趙常青，譚賓，曾凡坤，冷永紅，段敏

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都610051；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處，四川 成都610051；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探工程公司，四川 成都610051）

長寧-威遠頁巖氣示范區(qū)目的層為龍馬溪組，目前完鉆井深3 500～5 000 m，垂深2 400～2 700 m，水平段長1 000～1 400 m。針對目的層頁巖脆性與水敏性的特點，產(chǎn)層段均采用高密度油基（合成基）鉆井液鉆進，以確保井筒的安全與穩(wěn)定。如何在高密度油基（合成基）鉆井液和長水平段情況下實現(xiàn)高效頂替與良好膠結(jié)［1-3］，為分段壓裂提供合格的井筒，是該區(qū)塊固井面臨的主要難題。

1 固井難點

1.1 提高頂替效率難度大

造斜段、水平段套管由于自重貼邊，居中度難以保證，容易形成高邊竄槽；鉆井過程中，井壁失穩(wěn)掉塊與垮塌導(dǎo)致井徑不規(guī)則，大肚子井段滯留鉆井液難以頂替干凈。油基鉆井液與水泥漿的兼容性差，接觸后水泥漿變稠，喪失流動性，嚴重影響頂替效率，而且油基鉆井液在套管壁和井壁上形成的泥膜，界面親油憎水，也影響界面膠結(jié)質(zhì)量。

1.2 井筒密封完整性面臨挑戰(zhàn)

為最大限度發(fā)揮頁巖氣藏水平井的產(chǎn)能，需要采取大規(guī)模增產(chǎn)措施，而大型分段壓裂產(chǎn)生的巨大壓力將破壞水泥環(huán)和套管之間的密封完整性［4］。2011—2012年，部分井壓裂后出現(xiàn)井口帶壓，同時W201-H3 與N201-H1 井增產(chǎn)過程中出現(xiàn)套管變形，這些現(xiàn)象表明，前期固井方案還不能完全滿足體積壓裂的要求。

2 固井技術(shù)措施

2.1 提高頂替效率

2.1.1 清潔凈化井眼，循環(huán)調(diào)整鉆井液

下完套管后循環(huán)洗井1 周，配制與水泥漿塑性黏度、動切力相似的稠漿4～6 m3，模擬固井施工排量段塞舉砂。待稠漿全部返出后，循環(huán)洗井2 周并調(diào)整井筒鉆井液，控制動切力小于15 Pa、塑性黏度為40～75 mPa·s，改善其流動性，以清潔、凈化井筒，更有利于確保施工安全，為提高頂替效率創(chuàng)造條件。

2.1.2 優(yōu)選扶正器，提高居中度

采用旋流扶正器，其復(fù)位力較小，不僅方便套管下入，同時傳統(tǒng)單向頂替變?yōu)槎豁斕娓欣谇宄蠖亲訙翥@井液［5-7］?，F(xiàn)場根據(jù)軟件模擬情況確定扶正器安放位置，使水平段居中度達到50%～60%。

2.1.3 優(yōu)選沖洗隔離液體系，提高膠結(jié)質(zhì)量

篩選多種表面活性劑，對它們進行復(fù)配，發(fā)揮每一種表面活性劑的協(xié)同作用，通過開展一系列不同配比的實驗，最終形成最佳配比的沖洗劑。將鋼片與巖心浸泡白油基鉆井液24 h 后，用加6%沖洗劑的水基沖洗隔離液沖洗10 min，采用SL200C 型全自動動靜態(tài)接觸角分析儀測試沖洗前后水滴的接觸角［8-9］（見表1）。

表1 潤濕角測定結(jié)果

表1表明：水在油膜表面基本上無法鋪展，接觸角很大，沖洗劑清洗油膜后接觸角明顯降低，真實頁巖的接觸角只有6.60°，基本屬于完全鋪展，說明沖洗劑對于油基鉆井液具有良好的潤濕性能。

水泥漿、沖洗液與油基鉆井液以不同比例混合后漿體的流動度測試結(jié)果表明（見表2），水泥漿與鉆井液混合后稠度增大，無法流動，而沖洗液能夠有效改善水泥漿和鉆井液的流變性，無論在低溫還是高溫下都具有良好的相容性，流動度均在18 cm 以上；隨著溫度的升高，混合液流動度增加，有效解決了水泥漿與鉆井液接觸的污染問題，確保了施工安全性。

2.1.4 漿柱結(jié)構(gòu)梯度設(shè)計［10-11］

鉆井液、沖洗隔離液、水泥漿的密度差設(shè)計為0.05～0.10 g/cm3，動切力YP 流變學(xué)匹配為鉆井液＜沖洗隔離液＜水泥漿（其中“＜”表示“小于”）。根據(jù)水泥漿與油基鉆井液接觸污染的嚴重程度，結(jié)合軟件模擬確定隔離液用量，避免水泥漿與油基鉆井液直接接觸后流變性變差。

表2 相容性流動度試驗

2.2 提高井筒長期密封性

水泥石在高應(yīng)力作用下，主要表現(xiàn)為套管變形與水泥環(huán)變形不一致、壓裂破壞，形成裂紋，造成后期氣竄。通過以下4 項措施，確保井筒長期密封性。

2.2.1 優(yōu)化完井管柱結(jié)構(gòu)

在相同壓力情況下，小直徑套管比大直徑套管的水泥石拉應(yīng)力小，徑向位移小，微間隙產(chǎn)生的可能性下降（見表3）。故采用減小套管直徑與增加套管壁厚、鋼級來避免界面產(chǎn)生微間隙。根據(jù)該區(qū)塊增產(chǎn)時井口壓力一般在50～60 MPa 的工況，φ139.7 mm 套管極有可能導(dǎo)致產(chǎn)生微間隙，而φ127.0 mm 套管產(chǎn)生微間隙的可能性小，因此將原來先導(dǎo)性試驗中的φ139.7 mm 套管改為φ127.0 mm 套管。

表3 不同壓力下2 種套管的受力狀態(tài)及產(chǎn)生的微間隙

2.2.2 改變油層套管封固段長

增產(chǎn)作業(yè)時，套管主要發(fā)生抗內(nèi)壓。假設(shè)套管為理想的厚壁圓筒，居中度良好，外載為均勻載荷；套管內(nèi)外壓力均不足使套管發(fā)生塑性變形； 忽略軸向力和溫度對管柱應(yīng)力的影響，則發(fā)生的形變量為

式中：ΔL 為形變量，mm；μ 為套管泊松比；E 為鋼材彈性模量，GPa；r 為套管內(nèi)、外徑的平均值，mm；ro為套管外徑，mm；ri為套管內(nèi)徑，mm；pi為套管內(nèi)壓，MPa。

增產(chǎn)作業(yè)必須采用大排量高泵壓的體積壓裂工藝，井口壓力是不能減小的，對環(huán)空全封的套管則無法實施該工藝。在套管類型與壁厚已定的情況下，油層套管只封固到上層套管鞋以上200～300 m，其上部重合段不封固。壓裂時可在環(huán)空加壓20～30 MPa，從而相應(yīng)減小了上部套管所受內(nèi)壓力。在這種情況下，相當于對環(huán)空水泥面以下、氣層以上水泥環(huán)少施加了20～30 MPa 的壓力，將會減小12.9 μm 的間隙產(chǎn)生，同時增加了水泥石圍壓，進一步提高了水泥石的抗破壞能力。

2.2.3 采用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)［12-13］

應(yīng)用輕質(zhì)介質(zhì)作頂替液，控制管內(nèi)外壓差在20～30 MPa，避免后期試油替換輕質(zhì)壓井液引起微環(huán)隙。

2.2.4 優(yōu)化水泥漿體系［14］

為改善水泥石受力狀態(tài)，在頁巖氣水平井油層固井水泥漿中加入自主研發(fā)的SDP-1 微膨脹劑。配方灰樣為夾江G 級∶精鐵礦粉∶微硅=700∶285∶15，水樣為0.5%SD35 +3.0% SDP-1 +0.07% SD21 +2.0% SD130 +0.2%SD52。在79 ℃，50 MPa，30 min 的條件下，主要性能為：密度2.20 g/cm3，流動度21 cm，7 d 線膨脹率0.15%，自由水體積分數(shù)0%，密度差0 g/cm3（BP 沉降實驗數(shù)據(jù)），初始稠度25 BC，抗壓強度24.6 MPa （85 ℃，48 h 條件），稠度系數(shù)0.045，流性指數(shù)1.219。當水泥水化時，該膨脹劑促使鈣礬石的早強形成，隨著水化進程，鈣礬石晶體不斷長大，使水泥漿硬化時體積膨脹，在井下有限空間其線膨脹率為0.15%，能夠較好地補償水泥漿硬化過程的體積收縮。由于膨脹過程化學(xué)預(yù)應(yīng)力作用增強了水泥環(huán)與套管、地層的膠結(jié)強度，強化了環(huán)空密封完整性；同時微膨脹加重水泥漿的流動性好，流動阻力小，有效降低了井身結(jié)構(gòu)變化后的環(huán)空流動摩阻。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

3.1 產(chǎn)層固井質(zhì)量大幅度提升

2011年，長寧-威遠示范區(qū)開展了3 口頁巖氣水平井的先導(dǎo)性試驗，固井質(zhì)量合格率平均為87.92%，優(yōu)質(zhì)率52.40%；2013年在該示范區(qū)共開展了8 口井固井，固井質(zhì)量合格率平均為97.20%，優(yōu)質(zhì)率87.92%。可以看出，固井優(yōu)質(zhì)率得到了明顯提升。

3.2 井筒密封完整性滿足增產(chǎn)作業(yè)要求

截至目前，采用復(fù)合橋塞+分簇射孔聯(lián)作工藝，完成了W204 井、W205 井、CNH3 平臺8～12 層的分段壓裂作業(yè)。其中，W205 井施工泵壓82～96 MPa，排量10.4～11.6 m3/min，累計泵入砂液量26 742.84 m3、砂1 121.73 t。施工期間在未封固套管環(huán)空蹩15 MPa 平衡壓力，施工過程及后期環(huán)空均無竄氣、無套管變形的發(fā)生，水泥環(huán)的密封完整性得到了檢驗。

4 結(jié)論

1）高密度高黏鉆井液段塞攜砂、循環(huán)調(diào)整鉆井液、高效沖洗隔離液、漿柱流變性匹配等綜合技術(shù)是提高頁巖氣水平井頂替效率的有效手段。

2）優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選套管類型及改變水泥漿封固段長、改善水泥石性能，可減少增產(chǎn)過程中對水泥石的破壞，減小微間隙的產(chǎn)生，增強水泥環(huán)的密封完整性。

3）建議不斷完善頁巖氣水平井固井技術(shù)方案，形成有區(qū)域特色的頁巖氣水平井固井技術(shù)，推動國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的進程。

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