臨興區塊致密氣水平井固井技術優化*

夏忠躍，解健程，范志坤，賈佳，郭建東

(中海油能源發展股份有限公司山西分公司，山西晉中 030600)

鄂爾多斯盆地臨興區塊致密砂巖氣藏資源勘探潛力巨大，儲層低孔低滲，非均質性強、分布不穩定，部分區域微裂縫發育，砂體平面連續性差，氣田開發過程中面臨著直井、定向井井控產量不足的問題。水平井因其在開發過程中大幅度增加了井眼與油氣層的接觸面積，能夠有效提升油氣井的生產效率[1]，降低生產成本，在臨興區塊內得到了廣泛應用。臨興區塊內水平井水平段及裸眼段較長造成了固井作業中套管串居中度不高及下套管遇阻情況的發生，再加上頂替效率低，區塊內地層溫度低，水泥漿性能不佳，導致固井質量較差[2]。對于區塊內致密氣水平井固井中出現的復雜狀況尚無針對性的研究及優化措施。致密氣藏的特點決定了其要走低成本高效開發的模式。因此，在不增加預算的前提下，保證套管居中度的同時將具有足夠強度的套管串順利下至設計位置，同時提升水泥漿的性能以保證水泥環完全封固整個環空，為后期壓裂試氣提供良好的井筒環境，對于臨興區塊致密氣的開發具有非常重要的意義。

筆者對當前臨興區塊致密氣水平井固井技術進行了分析總結，指出了其中的不足之處，并提出了相應的技術優化措施，同時對優化措施的經濟性進行了評價，明確了現場應用的可行性；鑒于現場應用的成功，以期能夠為提升水平井在臨興區塊致密氣開發中的適應性及固井質量提供借鑒。

1 水平井固井難點分析

區塊內的水平井要快速建產，高效開發，提高固井質量需解決以下難題。

1.1 套管柱居中度及水泥漿頂替效率

根據調研的區塊內水平井管柱扶正器的安放方式，造斜段及水平段一般采取2根套管安放1個雙弓彈性扶正器的方式，根據Landmark軟件的計算結果，該方式幾乎很難保證管柱達到67%的居中度；甚至在造斜段及水平段，受套管自身重力的影響[3]，套管柱有完全貼邊的現象，這種現象會導致寬窄間隙處流速分布極不均勻，頂替效率不高直接影響固井質量。

1.2 保證套管串安全下入

水平段套管下入相對較困難，極易出現套管下入遇阻的情況。水平段套管對井壁的側壓力很大，隨著井深的增加，下套管的摩阻會越來越大，下入難度會逐漸增大，如何在保證套管居中度的情況下順利將套管送入到預定的位置是提升固井質量必須面對的課題。

1.3 固井水泥漿的穩定性

在造斜段及水平段中，水泥漿顆粒從頂邊運移到底邊的距離，因此，水泥漿漿體的穩定性比常規井更為重要。對于油氣井來說，地層中最活躍的就是氣體，氣體黏度為地層水黏度的1/100~1/80，發生竄流的可能性較大，水泥漿漿體的穩定性對于防氣竄尤其重要[4]。

一般說來，水泥漿的漿體穩定性由自由液性質和顆粒沉降性能所決定。水泥漿中顆粒沉淀導致井眼頂邊水泥漿變稀而底邊水泥漿變稠，凝固后會導致井眼頂邊將留有強度很弱的滲透性水泥，而底邊將有很強的低滲透性水泥，頂部這種弱滲透性水泥不能充分保護套管而可能造成井內流體在環空中流動。室內通過評價現場固井水泥漿體系的沉降穩定性，也發現低密度水泥漿沉降嚴重，封固效果較差，需對其進行優化，提升其封固效果。

1.4 壓裂完井下水泥環的完整性

臨興區塊內水平井的完井作業多采用射孔結合分段壓裂的方式，因此，需要在保證水泥石界面膠結能力的同時要求水泥環具備較好的抗沖擊能力和韌性。

1.5 儲層保護

低孔隙度、低滲透率是臨興區塊致密氣藏儲層典型的物理特性，致密氣與常規天然氣流動阻力相比較大，區塊內水平井在投產前均需要實施儲層壓裂改造，由于裸眼段較長，要求固井水泥漿應具有良好的儲層保護性，也就是要求進入到儲層的水泥漿濾液要盡可能的少。

1.6 低溫對水泥漿性能的影響

臨興區塊內地層溫度低，影響水泥正常水化，水泥漿強度增長較慢。因此，固井水泥漿應具有良好的低溫固化性能，固化后水泥漿的整體性能應達到水平井固井要求。

2 水平井固井技術優化

2.1 套管柱優化措施

管柱優化主要集中于2個方面：一是保證套管串的居中度，最少能夠達到67%；二是在保證居中度的條件下將套管串順利送到預定的位置。剛性扶正器具有低啟動力、低下入力和高復位力的特點，可以解決套管串太重貼邊的問題，保證套管串良好的居中效果；滾珠扶正器具有很明顯的減阻效果。因此，剛性滾珠扶正器既能提升套管居中度，又能減小套管串下入摩阻[5]，適合小井眼水平井固井作業。根據現場情況，研發了適用于臨興區塊致密氣水平井的φ114.3 mm規格的剛性滾珠扶正器。

臨興區塊某二開(完鉆井深3 131.0 m，垂深1 842.31 m，水平段813 m)、三開(完鉆井深3 538.15 m，垂深1 808.78 m，水平段1 137.35 m)井在無擴徑、5%擴徑工況下，水平段1根或2根套管安放不同扶正器居中度模擬見圖1。

圖1 不同工況下，不同扶正器安放方式居中度示意

由圖1可見：不管在何種工況下，水平段2根套管安放1個扶正器的方式很難保證套管串的居中度達到國標67%的要求；在加密扶正器的數量后，水平段1根套管安放1個扶正器的方式能夠滿足固井作業對于套管居中度的要求。居中度最高的是水平段采用雙弓彈性扶正器的方式，其次是采用剛性滾珠與彈性扶正器交錯的方式，效果最差的是全部采用剛性滾珠扶正器的方式。然而，居中度是套管串優化的一方面，扶正器的加密可能會造成套管串剛度的增大，下入摩阻力的增加，故扶正器的安放需綜合考慮居中度、下入摩阻和大鉤載荷等因素。區塊內不同摩阻系數下三開井型水平段1根套管安放1個扶正器下入摩阻及大鉤載荷的計算結果見表1，現場下套管作業套管內摩阻系數設定為0.25。

由表1可見：采用全彈扶正器套管下入摩阻力最大；采用全剛性滾珠扶正器的套管下入摩阻力比采用全彈扶正器要小40%左右，但成本在3種扶正器下入方式中最高；而采用剛性滾珠與彈性扶正器組合的方式套管串的下入摩阻力比采用全彈扶正器要小25%左右，成本相對低廉；結合圖3中居中度計算結果，考慮經濟性等因素推薦使用該方式，該方式既能很好的保證擴徑時套管串居中度達到要求，又能保證成本不至于太高，同時套管下入的摩阻力相對較小[6]。

2.2 水泥漿體系優化

臨興區塊目的層多為低孔低滲的致密砂巖氣儲層[7]，需要采取壓裂增產措施，壓裂作業對固井膠結質量要求較高[8]，在滿足水泥漿膠結質量良好的前提下，要求水泥漿穩定性、儲保性能優秀，另外需要水泥石應具有較強的彈韌性及耐久性[9-11]。通過室內試驗對水泥漿性能進行優化，試驗條件均為55 ℃×20 MPa，稠化升溫時間30 min；水泥漿性能試驗評價方法參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》；試樣為現場取樣及實驗室自制。

2.2.1 常規密度水泥漿性能優化

對現階段臨興區塊水平井固井常規密度(1.90 g/cm3)水泥漿性能進行了評價，結果見表2。領漿配方(w)：G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+1.5%降失水劑+1.0%早強劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑；尾漿配方(w)：G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+1.5%降失水劑+1.0%早強劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑。

由表2可見：現階段水平井固井使用的水泥漿失水較大，另外存在自由液，易發生氣竄。

表2 現階段固井水泥漿性能評價結果

2.2.1.1 水泥漿體系失水性能優化

鑒于現階段使用水泥漿失水較大的情況，對降失水劑加量進行了優化試驗，結果見表3。

由表3可見：當降失水劑加量(w)達到2.25%時，水泥漿的失水性能及自由液量控制的最好。

表3 降失水劑加量優化試驗結果

2.2.1.2 水泥石力學特性的優化

在水泥漿中添加纖維材料是改善水泥石力學性能的有效方法[12]。但在實際現場運用中存在一些問題：①固體纖維現場混拌難度較大，和水泥干混易堵塞管線，放在水泥漿中濕混，存在分散不均，容易堵塞混漿撬上水管線的問題[13]；②纖維較難在水泥石中均勻分散，不能有效改善水泥石力學性能。因此，提出了一種在水泥漿中添加液體纖維的方法，既能改善水泥漿的性能，又能解決固體纖維的一些缺陷。對添加不同含量的液體纖維后尾漿的性能進行評價，結果見表4。

表4 液體纖維加量對尾漿性能的影響

由表4可見：當液體纖維的加量(w)增加到4%時，水泥石的抗壓強度比無添加液體纖維可增大4%左右，抗沖擊強度增大17%，彈性模量減小23%，表明液體纖維可較好地改善水泥石的力學性能；但隨著液體纖維量的增加，水泥漿逐漸變稠，這是由于液體纖維是以水為分散相，加入到水泥漿后，減少了配漿水的用量；且稠化時間有延遲的趨勢，為了保證對施工性能影響較小，液體纖維加量(w)選取2%，最終得到了優化后的臨興區塊致密氣水平井常規密度固井水泥漿體系，具體配方(w)為領漿：G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑+2%液體纖維；尾漿：G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑+2%液體纖維。

優化后水泥漿體系的常規性能見表5，優化前后尾漿水泥石射孔試驗結果見圖2。

表5 優化后固井水泥漿性能

由表2和表5的數據對比可見：優化后的水泥漿失水小，抗壓強度得到了提升，自由液為零；雖然存在增稠現象，但能在現場進行正常施工。此外，由圖2可見：水泥石的射孔炮眼在加入液體纖維后變的光滑，未出現水泥環的垮塌現象，表現出較好的韌性。綜合上述研究表明優化后的水泥漿體系性能相對優秀，更加適合臨興區塊致密氣井的固井作業。

圖2 尾漿未優化和優化后射孔炮眼對比

2.2.2 低密度水泥漿性能優化

水泥漿密度是固井施工過程中的重要參數。水泥漿密度過高可能導致在深井、超深井、長封固段井、低壓易漏失井等復雜井固井過程中產生漏失，進而在影響固井質量的同時，嚴重傷害儲層[14-15]。因此，對現場使用的低密度(1.5 g/cm3)水泥漿進行了優化。

為了在控制成本的同時有效提升低密度水泥漿的性能，研發了一種新型減輕劑材料液體減輕劑添加到水泥漿中。液體減輕劑是一種納米活性硅溶液，納米活性硅常態下為白色無定形絮狀半透明固體膠狀納米粒子，具有較強的束水功能，顆粒材料能與水泥顆粒形成H—Si—H凝膠結構，該結構一方面具有良好的穩定性，另一方面能夠形成結構強度保證水泥顆粒材料正常水化固化。液體減輕劑不僅能夠降低水泥漿密度，而且在一定程度上還可以增強水泥石強度。納米硅能夠增加水泥漿的懸浮穩定性，解決常規低密度水泥漿沉降嚴重的問題，同時也可以增加水泥漿的黏度和水泥石的抗壓強度。

室內評價的現場低密度水泥漿體系與液體減輕劑低密度水泥漿體系綜合性能見表6。現場低密度水泥漿配方(w)：G級水泥+62%淡水+2.25%降失水劑+0.7%防竄劑+1.0%早強劑+0.2%消泡劑+26%漂珠；液體減輕劑低密度水泥漿配方(w)：G級水泥+99%現場水+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+0.2%消泡劑+2%液體纖維+10%液體減輕劑。

表6 不同類型低密度水泥漿性能對比

由表6可見：液體減輕劑低密度水泥漿體系失水和稠化時間變化不大，水泥石強度增強45%左右，且無自由液。液體減輕劑低密度水泥漿體系性能要更好，特別是對于水泥漿體系自由液的控制及水泥石強度的提升效果較顯著。

2.3 固井工藝優化后經濟性評價

為研究優化后固井技術的經濟性，對不同配方的低密度(1.7 g/cm3)水泥漿的成本進行了核算，結果見表7。

由表7可見：以配制1.7 g/cm3的低密度水泥漿體系計算，液體減輕劑低密度水泥漿體系成本為1 305.05元/m3，而漂珠低密度水泥漿體系成本為1 710.56元/m3，使用液體減輕劑能夠將水泥漿成本降低24%左右，節省的部分可以用來支出剛性滾珠扶正器的費用，從一口井整體固井費用來衡量，優化后的工藝費用無需額外增加成本。

表7 不同配方的低密度(1.7 g/cm3)水泥漿成本核算

3 現場應用

優化后的固井技術在臨興區塊應用5口井。以現場應用的某致密氣水平井為例，該井為臨興區塊一口生產井，完鉆井深3 538 m，水平段長1 137 m，最大井斜角96°，井底循環溫度56 ℃。現場固井存在如下問題：①井眼存在砂泥互層，易漏，易垮塌，易縮徑；另外泥巖易吸水膨脹，且有剝落掉快，嚴重影響下套管等作業進度；②大斜度井段長，井斜角大，管串重，套管下入困難；③常規水泥漿封固段長，當量密度高，替漿后期施工壓力高，容易引起漏失；④氣層巖性疏松，巖石機械強度低，穩定性差，易發生垮塌而形成“糖葫蘆”井眼，頂替效率差，易發生竄槽，不利于水泥環第二界面的膠結；⑤壓裂完井下保證水泥環的完整性困難；⑥儲層保護，致密氣藏儲層低孔、低滲透率的物性特征要求固井水泥漿應具有良好的儲層保護特性；⑦井溫低，影響水泥正常水化，水泥漿強度增長較慢，對水泥漿綜合性能要求高。為了保證并提升固井作業的質量，前期作了如下工作：①優化泥漿性能，保證井壁穩定性；②優選性能優良的前置液，充分整理巖屑床，凈化井眼，前置液的量滿足10 min沖洗時間；③加密扶正器用量，水平段采用一根套管安放一個扶正器的原則，采取剛性滾珠與彈性扶正器交替下入的方式；④按照優化后的水泥漿配方合理的設計漿注結構及用量，保證水泥漿零自由液，漿體穩定無沉降。現場使用的水泥漿體系為雙凝雙密度水泥漿體系，水泥漿性能見表8。固井施工后候凝48 h測聲幅，結果表明，固井質量為優質，達到了應用的效果。

4 結論

1)臨興致密氣水平井水平段每根套管安放1個扶正器，采用剛性滾珠與彈性扶正器組合的方式，能夠保證管串的居中度，與采用全彈扶正器相比，可將摩阻力降低25%左右。

2)通過測試及比對前期固井水泥漿，優化后常規密度水泥漿體系降失水劑加量(w)為2.25%左右，且液體纖維的加量(w)為4%時，對于水泥石力學性能提升明顯，抗壓強度比不加液體纖維可增大4%左右，抗沖擊強度增大17%，彈性模量減小23%，同時流變等施工性能滿足現場要求。

3)優化后的低密度水泥漿體系，無自由液，水泥石強度增加45%左右。

4)通過核算，優化后的臨興區塊致密氣水平井固井工藝不會額外增加作業成本；現場的成功運用表明該技術具有推廣價值。