页岩气井环空带压防治难点分析及对策

宋建建， 陈小龙， 许明标,， 吴宇萌， 王晓亮

(1长江大学石油工程学院 2中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司 3长江大学非常规油气湖北省协同创新中心)

环空带压是指井口处套管环空的压力经过泄压后又重新恢复到泄压前的压力水平的现象[1-2]。随着我国天然气需求量的增加，页岩气开发越来越受到重视。目前中国页岩气开发处于起步阶段，涪陵焦石坝页岩气田是我国第一个大规模商业开发的页岩气田，根据现场资料显示，焦石坝页岩气田已投产井环空带压比例远高于正常气井环空带压比例，环空带压现象严重。环空带压不仅影响页岩气井的产量和开采安全，严重时造成气井报废。

气井环空带压形成的原因主要有套管和油管密封失效、固井封固质量差、固井后封固系统完整性遭到破环[3]。环空带压的预防和治理是一个复杂的过程，开发过程中的任何一项施工都可能造成环空带压隐患。有的工艺在施工初期可能达到了开采要求，但随着后续各种作业的影响或开采时间的延长，环空带压现象开始出现并逐渐严重。为避免环空带压情况发生，开采过程中每个环节都需要引起足够的重视，对没有出现的问题及时防御，对已经出现的问题进行技术上的处理。笔者从分析页岩气井环空带压防治难点出发，指出常规油气井环空带压防治方法在页岩气井中的适用性，提出页岩气井环空带压防治对策，确保页岩气井安全、高效开发。

一、页岩气井环空带压防治难点

页岩气开发施工工艺复杂，作业过程容易造成环空带压隐患，要对环空带压进行有效防治，需要解决以下难题。

1.套管密封失效处理难度大

页岩气井井身结构复杂，若井筒内发生套管漏失，漏失点很难确定，且误射孔、压裂导致套管损坏大多发生在水平段，对套管密封修复提出了更大挑战。

页岩气水平井采用分段压裂完井的方式开采，在储层改造的过程中，要实现安全有效的地层压裂，需要套管有很好的承压能力，页岩气井压裂时套管所需要承压能力通常在70～110 MPa，且分段压裂周期较长，一般需持续7～10 d，对套管密封失效修复后承压能力提出了更高的要求，处理难度更大。

2.长水平段油基钻井液钻进固井质量难保证

在页岩气钻井过程中，为了保障井眼稳定和清洁，降低水平井作业的高摩阻对钻井作业的影响，通常采用油基钻井液钻进，常规固井前置液很难对其清除，残留在井眼中的油基钻井液及滤饼严重影响着固井一、二界面的胶结质量[4]。

页岩气井多级压裂对水泥环和岩层的作用是高压在极短的时间内完成的，页岩气水平井需要使用经过射孔及多次压裂后仍能够保持水泥石完整性的水泥浆体系[5]，所使用的水泥浆体系需具有低滤失、无自由液、高沉降稳定性、微膨胀等性能。

此外，由于重力作用，页岩气井水平段套管往往偏向下井壁，套管柱与井壁的间隙变小，套管居中度差，导致宽窄间隙处流速分布极不均匀，顶替效率不高，影响固井质量[6]。

3.固井后施工作业对水泥环和套管外加载荷复杂

尽管固井专家可以利用各种技术增强水泥基质对各种应力的抵御力，但一旦水泥环完整性遭到破坏，这些技术将无法发挥作用。射孔完井作业过程中，瞬间产生的冲击高压可能破坏水泥石。同时，页岩气井压裂施工压力高、周期长，当受到压裂产生的动态冲击载荷作用时,水泥环受到较大的内压力和冲击力,引起水泥环径向断裂或破碎[7]。

压裂和后续开发作业过程中产生的剧烈的压力和温度变化，由套管内传递到套管外的水泥石，当套管受压受热膨胀时，若水泥环遭受的应力高于水泥石强度，会造成水泥环内部微裂缝的生成[8]。而在压力或温度下降后，套管收缩又会引起水泥环与套管界面胶结失效，形成微环隙。微裂缝或微环隙引起层间沟通，将直接导致环空气窜，引起环空带压。

二、常规环空带压防治方法在页岩气井中的适用性

由于页岩气开发工艺的特殊性，常规油气井环空带压预防、控制、治理方法在页岩气井中并不完全适用，但也有可以借鉴的技术。

常规油气井环空带压预防和控制方法应用于页岩气井的不足之处在于：①套管密封失效修复后，套管承压能力不能满足页岩气分段压裂的要求。目前常规油气井套管漏失修复技术的研究与应用，国内有一些成功的案例，套管漏失封堵后套管承压一般在30～55 MPa[9-10]，但页岩气井压裂施工压力通常大于70 MPa，远远不能满足页岩气井压裂的要求；②常规清洗液对油基钻井液清洗效率低,不能保证页岩气固井质量；③固井水泥石抵御外力破坏能力不足，压裂等作业后水泥环损坏严重。页岩气井压裂施工压力高且周期长，要求水泥石具有高韧性以抵御高外加载荷的反复作用，常规油气井水泥石弹性模量一般在6～10 GPa[11-12]，不能达到页岩气固井对水泥石要求。

针对固井后水泥环完整性破坏后的修复，国内外研究的气窜治理技术可为页岩气环空带压防治提供借鉴。

三、页岩气井环空带压防治对策

1.套管密封失效修复技术

针对套管丝扣损坏而造成的密封失效，在套管运输过程中，应严格控制套管装卸操作，采用套管丝扣胶帽保护丝扣；在套管入井前，套管连接上扣结束后，进行丝扣气密封性测试，对丝扣密封不佳的情况在地面就及时处理。

对于井下套管密封失效，可采用套管微孔堵漏技术和套管破损堵漏技术解决。

1.1 套管微孔漏失堵漏技术

针对入井后套管丝扣密封失效等套管微孔漏失，微孔高效套管承压堵漏技术是有效的解决方法之一，要求堵漏浆具有良好的流动性和密封能力，在堵漏浆进入微小漏失位置时及时停留，性能随温度变化可调，作业时间可控[13]。同时，对于漏失位置难以确定的井，可进行大井段盲堵，封堵渗漏点。页岩气井进行微孔堵漏后，其承压能力至少需达到70 MPa以上。2014年，长江大学研制的套管密封修复液体系在涪陵页岩气田某套管丝扣漏失井首次应用并获得成功，试压压力持续稳定在90 MPa，井筒无漏失。

1.2 套管破损堵漏技术

针对压裂过程中套管破损引起的密封失效，可采用“模拟砂堵”技术进行封堵。堵漏浆体系由多种不同粒径固体颗粒封堵剂以及分散凝胶液组成。施工时，固体颗粒在施工压差作用下进入套管破损处，在裂缝或孔内形成颗粒级配封堵层。随后，向封堵层挤入化学分散凝胶液，凝胶液很快与堵漏颗粒形成具有高强度的立体网状结构。随着化学凝胶液的不间断挤入，充填了立体网状结构的空隙，将固体颗粒牢牢凝聚在一起，形成高强度封堵层封堵套管破损处。这项技术在涪陵页岩气田某压裂套管破损井中应用，实现了较好的封堵效果。

2.提高油基钻井液钻进水平井封固质量

良好且稳定的固井封固质量，是有效预防环空带压的关键。固井的目的是在井筒环空形成有效封隔油气水层的环空屏障[14]，为有效提高页岩气固井封固质量，可考虑以下几项对策。

2.1 研究具有优异性能的高弹韧性水泥浆体系

弹韧性水泥浆体系是保证页岩气水平井固井质量，预防环空带压形成的重要技术[15]。水泥环应具有高弹韧性和适中的抗压强度，才能抵抗分段压裂带来的冲击载荷而不致破碎[16]。国内外页岩气水平井固井的经验表明，页岩气固井水泥浆体系性能要求是水泥浆失水量小于50 mL，静胶凝强度转化时间小于45 min，线性膨胀率0.2%～0.5%,杨氏模量2.4～6.2 GPa，48 h抗压强度大于14 MPa[17-18]。此外，由于页岩气井水平段长，水泥浆自由液和沉降稳定性也需要控制在较好的范围内，水泥石上下密度差需小于0.03 g/cm3，以API标准测试水泥浆自由液为0 mL[19]。

国内外页岩气开发使用的弹韧性水泥浆体系主要包括了胶乳水泥浆体系、纤维增韧水泥浆体系、新型弹塑性水泥浆体系等，所使用的弹韧性材料主要是胶乳、橡胶、树脂、纤维、聚合物弹性颗粒等。

2.2 使用高效清洗液体系

在清洗液中采用活性清洗剂，使清洗液在较短的接触时间内对滤饼进行有效渗透并将其剥离后随清洗液带走，通过对井壁和套管的冲刷，进而进行有效的水湿，增强水泥浆同井壁及套管的亲和力，整理规划井壁和套管环空壁面，提高第一界面胶结强度，改善第二界面胶结强度，进一步改善封固质量。涪陵页岩气田使用的由特种表面活性剂、渗透剥离剂、增溶乳化剂、润湿反转剂等复合组成的高效油基清洗液体系，具有优异的清洗、增溶、润湿、渗透和剥离效果，现场应用效果好，固井合格率100%，优质率达到90%以上[20]。

2.3 提高固井顶替效率

(1)优化扶正器设计，提高套管居中度。扶正器设计既要保证套管居中度，又要考虑套管下入安全。水平段采用滚轮式刚性扶正器、整体式弹性扶正器改善套管居中度。此外，为套管入井安全，水平段位置弹性扶正器与刚性扶正器交替使用，扶正器安放密度根据井况设计，每2～3根安放一个扶正器。

(2)使用模拟软件优化固井工艺。为保证页岩气固井质量，需要顶替效率超过90%。通过固井模拟软件可以对整个固井程序进行模拟，包括不同扶正器加放方式的套管居中度、不同浆体流速下的顶替效率、各个施工阶段下的井口压力与环空压力等。

3.水泥环完整性破坏后修复技术

3.1 自修复水泥浆技术

自修复水泥浆技术是解决水泥环微裂缝或微环隙问题的一项新技术，其设计原理是在水泥浆配方中加入一种能对井下窜流气体进行自动回应的材料。当水泥环被破坏引起气窜时，水泥石中的自修复材料被激活，对水泥环“伤口”进行自动修复。这类材料一旦被激活，就可以封堵水泥环损害层，自动形成一个完整的屏障，若有进一步的损害发生，体系可以再次被激活，直至不再发生气体窜流。目前较有前途的自修复材料包括高分子材料、自愈合凝胶、沥青材料等[21]。Muhammad Ali、J.A. Vargas Bermea、Salim Taoutaou等人对自修复水泥浆进行改进，研究出了一种柔性膨胀自修复水泥浆技术，该技术是柔性膨胀水泥浆与自修复技术的结合，通过加入配伍性优良的增韧材料和自修复材料，保证水泥石柔韧性的同时兼具对气窜通道的自修复性[22-24]。

3.2 高强高胶结密封胶塞技术

要对已发生的环空带压进行治理，就需要采用技术体系将气窜通道封堵，切断气体积聚来源。高强高胶结密封胶塞技术，是从水泥环空上部向窜流通道返挤密封胶液，胶液凝固后在窜流通道顶部对气窜进行堵塞。由于气窜通道是水泥石微裂缝壁面或胶结破坏后的粗糙套管界面，要求密封胶塞具有高强度且与水泥石有很高的胶结能力，这样才能在微裂缝或微环隙中有效固化粘结，阻止气体窜流至井口。此外，密封胶液还需要具有高剪切下良好的流动性能和低剪切下瞬间形成网状结构的特性，使胶液能顺利挤入微裂缝或微环隙，在挤入指定位置后最大程度避免“回吐”。

David W. Rusch等人[25]和Al-Ansari等人[26]分别提出使用压力活性密封胶和热激活树脂治理环空带压。两种技术方法都是向水泥环漏失微裂缝和微环隙内挤入封堵液，封堵液在一定条件下固化，并与漏失通道壁面胶结，隔离压力积聚来源，阻止环空带压形成。

四、结论

(1)页岩气井环空带压防治难点主要有套管密封失效处理难度大、长水平段油基钻井液钻进固井质量难保证、固井后施工作业对水泥环和套管外加载荷复杂三个方面。

(2)常规油气井环空带压防治措施在页岩气井中应用的不足之处在于：套管漏失修复后承压能力达不到页岩气井压裂要求，常规清洗液对水平井油基钻井液清洗效率低，水泥石韧性不能满足页岩气井压裂要求。

(3)针对页岩气井环空带压特点，提出使用微孔高效套管承压堵漏技术和新型破损套管漏失封堵技术修复套管密封失效；通过研究高韧性水泥浆体和高效油基钻井液清洗液体系，并提高固井顶替效率，提高页岩气井固井质量；采用自修复水泥浆技术和高强高胶结密封胶塞技术治理水泥环破坏引起的环空带压。