平橋南區(qū)塊固井技術(shù)研究與應(yīng)用

李曉黎

中石化華東石油工程有限公司工程技術(shù)分公司，中國·江蘇 揚(yáng)州 225000

1 引言

平橋區(qū)塊及周邊是華東油氣分公司頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊，通過近年來技術(shù)攻關(guān)，形成了較為完善的鉆完井工程配套技術(shù)。平橋區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，氣層顯示活躍，泥漿密度高，同時(shí)該區(qū)塊地層承壓能力薄弱，在鉆井及后期完井作業(yè)過程中發(fā)生漏失幾率大，研選適合各開次防氣竄水泥漿體系，建立全井長效密封固井工藝，形成適合平橋及周邊頁巖氣井長效密封固井技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)頁巖氣資源的高質(zhì)高效開采具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

2 固井難點(diǎn)

2.1 套管不易入井

由于平橋南區(qū)塊部署生產(chǎn)井目的層多在龍馬溪組，鉆井施工過程中小河壩組井漏多發(fā)，龍馬溪組時(shí)有井下垮塌等復(fù)雜情況，且井身軌跡調(diào)整頻繁，水平段常達(dá)1000m以上，最大井斜有時(shí)達(dá)到100°以上，造成井身質(zhì)量差，這些是造成下套管過程中易阻卡的主要原因。

2.2 水泥漿配方設(shè)計(jì)困難

2.2.1 水泥漿體系的抗高溫性能要求高

平橋南區(qū)塊地溫梯度達(dá)2.5℃/100m，產(chǎn)層套管固井的井底循環(huán)溫度一般在100℃～130℃，該溫度屬于固井施工的高溫范疇，因此要求水泥漿和前、后置液具有較高的抗高溫性能。

2.2.2 領(lǐng)漿密度低，防漏與封固質(zhì)量矛盾突出

為減小漏失風(fēng)險(xiǎn)，領(lǐng)漿使用低密度水泥漿。由于低密度水泥漿水灰比高，易產(chǎn)生塑性收縮，受井下高溫高壓影響，水泥漿膨脹性能變低，在候凝過程中產(chǎn)生環(huán)空微間隙，影響固井質(zhì)量。同時(shí)低密度水泥石硬脆性較強(qiáng)，后期探掃塞會對水泥石有一定的沖擊，使得硬脆性水泥石膠結(jié)劣化。

2.3 頂替效率低下

由于平橋南區(qū)塊小河壩組膠結(jié)性較差,井壁穩(wěn)定性差，致使鉆井施工中易出現(xiàn)垮塌等復(fù)雜情況，因此造成該井段的井徑較大，因此在正常循環(huán)時(shí)，此井段靠近井壁附件的泥漿基本上不參與循環(huán)，導(dǎo)致此井段井壁附近的巖屑難以攜帶干凈；其次，由于深井施工需要，鉆井液的密度比較高，該區(qū)塊固井時(shí)為了降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，前置液密度僅比鉆井液密度高0.01g/cm3，前置液密度的局限一定程度上限制了頂替效率的提高；同時(shí)由于鉆井液粘度高和切力大，致使固井施工過程中的流動(dòng)阻力增大，環(huán)空返速減小，難以實(shí)現(xiàn)較高的頂替效率。

2.4 水泥塞長要求高

由于甲方綜合考慮施工工藝及成本，近年產(chǎn)層套管多使用滑套工具，滑套工具距離阻流環(huán)位置多在20m左右，這就要求水泥塞長不能超過20m，否則滑套工具即被固死，因無法打開而失效。

3 技術(shù)措施

3.1 降低套管遇阻的方法

3.1.1 模擬套管剛度的鉆具組合通井

針對套管下入困難的現(xiàn)狀，首先是做好通井工作，鉆具組合中加入2～3個(gè)剛性扶正器，對鉆進(jìn)摩阻異常井段以及全角變化率比較大的井段，反復(fù)提拉,達(dá)到修整井壁，破除臺階的目的，同時(shí)通井到底后采用大排量循環(huán),排量通常不小于固井施工時(shí)的最大排量（1.8m3/min），一方面可以充分?jǐn)y砂，也起到了動(dòng)態(tài)驗(yàn)漏的目的；另一方面，起鉆前調(diào)整好鉆井液性能,減小摩阻,降低套管遇阻幾率。

3.1.2 合理使用套管扶正器

在套管入井過程中，套管所受的摩擦阻力主要影響因素有：摩擦系數(shù)、接觸面積、正壓力、滑動(dòng)速度。套管下入過程中，所受的正壓力基本不變，同一材質(zhì)在同一井段的情況下，摩擦系數(shù)恒定，而下入速度也可以近略視為常值。綜上，套管下入摩阻大小主要決定因素在于套管與井壁的接觸面積。

f摩擦阻力=μ×F×S×V

其中，μ為摩擦系數(shù)；F為正壓力；S為接觸面積；V為滑動(dòng)速度。

套管受力如圖1所示。

圖1 套管受力示意圖

要達(dá)到有效減小套管與井壁的摩擦阻力的目的，減少接觸面積應(yīng)該說是最簡便有效的手段。通過軟件模擬，在合理的安放套管扶正器后，盡量避免套管與井壁的面接觸，將主要接觸方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稣髋c井壁的點(diǎn)接觸，實(shí)際原理類同與將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換成滾動(dòng)摩擦，套管下入摩阻降低明顯，現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中也驗(yàn)證了這一結(jié)果[2]。

套管扶正器的合理安放對提高套管居中度也有著重要意義，為確保套管居中度，提高頂替效率，我們采用軟件反復(fù)模擬扶正器的最佳安放位置，從現(xiàn)場應(yīng)用及軟件模擬情況看：封固段內(nèi)井斜小于30°三根套管安裝一只樹脂旋流扶正器，井斜在30°～60°之間的，每兩根套管安裝一只樹脂旋流扶正器，井斜大于60°至A靶點(diǎn)井段每根套管安裝一只樹脂旋流扶正器，A靶點(diǎn)至井底位置每根套管安裝一只整體式彈性扶正器，同時(shí)引進(jìn)新型滾珠扶正器，在井身軌跡特別不利于下套管的井段，使用新型滾珠扶正器，這種安放方案一方面可以有效降低套管入井時(shí)的摩阻，同時(shí)也能確保套管居中度達(dá)到施工要求。

3.2 水泥漿配方設(shè)計(jì)

3.2.1 優(yōu)選長期密封的低密度水泥漿體系

經(jīng)過室內(nèi)大量實(shí)驗(yàn)，最終確定了滿足長期密封要求的水泥漿配方：G級水泥+17%漂珠+10%微硅+4%彈性材料+4%液硅+5%降失水劑+緩凝劑+水。

具體如表1、圖2、圖3所示。

圖2 體積收縮曲線

圖3 靜膠凝輕度發(fā)展曲線

表1 該配方的相關(guān)性能數(shù)據(jù)

從強(qiáng)度發(fā)展曲線看出，性能不變，水泥漿塑態(tài)在8h結(jié)束，抗壓強(qiáng)度開始發(fā)展；水泥石強(qiáng)度發(fā)展至48h，抗壓強(qiáng)度為15MPa。從體積收縮發(fā)展曲線可以看出領(lǐng)漿低密度水泥漿在1h開始停止體積收縮。低密度水泥石的彈韌性等各項(xiàng)性能更好，靜膠凝強(qiáng)度無變化，收縮膨脹率經(jīng)過實(shí)驗(yàn)評價(jià)為零，無體積收縮，能滿足封固重疊段的需要。

3.2.2 該配方的優(yōu)點(diǎn)

第一，低密度水泥漿選用減輕材料主要為天然漂珠，與其他減輕劑相比，該微珠主要優(yōu)勢在于：重量輕、體積大、熱導(dǎo)率低、抗壓強(qiáng)度高、抗溫性能好、流動(dòng)性好。

第二，采用微硅、水泥和天然漂珠共同組成了三元緊密堆積體系，該體系以均勻分布的漂珠、水泥、微硅顆粒為主體，其中漂珠作為骨架顆粒，是體系的一級顆粒，水泥作為二級顆粒，充填漂珠間隙，微硅作為三級顆粒，填充于前兩種顆粒間隙，形成了初步級配的的三元體系。

第三，體系中加入納米材料液硅和彈性材料，以此提高低密度水泥石的彈韌性，減小低密度水泥石的收縮，預(yù)防產(chǎn)生環(huán)空微間隙。通過調(diào)整優(yōu)化，水泥漿流變值冷漿600R/min為大于300，300r/min為200左右，低轉(zhuǎn)速為10左右；高溫養(yǎng)護(hù)后600R/min為250左右，低轉(zhuǎn)速為10左右，水泥漿達(dá)到這樣的流變效果，水泥漿流動(dòng)性能好。

第四，使用抗高溫納米材料（液硅）以及抗高溫抗鹽降失水劑，除達(dá)到水泥漿良好的防竄效果，更重要的是具有良好的膨脹特性，對水泥水化過程中的體積收縮量予以補(bǔ)充，充分滿足環(huán)空尤其是套管重疊段的封固效果。

3.3 改進(jìn)驅(qū)油前置液提高頂替效率

首先對隔離液評價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)；油基泥漿含堵漏材料較多，沖洗不干凈。改進(jìn)前評價(jià)沖洗效果時(shí)用六速粘度儀300R/min，600/min沖洗，改進(jìn)后使用200r/min沖洗。

同時(shí)優(yōu)化了隔離液流變參數(shù)；根據(jù)水泥漿流變參數(shù)和油基泥漿調(diào)整隔離液流變參數(shù)，調(diào)整隔離液流變參數(shù)與油基泥漿相近或大于油基泥漿。適當(dāng)增加沖洗劑的有效成分，進(jìn)一步增強(qiáng)隔離液沖洗性能，來應(yīng)對油基泥漿受污染情況下沖洗。

圖4，圖5為不同SCW-D加量條件下前置液的加量敏感性評價(jià)和返速敏感性評價(jià)。圖示表明：隨著SCW-D加量的增加，前置液的沖洗能力明顯增加，在低返速下前置液易能有效的清除泥餅。

圖4 沖洗液沖洗時(shí)間敏感性評價(jià)（300rpm）

圖5 沖洗液沖洗速度敏感性評價(jià)（7min）

SCW-D加量達(dá)到16%時(shí)300rpm轉(zhuǎn)速下（0.54m/s），前置液7分鐘清洗效率能夠有效達(dá)到100%，且無油膜或油斑，因此針對易漏頁巖氣井16%SCW-D為前置液的理想加量。

實(shí)驗(yàn)室模擬清洗7min后前后對比見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)室模擬清洗7min后前后對比

3.4 新型壓塞液的研發(fā)

新型抗高溫壓塞液配方：3%～5%二糖溶液（C12H22O11）+2%～4%DZH （具體加量根據(jù)實(shí)際施工溫度來選擇）。

新型壓塞液的優(yōu)點(diǎn)：

①總體配制成本低，配制簡單快捷；

②沖洗液高溫下所具有優(yōu)異的超緩凝性能，降低了形成長塞的概率；

③新型壓膠塞液現(xiàn)場應(yīng)用后，有效避免了留長塞現(xiàn)象。

3.5 綜合措施預(yù)防漏失

對于漏失井，特別是水平井段漏失井，按照水泥漿與泥漿的密度差+0.1g/cm3。

當(dāng)量密度計(jì)算承壓值，用堵漏泥漿進(jìn)行承壓后，篩掉堵漏漿，大排量循環(huán)驗(yàn)漏，用清漿承壓至水泥漿與泥漿的密度差。對于鉆進(jìn)過程無漏失井，承壓至水泥漿與泥漿的密度差，然后大排量循環(huán)驗(yàn)漏，起鉆下套管。

同時(shí)經(jīng)與甲方協(xié)商討論，水泥漿返至1000m，一方面降低前置液返出量，利于環(huán)保，一方面降低漏失風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過將以上的固井技術(shù)措施在平橋南區(qū)塊進(jìn)行推廣應(yīng)用，頁巖氣項(xiàng)目完成了固井質(zhì)量96%優(yōu)秀率的技術(shù)指標(biāo)。具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 平橋南區(qū)塊近期固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論與認(rèn)識

第一，通過水泥漿體系及前置液、壓塞液的優(yōu)化，可以有效減小固井時(shí)漏失風(fēng)險(xiǎn)，提高沖洗及頂替效率，確保固井質(zhì)量。

第二，合理的選擇施工參數(shù)，科學(xué)安放套管扶正器，可以有效提高頂替效率，降低套管下入摩阻，提升整體水泥環(huán)封固質(zhì)量。

第三，頁巖氣固井總體工藝復(fù)雜，需從理論上加深對該區(qū)塊固井質(zhì)量和施工過程的認(rèn)識和理解。