页岩气井固井水泥浆体系研究进展

赵军

【摘 要】页岩气开发已成为当前非常规天然气领域的一个研究热点，也是我国实现大规模增产天然气的一个突破口。页岩气储层与常规天然气储层差异大，对钻完井和增产技术要求高。我国页岩气开发起步较晚，目前还处在前期起步阶段。固井水泥浆技术是钻完井技术的一个重要组成部分，是实现有效层间封隔保证页岩气高效开发的重要因素之一。本文对近年来国内外在页岩气固井水泥浆技术上取得的进展进行调研分析，阐述在页岩气井固井过程中采用的新技术，指出下一步页岩气井水泥浆技术发展方向。

【关键词】页岩气；水平井；固井；水泥浆

中图分类号： TE256.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0220-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.103

Research progress on cementing mud system in shale gas Wells

ZHAO Jun

（Oilfield Chemistry Division of China Oilfield Service Co.，LTD.，Yanjiao Hebei 065201，China）

【Abstract】shale gas development has become a research hotspot in the field of unconventional gas at present， and it is also a breakthrough for China to achieve large-scale increase in natural gas production.Shale gas reservoir differs greatly from conventional gas reservoir，which requires high drilling completion and production technology.China's shale gas development started late and is still in its early stage.Cementing mud technology is an important part of drilling completion technology，and it is one of the important factors to realize effective interlayer sealing and ensure the efficient development of shale gas. In this paper，in the shale gas solid slurry technology at home and abroad in recent years，the progress on the research analysis，this paper used in the process of shale gas well cementing of new technology，points out the next step of shale gas well water slurry technology development direction.

【Key words】Shale gas；Horizontal well；The cementing；The slurry

0 引言

天然氣作为一种清洁能源在我国的消费量逐年增加，进口量也快速增加，其中2017年进口量达920亿立方米[1]。页岩气作为一种储量丰富的非常规油气资源，近年来得到快速发展。美国通过页岩气的开发成功的由天然气净进口国转变为出口国。而我国页岩气资源非常丰富，高效的开发利用不但具有良好经济效益还具有极高的战略意义。

页岩气主要分布于致密、低孔、低渗的泥页岩地层中，其主要的储存空间是岩石发育的微孔和裂缝，并且存在方式主要以吸附为主，与常规砂岩储层不同，页岩储层具有脆性强、构造裂缝及微裂缝发育等特点。此外，页岩中富含的黏土成分还会使页岩水敏性、膨胀性强、容易坍塌。而不合适的固井措施会导致井筒层间封隔失效，进而引起气窜。天然气窜至井口引起的环空带压现象会影响到天然气产量和增产措施的实施。据统计，美国宾夕法尼亚地区2008-2011年间的3533口问题页岩气井中，9.2%的井属于环空气窜问题、水泥环或者套管失效问题[2，3]。良好性能的水泥浆体系是实现页岩气井在全生命周期有效层间封隔、防止环空气窜的重要保障之一。本文对近年来国内外页岩气固井水泥浆技术进行调研分析，介绍了国内外在页岩气井水泥浆技术方面取得的进展。

1 页岩气固井面临的困难与挑战

由于页岩含泥质较多，产层极易跨塌破碎，与水泥石胶结质量差，胶结强度低。另外，水泥石在凝固和硬化过程中会发生体积收缩，在套管与水泥环、水泥环与地层之间的胶结界面容易生成微环空和微间隙，形成气体窜流通道，导致页岩气发生窜流。窜至井口形成环空带压，至低压层会影响产量，严重的环空带压会导致整个气井报废[4]。

页岩气水平井普遍具有位移大的特点，后续的增产措施多采用多级压裂方式。水泥石是一种硬脆性材料，自身协调形变能力差，和地层及套管具有不同的弹性和形变能力。在多级压裂过程中会反复遭受循环载荷，水泥石受到较大的内应力和冲击力产生径向裂纹、裂缝。此外，在后续生产阶段的增产措施也会对水泥石产生循环应力，使水泥石疲劳产生裂纹、裂缝。因此，实现页岩气井有效的层间封隔也对水泥石的力学性能有着较高的要求[5]。

因此，页岩气固井要求水泥浆要具备如下特征：1）沉降稳定性好，上下密度差小；2）无自由水；3）失水量小；4）防气窜能力强；5）水化体积收缩率小；6）力学性能好等[6，7]。

2 国内外页岩气井水泥浆技术

2.1 泡沫水泥

泡沫水泥自上世纪七十年代首次在油田得到成功应用以来，得到广泛的发展并日趋成熟。泡沫水泥具有良好的失水控制性、泥浆顶替效率以及较低的液柱压力等优点，多用于低压易漏失地层固井施工。泡沫水泥相对常规水泥还具备更好的拉伸和延展性能，不但可以有效防止压裂井环空窜流，尤其是环空气窜问题；还有利于人工压裂造缝，增加产量。通常的制备方法是将氮气注入含有泡沫稳定剂的水泥基浆中，注入气体量推荐控制范围在35%以内，密度范围一般在0.8～1.8g/cm3之间。随着气体量的增加渗透率和抗压强度下降[8，9]。鉴于泡沫水泥的优良特性，在美国页岩气井中得到广泛的应用，并取得较好的经济效益。如在Oklahoma州Arkoma盆地Woodford页岩气井固井施工时以H级水泥作为基浆，用氮气起泡，将密度调整为1.6～1.7g/cm3之间。施工时以非泡沫水泥作为领浆封固垂直井段，少量的非泡沫水泥尾浆被用来封固套管鞋连接处[10]。中国石化在涪陵页岩气田焦页9井成功应用泡沫水泥封固严重漏失含气层，固井质量优于漂珠水泥，该泡沫水泥采用氮气发泡，井下平均密度为1.55g/cm3[11]。

2.2 酸溶性水泥

酸溶水泥曾被用来暂时封堵易漏失产层[5]。采用常规水泥浆体系的水平段通常在射孔时会在套管和地层间形成具有一定弯曲度的通道，环空中的水泥产生的堵塞效应也会影响流体的流动，这些不利因素影响了页岩气井后续多级压裂时在每个射孔位置成功实现独立的人工裂缝以及在射孔段之间形成有效层间封隔的效果。添加一定量CaCO3的酸溶水泥相对常规水泥在盐酸（HCl）中表现出更好的溶解性，其溶解度达到92%，而常规水泥的溶解度约为25%。酸溶的速度主要取决于水泥中CaCO3的溶解度和与酸液接触的时间。可以通过调整注入酸液的体积以及注入速率控制溶蚀程度。因此，先于压裂液注入采用酸溶水泥的水平井中清除射孔处的水泥屑和堵塞，同时还在相应环空形成大片的连通区域从而为多级压裂提供良好的施工环境。此外，酸溶水泥的强度较常规水泥下降，但还是足以支撑套管串并形成良好的层间封隔。在现场操作中，酸溶水泥在美国Fort Worth 盆地Barnett页岩气井中得到成功应用[12，13]。

2.3 泡沫酸溶水泥

如果固井层段地层脆弱，天然裂缝发育，常规密度酸溶水泥不能有效的实现层间封隔。在酸溶水泥中加入泡沫稳定剂并充入氮气制备成低密度的泡沫酸溶水泥。该体系同时集合了泡沫水泥和酸溶水泥的优点，具有良好的力学性能和堵漏性能。典型的泡沫酸溶水泥的基浆为H级水泥，添加碳酸钙增加溶解性，密度为1.9g/cm3。注入氮气生成泡沫可将密度减轻至1.6 g/cm3。施工过程用少量非泡沫水泥作为领浆封固垂直井段，酸溶泡沫水泥封固水平段，尾浆采用少量非泡沫水泥封固套管鞋连接处[10]。

2.4 火山灰水泥

火山灰水泥利用火山灰和H级水泥作为基浆，掺比为50：50。该体系强度和密度中等，典型的密度在1.6～1.7g/cm3之间。体系的强度虽然较常规密度水泥浆低，但是却在防漏失方面性能良好，尤其是在具有天然裂縫和煤层段固井时降低漏失和破裂压力方面起到良好的作用。此外该体系还有利于压裂作业，易于达到理想的压裂效果。添加了降失水剂和防滤失控制材料的该体系也能有效的降低页岩层的水泥滤失[10]。

2.5 胶乳水泥

胶乳是一种颗粒直径在200～500nm的聚合物乳液，通常采用表面活性剂作为稳定剂。固相含量一般在50%。添加胶乳的油井水泥具有良好的胶结性、抗腐蚀性、降失水性、抗冲击和延展性等优点。通常应用于易发生环空气窜固井、小间隙固井以及含腐蚀介质固井。常用的胶乳为醋酸聚乙烯胶乳和丁苯胶乳[5]。水泥浆中氯离子会引起胶乳凝结使水泥浆粘度增大。此外低温下应用还需要增加大量酒精、乙醚、硫酸盐类稳定剂和减阻剂来保证胶乳的悬浮稳定性。美国Louisiana和Texas地区的Haynesville页岩气水平井具有大位移、高温高压、小间隙、压力窗口窄的特点，给固井施工带来了挑战。Pavlock等采用一种改进的胶乳水泥浆体系成功解决了这一难题。该胶乳在不添加稳定剂的条件下能在浓度为18%的盐溶液中保持稳定，添加少量稳定剂能在饱和的浓盐水中依然保持稳定。该体系流变性好并在大温差下依然保持稳定，最高承受温度可达204℃。水泥石良好的拉伸性和弹性有效防止环空气窜的发生[6]。

2.6 弹性膨胀水泥浆

弹性膨胀水泥通过添加膨胀剂和弹性材料改善了水泥石收缩和弹性性能。相对常规水泥将能经受多次循环应力变换，保证了水泥环长期完整性，防止出现环空气窜[14]。弹性膨胀水泥固相含量可达60%，密度可以在1.6～1.9g/cm3之间调整，同时线性膨胀可达0.4%。美国Marcellus页岩气井中有25%出现了环空气窜问题，Wiliams等根据该地区页岩的力学性能设计了一种弹性膨胀水泥浆，和常规水泥浆相比，杨氏模量下降了40%～70%。固井施工方案将弹性膨胀水泥浆用在封固水平井段上部地层，水平井段采用常规水泥浆封固。该水泥浆在6口井得到了应用，超声测井结果显示固井质量达到设计要求[7]。

2.7 纤维韧性水泥

在水泥中添加一定比例的纤维可以增加水泥的抗冲击性能。主要原理是纤维可以吸收和传递负荷，使水泥石在受到冲击时能量能被分担一部分。赵常青等[15]针对四川盆地页岩气井的特点研制出增韧水泥浆。该增韧水泥浆添加的纤维为高弹模纤维和低弹模纤维组合而成的不同长径比的复合纤维。常规密度的增韧水泥能比常规水泥抗冲击韧性和抗折强度分别增加了20%和10%～15%，弹性模量则下降了约20%。该水泥浆体系在川渝地区成功完成固井施工，保证了后续大规模分段压裂的施工。

2.8 弹韧性水泥

在纤维水泥中加入弹性材料可以提高水泥石的弹性。谭春勤等[16]针对页岩气井固井需求研制开发了具有较高强度和弹塑性的弹韧性水泥浆体系。采用的经过表面改性的弹塑性材料SFP-1与水泥浆配伍良好，基本不影响其流变性。采用的韧性材料SFP-2是经过改性的，长度分别为3、5和6mm的聚丙烯纤维复合而成。该弹韧性水泥浆体系表现出更好的抗冲击性和韧性，其弯曲韧性系数约为常规水泥石的2.4倍。该水泥浆体系已在黄页1井得到成功应用，固井质量优良。

3 结论

1）页岩气井地质条件复杂，容易出现井漏、气窜现象。此外，页岩气井多采用大位移水平井，并在后续采取多级压裂的储层改造增产措施，这些因素对固井水泥浆体系有着更高的要求，水泥环良好的力学性能是保证多级压裂成功并防止环空气窜的重要因素之一。

2）不同的页岩气井固井水泥浆体系各具有独特的优良特性，在实际固井工作中，应结合国家环保法律法规、地质状况、后续增产措施等方面设计出安全经济可靠的水泥浆体系。

3）当前，我国页岩气开发尚处于初期阶段，对页岩气固井水泥浆技术从理论到实践的研究还不够深入，建议加强对配套多级压裂增产措施井的水泥浆技术研究。

【参考文献】

[1]国家发展改革委.2017年天然气运行简况.2018；Available from： http：//yxj.ndrc.gov.cn/mtzhgl/201801/t20180131_876378.html.

[2]Considine Timothy J， Watson Robert W， Considine Nicholas B， Martin John P. Environmental regulation and compliance of Marcellus Shale gas drilling[J]. Environmental Geosciences， 2013， 20（1）： 1-16.

[3]Davies Richard J， Almond Sam， Ward Robert S， Jackson Robert B， et al... Oil and gas wells and their integrity： Implications for shale and unconventional resource exploitation[J]. Marine and Petroleum Geology， 2014， 56： 239-254.

[4]辜涛， 李明， 魏周胜， 等. 页岩气水平井固井技术研究进展[J]. 钻井液与完井液， 2013， 30（4）： 75-80.

[5]Nelson E B， GUILLOT D. Well Cementing[M]. 2nd ed. 2006， New York： Schlumberger.

[6]Pavlock Cole， Tennison Brad， Thompson Jonn G， Darbe Robert Phillip. Latex-based cement design： meeting the challenges of the Haynesville Shale[R]. SPE 152730-MS， 2012.

[7]Williams H， Khatri D， Keese R， et al. Flexible， expanding cementing system（FECS）successfully provides zonal isolation across marcellus shale gas trends[R].SPE 149440-MS， 2011.

[8]Anya， A.， Lightweight and ultra-lightweight cements for well cementing - a review[R]. SPE 190079-MS， 2018.

[9]朱礼平.液氮泡沫水泥固井工艺及施工技术研究[D].2007， 西南石油大学.

[10]Nelson G Scott， Huff D Curtis. Horizontal woodford shale completion practices in the aroma basin， southeast oklahoma： a case history[R]. SPE 120474-MS， 2009.

[11]肖京男，劉建，桑来玉，等.充气泡沫水泥浆固井技术在焦页9井的应用[J].断块油气田，2016，23（6）：835-837.

[12]张言，郭振山.页岩气藏开发的专项技术[J].石油石化节能， 2009，25（1）：24-27.

[13]Ketter Aaron A， Daniels John L， Heinze James R， et al. A field study in optimizing completion strategies for fracture initiation in barnett shale horizontal wells[R]. SPE 103232-PA， 2008.

[14]Le Roy-Delage S. Baumgarte C， Thiercelin M， et al.. New cement systems for durable zonal isolation[R]. SPE 59132-MS.

[15]赵常青，冯彬，刘世彬，等.四川盆地页岩气井水平井段的固井实践[J].天然气工业，2012，32（9）：68-72+139-140.

[16]谭春勤，刘伟，丁士东，等.SFP弹韧性水泥浆体系在页岩气井中的应用[J].石油钻探技术，2011，39（3）：53-56.