四川盆地页岩气水平井固井技术

四川盆地页岩气水平井固井技术 四川盆地页岩气水平井固井技术 赵常青 曾凡坤 刘世彬 冷永红 (川庆钻探工程公司井下作业公司研发中心) 摘要 页岩气水平井气藏因其储层物性差,大都采用大型压裂技术才能获得产能,对水泥环层间封隔性能要求较高～同时钻井液采用高密度油基,合成基,泥浆严重影响顶替效率和界面胶结质量～通过采用增韧纤维水泥浆、高效冲洗隔离液、集成应用川渝地区成熟提高长水平段顶替效率～前期三口井固井质量均满足后期增产作业～为川渝地区页岩气水平井固井提供了技术储备。 关键词 页岩气 水平井 增韧水泥浆 冲洗液 固井工艺 固井质量 前 言 我国页岩气藏资源量丰富，随着常规天然气资源的不断枯竭，页岩气等非常规天然气资源正成为开发的热点。据有关专家估计四川盆地仅寒武系九老洞组和志留系龙马溪组的页岩气资源就可以与四川盆地的常规天然气资源总量相媲美。但是页岩气藏属于典型的低孔、低渗、低产油气藏。三口先导性试验井实钻过程中，为抑制页岩水化膨胀，三口井均于产层段钻井中采用油基(合成基)钻井液，同时四川页岩气藏井壁稳定性差，钻遇地层坍塌、垮 3塌大多数采用提高井浆密度维持井壁稳定。如威201-H1井完钻泥浆密度达2.35g/cm，高密度油基(合成基)泥浆及长水平段严重影响顶替效率及界面胶结与后期大规模、重复压裂提供需要的优质层间封隔矛盾突出。为此在三口井固井实际过程中，采用增韧纤维水泥浆体系，增加水泥石抗破碎能，减少因局部能量蓄积导致的裂纹迅速扩展;采用高效界面清洗性隔离液、冲洗液改变界面润湿性;综合应用各种技术提高固井大斜度水平井顶替效率;实现了高效优质固井。通过三口井现场探索试验，初步形成了目前技术条件下的四川盆地页岩气水平井固井技术。 一、 增韧纤维水泥浆体系 为改善水泥石抗冲击性能通常是在水泥浆中添加适当的增韧外加剂来改变水泥石的动态力学性能，提高水泥石断裂韧性。因此，要增强水泥石的弹性，首先要研制和筛选合适水泥浆增韧外加剂。 1 增韧纤维材料选择 提高水泥韧性的方法通常是在水泥浆中加入纤维材料。纤维在水泥浆体中的主要功能是阻裂、增韧、增强、抗收缩、防腐蚀和抗渗透。其阻裂和增韧的作用机制为:在挠曲载荷作用下，提高材料形成可见裂缝时的载荷能力;在疲劳载荷作用下阻止裂缝扩展;在冲击载荷作用下对裂纹尖端应力场形成屏蔽;显著提高水泥石的断裂韧性。目前国内外建材行业和油井水泥都基于下述方法增加水泥石韧性:(1)在水泥浆中加入一定比例的长短纤维，如木 1 质纤维、尼龙纤维、合成纤维、玻璃纤维等。利用纤维对负荷的传递，致使水泥石内部缺陷的应力集中减小，即增加水泥石抗冲击能力(。2)用聚合物水泥浆，如纤维素衍生物、树脂、胶乳或合成大分子等，由于大分子对水泥微粒之间连接作用和颗粒填充作用而增加水泥石韧性。 前期实验表明:纤维与水泥的重量比例、体积比例、长径比、以及分布状况等，对水泥浆的性能影响极大，对水泥石的塑性和其它力学性质也举足轻重。纤维过长、长径比过高都会影响水泥浆的失水性和流变性;纤维短、长径比过低，则水泥石韧性和其它力学性质增效甚小。在选择纤维种类和进行化学改性时，还应注意纤维与水泥界面粘接强度，它是影响水泥石力学性能的重要因素之一。川庆井下自主研发SD66纤维增韧剂采用的纤维长度均小于4mm，且有不同的长度分布和合适的长径比。其中含有两种不同性能复合纤维即高弹模纤维和低弹模纤维。高弹模纤在水泥石裂纹初期阻止裂纹扩展，提高水泥石抗裂性能和强度。低弹模纤维，在裂纹扩展阶段纤维提高水泥石延展性，复合纤维提高水泥石的抗裂 【1】性和延展性，增加水泥石韧性。 2 纤维水泥浆性能 增韧剂能明显改变水泥石的力学性能，但一般不单独使用，须与其它水泥外加剂一起配制水泥浆，要求增韧剂与其他添加剂具有很好的相容性。该水泥浆除了有较好的力学性能外，还必须满足施工对水泥浆性能的要求。表1是，采用SD66增韧纤维及井下常用水泥浆外加剂试验。(温度高于110?，均为加砂水泥浆) 表1 常规密度SD66系列增韧水泥浆的性能 配方滤失量 稠化时间 抗压强度(MPa) 流动度 析水 编号 (ml/30min) (min)/? (cm) (%) T(?) 24h 48h 1 24 0 43 297/90 27 70 2 23 0 45 276/90 32 90 3 24 0 48 480/100 14 19 120 4 24 0 47 400/100 16 20 120 5 22 0 48 340/120 17 130 表1表明SD66增韧纤维与其他水泥浆添加剂相容性好，其工程性能满足施工要求。具体表现:?浆体流动性好，初稠不高，易于泵送、施工;?析水极低，多数为零、浆体稳定，在做高温高压稠化实验过程中，中途停止搅拌15分钟后再搅拌，最大稠度约为20,25BC，经一定时间搅拌后恢复到8BC左右，这对施工短时间停泵不会带来不利影响;? 滤失量低、抗压强度高。 在试验过程中，通过观察认为，塑性体系水泥浆有良好的稳定性，几乎无沉降，但为了用定量指标来衡量，对水泥浆的沉降稳定性进行了如下测试。具体做法是:将水泥浆在90?水浴常压养护24小时制成Φ25×200mm水泥石柱，然后切割为8段，利用阿基米德定 2 律测其密度，用上下密度差反映水泥浆的沉降稳定性，并同时作平行实验，结果见表2。 表2 SD66增韧水泥浆的稳定性 水泥石? 水泥石? 水泥石? 平均值 模具长 200mm 200mm 200mm 200mm 水泥柱长 198.5mm 197mm 198mm 197.8mm 段号 密 度 1 1.9515 1.9638 1.9662 1.9605 2 1.9454 1.9386 1.9546 1.9462 3 1.9608 1.9429 1.9605 1.9547 4 1.9508 1.9437 1.9507 1.9484 5 1.9485 1.9516 1.9484 1.9495 6 1.9512 1.9490 1.9596 1.9533 7 1.9518 1.9503 1.9606 1.9542 8 1.9617 1.9344 1.9553 1.9505 在表2中，?、?、?表示同一配方的三个不同试样。从表数据可知，上下水泥段的密 3度相差很小(平均值相差0.01g/cm)，另外水泥柱长度与模具长度差值可综合反映析水量的大小和水泥石的收缩量，仅为1.1,，可见该体系水泥浆具有很好的稳定性。 3 增韧纤维水泥石力学性能 水泥石的力学性能是考察增韧纤维增韧效果关键考核参数。将增韧纤维水泥浆和基浆在相同的条件下养护成水泥石，然后分别测试它们的抗冲击韧性、抗折强度、弹性模量，所得数据见表3。抗冲击韧性、抗折强度是衡量材料塑性的量度，随两者的提高，水泥石韧性越好，能够承受更大的冲击;弹性模量则是刚性的量度，弹性模量越大，变形的能力越差，越易脆裂。在表3数据中，含有SD66增韧纤维水泥比未加增韧剂的水泥石抗冲击韧性提高20%以上、抗折强度提高了10-15%，弹性模量则下降了约20%。(配方1为常规水泥浆、配方2、3含SD66) 表3 常规水泥石与增韧水泥石的力学性能 抗冲击韧性 抗 折 强 度 弹性模量 养护 配方 2(J/cm) 温度 (0.1MPa) (GPa) 编号 (?) 168h 24h 48h 72h 168h 72h 168h 1 1.62 61.6 65.1 68.0 72.0 21.9 22.1 80 2 1.94 61.6 72.3 75.8 79 17.9 18.2 80 3 1.99 63 72.2 76.4 80 17.2 17.5 80 二、 油基介质下高效冲洗液SD80 前期三口井，为抑制页岩水化膨胀、维护井壁稳定，三口井在水平段钻进过程均采用高密度油基(合成基)泥浆。井筒充满油基钻井液,井壁、套管壁上粘附着一层油浆、油膜,随时间推移,这些含有钻屑的油基钻井液会牢牢粘附在套管壁,严重影响界面胶结质量和顶替效率。固井作业前针对井壁和套管外壁的清洗、改变润湿性显得尤为重要。在三口井过程 3 中均采用川庆钻探自主研发并生产针对油基泥浆专用高效冲洗液SD80。 1、 SD80清洗液的组成 SD80主要成份为AES(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠)、液体皂(一种液体肥皂，包含有去污剂、活性剂等成分，以脂肪酸和柠檬酸为主要原料，在水中与氢氧化钾反应生成脂肪酸钾皂和柠檬酸钾，其化学反应方程式如下:C17H3+KOH?C17H3+H0，硬脂酸5COOH5COOK2钾CCOOH+KOH?C17H3+H0，油酸钾)、OP-10(烷基酚聚氧乙烯醚)、乳化剂、17H333COOK2 螯合剂和稳定剂及相应助剂等组成。 2、 SD80作用机理 -SD80中含有亲水基团(硫酸酯基,O,SO-、羧基,COO、醚基,O,)和亲油基团3 (C17H3,、C17H3,、烷基苯酚)。其中亲油基团可对油基泥浆浆中的油相分子产生分子53 间力和亲和力，因而亲油基(非极性基团)伸向油相，形成定向吸附并排列于表面其分子结构主要为亲油基团;而亲水基(极性基团)伸向水相,把胶束“拉”入水中,形成乳化液水包油型(W/O)从而起到润湿、逆乳化亲水增溶作用，分散悬浮于清洗液中。同时SD80有机溶剂既可与水亲合、又能与油相容，在水介质中它迅速与“油”的烃链分子形成分子间力,降低界面张力,对界面上的油膜形成非常强的渗透力，配合表面活性剂的乳化增溶作用，可很大程度地加快套管壁上油浆、油膜的溶解分离速率。能在短时间内迅速有效地将附着在套管壁上的油浆、油膜洗净，使井壁及套管壁从“油湿”变成“水湿”状态，改变润湿性。 3、 SD80清洗效果 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 根据现场实际工况，开展SD80冲洗效果评价。取现场油基泥浆，将模拟套管的金属棒(重量为W原)浸泡在泥浆中1天提出，待到金属棒上不再滴油滴称金属棒的重量()，W总然后将金属棒放于涡流式冲洗试验装置中，模拟现场施工时效先用含6,8%SD80水基泥浆冲洗10min、然后再用含20%SD80冲洗液冲洗7min，冲刷后取出金属棒称其重量(W)，通过公冲式以下公式计算出冲洗效率: WW,冲原冲洗效率, 1,，100%WW,总原 三口井冲刷试验效果见表4。 表4 SD80冲洗效果评价 3井号 泥浆体系 泥浆密度(g/cm) 油水比 冲洗效果 威201-H1 油基泥浆 2.20 97:3 94.2 威201-H3 油基泥浆 1.84 97:3 95.5 4 宁201-H1 合成基泥浆 2.11 45:12 93.8 表4结果表明SD80冲洗液对油基(合成基)泥浆有很好的冲洗效果，能够改变套管壁和井壁的润湿性。 三、 提高页岩气水平井顶替效率措施 前期三口水平井水平段长达800,1200m，钻进过程均遇垮塌、阻卡等复杂，经多次高粘滴流泥浆举砂，导致井眼轨迹不规则;斜井段、水平段套管在自重下易贴边、偏心，套管居中度难以保证;岩屑和流体在大斜度井段、水平段因自重会下沉;钻井液、水泥浆密度差小，油基泥浆井壁界面油湿，油基泥浆与水泥浆相容性差，如威201-H1井139.7mm套管固井(见表5.)。这些客观存在不足均制约顶替效率的提高。为提高顶替效率采用旋流顶替、漂浮顶替及优化入井浆柱结构等多方面措施，确保了较高的顶替。 表5 威201-H1井139.7mm套管固井水泥浆污染稠化试验 序号 混合流体 污染稠化试验 1 油基泥浆:高密度水泥浆=3:7 接触变稠 2 油基泥浆:领浆=3:7 3min变稠 3 油基泥浆:水基泥浆:高密度水泥浆=1:2:7 12min变稠 4 油基泥浆:水基泥浆:领浆=1:2:7 15min变稠 1旋流刚性扶正器提高居中度、改变顶替流场:在油气井固井注水泥顶替技术中,多用一维轴向流顶替方式进行顶替。该顶替方式理论与实践证明不能有效替净环空被顶替液，而通过使用旋流扶正器提高套管居中度，改变液体流速剖面，产生螺旋流，从而增加一周向剪切驱动力(图1所示)，这有利于将环空窄间隙滞留钻井液和井壁附着虚滤饼驱替干净，从而提高界面水泥与地层的胶结质 [3-5]量,提高固井质量。根据井眼状况，采用数字模拟，在页岩气水平井固井中，采取200mm,205mm螺旋大倒角刚性扶正器,水平段及大斜度井段2-3根套管加一扶正器。 图1:扶正器处速度流场 扶正器流出端环空速度流场 5 2 漂浮顶替技术及预应力固井技术:大斜度、水平段固井替浆时采用清水作为顶替液，加大套管内外的密度差，使下部套管在浮力的作用下有一个向上边的漂浮趋势以减少套管的偏心程度(理论计算， 在水平段的情况下，套管外环空为1.90g,cm3的水泥浆，当套管内充满 1.00g/cm3的清水比套管内充满1.90g/cm3泥浆，其有效重量 但在实际上这个漂浮力还同时取会减少50,左右， 而产生一个使套管串向上的漂浮趋势， 决于套管串的刚度和井眼轨迹情况。同时，采用预应力固井技术， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 顶替液全部采用清水增大管内外压差，从而有利于提高水泥石早期强度、降低孔隙度，降低或减弱套管的径向伸 【6】缩扩张带来的微间隙，提高一、二界面固井胶结质量。 33 优化固井液浆柱结构设计:隔离液采用具有润湿反转功能的冲洗液)+(20m水基泥浆 3(60m)，有效隔离水泥浆与油基泥浆，避免油基泥浆与水泥浆接触污染，彻底改变井壁和套管壁润湿性使从亲油变亲水。采用双密度水泥浆体系，直井段采用密度比井浆高的加重水泥浆，目的层水平段常规密度增韧水泥浆，优化后入井浆柱结构为:冲洗液+水基泥浆+冲洗液+领浆+缓凝水泥浆+快干水泥浆。 4提高顶替效率综合措施:?下完套管后，先小排量顶通，然后逐渐提排量至施工排量循环洗井;?调整钻井液密度、性能，加入处理剂逐步降低钻井液粘度、切力;?设计返出地 3面水泥浆20m，增加水泥浆井下接触时间，提高顶替效率。?优化地面配、注、替 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，采用两组水泥车自配自抽，利用700型、2000型压裂车进行替浆作业，确保高泵压下按设计参数施工。 四、 应用效果 2011年，川渝地区共开展了三口页岩气水平井先导试验，随着对页岩气水平井固井认识深入，技术措施不断完善，通过应用以上固井技术，岩气藏水平井固井质量稳步提升，固井施工成功率达100,，3口井固井数据如表6所示。 表6三口试验页岩气藏水平井固井数据表 序号 井号 井眼状况概述 固井质量 储层垂深1551.00m，KOP位 置1135.00m，A点位置1744.20m，B426,2718m井段， IBC测 威201-H1 点位置2823.48m，水平段长井，固井质量基本合格，大部1 1079.28m。(因严重阻卡套管下深2分为固结好。 750m) 2630m,3293m井段， IBC储层垂2680.00m，KOP位置2320m测井，固井质量优良;3241,威201-H3 ，A点位置2910m，B点位置32 3616井段， CBL/VDL测井:水647.59m，水平段长737.59m。 泥胶结优良井段为82.4%，合格 6 井段为100% 2750,3725m井段，IBC测井储层最大垂深2495.09m，KOP位:水泥胶结优良井段为8宁201-H1 置2150m，A点位置2745.00m，B点3 9.85%，水泥胶结合格井段为9位置3790.00m，水平段长1045.00m。 0.77% 五、 认识与结论 1)SD66纤维增韧水泥浆体系能够改变水泥石性能，提高水泥石断裂韧性，能满足后期页岩气大规模增产作业对水泥石性能要求。 2)采用高效专用隔离液及冲洗液，能够清除套管及井壁残留油泥，改变界面润湿性，有效隔离油基泥浆与水泥浆，提高界面胶结强度，避免油基泥浆与水泥浆接触污染，降低施工风险，提高顶替效率。 3)综合应用旋流顶替、漂浮顶替、优化入井浆柱结构及固井前调整泥浆性能等措施，确保了大位移水平井的固井质量。 4)建议进一步加强对页岩力学性能的认识，降低钻井液密度，减少储层伤害，加快页岩气勘探开发的进程。 参考文献 [1 ]华苏东 姚晓 复合纤维提高油井水泥石韧性的研究 钻井液与完井液 2007 24(4)40-43 [2 胶体与表面化学 (第二版) 沈钟 王果庭 编著 [3] 李成林等(实验确定旋流扶正器在环空中产生的旋流长度(石油钻探技术,1994,22(4),47-57 [4] 舒秋贵(在旋流器作用下环空流场研究与应用(成都，西南石油大学博士学位论文,2004 [5]舒秋贵，刘崇建，刘孝良，陈英(旋流扶正器作用下环空螺旋流场压降研究(天然气工业，2006，26(2),86-87 [:6] 刘世彬 ，吴永春，等(预应力固井技术研究及现场应用(钻采工艺，32(5):21-24. 7