長寧頁巖氣長水平段目的層固井技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

滕兆健，張明輝，韓廣海，王春才，雒 闖，宋海生，董政真，劉 勇

（1.中國石油海洋工程公司鉆井工程研究院，天津 300450；2.塔里木油氣田產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部,新疆 庫爾勒 841000）

為保障國家能源安全，2018年集團(tuán)公司加快了川渝頁巖氣開發(fā)，尤其是長寧作為中國頁巖氣主產(chǎn)區(qū)之一，成為頁巖氣開采戰(zhàn)役的主戰(zhàn)場(chǎng)。頁巖氣藏是典型的低豐度、低品位非常規(guī)天然氣藏，頁巖氣主要分布于致密、低孔、低滲的泥頁巖地層中，因此為實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，需采用“分段壓裂+水平井”開發(fā)方式[1]。

長寧區(qū)塊頁巖氣儲(chǔ)層具有脆性強(qiáng)、構(gòu)造裂縫及微裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，頁巖中富含的粘土成分，頁巖水敏性、膨脹性強(qiáng)、容易坍塌，因此為保證井壁穩(wěn)定和保護(hù)儲(chǔ)層，采用油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)。此外長寧區(qū)塊多為山地，多采用叢式水平井設(shè)計(jì)，每個(gè)平臺(tái)4～8口井，井與井間距小，井眼密集。

1 固井難點(diǎn)及分析

頁巖氣藏儲(chǔ)層特征決定了頁巖氣的開發(fā)方式，其開發(fā)方式帶來了與其他常規(guī)固井不同的難題。

（1）頁巖地層的井壁穩(wěn)定性問題和儲(chǔ)層保護(hù)問題突出，同時(shí)該區(qū)塊儲(chǔ)層存在異常高壓，在頁巖氣儲(chǔ)層段鉆進(jìn)過程中采用高密度油基鉆井液。與常規(guī)水基鉆井液相比，油基鉆井液粘度高、附著力強(qiáng)，普通前置液難以清洗和驅(qū)替，嚴(yán)重影響一、二界面膠結(jié)，對(duì)后期儲(chǔ)層改造極為不利。此外油基鉆井液對(duì)與水泥漿之間的相容性差，與水泥漿接觸后會(huì)導(dǎo)致其嚴(yán)重增稠，施工泵壓高，危及固井施工安全。

（2）井眼軌跡設(shè)計(jì)采用“直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)—增—水平段”模式中靶，井眼軌跡扭曲，全角變化率大，加之鉆遇地層構(gòu)造多變、鄰井防碰繞障作業(yè)，實(shí)際井眼軌跡比設(shè)計(jì)軌跡更為復(fù)雜；此外產(chǎn)層水平段長，基本在1500m以上，套管在斜井段和水平段與井壁發(fā)生長段面積的多接觸，下套管摩阻較大，套管很難順利下至預(yù)定位置。

（3）良好的固井膠結(jié)質(zhì)量和水泥石性能是頁巖氣井長期生產(chǎn)壽命和水力壓裂有效性的重要保證[2]。因此頁巖氣水平井固井不僅對(duì)水泥漿的基礎(chǔ)性能要求較高，同時(shí)要求水泥石具有較高的強(qiáng)度和韌性，以保證在分段壓裂增產(chǎn)措施下水泥環(huán)不發(fā)生破碎，在后期開采過程中具有良好的封隔完整性。

2 固井技術(shù)研究

針對(duì)以上固井難點(diǎn)，本研究以提高頂替效率和保證井筒完整性為核心，開展固井前置液、水泥漿體系及固井工藝設(shè)計(jì)。

2.1 高效沖洗型前置液體系

為有效驅(qū)替油基鉆井液，提高固井界面膠結(jié)質(zhì)量，頁巖氣固井前置液體系須具備以下特點(diǎn)：①具有良好的潤濕反轉(zhuǎn)能力，將地層與套管璧上的油基鉆井液由親油特性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水特性；②具有較強(qiáng)的剝離作用，有效清除油基鉆井液，提高固井質(zhì)量；③具有一定的抗污染能力，防止水泥漿與鉆井液接觸后漿體變稠，給固井施工帶來安全風(fēng)險(xiǎn)；④為防止頁巖層膨脹，須盡可能不采用沖洗液，防止頁巖層膨脹，造成井壁失穩(wěn)。

根據(jù)以上原則，通過表面活性劑復(fù)配技術(shù)，優(yōu)化組合陰離子表面活性劑和非離子型表面活性劑設(shè)計(jì)驅(qū)油沖洗劑，利用潤濕、滲透、乳化、增溶等作用，有效提高固井界面的親水性，同時(shí)將沖洗劑直接加入隔離液中，利用隔離液的沖刷、攜帶作用，清除井壁和套管壁油基鉆井液。

（1）沖洗型隔離液性能設(shè)計(jì)。油基鉆井液是一種以油為外相，水為內(nèi)相，并添加適量的乳化劑、潤濕劑、親油膠體和加重劑等所形成的穩(wěn)定乳狀液體系，通過調(diào)節(jié)油水比以及其他處理劑來滿足不同地層的性能要求。同一配方組成隔離液對(duì)于不同油水比的油基鉆井液，其潤濕反轉(zhuǎn)效果不同（如表1所示）。

表1 不同鉆井液電導(dǎo)率試驗(yàn)評(píng)價(jià)

油基鉆井液油水比越高，親水反轉(zhuǎn)越困難，因此需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液性能，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)具有不同含量沖洗劑隔離液體系。

（2）沖洗型隔離液用量設(shè)計(jì)。以往在設(shè)計(jì)隔離液用量時(shí)，沖洗液及隔離液體積量一般占裸眼環(huán)空高度300～500m或滿足接觸時(shí)間7～10min的要求。本文通過潤濕反轉(zhuǎn)試驗(yàn)，將鉆井液與隔離液按照體積比為1∶1混合后，測(cè)定不同時(shí)間段內(nèi)混合液體的電導(dǎo)率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，沖洗時(shí)間在15min左右，電導(dǎo)率達(dá)到最大，表明隔離液將油基鉆井液最大程度的潤濕反轉(zhuǎn)為親水特性，因此在指導(dǎo)隔離液用量設(shè)計(jì)時(shí)，鉆井液與隔離液接觸時(shí)間需在15min以上，可有效將鉆井液潤濕反轉(zhuǎn)，有利于提高頂替效率。不同沖洗時(shí)間內(nèi)鉆井液與隔離液混合后電導(dǎo)率試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同沖洗時(shí)間內(nèi)鉆井液與隔離液混合后電導(dǎo)率試驗(yàn)結(jié)果

（3）沖洗型隔離液沖洗效率評(píng)價(jià)。選用ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行隔離液對(duì)油基鉆井液的沖洗效率模擬實(shí)驗(yàn)，其具體評(píng)價(jià)程序?yàn)椋孩賹⒂突@井液倒入六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)杯中，稱取粘度計(jì)杯子及鉆井液重量W0；②將旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)外筒浸入油基鉆井液中，在200r/min下攪拌5min，靜滴3min，稱取杯子及鉆井液重量W1；③將配好的隔離液倒入旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)杯中，稱取杯子及隔離液重量W2；④將沾滿油基鉆井液的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)外筒在隔離液中沖洗15min，靜滴3min，稱取杯子及隔離液重量W3。

沖洗率η＝(沖掉鉆井液質(zhì)量/附著鉆井液質(zhì)量)×100%＝[(W3-W2)/(W0-W1)]×100%

試驗(yàn)結(jié)果表明（如表3所示），高效沖洗隔離液對(duì)油基鉆井液的沖洗效率基本在95%以上，對(duì)油基鉆井液的沖洗效果較好。

表3 隔離液對(duì)不同鉆井液的沖洗效率

2.2 BCE-310S高強(qiáng)彈性水泥體系

為提高水泥石彈性，同時(shí)為保證水泥石強(qiáng)度，采用多種烯類單體，通過自由基共聚合制得了可明顯降低水泥石楊氏模量的彈性體。該彈性體材料具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①楊氏模量低、泊松比高；②具有良好的耐溫性；③顆粒外觀規(guī)則，多數(shù)呈圓球狀（如圖1所示），有利于實(shí)現(xiàn)緊密堆積；④顆粒表面具有適量極性基團(tuán)，與水泥有一定的吸附性，不易造成相分離。

圖1 彈性體掃描電鏡

在此基礎(chǔ)上，通過粒徑測(cè)試和緊密堆積計(jì)算，配以一定的粒徑范圍的超細(xì)活性材料和其他固井外加劑，提高水泥石致密性，保證水泥石強(qiáng)度，形成了BCE-310S高強(qiáng)彈性水泥漿體系，水泥石力學(xué)性能如表4所示。

表4 BCE-310S高強(qiáng)彈性水泥石力學(xué)性能

長寧區(qū)塊頁巖氣施工井口壓裂一般在80～100MPa左右，套管內(nèi)壓最高為60MPa左右，通過水泥環(huán)完整性分析（如圖2、圖3所示），BCE-310S水泥石在其體積壓裂過程中不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

圖2 不同套管內(nèi)壓下對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度要求

圖3 不同套管內(nèi)壓下對(duì)水泥石抗拉強(qiáng)度要求

2.3 固井工藝技術(shù)措施

（1）保證套管居中度。為保證套管居中度，同時(shí)提高頂替效率，在垂直段及造斜段采用螺旋剛性扶正器，在水平段采用滾珠剛性扶正器。螺旋剛性扶正器與常規(guī)的彈性扶正器相比，在注水泥時(shí)，螺旋剛性扶正器不僅在下套管中能減輕遇阻沖力，而且能改變水泥漿流速剖面，產(chǎn)生旋流，提高頂替效率。滾珠剛性扶正器摩阻系數(shù)較小，則有利于套管下入。為改善套管貼邊問題，減少套管與井壁摩擦，在大斜度及水平井井段加密滾珠扶正器安放，并通過固井軟件模擬，保證套管居中度達(dá)75%以上，提高固井質(zhì)量。

（2）預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)。固井過程中采用清水頂替，環(huán)空中為高密度水泥漿，同時(shí)在保證套管安全的條件下，候凝期間環(huán)空憋壓，管內(nèi)敞壓候凝，套管內(nèi)外形成較大的負(fù)壓差，對(duì)套管產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的擠壓應(yīng)力，套管在彈性變形范圍內(nèi)向內(nèi)擠壓，就形成了預(yù)應(yīng)力（如圖4所示）。預(yù)應(yīng)力一方面可以迫使套管恢復(fù)形變來彌補(bǔ)水泥環(huán)收縮時(shí)留下的微裂縫，同時(shí)在壓裂結(jié)束后也可以抵消一部分套管收縮，從而保持與水泥環(huán)的緊密結(jié)合。

圖4 預(yù)應(yīng)力固井示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

寧209X-A井為長寧區(qū)塊一口頁巖氣水平井，該井完鉆井深5130m，水平段長1800m，?139.7mm套管下深5127m，完鉆油基鉆井液密度2.05g/cm3。采用上述固井配套技術(shù)措施，設(shè)計(jì)注入2.07g/cm3高效沖洗隔離液23m3，2.13g/cm3高密度領(lǐng)漿48.5m3，1.90g/cm3常規(guī)密度彈性水泥漿尾漿48m3，壓裂車進(jìn)行清水頂替50m3。利用固井模擬軟件進(jìn)行了頂替效率分析，頂替效果較好，鉆井液殘留風(fēng)險(xiǎn)低。固井施工過程正常，最終產(chǎn)層水平段固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)97.7%。

目前該配套固井技術(shù)在寧209H10平臺(tái)共計(jì)實(shí)施4口井，水平段固井優(yōu)質(zhì)率平均為90%以上，后期壓裂過程中，均未出現(xiàn)環(huán)空氣竄現(xiàn)象，結(jié)果如表5所示。

表5 寧209X平臺(tái)井組水平段固井質(zhì)量

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）以提高頂替效率為核心，通過合理設(shè)計(jì)高效沖洗型隔離液體系，固井液流變性能梯度，優(yōu)選套管扶正器，保證套管居中度等技術(shù)措施，解決了油基鉆井驅(qū)替問題和套管下入問題，保證了封固質(zhì)量。

（2）為保證在分段壓裂增產(chǎn)措施下水泥環(huán)不發(fā)生破碎，在后期開采過程中具有良好的封隔完整性，通過設(shè)計(jì)BCE-310S高強(qiáng)彈性水泥漿體系和采用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，減少了微裂縫和微環(huán)隙的產(chǎn)生，保證了頁巖氣井的長期安全開發(fā)。