太陽構造頁巖氣水平井固井技術研究與應用

張 偉，唐 煒，余 建，田發(fā)斌，趙常青

（中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都 610051）

太陽構造地處云貴川交界處，隸屬滇黔北坳陷威信凹陷鹽源背斜帶太陽背斜構造上，主要開發(fā)目的層龍馬溪組頁巖氣，其儲層物性差，孔隙度和滲透率低，埋深相對較淺，主體集中在垂深800～1 500 m，采用兩開兩完的井身結構。一開表層采用φ311.2 mm 鉆頭和清水鉆進至設計井深后下入φ244.5 mm 套管；二開油層采用φ215.9 mm 鉆頭和有機鹽鉆井液體系，鉆井液密度1.65～1.85 g/cm3，下入φ139.7 mm 生產(chǎn)套管固井。該區(qū)塊采用工廠式的布井方式，井口間距小，由于繞障需求均采用三維井設計，井眼軌跡復雜。淺層氣井直井段短、造斜點淺、水平段長造成井身水垂比大；同時后期儲層改造采用大型水力分段壓裂增產(chǎn)技術對水泥石強度及韌性要求高。

通常情況下固井時套管難以順利下至設計井深、固井頂替效率較低、氣層顯示活躍易造成早期氣竄，后期作業(yè)對水泥石強度及韌性要求高等問題，通過技術攻關與集成應用形成了以井眼清潔、漂浮下套管技術、高效沖洗液、早強抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系、短候凝漿柱結構、調(diào)整鉆井液性能等提高此區(qū)塊水平井固井質(zhì)量的關鍵性技術措施，后期套管安全下入到位，油層固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達到99%。

1 主要固井難點分析

1.1 套管安全下入難度

（1）井身水垂比大，套管靠自重不足以克服下行阻力難以安全下放到井底。太陽構造淺層頁巖氣出表層套管后開始造斜，完鉆井深2 200～3 200 m，目的層垂深在800～1 500 m，水平段長度800～1 600 m，水垂比主要在1～1.5。

（2）井眼軌跡復雜，沿程摩阻大[1-5]。區(qū)域采用三維井眼軌跡，設計上需要繞障。部分井儲層厚度薄，微斷層頻繁，井眼軌跡復雜，如陽102H15-1 井（見圖1），最大井斜角107.63°，水平段平均地層傾角97°，該井在單扶通井過程中摩阻較大，在1 570 m、2 240 m 附近遇阻。

圖1 陽102H15-1 井眼軌跡圖

1.2 提高頂替效率困難

鉆井液泥餅附著于井壁難以驅(qū)替，鉆井液中的固相顆粒物質(zhì)和巖屑在井壁低邊沉淀不易攜帶出來，影響固井二界面的膠結質(zhì)量。水泥漿固化后泥餅在井下溫度下干裂，長時間流體侵蝕和破壞作用下形成流體竄流通道。水平段套管單邊嚴重，套管居中度不夠，水平井段套管所受的重力方向不再是軸向而是徑向，這一重力極易導致套管偏心，甚至貼邊，使套管與井壁窄邊的鉆井液很難被頂替出來，形成竄槽，且難以形成連續(xù)均勻的水泥，影響封固質(zhì)量。地層承壓能力低，頂替過程中易發(fā)生井漏，影響施工排量和頂替效率。

1.3 水泥漿漿體設計要求高

針對頁巖氣水平井的水泥漿，水泥漿體系設計要求高。在水平段，水泥漿注入后由于重力作用，難以保持原有的穩(wěn)定性，水泥顆粒易下層凝結，游離液析出，在套管上側形成自由水通道，影響固井質(zhì)量。同時水平段為主要產(chǎn)層，需要控制水泥漿失水，保護產(chǎn)層。頁巖氣水平井對水泥漿性能要求達到以下幾點：（1）45°傾角游離液為0。（2）30 min 失水小于50 mL。（3）水泥漿沉降穩(wěn)定要好，無上下密度差。（4）48 h 抗壓強度不低于21 MPa。

1.4 固井質(zhì)量影響井筒密封完整性

太陽-大寨區(qū)塊前期固井后井口出現(xiàn)地表竄，主要發(fā)生在油層套管與表層套管之間發(fā)生氣竄，其氣源來自上部五峰組。其原因如下：

（1）表層固井質(zhì)量差：區(qū)域地表多呈現(xiàn)喀斯特地貌特點，表層常鉆遇裂縫、溶洞甚至暗河，鉆井漏失量大且堵漏成功率極低，目前表層多采用空氣鉆鉆進，固井時因漏失返不到地面。

（2）淺層氣防竄難度大[6，7]：相對威遠、長寧、昭通黃金壩紫金壩等中深層頁巖氣，太陽構造頁巖氣垂深淺，溫度低40～50 ℃，水泥漿在不加緩凝劑的情況下稠化時間過長（＞300 min），水泥石強度發(fā)育慢，不利于防竄。

（3）油層上部固井質(zhì)量差：①考慮清潔化壓力，水泥漿量設計有限，不考慮返至地面。②有機鹽鉆井液黏切高，鉆井液與水泥漿相容性差，不利于施工安全和提高頂替效率[8]。③井下存在漏失，固井過程中易發(fā)生井漏，影響水泥漿封固質(zhì)量。④氣顯示活躍，容易發(fā)生氣體竄槽，降低固井質(zhì)量。

（4）對水泥環(huán)巖石力學性能要求高[9]：針對后期的大型體積壓裂要求水泥石具有足夠的抗沖擊能力和柔韌性，以保證井筒的密封完整性。

2 主要技術措施

2.1 下套管技術對策

2.1.1 井眼清潔 下套管前采用近鉆頭+雙扶正器鉆具組合，保證鉆具組合剛度不低于套管剛度，強化模擬套管串通井，對起下鉆遇阻、全角變化率較大井段主動劃眼修整井壁，保證井壁光滑、平整、無鍵槽；通井作業(yè)過程中采用定點循環(huán)，有效的攜帶巖屑和固相顆粒，充分清洗井筒；起鉆前循環(huán)鉆井液時加入適量潤滑劑，有效減小下套管流體摩阻[10]。

2.1.2 漂浮下套管工藝技術 采用漂浮下套管技術是將漂浮接箍連接在套管柱上[11]，漂浮接箍內(nèi)部盲板作為臨時屏障，漂浮接箍下端內(nèi)充滿空氣，上端充滿鉆井液。降低水平井段套管柱作用在井底有效壓力，一定程度上降低下套管摩阻，增加下套管的安全性和通過性。如陽102H15-1 實測大鉤載荷數(shù)據(jù)反演地層摩阻系數(shù)0.5～0.55，通過軟件預測如果按照常規(guī)方式下套管，需要額外增加1 000～2 000 kN 的驅(qū)動力，套管基本上下不到位。而采用漂浮下套管技術，則可以安全下到設計井深?，F(xiàn)場實際情況直井段套管下放速度為15～20 根/小時，下放過程平穩(wěn)，下入漂浮接箍后，下至1 570 m 遇阻后，下放速度也隨之減慢，后期達到2～3 根/小時。

陽102H15-1 井油層套管兩種下套管方式模擬對比（見圖2，圖3）。

圖2 常規(guī)下套管大鉤載荷預測

圖3 漂浮下套管實測大鉤載荷摩阻系數(shù)反演

漂浮固井技術的核心附件是漂浮接箍[12]。在區(qū)塊上采用全通徑破裂盤式的漂浮浮箍，其盲板由特種玻璃構成，具有破碎徹底、破碎后不留殘體，實現(xiàn)全通徑，膠塞通過漂浮浮箍無明顯壓力升高，破碎后呈小顆粒狀，容易被鉆井液沖走，不影響正常固井和碰壓。

2.1.3 扶正器選型及安放優(yōu)化設計 優(yōu)選旋流剛性扶正器和滾珠扶正器配合使用，在井斜小于30°井段使用旋流剛性扶正器，旋流剛性扶正器剛度大，扶正力大，居中性好，并且在施工中可產(chǎn)生環(huán)向流速場，加大流體的攜帶能力和提高注水泥頂替效率。滾珠扶正器是在旋流剛性扶正器扶正條內(nèi)加入鋼珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，大大降低套管下入過程中摩阻[13，14]，在井斜大于30°井段每根套管加入一只滾珠扶正器，有利于套管在水平段的下入和居中[15，16]。

2.1.4 優(yōu)化管串前端結構，采用抬頭入井 在水平段，套管引鞋與其下方的井壁接觸面大，產(chǎn)生的滑動摩擦阻力非常大。優(yōu)化管串前端結構，即采用加長型旋流浮鞋和雙浮箍，在浮鞋后安放一根短套管，浮箍浮鞋之間采用三長一短的管串設計，使頂端浮箍和浮鞋之間間距不大于40 m，同時三長一短的每根套管均安裝滾珠式剛性扶正器，使浮鞋離開井壁，利于套管下入。

2.2 提高頂替效率技術

2.2.1 調(diào)整鉆井液性能 固井前充分調(diào)整鉆井液性能，通過循環(huán)洗井和增加膠液等方式增加鉆井液的流動系數(shù)，即降低固井前鉆井液的黏度，形成薄而韌的泥餅，同時破壞鉆井液的膠凝強度，該區(qū)塊固井中通常按照1.5 m/s 上返速度循環(huán)洗井2～3 周，黏度控制在60 s 以內(nèi)。

2.2.2 提高前置液驅(qū)替效果 為了提高頂替效率，優(yōu)化前置液設計，采用沖洗液+隔離液的組合，加大沖洗液的量，提高井壁和套管壁的清潔度。使用具有表面活性的化學沖洗液，沖洗液用量滿足接觸時間8～10 min，可降低鉆井液黏度、切力，實現(xiàn)紊流頂替，同時可有效驅(qū)替套管壁和井壁虛泥餅，提高水泥石與套管壁和井壁的界面膠結質(zhì)量。

2.3 優(yōu)化水泥漿配方

固井水泥環(huán)是封隔井筒環(huán)空形成井筒通道的主體材質(zhì)，固井水泥漿體系性能對提高固井質(zhì)量起著至關重要的作用。

通過顆粒級配、大量室內(nèi)實驗優(yōu)選出抗鹽降失水劑SD18、早強劑SKY-1、韌性劑SD77、膨脹劑SDP-1等外加劑，形成了一套早強抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系。水泥漿具體配方為：嘉華G 級+1.5%微硅+2%增強劑+1.4%降失水劑SD18+3%韌性劑SD77+3%膨脹劑SDP-1+1%早強劑SKY-1+0.3%分散劑SD35。

早強抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系及水泥石的性能（見表1、表2）。

由表1、表2 可以看出水泥漿體系有以下特點：

表1 早強抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系性能表

（1）加入增強劑和微硅后，各種顆粒相互之間能形成級配，水泥漿穩(wěn)定性更好。同時低失水、無游離液、稠化過度時間短、早期強度能達到4.5 MPa 等特點。不同密度水泥漿的SPN 值小于3，防氣竄能力強[17，18]。

（2）從表2 看出，該體系水泥漿7 d 線性膨脹率為0.03%，而常規(guī)水泥漿體積收縮，與常規(guī)水泥漿相比有利于提高膠結質(zhì)量和井筒密封完整性。

表2 水泥石性能與常規(guī)水泥石性能對比表

（3）與常規(guī)水泥石相比，48 h 的抗壓強度大于21 MPa，7 d 彈性模量由9.58 GPa 降低至5.86 GPa，表明該體系水泥石的剛性降低，柔韌性得到了大幅度改善[19-21]，有利于頁巖氣井后期壓裂、增產(chǎn)安全開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)的需要。

2.4 提高固井質(zhì)量配套技術

2.4.1 漿柱結構設計技術 由于井淺，溫度低，上部五峰組等非產(chǎn)層氣體后期上竄，除了漿體優(yōu)化配方后，漿體結構上采取密度調(diào)節(jié)方式，適當拉開兩凝水泥漿稠化時間，實現(xiàn)尾漿封堵氣層。具體做法是同一種水泥和同一種配漿水，上部井段密度為1.86～1.88 g/cm3，下部井段密度為1.92～1.95 g/cm3，通常兩種水泥漿稠化時間間隔30～60 min。

根據(jù)太陽構造采取兩開井身結構，表層下深300～500 m，水泥漿混漿井段長，不能保障上部淺層頂部固井質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)狀，確定水泥漿全返至井口，并附加5～8 m3水泥漿提高接觸時間，增加上部井段充填率。

2.4.2 優(yōu)化表層固井方案 對于漏失量較小的井，固井時通過增加水泥漿量采用一次上返施工工藝施工，正注完成后再根據(jù)井口返出情況采用環(huán)空吊灌的方式封固上部井段。對于失返性漏失的井，或者采用空氣鉆鉆進出現(xiàn)放空或水層的井，考慮采用穿鞋帶帽的施工工藝，正注時封固下部放空位置以下的井段，再采用環(huán)空搭橋后吊灌的方式封固上部井段。

2.4.3 地層承壓試驗 該區(qū)塊地層承壓能力普遍偏低，在鉆進過程中滲透性漏失較為常見，為確保水泥漿返出地面，按照入井水泥漿密度和正常施工時環(huán)空循環(huán)摩阻確定地層承壓試驗當量密度，在下套管前完成，對于承壓能力達不到要求的井進行堵漏作業(yè)，提高地層承壓能力，保證水泥漿對環(huán)空的有效封固。

2.4.4 大壓差預應力固井技術 考慮到本區(qū)塊的井筒承壓能力較低，主要采用套管內(nèi)外大壓差的預應力固井技術來提高固井質(zhì)量[22]，施工中全程采用清水進行頂替，保證頂替到位后套管內(nèi)外靜液柱壓差≥8 MPa，預先使套管擠壓變形從而產(chǎn)生彈性能，提高了水泥環(huán)密封性能。

3 現(xiàn)場應用效果

3.1 Y102H2-6 井固井

完鉆井深2 350 m，完鉆時鉆井液密度1.73 g/cm3，黏度86 s。φ139.7 mm 套管下入2 305.96 m，套管安全下到位后固井施工前，逐步調(diào)整至密度1.65 g/cm3，黏度降低50 s。

該井固井施工流程如下：（1）采用雙機雙泵大功率水泥車施工，實現(xiàn)大排量紊流頂替，保證連續(xù)施工能力；（2）進行密度、流量和壓力實時監(jiān)測，優(yōu)化參數(shù)，有效提高固井質(zhì)量；（3）固井施工前進行管線試壓（40 MPa），保證固井施工安全；（4）注入沖洗液6 m3、高效沖刷泥餅，保證一、二界面膠結質(zhì)量；（5）注入水泥漿65 m3（平均密度1.90 g/cm3），注水泥排量1.3～1.5 m3/min，采用清水替量24.2 m3（排量1.3～1.5 m3/min），替壓14 MPa，碰壓40 MPa，施工過程正常。實現(xiàn)了高效頂替和固井“三壓穩(wěn)”，后期電測固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率100%。

3.2 應用效果

截止目前，共完成水平井固井9 口，套管安全下入到位成功率100%，固井質(zhì)量合格，水平段優(yōu)質(zhì)率99%以上，取得了良好的效果（見表3）。

表3 9口井固井情況統(tǒng)計

4 結論

（1）井眼凈化、模擬通井和半剛性扶正器配合漂浮接箍下套管等技術，實現(xiàn)了套管安全順利下入到位。

（2）固井前調(diào)整鉆井液性能，使用表面活性的化學沖洗液，有效驅(qū)替套管壁和井壁虛泥餅，提高第一、二界面的膠結強度，提高固井質(zhì)量。

（3）早強抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系密度可調(diào)，沉降穩(wěn)定性好，失水小，稠化過度時間短，早期強度高，防氣竄能力強，能提高淺層頁巖氣井封固質(zhì)量。

（4）地層承壓試驗、預應力固井技術、合理的漿柱設計等配套技術，提高了水泥環(huán)封隔地層能力和井筒密封完整性。