页岩气油基泥浆水平井固井浆体技术的研究与实践

　　弘晟公司自2013年初开始对页岩气油基泥浆水平井固井水泥浆和前置液技术进行研究，在经过理论分析、技术论证、充分实验等大量准备工作的基础上于2013年下半年正式进行现场应用，当年固井施工4口井，质量效果比较满意，水平段的固井质量优质率100%，有两口井固井质量全优。2014年完成油基泥浆水平井固井23井次，水平段固井质量的优良率达到100%。两年的实践证明了用弘晟公司提供的水泥浆和前置液进行施工的油基泥浆水平井固井质量比较稳定，弘晟公司的油基泥浆水平井固井技术趋于成熟，并且也得到了业主方和为我们提供服务机会的固井公司的认同。

　　两年来，弘晟公司在页岩气油基泥浆水平井固井中的浆体技术实践，获得了十分有益的认识和体会。

　　一、油基泥浆水平井固井技术中的关键技术要点的认识

　　与普通水平井固井相比，油基泥浆水平井固井是在油基泥浆介质下进行的固井，除此之外，其他都与水平井固井相同。实际使我们认识到油基泥浆水平井固井技术的关键和要点有四个：一是良好的井眼条件，没有岩屑床，要求认真通井、洗井，井眼冲洗干净的标准是振动筛上的筛余量一个小时不超过一脸盆；二是套管居中度要高，尤其是水平段套管每根套管都要加扶正器，可以全部用刚性、或刚性弹性交叉使用，斜井段套管每两根套管要加弹性或刚性扶正器，直井段套管每三根套管要加弹性扶正器；三是采用高效冲洗液技术，彻底清除套管和井壁上的泥饼，为保证界面胶结质量提供良好条件；四是坚持大排量高泵压施工，绝大部分井在注水泥浆时冲洗液就已经进入环空，注水泥浆和替浆都要求大排量，才能有很好的顶替效果和绝佳的冲洗作用。

　　这四个技术要点中，前两条也是水平井固井的技术要点，后面两条是特别针对油基泥浆水平井的。要保证油基泥浆水平井的固井质量这四条缺一不可，否则就没有油基泥浆水平井的固井质量可言。

　　要实现上述四条关键技术的落实，只有固井方面的努力是远远不够的，还必须有钻井方面的理解和全力支持。

　　二、油基泥浆的冲洗特点

　　因为目前的页岩气水平井深度不太深，垂深一般在3000m左右，属于中温井段，中温条件下的水泥浆技术难度不大，所以，油基泥浆水平井固井的水泥浆不是技术难题。难点是科学合理的冲洗液技术。

　　冲洗液的作用是清除套管壁和井壁上的油基泥饼，在此基础上，接着隔离液对套管壁和井壁进一步清洗残留的油膜并使界面由油润湿变为水润湿即实现润湿反转，为其后面的水泥浆与界面胶结提供良好的条件。这样一二界面的固井质量就有了保证。

　　实验和实践使我们认识到油基泥浆的冲洗难易程度与三个因素有关，一是油基的品种不同其冲洗的难易不同，柴油基的油基泥浆冲洗较难一些，柏油基的油基泥浆冲洗较容易一些，这是因为柴油比柏油活跃、渗透力强，柴油比柏油浸润井壁的深度大不易被冲洗掉，柴油比柏油的附着力强、形成的泥饼更坚韧和顽固，不易被冲刷掉。二是油基泥浆的服役时间不同冲洗的难易不同，井下使用时间长的油基泥浆因为要维护性能而使用了较多的药剂使得泥浆成分较为复杂因而冲洗较难一些，使用时间短的油基泥浆冲洗较容易一些。三是油基泥浆的密度不同冲洗的难易不同，密度低的油基泥浆容易冲洗，密度高的油基泥浆不容易冲洗，这是因为要把泥饼里的加重材料冲刷掉需要更大的活力和冲洗能量。

　　三、驱油冲洗液

　　1、主要组成：

　　有机溶剂、表面活性材料、碱性材料、防膨胀材料、渗透材料、稳定剂等。

　　2、主要作用：

　　驱油、破坏假泥饼结构并带走部分假泥饼。

　　3、驱油机理：

　　有机溶剂对油脂的溶解能力较强。表面活性材料可以降低油水界面的表面张力，使油脂在套管和井壁表面的附着力减弱，油脂进入冲洗液中被乳化、分散、悬浮于其中从而被带走。在一定的温度条件下，碱性材料与可皂化油发生皂化反应形成可溶于水的脂肪酸盐。

　　4、特点：

　　①安全

　　地面安全：性能温和，腐蚀性和刺激性小，有机溶剂挥发度小、燃点高。

　　井下安全：具有一定的防止井壁膨胀垮塌的作用，与钻井液、隔离液、水泥浆等相容性好。

　　②环保

　　有机溶剂为环保友好型，具有无毒、挥发度低、对环境无污染等特点。

　　③高效

　　融合了碱性驱油、表面活性剂驱油、有机溶剂驱油三种驱油机理，可以在短时间内将井壁和套管壁上的油膜冲洗干净，使井壁和套管壁由“油湿”变成“水湿”状态。同时对假泥饼也有较好的破坏能力。

　　5、冲洗能力评价：

　　在认识油基泥浆冲洗规律的同时，对冲洗液的冲洗效果进行了多次实验，冲洗液的冲刷力是由流动的冲洗液具有的动能提供的，冲洗液的动能（1/2）mv2与冲洗液的物质密度和流速的平方成正比，如果流速提高一倍，冲洗液的动能提高4倍，冲刷力就可以提高4倍。600转(折合在215.9井眼与139.7套管的环空的上返速度为1.26m/s，排量是42.4L/s)的冲刷力是300转(折合上返速度为0.63m/s，排量是21.2L/s)的冲刷力的4倍，200转的冲刷力(上返速度为0.42m/s，折合排量是14.1L/s)只有300转的44%，冲刷力越大，冲刷效果越好。

　　根据几口页岩气水平井的具体情况，计算环空返速与6速旋转粘度计的Φ300套筒表面线速度0.625m/s接近，环空1方流体与环空某点的接触时间约为1min左右，因此采用Φ300转×1min进行冲洗能力评价。

　　模拟井壁泥饼冲洗实验(用失水仪将油基泥浆失水形成滤饼)，如图1

　　大量的摸索和实验，使我们认识到：

　　从冲洗效果看，套筒在油基泥浆中形成滤饼（模拟套管上的泥饼）的冲洗难度较小一些，三分钟可以冲洗干净；油基泥浆在滤纸上失水形成滤饼（模拟井壁上的泥饼）的冲洗难度大一些，三分钟冲洗掉部分的表面泥饼。

　　井壁上的泥饼因其形成的特殊条件而显得十分顽固，要冲洗掉井壁上的泥饼，要适当增大冲洗液的用量才能收到好的效果。

　　单纯用增大冲洗液的用量解决冲洗井壁泥饼不是最好的办法，还要使用冲刷剂增加冲刷作用。

　　冲刷剂最好选择密度高的材料，因为冲刷液的冲刷力是由流动的冲刷剂具有的动能提供的，冲刷剂的动能（1/2）mv2与物质的密度成正比。密度高的冲刷剂提供的冲刷力大，冲刷效果好。

　　一般保持冲洗、冲刷的有效时间在20-25分钟，这样的固井质量是可以得到保证的。

　　四、现场前置液的不断改进取得了成效

　　一年多来对油基泥浆水平井固井前置液的不同结构和数量进行了不断摸索和实验，其结果是水平段的固井质量均为优质。已经施工的油基泥浆水平井固井前置液具体使用情况统计见下表：

井号	泥浆密度	冲洗液	油基冲涮液			隔离液
			密度	数量	基液
焦页12-4HF	1.58	柴油3方	1.65	28	清水+油基	4方1.60+油基液5方
焦页12-1HF	1.60	柴油3方	1.65	28	清水+油基	11方1.70
焦页1-4HF	1.58	柴油3方	1.35	8	油基	30方1.71
YS108H1-01	2.15	--	1.90	10	油基	8.3方2.2
			2.18	18	水基
丁页1HF	1.62	柴油2.1方	1.62	25	清水油基	8方1.70
焦页16-1HF	1.54	柴油3.9方	1.50	20	清水+油基	8方1.80
焦页42-2HF	1.45	柴油4方	1.45	20	清水+油基	6.4方1.70
焦页42-1HF	1.51	柴油2方	1.50	20	清水+油基	8方1.60
焦页20-2HF	1.52	柴油1方	1.40	20	清水+油基	8方1.70
焦页23-3HF	1.45	柴油0.8方	1.40	20	清水+油基	2方1.70)
焦页23-1HF	1.65	-	1.52	24	清水+油基	8方1.75
新505H	2.08	-	2.09	25	清水+油基	15方2.21
焦页42-3HF	1.44	纯油基4方	1.35	20	清水+油基	10方1.40
焦页42-4HF	1.51	纯油基4方	1.40	20	清水+油基	10方1.45
焦页40-2HF	1.63	纯油基4方	1.45	20	清水+油基	10方1.70
焦页23-2HF	1.65	纯油基4方	1.60	20	清水+油基	10方1.70
焦页20-1HF	1.52	纯油基4方	1.50	20	清水+油基	10方1.70
焦页27-3HF	1.53	纯油基4方	1.50	20	清水+油基	10方1.70
高沙307-1HF	2.12	--	2.10	28	清水+油基	15方2.10
金页1HF	1.5	(清水+油基)5方	1.6	30	清水+油基	10方1.65
YS108H3-2	2.2	(清水+油基)5方	2.2	30	清水+油基	12方2.25
焦页26-3HF	1.52	纯油基4方	1.5	22	清水+油基	10方1.70
YS108H11-2	1.96	--	2.00	30	清水+油基	10方2.05
焦页21-1HF	1.52	纯油基4方	1.5	25	清水+油基	12方 1.55
焦页54-6HF		(清水+油基)5方	1.35	20	清水+油基	10方1.4
焦页60-3HF	1.49	(清水+油基)5方	1.56	20	清水+油基	10方1.55
焦页47-2HF	1.5	(清水+油基)5方	1.4	20	清水+油基	8方1.46

　　从上面前置液的使用情况看出：

　　全部使用了油基冲刷液，数量不等，但20方的居多；

　　全部使用了水基隔离液，数量不等，但10方的居多；

　　有22口井使用了冲洗液，其中，有9口井用柴油作冲洗液，有11口井用油基冲洗剂作冲洗液，有2口井用水基冲洗剂作冲洗液；

　　初期的9口井用柴油作冲洗液，使用的数量逐步减少直到取消。

　　有5口井未使用冲洗液，其中4口井采用自配自注方式直接使用油基冲刷液。

　　油基冲洗剂的单井用量在8-10吨左右的居多。

　　油基冲洗剂用得多（均为10T）的丁页1井和焦页16-1井几乎全井优质。

　　以上不同结构的前置液使用效果：水平段的固井质量都很好。

　　另外，在已经施工的27口油基泥浆水平井中，井浆的密度在1.90g/cm3以上的有5口井，井浆的密度在1.65g/cm3以下的有22口井。绝大部分井的密度在1.65g/cm3以下。

　　几口高密度油基泥浆水平井的前置液结构情况是：

井号	泥浆 密度	冲洗液	冲涮液			隔离液	冲刷液配制方式
			密度	数量	基液
YS108H1-01	2.15	--	1.90	10	油基	8.3方2.2	罐内配制
			2.18	18	水基
新505H	2.08	--	2.09	25	清水+油基	15方2.21	自配自注
高沙307-1HF	2.12	--	2.10	28	清水+油基	15方2.10	自配自注
YS108H3-2	2.2	3方(清水+油基)	2.2	30	清水+油基	12方2.25	自配自注
YS108H11-2	1.96	--	2.00	30	清水+油基	10方2.05	自配自注

　　从上表看出，几口高密度油基泥浆水平井的冲洗剂使用量相近，与井浆1.65g/cm3以下的水平井的油基冲洗剂用量接近，效果相同，水平段固井质量均优。说明高密度油基泥浆水平井冲洗液的用量是恰当的，低密度油基泥浆水平井冲洗液的数量略有富裕。

　　五、改进油基冲刷液的配注方式的成功尝试

　　2014年5月12日首先在西南固井一队施工的新505H井改进油基冲刷液的配注方式，进行自配自注实验取得成功，7月31日接着在中原固井公司施工的高沙307-1HF井进行成功应用，之后在金页1井、YS108H3-2井、YS109H11-2井相继应用冲刷液自配自注方式。该配注方式的优点是：冲刷液的干混、基液可以事先配好，现场通过水泥车完成配注，操作方便有利于连续施工，冲刷剂得到有效利用不存在浪费，不产生废渣、减少了排污、避免了环境污染，降低了现场施工的劳动强度。今后，有条件时，要尽量说服固井公司采用此方式配注冲刷液。

　　六、对水泥浆配方的不断改进取得了成效

　　初期，在现场施工发现有油基泥浆水平井固井的水泥浆多有出现浆体稠、密度上不去的情形，分析为降失水剂的加量偏多的原因，在焦页23-3HF井固井中试探性地将干混材料BS100的加量由2%降至0.5%，水泥浆配方优化后现场施工解决了水泥浆稠的问题，接着在焦页20-2HF井固井中继续将干混材料BS100的加量也降至0.5%，现场施工效果相同，解决了浆体稠、密度上不去的问题。之后的油基泥浆水平井固井的干混材料都把BS100的加量控制在0.5%左右，既方便了现场配浆又保证了水泥浆的密度，满足了现场人员对浆体的直观要求。

　　七、弹韧性水泥的使用

　　水平井固井后其水平段都要进行大型压裂施工，压裂段的水泥环会破裂，如果水泥环是硬脆性的，压裂的裂纹就会传递扩散很远，甚至使斜井段、直井段的水泥环破裂，页岩气会经过裂缝上窜到地面，其结果是井口带压。如果使用弹韧性水泥，水泥环的微小韧性形变能够吸收压裂时传递过来的能量，从而使压裂的裂纹不会扩散很远，部分斜井段和整个直井段的水泥环能保持完好状态，页岩气就不会上窜。

　　所谓弹韧性水泥，也就是增塑增韧微膨胀防气窜水泥浆，就是水泥石具有较高的强度又具有一定的韧性。要使水泥石具有弹韧性，主要措施是添加塑性剂，我们在焦石的油基泥浆水平井固井中都加入了塑性剂，水泥环都具有弹韧性，做到既有高抗压强度（可以达到30MPa）能经受压裂的挤压、又有一定的韧性能在压裂结束后其产生的形变能够得到恢复。

　　1、主要组成：

　　水泥、水、塑性剂、膨胀剂、纤维、多功能降失水剂、宽幅缓凝剂、表面活性剂等。

　　2、特点：

　　①满足现场施工要求，具有高粘、高动切，有利于提高顶替效率；

　　②表面活性剂提高了界面亲和力，有利于提高界面胶结质量；

　　③水泥石体积微膨胀与套管和井壁产生应力作用，有利于提高界面胶结质量；

　　④塑性剂和纤维充分增加了水泥石的弹性和韧性，可降低扫塞等作业对水泥环的破坏程度；

　　⑤BS200R宽幅缓凝剂可以使水泥浆直角稠化，通过直角稠化和晶格膨胀达到较好的防气窜效果。

　　⑥纤维可以较大程度的降低领浆对储层的侵入，有效的保护了储层。

　　⑦BS200R型宽幅缓凝剂，对温度的敏感性小，可以使水泥浆在稠化时间满足设计要求的情况下顶部强度发展快。

　　3、质量效果：

　　近期，从相关方面的信息得知，使用弘晟公司的水泥浆固的井压裂后期出现井口窜气的情况少，这些事实说明了使用弹韧性水泥是成功的。