1. 引言
环空带压(环空气窜)是国内外页岩气开发普遍存在且亟待解决的一个瓶颈难题 [1] - [6]，它严重影响页岩气井的产量，降低页岩气采收率，弱化压裂改造效果，以致于花巨资建成的页岩气井丧失其应有的功能。国内外研究认为，就固井工程而言，环空带压的主要原因是固井质量差和压裂等后续作业对水泥环的伤害 [2] [7]。鉴于此，针对侧钻水平井(均采用油基钻井液 [6] [8] )和体积压裂是目前勘探开发页岩气的主体技术 [9] [10]，而采用驱油前置液(解决油基钻井液条件下的固井质量问题)和弹韧性(或韧性或柔性)防气窜水泥浆体系(预防体积压裂对水泥环的伤害)是现今页岩气侧钻水平井固井的主要技术。实践表明，现行的页岩气水平井固井技术虽可显著提高其测井固井质量，但却尚不能有效解决环空气窜问题(压裂前环空带压)，也难以完全满足体积压裂的要求(压裂后环空带压) [11] [12] [13]。因此，为了进一步解决页岩气侧钻水平井环空带压难题，笔者介绍了一种油基泥饼固化剂，评价了其相关技术性能，给出了4口井现场试验效果。
2. GOS的性能评价
2.1. 实验材料
实验用钻/完井液取自T1侧钻水平井，其所用的油基钻井液配方为83%基液(95%柴油:5% CaCl2盐水) + 3%乳化剂 + 1%润湿剂 + 2%增黏剂 + 8% CaO + 4%有机土 + 3%降滤失剂 + 5%高效封堵剂 + 3%超细碳酸钙 + 其它添加剂(加重剂等)，完钻油基钻井液性能见表1。GOS型油基泥饼固化剂[中国地质大学(武汉)研制]，它分为GOS-I型油基泥饼固化剂、GOS-II型油基泥饼固化剂和GOS-III型油基泥饼固化剂。水泥浆体系为T1侧钻水平井固井实际使用的水泥浆体系，即弹韧性防气窜水泥浆体系。自制仿地井筒的渗透率和孔隙度模拟T1侧钻水平井水平段，分别为0.7 × 10−3 μm2和4.5%，内筒直径为33 mm，外筒直径为100 mm。
Table 1. Oil-based drilling fluid performance of T1 sidetracking horizontal well completion
表1. T1侧钻水平井完钻油基钻井液性能
2.2. 实验条件
鉴于页岩气侧钻水平井固井胶结质量检测时间一般为3 d左右，固井二界面胶结强度实验条件确定为：样品养护时间为3 d、5 d、7 d、10 d、15 d和30 d，养护方式为浴养，养护温度为105℃，养护压力为常压(通常为0.1 MPa)，泥饼厚度为0.4~0.5 mm，GOS-I型油基泥饼固化剂和GOS-II型油基泥饼固化剂与油基泥饼的接触时间均为80 s，而GOS-III型油基泥饼固化剂与油基泥饼的接触时间为160 s，接触顺序为GOS-I型油基泥饼固化剂、GOS-II型油基泥饼固化剂和GOS-III型油基泥饼固化剂。根据真页1侧钻水平井实测温压情况，GOS与油基钻井液和水泥浆的相容性实验条件确定为：温度为90℃，压力为85 MPa，升温时间为60 min。流变性实验条件为90℃ × 常压。
2.3. 实验方法
固井二界面胶结强度实验方法见参考文献 [14] [15]，而GOS与油基钻井液和水泥浆的相容性实验方法按API规范10进行。
2.4. 评价结果与分析
2.4.1. GOS提高固井二界面胶结强度的效果
为了验证GOS对改善固井二界面胶结强度的实际效果，基于参考文献 [14] [15] 的方法开展了相关模拟实验，实验操作流程如图1所示。实验结果见表2。
Figure 1. Experimental operation flow chart
图1. 实验操作流程图
Table 2. Experimental results of the cementing strength of the cement-formation interface
表2. 固井二界面胶结强度实验结果
从表2可以看出，随着养护时间的延长，采用油基泥饼固化剂的页岩气侧钻水平井固井二界面胶结强度增大且达到了0.1002~0.3974 MPa，而未采用油基泥饼固化剂的页岩气侧钻水平井固井二界面胶结强度则基本为0.0042~0.0082 MPa，即前者较后者的固井二界面胶结强度提高了19.44~53.43倍。
2.4.2. GOS与油基钻井液和水泥浆的相容性
为了考察GOS与页岩气侧钻水平井用油基钻井液和弹韧性防气窜水泥浆体系的相容性，基于API规范10的方法进行了相关室内实验。
1) GOS对流变性的影响
由表3可以看出，GOS对页岩气侧钻水平井用油基钻井液和弹韧性防气窜水泥浆的流变性不仅没有影响，而且流性指数增大了86.42%~87.95%，即更有利于提高页岩气水平井水平段的顶替效率。
Table 3. Experimental results of the influence of GOS on rheology
表3. GOS对流变性影响的实验结果
2) GOS与稠化时间的影响
由表4可以看出，GOS对页岩气侧钻水平井用弹韧性防气窜水泥浆的稠化时间没有影响。
Table 4. Experimental results of the influence of GOS on the thickening time
表4. GOS对稠化时间影响的实验结果
由表2和表3可以看出，GOS与页岩气侧钻水平井用油基钻井液和弹韧性防气窜水泥浆具有良好的相容性，完全能够满足固井施工要求。
3. 油基泥饼固化与界面交联的证据
3.1. GOS作用前后固井二界面胶结对比图
GOS作用前后养护3 d水泥柱承压(压脱)后起开的照片见图2。
Figure 2. Comparison of cementation at cement-formation interfaces before and after the use of GOS
图2. 采用GOS前后固井二界面胶结情况对比图
从图2的上图可看出，未采用油基泥饼固化剂的油基泥饼潮湿、疏松，起开的水泥柱被潮湿油基泥饼包裹，即水泥柱与仿地井筒之间呈分离状，即固井二界面胶结强度仅为0.0042 MPa显而易见，这也印证了沈忠厚院士等学者“泥饼的存在会导致水泥浆与地层无法实现完全胶结，使得固井二界面胶结强度很低”的结论 [16]。显然，这易引起页岩气沿固井二界面发生气窜而致环空带压。
但从图2的下图可看出，采用油基泥饼固化剂的油基泥饼已固化且水泥柱–固化油基泥饼–仿地井筒已大部分交联，即水泥柱承压0.3459 MPa的大部分压脱剖面的水泥柱、固化油基泥饼、仿地井筒三者已相互交联，起开的水泥柱表面和撕离部分清晰可见，且固化油基泥饼干燥、致密，使固井二界面胶结强度提高到了19.44~53.43倍，即有利于防止环空气窜和环空带压。
3.2. GOS作用后油基泥饼固化和界面交联的SEM图
GOS作用后养护3 d的油基泥饼固化和界面交联SEM测试结果见图3。
Figure 3. SEM diagram of oil-based mud cake solidification and cross-linking at cement-formation interfaces after the use of GOS
图3. 采用GOS后固井二界面油基泥饼固化和界面交联的SEM图
从图3的左图可以看出，油基泥饼中岩屑和重晶石之间生成了大量的纤维状胶凝物质，它们像“浆糊”把这些固相颗粒粘联在一起构成一个整体，即油基泥饼固化。从图3的右图可以清晰地看到，固化油基泥饼与水泥柱和仿地井筒的两个界面之间均有细柱状或片状胶凝物质生成，且彼此之间互相缠绕，两个界面区过渡平整，即水泥柱–固化油基泥饼–仿地井筒界面交联，使得固井二界面胶结强度大幅度提高已是不言而喻。
4. 现场试验
4.1. 现场工艺技术
原固井工艺及水泥浆体系、油基钻井液体系均不变，只需：
1) 采用GOS-I型油基泥饼固化剂2 m3作前置液(确保其与井壁油基泥饼的接触时间达到80 s以上即可)。
2) 采用GOS-II型油基泥饼固化剂2 m3作前置液(确保其与井壁油基泥饼的接触时间达到80 s以上即可)。
3) 采用GOS-III型油基泥饼固化剂4 m3作前置液(确保其与井壁油基泥饼的接触时间达到160 s以上即可)。
4) 固井施工顺序：┉油基钻井液┉现用前置各种流体┉► GOS-I型油基泥饼固化剂2 m3 ► GOS-II型油基泥饼固化剂2 m3► GOS-III型油基泥饼固化剂4 m3 ►设计密度水泥浆(包括低密度水泥浆或高密度水泥浆)►┉。
4.2. 现场试验效果
通过总结分析前期两口先导性现场试验情况的基础上，改进了油基泥饼固化剂及其现场使用方法和工艺。2020年8月开始，先后在位于重庆市丰都县的T1侧钻水平井、重庆市綦江区的D4侧钻水平井、重庆市忠县的F1侧钻水平井和贵州省道真县的Z3侧钻水平井(均为油基钻井液)完井固井中进行了现场试验，效果显著(表5)：固井质量合格率100%，固井一界面胶结质量优良率90%以上，固井二界面胶结中等以上的超过80%。其中，T1侧钻水平井目前已完成体积压裂测试，页岩气产量7.5013万方/日，页岩油产量9.87方/日，且油层套管与表层套管之间环空压裂前后均未出现带压现象，其它3口井尚待进行体积压裂测试。现场试验结果初步表明：1) 油基泥饼固化剂可有效提高页岩气侧钻水平井的固井质量，且现场施工工艺简单，安全可靠；2) 油基泥饼固化剂具有优良的防气窜效果和环空封隔能力，有利于提高页岩气水平井固井完整性，满足页岩气水平井体积压裂需要。
Table 5. Field test of oil-based mud cake solidification agent for shale gas sidetracking horizontal well
表5. 页岩气侧钻水平井油基泥饼固化剂现场试验情况
5. 结论
1) 随着养护时间的延长，用GOS的页岩气侧钻水平井固井二界面胶结强度也增大，而未用GOS的则基本为0.0042~0.0082 MPa，即前者较后者的固井二界面胶结强度提高了19.44~53.43倍。
2) GOS对页岩气侧钻水平井用油基钻井液和弹韧性防气窜水泥浆的流变性不仅没有影响，而且流性指数增大了86.42%~87.95%，即更有利于提高页岩气水平井水平段的顶替效率。
3) GOS对页岩气侧钻水平井用弹韧性防气窜水泥浆的稠化时间没有影响。
4) 微观结构测试结果表明，GOS作用后油基泥饼已固化和界面已交联，这就是GOS作用后固井二界面胶结强度提高了19.44~53.43倍的原因。
5) 4口井现场试验结果初步表明，油基泥饼固化剂可有效提高页岩气侧钻水平井的固井质量，且其具有优良的防气窜效果和环空封隔能力，有利于提高页岩气水平井固井完整性，满足页岩气水平井体积压裂需要。
基金项目
国家自然科学基金项目(51774258，41972326)。