页岩气水平井固井技术难点及对策研究

王泽林

（大庆钻探工程公司钻技一公司技术管理中心，黑龙江大庆163000）

1 概述

近年来，随着我国石油及天然气资源需求量的持续增加，国内油气田生产能力满足不了国民经济发展对能源的需求，能源自给率严重不足，对进口的依赖程度上升。为了改变这种不利局面，国内油气田加大了勘探开发力度，在常规油气资源难以获得突破的情况下，非常规油气资源成为勘探的热点，其中尤以页岩气受到青睐，在四川取得了较好的勘探效果。我国页岩气资源量丰富，勘探开发潜力巨大，在四川页岩气开发取得了较好的经济效益。页岩气储层与常规油气储层不同，储集岩性多为页岩，属于低孔低渗，甚至是特低孔、特低渗储层，为了实现对页岩气资源的有效开发，多选用长水平段水平井，水平段长度达上千米，并且采用大规模压裂的方式增产。页岩气水平井由于水平段长、井壁稳定性差等原因[1]，给固井带来了难题，加强对页岩气水平井固井难点分析，采取相应措施提升页岩气水平井固井质量，具有重要意义。

2 固井流程及技术要点

固井的目的就是要保护油气井套管、稳固井壁，封隔地层内的油气，避免出现油气水窜层的情况，提升开采效果，延长油气井使用寿命。同时固井也是为接下来的试油试采、压裂及采油生产打下基础，固井质量好坏不仅影响接下来的施工作业，还影响油气井产量及使用寿命，固井质量必须得到保障[2]。

固井的一般流程是先向井筒内下入套管，然后装上水泥头，循环钻井液做好固井的准备工作。然后在向井筒内先注入隔离液，水泥浆泵车作用下向井筒内泵入水泥浆，注入足够量水泥浆（满足填充套管外环空间的需求），然后向井筒内注入钻井液，顶替井筒内的水泥浆。水泥浆达到套管外环空间一定需要一定的时间达到凝固的效果，这个时间称为候凝时间，时长通常为24h 或48h，或者更长时间。当水泥浆充分凝固，强度达到要求后，就可以开展后续施工作业。

固井过程中有几个施工要点，对于水平井来说，由于井身结构复杂，如何保证套管顺利下入，在造斜段套管下入的摩擦阻力较大。套管在井筒内的居中度影响后期注水泥效果，需要采取相应技术措施来保障套管居中度满足要求，避免出现居中度不好，导致出现窜槽现象。此外，水泥浆性能也比较关键，影响水泥环强度。

3 页岩气水平井固井技术难点

水平井井身结构特殊，由于其具有较长的水平段，能够保持井眼在储层中穿行，与储层接触面积大，控制储量范围较广，采用效果好，增产效果明显。但特殊的井身结构也给固井施工带来了难题。

3.1 页岩气水平井易形成岩屑床

水平井具有较大水平段，在钻井过程中，由于目的层地层变化，使得钻探目的不明确，当地层起伏较大，钻头轨迹需要频繁调整，以控制轨迹在储层中穿行，以保证储层钻遇率。由此导致井眼轨迹不能按照预定轨迹进行，导致井眼结构更加复杂。由于井眼结构复杂，岩屑在返回过程中，在重力作用下，在水平段容易在井壁下方大量堆积，形成岩屑床使得井眼愈加不规则，在注水泥时，由于岩屑床的存在，在这些部位钻井液顶替效果不好，使得水泥胶结后，形成的水泥环中会有间隙，不仅影响了水泥环的完整性，还会导致油气水窜槽，影响固井质量[3]。

针对岩屑床的问题，对于水平井，在固井前应进行井眼清洁，对于岩屑床比较严重的部位，应进行划眼清除岩屑床，划眼清除岩屑床的效果比较好，能够有效改善井眼状况。此外，还可以采取加大钻井液排量的方法来循环钻井液，也可以起到破坏岩屑床的效果。

3.2 注水泥窜槽

注水泥过程中，水泥浆顶替效率直接影响固井质量。由于注水泥浆时水泥浆在井眼内是呈尖峰状向前流动的，不是平行向前顶替，会导致套管外环空间中部分井段没有被水泥完全封堵，固井水泥环完整性难以保证，这些水泥间隙为油气水流动提供了通道，会诱发水泥窜槽。造成窜槽的原因归结起来有以下几种：一是套管居中度不好。由于井眼不规则，套管下入时没有安装扶正器，造成套管贴近一边井壁，不仅影响水泥浆顶替效果，在套管外环空间的狭窄部位，容易出现窜槽的情况；二是水泥浆密度不够，水泥浆配置太稀，导致水泥浆流动性强，在井眼内与钻井液相混，使得固井质量受到影响，导致出现窜槽的情况；三是井壁不规则，页岩地层遇水膨胀，使得出现缩径、地层坍塌等情况，井壁不规则，在这些部位水泥浆顶替呈尖峰状，顶替效果差，容易出现窜槽；四是水泥浆性能不能满足要求，在失水和水化过程中，水泥浆体积减小；五是由于顶替不彻底，套管外部环空中残存大量游离水，这些游离水聚集在一起，容易形成窜槽的情况。

3.3 固井界面胶结质量差

在固井过程中，将套管外部空间的水泥浆与套管外壁之间的界面称为固井一届面，将水泥浆与井壁之间的界面称为二界面。页岩气井钻井过程中，为了保证钻井液具有较好的润滑及携砂性，同时还具有较好的储层保护效果，通常会使用油基钻井液，油基钻井液抑制地层水化能力较强，同时兼具润滑性，对储层保护的效果也较好，因此在页岩气水平井钻井过程中使用较为普遍。使用油基钻井液的缺点是容易在套管外壁和井壁上形成油饼或者油膜，使得井壁表面或者井壁上由亲水性变为亲油性，使得水泥浆不能很好地吸附在套管外壁和井壁上，影响了第一界面和第二界面的胶结质量。要克服这种情况，在固井注水泥浆之前，可以注入油基前置液，将吸附在井壁及套管外壁的油膜去掉，将亲油性变为亲水性。此外，在水泥浆顶替时，可以转动或上提下放套管，使套管外壁上的油饼脱落。从而提升第一界面和第二界面的胶结质量。

4 提升页岩气水平井固井质量技术对策

4.1 提升页岩气水平井套管居中度

对于页岩气水平井，在造斜段井眼曲率较大，套管下入过程中在造斜段受到重力、摩擦阻力、钻井液浮力作用，下入难度较大，套管易发生变形。在造斜段和水平段，受到井壁侧向作用力的影响，套管下入的摩擦阻力较大，并且随着套管下入深度的增加，侧向摩擦阻力增大，使得套管难以准确下入到预定的部位。

由于套管下入过程中受到摩擦阻力及应力形变，套管居中度难以保证，套管居中度差造成环形空间形态不规则，影响水泥浆顶替效率。为了提升套管居中度，可以在套管下入过程中安装扶正器，扶正器安装的距离越小，套管的居中度越好，但安装过密会影响套管的正常下入，因此，要控制扶正器合理安放。

4.2 使用油基前置液顶替

由于页岩气水平井钻井过程中，为了提升井壁稳定性，同时兼顾润滑性、携砂性及储层保护效果，多使用油基钻井液，油基钻井液保护井壁效果好，润滑性好、对储层保护效果好，但容易在套管外壁或井壁上形成含油泥饼或油膜，使亲水性界面变为亲油性界面，导致水泥浆凝固时，一、二界面的胶结质量变差。为了改善这种情况，可以使用油基前置液，通过前置液改善界面亲水性，使得水泥浆能够吸附在套管外壁或井壁上，提升一二界面胶结质量，达到固井质量要求。

4.3 优化固井水泥浆性能

水泥浆性能对固井质量起到至关重要的作用，水泥浆性能如密度、失水量、流变性等对固井质量影响较大。在固井过程中，水泥浆失水过多，会导致析出的自由水在环空中聚集，出现窜槽的情况。在水平段，水泥浆固结时，容易发生沉降，导致水泥环上部的水泥浆少，固结强度低，当地层压力系数大时，在这些部位容易发生气窜。对于页岩气井，通常采用大规模压裂的增产措施，固井水泥浆胶结质量达不到要求，会影响压裂效果。为了保证页岩气水平井固井质量要求，水泥浆性能要求具有零析水、低失水、流变性好、高沉降稳定性、稠化时间短等，同时还要求具有一定的触变性。

5 结束语

随着我国加大了对非常规油气资源的勘探与开发力度，页岩气、页岩油等非常规油气资源成为勘探的热点，页岩气储层物性差，采用普通直井开发产量较低，达不到边界经济效益，为了提升单井产量，多使用长水平段水平井，增产效果明显。针对页岩气水平井固井中存在的问题，诸如岩屑床问题、套管下入难题、套管居中度差、水泥浆顶替效率低等，需要采取针对性措施，提升固井质量，保证后续施工作业的顺利进行，提升页岩气井的使用寿命。