陳長衛(wèi)

(中石化西南石油工程重慶鉆井分公司，四川 德陽 618000)

頁巖氣是指賦存于以富有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲集巖系中的非常規(guī)天然氣，是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或二者的混合，可以游離態(tài)存在于天然裂縫和孔隙中，以吸附態(tài)存在于干酪根、黏土顆粒表面，還有極少量以溶解狀態(tài)儲存于干酪根和瀝青質(zhì)中，游離氣比例一般在20%～85%。頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點(diǎn)，大部分產(chǎn)氣頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，這使得頁巖氣井能夠長期地穩(wěn)定產(chǎn)氣。但頁巖氣儲集層滲透率低，孔隙度小，開采難度較大，常規(guī)天然氣采收率在60%以上，而頁巖氣僅為5%～6%。所有的頁巖氣井都需要實(shí)施儲層壓裂改造才能開采出來，因此頁巖氣井的固井質(zhì)量在頁巖氣井中顯得格外重要。固井作為鉆井作業(yè)的最后一道工序，固井質(zhì)量的好壞直接影響到頁巖氣的勘探開發(fā)效果。固井質(zhì)量不僅是安全順利完成鉆井設(shè)計(jì)的保證條件，而且是一口完成井安全生產(chǎn)油氣的保證條件和關(guān)鍵。

1 影響固井質(zhì)量的原因分析

1.1 井眼質(zhì)量因素

為了提高頁巖氣井的開采效率，在鉆井過程中為達(dá)到最優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率的要求，業(yè)主方經(jīng)常要根據(jù)鉆遇地層巖性的伽馬值進(jìn)行軌跡的調(diào)整，致使所鉆井眼呈波浪狀或螺旋狀向井底方向延伸。這使得所鉆井眼狗腿多，支點(diǎn)多，不規(guī)則，給鉆井作業(yè)繼續(xù)鉆進(jìn)帶來了極大的困難和風(fēng)險(xiǎn)，為后期套管的下入帶來挑戰(zhàn)。鉆井承包商為達(dá)到業(yè)主方的鉆井施工目的，完成鉆井作業(yè)任務(wù)，必須采取有效的措施來克服困難，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，對井眼進(jìn)行修正，這使得軌跡的不規(guī)則又增加了井眼井徑的不規(guī)則，呈現(xiàn)出向井眼周圍不同方向上的橢圓形的井眼，整個(gè)井眼呈“葫蘆串”形狀，局部形成了“大肚子”井眼。

1.2 地層因素

目前頁巖氣儲層主要分布在海相地層的志留系龍馬溪組和寒武系邛竹寺組地層中，地層埋深較深。從地面到目的層經(jīng)歷的地層層系多，壓力梯度高低不一致，壓力體系多，存在噴漏同存的情況，且主要目的層的上覆壓力區(qū)別大。目的層中主要以石英、長石、云母、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石及黏土礦物等組成，地層當(dāng)中有裂縫存在。

2 提高固井質(zhì)量的難點(diǎn)

2.1 套管下入

鉆井工作中為追求優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率，井眼延伸軌跡上出現(xiàn)狗腿多，支點(diǎn)多，對立支點(diǎn)形成鉗狀阻止管串的前行，采用通井處理并不能有效解決下行阻力的問題，嚴(yán)重影響套管的順利下入。且受到套管參數(shù)的限制，管串在井內(nèi)遇阻處理手段有限，時(shí)有套管下不到位的情況發(fā)生。

2.2 套管居中

水平井本身就是彎曲的井眼，套管在井內(nèi)必然產(chǎn)生彎曲，存在套管貼井壁的現(xiàn)象。在造斜段和水平段等狗腿度較嚴(yán)重的井段，由于套管串本身的剛性強(qiáng)度大，致使套管緊緊靠在井眼狗腿高的支點(diǎn)上，套管在井眼中偏離增大，居中度差。

2.3 頂替效率

“葫蘆串”形狀不規(guī)則的井眼，局部“大肚子”井眼，當(dāng)環(huán)空返速低、流態(tài)發(fā)生改變的情況下，該井段極易形成巖屑的堆積或循環(huán)泥漿流動(dòng)的死角，這就是通常情況下我們所說的巖屑床。巖屑不能被有效地?cái)y帶，固相顆粒在水平段大量沉積，致使環(huán)空流動(dòng)側(cè)竄，水泥漿不能有效地驅(qū)替泥漿，頂替效率不高；套管居中度低同樣會(huì)影響固井注漿過程中水泥漿的有效頂替。頂替效率不高形成水泥石的質(zhì)量也就不高。

2.4 鉆井液的含油性

頁巖氣儲層中富含黏土礦物，主要以伊利石、蒙脫石、綠泥石為主。黏土礦物遇水極易水化膨脹剝落，致使水平井井眼極不穩(wěn)定，往往造成卡鉆埋鉆事故，同時(shí)破壞儲層。為此采用油基鉆井液工藝技術(shù)以滿足鉆井、鉆成井并達(dá)到保護(hù)油氣層的目的。但這也給固井帶來了困難，在環(huán)空與套管外側(cè)和環(huán)空與井壁內(nèi)側(cè)形成了油膜，油膜與水泥漿不能完美地結(jié)合，嚴(yán)重影響這兩個(gè)膠結(jié)面的膠結(jié)質(zhì)量，最終影響固井的質(zhì)量。

3 提高固井質(zhì)量的對策

3.1 優(yōu)化泥漿的性能

優(yōu)化泥漿性能的主要目的是驅(qū)替清掃巖屑床。鉆井作業(yè)完成后，根據(jù)泥漿性能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，控制主要技術(shù)指標(biāo)，有利于完井固井作業(yè)的需要，保障后期作業(yè)的安全。水基泥漿嚴(yán)格控制高溫下的失水及高溫穩(wěn)定性，避免高溫增稠；油基泥漿控制增粘、增稠。在井眼清潔的情況下，控制泥漿的流變性，保障泥漿對井壁及管柱的沖刷效果，在正常循環(huán)頂替水泥漿的情況下達(dá)到紊流狀態(tài)，取得明顯的頂替效果。密度方面就是在保障井底當(dāng)量密度大于地層空隙壓力的情況下對鉆井液進(jìn)行稀釋處理，這樣不僅可以優(yōu)化泥漿的流動(dòng)性，還降低頂替時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力。

其次是減阻減壓，為頂替作業(yè)降低施工風(fēng)險(xiǎn)。下套管通井前，根據(jù)固井水泥漿設(shè)計(jì)的靜壓差及循環(huán)泥漿的環(huán)空流阻需求，對地層進(jìn)行承壓試驗(yàn)，以滿足固井作業(yè)需要。若鉆井過程中出現(xiàn)過井漏情況或承壓試驗(yàn)出現(xiàn)了漏失的井，針對地層的易漏問題，可以隨鉆在泥漿中加入堵漏劑，循環(huán)時(shí)使堵漏材料和較小的鉆屑以及鉆井液的固相顆粒在液柱壓差作用下擠入巖石孔隙中，在井壁周圍形成屏蔽層，從而提高地層承壓壓力，達(dá)到要求后才可進(jìn)行下一步施工作業(yè)。

3.2 優(yōu)化下套管作業(yè)

通井是水平井下套管前的重要環(huán)節(jié)，主要目的是徹底清潔井眼，減小下套管作業(yè)的阻力。主要對策有：(1)清潔井眼：使用簡化鉆具組合進(jìn)行通井，釋放水力參數(shù)，徹底清潔井眼；同時(shí)對井眼摩阻大、狗腿度大、地層斷層等井段進(jìn)行精細(xì)處理，降低摩阻，保障井眼的暢通；(2)模擬剛度：根據(jù)比固井設(shè)計(jì)套管串的剛度，采用三軸應(yīng)力公式對套管的三軸應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，采用在鉆具組合上不同位置組裝的鉆柱扶正器，使組合的強(qiáng)度不低于套管串的強(qiáng)度，消除下套管過程中的阻掛，保障套管串的順利下入；(3)封閉油氣：通井起鉆前按照下套管作業(yè)要求，對泥漿進(jìn)行處理，形成完井封閉液起鉆。

下套管作業(yè)是固井作業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵過程，需要注意的是保障工作的連續(xù)性。主要對策：(1)工作保障：下套管作業(yè)時(shí)間長，參與人員多，工作量大，需要提前組織，超前安排部署；對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行檢查、保養(yǎng)，保障作業(yè)期間的良好運(yùn)轉(zhuǎn)；對工作程序進(jìn)行學(xué)習(xí)、交底，把握分工合作，保障工序連續(xù)有效，避免停待，致使下套管困難；(2)優(yōu)化管串：選用球形或魚型短節(jié)，同時(shí)準(zhǔn)備一個(gè)彈性套管扶正器，保障套管居中下行，不傷害不破壞井壁；(3)確保居中：監(jiān)督套管扶正器的裝放，扶正器是套管居中的唯一保障，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)下入；在扶正器的型號上，應(yīng)當(dāng)選擇居中和旋流頂替相結(jié)合的方式，既能保障居中度又可以在適當(dāng)?shù)奈恢脤ρh(huán)上行的泥漿進(jìn)行導(dǎo)向，起到旋流沖刷的作用。

3.3 優(yōu)化水泥漿漿體

一是前置清掃，為水泥漿提供一個(gè)安全可靠的水泥成型環(huán)境。針對完井泥漿體系，依據(jù)監(jiān)測泥漿中濾液性能及含油比，進(jìn)行針對性的實(shí)驗(yàn)來評判和選擇水泥漿的前置液體系及組合，達(dá)到固井質(zhì)量優(yōu)良的目的。對于頁巖氣井通常使用的油基泥漿體系，為達(dá)到驅(qū)油效果，確保兩個(gè)界面的封固質(zhì)量，采用先導(dǎo)泥漿體系+雙沖雙隔前置液體系進(jìn)行漿體設(shè)計(jì)，一般先導(dǎo)漿的量控制在40 m3，單次沖洗液的量控制在2 m3，單次隔離液量控制在12 m3，使固井質(zhì)量達(dá)到要求，滿足頁巖氣井后期壓裂的需求。

二是控制時(shí)差，有效防止井內(nèi)流體對漿體的影響。對長井段固井水泥漿采用兩凝以上的水泥漿體系，在主要油氣井段使用快稠快凝水泥漿體系，達(dá)到迅速封固油氣層，讓井內(nèi)油氣層處于一個(gè)安靜的狀態(tài)。油氣層上部井段的水泥漿主要是為快凝水泥漿提供壓力支撐，確?？炷嘣谛纬伤嗍倪^程中油氣層的穩(wěn)定。

3.4 強(qiáng)化注替水泥漿過程管控

注替水泥漿施工是固井作業(yè)中最為關(guān)鍵的一步，它涉及到固井工作的成敗，必須采取一切辦法保障施工的連續(xù)、作業(yè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。主要對策有：(1)注漿前徹底清洗井眼。套管下入后充分循環(huán)，清潔井眼，把下套管過程中扶正器刮井壁所產(chǎn)的井壁掉塊、泥團(tuán)充分循環(huán)出來，選擇循環(huán)在環(huán)空的返速達(dá)到1.5 m/h或設(shè)計(jì)固井作業(yè)最大上返速度的120%以上，在環(huán)空形成紊流狀態(tài)，充分沖刷井壁及套管的外側(cè)，把粘附在井壁及套管壁上的泥塊沖洗干凈，保障水泥漿在環(huán)空位置的純潔性；(2)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。作業(yè)施工前再一次核實(shí)各種數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，核實(shí)水泥漿漿體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足安全作業(yè)時(shí)間、強(qiáng)度承壓要求，確定配方的可靠性；核實(shí)施工作業(yè)過程時(shí)間是否滿足水泥漿漿體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求；通過實(shí)際數(shù)據(jù)再次核實(shí)井筒數(shù)據(jù)，再根據(jù)儀器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較是否一致，分析存在差距的原因，并確定最終數(shù)據(jù)；(3)嚴(yán)格執(zhí)行流程。作業(yè)前進(jìn)行交底，對作業(yè)人員進(jìn)行詳細(xì)的分工，同時(shí)對管理人員進(jìn)行分工和安排，到現(xiàn)場崗位上進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)，必要時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急備用方案，達(dá)到實(shí)施參數(shù)的需求，確保每一步作業(yè)有效性；(4)糾正偏離。對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，及時(shí)糾正過程中與設(shè)計(jì)方案的偏離，回歸正常作業(yè)的主線。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

WY103-6井是部署在川西南工區(qū)的一口頁巖氣平臺式水平井。該井以龍馬溪組為主要目的層，完鉆井深5 596 m，垂深3 843 m，上層套管井深為3 505 m，造斜點(diǎn)井深3 534 m，水平段長1 500 m，本開次裸眼井段長2 091 m。該井油氣顯示活躍，在水平段鉆遇了良好顯示，在鉆井液密度2.22 g/cm3的情況下，背景值由3%上升到49%。鉆井液體系為柴油基鉆井液，其主要性能：密度2.19 g/cm3，粘度64 s，油水比82∶18，固相含量40%，含砂0.1%，高溫高壓失水2.0 mL/30 min，破乳電壓860 ES，六速讀數(shù)142/81/59/35/8/6，塑像粘度61 mPa·s，動(dòng)切力10 Pa，初切3 Pa，終切8 Pa，在測井前通井期間對井筒進(jìn)行承壓試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)量2.45，地層穩(wěn)定。電測井測得井徑數(shù)據(jù)：裸眼段(3 505.00～5 596.00 m)電測平均井徑230.95 mm，擴(kuò)大率6.97%，其中，3 505～4 500 m井段平均井徑238.11 mm，擴(kuò)大率為10.28%，4 500～5 596 m井段平均井徑224.61 mm，擴(kuò)大率為4.03%。電測井測得井底靜止溫度為140 ℃。鉆井軌跡方面，全井最大狗腿度為26.58°/100 m，在造斜井段中下段位于井深3 916.68 m。

根據(jù)三軸應(yīng)力公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算對比，在井眼擴(kuò)大率為10.28%的情況，采用雙Φ210 mm扶正器配合間距為9 m的Φ127 mm承壓鉆桿組合的剛度大于設(shè)計(jì)套管串的剛度。于是通井采用的鉆具組合：Φ215.9 mm bit+回壓閥+Φ127 mm加重鉆桿1根+Φ210 mm鉆柱扶正器+Φ127 mm加重鉆桿1根+Φ210 mm鉆柱扶正器+Φ127 mm鉆桿+Φ127 mm加重鉆桿+震擊器+Φ127 mm加重鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+Φ139.7 mm鉆桿，通井針對狗腿度較大的井段主動(dòng)進(jìn)行循環(huán)，轉(zhuǎn)動(dòng)清洗井眼，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對最有可能產(chǎn)生巖屑床的井段進(jìn)行清潔處理，到底循環(huán)兩周半后，將配置的封閉液泵入全裸眼井段后起鉆，起鉆順利。整個(gè)通井清潔井眼工作用時(shí)58 h，對井眼的處理充分。

經(jīng)歷40 h套管串順利到位，套管串結(jié)構(gòu)如下：浮鞋+1.5 m短套管+套管3根+浮箍+套管2根+碰壓座+套管串+注漿水泥頭；套管扶正器選用了三種型號，在裸眼井段選用了Φ210 mm旋流聚酯套管扶正器和Φ218 mm整體式雙弓彈性套管扶正器兩種，交替安裝在套管上，每根套管上加一只；在重疊井段選用Φ220 mm旋流剛性套管扶正器，每5根套管安裝一只。

固井施工水泥漿注替過程保障環(huán)空返速達(dá)到1.5 m/h，關(guān)井候凝期間通過環(huán)空安裝壓力表，水泥頭通過遠(yuǎn)控閘門、高壓應(yīng)管線連接至觀察室觀察環(huán)空及井口壓力變化。觀察至20 h井口壓力穩(wěn)定在20.8 MPa，環(huán)空壓力為0 MPa，通過觀察室遠(yuǎn)控閥控制打開閘門，控制遠(yuǎn)程控制閥泄壓至井口壓力至0 MPa，井口泄壓后連接管線至立管觀察井口壓力，井口壓力一直為0 MPa。

質(zhì)量檢測情況，優(yōu)質(zhì)段2 936 m，優(yōu)質(zhì)率52.47%；良好段1 830 m，優(yōu)良率85.17%；合格段450 m，合格率93.21%；不合格段380 m，不合格率6.79%。清水條件下全井筒試壓91.36 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.32 MPa，試壓合格，滿足后期作業(yè)需求。

5 結(jié)論

(1)高度重視，做好準(zhǔn)備工作，保障各項(xiàng)施工順利進(jìn)行是提高固井質(zhì)量的根本。

(2)核實(shí)實(shí)際數(shù)據(jù)，是科學(xué)判定的依據(jù)。