JY頁巖氣田水平井預防環空帶壓固井技術

陳雷 陳會年 張林海 劉廣海 陶謙 劉仍光

1.中國石化石油工程技術研究院；2.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司

頁巖氣是一種蘊藏廣泛且豐富的非常規清潔能源，涪陵百億方頁巖氣田的建成標志著中國頁巖氣勘探開發取得重大突破。頁巖氣一般需要借助大型水力壓裂和水平井技術才能進行經濟開采，使得頁巖氣井環空帶壓現象較為普遍，四川盆地內的幾個國家級頁巖氣示范區氣井環空帶壓問題比較突出［1-2］。環空帶壓及井下層間竄流會影響頁巖氣井的產量和開發后續作業，威脅安全生產甚至可能引發安全事故。

通常認為水泥環密封完整性與固井質量密切相關。針對提高頁巖氣井固井質量的研究較多［3-7］，JY頁巖氣井固井質量也不斷提高，但壓裂投產之后環空帶壓現象卻一直沒有改善，說明分段壓裂導致固井水泥環密封完整性失效是引起環空帶壓的關鍵因素，必須研究提高固井水泥環長期密封完整性和耐破壞性，才能真正解決頁巖氣井的環空帶壓難題。

本文針對JY氣田頁巖氣井，建立了環空密封完整性評價裝置，模擬分析水泥膠結、收縮、力學性能等因素與水泥環長期密封完整性的關系及頁巖氣井壓裂對水泥環力學性能的要求，提出了提高頁巖氣井長期密封完整性預防環空帶壓的綜合固井技術措施，實現了JY頁巖氣田環空帶壓井的大幅度下降，為頁巖氣井的安全高效開發提供安全保障。

1 水泥環密封完整性影響因素分析

為全面評價頁巖氣井水泥環的密封完整性，除常規油井水泥養護及評價儀器外，建立了全尺寸水泥環密封完整性評價裝置(圖1)開展環空密封能力物理模擬實驗。

圖1 水泥環密封完整性評價裝置Fig.1 A device for evaluating the seal integrity of cement sheath

水泥環密封完整性評價裝置由井筒物理模擬裝置、測試裝置、壓力裝置和控制系統等組成。該裝置利用壓力系統向套管內加壓或泄壓，模擬地層壓裂過程或生產過程中套管、水泥環的受力變化，通過檢測界面氣體流量值判斷是否發生密封破壞，實驗過程中對水泥環中的應力變化值進行實時測量。

井筒物理模擬裝置包括套管、水泥環和外筒，為真實模擬JY頁巖氣井況，套管采用JY頁巖氣田常用套管，鋼級為P110，外徑 139.7 mm，壁厚7.72 mm；外筒采用壁厚 22.5 mm、外徑 244.5 mm 的金屬合金筒來模擬彈性模量為25.0 GPa、泊松比為0.18 的頁巖地層；水泥環的厚度為 26.7 mm，模型長度即套管和外筒的長度為1 200 mm，水泥環的長度為 1 000 mm。

評價試樣采用JY氣田常用的G級水泥配置密度1.90 g/cm3的水泥漿，以該氣田平均溫度80 ℃作為養護溫度，進行24 h水浴養護后制成。

1.1 水泥環膠結質量

套管水泥環的2個界面處是薄弱環節，影響其密封性的是水泥石的膠結質量。頁巖氣井鉆井普遍采用油基鉆井液鉆進［8］，其在界面處的滯留比水基鉆井液更難以驅替干凈，直接影響到水泥石界面膠結質量，嚴重時可能會形成氣竄通道，使得少量頁巖氣井在壓裂投產前即帶壓。

為了研究鉆井液對頁巖氣井水泥環界面膠結的影響，取JY氣田標準巖心試樣和鉆井液，分別采用巖心不浸泡、浸泡鉆井液后用清水沖洗和浸泡后不沖洗等方式處理，分別模擬無污染、鉆井液污染后清洗和污染后不清洗等3種井壁情況，然后在3種巖心外澆筑油井水泥凈漿模擬界面膠結。試樣經 80 ℃水浴養護24 h后外觀如圖2所示，可以看出，1#試樣巖心與水泥石之間黏結緊密，沒有微間隙存在；2#試樣巖心與水泥石界面黏結不夠緊密，而3#試樣界面處明顯有一層過渡區，結果表明界面清潔程度會對界面膠結有明顯影響。

圖2 界面膠結養護巖心試樣Fig.2 Specimen of the core with interfacial cementation curing

利用膠結強度測試儀對3種巖心膠結強度進行了測試，從表1的測試結果可以看出，鉆井液對界面不同程度污染后會導致水泥環膠結強度降低，特別是界面未清洗時膠結強度下降達76.9%，嚴重影響界面的膠結密封質量。同時對于污染后清洗的試樣，其界面膠結強度比污染后未清洗的強度增加100%，說明對污染后的界面進行清潔可以有效改善界面膠結質量。

表1 水泥環膠結能力測試結果Table 1 Tested cementation capacity of cement sheath

采用水泥環密封完整性評價裝置，實際評價了鉆井液影響界面膠結密封情況。模擬JY氣田現場井筒，即通過在模擬井內壁浸泡現場聚磺鉆井液，形成 0.1～0.5 mm 濾餅，注入水泥漿后常溫養護 7 d，與理想清潔井筒進行對比評價。實驗方案：注氣壓力1 MPa，注氣穩定后，增加套管內壓力至 35 MPa，然后卸載到0 MPa，循環進行壓力加卸載，通過檢測壓力變化與出氣量變化之間的關系測試水泥環氣體密封能力(圖3)。

圖3 出氣口氣體流量隨注氣壓力的變化Fig.3 Variation of the gas flow rate at the gas outlet with the gas injection pressure

由圖3模擬結果可以看出，在開始進行注氣時，套管壓力為0時即發生氣竄現象，且出氣量較大，達2 200 mL/min。而隨著套管壓力增加，出氣量減少，但是即使達到最大壓力35 MPa時，仍然有750 mL/min左右的出氣量。說明在套管與水泥環中間由于有鉆井液污染的存在，影響到界面處膠結密封，虛濾餅形成的弱界面存在氣體流竄通道，此時在較小環空注氣壓力下就會發生氣竄，即便在套管內加壓擠壓環空水泥環，也無法完全封閉氣竄通道。而作為對比的清潔井筒實驗中則沒有檢驗到氣竄發生，驗證了鉆井液是否有效驅替對密封性的影響非常大。

1.2 水泥石體積收縮

水泥在水化過程中會產生體積變化，一般情況下主要表現為各種收縮。水泥水化時產生的收縮可分為宏觀收縮和微觀收縮，其中宏觀收縮引起外觀體積變化，變化較大時可能產生微環隙；而微觀收縮則引起水泥石內部孔隙率的增加，導致水泥環滲透率升高。水泥石收縮是影響水泥環環空密封能力的關鍵因素。

為了有效測量水泥漿從流動狀態到固化后全過程的膨脹收縮特性，采用Chandler公司5265密封膨脹測試裝置，開展了絕濕條件下水泥石膨脹收縮測試。水泥漿體系配方為G級水泥+44%水，實驗溫度 80 ℃，實驗壓力 20 MPa，測試時長 168 h，實驗結果如圖4所示。

圖4 絕濕環境下水泥石體積變化曲線Fig.4 Variation of set cement in the environment of absolute humidity

由圖4可看出，水泥石體積呈現先膨脹后快速收縮的狀態。這是由于早期水泥在高溫下快速水化，釋放大量的水化熱，使得漿體溫度升高產生較大幅度膨脹。隨后水泥水化進入誘導期，水化速率變慢，釋放的水化熱減少，溫度降低，漿體體積也減小。誘導期結束后，水泥再次進入快速水化期，即大約水化1 h左右后，漿體溫度基本保持為測試溫度，但體積稍有增加，顯示為膨脹狀態，是因為此時C3A與石膏反應快速生成的鈣礬石具有膨脹特性。水化約5 h時，水泥石進入快速收縮階段，在水化12 h時收縮達到穩定。

為測試水泥石收縮對水泥環密封性的影響，利用水泥環密封完整性評價裝置測試了水泥基漿分別養護 1 d、3 d、90 d 和 150 d 后的密封性，由于養護 1 d和3 d短齡期水泥環沒有發生氣竄，以養護3 d的曲線代表短齡期測試結果(見圖5)。實驗中從密封環空段底部加壓，以頂部出氣口測量通過一二界面竄至密封段頂部的總竄氣量，在密封段中部外筒對稱取2個出氣口1和2，分別測量二界面氣竄量。

圖5 不同養護齡期下水泥環密封性測試Fig.5 Seal test of cement sheath at different curing ages

由圖5可看出，短齡期水泥環沒有發生氣竄；而養護90 d和150 d試樣開始注氣時2個界面處出氣口即發生氣竄，說明隨著齡期延長，水泥石收縮導致界面處出現的微環隙破壞了密封。對于養護90 d試樣，內壓加載至3 MPa時二界面出氣口1出氣量開始降低，10 MPa時頂部出氣口出氣量也開始降低，說明收縮引起的微環隙較小；而對于養護150 d試樣，在內壓增加到25 MPa時界面出氣量才開始降低，進一步驗證了養護齡期長水泥收縮會引起更大的微環隙。同時可以看出，雖然可以通過擠壓水泥環減小界面微環隙，但即使在較高壓力下，也不能完全恢復環空密封。

理論上，水泥隨著養護齡期的延長而不斷水化，水泥石抗壓強度不斷增加，水泥石膠結強度也應不斷增強。但從表2所示的不同齡期水泥石膠結強度實際測試結果可以看出，隨著齡期的延長，水泥石界面膠結強度呈現逐漸減小的結果，其中養護15 d的膠結強度比養護3 d下降了45.5%，說明水泥石的界面膠結強度不僅與抗壓強度有關，還主要與其體積收縮有關。現場固井結束后，甚至在電測固井聲幅質量之后，水泥依然處在不斷水化進程中，期間一旦水泥石產生收縮，將導致界面處膠結強度降低。可見，水泥石收縮也是影響環空密封性失效的主要原因之一。

表2 不同齡期時水泥石膠結強度Table 2 Cementation strength of set cement at different curing ages

1.3 水泥石力學性能

JY頁巖氣田大部分井環空帶壓均是出現在規模壓裂投產后，說明水力壓裂等施工作業中套管內壓力變化會影響甚至破壞水泥環密封性。為此建立了圖6所示的地層圍巖-水泥環-套管組合體模型，模擬計算常規水泥環中不同位置的應力情況，分析水泥環密封完整性失效的原因。組合體模型參數見表3。假設套管和圍巖均為彈性體，水泥環為理想彈塑性體，屈服條件滿足Mohr-Coulomb準則。利用組合體模型，計算水泥環內壁界面和外壁界面的應力結果見表4。

圖6 圍巖-水泥環-套管組合體模型Fig.6 Model of surrounding rock-cement sheath-casing combination

表3 組合體模型參數Table 3 Model parameters of the combination

表4 水泥環應力模擬計算結果Table 4 Simulation calculation results of the stress on the cement sheath

在套管內壓和圍壓作用下，水泥環徑向產生壓應力，周向產生拉應力。由表4可以看出，在套管與水泥環的一界面處產生的壓應力較大，水泥環與圍壓之間的二界面處產生的壓應力較小，裸眼井段的應力高于重疊段應力。

水泥石屬于抗壓強度高而抗拉能力弱的材料，其抗壓強度約等于10～12倍抗拉強度［9］。在套管內壓90 MPa作用下，水泥環周向應力達到6 MPa以上，遠超水泥石抗拉強度(通常不超過1～3 MPa)，易產生徑向裂縫并導致水泥環密封性失效。在水泥環內壁產生的壓應力也超過水泥石屈服強度，使得水泥環進入塑性受力階段并產生泄壓后不可完全恢復的塑性變形；而此時套管仍處于彈性受力狀態，其彈性變形可完全恢復，因此套管和水泥環界面處出現變形不協調，產生拉應力。一旦該應力超過界面膠結強度，將產生微環隙。JY頁巖氣井通常要進行多次或重復壓裂，應力會多次加卸載，水泥環產生的塑性變形會逐漸累積，卸壓后的殘余應變也隨之增大，當拉應力逐漸增大到足以超過膠結強度時出現微環隙，從而破壞環空密封。

利用水泥環密封完整性評價裝置模擬試壓和壓裂等施工過程對水泥環進行加卸載，評價水泥環在不同循環應力下疲勞破壞情況，結果見表5。常規G級水泥石，在35 MPa加卸載作用下，循環13次時，水泥環即發生了氣竄現象，而當壓力為70 MPa時，只需2個周期水泥環密封即出現力學破壞。

表5 水泥環耐不同循環應力疲勞破壞實驗結果Table 5 Fatigue failure test result of cement sheath subjected to different cyclic stresses

影響循環應力作用下水泥環密封性的因素很多，除了壓力外，還有水泥石的彈性模量和強度、水泥環外的約束程度或圍壓等。同等條件下，水泥石的彈性模量越低，抗循環壓力作用的能力越強。這是因為在套管內壓力作用下，低彈性模量水泥環中產生的應力水平也比較低，容易使得水泥環保持在彈性應力狀態，不產生塑性變形，不易發生因疲勞破壞所導致的密封性失效。同時水泥石強度越高，水泥環的應力狀態也越不易超過其屈服強度進入塑性狀態。但通常情況下，水泥石強度越高其彈性模量也越大，變形能力更差，所以不宜僅考慮選擇強度更高的水泥石來抵抗水泥環所受的各種應力來滿足其密封性，需要在彈性模量和抗壓強度之間取得平衡。因此在選擇水泥漿體系時，需選擇能形成抗壓能力強且彈性模量低的水泥環的體系，才能更好保證井下復雜壓力環境下水泥環的密封完整性。

2 預防環空帶壓固井技術

根據JY頁巖氣井環空帶壓影響因素分析結果，為改善和預防頁巖氣井環空帶壓，需要提高固井水泥環界面膠結質量、防止水泥石收縮并改善水泥石力學特性。因此在提高頂替效率、水泥漿柱結構、固井方案、水泥石性能等方面開展了針對性研究，形成了頁巖氣水平井預防環空帶壓固井技術。

2.1 提高沖洗效率

前置液沖洗效果直接影響水泥漿的頂替效率，JY地區鉆井采用的油基鉆井液用常規沖洗液難以清洗干凈。為有效驅替油基鉆井液，提高頂替效率，采用了具有潤濕反轉作用的洗油沖洗液SCW-D。與前期JY地區采用的常規沖洗液相比，該沖洗液表面活性物質會在油基鉆井液的濾餅表面吸附，使溶劑和水易在油基鉆井液表面滲入并產生溶脹，以削弱油濾餅的內聚力和結構力，同時也削弱油濾餅和套管之間的作用力［10］。為了提高洗油效果，確定現場沖洗液采用10%SCW-D，且單井設計沖洗時間達到10 min以上，以提高水泥環的膠結質量。

提高套管居中度，并采用大排量頂替提高環空返速，也是實現提升沖洗效率、增強水泥環環空密封能力的有效技術措施。考慮到沖洗液在注水泥漿時已經出環空，為了使環空達到紊流頂替，前置液設計注替排量應高于1.5 m3/min。

2.2 優化水泥漿柱結構及體系

為提高膠結強度，優選了泡沫低密度防竄水泥漿和微膨脹彈韌性防氣竄水泥漿［11-12］，并進行固井壓穩設計，防止固井及候凝過程中氣竄的發生。

在泡沫水泥漿基漿中增加微硅含量，增強體系穩定性與強度。基本配方：嘉華G級水泥+3%～6%微硅+2.5%～3%G33s降濾失劑+0.1%～0.5%緩凝劑KH-1+46%水，密度1.90 g/cm3。在該水泥漿基漿中添加1%發泡劑、1%穩泡劑，并進行機械充氮，制備出密度1.31～1.60 g/cm3的泡沫水泥漿。JY氣田技術套管固井領漿采用泡沫水泥漿體系代替加漂珠的低密度水泥漿體系，具有更低的滲透率，更低的彈性模量以及較小的收縮性，使水泥環保持更好的密封完整性。

油層套管選用彈性模量為7 GPa的微膨脹彈韌性水泥漿，并設計返高至造斜點以上200 m，以降低試壓和壓裂對水泥石和膠結界面的應力破壞，提高重疊段水泥石對氣體的密封能力。體系配方：嘉華G級水泥+6%SFP-1彈性材料+0.15%SFP-2彈性粒子+1.8%DZS分散劑+6%FSAM降濾失劑+2%DZP-2膨脹劑+0.1%DZH緩凝劑+44%水。在該水泥漿中適量添加膨脹劑，補償水泥石的收縮，增加水泥石膨脹特性，防止水化收縮產生的微間隙。

利用Chandler7200防氣竄儀對常規水泥漿體系、泡沫水泥漿體系和微膨脹彈韌性防氣竄水泥漿體系的防氣竄性能進行了檢測，同等養護條件下，泡沫水泥漿和微膨脹防氣竄水泥漿的防氣竄突破壓力分別為 2.48 MPa和 1.73 MPa，較常規水泥漿的1.13 MPa大幅提高。

為驗證低彈性模量的微膨脹彈韌性水泥漿體系對壓裂等套管內高應力作用下密封性的改善，利用水泥環密封完整性評價裝置進行了測試。套管內最高加壓70 MPa時不同加載方式下測試的水泥環的密封性見圖7。

圖7 彈韌性水泥環70 MPa完整性評價實驗曲線Fig.7 Integrity evaluation test curve of elastic and ductile cement sheath at 70 MPa

由圖7可以看出，加壓至50 MPa卸載至40 MPa，然后再加壓至 70 MPa 卸壓至 40 MPa，再加壓至70 MPa后完全卸壓至0，水泥環沒有發生氣竄。加卸壓循環了15次后水泥環始終保持密封性，沒有發生氣竄現象，表明微膨脹彈韌性水泥石能夠承受套管內高壓力破壞作用，具有更好的密封保障能力。

2.3 優化水泥石力學性能

為確定合理的水泥石彈性力學性能，采用彈性模量為7 GPa的彈韌性水泥漿體系進行套管內不同壓力作用下的數值模擬計算，結果見表6。

從表6可以看出，在90 MPa套管內壓作用下，水泥環中產生的應力遠低于表4中常規水泥環在相同內壓作用下產生的應力，如果水泥石強度的降低比例小于彈性模量的降低比例，則水泥環不會發生拉伸破壞；在壓應力下只產生彈性變形或者產生較小的塑性變形，從而抵抗疲勞破壞的周期會更長，即在多次分段壓裂施工作用下，不會產生微環隙而引起水泥環密封性破壞導致環空帶壓現象。因此，可通過控制水泥石彈性模量小于7 GPa，從而有效降低壓裂對水泥環力學完整性的影響，保持水泥環的密封性。

表6 水泥環應力數值模擬結果 (彈韌性水泥漿)Table 6 Numerical simulation result of the stress on the cement sheath (elastic and ductile slurry)

2.4 預應力固井措施

預應力固井主要通過增加套管內外壓差，使套管在水泥漿候凝過程中處于擠壓狀態，水泥漿候凝結束后釋放掉環空壓力，使套管擠壓水泥石，增加水泥環界面膠結力，有利于防止環空后期帶壓和氣竄。預應力固井技術在JY頁巖氣井生產套管固井的應用主要通過盡可能降低套管內替漿液柱壓力、增加套管內外壓差實現，該方法對浮箍和浮鞋的密封性能要求較高。目前普遍采用清水(或低密度鉆井液)頂替，已經達到較好的效果；同時采取環空憋壓的方式候凝，一般要求憋壓5～8 MPa，條件具備的情況可以憋壓10～15 MPa。由于JY頁巖氣井生產套管封固段水平段地層承壓能力較低，憋壓可以采用逐級憋壓的方式。

3 現場應用

頁巖氣田大規模開發在我國尚處于起步階段，固井技術與預防環空帶壓措施方面在國內外可借鑒的經驗較少，2015年之前JY投產的頁巖氣開發井生產套管環空帶壓比例較高。預防環空帶壓固井技術成果近年來在JY頁巖氣田試驗應用20多口井，在大規模壓裂后均未發生環空帶壓。

以JY91-2井為例，該井井身結構設計見表7，三開設計完鉆層位龍馬溪組，實際完鉆層位龍馬溪組，設計三開完鉆井深 5 540 米，實際完鉆井深 5 526 m，固井方式為套管單級固井，要求水泥漿返至地面。

表7 JY91-2 井井身結構Table 7 Casing program of Well JY91-2

該井地層承壓能力低，在二開鉆進過程中發生過漏失，降低或避免下套管和固井施工中發生漏失的風險是本次固井的主要難點；二開油氣較活躍，保證下套管和固井施工過程中的有效壓穩，防止環空帶壓是本次固井的重點。封固目的層為低孔低滲的頁巖氣儲層，固井施工結束后需要大型壓裂，對固井膠結質量提出了較高的要求，在滿足生產井段水泥環膠結質量良好的前提下，要求水泥石具有高強的彈韌性以及長期密封性。

采用密度為1.55～1.60 g/cm3的SCW-D型前置液，用量大約 35 m3，保證 15 min 以上的沖洗時間。采用研制的微膨脹彈韌性水泥漿體系，領漿密度1.65 g/cm3，尾漿密度 1.88 g/cm3，彈性模量 6.1 GPa，其中尾漿返高至封固重疊段以上300 m。該井固井施工后憋壓9 MPa候凝，電測結果顯示固井質量優質。經十多段大型壓裂后投產已經兩年以上，未出現環空帶壓現象。

目前預防環空帶壓固井技術已在JY氣田進行大規模推廣應用，固井質量優良率較應用前提高了15%，壓裂投產后帶壓井下降了82%。

4 結論

(1)頁巖氣井環空帶壓的原因包括水泥石膠結差、水泥石體積收縮及水泥環密封破壞等，其中水泥環彈韌性不足，在規模壓裂時破壞造成密封失效是造成JY頁巖氣井環空帶壓的最主要原因。

(2)常規提高固井質量的方法，只能避免短期內的環空密封失效。必須從提高水泥環長期密封性的角度研究提高界面膠結質量、防止水泥石體積收縮，采用較好力學性能的水泥漿體系，才能真正解決JY頁巖氣田環空帶壓難題。

(3)現場應用結果表明，研究形成的提高沖洗液清潔效果，采用微膨脹彈韌性水泥漿并控制彈性模量小于7 GPa等預防環空帶壓綜合固井技術，大幅度降低了JY頁巖氣井的環空帶壓比率，是預防JY頁巖氣田環空帶壓的有效手段。