低密度抗鹽水泥漿體系在淺層頁巖氣井的應(yīng)用

張 偉

低密度抗鹽水泥漿體系在淺層頁巖氣井的應(yīng)用

張 偉

（四川川慶井下科技有限公司，四川 德陽 618301）

敘永太陽構(gòu)造淺層頁巖氣隨著進入開發(fā)后期，地層的壓力系數(shù)降低，按照常規(guī)的固井工藝和水泥漿體系不能滿足現(xiàn)有固井五條紅線的要求。室內(nèi)研發(fā)了一套低密度抗鹽水泥漿體系，其具備突出的低溫早強性能、優(yōu)異的穩(wěn)定性和流變性，稠化時間可任意調(diào)節(jié)，與有機鹽鉆井液相容性好。該水泥漿體系及配套技術(shù)已成功應(yīng)用5井次，有效地解決了淺氣層頁巖氣油層套管固井返高達不到要求和固井質(zhì)量差等問題。

低密度；抗鹽；水泥漿；固井工藝；頁巖氣

太陽構(gòu)造淺層頁巖氣主要開發(fā)目的層龍馬溪組頁巖氣，采用兩開兩完的井身結(jié)構(gòu)。一開表層采用311.2 mm鉆頭和清水鉆進至設(shè)計井深后下入244.5 mm套管；二開油層采用215.9 mm鉆頭和有機鹽鉆井液體系，鉆井液密度1.65～1.85 g·cm-3，下入139.7 mm生產(chǎn)套管固井。其地層壓力系數(shù)低，安全密度窗口窄，有機鹽泥漿條件下固井頂替效率差，水泥漿返高不夠，隨著后期開采的深入，地層壓力系數(shù)越來越低，因此，一直在尋求一種有效固井水泥漿體系和配套的固井工藝來解決這個固井難題。

1 固井難點

1.1 存在低壓易漏地層

區(qū)域地表多呈現(xiàn)喀斯特地貌特點，表層常鉆遇裂縫、溶洞甚至暗河，鉆井漏失量大且堵漏成功率極低，目前表層多采用空氣鉆鉆進，固井時因漏失返不到地面。油層套管固井時液柱壓力高，循環(huán)存在失返的風(fēng)險。

1.2 水泥漿方面

低密度抗鹽水泥漿體系密度1.50～1.70 g·cm-3，存在漿態(tài)和沉降穩(wěn)定性的矛盾，如果配方調(diào)整不好，可能導(dǎo)致漿體沉降穩(wěn)定性差或現(xiàn)場難以配漿，同時因為密度低、水灰比大、溫度低，導(dǎo)致早期強度發(fā)展慢[1-5]。

1.3 有機鹽飽和鹽水鉆井液

鉆井液密度為1.35～1.60 g·cm-3，與低密度水泥漿密度差較小，頂替效率難以保證，而且有機鹽鉆井液井壁泥餅較厚，泥餅難以沖刷，且與一般的水泥漿相容性較差，進而影響固井一、二界面膠結(jié)質(zhì)量，易形成氣竄的通道。

1.4 套管下入難度大

井身水垂比大，水垂比主要在1～1.5之間，套管靠自重不足以克服下行阻力，難以安全下放到井底，井眼軌跡復(fù)雜，沿程摩阻大，部分井儲層厚度薄，微斷層頻繁，井眼軌跡復(fù)雜。

1.5 對水泥環(huán)巖石力學(xué)性能要求高

針對后期大型體積壓裂要求水泥石具有足夠的抗沖擊能力和柔韌性，以保證井筒的密封完整性[6]。

1.6 長水平段固井

長水平段水平井固井對水泥漿析水、沉降穩(wěn)定性和后期強度要求高。

2 固井技術(shù)措施

針對以上固井技術(shù)難點，采用了低溫低密度抗鹽水泥漿及配套固井技術(shù)措施。

2.1 優(yōu)選減輕劑

采用漂珠和粉煤灰作為減輕劑，按照顆粒級配原理，優(yōu)化加量和級配比例，使用雙凝水泥漿體系，確保漿體穩(wěn)定性，流變性好，析水少，早期強度發(fā)展快，無體積收縮。水平封固段采用常規(guī)抗鹽水泥漿，控制高溫下的穩(wěn)定性和稠化時間，提高其強度發(fā)展時間，保證產(chǎn)層的固井質(zhì)量，為后期的壓裂提供好的條件。

2.2 優(yōu)選扶正器

根據(jù)井眼條件，優(yōu)選旋流剛性扶正器和滾珠扶正器配合使用，在井斜小于30°井段使用旋流剛性扶正器，旋流剛性扶正器剛度大，扶正力大，居中性好，并且在施工中可產(chǎn)生環(huán)向流速場，加大流體的攜帶能力和提高注水泥頂替效率，滾珠扶正器是在旋流剛性扶正器扶正條內(nèi)加入鋼珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，大大降低套管下入過程中摩阻，在井斜大于30°井段每根套管加入一只滾珠扶正器，尤其有利于套管在水平段的下入和居中[7-8]。

2.3 采用高效沖洗液

固井前充分調(diào)整鉆井液性，通常按照1.5 m·s-1上返速度循環(huán)洗井2～3周，黏度控制在60 s以內(nèi)，施工前泵入20 m3漏斗黏度低于60 s的前導(dǎo)泥漿。同時沖洗液加入一定的清洗劑，泵入8 m3沖洗液，保證泥餅的有效沖洗，提高頂替效率[9]，確保施工安全和固井質(zhì)量。

2.4 大壓差預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)

考慮到本區(qū)塊的井筒承壓能力較低，主要采用套管內(nèi)外大壓差的預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)來提高固井質(zhì) 量[10]。施工中完全采用清水進行頂替，保證頂替到位后套管內(nèi)外靜液柱壓差≥8 MPa，預(yù)先使套管擠壓變形從而產(chǎn)生彈性能，提高了水泥環(huán)密封性能。

2.5 采用變排量頂替技術(shù)

替漿初期采用1.5 m3·min-1排量頂替，提高對重點層位的頂替效率，最后降至1 m3·min-1以內(nèi)，小排量頂替以降低漏失風(fēng)險。

3 低密度抗鹽水泥漿體系性能

研發(fā)的低溫低密度抗鹽水泥漿強度發(fā)展快，穩(wěn)定性，流變性好，稠化時間可調(diào)，與有機鹽鉆井液相容性好，不同密度的具體配方如表1所示。

表1 不同密度的水泥漿配方

3.1 穩(wěn)定性

根據(jù)區(qū)塊井的特點，測試了不同溫度和密度條件下低密度水泥漿性能參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

實驗結(jié)果表明，利用顆粒級配緊密堆積設(shè)計的低密度水泥漿體系，在常溫和50 ℃條件下，穩(wěn)定性好，上下密度差最大為0.02 g·cm-3，漿體能夠滿足固井施工要求。

表2 不同密度抗鹽水泥漿穩(wěn)定性

3.2 流變性

分別對常溫和井下溫度條件下水泥漿的流變性能進行了考察，研究結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度的水泥漿的流變性能的實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，流變指數(shù)較高，水泥漿體的流動性能好，良好的流動性在施工時易于泵送，用清水頂替時有利于頂替效率的提高，從而提高固井膠結(jié)質(zhì)量。

3.3 水泥石的抗壓強度

水泥石強度是水泥漿性能的重要指標(biāo)，對后期的壓裂開采至關(guān)重要。通過不同粒徑的材料進行集配，讓水泥石內(nèi)部更致密，同時使用早強劑，提高水泥石內(nèi)部水化硅酸鈣凝膠的比例，從而使該體系具有很強的早期抗壓強度。不同密度水泥漿抗壓強度如表4所示。

表4 不同密度水泥漿抗壓強度

由表4可知，低密度抗鹽水泥漿體系在30 ℃和50 ℃條件均有較好的強度，同時24 h早期強度能達到低密度水泥漿的要求，能滿足后期開采的 要求。

3.4 相容性

該水泥漿體系與現(xiàn)場鉆井液具有良好的相容性，具體實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

實驗結(jié)果表明，該水泥漿體系與鉆井液按照不同比例混合仍然具有良好的流動性能，說明該水泥漿與鉆井液相容性好，可有效保證固井施工安全。

表5 低密度抗鹽水泥漿與鉆井液的相容性

4 現(xiàn)場應(yīng)用

Y102H34-3井139.7 mm套管實際完鉆井深 3 180 m，垂深1 020 m，套管下深3 174 m，鉆井液為有機鹽鉆井液，密度為1.66 g·cm-3。固井前泥漿密度降到1.60 g·cm-3，黏度50 s,1.6～1.8 m3·min-1大排量循環(huán)。實際施工過程：先以1.2～1.5 m3·min-1排量泵注沖洗液8 m3；再以1.3～1.5 m3·min-1排量泵注低密度抗鹽水泥漿35 m3，以1.3～1.5 m3·min-1排量泵注常規(guī)密度水泥漿66 m3；釋放膠塞，再以 1.0～1.2 m3·min-1排量泵注壓塞液5 m3；水泥車以1.4～1.6 m3·min-1大排量替清水23 m3；再以 0.6～0.8 m3·min-1小排量替清水碰壓，壓力值為 18.9 MPa，對套管柱試壓50 MPa，穩(wěn)壓15 min無壓降，環(huán)空憋壓2～3 MPa，最大憋入量0.5 m3，候凝48 h測井，固井質(zhì)量合格率98.8%，優(yōu)質(zhì)率91.6%。

低密度抗鹽水泥漿共完成油層水平井固井5井次，固井質(zhì)量合格率達到99%，優(yōu)質(zhì)率達到90%以上。目前該水泥漿體系在淺層頁巖氣水平井推廣應(yīng)用。

5 結(jié) 論

1）低密度抗鹽水泥漿體系具有強度發(fā)展快、良好的流變性和穩(wěn)定性、水泥漿與有機鹽鉆井液相容性好等特點，滿足淺層頁巖氣井的固井技術(shù)要求。

2）針對淺層頁巖氣固井難點，綜合應(yīng)用大壓差預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)、變排量頂替技術(shù)、高效沖洗液等工藝技術(shù)，有效提高了該類井段的固井質(zhì)量。

［1］張偉，王志剛，余建，等. 膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠低密度水泥漿體系的應(yīng)用研究[J]. 石油化工應(yīng)用，2019，38（5）：88-91.

［2］滕兆健，邢秀萍，常燕.空心玻璃微珠低密度水泥漿的初步研究[J].鉆井液與完井液，2011，28（S1）：23-25.

［3］SABINS F. 降低固井水泥漿密度的新技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液， 2006，23（4）：47-49.

［4］萬偉，洛邊克哈，陳大鈞.超低密度高強度水泥漿體系的研究[J].鉆采工藝，2008，31（5）：125-128

［5］黃柏宗. 緊密堆積理論優(yōu)化的固井材料和工藝體系[J].鉆井液與完井液，2001，18（6）：1-8.

［6］張偉，唐煒，余建，等. 太陽構(gòu)造頁巖氣水平井固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 石油化工應(yīng)用，2021，40（5）：6.

［7］鐘文力，蔣宇，唐哲.四川盆地威遠區(qū)塊頁巖氣水平井固井技術(shù)淺析[J].非常規(guī)油氣，2016（6）：108-112.

［8］張海山，張凱敏，宮吉澤，等.不同類型扶正器對水平井下套管摩阻的影響研究[J]. 鉆采工藝，2014，37（3）：22-25.

［9］張偉，劉洋，鮮明.川渝地區(qū)固井頂替效率影響因素分析[J].遼寧化工，2021，50（8）：1210-1212.

［10］世彬，吳永春，王純?nèi)?預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].鉆采工藝，2009，32（5）：21-24.

Application of Low-density Salt-resistant Cement Slurry Systemin Shallow Shale Gas Wells

(Sichuan Chuanqing Underground Technology Co., Ltd., Deyang Sichuan 618301，China)

As the shallow shale gas in Xuyong Taiyang structure enters the later stage of development, the pressure coefficient of the formation decreases. The conventional cementing technology and cement slurry system cannot meet the requirements of the five requirements of existing cementing. A set of low-density salt-resistant cement slurry system has been developed indoors, it has outstanding low temperature and early strength performance, excellent stability and rheology, thickening time can be adjusted arbitrarily, and has good compatibility with organic salt drilling fluids. The cement slurry system and supporting technology have been successfully applied for 5 well times, effectively solving the problems of insufficient cementing return and poor cementing quality in shallow gas shale gas reservoirs.

Low density; Salt tolerance; Cement slurry; Cementing technology; Shale gas

2021-11-15

張偉（1983-），男，四川省成都市人，工程師，2006年畢業(yè)于長江大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，研究方向：固井水泥漿研究及技術(shù)服務(wù)。

TE256

A

1004-0935（2022）06-0863-03