涪陵页岩气 水平井“复杂井筒”固井技术应用研究

涪陵页岩气 水平井“复杂井筒”固井技术应用研究

张卫平

中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司 湖北 潜江 433121

摘 要：　随着涪陵页岩气开发的不断深入，目的层裂缝发育和伴生气活跃、“溢漏同存”井日渐增多，给固井施工带来了很大的挑战。针对此类复杂井，通过优化前置液组合、管外封隔器与分级箍相组合、双凝双密浆柱结构设计等开展研究，研制开发的纤维弹韧性防气窜水泥浆体系和综合配套工艺技术，在现场3口井成功应用，应用效果显著，对后续施工的同类型井具有一定的借鉴和参考价值。

关键词：　页岩气　复杂井筒　水平井　固井技术

1 难点分析

根据涪陵页岩气钻遇地层特点，复杂井筒条件下水平井固井主要面临以下难点：

1）井眼摩阻大，套管居中度低

套管与井壁间摩阻大，直井段套管提供的自行下滑动力有限；水平段井眼轨迹易成蛇形起伏，套管重量的90%作用于井壁，套管偏心严重，造成套管下入困难且居中度低。

2）前置液冲洗效率以及顶替效率难以保障

水平段套管受重力影响，易偏心、贴边，底部窄边泥浆驱替困难，容易窜槽，环空难以形成连续均匀的水泥；采用油基钻井液，第一、二界面的油膜难以清洗干净，影响胶结质量；同时前置液对油基钻井液存在破乳、絮凝问题，替净困难。

3）水泥浆性能要求高

长水平段固井更容易出现水泥浆气侵现象，使水泥浆密度降低，引起水泥浆失重，产生环空气窜，形成环空窜槽；同时，水泥浆体系需兼具防漏失功能。

4）压稳和防漏矛盾突出

钻遇地层压力系数1.25~1.30g/cm³，裸眼段孔隙及裂缝发育，伴生气活跃，钻井液密度安全窗口较窄，固井施工和侯凝过程中极易发生油气侵，压稳和防漏、防窜难度大，影响目的层封固质量。

2 技术措施

1）优化通井方案

为保证套管的顺利下入和提高套管居中度，综合井眼轨迹数据，采用不低于套管刚度的管串通井，对起下钻摩阻较大、方位变化大及全角变化率大的井段认真划眼、通井，去除岩屑床；同时加强钻井液流变性、润滑性能的处理，降低下套管的摩阻，不涌不漏后才能进入下套管作业。

2）优化扶正器安放设计

利用固井软件根据井眼轨迹、井径、井斜等数据对套管居中度与下入摩阻进行模拟计算，合理设计扶正器类型与安放位置。水平段计划采用滚珠刚性扶正器与整体式弹性扶正器交错下入，既能提高套管居中度，又能确保套管顺利下入。

3）采用漂浮顶替技术

水泥浆顶替作业期间，水平段采用清水作为顶替液来实现漂浮顶替，充使套管在浮力作用下，有向井壁高边漂浮的趋势，减小套管的偏心程度，从而提高水泥浆的顶替效率。

3 入井流体设计

页岩气长水平井若水泥浆稳定性不好，在重力的作用下会发生沉降，会在水平段形成上窜通道。同时，良好的冲洗效果和顶替效率对于固井质量也有至关重要的影响。为此，根据作业井筒实际情况，对前置液体系、浆柱结构、水泥浆体系及性能进一步优化设计。

3.1前置液体系设计

涪陵页岩气在钻井过程中采用的是油基钻井液体系，会在井壁上黏附一层油膜，导致水泥胶结质量差，要求前置液能有效地冲洗、携带油膜、油浆。因此采用具有针对性的前置液体系，主要包括：稀释液、冲洗润湿反转隔离液、驱油型冲洗液三部分。

稀释液主要成分是柴油，柴油的使用降低了固井施工过程中的液柱密度当量，减小了固井施工过程中漏失风险，同时还隔离了油基钻井液与润湿反转液，保证润湿反转隔离液浓度及表面活性。冲洗润湿反转隔离液与驱油型冲洗液所采用的配方基本一致，主要区别在于冲洗润湿反转隔离液中加入了一定量的活性加重剂，其主要目的可以形成与柴油之间良好的密度分层，防止隔离液冲洗造成井壁失稳。

通过室内实验，研究出一种碾磨型堵漏隔离液冲洗，0.2%~0.3%的纤维和2%~3%的超细碳酸钙材料，该前置液体系实现了对油基钻井液的有效驱替和油－水润湿界面的翻转，现场应用封堵效果良好，保证了固井质量。

3.2水泥浆体系设计

由于页岩气大多采用水平井钻井技术与体积压裂技术相结合的开采方式，后期分级压裂会对水泥石造成严重的破坏作用，主要集中在两个方面：一是水泥石与套管存在力学性能差异，压裂过程中套管内壁承受高内挤压力及冲击力，套管发生变形对水泥石产生挤压，使水泥石产生周向拉应力，由于水泥石为脆性材料，抗拉强度远低于抗压强度，当水泥石所受周向拉伸力大于其抗拉强度时，水泥石产生断裂；二是压裂的冲击作用大于水泥石破碎吸收能力时，水泥石会破碎，破坏水泥环密封完整性。因此要求水泥石具有较低的弹性模量，较好的韧性和较高的抗压强度。

采用双凝双密度弹韧性水泥浆体系固井，提高裸眼段封固质量，防止油气水窜和井漏，同时提高水泥石抗冲击能力，双凝界面为进入A点以上300m。

领浆：水泥浆设计为低密度纤维弹韧性水泥浆，1.40～1.60g/cm³，控制领浆失水小于50ml。

尾浆：水泥浆设计为常规密度弹韧性水泥浆，1.90～1.92g/cm³控制失水小于50ml，严格控制游离液为0mL。

3.3水泥浆配方

为了满足分段压裂和长期开采的要求，对涪陵页岩气水平井固井技术进行深入研究。在分析页岩地层固井难点的基础上，利用数值模拟分析了分段压裂对水泥石力学性能的要求；针对复杂井筒的地层特点及分段压裂要求，优选出的降失水剂、缓凝剂、增强剂、膨胀剂配伍性良好，能有效减少水泥石的体积收缩和强度衰退，防止发生气窜；并在水泥浆中加入不同尺寸的纤维，长短不一的纤维首先交织组成三维网络状结构封堵微裂缝性和微孔隙^[1]，不同粒径的水泥及固井添加剂颗粒形成颗粒级配，附着在纤维网络上逐渐充实整个微裂缝通，既增强水泥石韧性，又提高了水泥浆防漏能力。研制开发了双凝双密度弹韧性水泥浆体系，室内评价试验表明，水泥浆体系耐温145℃以上，最低弹性模量达5.0GPa，水泥石渗透率0.06mD，稠化时间可调，根据膨胀剂加量可调节水泥石膨胀率，保证水泥环与套管良好胶结，防止气窜发生，提高固井质量。通过多次实验，最终确定了添加剂的配比加量，水泥浆配方如下：

缓凝领浆：1.40~1.60g/cm³，G级水泥+淡水+增强剂+减轻剂+降失水剂+分散剂+防窜增强剂+缓凝剂+膨胀剂+纤维+消泡剂

短侯凝尾浆：密度1.90~1.92g/cm³，G级水泥+淡水+增强剂+降失水剂+分散剂+缓凝剂+胶乳+防窜增强剂+膨胀剂+纤维+消泡剂

4 现场应用

采用碾磨型防漏清洗液、低密度纤维水泥浆、漂浮顶替技术、管外封隔器分级箍固井工具和平衡压力固井施工工艺相结合的水平井综合配套固井技术^[2]，在焦页53-4HF井、焦页57-4HF井等3口复杂井筒中成功应用，有效保证固井施工质量。CBL/VDL测井结果表明，固井一、二界面胶结良好，水平段固井质量：优质。

5 结论与认识

1）研制开发了双凝双密度弹韧性水泥浆体系，稠化时间可调，水泥浆体系耐温145℃以上，水泥石最低弹性模量达5.0GPa，具有较好的韧性和抗压强度。

2）通过对前置液体系优化设计，采用碾磨型防漏清洗液，增加冲洗液接触时间，能有效提高油基泥浆条件下页岩气长水平井的固井胶结质量。

3）管外封隔器分级箍固井工具和平衡压力固井施工工艺相结合的水平井综合配套固井技术，能有效保证复杂井筒固井施工质量。

参考文献 

[1] 裴建武.纤维对油井水泥作用机理的实验研究[J].西部探矿工程矿，2004，16（10）：68-69.

[2] 何吉标，陈智源等.涪陵地区页岩气水平井低承压配套固井技术[J].江汉石油职工大学学报，2016，5（29）：33-35.

作者简介 : 张卫平, 男，1978年生， 2003年毕业于西南石油大学应化专业, 江汉石油工程有限公司钻井一公司，高级工程师，现从事于现场固井技术研究工作。