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页岩气水平井固井技术难点分析与对策

发表时间：2021/6/10 来源：《中国科技信息》2021年7月作者：付江超

[导读] 页岩气储层具有特殊特征，孔隙率较低。同时，页岩储层渗透率相对较低。在此基础上，页岩气井主要通过针对油田或油井的技术措施，为保护石油资源提供技术支持。随着石油工业的迅速发展，对钻井技术进行了有效的革新，传统的钻井技术已不再适合现代钻井项目的需要。

山东省山东滕州市煤田地质局第一勘探队付江超 277599

摘要：页岩气储层具有特殊特征，孔隙率较低。同时，页岩储层渗透率相对较低。在此基础上，页岩气井主要通过针对油田或油井的技术措施，为保护石油资源提供技术支持。随着石油工业的迅速发展，对钻井技术进行了有效的革新，传统的钻井技术已不再适合现代钻井项目的需要。因此，有必要进一步研究水平固井技术，并提出有效解决固井问题的办法，这是提高工程质量和保护资源所必需的。
关键词：页岩气水平井；固井技术；难点分析；处理对策
        随着人口的增长、工业的发展、石油和天然气勘探的扩大、开采的逐步发展、页岩气资源的不断发现、生产成本的大幅降低以及对其经济价值和战略重要性的日益重视。作为一名现场技术人员，经过多年的页岩气井固井实践，对页岩气井的固井难点有了一定的认识，并采取了技术措施。
        一、页岩气固井技术的特点
        1.页岩气固井是短期工程、技术密集型工程和劳动密集型工程。
        2.页岩气固井是一个系统工程。它涵盖广泛的学科。第一，有许多学科，包括地质、石油、机械、化学、流体力学和电子。其次，由于组织管理、供应、运输和场地建设等部门众多，直接促进了社会的快速发展。最后，还有许多其他因素，包括施工准备、下钢管或者套管、注人水泥等。
        3.固井作业是一个非常隐蔽的项目。首先，主要工艺在地下完成，不能直接观察和测试。其次，质量控制主要取决于设计的准确性和准备程度。最后，施工过程中会发生不可预测和未知的事故目前正在实施的三个隐藏的高风险特征将直接影响工程的实施，并妨碍工程工作的快速完成。
        4.固井是一个费用昂贵的项目。钻探成本在固井页岩气体开发中所占份额应占三分之一。使用固井时，钻井成本必须为五分之一。
        5.页岩气固井是一次性工程。一方面，如果页岩气井的质量达不到规定标准，很难恢复正常。另一方面，用水泥等材料进行修复需要时间、材料消耗、损失和经济影响很大，使过程变得非常复杂。
        二、页岩气水平井固井技术难点分析
        1.页岩层不够稳定。页岩层的形成具有特殊的特征，阻碍页岩形成的稳定，并使固井的稳定工程难以进行。首先，页岩中有大量的沉积物，导致岩层缺乏稳定性。页岩层与井壁之间黏附度低，削弱了页岩的整体性能。在钻井过程中，页岩层富含粘土矿物，在钻井液中迅速膨胀。同时，延性页岩地层的渗透性将大大降低，从而打破页岩的原有结构特征。此外，当水泥环体积收缩时，会形成一个小的环形空间，由此产生的气体流入管道中，从而产生串槽。
        2.水平段下套管出现问题。对于固井，管道操作非常困难，并且套管过程非常复杂。但是，由于许多实际上无法控制的因素，在水平段下的套管变得更加困难。在水平井中，由于岩层不稳定，井壁容易坍塌。岩石碎片的积累阻碍了井口清洁的有效改善，严重阻碍了套管正常进入井中。与此同时，一些特征，如浅部倾斜剖面，影响页岩气井壁的结构，呈台阶分布，也是套管施工的难点之一。此外，在页岩气井中，套管与井壁之间的摩擦加剧，原因是气筒弯曲过大，水平段位移大，致使套管无法顺利进入。
        3.顶替的有效性得不到保证。井斜全角变化率是稳定井的重要组成部分，对套管下入的深度有重要影响。受此变更影响的较大结构段的重力方向差别很大。包含水平段，可将重力方向变更为径向。

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这很容易导致套管和重心发生偏移，从而大大降低导向效率。钻井液的性能特点对钻井效率有重要影响。尤其是油井效率远远不足以满足钻井的实际需求。主要原因是很难形成钻井液与岩层的有效混合，影响到井筒和岩层之间的护壁表面。可选钻井液通常使用高密度材料来确保钻孔壁的稳定性，从而影响钻孔的流动性能。钻床自动流量不足是影响交换效率和改善整体钻孔的主要原因。此外，在有固井的项目中，由于多矿残馀物，许多钻井液被阻隔。这种现象破坏了水泥环的再生效率和完整性。
        4.水泥环的破坏程度显而易见。水泥环因采用射孔、压裂技术而在整个固井段受到严重破坏。大部分页岩气井都是用射孔作业，表明它们在固井中起着重要作用。但是，在射孔过程中，可能会出现对水泥环影响很大的高温。通过叠加反应阈值，水泥环的局部压力过高，当压力超过水泥环的公差时会出现裂缝。水泥环中超载裂缝阻碍了工程的稳定，有助于提高整个工程的质量。同时，页岩气必须作为射孔施工的一部分，通过多层断裂获得。该技术使水泥环具有弹性，也导致应力问题。实施断裂后，水泥环可能稍有变化，甚至会造成损害。首先，水泥环变形与套管变形明显不同。水泥环的断裂方向通常为纵向。水泥环不能因大冲击波和断裂碎片而危害井筒施工的整体安全。
        三、固井技术对策
        1.水平井套管技术。(1)在套管之前，要小心通井。页岩气水平气井的轨迹和质量对下管线影响很大，下部钻井堵塞、卡井段、井斜变化率超过标准时应谨慎；在变形率高的井段，应多次大规模移动钻具，彻底清除岩层碎片，循环利用钻具，到达井底后移动钻具；同时，必须选择全孔钻具组合进行，井管柱的刚度不得低于下套管串的刚度，以方便套管的顺利进入。(2)漂浮技术。漂浮管技术可以降低套管的拉力和下放阻力，提高套管的安全性。阻流接箍与套管柱相连，在套管内形成临时屏障。一定量的空气置留阻流管。套管串可在钻井液中产生较大的浮力，降低水平段重力引起的阻力，并方便套管的顺利下到位。(3)抬头下套技术。在水平段中，套管引鞋以一定角度接触井口，产生较高的摩擦阻力。导管增强技术是在引鞋附近安装一两个刚性扶正器。超长水平井使用导向型引鞋方便套管下入。(4)中心套管。随着水平位移的增加，扶正器的性能要求越来越高。传统的弹性扶正器具有较大的复位力，但当复位力较大时，摩擦力较大。
        2提高顶替效率。采用冲洗油膜增反转技术，提高井壁和套管壁的清洁度。为了提高钻井的效率，防止页岩塌陷，水平钻井中经常使用油基钻井液。因此，在建造固井时，很难清除附在井壁和井壁上的油膜，从而影响到水泥固体井的质量。采用表面活性化学冲洗液，冲洗液的使用可满足8~10分钟的接触时间，降低钻井液粘度和剪切强度，实现湍流转移，有效地移动套管壁油膜和井壁，提高界面胶结质量。
        3.页岩气水平井固井水泥浆体系。页岩气体多层压裂在很短的时间内以极高的压力和速度穿过水泥环和岩层。水泥浆是一种不均匀的材料，通常未被水化产生水泥颗粒、孔隙和泵注。普通水泥浆是易碎材料，其抗拉强度远远低于抗压力强度。受冲击载荷的影响，抗拉强度和抗水泥浆断裂强度进一步降低，使得稍有缺陷的水泥环更容易受到损坏。
        页岩气固井技术特殊。对于固井而言，技术的局限性带来了巨大的挑战。特别是页岩的稳定性较低，无法提高顶替效率。因此，有必要加强对固体井技术的深入研究，以便顺利开发固定井项目。通过套管下入，对套管下入工艺进行了充分优化，实现了固井的整体质量改进。此外，应优化固井，提高水泥浆体的整体性能。
参考文献：
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