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【摘要】对于页岩气水平井固井而言，其套管居中与下入的重要性极为明显，深入研究该课题意义深远。本文首先介绍了水平井固井套管居中与下入的难点，探究了影响水平井固井质量的因素，分析了页岩气水平井固井的技术，最后提出了提升套管居中与下入能力的对策。
【关键词】页岩气；水平井；固井；套管；居中与下入；能力
一、前言
随着我国页岩气水平井固井的不断发展，新的问题不断出现，新的要求不断提高，深入研究其套管居中与下入的能力既能够适应现代页岩气水平井固井的发展趋势，也能很好地指导该项工作的实践，进而取得理想的实践效果。
二、水平井固井套管居中与下入的难点
页岩气储层多为低孔低渗，90%以上的页岩气需要采取压裂等增产措施沟通天然裂缝，因此对固井胶结质量提出了很高的要求。要提高页岩气水平井固井质量，需要解决以下固井难题。
1.水平段下套管难度大
水平井段钻具受力状况导致水平井眼呈椭圆形。由于页岩储层易遇水膨胀，井眼椭圆度更加严重。水平段钻进时间较长，也使井眼更加不稳定。大斜度井段和水平井段套管對井壁侧向力大，由于水平段较长，导致下套管摩阻较大，使套管很难顺利下至预定位置，尤其是较浅的页岩气水平井更为突出。
2.提高顶替效率难度大
由于井斜角的影响，大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是轴向而是径向，极易导致套管偏心，使套管低边的钻井液驱动困难，容易窜槽，从而影响水泥浆的顶替效率。页岩水平井井壁失稳一直是钻井工程的难题，因此钻井多采用油基钻井液。油基钻井液性能对固井质量的影响主要反映在对顶替效率、水泥石强度及第二界面胶结程度上。油基钻井液比水基钻井液驱替更加困难，特别是井下温度低的浅井更为明显，将直接影响射孔作业时的储层保护效果。此外为了防止井壁失稳，保证有效的携岩效率，钻井液密度、黏度一般比较高，流动性差，固井时严重影响顶替效率。
3.射孔、压裂对水泥环的破坏
页岩气井85%采用套管射孔完井，当射孔弹引爆时，瞬间产生的高温、高速聚能射流将作用到套管、水泥环、岩体的复合体上，产生巨大的冲击压力。由于应力波的相互作用、相互叠加，在水泥环局部区域会形成拉、压高应变区，由于水泥石材料的抗拉、抗压强度相差很大，容易产生宏观裂纹，影响固井质量。页岩气开采采取多级压裂技术，对水泥环的质量要求较高。水泥环压裂后受到的损伤主要有：（1）水泥环与套管的弹性变形能力存在较大差异，当受到由压裂产生的动态冲击载荷作用时发生扩张引起水泥环径向断裂；（2）压裂作业的冲击作用产生的能量大于水泥石破碎前所能吸收的能量时，水泥环产生破碎。
4.对水泥浆的性能要求高
页岩气水平井固井，对水泥浆的流变性能、沉降稳定性、API失水、自由液等性能要求也很高。水泥浆稳定性不好，在重力的作用下会发生沉降，会在水平段留下上窜通道。
三、影响水平井固井质量的因素
1.井眼质量
水平井钻井井眼质量对固井质量影响很大，通过对比分析多口水平井固井声幅曲线，发现井眼轨迹规则而平滑的井段固井质量较好，井眼不规则的井段固井质量较差；造斜段由于井眼不规则，固井质量明显低于直井段和水平段。因此，优质的井眼质量不仅有利于套管的顺利下入，而且有利于套管居中以及实现有效的顶替，是获得水平井良好固井质量的前提。
2.套管下入及居中情况
在造斜段和水平段，套管与井壁接触面积大，导致套管严重偏心和贴壁，下入摩阻增大，易出现套管下不到位和卡套管事故。同时，套管偏心严重影响了驱替效率和封固质量。理论与实践证明，只有居中度达到或大于67%时，固井质量才有保证。
3.混油钻井液
由于水平井井眼轨迹的特殊性，为了保证井壁稳定和减小井壁对管柱的摩阻，往往在泥浆中混入10%左右的原油，混入原油后井壁泥饼和套管壁上的油膜严重影响了两个胶结面的胶结质量，易出现窜槽导致油气水层互窜。
4.岩屑床
在钻进大斜度井段和水平段过程中，常形成键槽和椭圆形等不规则井眼，造成井径扩大，且易形成岩屑床和死泥浆，钻进过程中岩屑不易被有效携带，造成岩屑和固相颗粒在水平段大量沉积，影响了有效顶替。
5.水泥浆析水
在大斜度井段和水平段，因斜向或横向运移的特点，自由水易聚集在井眼高边形成连续水槽或水带，形成油气窜流的通道。因此，降低水泥浆析水及保持水泥浆浆体稳定是提高固井质量的关键。
四、页岩气水平井固井的技术
1.高效井筒清洗技术。该技术主要包含高效前置液技术和提高顶替效率技术2个方面。高效前置液技术应以高效表面活性剂为基础，具有渗透清洗能力强、润湿反转效果好、相容性好、对页岩储层伤害小等特点。提高顶替效率技术主要包括：提高套管居中度；在注水泥前调整钻井液性能并充分循环。
2.提高套管居中度技术。根据井眼的弯曲程度、井径变化率情况合理设计扶正使用数量、类型和安放位置；同时应用设计软件对扶正器安放位置进行模拟，提供理论及参考依据；水平井段可采用轻浆或清水顶替，使套管在浮力作用下漂浮，从而提高居中度。
3.套管安全下入技术。下套管前认真通井，整好钻井液润滑性及各项性能。钻具下至井底后充分循环，有效清除岩屑床并保证井壁稳定，井下不漏。通过相关技术措施减小下套管摩擦阻力，如：水平段加放滚轮套管扶正器；套管漂浮技术；套管抬头下入技术。
4.水泥浆和水泥石性能设计。除对水泥浆常规工程性能设计以满足施工要求外，水泥浆防气窜性能、防漏堵漏性能和储层保护性能设计也是重要的一方面，其主要技术途径包括：采用泡沫水泥、酸溶水泥、纤维水泥等功能水泥浆体系；减少水泥浆的自由水和失水量；增加浆体可压缩性和水化胶凝速度；稠化时间控制得当，减少过渡时间，提高水泥石早期强度。 五、提升套管居中与下入能力的对策
1.页岩气固井的下套管技术对策。下入套管前认真做好通井或划眼工作，采用不低于套管刚度的管串通井至井底。同时调整好钻井液的润滑性及各项性能，确保套管顺利下入。页岩气固井的通井到井底后开泵充分循环洗井两周以上，井内干净后方能起钻准备下套管。
2.页岩气固井提高顶替效率技术措施。一是下套管前通井时保持现在钻井液较高的屈服值，大排量循环，把泥浆中的固相沉淀和岩屑尽量携带干净。二是下完套管后循环时将泥浆时改善钻井液的流动性能，提高顶替效率。三是采用柴油、强冲洗液、加重隔离液、低密度水泥浆四级冲洗工艺保证井眼清洗效果。四是为保证套管居中度，要优化扶正器，提高水泥浆的顶替效率。依据钻井工程设计，鉴于本井水平段相对较长，所以水平段选择适合长水平段井的整体式雙弓扶正器，该扶正器居中能力强，由于整体式结构，在下入过程中不容易损坏，对井壁和自身均能起到有效地保护，造斜段侧向力较大，所以斜井段选择树脂旋流扶正器。
3.页岩气固井会直接确保施工安全措施。应该落实水平井固井对设备、管材、工具、附件的特殊要求，满足水平井固贡技术在施工时的顺利进行。同时对测井提供详细页岩气固井的井径、井斜方位、井温数据，使其在施工时更加安全稳定。
六、结束语
通过对页岩气水平井固井套管居中与下入能力的分析研究，我们可以发现，影响水平井固井质量的因素是多方面的，这些方面的因素值得有关人员深入探究。同时，结合理论与实践，能够分析出科学合理的提升套管居中与下入能力的具体对策。
参考文献：
[1]吴奇，胥云.美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示[J].石油钻采工艺，2011年，第33期：28-29.
[2]薄伯伶.页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程，2010年，第23期：33-36.
[3]张林晔，李政.页岩气的形成及开发[J].天然气工业，2011年，第29期：124-126.
[4]崔思华.页岩气钻完井技术现状及难点分析[J].天然气工业，2011年，第4期：72-74.
[5]裴建忠，刘天科等.浅层大位移水平井钻井技术[J].石油钻探技术，2013年，第37期：87-90.
【关键词】页岩气；水平井；固井；套管；居中与下入；能力
一、前言
随着我国页岩气水平井固井的不断发展，新的问题不断出现，新的要求不断提高，深入研究其套管居中与下入的能力既能够适应现代页岩气水平井固井的发展趋势，也能很好地指导该项工作的实践，进而取得理想的实践效果。
二、水平井固井套管居中与下入的难点
页岩气储层多为低孔低渗，90%以上的页岩气需要采取压裂等增产措施沟通天然裂缝，因此对固井胶结质量提出了很高的要求。要提高页岩气水平井固井质量，需要解决以下固井难题。
1.水平段下套管难度大
水平井段钻具受力状况导致水平井眼呈椭圆形。由于页岩储层易遇水膨胀，井眼椭圆度更加严重。水平段钻进时间较长，也使井眼更加不稳定。大斜度井段和水平井段套管對井壁侧向力大，由于水平段较长，导致下套管摩阻较大，使套管很难顺利下至预定位置，尤其是较浅的页岩气水平井更为突出。
2.提高顶替效率难度大
由于井斜角的影响，大斜度井段和水平井段套管所受的重力方向不再是轴向而是径向，极易导致套管偏心，使套管低边的钻井液驱动困难，容易窜槽，从而影响水泥浆的顶替效率。页岩水平井井壁失稳一直是钻井工程的难题，因此钻井多采用油基钻井液。油基钻井液性能对固井质量的影响主要反映在对顶替效率、水泥石强度及第二界面胶结程度上。油基钻井液比水基钻井液驱替更加困难，特别是井下温度低的浅井更为明显，将直接影响射孔作业时的储层保护效果。此外为了防止井壁失稳，保证有效的携岩效率，钻井液密度、黏度一般比较高，流动性差，固井时严重影响顶替效率。
3.射孔、压裂对水泥环的破坏
页岩气井85%采用套管射孔完井，当射孔弹引爆时，瞬间产生的高温、高速聚能射流将作用到套管、水泥环、岩体的复合体上，产生巨大的冲击压力。由于应力波的相互作用、相互叠加，在水泥环局部区域会形成拉、压高应变区，由于水泥石材料的抗拉、抗压强度相差很大，容易产生宏观裂纹，影响固井质量。页岩气开采采取多级压裂技术，对水泥环的质量要求较高。水泥环压裂后受到的损伤主要有：（1）水泥环与套管的弹性变形能力存在较大差异，当受到由压裂产生的动态冲击载荷作用时发生扩张引起水泥环径向断裂；（2）压裂作业的冲击作用产生的能量大于水泥石破碎前所能吸收的能量时，水泥环产生破碎。
4.对水泥浆的性能要求高
页岩气水平井固井，对水泥浆的流变性能、沉降稳定性、API失水、自由液等性能要求也很高。水泥浆稳定性不好，在重力的作用下会发生沉降，会在水平段留下上窜通道。
三、影响水平井固井质量的因素
1.井眼质量
水平井钻井井眼质量对固井质量影响很大，通过对比分析多口水平井固井声幅曲线，发现井眼轨迹规则而平滑的井段固井质量较好，井眼不规则的井段固井质量较差；造斜段由于井眼不规则，固井质量明显低于直井段和水平段。因此，优质的井眼质量不仅有利于套管的顺利下入，而且有利于套管居中以及实现有效的顶替，是获得水平井良好固井质量的前提。
2.套管下入及居中情况
在造斜段和水平段，套管与井壁接触面积大，导致套管严重偏心和贴壁，下入摩阻增大，易出现套管下不到位和卡套管事故。同时，套管偏心严重影响了驱替效率和封固质量。理论与实践证明，只有居中度达到或大于67%时，固井质量才有保证。
3.混油钻井液
由于水平井井眼轨迹的特殊性，为了保证井壁稳定和减小井壁对管柱的摩阻，往往在泥浆中混入10%左右的原油，混入原油后井壁泥饼和套管壁上的油膜严重影响了两个胶结面的胶结质量，易出现窜槽导致油气水层互窜。
4.岩屑床
在钻进大斜度井段和水平段过程中，常形成键槽和椭圆形等不规则井眼，造成井径扩大，且易形成岩屑床和死泥浆，钻进过程中岩屑不易被有效携带，造成岩屑和固相颗粒在水平段大量沉积，影响了有效顶替。
5.水泥浆析水
在大斜度井段和水平段，因斜向或横向运移的特点，自由水易聚集在井眼高边形成连续水槽或水带，形成油气窜流的通道。因此，降低水泥浆析水及保持水泥浆浆体稳定是提高固井质量的关键。
四、页岩气水平井固井的技术
1.高效井筒清洗技术。该技术主要包含高效前置液技术和提高顶替效率技术2个方面。高效前置液技术应以高效表面活性剂为基础，具有渗透清洗能力强、润湿反转效果好、相容性好、对页岩储层伤害小等特点。提高顶替效率技术主要包括：提高套管居中度；在注水泥前调整钻井液性能并充分循环。
2.提高套管居中度技术。根据井眼的弯曲程度、井径变化率情况合理设计扶正使用数量、类型和安放位置；同时应用设计软件对扶正器安放位置进行模拟，提供理论及参考依据；水平井段可采用轻浆或清水顶替，使套管在浮力作用下漂浮，从而提高居中度。
3.套管安全下入技术。下套管前认真通井，整好钻井液润滑性及各项性能。钻具下至井底后充分循环，有效清除岩屑床并保证井壁稳定，井下不漏。通过相关技术措施减小下套管摩擦阻力，如：水平段加放滚轮套管扶正器；套管漂浮技术；套管抬头下入技术。
4.水泥浆和水泥石性能设计。除对水泥浆常规工程性能设计以满足施工要求外，水泥浆防气窜性能、防漏堵漏性能和储层保护性能设计也是重要的一方面，其主要技术途径包括：采用泡沫水泥、酸溶水泥、纤维水泥等功能水泥浆体系；减少水泥浆的自由水和失水量；增加浆体可压缩性和水化胶凝速度；稠化时间控制得当，减少过渡时间，提高水泥石早期强度。 五、提升套管居中与下入能力的对策
1.页岩气固井的下套管技术对策。下入套管前认真做好通井或划眼工作，采用不低于套管刚度的管串通井至井底。同时调整好钻井液的润滑性及各项性能，确保套管顺利下入。页岩气固井的通井到井底后开泵充分循环洗井两周以上，井内干净后方能起钻准备下套管。
2.页岩气固井提高顶替效率技术措施。一是下套管前通井时保持现在钻井液较高的屈服值，大排量循环，把泥浆中的固相沉淀和岩屑尽量携带干净。二是下完套管后循环时将泥浆时改善钻井液的流动性能，提高顶替效率。三是采用柴油、强冲洗液、加重隔离液、低密度水泥浆四级冲洗工艺保证井眼清洗效果。四是为保证套管居中度，要优化扶正器，提高水泥浆的顶替效率。依据钻井工程设计，鉴于本井水平段相对较长，所以水平段选择适合长水平段井的整体式雙弓扶正器，该扶正器居中能力强，由于整体式结构，在下入过程中不容易损坏，对井壁和自身均能起到有效地保护，造斜段侧向力较大，所以斜井段选择树脂旋流扶正器。
3.页岩气固井会直接确保施工安全措施。应该落实水平井固井对设备、管材、工具、附件的特殊要求，满足水平井固贡技术在施工时的顺利进行。同时对测井提供详细页岩气固井的井径、井斜方位、井温数据，使其在施工时更加安全稳定。
六、结束语
通过对页岩气水平井固井套管居中与下入能力的分析研究，我们可以发现，影响水平井固井质量的因素是多方面的，这些方面的因素值得有关人员深入探究。同时，结合理论与实践，能够分析出科学合理的提升套管居中与下入能力的具体对策。
参考文献：
[1]吴奇，胥云.美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示[J].石油钻采工艺，2011年，第33期：28-29.
[2]薄伯伶.页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程，2010年，第23期：33-36.
[3]张林晔，李政.页岩气的形成及开发[J].天然气工业，2011年，第29期：124-126.
[4]崔思华.页岩气钻完井技术现状及难点分析[J].天然气工业，2011年，第4期：72-74.
[5]裴建忠，刘天科等.浅层大位移水平井钻井技术[J].石油钻探技术，2013年，第37期：87-90.