四川盆地太阳背斜浅层页岩气水平井固井技术

2022-05-16高继超段发鹏郑会锴汤少兵陈小旭李建华滕兆健

复杂油气藏 2022年1期

高继超，段发鹏，郑会锴，汤少兵，陈小旭，李建华，滕兆健

（1.中国石油海洋工程公司渤星公司，天津 300451；2.中国石油大庆钻探钻井生产技术服务二公司，吉林松原 138000）

与普通油气藏不同，页岩气藏的储层一般呈低孔低渗透率的物性特征，储层层理和微裂缝发育［1］。国内长宁-威远、涪陵和昭通国家级示范区在埋深2 000～3 500 m 的五峰组—龙马溪组超压储层的开发已呈规模化，同时形成了配套技术装备，其中，昭通示范区逐步开始在太阳背斜进行浅层页岩气勘探评价及试采工作［2-4］。太阳背斜位于叙永县区块，构造位置处于四川盆地川南低陡褶皱带与滇黔北坳陷（北部）过渡部位，背斜主体构造区五峰组—龙马溪组页岩，埋深500～2 000 m，其中，五峰组—龙马溪组龙一1亚段是勘探开发主要目的层。太阳背斜叙永区块完钻井深一般在1 000～2 500 m 左右，垂深在450～1 200 m 左右，造斜点在60～210 m，水平段长在500～1 200 m 左右，为提高产量，页岩气井一般采用水平井钻井技术与体积压裂技术相结合的开采方式［5-6］，对固井质量要求高。

1 固井技术难点分析

（1）漏失与气层同层，固井压稳与防漏难度大。

地质复杂情况多，浅层气活跃，石牛栏组、韩家店组砂岩往往有常规气富集，在钻进过程中多见不同程度的气测异常显示，或有气溢、气涌。目的层龙马溪组为富含页岩气的泥页岩，储层存在异常高压，候凝过程水泥浆失重，易造成压稳失效，油气上窜风险高。同时，龙马溪组、五峰组漏失类型为微孔微裂缝渗透性漏失，易造成井漏，安全密度窗口窄，例如YS137X-X 井钻至437.9 m 期间反复漏失，通过钻井液和水泥浆等多种手段堵漏才得以解决，共计漏失钻井液278 m3。

（2）套管居中度、顶替效率难以保证。

页岩气特殊的储藏条件及存在形式，产量相对小，决定了其需采用长水平段开发方案，太阳背斜区浅层页岩气水平井造斜点在100～240 m 之间，位垂比大多数在1.5以上，水平段长500～1 200 m，套管下入难度大，居中度难以保证，在斜井段和水平井段，受重力影响，套管居中度低直接影响顶替效率，固井质量难以保证，也会导致固井水泥环分布不均匀，薄弱水泥环在后续增产投产措施中更易破裂，导致封隔失效。

（3）钻井液驱替困难，影响界面胶结或导致出现微间隙。

浅层页岩气钻井采用水基钻井液，泥页岩含泥质较多，遇水膨胀可能导致井壁不稳、易垮塌破碎、井径不规则等问题，钻井液滞留在井眼不规则处，影响驱替效果。页岩中的高泥质含量，可能还会导致与水泥胶结质量较差、强度较低，二界面易出现微间隙，为气体窜流形成通道，导致页岩气储层间窜槽，严重的话，可能导致泄漏。

（4）储层多层压裂改造要求水泥石须具有良好的韧性。

页岩气储层低孔低渗，投产前需要进行多层压裂改造，压裂作业液压高，水泥环易受破坏，对水泥石的韧性、耐久性提出了较高要求。根据太阳背斜构造水平井后期储层改造实际需求，要求产层水泥石48 h抗压强度大于21 MPa，杨氏模量小于7 GP。

2 关键技术对策

2.1 压稳防窜技术措施

2.1.1 弹性水泥浆体系的研制

考虑到后期压裂开采，需要水泥石具有良好的韧性，既要在保持抗压强度不过分减弱的情况下，降低水泥石杨氏模量、继而提高水泥石泊松比，此时需在水泥体系中掺加具有相应功能的外掺料。通过大量实验评价，研制出高分子柔性聚合物增韧材料BCE-310S。以BCE-310S 为核心的弹性水泥浆体系综合性能良好（见图1），表现在流动性好、浆体稳定、失水量小、稠化时间可调、强度发展较快、静胶凝过渡时间短等方面，其水泥石在围压下的应力应变行为接近理想弹塑性材料。与普通水泥石相比，BCE-310S 弹性水泥石依据紧密堆积原理，可保证水泥石具有适宜的抗压强度的前提下，具有较低的杨氏模量和较高的泊松比。在保证固井施工安全顺利进行后，水泥浆应迅速水化为固态，减少与产层的接触，并略微减少大温差问题，针对浅层低温问题，引入针对AMPS 类降失水剂专用高效促凝剂BCA-210S，稠化时间在原来基础上缩短30～60 min，曲线呈“直角”，缩短静胶凝过渡时间，防止发生气窜问题（见图2）。水泥浆配方:嘉华G 级水泥+8%增韧剂BCE-310S+2%降失水剂BCF-200S+（0.5%～1%）减阻剂CF40S+（0～3%）促凝剂BCA-210S 或（0～2%）缓凝剂BCR-210S+0.1% 消泡剂G603+（44%～50%）水。水泥浆体系性能见表1。

图1 水泥浆超声波静胶凝强度曲线

图2 水泥浆稠化曲线

表1 X井50℃条件下弹性水泥浆基础性能

为了考察弹性水泥浆体系基体及水泥水化产物微观结构，利用扫描电镜对水泥浆基体、养护龄期为7 d 净浆水泥石，及掺有BCE-310S 的水泥石进行了微观表面形貌成像分析（见图3），（其中水泥净浆配方中仅把增韧剂去掉，其他保持不变，下同）。从图中可以看出，弹性水泥浆胶凝颗粒表面包裹着一层柔性高分子薄膜，可在一定程度上阻止气体侵入；通过净浆与弹性水泥浆体系形成的水泥石对比可知，弹性颗粒有效填充了硅酸盐无机胶凝间的孔洞与间隙，使得弹性水泥石内部更加致密，可降低水泥石渗透率，有利于提高水泥环气密性。

图3 扫描电镜图像

为了考察弹性水泥浆体系的防气窜性能，采用美国千德乐7 200 水泥气窜模拟分析仪进行了模拟实验。

实验条件为50℃；围压1.38 MPa；注射压1.03 MPa。水泥浆净浆在实验开始后，空隙压力曲线受到注射压力影响，气体逐渐侵入水泥胶凝中，随着水泥水化反应的进行，本体失重，无法抵抗气侵，直至气体窜通孔道形成，空隙压力曲线彻底拐弯，发生气窜（见图4）。与之相比，弹性水泥浆体系空隙压力曲线持续下降，直至趋于平滑，未受到注射压力/气体侵入的影响，在失重过程中，始终处于压稳状态，未发生气窜问题（见图5）。

图4 水泥净浆7200防窜分析结果

图5 弹性水泥浆7200防窜分析结果

2.1.2 双凝浆柱结构设计

为减小水泥浆失重，将弹性水泥浆体系稠化时间设计为双凝，使下部水泥浆失重时上部水泥浆仍能传递压力，降低油气上窜风险，确保压稳。

2.2 提高顶替效率技术措施

2.2.1 控制好固井前钻井液性能

在保证井下安全和井壁稳定的情况下，下套管前，认真按照钻井设计要求调整钻井液性能，尽量降低钻井液黏度、切力和磨阻，保证钻井液性能达到低黏、低切、低失水，钻井液能平衡压稳地层。下完套管后，小排量顶通循环30 min 以上，然后采用1.8～2.0 m3/min 排量循环2 周以上，固井前钻井液性能调整到动切力小于12 Pa，调整塑性黏度在15～30 mPa·s之间。

2.2.2 采用加重冲洗隔离液高效清洁井壁

为了有效清洁井壁、提高顶替效率，通过大量实验研究，开发形成了一套高效加重冲洗隔离液体系［7］，由降失水剂、冲洗剂、悬浮剂、稀释剂、加重剂和消泡剂组成。其中，悬浮剂由若干种水溶性材料复合而成，可在水中分散形成网状结构，形成悬浊液；稀释剂由可电离出阴阳离子基团的聚合物组成，阴离子基团被大量吸附到加重剂颗粒表面，削弱加重剂颗粒间团聚现象，改善隔离液流动性；冲洗剂主要由非离子型表面活性剂组成，冲洗液中的活性成分能够快速地渗入并清除井壁上的虚泥饼和冲洗套管壁上附着的钻井液，冲洗效率不低于90%（见图6）。配方为:水+8%冲洗液BCS-010L +3%～4% 悬浮剂BCS-040S +2～3.5% 稀释剂BCS-021L +5%降失水剂BXF-200L（AF）+0.5%消泡剂G603+103～158%重晶石。

图6 室内冲洗效率实验

2.2.3 合理选择和安放套管扶正器

套管偏心度是影响水平段固井顶替效率的重要因素之一。由于水平井中套管柱的重力作用，扶正器要承受较大的负荷。螺旋滚珠扶正器可产生转动从而降低下套管阻力、改善环空流场，所以在水平段选用该类扶正器（见图7）。利用CemCADE固井模拟软件进行分析（见图8），水平段扶正器的加量对管柱居中度有着重大影响，当采用1 根套管加1 只扶正器时，管柱居中度可达70%；当采用2 根套管加1只扶正器时，考虑套管接箍的扶正作用，管柱居中度可达40%；当不加扶正器时，考虑套管接箍的扶正作用，管柱居中度仅20%，将会严重影响固井顶替效率。以模拟结果为指导，制订具体扶正器安置措施:从井口第2 根套管到造斜点每5 根套管安置Ø210 mm普通刚性扶正器1只，井斜小于30°的裸眼段每2根套管安置Ø205 mm旋流刚性扶正器1 只，井斜30°至井底段每1 根套管安置Ø205 mm 螺旋滚珠扶正器1 只，以保证套管居中度，提高顶替效率。

图7 螺旋滚珠扶正器

图8 不同扶正器方案下水平段管柱居中度

2.2.4 优化注替排量

一井一况，优选注替排量，保证顶替效率。将地层的孔隙压力、破裂压力、完钻的钻井液密度、环空中注入的各种流体的数量、密度、排量等数据输入固井设计软件中，应用固井设计软件进行动态模拟，调整相关参数，优化出顶替效率高、压力平衡条件好的固井施工注替排量。

设计注水泥浆排量为0.8～1.2 m3/min；顶替排量为1.2～1.5 m3/min，下完套管后，根据循环洗井排量和压力实际情况，适当调整。

2.3 防止环空出现微间隙

2.3.1 预应力固井技术［8］

（1）采用清水顶替。在产层固井作业中，采用清水作为顶替液，增大负压差，使套管在水泥浆凝固过程中产生足够的膨胀，以补偿完井后套管应力变化和水泥浆收缩带来的微间隙。同时，采用清水替浆时，施工泵压高，致使管外的流体作用在套管外壁和井壁的流动阻力增大，提高驱替效果。

（2）环空憋压候凝。考虑水泥浆顶替到位后管内外压差、套管强度等因素，采取固井后关闭环空并加压3～5 MPa 候凝。环空加压方法采用逐步加压，每次增加0.5～1 MPa 左右，如果加压过程中出现压力不涨或下降，可能出现漏失，则停止继续加压。环空憋压可在一定程度上压实水泥颗粒，可提高水泥石抗压强度，减小总孔隙率，还可在一定程度上促进水泥浆向地层渗透，以提高二胶结界面的质量。憋压结束后，泄压过程中，套管应力释放，径向微量扩张，地层应力重新在井眼内集中，加密地层、水泥环、套管间结合。

2.3.2 韧性水泥石微膨胀

弹性水泥浆水化形成的水泥石中含有大量高分子柔性聚合物，有一定的吸水塑性膨胀能力，根据GB/T 33293-2016《常压下油井水泥收缩与膨胀的测定》，利用膨胀环对水泥浆进行了测试，结果表明，水泥石膨胀率在前期一段时间内呈上升趋势，达到一定值后趋于稳定，例如，50℃常压养护下水泥石周长变化率15 d 基本稳定在0.19 左右，改善因水泥石收缩导致环空出现微间隙问题（见图9）。

图9 50℃常压养护下水泥石膨胀率

2.3.3 改善水泥胶结环境

BCS系列加重冲洗隔离液能够高效携带残留泥浆泥饼和沉淀岩屑，隔离钻井液和水泥浆，有效冲洗井壁泥饼，防止页岩膨胀、减少气层污染，改善水泥浆胶结环境，提高一、二界面的胶结质量。为保证在固井施工过程中压稳气层，加重冲洗隔离液设计密度在1.58～1.82 g/cm3，为保证有效冲洗时间在7～10 min，有效注入隔离液量应保证至少10.0 m3。

2.4 防漏技术措施

固井前模拟施工压力做地层承压实验，满足要求后方可下套管；调整好钻井液性能，确保压稳油气层，无油气上窜（至少要把上窜速度控制在10 m/h以下），并保证井壁稳定的前提下降低钻井液黏度，下套管过程中控制速度，降低井漏风险；合理设计冲洗液和水泥浆密度，优化冲洗隔离液和水泥浆流态，据循环洗井排量和压力情况，适当调整替浆排量，防止压漏地层。

3 现场应用情况

2020 年7 月至2021 年1 月，该技术在现场应用累计11井次。以YS-X 井为例，该井完钻井深1 557 m，水平段长862 m，造斜点在60 m，位垂比1.56，钻进采用Ø215.9 mm 钻头，下入Ø139.7 mm 套管进行固井，钻井液密度1.55 g/cm3，固井前黏度调整到70 s，注入密度为1.62 g/cm3的加重冲洗隔离液12 m3，采用双凝防气窜弹性水泥浆体系固井，1.85 g/cm3缓凝水泥浆封固0～593 m，1.90 g/cm3快干水泥浆封固593～1 555 m，注领浆24 m3，尾浆31 m3，现场注水泥浆密度基本稳定，排量0.8 m3/min，采用清水变排量顶替17 m3，碰压12～17 MPa，稳压25 MPa，水泥浆返出地面，憋压候凝，施工过程顺利，无复杂情况。测井结果表明，整井平均合格率为84.9%，自A 点以上200 m 开始统计，即493 m 至井底，合格率100%，一界面优质率79.4%，二界面优质率79.2%，造斜段的固井质量仍存在问题，需要在水泥浆体系及工艺方面进行优化研究。