四川盆地太陽背斜淺層頁巖氣水平井固井技術(shù)

高繼超，段發(fā)鵬，鄭會鍇，湯少兵，陳小旭，李建華，滕兆健

（1.中國石油海洋工程公司渤星公司，天津 300451；2.中國石油大慶鉆探鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司，吉林松原 138000）

與普通油氣藏不同，頁巖氣藏的儲層一般呈低孔低滲透率的物性特征，儲層層理和微裂縫發(fā)育［1］。國內(nèi)長寧-威遠、涪陵和昭通國家級示范區(qū)在埋深2 000～3 500 m 的五峰組—龍馬溪組超壓儲層的開發(fā)已呈規(guī)?；?，同時形成了配套技術(shù)裝備，其中，昭通示范區(qū)逐步開始在太陽背斜進行淺層頁巖氣勘探評價及試采工作［2-4］。太陽背斜位于敘永縣區(qū)塊，構(gòu)造位置處于四川盆地川南低陡褶皺帶與滇黔北坳陷（北部）過渡部位，背斜主體構(gòu)造區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖，埋深500～2 000 m，其中，五峰組—龍馬溪組龍一1亞段是勘探開發(fā)主要目的層。太陽背斜敘永區(qū)塊完鉆井深一般在1 000～2 500 m 左右，垂深在450～1 200 m 左右，造斜點在60～210 m，水平段長在500～1 200 m 左右，為提高產(chǎn)量，頁巖氣井一般采用水平井鉆井技術(shù)與體積壓裂技術(shù)相結(jié)合的開采方式［5-6］，對固井質(zhì)量要求高。

1 固井技術(shù)難點分析

（1）漏失與氣層同層，固井壓穩(wěn)與防漏難度大。

地質(zhì)復(fù)雜情況多，淺層氣活躍，石牛欄組、韓家店組砂巖往往有常規(guī)氣富集，在鉆進過程中多見不同程度的氣測異常顯示，或有氣溢、氣涌。目的層龍馬溪組為富含頁巖氣的泥頁巖，儲層存在異常高壓，候凝過程水泥漿失重，易造成壓穩(wěn)失效，油氣上竄風(fēng)險高。同時，龍馬溪組、五峰組漏失類型為微孔微裂縫滲透性漏失，易造成井漏，安全密度窗口窄，例如YS137X-X 井鉆至437.9 m 期間反復(fù)漏失，通過鉆井液和水泥漿等多種手段堵漏才得以解決，共計漏失鉆井液278 m3。

（2）套管居中度、頂替效率難以保證。

頁巖氣特殊的儲藏條件及存在形式，產(chǎn)量相對小，決定了其需采用長水平段開發(fā)方案，太陽背斜區(qū)淺層頁巖氣水平井造斜點在100～240 m 之間，位垂比大多數(shù)在1.5以上，水平段長500～1 200 m，套管下入難度大，居中度難以保證，在斜井段和水平井段，受重力影響，套管居中度低直接影響頂替效率，固井質(zhì)量難以保證，也會導(dǎo)致固井水泥環(huán)分布不均勻，薄弱水泥環(huán)在后續(xù)增產(chǎn)投產(chǎn)措施中更易破裂，導(dǎo)致封隔失效。

（3）鉆井液驅(qū)替困難，影響界面膠結(jié)或?qū)е鲁霈F(xiàn)微間隙。

淺層頁巖氣鉆井采用水基鉆井液，泥頁巖含泥質(zhì)較多，遇水膨脹可能導(dǎo)致井壁不穩(wěn)、易垮塌破碎、井徑不規(guī)則等問題，鉆井液滯留在井眼不規(guī)則處，影響驅(qū)替效果。頁巖中的高泥質(zhì)含量，可能還會導(dǎo)致與水泥膠結(jié)質(zhì)量較差、強度較低，二界面易出現(xiàn)微間隙，為氣體竄流形成通道，導(dǎo)致頁巖氣儲層間竄槽，嚴重的話，可能導(dǎo)致泄漏。

（4）儲層多層壓裂改造要求水泥石須具有良好的韌性。

頁巖氣儲層低孔低滲，投產(chǎn)前需要進行多層壓裂改造，壓裂作業(yè)液壓高，水泥環(huán)易受破壞，對水泥石的韌性、耐久性提出了較高要求。根據(jù)太陽背斜構(gòu)造水平井后期儲層改造實際需求，要求產(chǎn)層水泥石48 h抗壓強度大于21 MPa，楊氏模量小于7 GP。

2 關(guān)鍵技術(shù)對策

2.1 壓穩(wěn)防竄技術(shù)措施

2.1.1 彈性水泥漿體系的研制

考慮到后期壓裂開采，需要水泥石具有良好的韌性，既要在保持抗壓強度不過分減弱的情況下，降低水泥石楊氏模量、繼而提高水泥石泊松比，此時需在水泥體系中摻加具有相應(yīng)功能的外摻料。通過大量實驗評價，研制出高分子柔性聚合物增韌材料BCE-310S。以BCE-310S 為核心的彈性水泥漿體系綜合性能良好（見圖1），表現(xiàn)在流動性好、漿體穩(wěn)定、失水量小、稠化時間可調(diào)、強度發(fā)展較快、靜膠凝過渡時間短等方面，其水泥石在圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變行為接近理想彈塑性材料。與普通水泥石相比，BCE-310S 彈性水泥石依據(jù)緊密堆積原理，可保證水泥石具有適宜的抗壓強度的前提下，具有較低的楊氏模量和較高的泊松比。在保證固井施工安全順利進行后，水泥漿應(yīng)迅速水化為固態(tài)，減少與產(chǎn)層的接觸，并略微減少大溫差問題，針對淺層低溫問題，引入針對AMPS 類降失水劑專用高效促凝劑BCA-210S，稠化時間在原來基礎(chǔ)上縮短30～60 min，曲線呈“直角”，縮短靜膠凝過渡時間，防止發(fā)生氣竄問題（見圖2）。水泥漿配方:嘉華G 級水泥+8%增韌劑BCE-310S+2%降失水劑BCF-200S+（0.5%～1%）減阻劑CF40S+（0～3%）促凝劑BCA-210S 或（0～2%）緩 凝 劑BCR-210S+0.1% 消 泡 劑G603+（44%～50%）水。水泥漿體系性能見表1。

圖1 水泥漿超聲波靜膠凝強度曲線

圖2 水泥漿稠化曲線

表1 X井50℃條件下彈性水泥漿基礎(chǔ)性能

為了考察彈性水泥漿體系基體及水泥水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)，利用掃描電鏡對水泥漿基體、養(yǎng)護齡期為7 d 凈漿水泥石，及摻有BCE-310S 的水泥石進行了微觀表面形貌成像分析（見圖3），（其中水泥凈漿配方中僅把增韌劑去掉，其他保持不變，下同）。從圖中可以看出，彈性水泥漿膠凝顆粒表面包裹著一層柔性高分子薄膜，可在一定程度上阻止氣體侵入；通過凈漿與彈性水泥漿體系形成的水泥石對比可知，彈性顆粒有效填充了硅酸鹽無機膠凝間的孔洞與間隙，使得彈性水泥石內(nèi)部更加致密，可降低水泥石滲透率，有利于提高水泥環(huán)氣密性。

圖3 掃描電鏡圖像

為了考察彈性水泥漿體系的防氣竄性能，采用美國千德樂7 200 水泥氣竄模擬分析儀進行了模擬實驗。

實驗條件為50℃；圍壓1.38 MPa；注射壓1.03 MPa。水泥漿凈漿在實驗開始后，空隙壓力曲線受到注射壓力影響，氣體逐漸侵入水泥膠凝中，隨著水泥水化反應(yīng)的進行，本體失重，無法抵抗氣侵，直至氣體竄通孔道形成，空隙壓力曲線徹底拐彎，發(fā)生氣竄（見圖4）。與之相比，彈性水泥漿體系空隙壓力曲線持續(xù)下降，直至趨于平滑，未受到注射壓力/氣體侵入的影響，在失重過程中，始終處于壓穩(wěn)狀態(tài)，未發(fā)生氣竄問題（見圖5）。

圖4 水泥凈漿7200防竄分析結(jié)果

圖5 彈性水泥漿7200防竄分析結(jié)果

2.1.2 雙凝漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

為減小水泥漿失重，將彈性水泥漿體系稠化時間設(shè)計為雙凝，使下部水泥漿失重時上部水泥漿仍能傳遞壓力，降低油氣上竄風(fēng)險，確保壓穩(wěn)。

2.2 提高頂替效率技術(shù)措施

2.2.1 控制好固井前鉆井液性能

在保證井下安全和井壁穩(wěn)定的情況下，下套管前，認真按照鉆井設(shè)計要求調(diào)整鉆井液性能，盡量降低鉆井液黏度、切力和磨阻，保證鉆井液性能達到低黏、低切、低失水，鉆井液能平衡壓穩(wěn)地層。下完套管后，小排量頂通循環(huán)30 min 以上，然后采用1.8～2.0 m3/min 排量循環(huán)2 周以上，固井前鉆井液性能調(diào)整到動切力小于12 Pa，調(diào)整塑性黏度在15～30 mPa·s之間。

2.2.2 采用加重沖洗隔離液高效清潔井壁

為了有效清潔井壁、提高頂替效率，通過大量實驗研究，開發(fā)形成了一套高效加重沖洗隔離液體系［7］，由降失水劑、沖洗劑、懸浮劑、稀釋劑、加重劑和消泡劑組成。其中，懸浮劑由若干種水溶性材料復(fù)合而成，可在水中分散形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成懸濁液；稀釋劑由可電離出陰陽離子基團的聚合物組成，陰離子基團被大量吸附到加重劑顆粒表面，削弱加重劑顆粒間團聚現(xiàn)象，改善隔離液流動性；沖洗劑主要由非離子型表面活性劑組成，沖洗液中的活性成分能夠快速地滲入并清除井壁上的虛泥餅和沖洗套管壁上附著的鉆井液，沖洗效率不低于90%（見圖6）。配方為:水+8%沖洗液BCS-010L +3%～4% 懸 浮 劑BCS-040S +2～3.5% 稀 釋 劑BCS-021L +5%降失水劑BXF-200L（AF）+0.5%消泡劑G603+103～158%重晶石。

圖6 室內(nèi)沖洗效率實驗

2.2.3 合理選擇和安放套管扶正器

套管偏心度是影響水平段固井頂替效率的重要因素之一。由于水平井中套管柱的重力作用，扶正器要承受較大的負荷。螺旋滾珠扶正器可產(chǎn)生轉(zhuǎn)動從而降低下套管阻力、改善環(huán)空流場，所以在水平段選用該類扶正器（見圖7）。利用CemCADE固井模擬軟件進行分析（見圖8），水平段扶正器的加量對管柱居中度有著重大影響，當(dāng)采用1 根套管加1 只扶正器時，管柱居中度可達70%；當(dāng)采用2 根套管加1只扶正器時，考慮套管接箍的扶正作用，管柱居中度可達40%；當(dāng)不加扶正器時，考慮套管接箍的扶正作用，管柱居中度僅20%，將會嚴重影響固井頂替效率。以模擬結(jié)果為指導(dǎo)，制訂具體扶正器安置措施:從井口第2 根套管到造斜點每5 根套管安置?210 mm普通剛性扶正器1只，井斜小于30°的裸眼段每2根套管安置?205 mm旋流剛性扶正器1 只，井斜30°至井底段每1 根套管安置?205 mm 螺旋滾珠扶正器1 只，以保證套管居中度，提高頂替效率。

圖7 螺旋滾珠扶正器

圖8 不同扶正器方案下水平段管柱居中度

2.2.4 優(yōu)化注替排量

一井一況，優(yōu)選注替排量，保證頂替效率。將地層的孔隙壓力、破裂壓力、完鉆的鉆井液密度、環(huán)空中注入的各種流體的數(shù)量、密度、排量等數(shù)據(jù)輸入固井設(shè)計軟件中，應(yīng)用固井設(shè)計軟件進行動態(tài)模擬，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化出頂替效率高、壓力平衡條件好的固井施工注替排量。

設(shè)計注水泥漿排量為0.8～1.2 m3/min；頂替排量為1.2～1.5 m3/min，下完套管后，根據(jù)循環(huán)洗井排量和壓力實際情況，適當(dāng)調(diào)整。

2.3 防止環(huán)空出現(xiàn)微間隙

2.3.1 預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)［8］

（1）采用清水頂替。在產(chǎn)層固井作業(yè)中，采用清水作為頂替液，增大負壓差，使套管在水泥漿凝固過程中產(chǎn)生足夠的膨脹，以補償完井后套管應(yīng)力變化和水泥漿收縮帶來的微間隙。同時，采用清水替漿時，施工泵壓高，致使管外的流體作用在套管外壁和井壁的流動阻力增大，提高驅(qū)替效果。

（2）環(huán)空憋壓候凝。考慮水泥漿頂替到位后管內(nèi)外壓差、套管強度等因素，采取固井后關(guān)閉環(huán)空并加壓3～5 MPa 候凝。環(huán)空加壓方法采用逐步加壓，每次增加0.5～1 MPa 左右，如果加壓過程中出現(xiàn)壓力不漲或下降，可能出現(xiàn)漏失，則停止繼續(xù)加壓。環(huán)空憋壓可在一定程度上壓實水泥顆粒，可提高水泥石抗壓強度，減小總孔隙率，還可在一定程度上促進水泥漿向地層滲透，以提高二膠結(jié)界面的質(zhì)量。憋壓結(jié)束后，泄壓過程中，套管應(yīng)力釋放，徑向微量擴張，地層應(yīng)力重新在井眼內(nèi)集中，加密地層、水泥環(huán)、套管間結(jié)合。

2.3.2 韌性水泥石微膨脹

彈性水泥漿水化形成的水泥石中含有大量高分子柔性聚合物，有一定的吸水塑性膨脹能力，根據(jù)GB/T 33293-2016《常壓下油井水泥收縮與膨脹的測定》，利用膨脹環(huán)對水泥漿進行了測試，結(jié)果表明，水泥石膨脹率在前期一段時間內(nèi)呈上升趨勢，達到一定值后趨于穩(wěn)定，例如，50℃常壓養(yǎng)護下水泥石周長變化率15 d 基本穩(wěn)定在0.19 左右，改善因水泥石收縮導(dǎo)致環(huán)空出現(xiàn)微間隙問題（見圖9）。

圖9 50℃常壓養(yǎng)護下水泥石膨脹率

2.3.3 改善水泥膠結(jié)環(huán)境

BCS系列加重沖洗隔離液能夠高效攜帶殘留泥漿泥餅和沉淀巖屑，隔離鉆井液和水泥漿，有效沖洗井壁泥餅，防止頁巖膨脹、減少氣層污染，改善水泥漿膠結(jié)環(huán)境，提高一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。為保證在固井施工過程中壓穩(wěn)氣層，加重沖洗隔離液設(shè)計密度在1.58～1.82 g/cm3，為保證有效沖洗時間在7～10 min，有效注入隔離液量應(yīng)保證至少10.0 m3。

2.4 防漏技術(shù)措施

固井前模擬施工壓力做地層承壓實驗，滿足要求后方可下套管；調(diào)整好鉆井液性能，確保壓穩(wěn)油氣層，無油氣上竄（至少要把上竄速度控制在10 m/h以下），并保證井壁穩(wěn)定的前提下降低鉆井液黏度，下套管過程中控制速度，降低井漏風(fēng)險；合理設(shè)計沖洗液和水泥漿密度，優(yōu)化沖洗隔離液和水泥漿流態(tài)，據(jù)循環(huán)洗井排量和壓力情況，適當(dāng)調(diào)整替漿排量，防止壓漏地層。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2020 年7 月至2021 年1 月，該技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用累計11井次。以YS-X 井為例，該井完鉆井深1 557 m，水平段長862 m，造斜點在60 m，位垂比1.56，鉆進采用?215.9 mm 鉆頭，下入?139.7 mm 套管進行固井，鉆井液密度1.55 g/cm3，固井前黏度調(diào)整到70 s，注入密度為1.62 g/cm3的加重沖洗隔離液12 m3，采用雙凝防氣竄彈性水泥漿體系固井，1.85 g/cm3緩凝水泥漿封固0～593 m，1.90 g/cm3快干水泥漿封固593～1 555 m，注領(lǐng)漿24 m3，尾漿31 m3，現(xiàn)場注水泥漿密度基本穩(wěn)定，排量0.8 m3/min，采用清水變排量頂替17 m3，碰壓12～17 MPa，穩(wěn)壓25 MPa，水泥漿返出地面，憋壓候凝，施工過程順利，無復(fù)雜情況。測井結(jié)果表明，整井平均合格率為84.9%，自A 點以上200 m 開始統(tǒng)計，即493 m 至井底，合格率100%，一界面優(yōu)質(zhì)率79.4%，二界面優(yōu)質(zhì)率79.2%，造斜段的固井質(zhì)量仍存在問題，需要在水泥漿體系及工藝方面進行優(yōu)化研究。

4 結(jié)論

彈性水泥漿體系具有漿體穩(wěn)定、失水量小、靜膠凝過渡時間短等特點，結(jié)合雙凝系統(tǒng)的漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效保障壓穩(wěn)地層、防止氣竄問題發(fā)生，其水化產(chǎn)生的水泥石具有低彈模、微膨脹的特性，為后期分段強化壓裂奠定基礎(chǔ)，同時與預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)相結(jié)合，可改善因水泥石收縮導(dǎo)致環(huán)空出現(xiàn)微間隙問題。

通過控制鉆井液性能、合理選擇套管扶正器類型及安放位置、加重沖洗隔離液高效清潔井壁、軟件動態(tài)模擬優(yōu)化注替排量等多措并舉，為提高頂替效率、保證固井質(zhì)量打下基礎(chǔ)，形成了一套適用于該區(qū)塊的淺層頁巖氣水平井固井技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用11井次，為同類井固井作業(yè)提供了經(jīng)驗。