劉 陽(yáng).

(長(zhǎng)城鉆探固井公司，遼寧盤(pán)錦 124000)

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威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水平井固井技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 陽(yáng).

(長(zhǎng)城鉆探固井公司，遼寧盤(pán)錦 124000)

本文針對(duì)威遠(yuǎn)區(qū)塊的固井難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了固井前期的井眼準(zhǔn)備工作，通過(guò)對(duì)套管扶正器安放原則、水泥漿與前置液的各項(xiàng)性能等方面進(jìn)行大量的試驗(yàn)與論證，完成了套管的安全下入，使得油基泥漿能夠很好地潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，保證了地面施工的安全連續(xù)，實(shí)現(xiàn)了固井施工及水泥漿在候凝期間對(duì)地層的壓穩(wěn)，提高了頂替效率；水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量較好，為后續(xù)的大規(guī)模壓裂提供了有力的技術(shù)保障與支持。

居中度；油基泥漿；水泥漿體系；頂替效率；水泥膠結(jié)質(zhì)量

頁(yè)巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣，在我國(guó)的儲(chǔ)量和產(chǎn)能潛力巨大[1]。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主要依賴(lài)于油氣藏評(píng)價(jià)、水平井和水力壓裂三大核心技術(shù)。中國(guó)已經(jīng)掌握了水平井技術(shù)。但部分水平井技術(shù)，諸如水平井固井技術(shù)中的“壓穩(wěn)、居中、替凈、密封”等關(guān)鍵技術(shù)還需更加完善，需要逐步提高固井質(zhì)量，為后期大體積壓裂作業(yè)提供更好的先導(dǎo)條件[2-4]。筆者認(rèn)為，造成固井質(zhì)量不佳的原因概括起來(lái)有“三大方面”，即頂替過(guò)程中的混竄、候凝期間的油氣水竄及水泥漿體系是否優(yōu)質(zhì)。

威遠(yuǎn)區(qū)塊泥頁(yè)巖井壁易垮塌，長(zhǎng)水平段巖屑床不易清理，套管安全下入難度大，居中難度大；區(qū)塊在鉆進(jìn)過(guò)程中采用油基泥漿，在潤(rùn)濕性方面與常規(guī)水基泥漿有著明顯差異，頂替效率較差，水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量不易保證，目的層龍馬溪組底層孔隙壓力高，解決這些難點(diǎn)是提高頁(yè)巖氣水平井固井質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外水平井固井技術(shù)，結(jié)合威遠(yuǎn)區(qū)塊固井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，深入分析了影響“三大方面”的各個(gè)因素，總結(jié)出一套適合威遠(yuǎn)區(qū)塊水平井的固井設(shè)計(jì)及施工方案，最大限度提高了固井作業(yè)前的井身質(zhì)量，保障了固井施工過(guò)程的安全、連續(xù)；嚴(yán)格控制水泥漿候凝期間對(duì)地層的壓穩(wěn)，提高了水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量，為后期大規(guī)模體積壓裂提供很好的井筒條件。

1 威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣水平井固井技術(shù)研究

1.1 固井前的井眼準(zhǔn)備

1.1.1 重視固井前的通井工作

通井的主要目的是擴(kuò)劃井壁、破除臺(tái)肩、消除井壁阻點(diǎn)[5]，這些是保證套管安全下入的前提。在固井方面，應(yīng)該規(guī)定鉆井隊(duì)在保證井壁穩(wěn)定的情況下，適當(dāng)降低泥漿密度、黏度，目的是加大泥漿與水泥漿之間的密度差、流動(dòng)梯度差，提高頂替效率。

1.1.2 優(yōu)選旋轉(zhuǎn)引鞋

威遠(yuǎn)區(qū)塊水平段深度平均在1500 m左右，套管在長(zhǎng)水平段下入過(guò)程中極易遇阻[6]，為此采用旋轉(zhuǎn)引鞋旋轉(zhuǎn)下套管。在遇阻井段循環(huán)泥漿，通過(guò)泥漿的水動(dòng)力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)引鞋下部的偏心引鞋頭，引導(dǎo)套管的下入并起到一定的擴(kuò)眼功能，縮短了下套管時(shí)間。

1.1.3 優(yōu)選扶正器組合

在水平井、大位移井中選用合適的套管扶正器，不僅能使套管順利下入，而且能確保套管在井眼中的居中度，提高頂替效率[7]。

在各個(gè)特殊套管段采用剛性扶正器、剛性滾輪扶正器、樹(shù)脂剛性扶正器交替下入，提高套管居中度。該扶正器組合易于形成旋流，可以較好地清除井眼不規(guī)則井段處滯留的泥漿；套管在長(zhǎng)水平段下放過(guò)程中，安放在其上的扶正器也能夠刮削沉積在水平段低邊的巖屑床，提高了井筒的清潔度；該扶正器組合具有良好的扶正力，可以有效提高套管的居中度，使得套管居中度達(dá)到70%以上。

1.2 前置液設(shè)計(jì)

1.2.1 前置液配方

DRY-S1+DRY-S2+WLG+DRY-100L +DRX-2L +DRX-1L+水

1.2.2 前置液性能評(píng)價(jià)

(1)沉降穩(wěn)定性。

配制密度為2.15 g/cm3的前置液，在120℃的條件下養(yǎng)護(hù)2 h，再置于燒杯中靜止24 h，測(cè)量燒杯中前置液的上下密度差。試驗(yàn)結(jié)果顯示，上部密度為2.14 g/cm3，下部密度為2.16 g/cm3，上下密度差為0.02 g/cm3，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表明該前置液具有較強(qiáng)的沉降穩(wěn)定性。

(2)前置液沖洗效率評(píng)價(jià)。

室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了沖洗隔離液對(duì)油基鉆井液的沖洗效果[8]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，沖洗2 min后，油基泥漿被洗凈，外筒無(wú)油膜，沖洗隔離液均勻，無(wú)絮凝、分層及沉淀，表面無(wú)油花，乳化性能良好。

1.3 水泥漿設(shè)計(jì)

1.3.1 水泥漿配方

采用雙凝雙密度固井技術(shù)，領(lǐng)漿為高強(qiáng)度低彈性模量防竄加重水泥漿，尾漿為防竄增韌抗高溫水泥漿，保證固井施工安全，與前置液、泥漿具有良好的流動(dòng)梯度，提高頂替效率，水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量良好，滿(mǎn)足后期作業(yè)要求。

圖1 水泥漿沖洗效果評(píng)價(jià)Fig.1 Flushing effect evaluation of the slurry

1.3.2 水泥漿性能

本文參考威202H5-2井的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。領(lǐng)漿失水量為28 mL/30 min，50BC稠化時(shí)間為341 min，48 h抗壓強(qiáng)度為13.2 MPa。尾漿失水量為26 mL/30 min，50BC稠化時(shí)間為193 min，48 h抗壓強(qiáng)度為25.6 MPa。水泥漿的流動(dòng)性、觸變性能良好，以上各項(xiàng)性能都達(dá)到油井水泥漿性能要求(SY/T 6544—2010)[9]油井水泥試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水泥漿性能評(píng)價(jià)結(jié)果

1.3.3 水泥漿體系防竄性能評(píng)價(jià)：氣竄流量法

依照油井水泥外加劑評(píng)價(jià)方法(SY/T5504.5—2010)[10]試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，利用OWC-7150型氣竄模擬分析儀模擬整個(gè)固井施工過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果顯示，氣竄量為零，保證了固井過(guò)程中井筒內(nèi)流體對(duì)地層的壓穩(wěn)。

1.3.4 水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)

采用威202H5-2井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，模擬水力壓裂加載-卸載全過(guò)程，分析水平段(垂深2899 m)套管-水泥環(huán)-圍巖體系的受力狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥環(huán)的彈性模量小于7 GPa，屈服應(yīng)力大于20 MPa，塑性區(qū)厚度較小，壓裂過(guò)程中第一、第二膠結(jié)界面產(chǎn)生的微環(huán)隙較小，能夠很好地保證井筒的完整性。

1.4 流體流變梯度研究

(1)密度梯度：油基泥漿<隔離液<領(lǐng)漿>尾漿，但尾漿主要作用為服務(wù)于大規(guī)模壓裂，其水泥環(huán)性能優(yōu)于領(lǐng)漿水泥環(huán)性能；另外尾漿處于水平段，對(duì)壓穩(wěn)地層無(wú)貢獻(xiàn)。

(2)流動(dòng)梯度：整體上流變梯度按漿體入井順序遞增。

以威202H5-2井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為例，合理設(shè)計(jì)了泥漿、隔離液和水泥漿三者之間的密度梯度與流動(dòng)梯度，降低了頂替過(guò)程中三者之間的混竄，提高了頂替效率。

圖2 水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)Fig.2 Performance evaluation of gas channeling prevention

名稱(chēng)密度/(g·cm-3)塑性黏度/(MPa·s)屈服值/Pa泥漿2.1070.0010.00隔離液2.1585.5017.25水泥漿2.20116.0039.20

1.5 水泥漿候凝期間壓穩(wěn)研究

威202區(qū)塊完鉆的泥漿密度為2.05～2.12 g/cm3，碰壓后環(huán)空內(nèi)的漿柱分布為：領(lǐng)漿充填垂直段，尾漿充填水平段。領(lǐng)漿的密度為2.20 g/cm3，能夠保證在尾漿失重的情況下壓穩(wěn)地層。

為進(jìn)一步保證水泥漿在候凝期間的壓力平衡，綜合考慮“安全壓力窗口”，在碰壓后立即關(guān)閉半封，通過(guò)壓井管匯對(duì)環(huán)空進(jìn)行憋壓8～10 MPa，作用于井底的水泥漿當(dāng)量密度為2.48～2.54 g/cm3，有效地防止水泥漿在候凝期間發(fā)生氣竄。

2 應(yīng)用推廣情況

目前本技術(shù)已在威遠(yuǎn)區(qū)塊應(yīng)用36口井，其中威202區(qū)塊21口，威204區(qū)塊15口。實(shí)現(xiàn)了套管的安全下入，獲得了良好的居中度；固井地面施工正常，注替過(guò)程及候凝期間無(wú)氣竄，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地層的壓穩(wěn)；優(yōu)良的前置液、水泥漿性能與較高的頂替效率，提高了水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。未出現(xiàn)因?yàn)楣叹喹h(huán)膠結(jié)質(zhì)量而引起的壓裂事故。

2.1 實(shí)現(xiàn)套管的安全下入保證居中度

在下套管作業(yè)前，安排負(fù)責(zé)口井的施工指揮提前駐井，配合鉆井隊(duì)工程技術(shù)人員對(duì)井下附件進(jìn)行丈量、通徑、清洗；監(jiān)督套管下入的全過(guò)程，指導(dǎo)鉆井隊(duì)在指定位置安放套管扶正器。

在井身質(zhì)量不佳處通過(guò)旋轉(zhuǎn)下套管技術(shù)，有效降低了套管在長(zhǎng)水平段下入時(shí)的摩擦阻力，使得套管能夠順利下放到位。在各個(gè)特殊套管段采用剛性扶正器、剛性滾輪扶正器、樹(shù)脂剛性扶正器交替下入，獲得了較好的居中度，為提高頂替效率提供了良好的井眼準(zhǔn)備條件。本文利用威202H5-2井?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)Landmark軟件模擬，水平段的套管居中度達(dá)到70%以上。

圖3 套管居中度曲線Fig.3 The central degree curve

2.2 前置液實(shí)現(xiàn)對(duì)油基泥漿的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)

在隔離液配置前首先進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)，合格后按照配制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配制。配制好的隔離液現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行復(fù)合評(píng)價(jià)。在其對(duì)油基泥漿的沖洗效果、密度、流變性能等各項(xiàng)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)后才能入井。

前置液占環(huán)空高度平均為800 m，能夠有效沖洗、隔離和緩沖鉆井液并與鉆井液和水泥漿具有良好的相容性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)油基泥漿的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，提高了水泥漿對(duì)油基泥漿的頂替效率。

2.3 水泥漿配方優(yōu)良

與配制隔離液過(guò)程相同，均要由施工指揮及化驗(yàn)人員進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)大樣復(fù)合評(píng)價(jià)，保證水泥漿各項(xiàng)性能參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)后才能入井。

在混灰作業(yè)時(shí)，抽樣檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)水泥漿，并對(duì)大樣進(jìn)行復(fù)合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為優(yōu)。注替過(guò)程中產(chǎn)生的循環(huán)壓力能夠很好地平衡地層壓力，作業(yè)時(shí)無(wú)氣竄、漏失等現(xiàn)象發(fā)生。水泥漿、前置液與泥漿三者具有合理的流變梯度，提高了頂替效率。領(lǐng)漿的稠化時(shí)間比尾漿的稠化時(shí)間平均滯后150 min，保證了水泥漿在凝結(jié)期間的壓力平衡。

2.4 環(huán)空憋壓保證水泥漿候凝期間的壓力平衡

碰壓后，立即進(jìn)行環(huán)空憋壓，在安全壓力窗口范圍內(nèi)，增加作用于井底的靜液柱壓力，進(jìn)一步保證水泥漿在候凝期間的壓力平衡。水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展時(shí)間平均為5～6 h，為安全起見(jiàn)，環(huán)空憋壓時(shí)間為24 h，這樣大大降低了水泥漿候凝期間發(fā)生氣竄的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 施工過(guò)程模擬曲線

在固井注替過(guò)程中作用于井底的循環(huán)壓力始終大于地層孔隙壓力，防止了地層流體在固井作業(yè)過(guò)程中的竄入，保證了水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。

圖6 頂替效率模擬圖Fig.6 The simulation map of replacement efficiency

2.6 固井頂替效率模擬

采用威202H5-2井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頂替效率的模擬，在0～3200 m處，頂替效率在95%以上；3700 m至井底，頂替效率平均在80%以上。

2.7 目的層固井質(zhì)量評(píng)價(jià)

目前威202區(qū)塊固井質(zhì)量評(píng)價(jià)15口，威204區(qū)塊固井質(zhì)量評(píng)價(jià)15口。單井固井質(zhì)量合格率平均為95%，單井優(yōu)質(zhì)率平均為83.14%，主要封固段固井質(zhì)量全部?jī)?yōu)質(zhì)。圖7為威202H5-2井、威204H2-1井主要封固段的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)圖。

2.8 水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量滿(mǎn)足后期壓裂要求

目前威202H2、威202H5、威204H2、威204H3、威204H7平臺(tái)已完成壓裂作業(yè)，未出現(xiàn)因固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量而引起的壓裂事故，水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量得到了很好的驗(yàn)證。

a.威202H2-1井 b.威204H2-1井圖7 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)Fig.7 Cementing quality evaluation

3 結(jié)論

(1)采用旋轉(zhuǎn)引鞋旋轉(zhuǎn)下套管，有效降低了套管在長(zhǎng)水平段下入時(shí)的摩擦阻力，使得套管能夠順利下放到位。優(yōu)化扶正器組合，有效提高了套管的居中度，套管居中度達(dá)到70%以上。

(2)形成了前置液配方。該前置液具有良好的沉降穩(wěn)定性和沖洗效果，較好地實(shí)現(xiàn)了油基泥漿的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，提高了對(duì)油基泥漿的頂替效率。

(3)采用雙凝雙密度固井技術(shù)，氣竄量為零，水泥環(huán)的彈性模量小于7 GPa，屈服應(yīng)力大于20 MPa，塑性區(qū)厚度較小，壓裂過(guò)程中第一、第二膠結(jié)界面產(chǎn)生的微環(huán)隙較小，井筒完整性能夠很好地保證。良好的水泥漿性能，使得在注替過(guò)程中能夠很好地平衡地層壓力，作業(yè)時(shí)無(wú)氣竄、漏失等復(fù)雜現(xiàn)象發(fā)生。水泥漿、良好的流變梯度，提高了頂替效率。領(lǐng)漿的稠化時(shí)間比尾漿的稠化時(shí)間平均滯后150 min，保證了水泥漿在凝結(jié)期間的壓力平衡。

(4)碰壓后立即進(jìn)行環(huán)空憋壓，在安全壓力窗口范圍內(nèi)，增加作用于井底的靜液柱壓力，進(jìn)一步保證水泥漿在候凝期間的壓力平衡。

(5)該技術(shù)可以提高固井作業(yè)前的井身質(zhì)量，保證了固井施工過(guò)程的安全、連續(xù)，嚴(yán)格控制水泥漿候凝期間對(duì)地層的壓穩(wěn)，提高了水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量，為后期大規(guī)模體積壓裂提供很好的井筒條件。

(6)采用該技術(shù)單井固井質(zhì)量合格率平均為95%，單井優(yōu)質(zhì)率平均為83.14%，水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量好。

(7)截至2016年7月，本應(yīng)用已經(jīng)在威遠(yuǎn)區(qū)塊成功實(shí)施36井次，固井地面施工正常，水泥膠結(jié)質(zhì)量良好，沒(méi)有發(fā)生因水泥膠結(jié)質(zhì)量引起的壓裂事故。

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The Research and Application of Shale Gas Horizontal WellCementing Technology in Weiyuan Area

Liu Yang

(Cementing Company of Great Wall Drilling Company, Panjin, Liaoning 124000, China)

In this paper, according to the cementing difficulties of Weiyuan area, the wellbore preparation work in the early stage of cementing was emphasized, and a large number of experiments and demonstrations were carried out through the principle of casing centralizer placement, cement slurry and ahead liquid. Then the casing had been settled safety, making the oilbase cement slurry can be a good wetting reversal, had ensured the safety of the ground continuous construction and achieved the cementing construction and cement slurry during the preparation of the stability of the formation of stability, the replacement efficiency had also improved. Cement quality was good for the follow-up large-scale fracturing, had provided a strong technical support.

centralizer; oilbase cement slurry; slurry system; displacement efficiency; cement quality

“頁(yè)巖氣井鉆完井及配套技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”(2015T-004)資助。

劉陽(yáng)(1987—)，男，滿(mǎn)族，遼寧本溪，碩士，中級(jí)工程師，長(zhǎng)城鉆探固井公司責(zé)任工程師，從事固井理論研究及現(xiàn)場(chǎng)地面施工指揮。郵箱：diduansan@163.com.

TE257

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