瀘203區(qū)塊頁巖氣水平井固井液體系與施工技術(shù)

趙元偉，李鵬翔，李嘉浩，韓 娟，盧甲晗*

(1.衛(wèi)輝市化工有限公司，河南 衛(wèi)輝 453100;2.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)為長水平段水平井配合大型水力壓裂，而固井質(zhì)量不佳是制約頁巖氣井實(shí)施儲(chǔ)層改造的主要瓶頸[1]。固井質(zhì)量不佳的主要原因在于水平井套管居中度難以保證，低邊水泥漿易竄槽；油基鉆井液黏切高，黏滯性強(qiáng)，難以被水泥漿頂替干凈；油基鉆井液在井壁表面形成的油膜和油質(zhì)泥餅清除困難，濕潤反轉(zhuǎn)不足，水泥環(huán)與井壁及套管的膠結(jié)質(zhì)量差；鉆井液和水泥漿密度高，流體行程長，流動(dòng)摩阻大，清水頂替壓差大，施工泵壓高，限制了頂替排量，制約了頂替效率；儲(chǔ)層改造進(jìn)行體積壓裂時(shí)套管和水泥的特性差異導(dǎo)致水泥環(huán)膠結(jié)失效甚至水泥環(huán)破裂。因此保證水泥環(huán)的完整性是頁巖氣井固井必須要解決的技術(shù)難題。

1 地質(zhì)及工程簡況

1.1 地質(zhì)簡況

瀘203區(qū)塊位于四川省瀘州市瀘縣境內(nèi)，構(gòu)造位置為川南低褶帶陽高寺構(gòu)造群福集向斜構(gòu)造。四開先后鉆遇棲霞組、梁山組、韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組地層，各層段均易出現(xiàn)井漏且都有氣泡或后效顯示，地層壓力系數(shù)高，壓力系數(shù)在1.87～2.15，地溫梯度3.1 ℃/(100 m)。

1.2 工程簡況

瀘203區(qū)塊為四開井，井身結(jié)構(gòu)見表1。一般采用L型井身剖面，各層次套管均采用單級(jí)固井。產(chǎn)層水平段長一般在1 500～2 500 m，垂深基本在3 500～4 000 m，斜深在5 300～6 400 m，井徑擴(kuò)大率一般不超過8%，井徑相對(duì)比較規(guī)則。

表1 瀘203區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)

2 前置液體系研究

頁巖屬于細(xì)粒巖石，由粉砂和黏土顆粒經(jīng)壓實(shí)作用而形成，頁巖含泥質(zhì)較多，具有易膨脹的特點(diǎn)，加之頁巖為超致密儲(chǔ)層，孔隙度和滲透率極低，為了擴(kuò)大產(chǎn)層的裸露面積，提高產(chǎn)量，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，普遍采用長水平段水平井鉆井技術(shù)，因此四開都采用油基鉆井液鉆進(jìn)，以保護(hù)儲(chǔ)層、抑制頁巖水化膨脹和降低起下鉆摩阻，這樣井壁處于油潤濕的環(huán)境下，嚴(yán)重影響水泥環(huán)與井壁、套管壁的膠結(jié)質(zhì)量[2]。而且頁巖氣儲(chǔ)層需要進(jìn)行分段壓裂，為保證壓裂的有效性，對(duì)兩個(gè)界面的膠結(jié)質(zhì)量要求非常高，需要為水泥環(huán)膠結(jié)創(chuàng)造更好的條件，因此前置液高效去除井壁表面油膜和油質(zhì)泥餅的能力是頁巖氣井固井的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為此衛(wèi)輝市化工有限公司開展了洗油沖洗劑和洗油隔離液體系研究，研制的洗油沖洗劑WH-5主要采用多種高效表面活性劑、潤濕反轉(zhuǎn)劑、有機(jī)溶劑制成，通過滲透作用快速滲入井壁泥餅中，使泥餅分散剝蝕，有效去除油膜和油質(zhì)泥餅，使親油界面改變?yōu)橛H水界面，從而提高水泥的膠結(jié)能力[3]。隔離液體系的組成：水+15%WH-5洗油沖洗劑+2.5%WH-2加重隔離劑+10%GH-9緩凝劑+重晶石，洗油隔離液的密度要求高于鉆井液密度0.05 kg/L。

洗油隔離液的洗油效果采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，取現(xiàn)場油基鉆井液做清洗實(shí)驗(yàn)，先將80 μm砂紙用細(xì)鐵絲固定在旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的外筒上(模擬井壁界面粗糙度)，把養(yǎng)護(hù)后的油基鉆井液倒入旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)漿杯中，漿杯置于托盤上，淹沒砂紙的下3/4部分；開啟電機(jī)以600 r/min的速度模擬鉆井液造壁10 min；停機(jī)后，將裝有油基鉆井液的漿杯取下，再將養(yǎng)護(hù)后的洗油隔離液倒入干凈漿杯中，將漿杯置于托盤上，淹沒砂紙的下1/2部分；開啟電機(jī)以300 r/min的速度模擬洗油隔離液清洗井壁，沖刷時(shí)間5 min；停機(jī)后，將裝有洗油隔離液的漿杯取下；因洗油隔離液顏色會(huì)覆蓋油基鉆井液顏色，為便于觀察洗油隔離液的洗油效果，再將潔凈的自來水倒入干凈的漿杯中，將測(cè)量杯置于托盤上，淹沒砂紙的下1/4部分，開啟電機(jī)以300 r/min的速度旋轉(zhuǎn)30 s，下放漿杯，再觀察砂紙上的清洗效果。實(shí)驗(yàn)表明，洗油隔離液已將油污完全清洗干凈，效果明顯，能為水泥與地層膠結(jié)提供良好的水潤濕環(huán)境，管理隔離液清洗油污實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1?，F(xiàn)場施工中要求使用洗油隔離液數(shù)量為25～30 m3，清洗時(shí)間可達(dá)13～15 min，在洗油隔離液之后再注入4 m3加有15%WH-5洗油沖洗劑的沖洗液，進(jìn)一步提高沖洗效果，將原本親油界面轉(zhuǎn)換為親水界面。

圖1 管理隔離液清洗油污實(shí)驗(yàn)

3 彈韌性水泥漿體系及性能研究

頁巖氣井目的層為致密儲(chǔ)層，需要采取壓裂增產(chǎn)措施，壓裂改造后才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性開采，壓裂壓力高達(dá)50～90 MPa，甚至更高，壓裂時(shí)套管產(chǎn)生徑向膨脹，水泥石受到巨大的擠壓力，而常規(guī)水泥石屬于脆性材料，與套管的彈性和變形能力存在較大差異，壓裂壓力釋放后，水泥石不能恢復(fù)原來的變形，水泥環(huán)與套管的膠結(jié)遭到破壞，就會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙，導(dǎo)致水泥環(huán)封隔失效，引起環(huán)空層間竄通[4]。因此頁巖氣井水泥石必須具有一定的彈性變形能力或者說具有高強(qiáng)的彈韌性，才能保證水泥環(huán)的完整性。為了滿足頁巖氣井對(duì)水泥石彈韌性的需要，研制生產(chǎn)了油井水泥彈性劑G404和增韌劑G403，以及配套產(chǎn)品固體膠乳GR和晶格膨脹劑G401。

3.1 水泥外加劑特性

①彈性劑G404。以改性橡膠粉為主料，短纖維為輔料，配制成的油井水泥用彈性劑，能有效降低水泥石的彈性模量。②增韌劑G403。依靠復(fù)合纖維的阻裂和增韌特性，利用纖維對(duì)載荷的傳遞，使水泥石內(nèi)部應(yīng)力分散，增加水泥石的抗沖擊能力，防止水泥石的應(yīng)力開裂，阻止裂縫擴(kuò)展，并在強(qiáng)沖擊載荷作用下對(duì)應(yīng)力場形成屏蔽，從而提高水泥石的韌性，防止壓裂壓力對(duì)水泥石產(chǎn)生脆性破裂。③固體膠乳GR。主要原料為丁苯膠乳，以丁二烯、苯乙烯為主要單體，通過乳液聚合的方式制備得到。膠乳顆粒能覆蓋在水泥顆粒表面，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水泥石的彈韌性，避免水泥石脆性破裂；具有良好的防氣竄性能；能改善水泥環(huán)與套管和地層的膠結(jié)狀況[5]。④晶格膨脹劑G401。通過改變?nèi)芤褐写箅x子基團(tuán)的數(shù)量及組成，利用化學(xué)反應(yīng)形成體積大的晶體物質(zhì)，產(chǎn)生化學(xué)預(yù)應(yīng)力，在水泥漿凝結(jié)過程中產(chǎn)生膨脹，形成一定的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，抵抗水泥漿失重造成的地層流體侵入環(huán)空。⑤配套外加劑。降失水劑G33S由AMPS、低分子酰胺、多羥基羧酸等聚合改性而成，具有水泥漿濾失量低、游離液量低，與其它外加劑有良好的配伍性。減阻劑USZ由甲醛、丙酮等原料聚合改性而成，通過調(diào)節(jié)水泥顆粒表面電荷以獲得合適的水泥漿流變性。緩凝劑GH-9由磺酸鹽、有機(jī)酸等聚合而成，對(duì)溫度和加量不敏感，可配制出直角稠化水泥漿體系。

3.2 水泥漿體系的組成及性能

水泥漿設(shè)計(jì)為雙密雙凝體系，領(lǐng)漿封固水平段以上井段，從壓穩(wěn)油氣層及防止井漏角度出發(fā)，領(lǐng)漿密度設(shè)計(jì)高于鉆井液密度0.10～0.15 kg/L，井下有漏失時(shí)取下限，無漏失時(shí)取上限；尾漿封固水平井段，考慮到水平段水泥漿不產(chǎn)生壓差，不會(huì)影響油氣層壓穩(wěn)，設(shè)計(jì)采用密度為1.90 kg/L左右的常規(guī)密度水泥漿，有利于減小水泥漿配制的難度，降低水泥漿成本，又易于保證水泥漿的整體性能。水泥漿配方如下，水泥漿性能見表2。

領(lǐng)漿配方：嘉華G 級(jí)水泥+70%鐵礦粉+1%穩(wěn)定劑WG+3%G33S+1%G403+1%G401+0.3%USZ+1.4%GH-9+0.2%XP-1消泡劑+306 g水。尾漿配方：嘉華G 級(jí)水泥+35%石英粉+2%穩(wěn)定劑+5%GR+2%G404+2%G401 +4%G33S+0.5%USZ+0.7%GH-9+0.2%消泡劑XP-1+348 g水。領(lǐng)漿及尾漿的綜合性能見表2。

表2 水泥漿性能

數(shù)據(jù)表明，水泥漿綜合性能好，滿足合適的濾失量、零游離液、短過渡要求，在地層壓力較高的情況下，有利于提高封固段的封固質(zhì)量。

4 固井施工技術(shù)

①下套管前通井時(shí)鉆具帶2個(gè)扶正器通井，使鉆具剛性大于套管剛性，并充分刮除井壁虛泥餅和井壁下側(cè)巖屑，確保井眼清潔和套管順利下入，并為水泥良好膠結(jié)創(chuàng)造條件。②使用旋轉(zhuǎn)式下套管浮鞋，接在一根1 m左右的短套管上，并安裝一只滾珠旋流扶正器，使套管起到所謂的“抬頭走”的效果，降低下入遇阻的風(fēng)險(xiǎn)。套管下入過程中如果遇阻，可以采用頂驅(qū)邊循環(huán)邊旋轉(zhuǎn)下套管，保證套管下至預(yù)定井深[6]。③全部采用旋流剛性套管扶正器(裸眼段和重疊段扶正器外徑分別為Φ206 mm和Φ208 mm)，防止旋轉(zhuǎn)下套管時(shí)扶正器損壞，且水平井段與大斜度井段使用滾珠旋流剛性扶正器，減小套管下入摩阻，提高頂替效率[7]。扶正器加放方法是B靶點(diǎn)和A靶點(diǎn)之間井段每根套管下入1只滾珠旋流剛性扶正器，A靶點(diǎn)至30°井斜角之間井段每2根套管下入1只滾珠旋流剛性扶正器，30°井斜角至上層套管鞋之間井段每3根套管安放1只旋流剛性扶正器，重疊段每5根套管安放1只旋流剛性扶正器。④注前置液之前注入30 m3左右與井漿密度相同，表觀黏度低于井漿10 s以上，屈服值<12 Pa的冷卻先導(dǎo)低黏切油基鉆井液，降低井下溫度，驅(qū)替井內(nèi)黏稠鉆井液，有利于保證施工安全，提高水泥漿頂替效率[8]。⑤注完水泥后采用清水頂替，管內(nèi)外壓差可達(dá)35～50 MPa，對(duì)套管起到徑向預(yù)應(yīng)力作用，減小或避免產(chǎn)層改造時(shí)高壓壓裂后的套管收縮可能產(chǎn)生的微環(huán)隙；頂替采用2臺(tái)壓裂車進(jìn)行，排量一般不超過1.8 m3/min，避免環(huán)空流阻過大，造成井下漏失[9]。⑥碰壓結(jié)束后立即對(duì)井口環(huán)空進(jìn)行憋壓，憋壓4～5 MPa，起壓后憋入量一般控制不超過1.0 m3，防止井漏；候凝期間如果壓力下降，及時(shí)補(bǔ)壓；尾漿到達(dá)稠化時(shí)間后，環(huán)空憋壓至12～15 MPa，防止領(lǐng)漿“失重”產(chǎn)生氣竄，而且有利于使水泥環(huán)與套管及地層結(jié)合更緊密，降低微環(huán)隙形成的可能性，保障水泥環(huán)長期整體密封性能，消除環(huán)空氣竄通道。

5 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

①瀘203H56-2井Φ139.7 mm套管固井。四開使用Φ215.9 mm鉆頭鉆至5 360 m完鉆，完鉆鉆井液密度2.17 kg/L，黏度80 s，泥餅1.0 mm，動(dòng)切力13.5 Pa，塑性黏度75 mPa·s；最大井斜角97.5°/(5102 m)，最大垂深3 657.55 m，水平位移1 817.72 m，水平段長1 500 m；實(shí)測(cè)井底溫度為134 ℃；井徑擴(kuò)大率為4.58%。Φ139.7 mm套管下深2 358.25 m，下入套管扶正器231只(其中滾珠旋流剛性扶正器152只，旋流剛性扶正器79只)；循環(huán)鉆井液時(shí)間10 h，最后1個(gè)循環(huán)周循環(huán)排量1.8m3/min，泵壓18 MPa，固井前鉆井液性能為密度2.15 kg/L，黏度76 s，泥餅1.0 mm，動(dòng)切力為11 Pa，塑性黏度為72 mPa·s。

施工過程：依次注入30 m3密度為2.17 kg/L，黏度為67 s的冷卻前導(dǎo)低黏切鉆井液，25 m3密度為2.20 kg/L驅(qū)油隔離液，4 m3密度為 1.02 kg/L的驅(qū)油沖洗液，60 m3密度為2.30 kg/L的領(lǐng)漿，50 m3密度為1.90 kg/L的尾漿，注入排量1.5 m3/min，壓膠塞4 m3，替入清水50 m3，排量1.7 m3/min，最高泵壓61 MPa，碰壓1.6 m3，壓力從46 MPa升至60 MPa。隨即環(huán)空憋壓4.9 MPa，90 min后環(huán)空憋壓至14 MPa，候凝36 h后，放壓，候凝72 h后下掛壁器對(duì)套管內(nèi)壁刮洗作業(yè)。

②固井質(zhì)量情況。固井質(zhì)量電測(cè)完成后，測(cè)井公司提供了質(zhì)量解釋結(jié)果，優(yōu)質(zhì)封固井段長度4 299.9 m，優(yōu)質(zhì)井段封固占比96.1%，合格封固井段長度133.2 m，合格井段封固占比3%，不合格井段封固長度38.9m，不合格井段封固占比0.9%，創(chuàng)造了瀘203區(qū)塊固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率最高紀(jì)錄。

6 結(jié)論與建議

①研制的前置液體系與鉆井液和水泥漿有很好的相容性，能夠有效清除附著在井壁和套管壁上的油膜，具有良好的濕潤反轉(zhuǎn)性能，對(duì)提高水泥環(huán)與地層和套管的膠結(jié)質(zhì)量效果顯著。②研制的彈韌性水泥漿體系形成的水泥石彈性模量明顯降低，能滿足后期大型體積壓裂和分段壓裂等增產(chǎn)措施對(duì)水泥石的彈韌性要求，提高了水泥環(huán)的完整性和壓裂的成功率。③綜合采用旋流扶正器提高居中度，使水泥漿旋流上返；清水頂替的徑向預(yù)應(yīng)力以及候凝期間的環(huán)空憋壓，能保證水泥環(huán)與套管間的緊密接觸，確保套管與水泥環(huán)之間的封隔效果，有效避免井口環(huán)空帶壓。④目前套管下完后采用先坐套管頭，再從其兩個(gè)2″放氣絲堵處接出管線至高架槽的方式進(jìn)行循環(huán)固井，導(dǎo)致流道面積變小，形成節(jié)流，產(chǎn)生回壓，易造成井下漏失，建議固完井后再坐封套管頭芯子。如果擔(dān)心固井后套管頭芯子坐不到位或無法保證密封，要求固井前必須坐封時(shí)，建議訂制有4個(gè)放氣絲堵的套管頭，以增加流道面積，預(yù)防井下漏失，這一點(diǎn)對(duì)于鉆進(jìn)過程中發(fā)生過漏失的Φ244.5 mm技套固井來說尤為必要。