非常規油氣水平井固井關鍵技術研究與應用

劉 成 貴

（勝利石油管理局黃河鉆井總公司，山東東營 257064）

水平井固井存在下套管摩阻大、提高頂替效率難度大等難題。人們圍繞水平井固井，就水平井下套管方法、水泥漿與隔離液的設計、提高頂替效率的施工工藝等進行了諸多研究，提出了利用漂浮接箍減小下套管阻力、篩管完井頂部注水泥、改善水泥漿體系、利用液壓扶正器提高套管居中度等針對水平井的固井工藝技術和措施［1］。以上這些措施大多局限于部分解決下套管及固井質量的問題，而在水泥漿體系滿足固井質量要求的情況下，提高水平段套管居中度和頂替效率成為水平井固井要解決的關鍵問題，水平井段的固井質量更多取決于水泥漿頂替鉆井液的頂替效率。目前致密砂巖、頁巖等非常規資源的開發多利用水平井，水平井段的固井質量還要滿足大型壓裂的需要，因此對水平井固井質量提出了更高的要求，需要在分析水平井及非常規油氣井固井難點的基礎上，結合每口井的特點，綜合采用合理的工藝技術措施，全面改善非常規油氣水平井固井質量。

1 水平井固井技術特點分析

1.1 井身軌跡與套管居中度

理想的固井質量要求是套管外的環空完全由高質量的水泥充填，套管與井壁及套管壁間實現良好膠結，從而達到層間封隔的目的。因此，提高油氣井固井質量首先要解決頂替效率的問題［1］，而提高套管居中度是提高頂替效率的重要條件。

提高套管居中度的普遍方法是采用套管扶正器。套管扶正器安放間距的計算方法有很多，都考慮了套管居中程度與下套管摩阻的問題。需要指出的是，合理的扶正器設計是降低下套管摩阻的重要途徑。在水平井中，套管受到的載荷要比直井中更為復雜，套管居中的問題尤為突出。一般多數認為在定向和水平井段中，套管會由于重力作用靠近下井壁，而從整個井眼空間來看，由于受局部井眼曲率和方位變化及套管剛度的影響，套管可能會靠近井眼圓周的任何一個方向［2］。沒有扶正器的套管柱一旦與井壁接觸，其接觸面積有逐漸增大的趨勢，勢必增大下套管的摩阻，甚至卡套管，類似于壓差卡鉆；而帶有扶正器的套管柱，扶正器與井壁之間是相對的點接觸，同時阻止了套管本體與井壁接觸面積的進一步擴展，因而合理的扶正器間距可以降低下套管摩阻［3］。

下套管摩阻還受到井身軌跡平滑程度、濾餅摩擦因數和套管剛度等因素影響，需要根據具體的井眼條件和鉆井液性能合理設計扶正器間距，保證套管順利下入，達到盡可能提高套管居中度的目的［4］。

1.2 鉆井液性能與頂替效率

在斜井段及水平段鉆進時易形成巖屑床，在井眼低側形成鉆井液的固相沉降，從而使鉆井液頂替不干凈。要達到將封固井段內的鉆井液替凈的目的，首先要求鉆井液具有易于被頂替的性能，即具有合適的流變性。一般情況下，在維護井壁穩定、提高鉆井液的動塑比提高攜砂能力的同時，要求鉆井液具有較低的黏度和切力，這樣在居中度相對較低的井段鉆井液才更容易被頂替。而即使是較高的居中度，高黏切的鉆井液頂替起來也會十分困難，特別在施工過程可能出現的停泵或返速降低的情況下，恢復循環需要克服鉆井液結構力，一定程度上會造成局部或大段的鉆井液滯留。較高的摩阻系數會產生較高的循環和頂替壓力，不利于采用大排量達到紊流流態，從而不利于井眼內鉆井液的清除［1-5］。

1.3 沖洗液和隔離液的性能

在水泥漿前部注入的沖洗液和隔離液要求具有與鉆井液的相容性、改善親水環境（特別是使用油基鉆井液）、提高水泥與地層和套管壁的膠結質量等特性，同時需要有足夠的接觸時間來達到這一目的［6-8］。行業內普遍認可的紊流接觸時間為7～10 min，但在現場往往受到井壁穩定性和井眼規則程度的限制。沖洗液的量過大會引起井壁失穩；黏性隔離液要達到驅替鉆井液的目的，需要有較高的黏度和切力，達到紊流流態具有一定的難度，特別在井徑變化較大時，實現紊流頂替較為困難，即使較長的接觸時間也難以達到替凈的目的；在水平井段穿越地層不均質、巖性不一致時，易出現“糖葫蘆”井眼，這一矛盾更為突出。因此要在井下安全的前提下，盡可能加大前置液注入量，確保足夠的接觸時間，同時還要針對井徑不規則的特殊問題，設計合理的隔離液性能，滿足驅替效果。

1.4 水泥漿體系的性能

一般要求水平井固井的水泥漿體系除了水泥石的抗壓強度和稠化時間滿足施工要求外，還要具有低失水（＜50 mL）、零游離液，避免在井眼上側形成游離液上竄通道；較好的沉降穩定性有利于充分頂替和形成均勻的水泥環。此外，水平井固井水泥漿體系設計還要注意：（1）在進行失水和游離液測定時要模擬水平井條件，將旋轉失水儀或測試量筒傾斜45°進行測量［1］；（2）在同一地層水平穿越井段長，井底循環溫度要比常規溫度高，水泥漿實驗溫度一般取井底靜止溫度的85%，在此溫度下確定合理的水泥漿稠化時間，同時還要滿足直角稠化的要求；（3）為提高水泥漿紊流條件下頂替鉆井液的效率，水泥漿的靜切力和動切力應比鉆井液高；（4）環空漿柱組合，特別是前置液與水泥漿的設計要考慮平衡壓力固井的需要，既要降低環空動態液柱壓力，降低流動摩阻，避免井漏，又要防止環空壓力較低造成地層失穩，或候凝過程失重導致地層流體竄入。

2 F116 區塊非常規油氣水平井固井難點

F116 區塊為致密砂巖非常規開發區塊，油藏埋深2 800～3 000 m。F116-2HF 井為該區塊第1 口非常規水平井，井深3 912 m，水平段長920 m，該井固井時遇到了以下問題，導致固井質量未能達到預期目標。

（1）目的層鉆井過程中鉆遇多段泥巖地層，并出現大量掉塊，為維護井壁穩定并充分攜砂，鉆井液黏度、切力較高，不利于水泥漿的頂替。

（2）水平段較長，且穿過較多的易坍塌掉塊地層，給套管扶正器下入造成一定困難；套管扶正器下入較多會增大環空循環摩阻，因此該井水平段僅下入12 只剛性扶正器，套管居中程度差，固井質量檢測結果表明，在扶正器附近的井段水泥環質量相對較好。

（3）地層不穩定限制了固井前充分循環及對鉆井液性能進行大幅調整，對有效頂替影響較大，同時也限制了沖洗液和隔離液的用量，使固井頂替效率大大降低。

（4）固井要求水泥上返至井口，封固段在4 000 m左右，注入的水泥漿及前置液的量不易準確把握，固井過程一旦出現竄槽，直接影響全井段固井質量。

（5）鉆井液黏切高，使循環摩阻增大，不利于大排量頂替提高頂替效率。

3 非常規油氣水平井固井技術對策

通過對水平井固井技術難點的分析及F116 區塊非常規油氣水平井固井面臨的特殊問題，圍繞提高頂替效率的目標，在F116 等非常規開發區塊重點采取了以下措施，有效提高了固井質量。

3.1 下套管前通井技術措施

（1）模擬原鉆具剛度通井，確保扶正器數量和套管順利下入。

（2）維持完鉆鉆井液性能，在下套管前不對鉆井液進行大幅度的性能調整，確保井壁穩定。

（3）大排量循環洗井，對通井遇阻井段進行劃眼和反復短起下，徹底清洗巖屑床。

（4）通井后期，循環泵壓及返出鉆井液性能穩定后，測循環周，估算井筒容積，為確定水泥漿量等提供參考依據。

（5）起鉆前在造斜段及水平段注入潤滑鉆井液，提高鉆井液潤滑性。

3.2 下套管操作特別要求

下套管主要應做到連續下入，縮短鉆井液靜止時間，避免過高的結構力形成，為后期循環和充分調整鉆井液性能奠定基礎。

（1）做好下套管作業前的準備工作，縮短下套管過程的停頓時間。

（2）采用逐根灌漿措施，并縮短鉆井液灌滿的周期，減少中途灌漿的時間；直井段灌漿時可以適當活動套管；下入斜井段之前一定要灌滿鉆井液，盡可能保持斜井段及水平段下入的連續性。

（3）控制套管下放速度。直井段下放速度保證環空上返速度小于0.8 m/s；進入造斜段和水平井段，上返速度小于0.5 m/s。

3.3 扶正器設計原則及方法

（1）水平段全部采用剛性扶正器，在每兩個壓裂段之間加大扶正器的安放密度，確保壓裂段之間的封固質量，滿足后期壓裂層間封隔的需要。

（2）扶正器的位置宜放在井眼較規則、井壁穩定的井段。

（3）造斜段采用剛性扶正器與彈性扶正器交替安放的方法。

3.4 前置液設計

（1）前置液采用沖洗液+隔離液組合。根據井下條件，不低于8～12 m3，約占環空高度300～400 m，以充分延長與井壁接觸時間，達到較好的清洗效果。

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（2）沖洗液采用驅油活性劑+降失水劑+分散劑+水配置。

（3）隔離液采用有效層流隔離液［6］，由驅油活性劑+降失水劑+分散劑+加重材料+懸浮劑+水配置。

（4）沖洗液和隔離液的具體數量分配比例根據井壁穩定性和鉆井液性能合理設計。

（5）保持鉆井液、隔離液與水泥漿的合理密度梯度，提高頂替效率。

3.5 水泥漿體系設計

由于封固井段長，為避免水泥凝固過程的失重，采用多凝水泥漿柱結構［7-8］。根據地層壓力和完鉆鉆井液性能，上部水泥漿充填井段采用低密度水泥漿體系，其密度高于鉆井液密度0.10～0.20 g/cm3，稠化時間300～360 min，失水不超過150 mL；中部采用中高溫降失水水泥漿體系，其密度控制在1.87～1.90 g/cm3，稠化時間180～210 min，失水量小于70 mL；水平井段采用增韌微膨脹水泥漿體系，其密度控制在1.90～1.95 g/cm3，稠化時間120～150 min，失水量小于50 mL，游離液為0。

3.6 循環洗井及鉆井液性能調整［9］

（1）下完套管后小排量開泵頂通，防止壓力激動憋漏地層或憋泵。

（2）開始循環時，應維持下套管前的鉆井液性能，以利于井眼清洗。根據循環壓力和鉆井液性能變化逐步提高循環排量，觀察循環泵壓及返出情況，待泵壓及鉆井液性能穩定后，大排量循環2 周以上，徹底清除井內巖屑。

（3）正常循環時測量循環周，估算井筒容積，并與通井時測得的井筒容積進行對比，以最終確定水泥漿量。

（4）待井眼清洗干凈后，在保證井壁穩定的條件下，在注水泥前的1～2 個循環周內，適當降低鉆井液的黏度和切力，降低循環摩阻，提高鉆井液的易頂替性，為提高水泥漿頂替效率奠定基礎。

（5）在井下條件允許的情況下，可在注水泥前注入無固相或低固相鉆井液，提高對原鉆井液的頂替效率。

3.7 固井施工過程控制

固井施工參數的設計上要以安全施工和提高頂替效率為出發點，合理設計施工排量，減輕U 型管效應。施工過程中在滿足設計要求的施工參數基礎上，主要應保持連續施工，目的同樣是為減少鉆井液靜止時間，避免結構力形成，實現連續頂替，保證頂替效率。

（1）做好施工前準備工作，縮短井口水泥頭安裝、連接時間，避免鉆井液靜止。

（2）水泥頭安裝完畢后繼續開泵循環，恢復鉆井液流動性，停泵后直接進行前置液和水泥漿泵注。

（3）前置液和水泥漿的注入排量不應超過最終的頂替排量，以防止砂橋憋泵。

（4）水泥漿返出套管時，增大注水泥漿排量，盡量使水泥漿返出套管時達到紊流速度。

（5）壓膠塞操作與隨后的開泵頂替應迅速、連續，保證環空流動的有效銜接，減少U 型管效應的影響。

（6）頂替排量根據環空返速（1.0 m/s 左右）控制。

（7）計算施工壓力如果不超過設備能力，可以在造斜段及水平段替入輕質鉆井液或清水，增大套管上浮力；直井段替入加重鉆井液，以降低替漿壓力，滿足大排量頂替要求。

4 現場應用

截至2012 年底，采用以上技術措施進行了12 口井的固井施工作業，固井質量都得到了明顯提高。以F116-1HF 井為例。該井完鉆井深4 002 m，水平段長920 m ，水平位移1 405 m。根據完井設計，該井水平段分為5 個壓裂井段，在每兩個壓裂段之間的位置分別連續加5 只剛性扶正器，入窗點以上及套管鞋以上分別每隔1 根套管連續加2～3 只剛性扶正器，直井段每3 根套管加1 只彈性扶正器。全井共下入剛性扶正器25 只，彈性扶正器72 只。

完鉆時鉆井液密度1.35 g/cm3，黏度105 s，切力6/22 Pa。下套管后至固井施工前，逐步調整至黏度63 s，切力4/8 Pa。

固井前循環排量2.0 m3/min，壓力6.5 MPa；注入驅油型沖洗液6 m3，隔離液6 m3，密度1.55～1.60 g/cm3；注低密度水泥102 m3，密度1.38～1.43 g/cm3， 稠化時間320 min；常規密度低失水緩凝水泥漿30 m3，密度1.85～1.95 g/cm3；增韌微膨脹水泥漿35 m3，密度1.90～2.00 g/cm3，注水泥排量1.6～1.8 m3/min。 泵替原井漿21.5 m3，加重鉆井液20 m3，密度1.50 g/cm3，排量2.0 m3/min，壓力0～12 MPa，施工正常。從固井質量測井結果來看，水平井段膠結良好占60.29%，膠結中等占34.28%，膠結不好占5.43%，較F116-2HF 井有了大幅提高。

5 結論

（1）提高非常規油氣水平井固井質量除了滿足水泥漿性能要求外，重點要從提高頂替效率入手，包括提高套管居中度、改善鉆井液潤滑性和易頂替性、設計合理的液體（沖洗液、隔離液、水泥漿等）流變參數、保證施工連續性等措施。

（2）合理設計扶正器安放位置是提高套管居中度的必要手段，為降低下入扶正器產生的摩阻，還要從鉆出平滑的井眼軌跡、規則的井眼、提高鉆井液潤滑性等方面采取措施。

（3）針對水平井段的巖性特點采用的鉆井液體系，既要滿足充分攜巖、維護井壁穩定的目的，又要考慮降低摩阻、實現紊流頂替的需要；固井前宜采用低黏切、高動塑比的鉆井液，以利于提高頂替 效率。

［1］ 劉崇建.油氣井注水泥理論與應用［M］.北京：石油工業出版社，2001.

［2］ 馮福平，艾池，彭萬勇，等.套管偏心對水平井頂替效果的影響［J］.石油鉆采工藝，2011，33（3）：12-16.

［3］ 王治國，徐璧華，張峻巍.扶正器在固井作業中的影響［J］.內蒙古石油化工，2010（10）：62-63.

［4］ LIU Gefei, WEBER Lawrence. Centralizer Selection and Placement Optimization［R］. SPE 150345, 2012.

［5］ 鄧建民.固井鉆井液零質量臨界靜切力計算方法［J］.天然氣工業，2008，18（5）：72-73.

［6］ 舒秋貴.油氣井固井注水泥頂替理論與技術綜述［J］.西部探礦工程，2005，17（5）：85-87

［7］ 李金偉.水平井固井水泥漿體系［J］.內蒙古石油化工，2011（17）：91-92.

［8］ 閆聯國，周玉倉.彭頁HF-1 頁巖氣井水平段固井技術［J］.石油鉆探技術，2012，40（4）：47-51.

［9］ 王宏偉.提高塔河油田水平井固井質量的措施［J］.重慶科技學院學報：自然科學版，2011，13（4）：70-73.