鐘文力,蔣 宇,唐 哲

(中國石化西南石油工程有限公司固井分公司,四川德陽618000)

四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣水平井固井技術(shù)淺析

鐘文力,蔣 宇,唐 哲

(中國石化西南石油工程有限公司固井分公司,四川德陽618000)

針對威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣水平井水平段長、套管居中度不高、油基鉆井液與水泥漿兼容性差、驅(qū)替頂替效率不高、后期大型壓裂易造成環(huán)空竄氣等難點(diǎn),通過合理安放扶正器保證套管居中、優(yōu)化前置液技術(shù)、采用塑性水泥漿體系等幾個(gè)方面提出了技術(shù)對策。下套管前認(rèn)真通井,清潔凈化井眼,采用套管“抬頭”技術(shù),斜井段以下采用旋流剛性扶正器和整體式彈性扶正器交叉使用的方式,可以保證套管居中度在72％以上。沖刷隔離液削弱油膜的結(jié)構(gòu)力和內(nèi)聚力,達(dá)到較好沖刷效果;具有一定黏度的加重隔離液有效隔開油基鉆井液和水泥漿。通過加入特制塑性劑材料提高水泥石形變能力,達(dá)到固井及壓裂的要求?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,該技術(shù)提高了水泥環(huán)的封固質(zhì)量,為今后該地區(qū)頁巖氣水平井固井提供了技術(shù)支撐。

威遠(yuǎn)區(qū)塊;油基鉆井液;頁巖氣;固井

威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊位于四川長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣區(qū)內(nèi),初步估算頁巖氣有利開發(fā)區(qū)面積約為4000km2,頁巖氣資源量為1.89×1012m2。該區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層埋深從西北至東南方向逐漸變深,具有埋深差異大、地層壓力系數(shù)差異大的特點(diǎn)[1-4]。由于頁巖儲(chǔ)層滲透率極低,目前只有通過水平井+大規(guī)模水力壓裂的方式才能達(dá)到商業(yè)開發(fā),所以水平井鉆完井技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)之一。與常規(guī)固井相比,頁巖氣井固井除水泥漿性能要求高外,還需要安全下入長水平段套管和提高套管居中度,采用有效手段驅(qū)替油基鉆井液及滿足后期壓裂要求[5-11]。

西南油氣分公司在該區(qū)塊部署了一口頁巖氣預(yù)探水平井——威頁1HF井,筆者通過對該頁巖氣水平井固井技術(shù)的研究與分析,并針對難點(diǎn)提出了相應(yīng)的技術(shù)措施,為該地區(qū)今后頁巖氣水平井固井提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 頁巖氣井基本情況

威頁1HF井是位于四川盆地白馬向斜東北部緩坡帶上的一口頁巖氣預(yù)探水平井,目的層為志留系龍馬溪組的灰黑色頁巖,錄井顯示好,全烴高。完鉆井深4788.00m、垂深3621.61m、水平段長度達(dá)1008m,其井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

威頁1HF井在產(chǎn)層段鉆進(jìn)中采用油基鉆井液,密度為2.07g/cm3,黏度為90s,油水比達(dá)到95∶5,該井基本情況如表1所示。該井井底溫度高達(dá)116℃,壓力為73MPa,屬于高溫高壓,對水泥漿性能要求高、固井難度大。通過合理安放扶正器、優(yōu)化管串結(jié)構(gòu)、優(yōu)化前置液體系和水泥漿性能,保證了現(xiàn)場施工的連續(xù)性,以使固井聲幅質(zhì)量達(dá)到優(yōu)質(zhì)。

表1 威頁1HF井基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of the well Weiye 1HF

2 固井技術(shù)難點(diǎn)

2.1 水平段下套管難度大

威頁1HF井水平位移為1342.34m,水平段長,摩阻較大,套管很難順利下至預(yù)定位置。

2.2 提高頂替效率難度大

斜井段、水平段套管由于自重貼邊,極易導(dǎo)致套管偏心,使套管低邊的鉆井液驅(qū)動(dòng)困難,易形成高邊竄槽,影響水泥漿的頂替效率[12-14]。

油基鉆井液性能對固井質(zhì)量的影響主要反映在頂替效率、水泥石強(qiáng)度及第二界面膠結(jié)程度上,油基鉆井液比水基鉆井液驅(qū)替更加困難,且油基鉆井液與水泥漿的相容性差。為了防止井壁失穩(wěn)、保證有效的攜巖效率,鉆井液的密度、黏度一般較高,流動(dòng)性差,嚴(yán)重影響固井頂替效率。

另外,由于殘存的泥餅和死鉆井液被滯留,導(dǎo)致水泥漿不能完全頂替鉆井液,導(dǎo)致水泥環(huán)不完整。

2.3 水泥環(huán)密封完整性面臨挑戰(zhàn)

為最大限度發(fā)揮頁巖氣水平井的產(chǎn)能,需采取大規(guī)模增產(chǎn)措施,但大型分段壓裂產(chǎn)生的巨大壓力會(huì)破壞水泥環(huán)和套管之間的密封完整性。由于普通水泥石材料的抗壓、抗拉強(qiáng)度相差較大,易產(chǎn)生宏觀裂縫,嚴(yán)重影響后期采氣及井的使用壽命[15-16]。因此,要求水泥環(huán)必須具備較好的抗沖擊能力和韌性。

3 固井技術(shù)措施

針對頁巖氣水平井的特殊性,完井時(shí):①要保證井眼的通暢和穩(wěn)定性,確保套管順利下放到位;②合理安放扶正器,提高套管在水平段和斜井段的居中度;③優(yōu)化前置液沖洗技術(shù),提高沖刷效果;④優(yōu)化水泥漿配方,保證水泥環(huán)有效封固氣層及增強(qiáng)抗沖擊強(qiáng)度。

3.1 套管下入技術(shù)

3.1.1 認(rèn)真通井,清潔凈化井眼

在下套管前使用不低于套管串剛度的鉆具組合進(jìn)行通井,對存在嚴(yán)重“狗腿”井段要重復(fù)劃眼,下完套管后,模擬固井施工排量,使用稠漿攜砂,適當(dāng)調(diào)整鉆井液,控制動(dòng)切力小于15Pa、塑性黏度為50～75mPa·s,改善其流動(dòng)性,以清潔、凈化井筒,為提高頂替效率創(chuàng)造條件。

3.1.2 套管“抬頭”技術(shù)

在管串設(shè)計(jì)中,充分考慮套管引鞋居中,避免引鞋直接朝向井壁形成硬接觸,增大下行阻力?？拷褂枚烫坠?通常為1m),通過在短套管上加入扶正器,確保引鞋“抬頭”居中。

3.1.3 優(yōu)選扶正器,提高居中度

隨著水平位移增加,對扶正器的性能提出了更高的要求。整體式彈性扶正器具有較高的復(fù)位力,旋流剛性扶正器不僅在下套管中能減輕遇阻沖力;而且能對環(huán)空水泥漿產(chǎn)生旋流,提高頂替效率。套管加密使用扶正器能保證套管最大居中度,既利于提高頂替效率,也利于提高環(huán)空水泥環(huán)均勻性[17-19]。

固井軟件模擬結(jié)果表明,該井斜井段以下采用旋流剛性扶正器和整體式彈性扶正器交叉使用的方式,可以保證套管居中度在72％以上。

3.2 前置液沖洗技術(shù)

油基鉆井液的基本組成是油、水、有機(jī)黏土和油溶性化學(xué)處理劑,具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、穩(wěn)定井壁、潤滑性好及對油氣層損害小等優(yōu)點(diǎn)[20-22]。然而在固井中,油基鉆井液與水泥漿的相容性差,井壁和套管上附著的油膜很難清洗干凈,導(dǎo)致水泥環(huán)與套管和井壁之間形成微環(huán)隙。且油基鉆井液塑黏大,黏度高,頂替效率難以保證。針對這一難點(diǎn),主要采用高效前置液沖洗技術(shù)。

前置液包括沖刷隔離液和加重隔離液,具有潤濕反轉(zhuǎn)性能,與油基鉆井液和水泥漿相容性好,具有較好的懸浮穩(wěn)定性。前置液密度根據(jù)固井前鉆井液和水泥漿的密度進(jìn)行確定,原則是:鉆井液的密度小于沖刷隔離液的密度小于加重隔離液的密度小于水泥漿的密度;確保鉆井液、前置液和水泥漿之間具有一定的密度差,以提高頂替效率。前置液用量滿足接觸時(shí)間不小于20min。沖刷隔離液中的油基沖洗劑易在油膜的表面滲入,削弱油膜的結(jié)構(gòu)力和內(nèi)聚力,達(dá)到較好沖刷效果,提高界面膠結(jié)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬前置液沖洗油基鉆井液的效果(圖2),結(jié)果可見,沖刷時(shí)間為19min時(shí),套管壁基本清洗干凈。

同時(shí),為了有效驅(qū)替高塑黏、高密度油基鉆井液,采用了具有一定黏度的加重隔離液,有效隔開油基鉆井液和水泥漿。在威頁1HF井中,前置液用量為58m3,起到了良好的沖刷、攜帶和隔離效果。

3.3 優(yōu)化水泥漿體系

為改善水泥石韌性、提高水泥石的抗沖擊力,在頁巖氣水平井固井水泥漿中加入BS600塑性劑,配方灰樣為葛洲壩G級∶加重劑∶塑性劑∶膨脹劑∶降失水劑=100∶70∶1.5∶2∶0.7。

在116℃、73MPa、30min條件下,主要性能:密度為2.30g/cm3、流動(dòng)度為21cm、初始稠度為18.5Bc、API失水為36mL、24h抗壓強(qiáng)度為16.5MPa、沉降穩(wěn)定性為零(BJ實(shí)驗(yàn)法)、自由水為零、稠化過渡時(shí)間為6min(從40Bc到100Bc的時(shí)間)。

該塑性劑材料提高水泥石形變能力,改進(jìn)后的水泥漿體系不僅具有常規(guī)水泥漿優(yōu)良的綜合性能,而且提高了水泥石的力學(xué)性能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

4.1 現(xiàn)場施工

威頁1HF井固井設(shè)計(jì)的漿柱結(jié)構(gòu)為:沖洗液4m3(1.03g/cm3)+沖刷隔離液30m3(2.20g/ cm3)+加重隔離液20m3(2.25g/cm3)+沖洗液4m3(1.03g/cm3)+領(lǐng)漿85m3(2.30g/cm3)+尾漿55m3(2.30g/cm3)。固井軟件模擬發(fā)現(xiàn),注替過程中施工壓力高達(dá)30MPa。因此在施工現(xiàn)場采取3車注水泥漿,降低地面管線壓耗,注漿時(shí)最高壓力為22MPa。同時(shí)嚴(yán)格按照固井設(shè)計(jì)施工,從注前置液開始,保證注替排量在1.8m3/min以上,環(huán)空上返速度達(dá)到1.0m/s左右,水泥漿密度誤差在0.01g/cm3左右,確保施工連續(xù)性及穩(wěn)定性。在替漿過程中,水平段套管采用較低密度鉆井液(1.40g/cm3),增加水平段套管在水泥漿中的浮力,提高套管居中度。

現(xiàn)場返漿口觀察發(fā)現(xiàn),前置液與水泥漿的分界面非常明顯,混漿帶少,初步推斷水泥漿的頂替效率較高,充填較好。取回的水泥漿樣品在13h內(nèi)開始起強(qiáng)度,24h內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到10MPa,水泥石達(dá)到了較好的密封性能。

4.2 固井質(zhì)量

威頁1HF井固井質(zhì)量合格率為98％,優(yōu)質(zhì)率達(dá)到88.8％,水平段優(yōu)質(zhì)率為100％。說明,該水泥漿體系可以很好地滿足該區(qū)塊頁巖氣水平井固井,為該區(qū)固井提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4.3 井筒密封完整性滿足增產(chǎn)作業(yè)要求

目前,威頁1HF井已完成分段壓裂作業(yè),施工泵壓為75～91MPa,排量為10～15m3/min,累計(jì)泵入液量29003m3。施工過程及后期環(huán)空均無竄氣,水泥環(huán)的密封完整性得到了檢驗(yàn)。

5 結(jié)束語

(1)合理進(jìn)行扶正器的選型和間距設(shè)計(jì),盡可能提高套管居中度。

(2)優(yōu)化前置液結(jié)構(gòu)、沖刷和攜帶油膜是提高第二界面固井質(zhì)量的關(guān)鍵;通過研制新型前置液技術(shù),有效洗凈和攜帶套管壁和井壁的油膜,提高了膠結(jié)強(qiáng)度。

(3)優(yōu)化水泥漿體系,增強(qiáng)水泥石性能,降低射孔等作業(yè)對水泥環(huán)造成的傷害,提高水泥環(huán)氣層封固能力。

(4)建議不斷完善頁巖氣水平井固井技術(shù)方案,形成有區(qū)域特色的頁巖氣水平井固井技術(shù),推動(dòng)國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的進(jìn)程。

[1] 陳海力,王琳,周峰,等.四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2014,34 (12):100-105.

[2] 趙常青,譚賓,曾凡坤,等.長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)水平井固井技術(shù)[J].斷塊油氣田,2014,21 (2):256-258.

[3] 趙常青,馮彬,劉世彬,等.四川盆地頁巖氣井水平井段的固井實(shí)踐[J].鉆井工程,2012,32(9):1-5.

[4] 焦建芳.川西南高壓頁巖氣井固井技術(shù)初探[A]//中國石油學(xué)會(huì)固井技術(shù)研討會(huì)論文集[C].北京:石油工業(yè)出版社,2014.

[5] 劉德華,肖佳林,關(guān)富佳.頁巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2011,33(1): 119-123.

[6] 郭南舟,王越之.頁巖氣開采技術(shù)[J].石油與天然氣化工,2011,19(5):504-509.

[7] 張林曄,李政,朱月房.頁巖氣的形成及開發(fā)[J].天然氣工業(yè),2009,29(1):124-126.

[8] 崔思華,班凡生,袁光杰.頁巖氣鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析[J].天然氣工業(yè),2011,31(4):72-74.

[9] 武治強(qiáng),周建良,靳勇,等.頁巖氣水平井氣層封固難點(diǎn)分析與技術(shù)對策[J].石油鉆采工藝,2012, 34(1):26-29.

[10] 譚春勤,丁士東,劉偉,等.頁巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)分析與對策[A]//2012年固井技術(shù)研討會(huì)論文集[C].北京:石油工業(yè)出版社,2012:20-28.

[11] 馮京海,郝新朝,白亮清,等.冀東油田水平井固井技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2007,29(增刊1): 32-34.

[12] 羅德明,舒秋貴,姚勇,等.螺旋流頂替技術(shù)在川西水平井固井中的應(yīng)用[J].鉆采工藝,2013,36 (4):101-103.

[13] 舒秋貴.油氣井固井注水泥頂替理論與技術(shù)綜述[J].西部探礦工程,2005,17(5):85-87.

[14] 陶謙,丁士東,劉偉,等.頁巖氣井固井水泥漿體系研究[J].石油機(jī)械,2011,39(S1):17-19.

[15] 李茂華,徐守余,牛衛(wèi)東.射孔對水泥環(huán)與套管性能影響的分析計(jì)算[J].石油與天然氣化工,2011, 19(5):504-509.

[16] 王祥林,王允良,王立平,等.射孔對水泥環(huán)損傷的綜合試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),1994, 14(1):90-91.

[17] 張然,李根生,楊林.頁巖氣增產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及前景展望[J].石油機(jī)械,2011,39(S1):117-120.

[18] 王治國,徐璧華,張峻巍.扶正器在固井作業(yè)中的影響[J].內(nèi)蒙古石油化工,2010(10):62-63.

[19] 胡黎明,趙留陽,郭振斌.提高水平井固井質(zhì)量的措施[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,32 (4):217-218.

[20] 劉成貴.非常規(guī)油氣水平井固井關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2013,35(2):48-51.

[21] 李金偉.水平井固井水泥漿體系[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011(17):91-92.

[22] 童杰,李明,魏周勝,等.油基鉆井液鉆井的固井技術(shù)難點(diǎn)與對策分析[J].鉆采工藝,2013,37 (6):17-20.

Analysis of Cementing Technology for Shale Gas Horizontal Well in the Weiyuan Block of Sichuan Basin

Zhong Wenli,Jiang Yu,Tang Zhe
(Cementing Company of Sinopec Xinan Oilfield Service Corporation,Deyang,Sichuan 618000,China)

Because drilling horizontal wells for development of shale gas in Weiyuan block have some features,including long horizontal section,low degree of casing centralizing,poor compatibility of oil based drilling fluids and cement slurry, low displacement efficiency of slurry,easy to cause the annular gas channeling by late large scale fracturing,etc.,the technical countermeasures have been put forward,such as install centrilizers properly to keep the casing centering,optimize the pad fluids,adopt the plastic cement slurry system,etc.Before running casing,drifting must be done seriously to clean the wellbore,and combined with the technique of heaving lower casing end,installing swirl rigid centralizers and intergral elastic centralizers alternately below the inclined well section to guarantee the casing centering above 72％.The spacer can flush and weaken the structural force and cohesive force of the oil film to obtain better flushing results,and weighted spacer with a certain viscosity may separate the oil based drilling fluids and cement slurry.By adding the specific plastic material, the deformation capacity of set cement can be improved to meet the requirement of cementing and fracturing.Field application showed that the technology has improved the isolating quality of cement sheath,which can provide the technical support for cementing of shale gas wells in the area in the future.

Weiyuan block;oil based drilling fluids;shale gas;cementing

TE256

:A

鐘文力(1987年生),男,碩士,工程師,從事固井技術(shù)研究工作。郵箱:290941494@qq.com。