水平井固井技術:頁巖氣開發的革命性利器
時間:2016-05-24 13:18
來源:
作者:康宏亮
中國頁巖氣資源豐富,但相較美國, 其形成的地質、年代、保存條件等方面均有較大差異,開發難度大,在頁巖氣水平井固井技術方面應加大開發力度。
中國的頁巖氣開發處于高密度條件下,延伸不大,達到兩千米左右,而超過兩千米的開采并不成熟。在高溫高壓條件下,保證井筒完整性的難度很大。地質方面難點是壓力高、可壓性較差,壓力可達到100兆帕左右;在高密度油基鉆井條件下,下套管難度、沖洗難度加大;壓裂過程當中的溫度變化對套管要求較高,更為固井施工加大了難度。影響頁巖氣水平井井筒完整性的主要因素有水平鉆深,下套管位置、井口安全等因素,而固井技術是保證井筒完整性尤為關鍵的因素之一。
建模為固井材料選擇提供依據
當前,中國頁巖氣水平井固井技術正在尋求突破,以中石油北京鉆井工程技術研究院副總工程師劉碩瓊為代表的開發團隊,分別從水泥環密封完整性理論、滿足壓裂條件的韌性水泥石性能等方面研究來確保固井技術的完整性。
建立了水泥環立體模型,主要考慮水泥環塑性特征,該模型的特點是在加載和卸載過程中的環形定量。為使實驗理論模型和實驗結果更進一步吻合,模型著重強調三個參數,對水泥環和套管之間截面進行了要求,此外還包括水泥環厚度及水泥石強度參數,這樣就可以確定在整個計算過程中,通過分析計算水泥環厚度、水泥石強度達到多少后,要求最大的彈性流量的數值,以此為固井材料的選擇和設計提供依據,包括供應方法等提供理論依據,如套管變形量的設計等。
驅油型沖洗隔離液提高清洗效率
驅油型沖洗隔離液體系主要是通過表面活性劑改善表面特征來進行驅油,這是設計的基本機理。出于應對高密度環境的考慮,中石油北京鉆井工程技術研究院研制出懸浮劑驅油模式,該沖洗液的最大特點是沒有黏土物質形成黏膜,主要靠懸浮劑和沖擊劑以及沖洗顆粒三部分組成,可實現高效沖洗。通過比較,該沖洗液在高密度條件下(密度條件大于2)工作穩定、沖洗效果良好。值得一提的是,采用非驅油隔離液清洗,兩三分鐘都不能完成的工作,若采用驅油型沖洗隔離液一分鐘就可以完成,通過對國內外的產品進行實驗比較,驅油型沖洗隔離液體系的效率為最優。
高效的驅油型沖洗隔離液體系,克服了超長封固段固井過程中沖洗效果差、頂替效率低的難題,為水泥漿的良好膠結創造了條件。高效沖洗隔離液在儲氣庫、深井、超深井及頁巖氣井上得到了成功應用。
韌性水泥有效改善水泥漿防竄性能
油、氣、水外竄問題一直困擾著石油工程界,成為固井工程主要技術難題之一。實踐證明,使用韌性水泥能有效改善水泥漿防竄性能,提高油氣井固井質量。
通過水泥石增韌機理研究,建立水泥環井下受力模型,開發的水泥系列增韌材料在改善水泥石力學性能的基礎上,工程性能可以保證施工安全及滿足環空封固的需要,形成了中溫(30~100 ℃)、高溫(100~200℃)兩套韌性膨脹水泥漿體系。韌性膨脹水泥應用范圍已從儲氣庫井擴展到頁巖氣和致密油氣井固井。在頁巖氣開發中,井筒完整性是貫穿頁巖氣水平井鉆井和壓裂過程的一個核心指標,對保證頁巖氣井在整個壽命期間的安全十分重要。井筒完整性是井筒抵抗結構性破壞、維持井筒功能的重要屬性,是鉆井工程井下安全的保證,是提高頁巖氣單井產量的工程保障。
固井對頁巖氣井完整性貢獻的幾個關鍵環節包括:水泥石韌性改造、高性能驅油前置液體系、套管下入困難等現象產生的機理和規律等工藝。劉碩瓊建議,中國應持續加強頁巖氣水平井完整性理論研究,這對指導頁巖氣井筒完整性設計和管理具有重要意義。