長寧頁巖氣長水平段目的層固井技術難點及對策

滕兆健，張明輝，韓廣海，王春才，雒 闖，宋海生，董政真，劉 勇

（1.中國石油海洋工程公司鉆井工程研究院，天津 300450；2.塔里木油氣田產能建設事業部,新疆 庫爾勒 841000）

為保障國家能源安全，2018年集團公司加快了川渝頁巖氣開發，尤其是長寧作為中國頁巖氣主產區之一，成為頁巖氣開采戰役的主戰場。頁巖氣藏是典型的低豐度、低品位非常規天然氣藏，頁巖氣主要分布于致密、低孔、低滲的泥頁巖地層中，因此為實現商業開發，需采用“分段壓裂+水平井”開發方式[1]。

長寧區塊頁巖氣儲層具有脆性強、構造裂縫及微裂縫發育等特點，頁巖中富含的粘土成分，頁巖水敏性、膨脹性強、容易坍塌，因此為保證井壁穩定和保護儲層，采用油基鉆井液進行鉆進。此外長寧區塊多為山地，多采用叢式水平井設計，每個平臺4～8口井，井與井間距小，井眼密集。

1 固井難點及分析

頁巖氣藏儲層特征決定了頁巖氣的開發方式，其開發方式帶來了與其他常規固井不同的難題。

（1）頁巖地層的井壁穩定性問題和儲層保護問題突出，同時該區塊儲層存在異常高壓，在頁巖氣儲層段鉆進過程中采用高密度油基鉆井液。與常規水基鉆井液相比，油基鉆井液粘度高、附著力強，普通前置液難以清洗和驅替，嚴重影響一、二界面膠結，對后期儲層改造極為不利。此外油基鉆井液對與水泥漿之間的相容性差，與水泥漿接觸后會導致其嚴重增稠，施工泵壓高，危及固井施工安全。

（2）井眼軌跡設計采用“直—增—穩—降—穩—增—水平段”模式中靶，井眼軌跡扭曲，全角變化率大，加之鉆遇地層構造多變、鄰井防碰繞障作業，實際井眼軌跡比設計軌跡更為復雜；此外產層水平段長，基本在1500m以上，套管在斜井段和水平段與井壁發生長段面積的多接觸，下套管摩阻較大，套管很難順利下至預定位置。

（3）良好的固井膠結質量和水泥石性能是頁巖氣井長期生產壽命和水力壓裂有效性的重要保證[2]。因此頁巖氣水平井固井不僅對水泥漿的基礎性能要求較高，同時要求水泥石具有較高的強度和韌性，以保證在分段壓裂增產措施下水泥環不發生破碎，在后期開采過程中具有良好的封隔完整性。

2 固井技術研究

針對以上固井難點，本研究以提高頂替效率和保證井筒完整性為核心，開展固井前置液、水泥漿體系及固井工藝設計。

2.1 高效沖洗型前置液體系

為有效驅替油基鉆井液，提高固井界面膠結質量，頁巖氣固井前置液體系須具備以下特點：①具有良好的潤濕反轉能力，將地層與套管璧上的油基鉆井液由親油特性轉變為親水特性；②具有較強的剝離作用，有效清除油基鉆井液，提高固井質量；③具有一定的抗污染能力，防止水泥漿與鉆井液接觸后漿體變稠，給固井施工帶來安全風險；④為防止頁巖層膨脹，須盡可能不采用沖洗液，防止頁巖層膨脹，造成井壁失穩。

根據以上原則，通過表面活性劑復配技術，優化組合陰離子表面活性劑和非離子型表面活性劑設計驅油沖洗劑，利用潤濕、滲透、乳化、增溶等作用，有效提高固井界面的親水性，同時將沖洗劑直接加入隔離液中，利用隔離液的沖刷、攜帶作用，清除井壁和套管壁油基鉆井液。

（1）沖洗型隔離液性能設計。油基鉆井液是一種以油為外相，水為內相，并添加適量的乳化劑、潤濕劑、親油膠體和加重劑等所形成的穩定乳狀液體系，通過調節油水比以及其他處理劑來滿足不同地層的性能要求。同一配方組成隔離液對于不同油水比的油基鉆井液，其潤濕反轉效果不同（如表1所示）。

表1 不同鉆井液電導率試驗評價

油基鉆井液油水比越高，親水反轉越困難，因此需根據現場油基鉆井液性能，有針對性地設計具有不同含量沖洗劑隔離液體系。

（2）沖洗型隔離液用量設計。以往在設計隔離液用量時，沖洗液及隔離液體積量一般占裸眼環空高度300～500m或滿足接觸時間7～10min的要求。本文通過潤濕反轉試驗，將鉆井液與隔離液按照體積比為1∶1混合后，測定不同時間段內混合液體的電導率，根據試驗結果，沖洗時間在15min左右，電導率達到最大，表明隔離液將油基鉆井液最大程度的潤濕反轉為親水特性，因此在指導隔離液用量設計時，鉆井液與隔離液接觸時間需在15min以上，可有效將鉆井液潤濕反轉，有利于提高頂替效率。不同沖洗時間內鉆井液與隔離液混合后電導率試驗結果見表2。

表2 不同沖洗時間內鉆井液與隔離液混合后電導率試驗結果

（3）沖洗型隔離液沖洗效率評價。選用ZNN-D6型六速旋轉粘度計進行隔離液對油基鉆井液的沖洗效率模擬實驗，其具體評價程序為：①將油基鉆井液倒入六速旋轉粘度計杯中，稱取粘度計杯子及鉆井液重量W0；②將旋轉粘度計外筒浸入油基鉆井液中，在200r/min下攪拌5min，靜滴3min，稱取杯子及鉆井液重量W1；③將配好的隔離液倒入旋轉粘度計杯中，稱取杯子及隔離液重量W2；④將沾滿油基鉆井液的旋轉粘度計外筒在隔離液中沖洗15min，靜滴3min，稱取杯子及隔離液重量W3。

沖洗率η＝(沖掉鉆井液質量/附著鉆井液質量)×100%＝[(W3-W2)/(W0-W1)]×100%

試驗結果表明（如表3所示），高效沖洗隔離液對油基鉆井液的沖洗效率基本在95%以上，對油基鉆井液的沖洗效果較好。

表3 隔離液對不同鉆井液的沖洗效率

2.2 BCE-310S高強彈性水泥體系

為提高水泥石彈性，同時為保證水泥石強度，采用多種烯類單體，通過自由基共聚合制得了可明顯降低水泥石楊氏模量的彈性體。該彈性體材料具有以下四個特點：①楊氏模量低、泊松比高；②具有良好的耐溫性；③顆粒外觀規則，多數呈圓球狀（如圖1所示），有利于實現緊密堆積；④顆粒表面具有適量極性基團，與水泥有一定的吸附性，不易造成相分離。

圖1 彈性體掃描電鏡

在此基礎上，通過粒徑測試和緊密堆積計算，配以一定的粒徑范圍的超細活性材料和其他固井外加劑，提高水泥石致密性，保證水泥石強度，形成了BCE-310S高強彈性水泥漿體系，水泥石力學性能如表4所示。

表4 BCE-310S高強彈性水泥石力學性能

長寧區塊頁巖氣施工井口壓裂一般在80～100MPa左右，套管內壓最高為60MPa左右，通過水泥環完整性分析（如圖2、圖3所示），BCE-310S水泥石在其體積壓裂過程中不會發生剪切破壞。

圖2 不同套管內壓下對水泥石抗壓強度要求

圖3 不同套管內壓下對水泥石抗拉強度要求

2.3 固井工藝技術措施

（1）保證套管居中度。為保證套管居中度，同時提高頂替效率，在垂直段及造斜段采用螺旋剛性扶正器，在水平段采用滾珠剛性扶正器。螺旋剛性扶正器與常規的彈性扶正器相比，在注水泥時，螺旋剛性扶正器不僅在下套管中能減輕遇阻沖力，而且能改變水泥漿流速剖面，產生旋流，提高頂替效率。滾珠剛性扶正器摩阻系數較小，則有利于套管下入。為改善套管貼邊問題，減少套管與井壁摩擦，在大斜度及水平井井段加密滾珠扶正器安放，并通過固井軟件模擬，保證套管居中度達75%以上，提高固井質量。

（2）預應力固井技術。固井過程中采用清水頂替，環空中為高密度水泥漿，同時在保證套管安全的條件下，候凝期間環空憋壓，管內敞壓候凝，套管內外形成較大的負壓差，對套管產生一個向內的擠壓應力，套管在彈性變形范圍內向內擠壓，就形成了預應力（如圖4所示）。預應力一方面可以迫使套管恢復形變來彌補水泥環收縮時留下的微裂縫，同時在壓裂結束后也可以抵消一部分套管收縮，從而保持與水泥環的緊密結合。

圖4 預應力固井示意圖

3 現場應用及效果

寧209X-A井為長寧區塊一口頁巖氣水平井，該井完鉆井深5130m，水平段長1800m，?139.7mm套管下深5127m，完鉆油基鉆井液密度2.05g/cm3。采用上述固井配套技術措施，設計注入2.07g/cm3高效沖洗隔離液23m3，2.13g/cm3高密度領漿48.5m3，1.90g/cm3常規密度彈性水泥漿尾漿48m3，壓裂車進行清水頂替50m3。利用固井模擬軟件進行了頂替效率分析，頂替效果較好，鉆井液殘留風險低。固井施工過程正常，最終產層水平段固井質量優質率達97.7%。

目前該配套固井技術在寧209H10平臺共計實施4口井，水平段固井優質率平均為90%以上，后期壓裂過程中，均未出現環空氣竄現象，結果如表5所示。

表5 寧209X平臺井組水平段固井質量

4 結論與認識

（1）以提高頂替效率為核心，通過合理設計高效沖洗型隔離液體系，固井液流變性能梯度，優選套管扶正器，保證套管居中度等技術措施，解決了油基鉆井驅替問題和套管下入問題，保證了封固質量。

（2）為保證在分段壓裂增產措施下水泥環不發生破碎，在后期開采過程中具有良好的封隔完整性，通過設計BCE-310S高強彈性水泥漿體系和采用預應力固井技術，減少了微裂縫和微環隙的產生，保證了頁巖氣井的長期安全開發。