水基钻井液钻进页岩气储层段配套固井技术与应用

吴宏杰 (中国石化江汉石油工程公司，湖北 潜江 433121)

为了促进页岩气钻井液体系朝着绿色环保的方向发展[1,2]，中国石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司在焦页18号平台部署了第一口水基钻井液穿行页岩层位的试验井焦页18-10HF。该井垂深2867m，水平段段长1348m，在经历22d的钻进后，最终完成了三开水平段钻进。由于页岩地层具有强水敏性、微裂缝发育等特征，易发生水化分散[3～5]。所以，固井过程中如何保障井壁稳定、避免页岩水化分散、提高套管居中度、改善不规则井壁段的冲洗效率将是决定固井作业成功的关键。

1 基本情况

焦页18-10HF井设计井深4560.00m。2019年4月6日一开钻进，5月26日二开钻进，6月14日三开钻进，完钻井深4434m，水平段长1348m。其井身结构和使用的钻井液的性能分别见表1和表2。

表1 井身结构

表2 钻井液的性能

2 固井作业难点分析

2.1 套管下入难点

1)相对于油基钻井液而言，水基钻井液钻进页岩气井，摩阻系数偏大(油基钻井液摩阻系数0.2～0.25，水基钻井液摩阻系数0.35～0.40，相对摩擦系数增长60%～75%)，模拟显示套管下入摩阻增大40%～60%。

2)水平井段在井壁侧向力大，水平段较长及井壁虚泥饼较厚的条件下易造成套管下入困难[6～8]。

3)水平井段套管所受的重力方向不是轴向而是径向，极易造成套管偏心，甚至贴边，这一方面会增加套管下入摩阻，另一方面致使套管居中困难。

2.2 提高顶替效率难点

1)水基钻井液滤饼较油基钻井液滤饼厚度增加250%(油基钻井液滤饼厚度通常在0.2cm左右，而水基钻井液滤饼厚度多在0.5cm)，较厚的滤饼既需要性能优越的冲洗液，又需要更长时间的冲洗或者更快流速的冲洗，冲洗液的环空返速与冲洗效率直接影响顶替效果，进而影响固井质量。因此，需要根据滤饼的冲刷效果试验重新确定冲洗液和流速。

2)在页岩段钻进过程中出现不同程度的掉块，井径不规则，井段呈“糖葫芦”样，井段内残留的钻井液较难驱替干净，水泥浆的胶结质量难以保障。

3)套管居中度低致使套管低边钻井液驱动困难，水平段更容易发生窜槽问题[9,10]，要解决相关问题还需要增加扶正器安放数量。

2.3 防漏、防塌难点

1)由于在页岩段钻进过程中有掉块现象发生，若水泥浆失水量稍大或水泥浆密度偏低都有可能造成施工过程中出现垮塌，影响施工作业安全。

2)焦页18号平台邻井存在层间压裂串通的问题，且中途钻进中钻遇涧草沟组(涧草沟组属于破碎带)，固井施工时存在漏失可能。

3)焦页18号平台邻井在钻井过程中气侵较为严重，气层较为活跃，在浆柱结构压稳及水泥浆防窜性能方面要求较高，即压稳、防窜要同时兼顾[11,12]。

2.4 固井流体设计难点

1)水基钻井液滤饼较厚，冲刷较为困难，固井前置液需要具有良好的冲刷、剥离效果。由于井壁存在失稳风险同时需要前置液具有良好的页岩膨胀抑制能力，所以双效抑制型前置液体系是页岩水基钻井液固井最佳选择。

2)由于固井过程中存在漏失和井壁失稳风险，要求水泥浆除了具有良好的稳定性和防窜能力外，还要求水泥浆具有防漏和低失水性能[13～15]，尽量保障固井过程中压稳防漏。

3)气层较为活跃，水泥浆防窜要求较高，首先保障固井过程中压稳防窜，其次要保障候凝过程中防窜，需要水泥浆防窜性能提升[16～18]，也需要改进防窜工艺技术措施。

3 固井技术措施

3.1 模拟通井确保套管顺利下入

1)严格执行模拟通井技术措施，且保证通井钻具的刚性不低于套管柱的刚性并对缩径、遇阻井段进行扩划眼，确保套管顺利下入。

2)通井到底后要小排量顶通循环，待泵压正常后，逐步提高排量，最后达到大排量(大于1.60m3/min)循环钻井液充分洗井，调整好钻井液性能，保证井眼干净无沉砂。

3)洗井完成后，维护好钻井液性能，可适当加入石墨类润滑剂降低摩阻，为顺利下入套管做好准备。

4)根据完井通井起下钻摩阻数据，反演出摩阻系数，确定套管的下入及扶正器安放位置。

5)在扶正器安放方面，水平井段每1根套管安放1只扶正器，采用刚性滚珠扶正器和弹性扶正器交替安放；造斜段按照每3根套管安放1只刚性扶正器；直井段要求每5根套管安放1只刚性扶正器。

3.2 优化前置液方案提高顶替效率

1)隔离液设计方案：同密度低黏先导泥浆+双效抑制型隔离液。

2)固井前最后1周循环，将钻井液的屈服值和静切力适当降低。

3)固井施工前注入冷却的先导泥浆(漏斗黏度≤65s)25m3。

4)套管到底后，最终循环排量要达到1.60m3/min，确保固井施工排量。

5)在隔离液中加入硬质纤维，兼顾增强扰动冲刷和防漏效果。

6)隔离液、水泥浆按最小的密度差梯度，在高固相的水基钻井液条件下，水平段能减少高低边流动差异，从而达到更好的顶替效果。

3.3 优化水泥浆性能侧重防漏、防塌

1)做好提承压试验，确保固井施工安全。

2)循环时钻井液进出口密度差不大于0.02g/cm3，压稳气层后方可进行下套管及固井施工作业。

3)采用平衡压力固井，设计合理的隔离液、水泥浆密度以及适当的固井施工参数。

4)在隔离液中加入硬质纤维增加防漏效果。

5)在领浆里加入堵漏复合纤维，固井施工时进行防漏处理预防漏失，提高固井质量。

6)控制水泥浆密度及注替排量，若固井施工发生漏失，适当降低注替排量，确保固井质量。

3.4 优化施工参数，采用环空加压双防技术提高固井质量

1)合理设计浆柱结构，采用双凝双密度防窜韧性水泥浆体系，领浆性能在保证稳定性良好的前提下，尽量使用低切力有利于压稳，同时领、尾浆稠化时间大于60min，保证在尾浆失重的情况下，上部水泥浆对地层流体的静态压稳。

2)保持固井注水泥浆排量始终接近大泵循环排量，确保固井施工过程中的动态压稳。

3)施工结束后环空加回压必须在尾浆静胶凝强度形成后进行作业，防止压漏地层。

4 水泥浆室内研究

页岩地层的水敏性强、微裂缝发育，易发生水化分散，是造成井壁掉块与失稳的主要原因。页岩气水平井固井质量提升的要素之一在于井壁泥浆滤饼能否有效清除。目前常用的冲洗液、隔离液通常用淡水配制，淡水的体积占比在60%以上，直接用来冲刷井壁，页岩水化膨胀、分散的机率大大提升，固井作业风险极高。所以选择具有页岩抑制效果和滤饼剥离与冲刷效果的双效抑制型冲洗隔离液作为页岩段水平井固井作业的前置液。

针对页岩层段固井水泥浆体系，选择零自由水胶乳韧性防窜水泥浆体系进行固井作业。利用胶乳的“压差成膜”特性降低水泥浆滤液向地层渗透，一方面极大地降低了水泥浆失水，另一方面提升了水泥浆的防气窜效果。

4.1 双效抑制型隔离液室内评价

4.1.1 双效抑制型隔离液清洗效率评价

为了评价双效抑制型隔离液的清洗效率，采用如下步骤进行试验：将配制好的油基钻井液按高温高压失水方法压制滤饼；用橡皮筋将滤饼固定在六速旋转黏度计的外筒上(转子不装)；将配制好的清洗液装入杯中(升至目标温度)，打开黏度计开关，在固定转速(一般300r/min)下旋转固定的时间(一般10min)，取出后，查看滤饼清洗效果，并拍照；计算清洗效率：

(1)

式中：ηA为清洗效率，%；G0为转筒和滤纸质量(由于压滤饼的那张滤纸无法称重，因此滤纸要测预先润湿的滤纸重量，润湿几张滤纸，取平均值作为空白的质量)，g；G1为压滤饼后转筒和滤纸的质量，g；G2为清洗后转筒和滤纸的质量，g。

室内测试的试验过程见图1，试验结果见表3。

表3 冲刷时间与清洗效率

由表3可见，在冲刷5min后滤饼的清洗效率可达64%，在冲刷10min后滤饼的清洗效率可达92%，可见双效抑制型隔离液具有较好的冲刷剥离滤饼的作用。

4.1.2 双效抑制型隔离液抑制性能评价

评价隔离液对页岩的抑制性能，室内主要采用分散性试验-滚动回收率方法。试验步骤：取干燥的龙马溪组露头土和钻屑，粉碎，取岩样6～10目部分；在加热老化罐中加入350mL水或隔离液和50g筛取的岩样；将老化罐放入滚子加热炉中滚动4h(控制所需温度)；冷却后倒出，过40目筛，取筛上部分岩样干燥称重；计算滚动回收率：

(2)

式中：ηB为滚动回收率，%；M为滚动后收集的岩样质量，g。

室内评价的隔离液体系抑制性结果见表4。由表4可见，质量分数为30%的隔离液具有较强的页岩抑制能力，针对龙马溪组露头土的滚动回收率达89.56%，针对页岩钻屑的滚动回收率达96.32%，能够有效保障井壁稳定性。

表4 体系抑制性能评价

4.2 韧性防窜水泥浆体系室内评价试验

页岩储层段固井水泥浆体系采用双凝双密度水泥浆体系设计；尾浆采用零自由水胶乳韧性防窜水泥浆，领浆采用纤维低密度防窜防漏水泥浆体系。水泥浆严格控制失水量与自由水量，领浆中添加了质量分数为0.2%的防漏、堵漏纤维，用于提升低密度领浆的防漏、堵漏能力。尾浆和领浆的基本性能测试结果分别见表5和表6。

表5 零自由水胶乳韧性防窜水泥浆性能

表6 纤维低密度防窜防漏水泥浆性能

由表5可以看出，零自由水胶乳韧性防窜水泥浆的失水量较低，无自由液产生，且沉降稳定性好，养护强度可达23.5MPa，弹性模量数据显示水泥浆具有较好的弹韧性。由表6可以看出，纤维低密度防窜防漏水泥浆体系的基本性能较好，浆体性能稳定，且漏失控制能力强。2种水泥浆体系共同使用且兼具防漏与防窜功能，能够有效保障水基钻井液页岩段的固井质量。

5 现场应用

焦页18-10HF井于2019年7月14日进行固井施工作业，注入密度1.60g/cm3先导泥浆25m3，注入1.60g/cm3双效抑制型隔离液19.8m3，注入水泥浆103.3m3(其中领浆42m3，尾浆61.3m3)。注水泥浆排量1.55m3/min，替浆排量1.55～0.8m3/min；注水泥浆领浆密度1.62g/cm3，尾浆密度1.87g/cm3。施工过程顺利，碰压25～28MPa，水泥浆返出地面2m3，环空憋压8MPa，72h候凝，全井段固井质量优质，平均声幅值在10%以内(见图2)。

6 结论与建议

1)分析了水基钻井液钻进页岩气储层段的配套固井作业的技术难点，提出4项技术措施解决相关问题：精准模拟通井，确保套管顺利下入；优化前置液方案，提高顶替效率；优化水泥浆性能，侧重防漏、防塌；优化施工参数附加环空加压双技术提高固井质量。

2)双效抑制型隔离液体系不仅具有较好的冲刷、剥离滤饼的作用(滤饼的冲洗效率可达92%)，而且还具有较强的页岩抑制能力，当质量分数为30%时，其滚动回收率高达96.32%。

3)双凝双密度水泥浆体系设计能较好满足页岩储层段固井作业，尾浆选择零自由水胶乳韧性防窜水泥浆体系，失水量控制在40mL以内，自由水量为0，水泥浆的弹性模量控制在6.6GPa，确保水泥浆有效封固；领浆选择纤维低密度防窜防漏水泥浆体系，失水量控制在50mL内；水泥浆应具有较高的稳定性，密度差控制在0.02g/cm3内。

4)顺利完成了焦石坝区块第一口水基钻井液钻进页岩储层段的固井作业，经过72h的候凝，测井曲线显示全井段平均声幅幅值在10%以内。