青海油田英西深層水平井固井技術

李宗要 ，張海濤，魏群寶，周雪，軒飛飛，胡中華，彭松

（1.中國石油集團海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.渤海鉆探第一固井分公司，河北任丘 062552；3.中國石油西部鉆探青海鉆井公司固井工程技術公司，青海茫崖 816400；4.渤海鉆探工程技術研究院，天津 300450）

柴達木盆地位于青藏高原東北隅，盆地內構造體系近北西向展布，是我國的一個高原型含油氣盆地。獅子溝構造位于柴達木盆地西南部，是油氣的有利聚集帶，蘊藏著豐富的油氣資源，經過十多年的勘探，獅子溝地區的油氣勘探取得了顯著的成績[1-2]。英西獅子溝構造深層開發以下干柴溝組上段（E32）儲層為主，儲集空間以晶間孔、微孔隙及裂縫為主，溶蝕孔不發育；該儲層巖石基質孔隙度為0.58%～8.58%，滲透率為0.010～0.501 mD，屬于低孔超低滲油氣藏。為了更好地開發和最大程度地獲取油氣資源，目前該區塊主要采用水平井體積壓裂的方式開采。實踐證明，水平井的應用不僅可以有效提高油氣產能，還可為油田節省大量的投資成本，切實提高油田的經濟效益。水平井的固井質量是制約體積壓裂技術、油氣井的使用壽命和生產效率的主要原因。因此，開展了英西獅子溝深層開發水平井的固井技術研究[4-6]。

1 固井技術難點分析

1.1 鉆遇地質情況復雜

英西地區深層水平井開發屬于鹽下儲層，裂縫、溶蝕孔洞不發育，目的層位于下干柴溝組上段（E32），油氣藏埋藏較深，三開鉆遇異常高壓鹽水層，壓力系數普遍在1.8～2.0 之間，而且該區目的層是被斷層復雜化后的斷塊油氣藏，可能一口井就有一個單獨的壓力系統，地質情況規律性差。另外，地層壓力、漏失壓力橫向變化較大，多口井在鉆進過程中出現了溢漏并存、由漏轉噴等復雜情況，安全密度窗口窄，不利于水泥漿漿柱結構設計。

1.2 地層承壓能力低

固井過程中低壓力層易發生漏失[3]，英西地區在地層均發生漏失，統計結果見表1。截至2019 年1 月4 日，在該區塊共鉆探100 口井，84 口井發生過井漏，其中溢流和井漏均出現過的井有41 口，井漏發生率為84%，發生井漏674 次，平均單井漏失8.02 次。水平井開發目的層E32漏失最為頻繁、嚴重，在該層發生漏失的井為60 口，漏失概率為60%，占漏失總量的60.46%，單井平均漏失次數為5.58 次。

表1 英西地區井漏情況統計

1.3 水平段長、下套管難度大

英西獅子溝深層水平井水平段長，三開裸眼井段不僅有直井段，還有彎曲井段和水平段，為了保證油層的鉆遇率，井眼軌跡經常進行調整，井身結構復雜。水平井固井時，為了保證水平段套管居中度，扶正器安放和井眼軌跡不規則帶來的摩擦阻力，進一步加大了下套管的難度。

1.4 環空間隙小，施工排量受限

英西區塊水平井三開采用φ165.1 mm 鉆頭完鉆，下入φ127 mm 油層套管固井，環空間隙為19.05 mm，單邊寬度不到10 mm，完鉆時循環排量在12～16 L/s，受地層承壓能力和施工泵壓的影響，現場固井施工排量基本控制在8～12 L/s。按照壁面剪應力理論，環空返速1 m/s 才能保證有效頂替，井徑擴大率按5%計算，固井施工排量至少保證11 L/s。

1.5 水泥漿性能要求高

水泥漿作為影響水平井固井質量的關鍵因素，對其性能有著嚴格的要求，除了水平井對水泥漿常規性能要求之外，還要求具有一定的韌性和觸變性。韌性可滿足水泥石抗壓、抗沖擊等力學性能的要求，有利于保證水泥環的完整性；觸變性可以有效防漏，同時可以抵抗地層流體的侵蝕，防止竄流的發生。

2 工藝技術措施

2.1 井眼準備

井眼準備是水平井下套管及實施固井作業的關鍵環節。主要技術措施有：①從電測到下套管前，必須采用不低于套管剛度的滿眼鉆具組合通井，模擬套管剛性使用單扶、雙扶通井到底2 次，對于不規則井眼，還要進行三扶通井，確保井眼暢通；②通井到底后，大排量循環（環空返速大于1 m/s）至少2 周，破壞水平段堆積的巖屑床，保證井眼清潔；③固井前，在保證壓穩地層和井壁穩定的前提下，降低鉆井液的密度、切力和黏度等性能，或注入黏度較低的先導鉆井液，提高其流動性，保證水泥漿的頂替效率。推薦鉆井液性能調整可參考表2。

表2 推薦鉆井液性能調整表

2.2 提高地層承壓能力

提高地層承壓能力能較好地預防井漏風險，同時可以擴大安全密度窗口，為水泥漿漿柱結構設計和施工排量優化提供指導依據。針對英西區塊裂縫性地層引起的漏失，目前主要通過橋接堵漏技術和酸溶堵漏技術來封堵漏失層。橋接堵漏技術是通過不同粒徑的小顆粒材料和纖維復配在漏失層形成搭橋進行堵漏；酸溶堵漏技術以酸溶材料為主要基材，該材料可溶率大于98%，不僅堵漏效果良好，同時可消除對儲層的污染。表3 是英西4 口井現場堵漏承壓情況。

高效液相色譜切換波長法同時測定辛夷鼻炎丸中4種成分的含量 ………………………………………… 黃莉莉等（5）：625

表3 堵漏配方及承壓效果

2.3 提高水平段管柱居中度

水平井固井中，如果套管居中度較低，鉆井液驅替難度會大幅增加，嚴重影響水泥漿頂替和水平段固井質量。根據實踐經驗，為了保證套管居中度不小于67%，必須使用扶正器來提升套管居中度[7]。針對英西水平井井眼情況，在提高水平段套管居中度，同時確保套管順利下到位的前提下，根據固井質量和體積壓裂時水泥環封固情況，結合現場實踐，采用固井軟件模擬優化并制定了該區塊扶正器安放方案：①水平段3 根套管加2 只扶正器，整體彈性扶正器和螺旋滾輪扶正器交替加入；②裸眼段2 根套管加1 只滾輪扶正器；③重合直井段3 根套管加1 只整體彈性扶正器。

2.4 優化入井流體流變性能

水平井固井中，入井流體的流變性能對于提高頂替效率起著決定性作用。目前英西區塊水平井入井流體設計整體遵循流變梯度遞增的規律，另外通過降低沖洗型隔離液稠度系數值、提高對環空滯留鉆井液的剪切應力達到有效沖洗的效果；同時按表2 中鉆井液性能調整技術要求進行降黏、降切處理，通過設計領漿、尾漿遞增的塑性黏度和動切力，進一步提高對鉆井液的頂替效率，確保水平段固井質量。目前該設計理念在英西獅子溝水平井固井中得到推廣應用，并取得良好的固井效果。表4 是獅41H2-1-506 井固井時流體的流變性能數據。

表4 獅41H2-1-506 井水泥漿、前置液和鉆井液的流變性能（90 ℃）

2.5 引入“漂浮固井”技術

漂浮固井技術是解決套管居中度的有效方法之一，該技術能下入更多、更大外徑的套管扶正器，最大程度地提高套管居中度，保證頂替效率，從而達到提高水平井固井質量的目的。采用“漂浮固井”的原理，在替漿過程中水平段用清水頂替，加大水平段套管內外的密度差，使其“漂浮”在水泥漿中。根據相關理論研究計算結果，在水平井段套管外環空為1.9 g/cm3水泥漿的情況下，套管內充滿1.0 g/cm3的清水比套管內充滿1.9 g/cm3鉆井液時其有效重量會減少50%左右，從而產生一個使套管串向上的漂浮趨勢[8]。

2.6 采用重帽水泥漿技術

重冒水泥漿技術是領漿密度高于尾漿密度的雙凝雙密度漿柱結構，該設計理念是通過增加水泥漿和鉆井液之間的密度差，達到提高頂替效率的目的。根據地層承壓能力，目前英西水平井固井中領漿密度高于鉆井液密度在0.10～0.15 g/cm3之間；尾漿主要采用綜合性能良好的1.9 g/cm3常規密度水泥漿，該水泥漿在水平井段對壓穩地層無貢獻，主要滿足大規模體積壓裂時水泥石力學性能和長期密封完整性的技術需求。

2.7 優選水擊波振蕩固井技術

振蕩固井技術可有效提高頂替效率和二界面的膠結強度。英西水平井振蕩固井采用的是井下低頻水力脈動發生裝置，該裝置一般通過螺紋連接在浮箍下面，PDC 鉆頭可鉆。當流體通過時，振動裝置產生響應發出水力脈沖，水力脈沖使流體在環空上返時帶有波及能量，對井壁和套管外壁產生高速脈沖沖洗。另外，前期振動固井機理研究已經證實了振動對水泥漿初終凝過渡時間的有利作用[9-10]，振蕩固井在一定程度上可抑制水泥漿膠凝失重，對于防竄有積極作用。

3 水泥漿技術

3.1 自愈合水泥漿技術

將自愈合材料應用于固井中，使其具備對微裂縫和微間隙的自愈合能力，對于維持固井水泥環的有效性，延長油氣井的生產壽命，提高生產效益，具有非常重要的意義[11]。自愈合水泥是在水泥漿中加入自愈合材料，當水泥環產生微裂縫和微間隙時，油氣會沿微裂縫或微間隙竄流而激活自愈合材料，自愈合材料體積發生膨脹，體積膨脹后的自愈合材料可以對微裂縫進行堵塞，實現了固井水泥環微裂縫的自修復，從而抑制油氣竄流[12-14]。

3.1.1 力學性能

英西水平井開發屬于低孔超低滲油氣藏，主要采用體積壓裂增產的方式開采，體積壓裂要求水泥石具有一定的韌性，即具有低彈性模量、高泊松比的力學特征。摻有自愈合劑BCY-200S 的水泥漿形成的水泥石，可以承受較大的徑向變形，防止在增產作業時，由于振動或撞擊引起水泥環破碎，影響水泥環封隔性能。表5 是空白水泥石與自愈合劑不同摻量時，水泥石力學性能數據。由表5 可知，在常規水泥漿中，自愈合劑BCY-200S 摻量為5%時，水泥石具有較高的抗壓強度和較低的彈性模量，具有彈性水泥的特性，可滿足水平段體積壓裂改造的技術需求。

表5 水泥石力學性能數據

3.1.2 膨脹性能

自愈合水泥漿的核心材料是自愈合劑BCY-200S。在開采或鉆進時，受外界作用力的影響，水泥環容易產生微裂縫或微間隙導致油氣竄流，自愈合材料與竄流的油氣作用產生體積膨脹，達到封堵竄流通道目的，實現水泥石完整性自我修復。表6 為模擬不同流體介質中自愈合劑BCY-200S 的膨脹情況。由表6 可以看出，自愈合劑BCY-200S 在遇到小分子竄流時（通常在8 個碳以下），通過自身的膨脹性能，可達到對竄流通道的自我修復能力。

表6 自愈合劑BCY-200S 在不同模擬介質中膨脹比例

3.2 基體抗侵防竄水泥漿技術

油氣井注水泥后，水泥環空的氣竄問題是亟待解決的重大技術難題，采用防竄水泥漿固井技術是防止環空發生氣竄的重要措施之一。以防竄劑BCG-200L 產品為核心的水泥漿技術采用“靜止堵漏”的原理，通過提高水泥漿的塑性黏度和動切力，增強體系的觸變性，增大漿體對地層的滲流阻力，同時通過縮短稠化時間，降低施工和候凝期間漏失和竄流發生的風險。

3.2.1 觸變性能

基體抗侵防竄水泥漿技術具有一定的觸變性，有利于防止漏失的發生。不同溫度下水泥漿性能評價結果見表7。現場使用水泥漿配方如下。

加砂水泥+5.0%自愈合劑BCY-200S+1.5%分散劑CF40L+5.0%防竄降失水劑BCG-200L+37.0%水+0.2%消泡劑G603

表7 不同溫度下水泥漿流變性能

由表7 可以看出，隨著溫度的升高，水泥漿體系塑性黏度降低，動切力增加，有利于提高對鉆井液的驅替；另外，10 s 和10 min 的靜切力差值不斷增大，差值越大，說明觸變性越強，頂替到位后水泥漿靜止堵漏效果越好。通過室內評價、現場施工和固井質量分析，英西水平井循環溫度在100 ℃以內時，防竄降失水劑摻量為5%的水泥漿體系即具有良好的觸變堵漏效果，同時滿足現場施工要求和工程質量要求。

3.2.2 防竄性能

目前防竄性能評價主要有3 種方法，SPN系數法、水泥漿靜膠凝強度過渡時間以及行業標準SY/T 5504.5—2010。用上述3 種實驗方法分別考察基體抗侵防氣竄性能，結果見表8、圖1～圖4，綜合3 種評價方法可知，該體系具有良好的防竄效果。

表8 不同溫度下水泥漿SPN 防竄性能評價

圖1 50 ℃水泥漿靜膠凝發展曲線

圖2 90 ℃水泥漿靜膠凝發展曲線

圖3 50 ℃水泥漿竄流評價實驗

圖4 90 ℃水泥漿竄流評價實驗

3.3 沖洗型隔離液技術

英西水平井三開完井鉆進過程中，為了防止卡鉆、憋堵等工程事故，同時為了降低對儲層的污染，通常選用含油鉆井液體系。為了保證固井施工過程的安全，同時提高對含油鉆井液體系的驅替效果，通過優化隔離液懸浮劑、稀釋劑、加重劑和沖洗劑成分和組成，形成了以BCS-110L 油基沖洗液為主的沖洗型隔離液體系。表9 是沖洗型隔離液與鉆井液和水泥漿三相混漿的流變數據。表10 是用接觸角評價沖洗型隔離液沖洗效果。目前英西沖洗隔離液基準配方如下。

100.0 g 水+（0.2 g～1.0 g）緩凝劑BXR-200L+（1.0 g～2.0 g）稀釋劑BCS-021L+（1.0 g～2.0 g）懸浮劑BCJ-300S+5.0 g 沖洗劑BCS-110L+重晶石

表9 水泥漿、隔離液和鉆井液混漿的流變參數表（90 ℃）

表10 BCS-110L 沖洗型隔離液沖洗效率評價（90 ℃）

由表9 可以看出，三相混漿相容性較好,可以保證固井施工安全。由表10 可知，當BCS-110L濃度為5%時，接觸角為零，即沖洗效果良好。

4 現場應用

獅49X 井為英西區塊的一口水平井，完鉆井深為5345 m，垂深為4367.6 m，水平段長為850 m，完鉆鉆井液密度為1.90 g/cm3。固井施工要求水泥漿一次上返且固井質量合格，滿足后續體積壓裂開發的工程需求。該井下套管前采用φ158.75 mm 尺寸單扶、雙扶各通井一次，地層承壓當量密度為2.27 g/cm3。通過液柱壓力計算，并考慮施工摩阻和承壓數據，確定水泥漿體系領漿采用2.15 g/cm3抗鹽水泥漿體系、尾漿采用1.90 g/cm3防竄自愈合水泥漿體系、隔離液采用2.0 g/cm3沖洗型隔離液體系。套管管柱結構為：浮鞋+套管1 根+多級水擊波固井裝置+浮箍+套管1 根+浮箍+套管串+聯頂節；扶正器安放為4495～5345 m 井段3 根套管加2 只扶正器，彈性扶正器和滾輪扶正器交替安放；3700～4495 m 井段2 根套管加1 只滾輪扶正器，0～3700 m 重合段3 根套管加1 只彈性扶正器。固井施工前，循環排量為14 L/s、泵壓為8 MPa，井眼清潔、暢通；鉆井液塑性黏度為65 mPa·s、動切力為12 Pa，滿足固井前的性能要求。

該井于2019 年5 月5 日實施固井作業，注入20 m3低黏先導鉆井液、12 m3沖洗型隔離液、50 m3抗鹽水泥漿作為領漿和32 m3防竄自愈合水泥漿作為尾漿，水平段替8 m3清水作為壓塞液，替漿總量為47.2 m3，碰壓正常，水泥漿成功返出地面，關井候凝。整個施工過程順利，72 h 測井結果顯示，質量優良井段為85.2%，水平段膠結良好，全井合格率為100%，滿足甲方要求和下一步體積壓裂開采的工程需求。

5 結論

1.英西深層水平井固井核心問題是防漏與頂替，通過優化固井工藝，合理設計漿柱結構和流變參數，可有效提高該區塊水平井固井質量，滿足水平段體積壓裂改造的技術需求。

2.自愈合劑屬于多功能材料，可以有效封堵水泥石出現的微裂縫，抑制油氣竄流；同時具有彈性水泥特征，可以保證水泥環長期密封完整性。

3.基體抗侵防竄水泥漿體系具有一定觸變性和較強的內部黏滯力，具有良好的“靜止堵漏”效果，同時可降低竄流發生的風險。