特低孔、特低滲儲(chǔ)層，為了實(shí)現(xiàn)對頁巖氣資源的有效開發(fā)，多選用長水平段水平井，水平段長度達(dá)上千米，并且采用大規(guī)模壓裂的方式增產(chǎn)。頁巖氣水平井由于水平段長、井壁穩(wěn)定性差等原因[1]，給固井帶來了難題，加強(qiáng)對頁巖氣水平井固井難點(diǎn)分析，采取相應(yīng)措施提升頁巖氣水平井固井質(zhì)量，具有重要意義。

2 固井流程及技術(shù)要點(diǎn)

固井的目的就是要保護(hù)油氣井套管、穩(wěn)固井壁，封隔地層內(nèi)的油氣，避免出現(xiàn)油氣水竄層的情況，提升開采效果，延長油氣井使用壽命。同時(shí)固井也是為接下來的試油試采、壓裂及采油生產(chǎn)打下基礎(chǔ)，固井質(zhì)量好壞不僅影響接下來的施工作業(yè)，還影響油氣井產(chǎn)量及使用壽命，固井質(zhì)量必須得到保障[2]。

固井的一般流程是先向井筒內(nèi)下入套管，然后裝上水泥頭，循環(huán)鉆井液做好固井的準(zhǔn)備工作。然后在向井筒內(nèi)先注入隔離液，水泥漿泵車作用下向井筒內(nèi)泵入水泥漿，注入足夠量水泥漿（滿足填充套管外環(huán)空間的需求），然后向井筒內(nèi)注入鉆井液，頂替井筒內(nèi)的水泥漿。水泥漿達(dá)到套管外環(huán)空間一定需要一定的時(shí)間達(dá)到凝固的效果，這個(gè)時(shí)間稱為候凝時(shí)間，時(shí)長通常為24h 或48h，或者更長時(shí)間。當(dāng)水泥漿充分凝固，強(qiáng)度達(dá)到要求后，就可以開展后續(xù)施工作業(yè)。

固井過程中有幾個(gè)施工要點(diǎn)，對于水平井來說，由于井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何保證套管順利下入，在造斜段套管下入的摩擦阻力較大。套管在井筒內(nèi)的居中度影響后期注水泥效果，需要采取相應(yīng)技術(shù)措施來保障套管居中度滿足要求，避免出現(xiàn)居中度不好，導(dǎo)致出現(xiàn)竄槽現(xiàn)象。此外，水泥漿性能也比較關(guān)鍵，影響水泥環(huán)強(qiáng)度。

3 頁巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)

水平井井身結(jié)構(gòu)特殊，由于其具有較長的水平段，能夠保持井眼在儲(chǔ)層中穿行，與儲(chǔ)層接觸面積大，控制儲(chǔ)量范圍較廣，采用效果好，增產(chǎn)效果明顯。但特殊的井身結(jié)構(gòu)也給固井施工帶來了難題。

3.1 頁巖氣水平井易形成巖屑床

水平井具有較大水平段，在鉆井過程中，由于目的層地層變化，使得鉆探目的不明確，當(dāng)?shù)貙悠鸱^大，鉆頭軌跡需要頻繁調(diào)整，以控制軌跡在儲(chǔ)層中穿行，以保證儲(chǔ)層鉆遇率。由此導(dǎo)致井眼軌跡不能按照預(yù)定軌跡進(jìn)行，導(dǎo)致井眼結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。由于井眼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖屑在返回過程中，在重力作用下，在水平段容易在井壁下方大量堆積，形成巖屑床使得井眼愈加不規(guī)則，在注水泥時(shí)，由于巖屑床的存在，在這些部位鉆井液頂替效果不好，使得水泥膠結(jié)后，形成的水泥環(huán)中會(huì)有間隙，不僅影響了水泥環(huán)的完整性，還會(huì)導(dǎo)致油氣水竄槽，影響固井質(zhì)量[3]。

針對巖屑床的問題，對于水平井，在固井前應(yīng)進(jìn)行井眼清潔，對于巖屑床比較嚴(yán)重的部位，應(yīng)進(jìn)行劃眼清除巖屑床，劃眼清除巖屑床的效果比較好，能夠有效改善井眼狀況。此外，還可以采取加大鉆井液排量的方法來循環(huán)鉆井液，也可以起到破壞巖屑床的效果。

3.2 注水泥竄槽

注水泥過程中，水泥漿頂替效率直接影響固井質(zhì)量。由于注水泥漿時(shí)水泥漿在井眼內(nèi)是呈尖峰狀向前流動(dòng)的，不是平行向前頂替，會(huì)導(dǎo)致套管外環(huán)空間中部分井段沒有被水泥完全封堵，固井水泥環(huán)完整性難以保證，這些水泥間隙為油氣水流動(dòng)提供了通道，會(huì)誘發(fā)水泥竄槽。造成竄槽的原因歸結(jié)起來有以下幾種：一是套管居中度不好。由于井眼不規(guī)則，套管下入時(shí)沒有安裝扶正器，造成套管貼近一邊井壁，不僅影響水泥漿頂替效果，在套管外環(huán)空間的狹窄部位，容易出現(xiàn)竄槽的情況；二是水泥漿密度不夠，水泥漿配置太稀，導(dǎo)致水泥漿流動(dòng)性強(qiáng)，在井眼內(nèi)與鉆井液相混，使得固井質(zhì)量受到影響，導(dǎo)致出現(xiàn)竄槽的情況；三是井壁不規(guī)則，頁巖地層遇水膨脹，使得出現(xiàn)縮徑、地層坍塌等情況，井壁不規(guī)則，在這些部位水泥漿頂替呈尖峰狀，頂替效果差，容易出現(xiàn)竄槽；四是水泥漿性能不能滿足要求，在失水和水化過程中，水泥漿體積減小；五是由于頂替不徹底，套管外部環(huán)空中殘存大量游離水，這些游離水聚集在一起，容易形成竄槽的情況。

3.3 固井界面膠結(jié)質(zhì)量差

在固井過程中，將套管外部空間的水泥漿與套管外壁之間的界面稱為固井一屆面，將水泥漿與井壁之間的界面稱為二界面。頁巖氣井鉆井過程中，為了保證鉆井液具有較好的潤滑及攜砂性，同時(shí)還具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，通常會(huì)使用油基鉆井液，油基鉆井液抑制地層水化能力較強(qiáng)，同時(shí)兼具潤滑性，對儲(chǔ)層保護(hù)的效果也較好，因此在頁巖氣水平井鉆井過程中使用較為普遍。使用油基鉆井液的缺點(diǎn)是容易在套管外壁和井壁上形成油餅或者油膜，使得井壁表面或者井壁上由親水性變?yōu)橛H油性，使得水泥漿不能很好地吸附在套管外壁和井壁上，影響了第一界面和第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。要克服這種情況，在固井注水泥漿之前，可以注入油基前置液，將吸附在井壁及套管外壁的油膜去掉，將親油性變?yōu)橛H水性。此外，在水泥漿頂替時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)或上提下放套管，使套管外壁上的油餅脫落。從而提升第一界面和第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

4 提升頁巖氣水平井固井質(zhì)量技術(shù)對策

4.1 提升頁巖氣水平井套管居中度

對于頁巖氣水平井，在造斜段井眼曲率較大，套管下入過程中在造斜段受到重力、摩擦阻力、鉆井液浮力作用，下入難度較大，套管易發(fā)生變形。在造斜段和水平段，受到井壁側(cè)向作用力的影響，套管下入的摩擦阻力較大，并且隨著套管下入深度的增加，側(cè)向摩擦阻力增大，使得套管難以準(zhǔn)確下入到預(yù)定的部位。

由于套管下入過程中受到摩擦阻力及應(yīng)力形變，套管居中度難以保證，套管居中度差造成環(huán)形空間形態(tài)不規(guī)則，影響水泥漿頂替效率。為了提升套管居中度，可以在套管下入過程中安裝扶正器，扶正器安裝的距離越小，套管的居中度越好，但安裝過密會(huì)影響套管的正常下入，因此，要控制扶正器合理安放。

4.2 使用油基前置液頂替

由于頁巖氣水平井鉆井過程中，為了提升井壁穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧潤滑性、攜砂性及儲(chǔ)層保護(hù)效果，多使用油基鉆井液，油基鉆井液保護(hù)井壁效果好，潤滑性好、對儲(chǔ)層保護(hù)效果好，但容易在套管外壁或井壁上形成含油泥餅或油膜，使親水性界面變?yōu)橛H油性界面，導(dǎo)致水泥漿凝固時(shí)，一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量變差。為了改善這種情況，可以使用油基前置液，通過前置液改善界面親水性，使得水泥漿能夠吸附在套管外壁或井壁上，提升一二界面膠結(jié)質(zhì)量，達(dá)到固井質(zhì)量要求。

4.3 優(yōu)化固井水泥漿性能

水泥漿性能對固井質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，水泥漿性能如密度、失水量、流變性等對固井質(zhì)量影響較大。在固井過程中，水泥漿失水過多，會(huì)導(dǎo)致析出的自由水在環(huán)空中聚集，出現(xiàn)竄槽的情況。在水平段，水泥漿固結(jié)時(shí)，容易發(fā)生沉降，導(dǎo)致水泥環(huán)上部的水泥漿少，固結(jié)強(qiáng)度低，當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)大時(shí)，在這些部位容易發(fā)生氣竄。對于頁巖氣井，通常采用大規(guī)模壓裂的增產(chǎn)措施，固井水泥漿膠結(jié)質(zhì)量達(dá)不到要求，會(huì)影響壓裂效果。為了保證頁巖氣水平井固井質(zhì)量要求，水泥漿性能要求具有零析水、低失水、流變性好、高沉降穩(wěn)定性、稠化時(shí)間短等，同時(shí)還要求具有一定的觸變性。

5 結(jié)束語

隨著我國加大了對非常規(guī)油氣資源的勘探與開發(fā)力度，頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源成為勘探的熱點(diǎn)，頁巖氣儲(chǔ)層物性差，采用普通直井開發(fā)產(chǎn)量較低，達(dá)不到邊界經(jīng)濟(jì)效益，為了提升單井產(chǎn)量，多使用長水平段水平井，增產(chǎn)效果明顯。針對頁巖氣水平井固井中存在的問題，諸如巖屑床問題、套管下入難題、套管居中度差、水泥漿頂替效率低等，需要采取針對性措施，提升固井質(zhì)量，保證后續(xù)施工作業(yè)的順利進(jìn)行，提升頁巖氣井的使用壽命。