水平井固井技术:页岩气开发的革命性利器

时间:2016-05-24 13:13 来源:《石油与装备》 作者:康宏亮 点击:
        中国页岩气资源丰富,但相较美国, 其形成的地质、年代、保存条件等方面均有较大差异,开发难度大,在页岩气水平井固井技术方面应加大开发力度。
        中国的页岩气开发处于高密度条件下,延伸不大,达到两千米左右,而超过两千米的开采并不成熟。在高温高压条件下,保证井筒完整性的难度很大。地质方面难点是压力高、可压性较差,压力可达到100兆帕左右;在高密度油基钻井条件下,下套管难度、冲洗难度加大;压裂过程当中的温度变化对套管要求较高,更为固井施工加大了难度。影响页岩气水平井井筒完整性的主要因素有水平钻深,下套管位置、井口安全等因素,而固井技术是保证井筒完整性尤为关键的因素之一。
 
        建模为固井材料选择提供依据
        当前,中国页岩气水平井固井技术正在寻求突破,以中石油北京钻井工程技术研究院副总工程师刘硕琼为代表的开发团队,分别从水泥环密封完整性理论、满足压裂条件的韧性水泥石性能等方面研究来确保固井技术的完整性。
        建立了水泥环立体模型,主要考虑水泥环塑性特征,该模型的特点是在加载和卸载过程中的环形定量。为使实验理论模型和实验结果更进一步吻合,模型着重强调三个参数,对水泥环和套管之间截面进行了要求,此外还包括水泥环厚度及水泥石强度参数,这样就可以确定在整个计算过程中,通过分析计算水泥环厚度、水泥石强度达到多少后,要求最大的弹性流量的数值,以此为固井材料的选择和设计提供依据,包括供应方法等提供理论依据,如套管变形量的设计等。
 
        驱油型冲洗隔离液提高清洗效率
        驱油型冲洗隔离液体系主要是通过表面活性剂改善表面特征来进行驱油,这是设计的基本机理。出于应对高密度环境的考虑,中石油北京钻井工程技术研究院研制出悬浮剂驱油模式,该冲洗液的最大特点是没有黏土物质形成黏膜,主要靠悬浮剂和冲击剂以及冲洗颗粒三部分组成,可实现高效冲洗。通过比较,该冲洗液在高密度条件下(密度条件大于2)工作稳定、冲洗效果良好。值得一提的是,采用非驱油隔离液清洗,两三分钟都不能完成的工作,若采用驱油型冲洗隔离液一分钟就可以完成,通过对国内外的产品进行实验比较,驱油型冲洗隔离液体系的效率为最优。
        高效的驱油型冲洗隔离液体系,克服了超长封固段固井过程中冲洗效果差、顶替效率低的难题,为水泥浆的良好胶结创造了条件。高效冲洗隔离液在储气库、深井、超深井及页岩气井上得到了成功应用。
 
        韧性水泥有效改善水泥浆防窜性能
        油、气、水外窜问题一直困扰着石油工程界,成为固井工程主要技术难题之一。实践证明,使用韧性水泥能有效改善水泥浆防窜性能,提高油气井固井质量。
        通过水泥石增韧机理研究,建立水泥环井下受力模型,开发的水泥系列增韧材料在改善水泥石力学性能的基础上,工程性能可以保证施工安全及满足环空封固的需要,形成了中温(30~100 ℃)、高温(100~200℃)两套韧性膨胀水泥浆体系。韧性膨胀水泥应用范围已从储气库井扩展到页岩气和致密油气井固井。在页岩气开发中,井筒完整性是贯穿页岩气水平井钻井和压裂过程的一个核心指标,对保证页岩气井在整个寿命期间的安全十分重要。井筒完整性是井筒抵抗结构性破坏、维持井筒功能的重要属性,是钻井工程井下安全的保证,是提高页岩气单井产量的工程保障。
        固井对页岩气井完整性贡献的几个关键环节包括:水泥石韧性改造、高性能驱油前置液体系、套管下入困难等现象产生的机理和规律等工艺。刘硕琼建议,中国应持续加强页岩气水平井完整性理论研究,这对指导页岩气井筒完整性设计和管理具有重要意义。
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