李奮強

（湖南省煤田地質(zhì)局油氣資源勘探隊，長沙4100141）

湘西北區(qū)域頁巖氣固井工藝技術參數(shù)研究

李奮強

（湖南省煤田地質(zhì)局油氣資源勘探隊，長沙4100141）

當前頁巖氣勘探領域大都引用中石油或中石化領域的技術標準，其應用的前提大都是5000 m以上、甚至上萬m以上的深孔或超深孔鉆井工程。而湘西北區(qū)域地質(zhì)條件復雜、裂隙發(fā)育，易造成鉆井液漏失或地層坍塌。該區(qū)域的頁巖氣鉆井深度目的層在3500 m以內(nèi)，平均在3000 m左右，為此對其部分技術參數(shù)的選用值得商榷和探討。結(jié)合花垣、永順、龍山、保靖和桑植五大區(qū)塊的頁巖氣資源普查評價與鉆井工程的實踐資料，采用Eaton法預測地層壓力，建立湘西北區(qū)塊地層壓力剖面，推算出該地區(qū)的地層壓力系數(shù)為1.1；通過鉆井液、水泥漿和前置液做相溶配伍性試驗，取得了該區(qū)域固井用水泥漿液性能參數(shù)，提出了現(xiàn)場作業(yè)的工藝技術參數(shù)和水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價推薦標準。

頁巖氣固井；地層壓力系數(shù)；水泥漿液性能；注水泥設計；質(zhì)量推薦標準；湘西北

固井技術的發(fā)展是從多方面同時進行的，主要是固井工藝、固井設備、固井水泥漿體系、固井添加劑、固井工具附件、固井軟件等各項技術的配套發(fā)展?，F(xiàn)代的固井技術不但能解決各種漏失井、高壓井、長封固段井、大位移井、水平井、小間隙井、鹽膏層井等復雜井的固井，同時把固井的目的擴大到不只是為了能夠達到生產(chǎn)要求，而且還要做到油氣層保護和增產(chǎn)、增效。由于頁巖氣具有與常規(guī)油氣藏不同的成藏特點［1，2］，決定了其固井工藝技術的選擇與優(yōu)化具有與常規(guī)油氣勘探的相異之處［3-5］。國內(nèi)外眾多學者對水平井鉆井和固井技術進行了研究，尤其是美國在這方面做出了很大的貢獻［6-9］。當前，在工藝技術方面，中石油在水平井固井、分段壓裂改造，微地震監(jiān)測技術等方面取得重要進展；而中石化在關鍵固完井工具研發(fā)，水平井鉆井液，壓裂液體系研發(fā)，以及壓裂裝備研制等方面取得進展；中海油則初步掌握了頁巖氣鉆完井技術，初步具備了設計能力［10-15］。對于非常規(guī)油氣來說，頁巖氣具有“三低”（低壓、低滲、低飽和度）的特點，它與常規(guī)油氣的高壓特性存在較大的差異性。本文就湘西北區(qū)域的固井工藝技術的主要性能參數(shù)進行研究與探討。

1地質(zhì)條件分析

湘西北區(qū)塊在大地構造位置上屬揚子準地臺，其東側(cè)為江南地軸，屬長期隆起區(qū)，西側(cè)相對坳陷。區(qū)內(nèi)主題構造呈北北東方向，元古界及下古生界廣泛分布；上古生界及三疊系中、下統(tǒng)主要分布在大庸、永順、保靖、花垣一線以西，中、新生界分布較零星。在地層分區(qū)上，基本上為下寒武統(tǒng)分布的武陵山過渡區(qū)，隸屬于揚子區(qū)和江南區(qū)的過渡地帶。湘西北區(qū)內(nèi)出露地層由老到新有板溪群、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第四系。巖性以砂巖、泥巖、頁巖、砂礫巖和灰?guī)r為主，可鉆性較好。

湘西北地區(qū)頁巖氣勘探目的層主要為下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組兩套地層。下志留統(tǒng)龍馬溪組下部有效厚度在30 m以上，有機碳含量（TOC）多大于2.5%，有機質(zhì)熱演化程度適中，鏡質(zhì)體反射率（R0）在1.3%～2.1%，有機指標均較好，從埋深來看，位于區(qū)內(nèi)兩個向斜的核部埋深在4000 m以上為有利的深度條件；下寒武統(tǒng)牛蹄塘組烴源巖有效厚度平均為185 m，有機碳含量（TOC）為2.5%～3.5%，從埋深來看，區(qū)塊的中西部在4000 m以上，中部的紅巖溪-比耳背斜最淺。

2相關固井技術參數(shù)研究

當前頁巖氣勘探領域大都引用中石油或中石化領域的技術標準，其應用的前提大都是5000 m以上、甚至上萬m以上的深孔或超深孔鉆井工程。而湘西北區(qū)域地質(zhì)條件復雜、裂隙發(fā)育，易造成鉆井液漏失或地層坍塌，該區(qū)域的頁巖氣鉆井深度目的層在3500 m以內(nèi)，平均在3000 m左右。為此對其部分技術參數(shù)的選用值得商榷和探討，如地層壓力系數(shù)、水泥漿液性能指標及固井質(zhì)量評價標準等。

2.1地層力系數(shù)計算

地層壓力預測方法是基于壓實理論、均衡理論及有效應力理論。利用地震資料和已鉆井資料進行預測，結(jié)合Eaton法預測地層壓力［17］，建立湘西北區(qū)塊地層壓力剖面，指導鉆井設計和施工。Eaton法預測壓力的公式如下：

式中，Pp為地層壓力，單位為MPa；P0為上覆巖層壓力，單位為MPa；Pn為靜液柱壓力，單位為MPa；Δtn為該深度點正常趨勢線上的聲波時差、Δt為地層實際聲波時差，單位為μs/ft（3.28×10-6s/m）；c為伊頓指數(shù)；ρ為液體介質(zhì)的密度，單位為g/cm3；h為液柱的垂直高度，單位為m；ρma為巖石骨架密度，單位為g/ cm3；φp為巖石孔隙度，單位為%；H為地層的垂直深度，單位為m。

根據(jù)式1，利用慈頁1井（井深3008 m）井旁道速度譜點Eaton指數(shù)和趨勢線擬合圖（圖1，圖2），推算出該地區(qū)的地層壓力系數(shù)為1.1，并應用到龍參2井、桑頁1井、花頁1井和永頁2井的井控、分級固井和環(huán)空蹩回壓候凝等工序中的壓力指標值的選用中，認為該地層壓力系數(shù)具有普遍的指導意義。

2.2水泥漿液性能與注水泥設計

2.2.1水泥漿性能分析

圖1　Eaton指數(shù)和趨勢線擬合圖Figure 1 Fitting diagram of Eaton indices and trend line

圖2　計算壓力與實測壓力對比圖Figure 2 Comparison chart of computed and measured pressures

通常情況下，一、二開采用常規(guī)水泥漿體系，G級油井水泥+早強劑+調(diào)凝劑+降失水劑+消泡劑；三開則采用雙密度水泥漿體系。水泥漿要做大樣復查，固井水取井場用水，其實驗結(jié)果見圖3，它反映出：隨著水灰比的增大，水泥漿的粘度、密度、結(jié)石率等性能指標呈現(xiàn)顯的降低態(tài)勢，且在水灰比1.8～2.0趨于穩(wěn)定。在工程實踐中的選用的原則為：“正常地層壓力梯度設計水泥漿密度不應小于1.89 g/ cm3，設計水泥漿密度大于2.1 g/cm3時應選用加重材料對水泥加重，地層承壓能力差、漏失嚴重要宜選用低密度水泥漿”。

圖3　水泥漿性能指標Figure 3 Cement slurry performance indices

2.2.2促凝早強劑對水泥漿液的影響

選取水灰比為1∶1水泥漿，分別選取沒有外加劑、3%的水玻璃、2%的三乙醇銨和5%的三乙醇銨各種情形進行實驗，見表1。結(jié)果表明：合適的速凝早強劑加量為；三乙醇銨加量為水泥質(zhì)量5‰以下，水玻璃加量為水泥質(zhì)量3%以下。

表1　速凝劑對水泥漿液性能的影響Table 1 Impacting from accelerating agent on cement slurry performance

2.2.3注水泥設計與施工工序

鉆井液、水泥漿和前置液必須做相溶配伍性試驗。施工工藝和主要技術參數(shù)如下：

（1）前置液配制，其特性必須對鉆井液及水泥漿具有良好的相溶性，并能控制濾失量，不腐蝕套管，不影響水泥環(huán)的膠結(jié)強度。使用量為：在不造成氣侵及垮塌的原則下，占環(huán)空高度300～500 m。

⑵施工程序：注先導漿→注前置液→注水泥漿→壓膠塞→替井漿→碰壓→候凝。

⑶先注入漂珠低密度水泥漿，后注入常規(guī)密度水泥漿。注水泥要求：推薦領漿密度1.45～1.60 g/ cm3，注量必須滿足井眼承壓能力的要求；尾漿密度1.90～1.95 g/cm3，注量必須封固到地面。

⑷現(xiàn)場須對從套管下到底到固井完試壓施工全過程工況仔細設計、計算，保證套管及其附件和井口裝置處在安全的范圍內(nèi)，必要時可采取調(diào)整后期替漿密度等措施。

2.3水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價標準

結(jié)合慈頁1井、保頁1井（圖4）、龍參2井、桑頁1井等固井質(zhì)量評價，初步確定了本地區(qū)的固井質(zhì)量評價推薦性標準，見表2。

圖4　保頁1井（2665-2765m）固井處理成果圖Figure 4 Well consolidation result of well Baoye No.1（2665～2765m）

表2　固井質(zhì)量推薦性標準Table 2 Well consolidation quality recommended standard

3結(jié)論及建議

（1）注水泥漿量依據(jù)電測井徑計算，附加系數(shù)取10%～20%，同時考慮水泥漿與井壁的接觸時間，頁巖氣層頂部以上200 m處接觸時間應在8 min以上。

（2）采用兩凝或多凝水泥固井時，促凝水泥一般應返至主要頁巖氣水層以上200 m，緩凝水泥的稠化時間要大于促凝水泥的稠化時間120 min以上。

（3）水泥稠化時間的確定：促凝水泥漿稠化時間等于施工注替時間附加60 min，緩凝水泥漿稠化時間等于施工注替時間附加120 min，分級固井第一級施工和尾管固井施工時間應包括將水泥漿循環(huán)出井口的時間附加120 min。

（4）水泥漿注替排量，應根據(jù)井眼條件綜合考慮。依據(jù)實測的鉆井液、水泥漿及隔離液流變參數(shù)和地層的承壓能力，優(yōu)化設計施工排量。

［1］肖正輝，楊榮豐，馮濤，等.湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏條件及其勘探潛力分析［J］.湖南科技大學學報（自然科學版），2012，27（1）：50-54.

［2］張金川，薛會，卞昌蓉，等.中國非常規(guī)天然氣勘探雛議［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（12）：53-56.

［3］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，et al.UnconventionaI shalegas systems：the Mississippian Barnett shale of northcentral Texas as one model for thermogenic shale gas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：301-306.

［4］Hill R J，Zhang E，Katz B J，et al.Modeling of gas generation from the Barnett shale，F(xiàn)ort Worth basin，Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：411-415.

［5］王中華.國內(nèi)頁巖氣開采技術進展［J］.中外能源，2013，18（2）：23-32.

［6］Mutalik P N，Gibson B Case history of sequential and simultaneous fracturing of the Barnett Shale in Parker County［R］，SPE 116124-MS，2008.

［7］John B，Curtisc，David G，Hill2 and Paul G，Lillis3 Classic and Emerging Plays，the Resource Pyramid and a Perspective on Future E&P San Antonio，AAPG Bulletin，April 20-23，2008.［8］Liu He，SPE，Lan Zhongxiao，Zhang Guoliang，et al Evaluation of refracture reorientation in both laboratory and field scales，SPE 112445，2008

［9］Zahid S，Bhatti A A，Khan H A，et al Development of unconventional gas resources：stimulation perspective［R］，SPE 107053，2007

［10］李海洋.淺淡固井技術在鉆井工程中的重要性［J］.高端裝備制造，2013，164（8）：111.

［11］辜濤，李明，魏周勝.頁巖氣水平井固井技術研究進展［J］.鉆井液與完井液，2013，30（4）：75-80.

［12］趙德利.固井技術現(xiàn)狀及技術探討［J］.應用技術，2012，06（3）：55-56.

［13］陳小旭，李鵬.深層氣井固井技術研究與應用［J］.信息與工程，2010，20（6）：50-51.

［14］沈文青，毛國揚.頁巖氣水平井固井技術難點分析與對策［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012，15：117-118.

［15］閆聯(lián)國，周玉倉.彭頁HF-1井頁巖氣水平段固井技術［J］.石油鉆探技術，2012，40（4）：47-51.

［16］高德利，劉希圣，徐秉業(yè).井眼軌跡控制［M］.石油大學出版社，1994.

［17］楊振平，吳波，王勇.Eaton法預測油田地層孔隙壓力［J］.石油與天然氣學報，2012，34（9）：181-182.

Study on Shale Gas Well Consolidation Technological Parameters in Northwestern Hunan Area

Li Fenqiang
（Hydrocarbon Resources Exploration Team，Hunan Bureau of Coal Geological Exploration，Changsha，Hunan 410014）

At present，in shale gas exploration domain，mostly have quoted technical norms from CNPC or Sinopec，their premise of application are mostly deep or ultra-deep drilling projects over 5000 meters，even over than ten thousand meters.While regional geological condition in the northwestern Hunan area is complicated with developed fissures，easy to cause drilling fluid loss or strata collapsing.The target horizon depth of shale gas exploration is less than 3500m，average about 3000m.For this reason，the selection of part technological parameters is worth to discuss.Based on shale gas resources prospecting assessment and practical drilling data from five large blocks of Huayuan，Yongshun，Longshan，Baojing and Sangzhi，using the Eaton method to predict strata pressure，establish northwestern Hunan strata pressure sections，and estimated strata pressure coefficient is 1.1 in the area.Through the compatibility and consistency test of drilling fluid，cement slurry and prepad fluid，achieved cement slurry performance parameters for well consolidation in the area；put forward site operation technological parameters and cement sheath bonding quality assessment recommended standard.

shale gas well consolidation；strata pressure coefficient；cement slurry performance；cement injection design；quality recommended standard；northwestern Hunan

TE256

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.15

1674-1803（2016）08-0072-04

湖南省地方標準制定項目（201400495）

李奮強（1964—），男，廣東五華縣人，博士研究生，教授級高工，從事非常規(guī)油氣地質(zhì)（頁巖氣、生物氣、致密砂巖氣、干熱巖等）、地基與基礎施工和災害地質(zhì)治理、礦山地質(zhì)應急救援及其信息化技術研究和相關技術服務。

2016-01-20

責任編輯：樊小舟