用于页岩气井的固井工艺及完井结构

摘要

本发明为一种用于页岩气井的固井工艺及完井结构，固井工艺在对于易产生套管变形损坏井段进行提前预测的基础上，沿着井深方向，在该井段的前部和后部均注入水泥浆，在该井段的环空内不进行固井，而是注入一段流体形成流体段，形成类似于“三明治”结构的硬(水泥环)+软(流体)+硬(水泥环)的完井结构。即，该固井工艺所形成的完井结构，在其环空中沿着井深方向具有用于固井的水泥环以及将水泥环隔离开的流体段。本发明可以将分段压裂过程中由于地层“局部高压区”的出现对套管产生的极端非均匀外挤载荷转化为均匀外挤载荷，从而达到防止套管变形、提高井筒完整性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种页岩气井固井技术领域，尤其涉及一种改进的用于页岩气井的固井工艺及完井结构。

背景技术

页岩气开发是我国能源开发战略的重要一环，对于缓解日益提升的能源需求具有积极意义。在中石化涪陵、中石油威远-长宁等页岩气区已经取得了突破性进展，显示出良好的发展前景。多级分段压裂是提升页岩气井开发成效的重要技术手段，但是在改造过程中，却出现了较为严重的井筒完整性失效的问题。部分区块的套管变形比例甚至达到了40％，导致分段压裂改造失效，已经严重制约了我国页岩气开发进程。

页岩气井套管变形的主要机理在于其在改造过程中承受了巨大的非均匀外挤载荷所致。要实现对于非均匀外挤载荷的控制，从目前的技术水平看，一是降低作业排量和压力，但限于页岩储层开发SRV最大化需要以及储层埋深和岩石强度的约束，可操作空间是比较小的。二是改善水泥环的性能，采用“高强度，低刚度”水泥，利用高强度抵抗地层的变形，利用低刚度吸收地层的变形，但由于水泥石为脆性材料，要想达到低刚度实现空间非常有限。

国内外专家学者对页岩气井压裂过程中发生的套管损坏问题进行了研究，但是均未提出科学、合理的工程解决办法，导致当前威远-长宁页岩气开发区块当前依然存在显著地套管变形问题。同时该问题也曝露了常规水泥浆进行环空全填充式的固井工艺对于解决该问题的局限性，因此研发一种新型的固井工艺和完井结构势在必行。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于页岩气井的固井工艺及完井结构，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于页岩气井的固井工艺及完井结构，以预防和避免页岩气井开发过程中套管变形损坏的问题。

本发明的目的是这样实现的，一种用于页岩气井的固井工艺，所述固井工艺至少包括如下步骤：

S1，确定易产生套管变形损坏井段的位置；并规定沿井深方向，靠近井口的位置为前部，远离井口的位置为后部；

S2，在易产生套管变形损坏井段的后部井段注入水泥浆，注入的水泥浆形成后部水泥浆；

S3，在易产生套管变形损坏井段的套管与井眼之间的环空注入流体；

S4，在易产生套管变形损坏井段的前部井段注入水泥浆，注入的水泥浆形成前部水泥浆。

在本发明的一较佳实施方式中，注入的所述流体为水或压裂液。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤S2及步骤S3之间，还包括注入用于将所述流体与所述后部水泥浆隔离的后置液的步骤；步骤S3及步骤S4之间，还包括注入用于将所述流体与所述前部水泥浆隔离的前置液的步骤。

在本发明的一较佳实施方式中，所述前置液与所述后置液为同种聚合物溶液，所述聚合物溶液的密度＞1.25g/cm³、漏斗粘度＞200s、动切力＞25pa。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤S1还包括计算需要注入的所述前部水泥浆、所述前置液、所述流体、所述后置液和所述后部水泥浆的体积的步骤。

在本发明的一较佳实施方式中，计算公式为：

其中，Q_cem、Q_pre、Q_fl、Q_ov及Q'_cem分别代表前部水泥浆、前置液、流体、后置液及后部水泥浆的体积；D_cem为前部水泥返高位置深度，D_pre为前置液上部井深，D_fl为流体上部井深，D_ov为后置液上部井深，D'_cem为尾部水泥前端深度，D_well为井深，d_well-in为井眼内径，d_casing-out为套管外径。

本发明的目的还可以这样实现，一种用于页岩气井的完井结构，所述完井结构通过上述的固井工艺所形成；所述完井结构中包括井眼和套管，所述套管和所述井眼之间形成环空；所述环空中沿着井深方向具有用于固井的水泥环以及将所述水泥环隔离开的流体段。

在本发明的一较佳实施方式中，所述环空中位于井深方向的最上部及最底部均为所述水泥环，其中最上部的所述水泥环延伸至井口处；所述流体段通过注入流体形成，并位于易产生套管变形损坏井段的所述环空中。

在本发明的一较佳实施方式中，所述流体段沿井深方向的前部和后部均为所述水泥环；所述流体段与前部的所述水泥环之间以及所述流体段与后部的所述水泥环之间均设置有将所述流体段与所述水泥环相隔离的隔离液体段。

在本发明的一较佳实施方式中，所述隔离液体段通过注入隔离液形成，所述隔离液包括所述前置液与所述后置液，所述隔离液的密度＞1.25g/cm³、漏斗粘度＞200s、动切力＞25pa。

由上所述，本发明的固井工艺采用在易产生套管变形损坏井段的前部和后部均注入水泥浆，进行正常固井作业，在易产生套管变形损坏的井段环空不进行固井，而是注入一段流体形成流体段，形成类似于“三明治”结构的硬(水泥环)+软(流体)+硬(水泥环)的完井结构。该段流体的存在，可以将分段压裂过程中对套管产生的极端非均匀外挤载荷转化为均匀外挤载荷，从而达到防止套管变形、提高井筒完整性的目的。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明完井结构的其中一种实施例的结构示意图。

图2：为本发明完井结构中各个参数的标识示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例一

参考图1及图2，本发明提供了一种用于页岩气井的固井工艺，在对于易产生套管变形损坏(也即井筒完整性失效)井段p进行提前预测的基础上，明确该井段p的深度，然后在固井过程中沿着井深方向，在该井段p的前部(靠近井口的位置为前部)和后部(远离井口的位置为后部)均注入水泥浆，进行正常的水泥固井作业，在该井段p的环空内不进行固井，而是注入一段流体形成流体段1，如图1所示，形成类似于“三明治”结构的硬(水泥环)+软(流体)+硬(水泥环)的完井结构。以上所说的注入水泥浆和流体均是指注入到套管10和井眼之间形成的环空内，以进行固井。该流体的存在，可以将分段压裂过程中由于地层“局部高压区”的出现可能产生的极端非均匀外挤载荷转化为均匀外挤载荷，从而达到防止套管10变形，提高井筒完整性的目的。其中，流体段1前部的水泥浆4和后部的水泥浆5均可以采用普通水泥完井工艺使用的水泥浆；向易产生套管变形损坏井段注入的流体可以采用但不限于压裂液或水，只要对储层无伤害均可。而在注入后部的水泥浆之后，为了减少水泥浆和流体在交接面处的混合影响，可以在注入流体之前先注入一段后置液3，同样，在注入前部的水泥浆4之前先注入一段前置液2。前置液2和后置液3可以为同种聚合物溶液，用来将水泥浆和流体分隔开，以减少水泥浆和流体在交接面处的混合影响。聚合物溶液的密度＞1.25g/cm³、漏斗粘度＞200s、动切力＞25pa。其中动切力是反映钻井液流体在流动时内部凝胶网状结构的强度，也称屈服值。

该固井工艺的其中一种具体实施方式为，该实施方式中只有一段井段需要注入流体，1、对于可能出现井筒完整性失效的井段p进行预测，确定易产生套管变形损坏井段p的位置；明确需要注入流体的环空段。同时，根据井眼及套管10的具体尺寸，以及需要注入流体的井段p的长度来计算需要注入的前部水泥浆4、前置液2、流体1、后置液3及后部水泥浆5的体积。参见图2，设定井深为D_well，前部水泥浆4返高位置深度为D_cem，如果前部水泥浆4返高到井口位置，则该值为零，前置液2上部井深为D_pre，流体1上部井深为D_fl，后置液3上部井深为D_ov，尾部水泥浆5前端深度D'_cem，井眼内径为d_well-in，套管10外径为d_casing-out。分别用Q_cem、Q_pre、Q_fl、Q_ov及Q'_cem代表前部水泥浆4、前置液2、流体1、后置液3及后部水泥浆5的体积，计算公式如下：

2、依次实施注入后部水泥浆5、后置液3、流体1、前置液2及前部水泥浆4的步骤。注入流程为：

⑴提前配置好完井液、水泥浆、前置液2、后置液3以及流体1。

⑵根据前期的体积计算结果，首先利用泵车向套管10与井眼的环空中注入后部水泥浆5，体积为Q'_cem；然后注入后置液3，体积为Q_ov；然后注入流体1，体积为Q_fl；然后注入前置液2，体积为Q_pre；然后注入前部水泥浆4，体积为Q_cem；最后注入完井液。在该实施方式中，注入的前部水泥浆4返高到井口位置。

⑶等待凝固，水泥浆固结后，沿着井深方向，在套管10与井眼之间的环空内从前部向尾部方向依次形成前部水泥环4、前置液2、流体1、后置液3以及后部水泥环5，形成“硬(水泥环)+软(流体)+硬(水泥环)”的“三明治”结构。

实施例二

如图1所示，在本实施例中，提供了一种用于页岩气井的完井结构100，该完井结构是通过上述的固井工艺所形成。所述完井结构中包括井眼和套管10，所述套管10和所述井眼之间形成环空；所述环空中沿着井深方向具有用于固井的水泥环以及将所述水泥环隔离开的流体段1。流体段1被夹设在水泥环中间，沿着井深方向可以只有一个流体段1，也可以具有两个或多个流体段1。所述环空中位于井深方向的最上部及最底部(尾部)均为所述水泥环；其中最上部的所述水泥环返高(向上延伸)到井口位置。所述流体段1通过注入流体形成，并位于易产生套管变形损坏井段的所述环空中。其中，流体段1与前部的水泥环之间以及流体段1与后部的水泥环之间均设置有将流体段1与水泥环相隔离的隔离液体段。所述隔离液体段通过注入隔离液形成，隔离液体段用来将水泥浆和流体分隔开，以减少水泥浆和流体在交接面处的混合影响。所述隔离液体段的所述隔离液的密度＞1.25g/cm³、漏斗粘度＞200s、动切力＞25pa。在其中一种实施方式中，沿着井深方向，套管与井眼之间的环空中依次形成有前部水泥环4、前置液2、流体段1、后置液3及后部水泥环5。

综上所述，本发明的优点是：

1.在非均匀地应力作用下，套管易发生变形的风险段没有采用水泥固井，而是注入一段流体，通过流体的作用实现非均匀载荷到外挤载荷的转变。从而在压裂过程中，能够大幅降低套管承受的非均匀地应力载荷的作用。

2.套管易发生变形的风险段采用环空不用水泥固井而是注入流体的方式，地层在地应力作用下发生变形时，注入的流体段1有利于环空对地层变形的吸收，可以有效降低套管承受的外挤载荷作用力。

3.易发生变形的风险段的相邻井段则进行正常水泥固井作业，采用常规固井方法即可实现，工艺可操作性和可靠性强。

4.水泥浆与夹设在其中的流体均使用前置液和后置液进行隔离，且前置液和后置液粘度、动切力值均较大，可以达到有效隔离的效果。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。具体实施方式中所说明的特征的所有组合未必是本发明所限制的解决手段，可以理解这些附加的构造特征以及操作改进可以单独使用或者相互结合使用。因此，应该理解本发明不限于任何具体的特征或元件的结合，并且在此描述的任何期望的特征组合都能被实施而不偏离本发明的保护范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。