川西致密砂巖地層水平井固井技術研究①

秦大偉，黃鵬，劉全穩，陳琦

(1.廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000；2.江蘇油田工程技術服務中心，江蘇 揚州 225265)

目前，水平井技術已成為開發川西致密砂巖氣藏的重要手段。作為主力產氣層的中、淺層沙溪廟組均采用“尾管固井不回接”的二開制井身結構，水平井段的長度約500～1000 m。水平裸眼井段長度大、地質特征復雜、多套壓力體系共存、異常高壓氣層等因素使得該區塊的固井作業存在套管下入難度大、套管居中困難、水泥漿頂替效率差等問題，從而導致致密砂巖地層水平井斜井段與水平段固井質量不理想，為后續油氣生產作業帶來了嚴重的安全隱患[1，2]。本文首先對川西致密砂巖地層水平井的固井難點進行分析，然后提出了適用于該區塊的配套固井技術措施。

1 川西致密砂巖地層水平井固井現狀及技術難點

1.1 川西致密砂巖地層水平井固井現狀

川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井通常采用生產套管懸掛尾管固井技術，在注水泥作業中采用常規單級注水泥工藝，水泥漿上返至尾管懸掛點處，從而實現對井眼與尾管環空的封固。通過川西沙溪廟組致密砂巖地層在建水平井尾管固井質量統計發現，全井段固井質量不合格率高達28.1%。對固井質量不合格的9口井進行分段固井質量統計，結果見表1。

表1 不合格井分段固井質量統計 %

可以看出，致密砂巖地層水平井尾管固井作業中，直井段的固井質量最好，不合格率僅為13.8%，斜井段的固井質量最差，不合格率高達48.4%。

1.2 川西致密砂巖地層水平井固井技術難點

通過對比合格井與不合格井的井史資料可以發現，沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井質量不理想的主要原因如下：

(1)井眼不規則，套管下入難度大。沙溪廟組地層砂體厚度變化較大且連續性較差，為了保證井眼在砂體中鉆進，需不斷對井眼軌跡進行調整，從而導致井眼不規則，井眼曲率較大(XC-14HF井在2434 m處的狗腿角高達13.04 °/30 m)，帶有扶正器的入井套管柱容易在彎曲井眼處發生“硬卡”現象。

(2)套管扶正器選型及安放位置不合理。該層段井壁易坍塌破碎，使得部分裸眼段的井徑較大，固井作業中仍然采用外徑為197 mm的彈性扶正器(XC-17HF斜井段的平均直徑達268.1 mm，井眼與套管環空單邊間隙達64.2 mm)，導致套管柱在井筒中偏心嚴重，影響水泥漿的頂替效率。此外，扶正器的安放位置通常采用經驗方法確定，使得扶正效果不明顯。

(3)洗井作業不徹底，水平井段存在巖屑床。巖屑床的存在使環空間隙變小，增加了套管柱入井時的摩阻和扭矩。

(4)水泥漿性能不穩定。川西致密砂巖地層壓力系數高，需采用高密度水泥漿進行固井作業，高密度水泥漿的使用會增加固井作業的難度以及水泥漿性能調整的難度。目前采用的KQ系列水泥漿體系的沉降穩定性不理想(XC-7HF、XC-21HF井密度達到0.17 g/cm3和0.15 g/cm3)，從而導致水泥漿在候凝時“失重”，增加了氣竄風險。

2 川西致密砂巖地層水平井固井配套技術

基于川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井現狀及固井質量差的原因，針對性地提出了適用于該區塊的水平井固井配套技術。

2.1 斜井段套管下入技術

2.1.1 斜井段套管通過性研究

川西沙溪廟組致密砂巖地層斜井段井眼曲率較大，因此在下套管時不僅要考慮套管與井眼之間的摩阻，還需要避免下套管過程發生“硬卡”現象。結合該區塊實際情況，分別從套管能夠通過的最大井眼曲率和井眼曲率已知的情況下能夠通過的最大套管長度兩個方面對斜井段套管通過能力進行研究。

(1)套管能夠通過的最大井眼曲率

在實際作業中，斜井段套管柱能夠通過的最大井眼曲率[3]計算模型為

min{kAPI，kIADC，kz，kf}≥km

(1)

式中：kAPI，kIADC，kz，kf分別為API法、IADC法、考慮軸向力和考慮扶正器時的最大井眼曲率，°/30 m。

(2)井眼曲率已知的情況下能夠通過的最大套管長度

假設下套管過程中，扶正器之間的套管保持剛性，即套管兩端的扶正器與井壁接觸[4]，套管中部與彎曲井眼相切，如圖1所示。

圖1 套管通過性剛性模型

由于川西沙溪廟組采用的扶正器尺寸一致，基于圖1所示的幾何關系，在井眼曲率確定的情況下，剛性模型下套管能夠通過的最大長度為

(2)

式中：Lg為剛性模型下套管能夠通過的最大長度，m；R為斜井段的井眼曲率半徑，m；D為井眼直徑，m；df為扶正器外徑，m；d為套管外徑，m。

在實際下套管作業中，扶正器之間的套管在軸向力的作用下發生彎曲，如圖2所示。

圖2 套管通過性彈性模型 圖3 不同計算模型可下入套管最大長度

采用套管通過性柔性模型，在井眼曲率確定的情況下，剛性模型下套管能夠通過的最大長度Lt為

(3)

結合川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井作業參數，在Φ215.9 mm的井眼中下入Φ139.7 mm的套管，扶正器的外徑為206 mm，井徑擴大率為7.5%時，分別計算剛性模型和彈性模型下能夠通過的最大套管長度，結果如圖3所示。

由圖3可以知，采用彈性模型計算出的可通過最大套管長度要大于剛性模型的計算值，即剛性模型的計算值安全系數更高，因此在川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井下套管作業中采用剛性模型進行計算。

2.1.2 下套管摩阻計算

圖4 套管柱微元段受力分析

(4)

下套管過程時的邊界條件為

(5)

根據川西沙溪廟組致密砂巖地層實鉆資料，下套管過程中套管柱與裸眼井壁之間的摩擦系數取0.3，套管柱與上層套管之間的摩擦系數取0.2。將公式(4)和公式(5)沿井眼軸線的法向和切向展開，并進行牛頓迭代，即可得到下套管作業中的摩阻預測值。

2.2 優選扶正器類型及安放位置

套管在井眼中的居中度直接影響著水泥漿的頂替效率。扶正器選型及安放間距是否合理對套管在井眼中的居中度有著重要的影響。沙溪廟組致密砂巖地層水平井實鉆資料表明，旋流式剛性扶正器和雙弓型彈簧片扶正器交替使用，能夠在井徑不規則的斜井段及水平段起到良好的扶正作用。

基于套管扶正器的設計原則，安裝扶正器后的套管偏心距emax不能超過套管許用偏心距[e]，即：

emax≤[e]

(6)

當剛性、彈性扶正器交替安放時，入井套管柱的最大偏心距emax可表示為

(7)

式中：emax為入井管柱最大偏心距，cm；[e]為套管許用偏心距，cm；ev、es為入井套管柱偏心距在井眼軸線法向和切向上的分量，cm；Pv、Ps為扶正器在井眼軸線法向和切向上的復位力分量，N。

2.3 水力清除巖屑床工具

巖屑床的存在使得下套管過程中扭矩和摩阻增加，導致下套管困難，影響固井質量。因此，川西致密砂巖水平井洗井和注水泥漿階段，在改善鉆井液性能提高水力清除巖屑床能力的基礎上，采用了巖屑床清除工具(見圖5)。

圖5 巖屑床清除工具工作原理

通過工具側向噴嘴的鉆井液以旋轉射流的方式沖洗水平井段下井壁處的巖屑床[6]，旋轉射流具有較強的卷吸和擴張能力，增大了側向射流與巖屑床的接觸面積，能夠促使下井壁沉屑離開井壁向上運移，提高巖屑床清除效率。

2.4 高密度防竄水泥漿體系

川西沙溪廟組致密砂巖地層壓力系數高，且鉆井液密度窗口較窄，因此對水泥漿體系的性能(密度、穩定性、失水、候凝時間等)要求較高[7,8]。針對該地區采用的“尾管固井不回接”的二開制井身結構，適用于該區塊的水泥漿體系性能要求見表2。

表2 川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井水泥漿體系性能要求

根據表2要求，針對川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井作業中存在的失重、氣竄風險，對目前常用的防氣竄水泥漿體系[9,10]進行優化。通過篩選水泥漿體系中的加重劑、降失水劑、膨脹劑和分散劑的種類和配比，優選出適用于該區塊的高密度水泥漿體系。為提高水泥漿的頂替效率，實現對上部含氣層位的良好封固，川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井作業采用的領漿基本配方為GSJ(水泥基漿)+加重劑+2%PZM-2(膨脹劑)+3%ZSM(增塑劑)+6.8%JSM(降濾失劑)+1.5%FSM(降濾失劑)+0.3%HNM(緩凝劑)。為更好地封固水平段目的層，防止油氣水竄，該區塊固井作業采用的尾漿配方為GSJ(水泥基漿)+加重劑+2%PZM-2(膨脹劑)+3%ZSM(增塑劑)+6.8%JSM(降濾失劑)+1.5%FSM(降濾失劑)+0.6%HNM(緩凝劑)。領漿和尾漿的常規性能見表3。

表3 川西致密砂巖地層水泥漿體系常規性能

3 現場試驗

基于川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井作業中存在技術難題，針對性地采取了斜井段下套管技術、扶正器選型與安放位置優選、清除巖屑床、優化高密度防竄水泥漿體系等措施，有效地提高了該區塊水平井固井作業質量。下面以XC-34HF井為例，進行說明。

XC-34HF井身結構如表4所示。利用公式(1)至公式(3)可以計算出帶扶正器的Φ139.7 mm套管柱能夠通過的最大井眼曲率為15.32 °/30 m，考慮軸向力影響時可通過的最大井眼曲率為30.3 °/30 m，兩者均大于實際井眼曲率，因此安裝有扶正器的油層尾管柱在入井過程中不會發生“硬卡”現象，能夠順利入井。

表4 XC-34HF井身結構

采用公式(6)和公式(7)對扶正器的安放距離進行計算，在斜井段和水平井段每根套管均安裝外徑為226 mm的扶正器，剛性、彈性扶正器交替安放。利用套管下入摩阻模型進行計算，可以得知入井套管柱在XC-33HF井的最大摩阻為215.3 kN，而作業中大鉤載荷的最大值為375 kN，因此Φ139.7 mm套管柱可以依靠自身重量下至設計井深位置。

采用優選的高密度防竄水泥漿體系進行注水泥作業，水泥漿體系中加重劑的質量分數為40%，水泥漿體系的密度為2.23 g/cm3。

固井作業結束，利用聲波幅度測井(CBL)對XC-34HF井的斜井段和水平井段固井質量進行檢測，斜井段和水平段固井質量為優秀和良好的井段長度占其總長度的百分比分別為87%和87.1%，斜井段和水平井段固井質量不合格的井段長度占其總長度的百分比分別為11.8%和12.1%。與區塊平均值相比，固井質量不合格率分別降低了36.6%和11.5%，整體來看固井質量提升效果明顯。

4 結論

(1)川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井斜井段和水平井段固井質量較差，主要是由于該區塊井眼不規則，扶正器選型及安放位置不合理及目前采用的水泥漿體系性能不穩定。

(2)針對該地區固井作業技術難題，提出了斜井段套管下入技術、優選扶正器的類型及安放位置、加裝水力清除巖屑床工具、優選高密度防竄水泥漿體系等適用于該區塊的配套固井技術。

(3)現場試驗表明，采用優選后的配套固井技術能有效提高該區塊斜井段和水平井段的固井質量。