東勝頁巖氣超長水平段水平井固井關鍵技術

杜曉雨 王學海 賈彥龍 李鵬程 萬永華

摘要：為實現“稀井高產、效益開發”的目的，實現有效動用地質儲量和提高頁巖氣單井產量，在重慶南川東勝區先導試驗超長水平段水平井，探索形成適合于非常規油氣開發工程新模式。超長水平段水平井固井面臨套管下入難度大、頂替效率差、水泥漿性能差異化等技術挑戰。通過開展超長水平段水平井套管下入技術、長效密封水泥漿體系及配套工藝研究，形成以“套管安全高效下入及居中度控制+防漏防竄長效封固水泥漿+固井施工參數精細化設計與控制”為核心的超長水平段水平井固井關鍵技術系列。該技術系列在該區第一口超長水平段水平井SY9-2HF（水平段長3 583 m）成功完成應用，固井質量合格率100%，優質率95%，為該井后期壓裂施工、高效開發奠定了良好工程基礎。

關鍵詞：東勝區塊；頁巖氣；水平井；固井；超長水平段；長效密封

In order to achieve the objective of “high yield and beneficial development in scare wells of wide spacing”， effectively produce geological reserves and improve the single well production of shale gas， pilot test of well with ultralong horizontal section was conducted in the Dongsheng block， Nanchuan district， Chongqing， to explore and form a new mode suitable for unconventional oil and gas development projects.The cementing of well with ultralong horizontal section is faced with technical challenges such as difficult casing running， poor displacement efficiency， and different cement slurry performances.By means of research on the casing running technology， longterm sealing cement slurry system and supporting technology of well with ultralong horizontal section， a series of key cementing technologies for wells with ultralong horizontal sections， represented by the safe and efficient casing running and centrality control + leak resistance and channeling resistance longterm sealing cement slurry + fine design and control of cementing operation parameters， were formed.These technologies have been successfully applied in the first ultralong horizontal well SY9-2HF （horizontal section length of 3，583 m） in the block， with the cementing quality acceptability of 100% and the highquality rate of 95%， which lays a good engineering foundation for subsequent fracturing operation and efficient development of the well.

Dongsheng? Block；shale gas；horizontal well;

cementing；ultralong horizontal section；longterm seal

0 引 言

重慶南川東勝區塊以常壓頁巖氣為主，采用常規水平井開發技術，限制了頁巖氣資源的進一步高效開發［1］。為了實現“稀井高產、效益開發”目的，在該區先導試驗實施超長水平段水平井。針對頁巖氣水平井固井技術難題，國內已形成水平段長1 500～2 500 m頁巖氣水平井固井成熟技術方案。漂珠低密度水泥漿、常規彈韌性水泥漿體系及配套工具、工藝均得到了廣泛推廣應用，固井質量較頁巖氣勘探初期得到明顯改善；常規彈韌性水泥環滿足了常壓頁巖氣水平井近30段分段壓裂技術需求［2］。

結合國內外頁巖氣水平井固井及壓裂實施案例及經驗，東勝區塊常壓頁巖氣超長水平段水平井固井面臨套管安全快速下入、固井質量改善、高壓裂載荷循環加載下水泥環完整性保障等技術要求更加苛刻的難題［3-4］。針對以上技術難題，筆者重點介紹SY9-2HF井139.7 mm生產套管固井實踐中探索形成的超長水平段水平井固井技術系列，以期為東勝區塊常壓頁巖氣資源效益開發提供借鑒和指導。

1 固井技術難點分析

SY9-2HF井位于南川地區武陵褶皺帶萬縣復向斜平橋背斜構造帶，采用“導管+二開制”井身結構，導管采用406.4 mm鉆頭施工，339.7 mm套管下深385.63 m，固井封固上部淺表水層；一開采用311.2 mm鉆頭施工，中完井深2 382 m，244.5 mm技術套管下深2 379.98 m，封固淺層氣層、韓家店組、小河壩組及龍馬溪組上部大套泥巖易漏地層，為二開儲層順利鉆進奠定良好工程基礎；二開采用215.9 mm鉆頭施工，專攻龍馬溪組目的儲層，完鉆井深6 455 m，139.7 mm套管下深6 450.76 m。

該井二開鉆遇頁巖氣目的層龍馬溪組因上部存在大套泥頁巖地層，存在漏失、垮塌風險。實際鉆進過程中6 150、6 337 m發生漏失，通井期間發生漏失最大漏速達到8.5 m3/h。產層施工具有一次性封固段長，固井液體環空運移摩阻大，固井施工替漿后期壓力較高等特點，存在漏失風險。

該井為工區先導試驗的首口超長水平段水平井，水平段長3 583 m，套管下入過程中水平井段套管對井壁側壓力大，增大下入摩阻；且水垂比較大，驅動力不足，導致難以保證套管安全高效下入；超長水平段套管居中度差，水泥漿紊流狀態難以保證；油基鉆井液導致井壁油膜、泥餅難以清除，環空清潔不充分，水泥漿對環空不能有效封固；超長水平段水平井壓裂段數較常規水平井明顯增加，壓裂高載荷循環作用于水泥環，對水泥環的強度和彈韌性要求更高。

2 固井技術措施

2.1 套管安全高效下入及居中度控制技術

套管安全高效下入及提升套管居中度是頁巖氣超長水平段水平井固井成功的關鍵技術。針對SY9-2HF井139.7 mm生產套管下入過程控制，筆者基于套管下入模型，進行摩阻系數等關鍵因素分析與優、化扶正器選型和安放優化以及漂浮接箍適應性評價，形成超長水平段水平井套管安全高效下入工藝技術［5-6］。

2.1.1 套管居中度分析

為了保證139.7 mm生產套管居中度，SY9-2HF井直井段及與上層套管重疊段按照4根套管安放1只樹脂旋流扶正器設計；由于套管與造斜井段井壁接觸造成的摩阻較大，同時還需保證套管順利通過，因此在造斜井段按照2根套管安放1只樹脂旋流扶正器設計；為了保證套管居中度，同時保證生產套管延伸能力，降低下入摩阻，水平井段按照1根套管安放1只扶正器的方案，滾珠扶正器與整體式彈性扶正器交叉使用［7］，如表1所示。

對表1扶正器安放進行模擬計算，居中度分析結果如圖1所示，其中造斜井段套管平均居中度達到67%以上，水平井段套管居中度大于80%，滿足頁巖氣水平井固井技術要求。

2.1.2 套管下入方式優選

超長水平段水平井套管下入過程摩阻大，套管下入難度大，因此需要開展套管常規下入與漂浮下入方式優選評價。為了提高模擬分析預測精度，下套管前最后一次通井，通過記錄起下鉆大鉤載荷，精確測算當時井況起下鉆摩阻系數，作為套管下入模擬分析中的摩阻系數，設計扶正器類型及安放方案，進行套管下入過程模擬。結果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，通過對139.7 mm生產套管常規下入方式進行模擬分析，其中套管重疊段摩阻系數FFc為固定值0.18。當裸眼段平均下入摩阻系數FFo＞0.23時，套管下入過程中存在屈曲風險，易發生自鎖，導致套管無法正常下入；當FFo≤0.23，套管下入無屈曲風險，此時模擬套管下至井底的大鉤載荷≥450 kN，生產套管能夠順利下至井底。

由圖3可知，通過對139.7 mm生產套管漂浮下入方式進行模擬分析，其中漂浮接箍安裝在井深4 450 m處，漂浮段長2 000 m，套管重疊段摩阻系數為固定值0.18。當裸眼段平均下入摩阻系數FFo＞0.26時，套管下入過程中存在屈曲風險，導致套管無法正常下入；當FFo≤0.26時，套管下入無屈曲風險，且此時模擬套管下至井底大鉤載荷≥460 kN，生產套管能夠順利下至井底。

現場下套管前最后一次通井顯示，通井鉆柱下入過程中，套管重疊段下入摩阻系數為0.18，裸眼段下入摩阻系數FFo為0.22。設置不同漂浮段長，進行套管下入安全性模擬分析。結果如表2和圖4所示。

根據結果分析，SY9-2HF井實際井況條件下，未設置漂浮空氣段，套管下入過程中，大鉤載荷呈先增加后減小變化趨勢，最大值691.0 kN出現在A靶點（井深2 870 m）；下至井底時，大鉤載荷為480.3 kN；套管在水平段延伸過程中，大鉤載荷始終大于450 kN，能夠保證套管順利下入。設置2 000 m以內漂浮段，能夠減小套管懸重，套管下至井底時，大鉤載荷較無漂浮方式無明顯增加。設置3 000 m漂浮段，套管下至井底時，大鉤載荷較無漂浮方式增加約100 kN。最終選擇常規方式完成生產套管下入，全程無遇阻現象，套管下到位時，大鉤載荷為435 kN，與模擬分析結果480.3 kN誤差為10%，說明模擬分析對現場實際施工具有一定指導意義。

2.2 防漏防竄長效封固水泥漿技術

頁巖氣水平井后期需進行大型分段壓裂以實現頁巖氣高效開發。而超長水平段水平井后期壓裂段數較常規水平井會明顯增加，近50段分段壓裂施工高載荷循環作用于水泥環，對水泥環密封完整性是巨大挑戰。

固井水泥漿不僅要保證固井質量，同時要滿足頁巖氣井全生命周期長效密封技術需求。由于SY9-2HF井二開水平段鉆進多次發生漏失，所以水泥漿設計同時要考慮施工防漏，實現環空水泥漿理想返高，進一步保障環空密封完整性。

綜合考慮防漏防竄和長效密封固井的目的，對SY9-2HF井139.7 mm生產套管固井設計機械充氮泡沫固井技術，采用“泡沫低密度+高強彈韌性防氣竄”雙凝雙密度水泥漿體系，設計水泥漿返高至井深1 000 m，領、尾漿分界面2 500 m。開發了彈韌性水泥漿（1#）和高強彈韌性防氣竄水泥漿（2#）。

1#彈韌性水泥漿：G級水泥+6%微硅+3%彈性材料+0.05%高溫懸浮劑+5%降失水劑+3%液硅+0.15%緩凝劑+48%現場水，密度1.80 g/cm3。

2#高強彈韌性防氣竄水泥漿：G級水泥+6%彈性材料+3.5%降失水劑+3%液硅+0.3%分散劑+0.25%早強劑+0.15%緩凝劑+42%現場水，密度1.88 g/cm3。

其中1#水泥漿作為領漿基漿，施工過程中充氮氣至泡沫低密度水泥漿，封固1 000～2 500 m，實現固井防漏防竄目的；2#水泥漿作為水平段尾漿，利用其高強低彈性能，改善固井質量的同時滿足后期大型壓裂對水泥環力學性能需求。如表3所示。

2.2.1 泡沫低密度水泥漿體系優化與評價

針對普通發泡劑在水泥漿中發泡能力差、泡沫穩定周期短等技術難題，基于增溶與置換的界面吸附原理，研發了以陰離子/兩性離子為主的水泥漿高效發泡劑［8］。該發泡劑發泡時間短于15 s，發泡倍數達到25倍以上;針對地層溫度條件下泡沫聚集分層、排液速度加快的難題，基于納米吸附與增黏穩泡作用機理，開發了耐溫穩泡劑。該穩泡劑能有效阻止氣泡聚合，減少液膜排液，顯著增強了地層溫度條件下穩泡效果［9］。泡沫低密度水泥漿體系在93 ℃高溫條件下半衰期達到33.8 h以上且靜切力達到12 Pa［10］，能夠有效保障水泥漿流態-塑態-固態全生命周期的穩定性。

泡沫水泥漿因自身孔隙結構較多且圈閉大量可膨脹高壓儲能泡沫，在水泥漿膠凝階段，高壓泡沫膨脹能夠有效補償水泥漿“失重”造成的壓力損失。水泥漿在流態-塑態-固態轉化過程中實現壓穩氣層，防止環空氣竄［11-12］。1#彈韌性水泥漿充氮氣至密度為1.50 g/cm3泡沫低密度水泥漿，與常規漂珠低密度水泥漿（密度1.50 g/cm3）分別在試驗溫度55、90 ℃開展防竄性能評價對比試驗，結果見表4。由表4可知，因自身儲能微泡膨脹作用，泡沫水泥漿孔隙壓力的變化非常緩慢，泡沫水泥漿較常規漂珠低密度水泥漿失重時間明顯延長，氣竄流量減小，所以泡沫水泥漿具有更好的防氣竄能力。

1#彈韌性水泥漿充氮氣至密度為1.50 g/cm3泡沫低密度水泥漿，在27.5 ℃、20 MPa水浴條件下養護72 h形成固化水泥石，單軸力學測試顯示該水泥石抗壓強度14.8 MPa，彈性模量4.5 GPa，力學性能滿足頁巖氣水平井固井技術需求。利用COME LAB滲透儀測定密度為1.50 g/cm3泡沫低密度水泥石滲透率為0.018 mD，泡沫水泥石在井下環境中屬于一種低滲透性水泥石。

2.2.2 高強彈韌性防氣竄水泥漿體系優化及評價

常規水泥石具有抗壓強度高、變形能力差、易脆性破壞等特征。目前主要采用低彈模材料填充水泥石來改善水泥石硬脆性，增強水泥石變形能力［13］。

彈性材料是非活性物質，不會發生水化反應，屬于水泥石中的薄弱環節，在彈性材料周圍存在界面過渡區，是微裂紋和微裂縫擴展的源頭，所以其摻入降低了水泥石的抗壓強度。針對以上技術難題，基于有機/無機雜化復合理論，對彈性材料的表面進行微結構調控，使其表面由疏水性轉變為親水性，同時形成梯度界面，在與水泥漿發生水化反應過程中產生“釘扎效應”和“嵌鎖結構”。有效改善固井水泥石彈韌性的同時，使水泥石保持良好的抗壓強度［14］。

為了進一步提升水泥漿體系防竄性能，構建高強彈韌性水泥漿體系中添加適量納米液硅防氣竄劑。其具有極強的表面活性，可參與水泥水化反應，迅速提高水泥漿膠凝強度，降低水泥石滲透率，增加氣竄阻力；同時納米液硅可有效束縛水泥漿中的自由水，防止形成水泥漿高邊水槽；另外存在的親水鏈和親油鏈可改善不同界面的潤濕性，改善界面膠結質量［15］。如表5所示。

2#高強彈韌性防氣竄水泥漿體系在93 ℃、42 MPa水浴條件下養護48 h形成固化水泥石。單軸力學測試顯示，該水泥石抗壓強度28.2 MPa，測試彈性模量隨加載應力變化規律，高強彈韌性水泥石彈性模量小于6 MPa，較常規水泥石彈性模量降低50%以上，見圖5。進一步開展三軸循環加載力學試驗（軸向壓力35 MPa，圍壓20 MPa），測得30次循環加卸載條件下高強彈韌性水泥石的殘余應變僅為0.45%，較常規水泥石降低30%～50%，能夠滿足后期大型壓裂技術需求。

2#高強彈韌性防氣竄水泥漿體系基本性能滿足固井施工要求，對相應水泥環密封完整性進行測試評價。采用自研大型物理模擬評價裝置，模擬90 MPa壓裂載荷循環作用于水泥環，測試水泥環密封能力，模擬試驗循環加載64次，未發生氣竄，其密封完整性評價情況見圖6。說明該體系滿足頁巖氣超長水平段水平井現場應用需求，在歷經50次以上循環加載后能夠保障環空封固，實現長效密封。

2.3 超長水平段水平井沖洗工藝技術

頁巖氣超長水平段水平井鉆進過程中巖屑返出井口周期長，若油基鉆井液性能不佳導致攜巖能力差，巖屑會在水平段沉降堆積，為后期固井清潔環空帶來巨大挑戰。針對超長水平段水平井，固井沖洗工藝技術不僅需考慮高效清潔界面油膜，同時需優化工藝以滿足油基泥餅清除需求。

工區常規頁巖氣井固井多采用SCW洗油沖洗液體系，應用效果良好。該體系沖洗液分子從油膜表面迅速滲入，產生溶脹作用，削弱油餅的內聚力和結構力；而沖洗液中的固相顆粒則在水力機械作用下對界面泥餅產生物理沖刷，加快清除井壁污物［16］。在SCW體系的基礎上創新提出“前置洗油沖洗液+加重隔離液+后置洗油沖洗液”的多級沖洗工藝，優選溫敏懸浮材料以優化沖洗液體系在井下高溫條件中的流體性能，并優選合適粒徑加重劑以優化沖洗液物理沖刷效率，實現超長水平段水平井固井環空清潔，保障固井界面膠結質量。

2.4 固井施工關鍵參數精細化設計

綜合考慮壓穩、防漏、保障頂替效率等因素；結合上述水泥漿柱結構、多級沖洗工藝設計，模擬計算注水泥及替漿過程。重點關注井底、易漏薄弱點的壓力和當量循環密度變化，關注環空頂替效率變化。通過優化施工參數，實現精細化固井，進一步提升固井質量。如表6、表7所示。

該井二開鉆進過程中在一開套管鞋位置（2 390 m）進行地破試驗，鉆井液密度1.45 g/cm3，承壓當量密度1.75 g/cm3，地層未破。二開固井前對井底及水平段漏層薄弱點進行地層靜/動態承壓試驗：靜態承壓，起鉆至2 342 m，套壓增加1.45 MPa，穩壓20 min，壓降0.05 MPa，總泵入0.92 m3水泥漿，泄壓回吐0.8 m3，鉆井液密度1.53 g/cm3，井底靜液柱當量密度為1.584 g/cm3；動態承壓，下鉆至井底，以固井施工最大排量1.8 m3/min循環2周驗漏，無漏失，綜合考慮液柱壓力及循環摩阻（循環摩阻預計為8 MPa），井底動態當量密度為1.826 g/cm3。通過優化施工參數，模擬計算注替過程中井底及漏層薄弱點當量密度（ECD）如圖7所示。由圖7可知，各當量密度均滿足防漏防竄技術要求。

3 生產套管固井效果評價

通過對固井過程參數精細化設計，成功實現全過程平衡壓力固井，實際替漿到位泵壓為22 MPa，與模擬計算的21.02 MPa基本一致（見圖8）。候凝72 h，下鉆探塞，水泥漿返高至896 m，滿足設計要求的返高至1 000 m，證實固井過程及候凝階段未發生漏失。對固井質量進行檢測，固井質量合格率100%，全井優質率達到95%。該井后期完成50段分段壓裂施工后投產至今，井口無環空帶壓現象。該系列固井關鍵技術措施滿足了超長水平段水平井固井技術需求，成功解決了常壓頁巖氣超長水平段水平井固井漏失以及環空氣竄問題，實現了頁巖氣井全生命周期長效密封目標。

該系列固井技術后期在同平臺SY9-6HF井再一次成功實施，刷新頁巖氣超長水平段水平井固井記錄（3 601 m），固井無漏失發生，全井固井質量優質率達到93.5%。后期順利完成46段分段壓裂施工后投產至今，井口無環空帶壓現象。超長水平段水平井生產套管固井關鍵技術的成功實施，為工區頁巖氣資源高效開發提供了堅實的技術保障。

4 結 論

（1）基于鉆進過程地層摩阻開展的套管下入模擬計算，能夠有效優化套管下入方式、扶正器選型及安放設計，對固井施工套管安全高效下入具有極為重要的指導意義。

（2）“泡沫低密度水泥漿+高強彈韌性防氣竄水泥漿”雙凝雙密度水泥漿體系能夠有效解決頁巖氣超長水平段水平井固井漏失、環空氣竄等技術問題，實現頁巖氣水平井全生命周期長效密封目標。

（3）“前置洗油沖洗液+加重隔離液+后置洗油沖洗液”的多級沖洗工藝，滿足了超長水平段水平井環空清潔技術需求，提升了固井水泥環與界面膠結質量，進一步保障了頁巖氣水平井環空密封效果。

（4）頁巖氣超長水平段水平井固井技術系列，為實現東勝區塊常壓頁巖氣資源“稀井高產、效益開發”目標奠定了良好的技術基礎，具備廣闊的推廣應用前景。

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第一杜曉雨，助理研究員，生于1990年，2016年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲碩士學位，現從事頁巖氣固井水泥環完整性及固井工藝研究工作。地址：（102206）北京市昌平區。電話：（010）56606219。Email：dxyshiyou@163.com。2022-10-08