四川盆地頁巖氣水平井B環(huán)空帶壓原因分析與對(duì)策

陶謙 陳星星

1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室；2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院；3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司

四川盆地頁巖氣水平井B環(huán)空帶壓原因分析與對(duì)策

陶謙1，2陳星星3

1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室；2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院；3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司

四川盆地頁巖氣井環(huán)空帶壓井比例較高，對(duì)氣藏高效開發(fā)和氣井井筒完整性帶來了挑戰(zhàn)。通過對(duì)國內(nèi)頁巖氣開發(fā)區(qū)塊環(huán)空帶壓實(shí)際情況的具體分析，運(yùn)用同位分析方法確定氣體來源，采用物理模擬試驗(yàn)方法開展頁巖氣井環(huán)空帶壓機(jī)理研究，明確了不同水泥漿體系下壓裂過程中水泥環(huán)密封失效規(guī)律，形成了改善水泥環(huán)密封性能、緩解分段壓裂井環(huán)空帶壓現(xiàn)象的關(guān)鍵技術(shù)：在漿柱結(jié)構(gòu)完全滿足密封要求的基礎(chǔ)上，利用相間填充技術(shù)和降低水泥石孔隙度方法，開發(fā)出低孔隙度低彈性模量水泥漿體系，彈性模量低至4.2 GPa，相比常規(guī)水泥石35%的孔隙度，孔隙度降低27.1%，水泥石彈性變形能力大幅提升。現(xiàn)場(chǎng)5口井的應(yīng)用實(shí)踐證明，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率達(dá)到100%，且未發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象，對(duì)環(huán)空帶壓的控制具有良好的借鑒作用。

環(huán)空帶壓；頁巖氣井；固井；水泥漿；分段壓裂

頁巖氣勘探開發(fā)的成功，對(duì)于世界能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重大意義。涪陵頁巖氣田是我國首個(gè)頁巖氣開發(fā)示范區(qū)，2015年年底已完成一期50億m3產(chǎn)能建設(shè)，“十三五”末擬建成100億m3氣田，但隨著勘探開發(fā)的不斷深入，如5號(hào)、26號(hào)平臺(tái)等多口井發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象，威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)N209、N210、N203等多口井也發(fā)生了不同程度的環(huán)空帶壓現(xiàn)象，對(duì)長期的安全生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響［1］。本文立足于對(duì)頁巖氣田環(huán)空帶壓實(shí)際情況的具體分析，通過同位分析方法確定氣體來源，利用物理模擬試驗(yàn)方法開展頁巖氣井環(huán)空帶壓機(jī)理研究，明確了不同水泥漿體系下壓裂過程中水泥環(huán)密封失效規(guī)律，形成了改善水泥環(huán)密封性能、緩解分段壓裂井環(huán)空帶壓現(xiàn)象的關(guān)鍵技術(shù)，并且在5口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率達(dá)到100%，且截至當(dāng)前未發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象，對(duì)后期頁巖氣井固井工程實(shí)踐的開展提供了重要的借鑒。

1 頁巖氣井環(huán)空帶壓特征分析

Analysis on the SCP characteristics of shale gas wells

南方頁巖氣目前勘探開發(fā)有利區(qū)塊主要位于重慶、四川境內(nèi)，目的層為龍馬溪頁巖地層，儲(chǔ)層深度為2 800～4 000 m，開發(fā)井采用三開井身結(jié)構(gòu)，并利用分段壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖儲(chǔ)層實(shí)施改造。以四川盆地東南邊緣某示范區(qū)已投產(chǎn)井開展分析。為進(jìn)一步明確該區(qū)塊環(huán)空帶壓情況，對(duì)于環(huán)空帶壓井特征進(jìn)行了具體分析：（1）帶壓井中，技術(shù)套管與油層套管環(huán)空（B環(huán)空）壓力大于30 MPa僅占帶壓井總比例 0.88%，20～30 MPa占比 15.93%，10～20 MPa占比23.89%，小于10 MPa的井占比59.29%，但是部分井出現(xiàn)方井冒氣，對(duì)安全生產(chǎn)帶來了隱患；（2）從環(huán)空帶壓時(shí)間來看，分段壓裂前后環(huán)空帶壓現(xiàn)象出現(xiàn)顯著提升：B環(huán)空壓裂前帶壓井比例占當(dāng)前帶壓井總數(shù)19.04%，壓裂后為63.70%，增加了44.64%，同時(shí)隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加，帶壓井比例逐年增加，投產(chǎn)后1月內(nèi)帶壓井占19.14%，2個(gè)月后帶壓井占5.07%，3個(gè)月后帶壓井占7.23%，3年后帶壓井占4.87%。結(jié)果表明壓裂對(duì)頁巖氣井水泥環(huán)密封能力影響較大。

2 頁巖氣水平井環(huán)空帶壓原因分析

Analysis on the reasons for the SCP of shale gas wells

水泥環(huán)環(huán)空密封影響因素較多，主要包括：（1）地質(zhì)、油藏因素：如漏失導(dǎo)致界面膠結(jié)不良，以及水泥石高溫強(qiáng)度衰退；（2）鉆井因素：如井眼幾何條件和鉆井液性能差，頂替效率低、膠結(jié)質(zhì)量差等；（3）固井因素：如水泥漿性能差、水泥石力學(xué)性能不滿足長期密封性要求；（4）開發(fā)因素：如壓裂、修井、調(diào)產(chǎn)等因素導(dǎo)致井筒內(nèi)溫度壓力變化，影響水泥環(huán)密封能力［2-3］。利用同位素測(cè)量和物理模型研究方法，結(jié)合焦石壩實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，對(duì)于氣體來源和環(huán)空帶壓具體原因進(jìn)行機(jī)理性分析。

2.1 氣體來源分析

Analysis on gas sources

四川盆地東南邊緣某示范區(qū)頁巖氣井存在油氣顯示的層位為長興組、茅口組、棲霞組、龍馬溪組，技術(shù)套管封固層位為龍馬溪濁積砂以淺井段，油層套管封固龍馬溪地層。為對(duì)環(huán)空中氣體來源進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，分別對(duì)井口生產(chǎn)氣樣、C環(huán)空（表層套管與技術(shù)套管環(huán)空）、B環(huán)空（技術(shù)套管與油層套管環(huán)空）氣樣利用δ13CPDB測(cè)定和評(píng)價(jià)方法針對(duì)3口環(huán)空帶壓井開展CH4同位素分析。

CH4同位素分析見表1所示，生產(chǎn)氣（即由分離器進(jìn)入管網(wǎng)的氣體）δ13CPDB測(cè)定值為–31.52，與F7-1HF、F7-2HF、F20-2HF井B環(huán)空氣樣相似，但是與F7-1HF井C環(huán)空氣樣測(cè)試值–52.08存在明顯的差異。由于甲烷氣的形成條件和時(shí)間的差異性，依據(jù)測(cè)試結(jié)果表明：C環(huán)空氣體來源于淺層氣，B環(huán)空氣體主要來自于龍馬溪地層，因此可以初步判斷，C環(huán)空水泥環(huán)密封失效導(dǎo)致了C環(huán)空帶壓。

表1 環(huán)空氣體同位素分析Table 1 Isotope analysis on annulus gas

2.2 產(chǎn)層套管環(huán)空帶壓原因分析

Analysis on the reasons for the SCP of production casing

目前開展環(huán)空帶壓水泥環(huán)完整性分析，以數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬分析為主，大多采用彈性力學(xué)理論和厚壁圓筒理論開始分析和計(jì)算，但是數(shù)值模擬分析對(duì)邊界條件的假設(shè)、水泥石自身力學(xué)行為的表征相對(duì)簡(jiǎn)單，未能真實(shí)揭示水泥環(huán)密封失效的機(jī)理［2-3］。為進(jìn)一步明確B環(huán)空空帶壓原因，采用全尺寸水泥環(huán)密封能力評(píng)價(jià)裝置開展物理模擬試驗(yàn)。該裝置基本原理為：利用套管、水泥環(huán)和外筒模擬套管-水泥環(huán)-地層組合體，然后通過壓力系統(tǒng)向套管內(nèi)加載和卸載模擬地層壓裂過程中套管、水泥環(huán)的受力變化。在該過程中還可以開展環(huán)空氣竄時(shí)氣泡檢測(cè)和氣體流量測(cè)試，對(duì)于頁巖氣井環(huán)空帶壓情況進(jìn)行工程復(fù)原。

在套管選用上，選擇與示范區(qū)頁巖氣井完井同品質(zhì)套管，外徑為139.7 mm、鋼級(jí)為P110，水泥環(huán)壁厚為26.7 mm。與此同時(shí)，壁厚為22.5 mm、外徑為244.5 mm的金屬合金筒模擬彈性模量為25.0 GPa，泊松比為0.18的頁巖地層。模型整體長度為1 000 mm，實(shí)物裝置見圖1所示。

圖1 水泥環(huán)密封能力大型物理模擬裝置Fig. 1 Photo of large physical simulation device for sealing capacity of cement sheath

針對(duì)當(dāng)前在該地區(qū)廣泛采用的常規(guī)水泥漿、膠乳水泥漿體系、增韌性水泥漿，開展分段壓裂模擬過程水泥環(huán)密封能力評(píng)價(jià)。水泥石在80 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)定常規(guī)水泥石單軸抗壓強(qiáng)度為35.5 MPa，直抗強(qiáng)度3.5 MPa，彈性模量為14.3 GPa；膠乳水泥漿抗壓強(qiáng)度24.5 MPa，直抗強(qiáng)度3.2 MPa，彈性模量為8.2 GPa；增韌性水泥漿壓強(qiáng)度35.7 MPa，直抗強(qiáng)度4.3 MPa，彈性模量為9.4 GPa。

對(duì)套管內(nèi)施加70 MPa內(nèi)壓模擬壓裂施工，并且進(jìn)行多次加、卸載模擬分段壓裂過程，加卸載作用下的壓力曲線和氣竄曲線見圖2～圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過取樣3次測(cè)試常規(guī)水泥石，分別在第1次測(cè)試的第1次加卸載和第2次測(cè)試的第2個(gè)加卸載周期卸壓后即發(fā)生氣竄（見圖2），第3次測(cè)試的氣竄亦發(fā)生在第2個(gè)加卸載周期卸壓后；膠乳水泥漿在第1次測(cè)試的第15和第2次測(cè)試的第14個(gè)周期即出現(xiàn)劣化現(xiàn)象（見圖3），第3次測(cè)試亦發(fā)生在第14個(gè)加卸載周期卸壓后，出現(xiàn)大于0.01 mm的間隙［4］，開始發(fā)生氣竄；韌性水泥漿在第11個(gè)周期后卸載，即發(fā)生氣竄現(xiàn)象（見圖4）。

圖2 常規(guī)水泥漿加卸載過程氣竄分析Fig. 2 Analysis on the gas channeling in the loading and unloading process of conventional cement slurry

圖3 膠乳水泥漿加卸載分析Fig. 3 Analysis on the loading and unloading of latex cement slurry

同時(shí)利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)水泥環(huán)密封失效過程的聲學(xué)特征：常規(guī)水泥石初始加載、第4～7次循環(huán)加卸載、第20次循環(huán)加卸載接收到大量信號(hào)，信號(hào)類型顯示巖石偏于脆性變形破壞，可見在這幾次加卸載過程中水泥石損傷較大；膠乳水泥漿體系在初始和前3次加卸載聲發(fā)射信號(hào)較弱，從第4次加卸載開始直至結(jié)束，聲發(fā)射信號(hào)均保持穩(wěn)定，顯示巖石偏于塑性變形破壞。

通過力學(xué)監(jiān)測(cè)加載過程中的水泥環(huán)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：常規(guī)水泥石由于具有較高模量，在外載荷情況下，由于套管膨脹導(dǎo)致水泥環(huán)承受較高的周向拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)力達(dá)到4.2 MPa（圖5），形成了拉伸裂紋（圖6），導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效；膠乳水泥漿形成的水泥環(huán)，周期加卸載荷條件下，水泥石未發(fā)生機(jī)械破壞，塑性破壞是水泥環(huán)密封失效的關(guān)鍵因素（圖7），對(duì)水泥石開展周期載荷加載，測(cè)試水泥石塑性變形累計(jì)效應(yīng)如圖8所示，由于塑性變形的累積，導(dǎo)致水泥環(huán)第一界面、第二界面膠結(jié)劣化，并形成環(huán)隙，導(dǎo)致環(huán)空帶壓。

圖4 韌性水泥漿加卸載分析Fig. 4 Analysis on the loading and unloading of tough cement slurry

圖5 常規(guī)水泥石加載過程二界面應(yīng)力Fig. 5 Interfacial stress in the loading process of conventional cement set

3 對(duì)策與實(shí)施

Countermeasures and implementation

3.1 生產(chǎn)套管環(huán)空帶壓的預(yù)防

Prevention of production casing SCP

通過對(duì)分段壓裂井水泥環(huán)密封失效的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：水泥石的硬脆性和塑性變形累積導(dǎo)致了水泥環(huán)密封失效。因此改善水泥石硬脆性、增加水泥石變形能力能有效緩解環(huán)空帶壓現(xiàn)象。而改善水泥石硬脆性、增加水泥石變形能力主要通過結(jié)晶性相塑化、凝膠相塑化以及水泥石基體填充。與此同時(shí)為了有效降低水泥石塑性變形，需要有效降低水泥石孔隙度，降低水泥石微觀和宏觀缺陷［5-10］。

設(shè)計(jì)了一種低彈性模量、低孔隙度的水泥漿體系，其基本配方為：JHG+（2～8）%有機(jī)彈性材料+（8～15）% 無基納米乳液 +（2～3）% 降濾失劑 +（2～3）%膨脹劑 +（0.1～0.5）% 緩凝劑 +（1～2）% 無基增韌劑+44%水，形成的水泥漿密度為1.88 g/cm3，7 d水泥石滲透率為0.02 mD，孔隙度25.5%～27.8%，相比常規(guī)水泥石的孔隙度，降低了27.1%，API失水小于36 mL，自由液為0，48 h抗壓強(qiáng)度大于12 MPa，初始稠度小于22 Bc。水泥石力學(xué)性能見圖9。彈性材料加量在2%～8%，水泥石彈性模量4.2～7.5 GPa，在彈性材料加量超過6%時(shí)，水泥石彈性變形區(qū)間達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度的75%，基本良好的彈性變形能力，其循環(huán)載荷塑性累積變形量較常規(guī)水泥石減少28.5%，在70 MPa分段壓裂條件下，水泥環(huán)加載周期達(dá)到35次，滿足焦石壩目前所有井分段壓裂要求。

圖6 常規(guī)水泥石加載過程破壞形態(tài)Fig. 6 Damage form in the loading process of conventional cement set

圖7 膠乳水泥石加載過程界面應(yīng)力Fig. 7 Interfacial stress in the loading process of latex cement set

圖8 循環(huán)載荷條件下水泥石塑性變形Fig. 8 Plastic deformation of cement set under cyclic loading

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

Field implementation

四川盆地東南邊緣頁巖氣示范區(qū)采用的漿柱結(jié)構(gòu)為兩級(jí)漿柱結(jié)構(gòu)，其中領(lǐng)漿采用常規(guī)水泥漿，尾漿采用膠乳水泥漿。由于分段壓裂的影響，常規(guī)水泥石容易出現(xiàn)脆性破壞，膠乳水泥石由于脆性改造不徹底，水泥石仍然具有較高的彈性模量，在壓裂過程導(dǎo)致了水泥環(huán)密封失效。因此為了有效提高水泥環(huán)在分段壓裂后的密封能力，在漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用全井筒氣密封性能優(yōu)良的水泥漿體系。

圖9 不同彈性材料加量水泥石應(yīng)力應(yīng)變Fig. 9 Stress and strain of cement set with different dosages of elastic materials

采用新研制的低孔隙度、低彈性模量的彈性水泥漿體系在5口井中開展應(yīng)用，固井質(zhì)量均達(dá)到優(yōu)質(zhì)，測(cè)試、生產(chǎn)至今未發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象，應(yīng)用效果見表2。該結(jié)果表明，采用全井筒高性能水泥漿體系及合理的漿柱結(jié)構(gòu)，能夠有效提高水泥環(huán)的長期密封能力，緩解環(huán)空帶壓現(xiàn)象，保證分段壓裂后頁巖氣井的安全生產(chǎn)。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與應(yīng)用Table 2 Field implementation and application

4 結(jié)論

Conclusions

（1）同位分析法表明結(jié)果，技術(shù)套管與油層套管環(huán)空氣體來源均為龍馬溪頁巖氣，其帶壓的主要原因?yàn)榉侄螇毫褜?duì)水泥環(huán)密封能力的影響。

（2）通過大量物理模擬試驗(yàn)和室內(nèi)評(píng)價(jià)表明，采用的常規(guī)水泥石在分段壓裂過程中，本體破壞導(dǎo)致水泥環(huán)密封能力降低。

（3）導(dǎo)致膠乳水泥環(huán)密封失效的主要原因是水泥環(huán)塑性變形累積并最終形成環(huán)隙，導(dǎo)致環(huán)空帶壓。

（4）通過改善水泥石力學(xué)性能，有效降低水泥石彈性模量，降低水泥石彈性變形區(qū)間，減少塑性變形，能夠有效提高水泥環(huán)密封能力。

（5）頁巖氣井漿柱結(jié)構(gòu)，宜采用全井高效密封的漿柱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化領(lǐng)漿性能，是有效控制環(huán)空帶壓的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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（修改稿收到日期 2017-08-20）

〔編輯 薛改珍〕

Causal analysis and countermeasures on B sustained casing pressure of shale-gas horizontal wells in the Sichuan Basin

TAO Qian1,2, CHEN Xingxing3

1. State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development,Beijing100101,China;
2. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China;
3. SINOPEC Chongqing Fuling Shale Gas Exploration and Development Co.,Ltd.,Fuling400020,Sichuan,China

In the Sichuan Basin, the percentage of shale gas wells with sustained casing pressure (SCP) is higher, bringing about the challenges to the efficient development of gas reservoirs and the wellbore integrity of gas wells. In this paper, the actual SCP situations in domestic shale gas development blocks were analyzed specifically. The gas source was determined by using the isotope analysis method, and SCP mechanisms of shale gas wells were studied by means of physical simulation experiment. Accordingly, the failure laws of cement sheath in different cement slurry systems in the process fracturing were fi gured out, and the key technologies to improve the sealing capacity of cement sheath and relieve the SCP phenomenon in staged fracturing wells were developed. When the cement slurry column can structurally satisfy the sealing requirement completely, a cement slurry system of low porosity and Young’s modulus was developed by means of the interphase fi lling technique and the set cement porosity decreasing method. Its Young’s modulus is only 4.2 GPa, and its porosity is 27.1% (the porosity of conventional cement set 35%). And the elastic deformation capacity of cement set is enhanced dramatically. The new cement slurry system has been practically applied in 5 wells. And its high-quality cementing rate is 100%with no SCP. This research provides the good reference for SCP control.

sustained casing pressure; shale gas well; cementing; cement slurry; staged fracturing

∶

陶謙，陳星星.四川盆地頁巖氣水平井B環(huán)空帶壓原因分析與對(duì)策［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：588-593.

TE256

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0588 – 06 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.011

國家重大專項(xiàng)示范工程“彭水地區(qū)常壓鉆井及高效壓裂工程工藝優(yōu)化技術(shù)”（編號(hào)：2015ZX05069-002）；中石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“改善天然氣井水泥環(huán)長期密封性技術(shù)研究”（編號(hào)：P14112）。

陶謙（1982-），2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事固井新技術(shù)的研究工作，高級(jí)工程師。電話：010-84988227。E-mail：taoqian.sripe@sinopec.com

: TAO Qian, CHEN Xingxing. Causal analysis and countermeasures on B sustained casing pressure of shale-gas horizontal wells in the Sichuan Basin［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 588-593.