淺論固井水泥漿技術在頁巖氣井的應用

鐘聲

摘 要：頁巖氣作為一種儲量豐富的非常規油氣資源，近年來得到快速發展。美國通過頁巖氣的開發成功的由天然氣凈進口國轉變為出口國。而我國頁巖氣資源非常豐富，高效的開發利用不但具有良好經濟效益還具有極高的戰略意義。固井水泥漿技術是鉆完井技術的一個重要組成部分，是實現有效層間封隔保證頁巖氣高效開發的重要因素之一。本文對近年來國內外在頁巖氣固井水泥漿 技術上取得的進展進行調研分析 ，闡述在頁巖氣井固井過程中采用的新技術，指出下一步頁巖氣井水泥漿技術發展方向。

關鍵詞：頁巖氣；水平井；固井；水泥漿

頁巖氣主要分布于致密、低孔、低滲的泥頁巖地層中，其主要的儲存空間是巖石發育的微孔和裂縫，并且存在方式主要以吸附為主，與常規巖儲層不同，頁巖儲層具有脆性強、構造裂縫及微裂縫發育等特點。 此外，頁巖中富含的黏土成分還會使頁巖水敏性、膨脹性強、 容易坍塌。而不合適的固井措施會導致井筒層間封隔失效，進而引起氣竄。天然氣竄至井口 引起的環空帶壓現象會影響到天然氣量和增產措施的實施。良好性能的水泥漿體系是實現頁巖氣井在全生命周期有效層間封隔、防止環空氣竄的重要保障之一。本文對近年來國內外頁巖氣固井水泥漿技術進行調研分析，介紹了國內外在頁巖氣井水泥漿技術方面取得的進展。

1.頁巖氣固井面臨的困難與挑戰

由于頁巖含泥質較多產層極易跨塌破碎，與水泥石膠結質量差，膠結強度低。另外，水泥石在凝固和硬化過程中會發生體積收縮，在套管與水泥環、水泥環與地層之間的膠結界面 容易生成微環空和微間隙，形成氣體竄流通道，導致頁巖氣發生竄流。竄至井口形成環空帶壓，至低壓層會影響產量，嚴重的環空帶壓會導致整個氣井報廢[4] 。

頁巖氣水平井普遍具有位移大的特點，后續的增產措施多采用多級壓裂方式。水泥石是 一種硬脆性材料，自身協調形變能力差，和地層及套管具有不同的彈性和形變能力。在多級壓裂過程中會反復遭受循環載荷，水泥石受到較大的內應力和沖擊力產生徑向裂紋、裂縫。 此外，在后續生產階段的增產措施也會對水泥石產生循環應力，使水泥石疲勞產生裂紋、裂縫。因此，實現頁巖氣井有效的層間封隔也對水泥石的力學性能有著較高的要求。因此，頁巖氣固井要求水泥漿要具備如下特征：1）沉降穩定性好，上下密度差小；2） 無自由水；3）失水量小；4）防氣竄能力強；5）水化體積收縮率小；6）力學性能好等。

2.國內外頁巖氣井水泥漿技術

2.1泡沫水泥

泡沫水泥自上世紀七十年代首次在油田得到成功應用以來，得到廣泛的發展并日趨成熟。泡沫水泥具有良好的失水控制性、泥漿頂替效率以及較低的液柱壓力等優點，多用于低壓易漏失地層固井施工。泡沫水泥相對常規水泥還具備更好的拉伸和延展性能，不但可以有效防止壓裂井環空竄流，尤其是環空氣竄問題；還有利于人工壓裂造縫，增加產量。通常的制備方法是將氮氣注入含有泡沫穩定劑的水泥基漿中，注入氣體量推薦控制范圍在35 %以內，密度范圍一般在0.8～1.8g/cm3之間。隨著氣體量的增加滲透率和抗 壓強度下降。鑒于泡沫水泥的優良特性，取得較好的經濟效益。，用氮氣起泡，將密度調整為1.6～1.7g/cm3之間。施工時以非泡沫水泥作為領漿封固垂直井段，少量非泡沫水泥尾漿被用來封固套管鞋連接處。

酸溶水泥曾被用來暫時封堵易漏失產層。采用常規水泥漿體系的水平段通常在射孔時 會在套管和地層間形成具有一定彎曲度的通道，環空中的水泥產生的堵塞效應也會影響流體的流動，這些不利因素影響了頁巖氣井后續多級壓裂時在每個射孔位置成功實現獨立的人工裂縫以及在射孔段之間形成有效層間封隔的效果。添加一定量CaCO3的酸溶水泥相對常規 水泥在鹽酸（HCl）中表現出更好的溶解性，其溶解度達到92%，而常規水泥的溶解度約為25%。酸溶的速度主要取決于水泥中CaCO3的溶解度和與酸液接觸的時間。可以通過調整注入酸液的體積以及注入速率控制溶蝕程度。因此，先于壓裂液注入采用酸溶水泥的水平井中清除射孔處的水泥屑和堵塞，同時還在相應環空形成大片的連通區域從而為多級壓裂提供 良好的施工環境。此外，酸溶水泥的強度較常規水泥下降，但還是足以支撐套管串并形成良 好的層間封隔。在現場操作中，酸溶水泥在美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣井中得到成功應用[12，13]。

2.3泡沫酸溶水泥

如果固井層段地層脆弱，天然裂縫發育，常規密度酸溶水泥不能有效的實現層間封隔。 在酸溶水泥中加入泡沫穩定劑并充入氮氣制備成低密度的泡沫酸溶水泥。該體系同時集合 了泡沫水泥和酸溶水泥的優點，具有良好的力學性能和堵漏性能。典型的泡沫酸溶水泥的基 漿為H級水泥，添加碳酸鈣增加溶解性，密度為1.9g /cm3。注入氮氣生成泡沫可將密度減輕至1.6g /cm3。施工過程用少量非泡沫水泥作為領漿封固垂直井段，酸溶泡沫水泥封固水平段，尾漿采用少量非泡沫水泥封固套管鞋連接處。

2.4火山灰水泥

火山灰水泥利用火山灰和H級水泥作為基漿，摻比為50：50。該體系強度和密度中等，典型的密度在1.6～1.7g/cm3之間。體系的強度雖然較常規度水泥漿低，但是卻在防漏失方面性能良好，尤其是在具有天然裂縫和煤層段固井時降低漏失和破裂壓力方面起到良好的作用。 此外該體系還有利于壓裂作業，易于達到理想的壓裂效果。添加了降失水劑和防濾失控制材料的該體系也能有效的降低頁巖層的水泥濾失。

2.5膠乳水泥

膠乳是一種顆粒直徑在200～500nm的聚合物乳液，通常采用表面活性劑作為穩定劑。固相含量一般在50%。添加膠乳的油井水泥具有良好的膠結性、抗腐蝕性、降失水性、抗沖擊和延展性等優點。通常應用于易發生環空氣竄固井、小間隙固井以及含腐蝕介質固井。常 用的膠乳為醋酸聚乙烯膠乳和丁苯膠乳。水泥漿中氯離子會引起膠乳凝結使水泥漿粘度增大。此外低溫下應用還需要增加大量酒精、乙醚、硫酸鹽類穩定劑和減阻劑來保證膠乳的懸浮穩 定性。美國Louisiana和Texas地區的Haynesville頁巖氣水平井具有大位移、高溫高壓小間隙、 壓力窗口窄的特點，給固井施工帶來了挑戰，Pavlock等采用一種改進的膠乳水泥漿體系成功解決了這一難題。該膠乳在不添加穩定劑的條件下能在濃度為18 %的鹽溶液中保持穩定， 添加少量穩定劑能在飽和的濃鹽水中依然保持穩定。該體系流變性好并在大溫差下依然保持穩定，最高承受溫度可達204℃。水泥石良好的拉伸性和彈性有效防止環空氣竄的發生。

2.6彈性膨脹水泥漿

彈性膨脹水泥通過添加膨脹劑和彈性材料改善了水泥石收縮和彈性性能。相對常規水泥 將能經受多次循環應力變換，保證了水泥環長期完整性，防止出現環空氣竄[。彈性膨脹水 泥固相含量可達60%，密度可以在1.6～1.9g /cm3之間調整，同時線性膨脹可達0.4%。和常規水泥漿相比，楊氏模量下降了40%～70%。固井施工方案 將 彈性膨脹水泥漿用在封固水平井段上部地層，水平井段采用常規水泥漿封固。該水泥漿在 6 口井得到了應用，超聲測井結果顯示固井質量達到設計要求。

3結論

1）頁巖氣井地質條件復雜，容易出現井漏、氣竄現象。此外，頁巖氣井多采用大位移水平井，并在后續采取多級壓裂的儲層改造增產措施，這些因素對固井水泥漿體系有著更高的要求，水泥環良好的力學性能是保證多級壓裂成功并防止環空氣竄的重要因素之一。2）.不同的頁巖氣井固井水泥漿體系各具有獨特的優良特性，在實際固井工作中，應結合地質狀況、后續增產措施等方面設計出安全經濟可靠的水泥漿體系。