1、四川盆地頁巖氣水平井固井技術趙常青曾凡坤劉世彬冷永紅（JI慶鉆探工程公司井下彳業公司研發中心）摘要頁巖氣水平井氣藏因其儲層物性差，大都采用大型壓裂技術才能獲得產能，對水泥環層間封隔性能要求較高，同時鉆井液采用高密度油基（合成基）泥漿嚴重影響頂替效率和界面膠結質量，通過采用增韌纖維水泥漿、高效沖洗隔離液、集成應用川渝地區成熟提高長水平段頂替效率，前期三口井固井質量均滿足后期增產作業，為川渝地區頁巖氣水平井固井提供了技術儲備。關鍵詞頁巖氣水平井增韌水泥漿沖洗液固井工藝固井質量、乙刖H我國頁巖氣藏資源量豐富，隨著常規天然氣資源的不斷枯竭，頁巖氣等非常規天然氣資源正成為開發的熱點。據有關專家估計四川盆

2、地僅寒武系九老洞組和志留系龍馬溪組的頁巖氣資源就可以與四川盆地的常規天然氣資源總量相媲美。但是頁巖氣藏屬于典型的低孔、低滲、低產油氣藏。三口先導性試驗井實鉆過程中，為抑制頁巖水化膨脹，三口井均于產層段鉆井中采用油基（合成基）鉆井液，同時四川頁巖氣藏井壁穩定性差，鉆遇地層坍塌、垮塌大多數采用提高井漿密度維持井壁穩定。如威201-H1井完鉆泥漿密度達2.35g/cm3,高密度油基（合成基）泥漿及長水平段嚴重影響頂替效率及界面膠結與后期大規模、重復壓裂提供需要的優質層間封隔矛盾突出。為此在三口井固井實際過程中，采用增韌纖維水泥漿體系，增加水泥石抗破碎能，減少因局部能量蓄積導致的裂紋迅速擴展；采用高效

3、界面清洗性隔離液、沖洗液改變界面潤濕性；綜合應用各種技術提高固井大斜度水平井頂替效率；實現了高效優質固井。通過三口井現場探索試驗，初步形成了目前技術條件下的四川盆地頁巖氣水平井固井技術。一、增韌纖維水泥漿體系為改善水泥石抗沖擊性能通常是在水泥漿中添加適當的增韌外加劑來改變水泥石的動態力學性能，提高水泥石斷裂韌性。因此，要增強水泥石的彈性，首先要研制和篩選合適水泥漿增韌外加劑。1增韌纖維材料選擇提高水泥韌性的方法通常是在水泥漿中加入纖維材料。纖維在水泥漿體中的主要功能是阻裂、增韌、增強、抗收縮、防腐蝕和抗滲透。其阻裂和增韌的作用機制為：在撓曲載荷作用下，提高材料形成可見裂縫時的載荷能力；在疲勞載

4、荷作用下阻止裂縫擴展；在沖擊載荷作用下對裂紋尖端應力場形成屏蔽；顯著提高水泥石的斷裂韌性。目前國內外建材行業和油井水泥都基于下述方法增加水泥石韌性：（1）在水泥漿中加入一定比例的長短纖維，如木質纖維、尼龍纖維、合成纖維、玻璃纖維等。利用纖維對負荷的傳遞，致使水泥石內部缺陷的應力集中減小，即增加水泥石抗沖擊能力。(2)用聚合物水泥漿，如纖維素衍生物、樹脂、膠乳或合成大分子等，由于大分子對水泥微粒之間連接作用和顆粒填充作用而增加水泥石韌性。前期實驗表明：纖維與水泥的重量比例、體積比例、長徑比、以及分布狀況等，對水泥漿的性能影響極大，對水泥石的塑性和其它力學性質也舉足輕重。纖維過長、長徑比過高都會影

5、響水泥漿的失水性和流變性；纖維短、長徑比過低，則水泥石韌性和其它力學性質增效甚小。在選擇纖維種類和進行化學改性時，還應注意纖維與水泥界面粘接強度，它是影響水泥石力學性能的重要因素之一。川慶井下自主研發SD66纖維增韌劑采用的纖維長度均小于4mm,且有不同的長度分布和合適的長徑比。其中含有兩種不同性能復合纖維即高彈模纖維和低彈模纖維。高彈模纖在水泥石裂紋初期阻止裂紋擴展，提高水泥石抗裂性能和強度。低彈模纖維，在裂紋擴展階段纖維提高水泥石延展性，復合纖維提高水泥石的抗裂性和延展性，增加水泥石韌性。2纖維水泥漿性能增韌劑能明顯改變水泥石的力學性能，但一般不單獨使用，須與其它水泥外加劑一起配制水泥漿，

6、要求增韌劑與其他添加劑具有很好的相容性。該水泥漿除了有較好的力學性能外，還必須滿足施工對水泥漿性能的要求。表1是，采用SD66增韌纖維及井下常用水泥漿外加劑試驗。(溫度高于110C,均為加砂水泥漿)表1常規密度SD6繇列增韌水泥漿的性能配方編R流動度(cm)析水(%)濾失重(ml/30min)稠化時間(min)/C抗壓強度(MPa)24h48hT(C)124043297/902770223045276/903290324048480/1001419120424047400/1001620120522048340/12017130表1表明SD66增韌纖維與其他水泥漿添加劑相容性好，其工程性能滿足

7、施工要求。具體表現：漿體流動性好，初稠不高，易于泵送、施工；析水極低，多數為零、漿體穩定，在做高溫高壓稠化實驗過程中，中途停止攪拌15分鐘后再攪拌，最大稠度約為20-25BC,經一定時間攪拌后恢復到8BC左右，這對施工短時間停泵不會帶來不利影響；濾失量低、抗壓強度高。在試驗過程中，通過觀察認為，塑性體系水泥漿有良好的穩定性，幾乎無沉降，但為了用定量指標來衡量，對水泥漿的沉降穩定性進行了如下測試。具體做法是：將水泥漿在90C水浴常壓養護24小時制成25X200mm水泥石柱，然后切割為8段，利用阿基米德定律測其密度，用上下密度差反映水泥漿的沉降穩定性，并同時作平行實驗，結果見表2。表2SD66曾韌

8、水泥漿的穩定性水泥石I水泥石n水泥石出平均值模具長200mm200mm200mm200mm水泥柱長198.5mm197mm198mm197.8mm段號密度11.95151.96381.96621.960521.94541.93861.95461.946231.96081.94291.96051.954741.95081.94371.95071.948451.94851.95161.94841.949561.95121.94901.95961.953371.95181.95031.96061.954281.96171.93441.95531.9505在表2中，I、n、出表示同一配方的三個不同試樣

9、。從表數據可知，上下水泥段的密度相差很小(平均值相差0.01g/cm3),另外水泥柱長度與模具長度差值可綜合反映析水量的大小和水泥石的收縮量，僅為1.1%,可見該體系水泥漿具有很好的穩定性。3增韌纖維水泥石力學性能水泥石的力學性能是考察增韌纖維增韌效果關鍵考核參數。將增韌纖維水泥漿和基漿在相同的條件下養護成水泥石，然后分別測試它們的抗沖擊韌性、抗折強度、彈性模量，所得數據見表3。抗沖擊韌性、抗折強度是衡量材料塑性的量度，隨兩者的提高，水泥石韌性越好，能夠承受更大的沖擊；彈性模量則是剛性的量度，彈性模量越大，變形的能力越差，越易脆裂。在表3數據中，含有SD66增韌纖維水泥比未加增韌劑的水泥石抗沖

10、擊韌性提高20%以上、抗折強度提高了10-15%,彈性模量則下降了約20%。(配方1為常規水泥漿、配方2、3含SD66)表3常規水泥石與增韌水泥石的力學性能配方編p抗沖擊U性(J/cm2)抗折強度(0.1MPa)彈性模量(GPa)養護溫度(C)168h24h48h72h168h72h168h11.6261.665.168.072.021.922.18021.9461.672.375.87917.918.28031.996372.276.48017.217.580一、油基介質卜局效沖洗液前期三口井，為抑制頁巖水化膨脹、維護井壁穩定，三密度油基(合成基)泥漿。井筒充滿油基鉆井液，井壁、套，隨時間推

11、移，這些含有鉆屑的油基鉆井液會牢牢粘附在套管壁SD80口井在水平段鉆進過程均采用高管壁上粘附一層油漿、油膜,嚴重影響界面膠結質量和頂替效率。固井作業前針對井壁和套管外壁的清洗、改變潤濕性顯得尤為重要。在三口井過程中均采用川慶鉆探自主研發并生產針對油基泥漿專用高效沖洗液SD8Q1、SD80清洗液的組成SD80主要成份為AES（脂肪醇聚氧乙烯醛硫酸鈉）、液體皂（一種液體肥皂，包含有去污劑、活性劑等成分，以脂肪酸和檸檬酸為主要原料，在水中與氫氧化鉀反應生成脂肪酸鉀皂和檸檬酸鉀，其化學反應方程式如下：Ci7H35COOH+KO+C17H35COOK+H20,硬脂酸鉀Ci7H33COOH+KOHkC17

12、H33COOK+H20,油酸鉀）、OP-10（烷基酚聚氧乙烯醛）、乳化劑、螯合劑和穩定劑及相應助劑等組成。2、SD80作用機理SD80中含有親水基團（硫酸酯基OSO3-、竣基COO-、醛基O）和親油基團（C17H35、G7H33、烷基苯酚）。其中殺油基團可對油基泥漿漿中的油相分子廣生分子間力和親和力，因而親油基（非極性基團）伸向油相，形成定向吸附并排列于表面其分子結構主要為親油基團；而親水基（極性基團）伸向水相，把膠束“拉”入水中，形成乳化液水包油型（W/。從而起到潤濕、逆乳化親水增溶作用，分散懸浮于清洗液中。同時SD80有機溶劑既可與水親合、又能與油相容，在水介質中它迅速與“油”的燃鏈分子形

13、成分子間力，降低界面張力，對界面上的油膜形成非常強的滲透力，配合表面活性劑的乳化增溶作用，可很大程度地加快套管壁上油漿、油膜的溶解分離速率。能在短時間內迅速有效地將附著在套管壁上的油漿、油膜洗凈，使井壁及套管壁從“油濕”變成“水濕”狀態，改變潤濕性。3、SD80清洗效果評價根據現場實際工況，開展SD80沖洗效果評價。取現場油基泥漿，將模擬套管的金屬棒（重量為W原）浸泡在泥漿中1天提出，待到金屬棒上不再滴油滴稱金屬棒的重量（W總），然后將金屬棒放于渦流式沖洗試驗裝置中，模擬現場施工日效先用含68%SD8冰基泥漿沖洗10min、然后再用含20%SD8g中洗液沖洗7min,沖刷后取出金屬棒稱其重量（

14、他），通過公式以下公式計算出沖洗效率：沖洗效率=1貼100%W息-W三口井沖刷試驗效果見表4。表4SD80沖洗效果評價井號泥漿體系泥漿密度（g/cm3）油水比沖洗效果威201-H1油基泥漿2.2097:394.2威201-H3油基泥漿1.8497:395.5寧201-H1合成基泥漿2.1145:1293.8表4結果表明SD80沖洗液對油基（合成基）泥漿有很好的沖洗效果，能夠改變套管壁和井壁的潤濕性。三、提高頁巖氣水平井頂替效率措施前期三口水平井水平段長達8001200m,鉆進過程均遇垮塌、阻卡等復雜，經多次高粘滴流泥漿舉砂，導致井眼軌跡不規則；斜井段、水平段套管在自重下易貼邊、偏心，套管居中度

15、難以保證；巖屑和流體在大斜度井段、水平段因自重會下沉；鉆井液、水泥漿密度差小，油基泥漿井壁界面油濕，油基泥漿與水泥漿相容性差，如威201-H1井139.7mm套管固井（見表5.）。這些客觀存在不足均制約頂替效率的提高。為提高頂替效率采用旋流頂替、漂浮頂替及優化入井漿柱結構等多方面措施，確保了較高的頂替。表5威201-H1井139.7m旌管固井水泥漿污染稠化試驗序號混合流體污染稠化試驗1油基泥漿：高密度水泥漿=3:7接觸變稠2油基泥漿：領漿=3:73min變稠3油基泥漿：水基泥漿：高密度水泥漿=1:2:712min變稠4油基泥漿：水基泥漿：領漿=1:2:715min變稠1旋流剛性扶正器提高居中度

16、、改變頂替流場：在油氣井固井注水泥頂替技術中，多用一維軸向流頂替方式進行頂替。該頂替方式理論與實踐證明不能有效替凈環空被頂替液，而通過使用旋流扶正器提高套管居中度，改變液體流速剖面，產生螺旋流，從而增加一周向剪切驅動力（圖1所示），這有利于將環空窄間隙滯留鉆井液和井壁附著虛濾餅驅替干凈，從而提高界面水泥與地層的膠結質量，提高固井質量.二根據井眼狀況，采用數字模擬，在頁巖氣水平井固井中，采取200mnr205mm|g旋大倒角岡肝生扶正器，水平段及大斜度井段2-3根套管加一扶正器。如iifaa圖1:扶正器處速度流場扶正器流出端環空速度流場2漂浮頂替技術及預應力固井技術:大斜度、水平段固井替漿時采用

17、清水作為頂替液,加大套管內外的密度差，使下部套管在浮力的作用下有一個向上邊的漂浮趨勢以減少套管的偏心程度（理論計算，在水平段的情況下，套管外環空為1.90g/cm3的水泥漿，當套管內充滿1.00g/cm3的清水比套管內充滿1.90g/cm3泥漿，其有效重量會減少50%左右，而產生一個使套管串向上的漂浮趨勢，但在實際上這個漂浮力還同時取決于套管串的剛度和井眼軌跡情況。同時，采用預應力固井技術，設計頂替液全部采用清水增大管內外壓差，從而有利于提高水泥石早期強度、降低孔隙度，降低或減弱套管的徑向伸縮擴張帶來的微間隙，提高一、二界面固井膠結質量。3優化固井液漿柱結構設計：隔離液采用具有潤濕反轉功能的沖

18、洗液（20m3）+水基泥漿（60m3）,有效隔離水泥漿與油基泥漿，避免油基泥漿與水泥漿接觸污染，徹底改變井壁和套管壁潤濕性使從親油變親水。采用雙密度水泥漿體系，直井段采用密度比井漿高的加重水泥漿，目的層水平段常規密度增韌水泥漿，優化后入井漿柱結構為：沖洗液+水基泥漿+沖洗液+領漿+緩凝水泥漿+快干水泥漿。4提高頂替效率綜合措施：下完套管后，先小排量頂通，然后逐漸提排量至施工排量循環洗井；調整鉆井液密度、性能，加入處理劑逐步降低鉆井液粘度、切力；設計返出地面水泥漿20m3,增加水泥漿井下接觸時間，提高頂替效率。優化地面配、注、替方案，采用兩組水泥車自配自抽，利用700型、2000型壓裂車進行替漿

19、作業，確保高泵壓下按設計參數施工。四、應用效果2011年，川渝地區共開展了三口頁巖氣水平井先導試驗，隨著對頁巖氣水平井固井認識深入，技術措施不斷完善，通過應用以上固井技術，巖氣藏水平井固井質量穩步提升，固井施工成功率達100%,3口井固井數據如表6所示。表6三口試驗頁巖氣藏水平井固井數據表序號井號井眼狀況概述固井質量1威201-H1儲層垂深1551.00m,KOP位置1135.00m,A點位置1744.20m,B點位置2823.48m,水平段長1079.28m。（因嚴重阻卡套管下深2750m）4262718m井段，EC測井，固井質量基本合格，大部分為固結好。2威201-H3儲層垂2680.00m,KOP位置2320m,A點位置2910m,B點位置3647.59m,水平段長737.59m。2630m3293m井段，EC測井，固井質量優良；32413616井段，CBL/VDL測井：水泥膠結優良井段為82.4%