昭通頁巖氣示范區水平井生產套管固井技術

張永強，曲從鋒，卞維坤，陳安環，唐守勇，徐 明

（1中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司2中國石油集團工程技術研究院有限公司）

張永強等.昭通頁巖氣示范區水平井生產套管固井技術.鉆采工藝，2019，42（5）：31-34

隨著頁巖氣勘探開發的不斷深入，頁巖氣水平井的水平段長度也在逐漸增加，目前昭通地區水平段超過2 000 m的已經超過16口井，長水平段壓裂施工規模大，生產套管承壓高，對固井質量和井筒完整性提出了更高要求。

昭通頁巖氣示范區通過大量的水平井、尤其是超長水平井固井實踐證明，頁巖氣固井存在著套管安全下入問題、分段壓裂后套管變形問題、環空帶壓問題、水泥石韌性改造及高密度油基鉆井液條件下界面膠結質量差等問題。通過套管安全下入、洗油沖洗液、韌性改造水泥石、平衡壓力固井及預應力固井等技術集成，確保了生產套管固井質量，滿足了壓裂過程不發生層間干擾、完鉆塞及壓裂期間不發生套管錯斷或變形，對指導頁巖氣示范區大規模開發及后續產能建設起到了重要作用。

一、頁巖氣井生產套管固井面臨的技術難點

昭通頁巖氣示范區地質構造復雜，為“強改造、過成熟、高應力”山地頁巖氣特征，區內地層產狀變化大，斷層裂縫發育，表現為地層易坍塌、井徑擴大率大、地層承壓低、易發生井漏、上部及目的層段氣層活躍、地層傾角大、水垂比大等地質及工程難點，在鉆完井作業上具體表現為：

（1）區內三維大位移水平井、勺形井、地層傾角超過15°的上傾井，“狗腿度”大及“大肚子”井眼等復雜井不斷增多，套管下入過程摩阻（圖1）及側向力大，對套管的居中度要求及安全下入帶來挑戰。

圖1 X井下套管摩阻計算圖

（2）昭通示范區地處四川盆地邊緣，區域內龍馬溪地層變化大，內部斷層、裂縫發育，井漏頻發。主要集中在三開后的韓家店、石牛欄、龍馬溪地層，累計發生13井次大規模井漏，漏失油基鉆井液4 159 m3，處理井漏用時220 d。頻發、規模較大的井漏，如何提高固井施工質量，保證水泥漿不低返，確保井筒完整性，是頁巖氣水平井固井面臨的重大難題。

（3）油基鉆井液對固井質量影響大。為降低鉆完井風險，區內的頁巖氣水平井多采用油基鉆井液完井。井筒長期在油基鉆井液環境中，二界面形成一層“親油憎水”的油膜，影響親水性水泥石與二界面的膠結質量，易產生環空微間隙，影響水泥環層間封隔質量。實驗研究表明［1］，水泥漿與油基鉆井液相混比例達9∶1，水泥石抗壓強度將降低50%。

（4）長水平段固井風險大。一般完井鉆井液密度在1.8～2.1 g／cm3，高密度油基鉆井液條件下長水平段固井，井徑不規則，水平段長，高密度油基鉆井液難以頂替干凈，且油基鉆井液與水泥漿相容性差，易影響固井施工安全及固井質量。

（5）滿足大型體積壓裂改造，對井筒密封完整性要求高。固井時“三壓穩”控制不好，易竄氣造成環空微間隙，引起環空帶壓；大型體積壓裂對水平段水泥環密封完整性要求高。

二、措施及對策

1.下套管技術

良好的井筒條件是保證完井質量的關鍵，通過模型計算，井眼曲率影響套管抗內壓強度，如圖2所示，井眼曲率為10°／30 m，抗內壓強度降低約6%；套管殘余摩阻降低套管抗內壓強度，如圖3所示，以X井為例，可計算MD 2 924 m處套管承受35.25 MPa的壓應力，則此處抗內壓強度由102.5 MPa降為100 MPa，降低比值為2.4%。

圖2 井眼曲率影響套管抗內壓強度模板圖

圖3 套管殘余摩阻影響套管抗內壓強度模板圖

解決方法：①從設計開始，預先考慮軌跡的圓滑，一是針對三維軌跡，設計時盡可能采用多段制，使軌跡變成近二維；二是針對地層傾角較大的上傾井，水平段長度進行適當的控制，一般不超過1 700 m；三是針對水平段可能穿斷層的井，在軌跡設計建模時進行優化，減少頻繁調井斜；②做好下套管前通井作業，通過模擬套管串剛性，最低要求是“雙扶”通井，通井到底后要采用2 m3／min以上排量及90 r／min以上高轉速循環，清洗井筒；③做好地層承壓試驗，為優化固井設計提供依據；④套管串的優化組合，首先是保證套管居中度大于67%，優化扶正器選型及安放：井斜角50°～水平段，1只?205 mm滾珠扶正器×1根套管；造斜點～50°，1只剛性旋流扶正器×2根套管；技術套管鞋～造斜點，1只?205 mm剛性旋流扶正器×3根套管；井口第2根套管～技術套管鞋，1只?210 mm剛性螺旋扶正器×5根套管；⑤套管附件：水泥注入頭承壓大于70 MPa，浮箍、浮鞋及膠塞正反向承壓大于50 MPa，井斜角30°以下的扶正器采用剛性滾珠螺旋扶正器，下部采用旋轉引鞋，便于套管下入；⑥為減少套管屈曲、應力集中，預防套變，套管下到位后，采用頂驅補扭，保證管串完整性，同時通過充分循環及上提下放，保證套管座封力；⑦在水平段長度大于2 000 m的水平井或地層傾角大于100°的上傾井中，完井生產管串中下入趾端滑套，首段壓裂時通過打壓到趾端滑套開啟壓力（50～80 MPa），可省去一趟壓裂前連續油管通井、射孔，節約成本，降低井下風險。

2.平衡壓力防漏固井技術

下套管前，在鉆井液中添加FIB纖維材料和CARB固體顆粒材料及其他配套材料，封堵漏失層位，做好地層承壓試驗，如無法提高地層承壓能力，則在滿足水泥石強度要求時，降低水泥漿密度［2］。因此應根據地層承壓試驗結果，通過調整設計水泥漿、沖洗液、隔離液的密度，設計平衡壓力固井，確保水泥漿一次性上返。同時，在尾漿中加入纖維材料，提高水泥漿強度的同時，提高尾漿對目的層微裂縫的封堵能力。

3.高效洗油沖洗隔離液技術［3］

采用油基鉆井液的水平井，完井固井施工中，附著在井壁和套管壁上的油膜很難被沖洗干凈，影響界面膠結質量。使用添加有潤濕反轉作用的表面活性劑的洗油沖洗隔離液，其用量20～30 m3滿足接觸時間大于10 min，在紊流頂替下有效提高對油基鉆井液的驅替效率，清理套管壁和井壁的油膜，提高水泥石與套管壁和井壁的界面膠結質量［4］。表1可看出，水泥漿∶鉆井液∶沖洗隔離液＝7∶2∶1的污染稠化為19 Bc／180 min未稠化，證明洗油沖洗隔離液具有良好的沖洗隔離效果。

表1 污染實驗

4.雙凝韌性防竄水泥漿技術

尾漿要求48 h抗壓強度大于21 MPa，7 d抗壓強度大于28 MPa，7 d楊氏模量小于6 GPa；領漿要求48 h抗壓強度大于16 MPa，7 d抗壓強度大于24 MPa，7 d楊氏模量小于7 GPa。目前國內外油井水泥都基于下述方法提高水泥石韌性：①在水泥漿中加入一定比例的長短纖維，如木質纖維、尼龍纖維、合成纖維等，以達到阻裂、增韌、增強、抗收縮、防腐蝕和抗滲透。其阻裂和增韌的作用機制為：在撓曲載荷作用下，提高材料形成可見裂縫時的載荷能力；在疲勞載荷作用下阻止裂縫擴展；在沖擊載荷作用下對裂紋尖端應力場形成屏蔽；顯著提高水泥石的斷裂韌性。同時利用纖維對負荷的傳遞，致使水泥石內部缺陷的應力集中減小，增加水泥石抗沖擊能力。實驗表明，纖維與水泥的重量比例、體積比例、長徑比、以及分布狀況等，對水泥漿性能影響極大。纖維過長、長徑比過高都會影響水泥漿的失水性和流變性；纖維短、長徑比過低，則水泥石韌性和其它力學性質增效甚小。在選擇纖維種類和進行化學改性時，還應注意纖維與水泥界面粘接強度，它是影響水泥石力學性能的重要因素之一；②用聚合物水泥漿，如樹脂、膠乳或膠粉等，由于大分子對水泥微粒之間連接作用和顆粒填充作用，并利用低彈性模量的高分子粉體材料降低水泥石整體的彈性模量，降低外力在水泥石中的傳遞系數，提高水泥石韌性。

中國石油集團公司川慶鉆探井下作業公司自主研發SD66纖維增韌劑采用的纖維長度均小于4 mm，且有不同的長度分布和合適的長徑比。其中含有兩種不同性能復合纖維即高彈模纖維和低彈模纖維。高彈模纖在水泥石裂紋初期阻止裂紋擴展，提高水泥石抗裂性能和強度。低彈模纖維，在裂紋擴展階段纖維提高水泥石延展性，復合纖維提高水泥石的抗裂性和延展性，增加水泥石韌性。

圖4 水泥環的缺失影響套管抗內壓強度模板圖

5.優化水泥石力學參數及技術措施提高水泥環密封完整性

通過室內研究，如圖4所示，水泥環的局部缺失影響套管的抗內壓強度，當缺失25%時套管內的應力增加最大，由水泥環完整時的315 MPa增加至450 MPa，增幅為42.8%。如圖5所示，模擬壓裂過程，對水泥石受力及界面微環隙進行定量分析，可知低彈模、高強度的水泥環能夠承受更高的溫度、壓力變化，有利于保持水泥環結構完整性［5-8］。采用清水頂替及環空憋壓的預應力固井技術，提升水泥環與二界面的壓應力，有利于防止環空微間隙，提升水泥環的層間封隔能力。

三、現場應用

目前，隨著頁巖氣昭通示范區下套管技術、扶正器優選、高效洗油沖洗隔離液選擇、韌性水泥漿體系應用等系列技術的集成應用，有效確保了在井深不斷增加，水平段長不斷加長，固井難度越來越大的情況下，固井質量仍穩步提升。

2011～2018年，頁巖氣昭通示范區水平井累計固井103口，其中超過2 000 m的水平井16口，最深井深5 390 m（YS108H23-1井）、最大垂深3 454.32 m（YS108H13-2井），最大水平段長2 810 m（YS112H12-1井），平均井深4 310 m，水平段長1 579.61 m，水平段平均固井質量合格率92%，優質率82%，無環空帶壓。

圖5 水泥石的彈性模量及屈服強度與膠結面微環隙相關性模板圖

四、結論

（1）優化扶正器選型、安放及模擬套管強度的雙扶通井是保證套管順利下到位的前提條件，上提下放、頂驅補扭等措施是釋放管柱應力、減少套管屈曲變形的有效手段。

（2）根據地層承壓試驗結果，合理設計水泥漿及洗油沖洗隔離液的密度，保證不壓漏地層，確保水泥漿一次性上返；在尾漿中加入纖維材料，提高水泥漿強度的同時，提高尾漿對目的層微裂縫的封堵能力，形成平衡壓力防漏固井技術措施。

（3）采用高效的洗油沖洗隔離技術有效沖洗井壁油污、提高頂替效率、改善水泥環界面膠結質量，提高固井質量。

（4）雙凝韌性防竄水泥漿體系及預應力固井技術的應用，是提高長水平段頁巖氣水平井固井質量、減少套管變形、提高井筒完整性、滿足大型體積水力壓裂要求的行之有效的方法。