低滲透油藏固井工藝技術(shù)

低滲透油藏固井工藝技術(shù)

世界石油和天然氣資源可達(dá)1219.4.1012m3，其中黃巖油資源可達(dá)1563.0172m3。美國在頁巖氣開發(fā)方面處于領(lǐng)先地位,2010年頁巖氣產(chǎn)量超過1000億m3,占當(dāng)年天然氣總產(chǎn)量的17%,使美國從天然氣凈進(jìn)口國成為出口國。。我國非常規(guī)資源量同樣巨大,頁巖油氣資源量達(dá)到26×1012m3。由于頁巖氣儲層物性差,孔隙度和滲透率低,通常采用長水平段水平井和分段壓裂增產(chǎn)技術(shù),因此對固井技術(shù)要求很高。與常規(guī)固井技術(shù)相比,頁巖氣井固井除滿足高要求的水泥漿性能外,還需要采用有效手段驅(qū)替油基鉆井液、安全下入長水平段套管和控制合理居中度。國內(nèi)的頁巖氣井固井技術(shù)研究與應(yīng)用處于起步階段,筆者通過對數(shù)口頁巖氣水平井固井技術(shù)進(jìn)行研究與分析,針對上述問題提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。1固井膠結(jié)質(zhì)量要求頁巖氣儲層多為低孔低滲,90%以上的頁巖氣需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通天然裂縫,因此對固井膠結(jié)質(zhì)量提出了很高的要求。要提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量,需要解決以下固井難題。1.1套管下入試驗研究水平井段鉆具受力狀況導(dǎo)致水平井眼呈橢圓形。由于頁巖儲層易遇水膨脹,井眼橢圓度更加嚴(yán)重。水平段鉆進(jìn)時間較長,也使井眼更加不穩(wěn)定。大斜度井段和水平井段套管對井壁側(cè)向力大,由于水平段較長,導(dǎo)致下套管摩阻較大,使套管很難順利下至預(yù)定位置,尤其是較淺的頁巖氣水平井更為突出。建南地區(qū)的頁巖氣水平井JY-HF1井垂深淺,水平位移大,是典型的淺層大位移井。該井表套下至345m,二開造斜點380m,斜深1777m,水平段A靶點垂深613.58m,B靶點垂深621.31m,水平段長1022.28m,水平位移1278.3m,位垂比達(dá)到2.06。由于垂深較淺,水平段長,井眼曲率大(35°/100m),套管下入過程摩阻較大,靠套管自重正常下入難度大,需采用井口加壓技術(shù)。利用相關(guān)鉆井軟件對該井套管下入載荷進(jìn)行了分析。在套管下入到設(shè)計深度1740m時,井口需要加壓24kN方能保證套管順利下到預(yù)定位置。同時在實際下入過程中,為了降低下套管遇阻風(fēng)險,水平段和大斜度段扶正器安放數(shù)量僅為設(shè)計數(shù)量的一半,致使套管出現(xiàn)嚴(yán)重偏心現(xiàn)象。本井通井3次5趟,最大摩阻250kN,整個下套管過程耗時48h。水平段套管下入過程中遇阻頻繁,在1310~1720.7m采取開泵循環(huán)鉆井液、上下活動套管、用頂驅(qū)硬壓等措施,用時27h。1.2油基鉆井液驅(qū)替由于井斜角的影響,大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是軸向而是徑向,極易導(dǎo)致套管偏心,使套管低邊的鉆井液驅(qū)動困難,容易竄槽,從而影響水泥漿的頂替效率。頁巖水平井井壁失穩(wěn)一直是鉆井工程的難題,因此鉆井多采用油基鉆井液。油基鉆井液性能對固井質(zhì)量的影響主要反映在對頂替效率、水泥石強度及第二界面膠結(jié)程度上。油基鉆井液比水基鉆井液驅(qū)替更加困難,特別是井下溫度低的淺井更為明顯,將直接影響射孔作業(yè)時的儲層保護效果。此外為了防止井壁失穩(wěn),保證有效的攜巖效率,鉆井液密度、黏度一般比較高,流動性差,固井時嚴(yán)重影響頂替效率。如JY-HF1井打鉆時油基鉆井液黏度最高172s,密度1.47g/cm3,井底循環(huán)溫度只有35℃;W201-H1井打鉆時油基鉆井液密度最高2.35g/cm3,MY-HF1井油基鉆井液密度最高1.58g/cm3。1.3水泥環(huán)壓裂損傷主要發(fā)生在局部區(qū)域頁巖氣井85%采用套管射孔完井,當(dāng)射孔彈引爆時,瞬間產(chǎn)生的高溫、高速聚能射流將作用到套管、水泥環(huán)、巖體的復(fù)合體上,產(chǎn)生巨大的沖擊壓力。由于應(yīng)力波的相互作用、相互疊加,在水泥環(huán)局部區(qū)域會形成拉、壓高應(yīng)變區(qū),由于水泥石材料的抗拉、抗壓強度相差很大,容易產(chǎn)生宏觀裂紋,影響固井質(zhì)量。頁巖氣開采采取多級壓裂技術(shù),對水泥環(huán)的質(zhì)量要求較高。水泥環(huán)壓裂后受到的損傷主要有:(1)水泥環(huán)與套管的彈性變形能力存在較大差異,當(dāng)受到由壓裂產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷作用時發(fā)生擴張引起水泥環(huán)徑向斷裂;(2)壓裂作業(yè)的沖擊作用產(chǎn)生的能量大于水泥石破碎前所能吸收的能量時,水泥環(huán)產(chǎn)生破碎。因此要求水泥環(huán)具備較好的抗沖擊能力和柔韌性。1.4沉降穩(wěn)定性頁巖氣水平井固井,對水泥漿的流變性能、沉降穩(wěn)定性、API失水、自由液等性能要求也很高。水泥漿穩(wěn)定性不好,在重力的作用下會發(fā)生沉降,會在水平段留下上竄通道。2固井技術(shù)的對策2.1分段確定井位,采用管井目前還增加了井壁下入和下入的阻力,有利于操作(1)下套管前認(rèn)真通井。頁巖氣水平井的井眼軌跡、井眼質(zhì)量對下套管影響很大,應(yīng)對起下鉆遇阻、遇卡井段、井斜變化率超標(biāo)井段認(rèn)真劃眼通井;在全角變化率大的井段反復(fù)大幅度活動鉆具,徹底清除巖屑床,到底后大排量循環(huán)鉆井液并活動鉆具;同時選用滿眼鉆具組合通井一到兩趟,通井管柱剛度不低于套管串的剛度,以利于套管順利下入。(2)套管漂浮技術(shù)。大位移井下套管采用漂浮下套管工藝可以降低上提拉力和下放阻力,提高下套管的施工安全性。將漂浮接箍連接在套管柱上,在套管內(nèi)構(gòu)成臨時屏障,漂浮接箍以下的套管內(nèi)注入一定量的空氣,以上的部分充滿鉆井液,用膜密封,套管串在鉆井液中會產(chǎn)生很大的浮力,使其在水平段減少重力產(chǎn)生的阻力,有利于套管順利下到位。JY-HF1井井深1740m,經(jīng)軟件計算下入載荷見表1,若采用漂浮接箍,接入位置800~1000m,能夠保證套管正常下入的井口載荷為46~62kN。根據(jù)經(jīng)驗當(dāng)套管下入載荷大于靜止載荷的30%套管才能安全下入,所以對于位垂比較大的井,采用套管漂浮技術(shù)有利于套管順利下入到設(shè)計井深。(3)套管抬頭下套管技術(shù)。在水平段,套管引鞋與其下方的井壁呈一定角度接觸,產(chǎn)生的摩擦阻力非常大。套管抬頭技術(shù)即在靠近引鞋位置固定1~2個剛性扶正器,使引鞋翹起離開井壁。對于超長水平段井采用導(dǎo)向型引(浮)鞋,利于套管下入。(4)套管居中。隨著水平位移的增加,對扶正器的性能提出了更高的要求。常規(guī)的彈性扶正器具有較高的復(fù)位力,然而產(chǎn)生高復(fù)位力的同時也產(chǎn)生了較大的下入阻力。螺旋剛性扶正器具有更大的優(yōu)越性:一是當(dāng)井壁不規(guī)則時,下套管過程中井壁可對螺旋扶正器產(chǎn)生一定的橫向分力,從而能減輕遇阻沖力;二是管外環(huán)空中,水泥漿產(chǎn)生旋流,可以提高頂替效率。但剛性扶正器對井眼要求較高,不能有縮徑井段;螺旋剛性扶正器與井壁接觸面積大,套管柱在下入過程中易刮井壁,造成濾餅堆積以至發(fā)生阻卡;同時剛性扶正器一般會增大管柱的剛度。因此在選擇何種類型扶正器時要根據(jù)井下井身質(zhì)量和井徑情況決定。以MY-HF1井為例,該井是一口勺形頁巖水平井,完鉆垂深比入窗點垂深淺36m,最大井斜角92.07°,斜深3722m,垂深2445m,三開水平段長1132.6m。由于考慮該井打鉆時掉塊比較嚴(yán)重,在下套管前采用?215.9mmPDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+柔性短接+MWD+無磁扶正器+?127mm無磁加重鉆桿×1根+?127mm加重鉆桿×3根的原鉆具組合進(jìn)行通井。在?244.5mm套管鞋以上連續(xù)加2個剛性扶正器;懸掛器以下2根套管連續(xù)加2個剛性扶正器;A點以上造斜段1根套管加1只剛性旋流扶正器;水平段1根套管加1只焊接式雙弓彈性扶正器,保證了套管居中度達(dá)到70%。套管下入水平段時間不到5h,全程未遇阻。2.2scw沖洗液相結(jié)合使用原則(1)應(yīng)用油膜沖洗—潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù),采用沖洗液、隔離液加先導(dǎo)液的程序提高井壁和套管壁的清潔度。水平井鉆井時,為了提高鉆井機械效率,防止頁巖坍塌多采用油基鉆井液,這樣在完井固井施工中,附著在井壁和套管壁上的油膜很難被沖洗干凈,會影響水泥石的膠結(jié)質(zhì)量。使用具有表面活性的化學(xué)沖洗液,沖洗液用量滿足接觸時間8~10min,可降低鉆井液黏度、切力,實現(xiàn)紊流頂替,同時可有效驅(qū)替套管壁和井壁油膜,提高水泥石與套管壁和井壁的界面膠結(jié)質(zhì)量。MY-HF1井采用以白油為基液的油基鉆井液進(jìn)行三開鉆進(jìn),油水比80∶20。為了有效驅(qū)替油基鉆井液,提高頂替效率,采用了具有潤濕反轉(zhuǎn)作用的洗油沖洗液SCW。該沖洗液的表面活性物質(zhì)會在油基鉆井液的濾餅表面吸附,其疏水基一端吸附濾餅的表面,親水一端伸入水中,使沖洗液中的溶劑和水易在油基鉆井液的表面滲入,產(chǎn)生溶脹作用,削弱油濾餅的內(nèi)聚力和結(jié)構(gòu)力,同時也削弱了油濾餅和套管之間的作用力。SCW沖洗液在水力機械作用下,起到對油漿和油膜的拖拽作用,達(dá)到較好沖刷套管壁和井壁、加快清除油污、提高界面膠結(jié)強度的目的。為了有效驅(qū)替黏度、密度比較高的油基鉆井液,采用了具有一定的黏度的加重隔離液,通過合理的黏度或密度設(shè)計,有效隔開油基鉆井液和水泥漿,同時在固井過程中和固井后起到壓穩(wěn)的效果。為了防止油基鉆井液被帶有潤濕反轉(zhuǎn)作用的沖洗液破乳沉淀,造成井下絮凝憋壓,在注沖洗液前注入了6m3防破乳液。為了提高洗油效果,在水平段加大了沖洗液用量,確保了接觸時間10min以上。同時考慮到?jīng)_洗液在注水泥漿時已經(jīng)出環(huán)空,為了使環(huán)空達(dá)到紊流頂替,在注入先導(dǎo)漿時排量要不小于1.5m3/min。(2)有效循環(huán)鉆井液,提高不規(guī)則井眼頂替效率。鉆井隊在完鉆通井時要充分循環(huán)鉆井液,循環(huán)排量不低于鉆進(jìn)時的最大排量,循環(huán)次數(shù)不低于2周,徹底將井底和水平井段沉積的巖屑清潔干凈。下完套管后必須通過大排量循環(huán)鉆井液的方式清除井壁和套管壁上形成的虛濾餅,循環(huán)排量不低于鉆進(jìn)時的1.2~1.5倍,循環(huán)次數(shù)不低于2周。在壓穩(wěn)不漏的情況下調(diào)整鉆井液的性能,使固井前的鉆井液性能達(dá)到“三低一薄”,即低黏、低切、低失水和薄濾餅,以達(dá)到提高頂替效率的目的。在井下壓力安全情況下,盡量提高水平段環(huán)空與套管內(nèi)流體的密度差,增大套管的浮力,確保套管居中度,提高頂替效率。(3)活動套管?；顒犹坠苡兄谄茐你@井液的靜切力,在注替水泥漿過程中活動套管有助于驅(qū)除可能殘留在偏心環(huán)空窄邊一側(cè)的鉆井液,特別是能改善尾管固井質(zhì)量。為了轉(zhuǎn)動管柱,采用旋轉(zhuǎn)動力鉗或動力旋轉(zhuǎn)水泥頭。2.3缺陷微缺陷水泥環(huán)頁巖氣多級壓裂對水泥環(huán)和巖層的侵徹是在極短的時間內(nèi)用極高的壓力和速度完成的。水泥石是非均質(zhì)材料,其中常包含一些未被水化的水泥顆粒、孔隙及泵注時形成的微裂紋等缺陷。普通水泥石是脆性材料,其抗拉強度遠(yuǎn)低于抗壓強度。在沖擊載荷作用下,水泥石的抗拉強度和斷裂韌性將進(jìn)一步降低,使得具有微缺陷的水泥環(huán)更易被破壞。國外在頁巖氣水平井固井的經(jīng)驗表明,水泥環(huán)應(yīng)具有較低的彈性模量、較高的泊松比和適中的抗壓強度,才能抵抗分段壓裂帶來的沖擊載荷而不致破碎,因此在JY-HF1井和MY-HF1井的固井過程中,采用了低彈性模量和高韌性系數(shù)的SFP彈韌性水泥漿體系,經(jīng)受了后期7級以上的分段壓裂施工。2.4水泥漿流變性分析(1)水泥漿穩(wěn)定性是水平井固井水泥漿性能要求的重要指標(biāo)之一,可用水泥漿沉降穩(wěn)定性來評價。若水泥漿沉降穩(wěn)定性差,在水平段,水泥顆粒易在套管的下側(cè)聚結(jié)沉淀,水泥漿性能受到破壞,同時在套管上側(cè)的水泥漿密度下降,凝固后的水泥石強度降低,滲透率升高,很容易形成油氣水通道,造成層間封隔失敗,影響固井質(zhì)量。為此,要按沉降穩(wěn)定性試驗方法測量水泥漿沉降穩(wěn)定性,水泥石上下密度差小于0.03g/cm3。(2)為提高水平井固井水泥漿頂替效率,降低水泥漿紊流頂替排量,在進(jìn)行水平井水泥漿設(shè)計時,要求水泥漿具有較好的流變性能。現(xiàn)場實踐表明,流性指數(shù)n值最好控制在0.6~0.8,水泥漿屈服值要稍大于鉆井液屈服值。(3)水泥漿游離液析出,容易在套管上側(cè)形成游離液通道。水泥漿游離液含量為1%時,將會在水泥環(huán)上部形成1mm左右的游離液聚集,形成油氣水通道,造成水泥環(huán)與地層及套管間的封隔失敗。因此,對水平井固井水泥漿游離液要求,以API標(biāo)準(zhǔn)在45°斜放方式時水泥漿自由液為0mL。(4)水泥漿的失水量與水泥漿自由水及穩(wěn)定性有密切關(guān)系,一般而言,水泥漿失水越小,其游離液析出量也越少,水泥漿越穩(wěn)定。因此,在水平井固井中,要求水泥漿API失水低于50mL甚至更低。3井眼活動濾液注水流井(1)通過分析頁巖氣固井后射孔、多級壓裂等作業(yè)對水泥環(huán)損傷的原因,從提高頁巖氣井水泥環(huán)抗沖擊能力和水泥石動態(tài)力學(xué)性能方面,提出采用彈韌性水泥漿體系。該體系不僅具有較