提高页岩气水平井固井质量技术探讨 于海杰

1、提高页岩气水平井固井质量技术探讨轮机工程 于海杰研究目的和意义 页岩气是一种重要的非常规天然气，在我国储量和产能潜力巨大。随着油气勘探领域的不断扩大和勘探开发程度的逐步提高，页岩气资源不断被发现和探明，其生产成本也大幅下降，经济价值和战略意义也越来越受到重视。与常规油气资源开采相比，页岩油气由于自身储集空间及生成的特殊性，一般为超致密储层，孔隙度和渗透率极低。为了产生较好的经济效益，通常需要采取长水平段水平井技术，并实现分段压裂。页岩气水平井水平段较长，甚至达到上千米以上，加上特殊的完井方式和增产措施，如何有效封固产层和提高固井质量，是国内外研究的一个重点。 页岩气勘探开发在中国刚起步，目前研

2、究多集中在地质和钻井技术，对固井技术涉及较少。但是，固井作业作为岩气勘探开发中最为重要的环节之一，如何解决页岩气水平井固井过程中的套管居中问题、如何提升顶替效率并采用高效的前置液和水泥浆，是当前页岩气勘探开发过程中必须要解决的问题。固井技术简述向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥浆，水泥浆通过套管被注入到井下，到达井底后沿着套管和地层间的环空上返，经过一段时间，水泥凝固并形成水泥环，这就是固井。固井包括下管套和注水泥两部分。1. 页岩气水平井钻井2.页岩气水平井分段压裂页岩气开采给固井带来的挑战水平井钻井给固井带来的问题水平段下套管难度大油井下管套这个环节至关重要，它起的作用是

3、对井眼进行永久性的封固，防止流体从井下带上地面时，流体中的油气渗入地层。套管下入过程中的阻力主要有两部分组成，其一是通过弯曲井段的局部阻力，由井眼条件决定，主要影响因素是该井的最大全角变换率；其二是套管和井壁的摩擦阻力，由相当于水平位移长度的套管重力和套管和井壁的摩擦系数决定。 提高顶替效率的难度大由于井斜角的影响，大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是轴向而是径向，极易导致套管偏心，使套管低边的钻井液驱动困难，容易窜槽，从而影响水泥浆的顶替效率。油基钻井液影响水泥环界面胶结质量 油基钻井液会使井壁和管壁上形成油质泥饼或油膜 ，会使固井套管的表面和井壁由原来的亲水性转变为亲油性。固井时，

4、水泥浆是亲水性的，这就导致水泥浆不能很好地吸附在套管金属和井壁的表面，导致交界面胶结质量差。压裂、射孔给固井带来问题水泥环与套管的弹性和变形能力存在较大差异 压裂冲击作用大于水泥石的破碎吸收能时,水泥环产生破碎射孔弹引爆时产生高达3000MPa左右的冲击压力，水泥石材料的抗拉、抗压强度相差很大, 产生宏观裂纹 。针对以上问题采取以下三项措施针对以上问题采取以下三项措施套管下入及居中控制技术提高顶替效率技术固井水泥浆系统套管下入及居中控制技术1.下套管前认真通井。 页岩气水平井的井眼轨迹、井眼质量对下套管影响很大，应对起下钻遇阻、遇卡井段、井斜变化率超标井段认真划眼通井；在全角变化率大的井段反复

5、大幅度活动钻具，彻底清除岩屑床，到底后大排量循环钻井液并活动钻具；同时选用满眼钻具组合通井一到两趟，通井管柱刚度不低于套管串的刚度，以利于套管顺利下入。 2.套管漂浮技术。 大位移井下套管采用漂浮下套管工艺可以降低上提拉力和下放阻力，提高下套管的施工安全性。将漂浮接箍连接在套管柱上，在套管内构成临时屏障，漂浮接箍以下的套管内注入一定量的空气，以上的部分充满钻井液，用膜密封，套管串在钻井液中会产生很大的浮力，使其在水平段减少重力产生的阻力，有利于套管顺利下到位。3.套管抬头下套管技术。 在水平段，套管引鞋与其下方的井壁呈一定角度接触，产生的摩擦阻力非常大。套管抬头技术即在靠近引鞋位置固定12个刚

6、性扶正器，使引鞋翘起离开井壁。对于超长水平段井采用导向型引（浮）鞋，利于套管下入。4套管居中。 随着水平位移的增加，对扶正器的性能提出了更高的要求。常规的弹性扶正器具有较高的复位力，然而产生高复位力的同时也产生了较大的下入阻力。螺旋刚性扶正器具有更大的优越性：一是当井壁不规则时，下套管过程中井壁可对螺旋扶正器产生一定的横向分力，从而能减轻遇阻冲力；二是管外环空中，水泥浆产生旋流，可以提高顶替效率。但刚性扶正器对井眼要求较高，不能有缩径井段；螺旋刚性扶正器与井壁接触面积大，套管柱在下入过程中易刮井壁，造成滤饼堆积以至发生阻卡；同时刚性扶正器一般会增大管柱的刚度。因此在选择何种类型扶正器时要根据井

7、下井身质量和井径情况决定。弓形扶正器刚性扶正器滚珠扶正器提高顶替效率技术1.应用油膜冲洗润湿反转技术 水平井钻井时，为了提高钻井机械效率，防止页岩坍塌多采用油基钻井液，这样在完井固井施工中，附着在井壁和套管壁上的油膜很难被冲洗干净，会影响水泥石的胶结质量。使用具有表面活性的化学冲洗液（隔离液），冲洗液用量满足接触时间810 min，可降低钻井液黏度、切力，2.有效循环钻井液，提高不规则井眼顶替效率。 钻井队在完钻通井时要充分循环钻井液，循环排量不低于钻进时的最大排量，循环次数不低于2周，彻底将井底和水平井段沉积的岩屑清洁干净。下完套管后必须通过大排量循环钻井液的方式清除井壁和套管壁上形成的虚滤

8、饼，循环排量不低于钻进时的1.21.5 倍，循环次数不低于 2 周。在压稳不漏的情况下调整钻井液的性能，使固井前的钻井液性能达到“三低一薄”，即低黏、低切、低失水和薄滤饼，以达到提高顶替效率的目的。在井下压力安全情况下，尽量提高水平段环空与套管内流体的密度差，增大套管的浮力，确保套管居中度，提高顶替效率。3.活动套管。 活动套管有助于破坏钻井液的静切力，在注替水泥浆过程中活动套管有助于驱除可能残留在偏心环空窄边一侧的钻井液，特别是能改善尾管固井质量。为了转动管柱，采用旋转动力钳或动力旋转水泥头。固井水泥浆系统 为实现对页岩气储层的有效封固，水泥浆体系的选择尤为重要，水泥浆体系的选择必须满足以下

9、几方面标准：1.弹性模量与常规浆相比降低30%；2.抗折性能提高100%；3.48h抗压强度不小于14MPa；4.API失水不大于50mL;5.水泥浆具备有良好的防窜能力和一定的防漏能量。弹性粒子的选择和加量控制弹性粒子的选择和加量控制 改善水泥石弹性的关键技术是研制弹性粒子的选择和加量控制，弹性粒子加量直接影响油井水泥石的抗压强度和抗折强度，这是因为橡胶粉在油井水泥石中的作用有两个方面：一方面，橡胶粉在油井水泥浆中是一种有机杂质，增加加量相当于增加了水泥石结构中的不利因素，水泥石抗压强度和抗折强度降低；另一方面由于水泥石中存在大量的不同种类、不同孔径的孔隙，弹性粒子的加入，在一定程度上填充了

10、这些孔隙，提高了其密实度。当弹性粒子加量小于最佳加量时，水泥石孔隙没有被填满，弹性粒子的有害作用表现为强势，引起水泥石的抗压、抗折强度下降，而当弹性粒子加量为最佳加量时，水泥石中孔缝基本被填充，密实度大大提高，水泥石的抗压强度和抗折强度损失不大；当加量超过最佳量时，弹性粒子的有害作用又处于强势，引起水泥石的抗压强度和抗折强度下降。固井水泥浆系统 增韧材料的选择增韧材料的选择 水泥石增韧材料的选择，也是弹性水泥浆体系研究的关键内容。增韧材料对水泥石力学性能具有增强效果，首先能提高水泥石的抗压强度和一定的刚度，同时在外载荷作用下，增韧材料与水泥石共同承受外载荷，尤其是当水泥石开始起裂时，能够有效地控制水泥石裂纹的延伸与扩展，并能控制水泥石多点开裂，保证水泥石的整体性能。增韧材料的选择主要与纤维的抗拉强度、弹性模量