页岩气水平井固井技术难点与对策浅析

页岩气水平井固井技术难点与对策浅析

钟文力，洪少青，吕聪，张大翔，尹玺

(中国石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德阳 618000)

摘要：有效封固页岩产层，避免气体窜漏和稳定气井产量，是页岩气水平井固井的难题。在分析总结页岩地层特征、钻井施工条件及后期完井工艺特点的基础上，指出页岩气水平井固井技术难点主要集中在井壁的稳定性较差、套管安全下入难度大、套管居中度不高、油基钻井液驱替及界面清洗困难、顶替效率不高、后期大型压裂对水泥石性能要求高等方面。针对这些难点，从有效通井、扶正器合理安放保证套管居中、高效前置液技术、采用塑性水泥浆体系等几个方面提出了提高页岩气水平井固井质量的技术对策，为今后页岩气水平井固井提供借鉴。现场应用表明，该配套技术提高了水泥环的封固质量。

关键词：油基钻井液；页岩气；固井；塑性水泥浆

中图分类号:TE256

作者简介：第一钟文力(1987年生)，男，硕士研究生，助理工程师，2012年毕业于中国地质大学(武汉)，从事固井技术研究工作。邮箱：290941494@qq.com。

Difficulties and Countermeasures for Shale Gas Horizontal Well Cementing

Zhong Wenli, Hong Shaoqing, Lv Cong, Zhang Daxiang, Yin Xi

(CementingCompanyofSinopecSouthwestOilfieldServiceCorporation,Deyang,Sichuan618000,China)

Abstract：Effective sealing of shale gas layer to avoid gas leakage and stabilized gas production is difficult for shale gas horizontal well cementing. Based on analyzing and summarizing shale formation features, drilling conditions and characteristics of well completion technology at late stage, it was point out that difficulties in shale gas horizontal well cementing concentrated in poor sidewall stability, great difficulty in safe casing running, lower centering degree of casing, difficult displacement of oil-based drilling fluid and hard boundary washing, lower replacing efficiency, and high requirement of large-scale fracturing on cement paste performance, etc. Technical solutions for enhancing shale gas horizontal well cementing quality were proposed in terms of effective drifting, rational placement of stabilizer to guarantee casing centralizing, efficient preflush technique, and use of plastic cement slurry. All these could be reference to shale gas horizontal well cementing in future. Field application showed that the new technology could enhance cementing quality of cement ring.

Key words: oil-based drilling fluid; shale gas; cementing; plastic cement slurry

页岩气是一种重要的非常规天然气，在我国储量和产能潜力巨大[1，2]。由于页岩含泥质较多，具有易膨胀、易破碎，且储层孔隙度和渗透率低的特点，其完井方式通常是套管固井后射孔完井，采用多级分段压裂增产技术来提高页岩气气井产量，因此对固井技术要求很高[3-9]。

与常规固井相比，页岩气井固井除水泥浆性能要求高外，还需要安全下入长水平段套管和提高套管居中度，采用有效手段驱替油基钻井液及满足后期压裂要求。国内的页岩气井固井技术研究与应用处于起步阶段，缺乏相关技术经验，笔者通过对川西南两口页岩气水平井(YS108H1-01井和新505H井)固井技术的研究与分析，针对其难点提出了相应的技术措施。

1 页岩气井基本情况

近两年川西南实施页岩气水平井固井2井次，页岩气井水平段长，均使用油基钻井液，密度高、黏度大、油水比高，通过合理安放扶正器，优化前置液体系和水泥浆性能，水平段固井声幅质量达到优质，后期压裂未出现气窜现象(表1)。

YS108H1-01井是位于川南低陡褶带南缘罗场复向斜建武向斜构造上的一口页岩气开发水平井，设计井深为3960.00m(垂深2570.00m)，完钻井深为4115.00m(垂深2572.58m)。

新505H井是位于川西凹陷孝泉—丰谷构造带新场构造上的一口页岩气评价水平井。设计井深为4045.00m(垂深2963.00m)，完钻井深为4049.00m(垂深2963.00m)。

表1　两口水平井基本参数表

2 页岩气水平井固井难点

2.1 页岩层稳定性差

页岩含泥质较多，地层易坍塌破碎，水泥与井壁胶结质量差，胶结强度较低，水泥环体积收缩时胶结面易生成微环空，形成气体窜流通道，导致页岩气窜槽[10]。

2.2 水平段下套管难度大

页岩储层遇水易膨胀，导致井眼呈椭圆形。由于水平段较长、水平位移大，下套管摩阻较大，套管很难顺利下至预定位置。新505H井水平位移为1206.69m，YS108H1-01井水平位移达到1729.17m。两口井最后100m下套管时摩阻均较大。

2.3 顶替效率难以保证

由于井斜角的影响，大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是轴向而是径向，极易导致套管偏心，使套管低边的钻井液驱动困难，容易窜槽，从而影响水泥浆的顶替效率。

油基钻井液性能对固井质量的影响主要反映在顶替效率、水泥石强度及第二界面胶结程度上，油基钻井液比水基钻井液驱替更加困难，且油基钻井液与水泥浆的相容性差。此外，为了防止井壁失稳、保证有效的携岩效率，钻井液的密度、黏度一般比较高，流动性差，严重影响固井顶替效率。新505H井油基钻井液密度为2.09g/cm3，漏斗黏度为82s，油水比为95/5；YS108H1-01井油基钻井液密度为2.16g/cm3，漏斗黏度为84s，油水比为90/10。

另外，由于残存的滤饼和死钻井液被滞留，导致水泥浆不能完全顶替钻井液，使得形成的水泥环不完整。

2.4 对水泥环的破坏大

后期射孔压裂等作业对套管及水泥环产生巨大的冲击压力，会使水泥环局部区域产生高压、高拉的应变区。由于普通水泥石材料的抗压、抗拉强度相差较大，易产生宏观的裂缝，严重影响后期采气及井的使用寿命[11，12]。因此，要求水泥环必须具备较好的抗冲击能力和韧性。

2.5 对水泥浆的性能要求高

页岩气水平井固井对水泥浆的流变性能、沉降稳定性、API(美国石油协会)失水、自由液等性能要求高。水泥浆稳定性不好，在重力的作用下发生沉降，会在水平段留下上窜通道。

3 固井技术措施

固井技术措施为：

(1)针对页岩气水平井的特殊性，完井时要保证井眼的通畅和稳定性，确保套管顺利下放到位。

(2)合理安放扶正器，提高套管在水平段和斜井段居中度。

(3)优化前置液冲洗技术，提高冲刷效果。

(4)优化水泥浆配方，保证水泥环有效封固气层及增强抗冲击强度。

3.1 套管下入技术

3.1.1 下套管前认真通井

在下套管前使用高于套管串刚度的组合钻具(如采用带1个、2个或3个扶正器等不同钻具组合)进行反复通井，对存在严重“狗腿”井段要重复划眼，为套管顺利下到位和固井施工创造良好的井眼条件。

3.1.2 套管抬头下套管技术

在管串设计中，充分考虑套管引鞋居中，避免引鞋直接朝向井壁，形成硬接触增大下行阻力。靠近引鞋使用短套管，通过在短套管上加入扶正器，确保引鞋“抬头”居中。

3.1.3 套管居中

随着水平位移增加，对扶正器的性能提出了更高要求。常规的弹性扶正器具有较高的复位力，旋流刚性扶正器不仅在下套管过程中能减轻遇阻冲力，而且对环空水泥浆产生旋流，提高顶替效率。两口井的斜井段套管加密使用扶正器，保证套管最大居中度，既利于提高顶替效率，也利于提高环空水泥环均匀性。固井软件模拟结果表明，水平段采用旋流刚性扶正器和弹性扶正器交叉使用的方式，可以保证套管居中度在67%以上[13-16]。

3.2 前置液冲洗技术

油基钻井液的基本组成是油、水、有机黏土和油溶性化学处理剂，其具有抗高温、抗盐钙侵蚀、稳定井壁、润滑性好及对油气层伤害小等优良性能。然而在固井中，油基钻井液与水泥浆的相容性差，井壁和套管上附着的油膜很难清洗干净，导致水泥环与套管和井壁之间形成微环隙。且油基钻井液塑性黏度大，顶替效率难以保证。针对这一难点，主要采用高效前置液冲洗技术。

前置液包括冲刷隔离液和加重隔离液，具有润湿反转性能，与油基钻井液和水泥浆相容性好，且具有较好的悬浮稳定性。前置液密度根据固井前钻井液和水泥浆的密度进行确定，原则是：ρ钻井液<ρ冲刷隔离液<ρ加重隔离液<ρ水泥浆(ρ为密度)，确保钻井液、前置液和水泥浆之间具有一定的密度差，以提高顶替效率。前置液用量满足接触时间不小于10min。冲刷隔离液中的油基冲洗剂易在油膜的表面渗入，削弱油膜的结构力和内聚力，达到较好的冲刷效果，提高界面胶结质量。在实验室内，模拟冲刷隔离液冲洗油基钻井液的结果(图1)可以很清楚地看到，冲刷12min后，套管壁基本清洗干净。

图1　实验室模拟冲刷隔离液冲洗油基钻井液的效果图 Fig.1　Effect of oil-based drilling fluid washing with flushing spacer in laboratory

同时，为了有效驱替高塑性黏度、高密度油基钻井液，也采用了具有一定黏度的加重隔离液，有效隔开油基钻井液和水泥浆。在YS108H1-01井和新505H井两口井中，前置液用量均为40m3，起到了良好的冲刷、携带和隔离效果。

3.3 优化水泥浆体系

常规水泥石脆性较高，其抗拉强度远低于抗压强度。在后期射孔完井作业中，水泥石破裂形成裂纹，使水泥环整体完整性遭到破坏，导致页岩气层间封固能力失效。改善水泥石韧性、提高水泥石的抗冲击力，是降低水泥石破裂程度的重要途径。在上述两口井中，水泥浆体系中加入塑性剂材料来提高水泥石形变能力，改进后的水泥浆体系不仅具有常规水泥浆优良的综合性能，而且还提高了水泥石的力学性能。

4 进一步优化固井技术

针对油基钻井液固井存在的技术难题，有必要应用新工艺、新工具，形成适用于油基钻井液的页岩气水平井固井配套技术。根据油基钻井液水平井的特点，固井工艺应重点发展以下技术：

(1)合理进行扶正器的选型和间距设计，尽可能提高套管的居中度。

(2)优化前置液结构和技术。冲刷和携带油膜是提高第二界面固井质量的关键，研制新型的前置液技术，有效地洗净和携带套管壁和井壁的油膜，提高胶结强度。

(3)优化水泥浆体系，严格控制零析水、无沉降分层，提高水泥环的韧性强度、防气窜能力、胶结强度[16-20]。

(4)顶替工艺技术。由于钻井液性能的调整受限，因此，只能优化浆柱结构设计和顶替参数，选择合理的顶替工艺，目前常用的有活动套管顶替技术、旋转套管顶替技术或旋流扶正器旋流顶替技术。而旋转套管顶替技术还不成熟，在现场使用受到很大的限制，需要进一步深入研究。

5 结束语

(1)提高页岩气水平井固井质量，须重点研究扶正器的选型和间距设计。

(2)优化前置液体系，加入油基冲洗剂等，充分有效地冲刷套管壁和井壁上的油膜。

(3)采用塑性水泥浆体系，增加水泥石韧性，降低射孔等作业对水泥环造成的伤害，提高水泥环气层封固能力。

参考文献

[1]刘德华，肖佳林，关富佳.页岩气开发技术现状及研究方向[J].石油天然气学报，2011，33(1)：119-123.

[2]吴奇，胥云，刘玉章，等.美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示[J].石油钻采工艺，2011，33(2)：1-7.

[3]刘伟，陶谦，丁士东.页岩气水平井固井技术难点分析与对策[J].石油钻采工艺，2012，34(3): 40-43.

[4]张然，李根生，杨林.页岩气增产技术现状及前景展望[J].石油机械，2011，39(S1)：117-120.

[5]郭南舟，王越之.页岩气开采技术[J].石油与天然气化工，2011，19(5)：504-509.

[6]张林晔，李政，朱月房.页岩气的形成及开发[J].天然气工业，2009，29(1)：124-126.

[7]崔思华，班凡生，袁光杰.页岩气钻完井技术现状及难点分析[J].天然气工业，2011，31(4)：72-74.

[8]武治强，周建良，靳勇，张红生.页岩气水平井气层封固难点分析与技术对策[J].石油钻采工艺，2012，34(1): 26-29.

[9]谭春勤，丁士东，刘伟，等 .页岩气水平井固井技术难点分析与对策[A]见：2012年固井技术研讨会论文集[C]. 北京：石油工业出版社，2012 ：20-28.

[10]陶谦，丁士东，刘伟，等.页岩气井固井水泥浆体系研究[J].石油机械，2011，39(S1)：17-19.

[11]李茂华，徐守余，牛卫东.射孔对水泥环与套管性能影响的分析计算[J].石油与天然气化工,2011,19(5)：504- 509.

[12]王祥林，王允良，王立平，等.射孔对水泥环损伤的综合试验研究[J].地震工程与工程振动，1994，14(1)：90-91.

[13]罗德明，舒秋贵，姚勇,等.螺旋流顶替技术在川西水平井固井中的应用[J].钻采工艺，2013，36( 4)：101-103.

[14]焦建芳.川西南高压页岩气井固井技术初探[A]见：中国石油学会固井技术研讨会论文集[C].北京：石油工业出版社，2014.

[15]王治国，徐璧华，张峻巍.扶正器在固井作业中的影响[J].内蒙古石油化工，2010,(10)：62-63.

[16]冯京海，郝新朝，白亮清，等.冀东油田水平井固井技术[J]. 石油钻采工艺，2007，29 (S1)：32-34.

[17]胡黎明，赵留阳，郭振斌.提高水平井固井质量的措施[J].中国石油和化工标准与质量，2012，32(4)：217-218.

[18]刘成贵.非常规油气水平井固井关键技术研究与应用[J].石油钻采工艺，2013，35(2)：48-51.

[19]李金伟.水平井固井水泥浆体系[J].内蒙古石油化工，2011,(17)：91-92.

[20]舒秋贵.油气井固井注水泥顶替理论与技术综述[J].西部探矿工程，2005，17(5)：85-87.