川渝頁巖氣超長水平井固井技術研究與應用

陳 俊 魯顯兵 盧成輝 黃泰勇 向 晶 李洪源

安東石油技術（集團）有限公司 四川成都 6100571

1 工程情況

長寧某井位于四川省宜賓市興文縣毓秀苗族鄉某村長寧H 某平臺，該平臺由某鉆探工程有限公司鉆井二公司某鉆井隊承鉆。該井為三開井，井深結構如表1 所示。三開設計井深5740m，垂深2842m，水平段長為3012m，最大井斜84.38°，于2020 年4 月5 日鉆進至5750m 完鉆，垂深2889m，水平段長為3070m，最大井斜87°，鉆井施工正常。其后進行通井、電測，通井、下套管、至4 月21 日順利完成固井施工。

表1 井身結構

2 水平井下套管技術

套管順利入井及居中度控制是頁巖氣水平井固井的關鍵技術之一，需要分析套管受力情況，優化套管管串結構，使用合適的套管下入工藝技術[1]。本井下套管前，根據所下套管的剛度，使用Φ165.1mm 鉆鋌加雙扶正器的鉆具組合進行通井，對遇阻卡點、縮徑、易垮塌井段進行認真劃眼，下鉆到底后進行循環處理好泥漿，然后短程起下鉆確保井眼通暢。造斜段、水平段安裝螺旋滾珠扶正器和直井段安裝螺旋剛性扶正器，以減小套管與井壁的摩擦阻力，同時使得直井段以上的套管重量更有效地通過造斜段套管傳送到水平段套管上，以驅動水平段套管移動。在靠近浮鞋位置加入一根1.5m 短套管，使浮鞋翹起離開下井壁。同時配套旋轉偏心浮鞋，使得浮鞋遇到阻卡點時，通過偏心浮鞋的旋轉,自動“避讓”阻卡點,而利于套管的下入。偏心自旋轉引鞋如圖1 所示。

圖1 偏心自旋轉引鞋

本井下套管采用tesco 頂驅旋轉下套管技術并備用漂浮接箍。相較于傳統下套管技術，頂驅旋轉下套管技術有著以下技術優勢：(1)隨時循環鉆井液，及時灌入泥漿。頂部驅動裝置密封連接套管和頂驅，確保了隨時循環鉆井液，攜帶巖屑，鉆井液循環保證了井眼的清潔和暢通，確保了下套管作業的安全順利進行。鉆井液隨時循環對于深井、復雜井和大位移井的井眼穩定至關重要；(2)拓展了頂驅的應用，頂驅借助頂部驅動裝置可以實現套管旋轉固井和套管鉆井頂驅下套管技術縮短了處理事故的時間，減少了非生產時間。頂驅下套管工具可提升無接箍的套管，大大提高下套管的效率。頂驅下套管技術也具有扶正套管的功能，消除了扶臺的使用，提高了套管的安全性；(3)微痕抓卡技術，減小套管損傷。頂驅下套管裝置上的卡瓦面積大，增大了卡瓦與套管的接觸面積，受力面積更大，力更均勻，套管的損傷更小，甚至可以忽略。與傳統的套管鉗比較，頂驅下套管裝置的使用減小了上扣過程中的損傷，提高了套管的化學抵抗力，延長了套管的壽命[2]。

開始下套管前，準備好旋轉下套管工具及設備，確保運轉正常并應備有應急設備。邊下邊旋轉提前磨合設備，進入井斜達到50°后一直旋轉操作下入。旋轉下套管參數：頂驅轉速25～30r/ min，單泵排量12L/ s，立管壓力12MPa。套管下入過程順利，無遇阻現象,套管下入速度5～7 根/ h。軟件模擬到底后井口套管載荷約12t，實際套管下到底載荷67t。

3 防漏技術

長封固井段固井，尤其是超長水平井，使得B 靶比A 靶在差不多相同的地層承壓能力下，在固井施工時承受更大的井底壓力（更大的壓力當量密度），很容易造成井底漏失。

該井在鉆井過程中，最大鉆井液密度為1.88g/ cm3，鉆井正常。在井深4750m 進行地層承壓試驗，井底承壓當量密度2.10g/ cm3。而在鉆至5750m 完鉆后沒有相應的地層承壓數據，固井施工過程中存在井漏風險。因此，在設計液柱結構時，盡量設計近平衡壓力固井，漿柱結構為：密度1.00g/ cm3前沖洗液80m+ 密度1.90g/ cm3隔離液1200m+ 密度1.00g/ cm3沖洗液80m+ 密度1.90g/ cm3領漿2000m+ 密度1.90g/ cm3尾漿3250m；固井施工過程中，井底靜態壓力當量密度1.87g/ cm3，動態壓力當量密度2.07g/ cm3。

4 固井流體技術

4.1 固井前置液體系

采用“沖洗液+ 隔離液+ 沖洗液”的沖洗隔離模式，由于油基鉆井液與水泥漿存在接觸污染，為保證施工安全和提高水泥漿的頂替效率，設計應用抗污染性能強的加重沖洗隔離液+ 沖洗液，通過潤濕反轉改變井壁巖層親油性，采用多種高效表面活性劑，潤濕反轉劑，有機溶劑制成，通過滲透作用快速滲入井壁泥餅中，使泥餅分散剝蝕，有效去除油膜和油質泥餅，使親油界面改變為親水界面，從而提高水泥的膠結能力[3]，改善膠結質量。

隔離液密度設計為1.90g/ cm3，隔離液體系為：水+3%懸浮劑+20%油基沖洗劑+2%緩凝劑+ 消泡劑+ 重晶石。沖洗液密度1.0g/ cm3，沖洗液體系為水+5%表面活性劑+5%滲透劑。為保證足夠的接觸時間，根據室內沖洗實驗效果，設計隔離液有效沖洗時間不小于10min，注入量約30m3，其中前加重沖洗隔離液粘度較高，n＜0.7,后加重沖洗隔離液較稀，n＞0.75,沖洗液4m3。沖洗效果如圖2 所示。

圖2 沖洗前后對比效果圖

4.2 固井水泥漿技術

領漿水泥漿：防竄性水泥漿體系(嘉華G 級+ 膨脹劑+ 微硅+ 緩凝劑+ 降失水劑+ 分散劑+ 消泡劑)。尾漿水泥漿：防竄彈韌性水泥漿體系(嘉華G 級+ 塑性劑+ 膨脹劑+ 彈性劑+ 微硅+ 硅粉+ 纖維+ 緩凝劑+ 降失水劑+ 分散劑+ 消泡劑)，水泥漿性能如表2 所示。

表2 水泥漿性能

結合水泥漿實驗數據表明，水泥漿綜合性能較好，在滿足常規水泥漿性能要求外，并滿巖氣水平井的其他要求，較低的彈性模量及較高的韌性為后期的大規模壓裂創造了良好的條件。

5 固井施工過程及固井質量

固井施工過程：對地面管線階梯試壓55MPa 合格；泵注密度1.88 g/ cm3先導低粘泥漿20m3，泵壓6.6MPa，排量1.0m3/ min 裝膠塞；泵注密度1.0g/ cm3沖洗液2.0m3，排量1.0～1.2m3/ min，泵壓6～7MPa；泵注密度1.90g/ cm3隔離液30m3，泵壓6～7MPa，排量0.5～0.6m3/ min；泵注密度1.01g/ cm3沖洗液2.0m3，排量1.0～1.2m3/ min，泵壓7～8MPa，并放回水，栓查管串正常。注水泥領漿50m3，泵壓18～22MPa，排量1.4～1.5m3/ min； 水 泥 漿 密 度 最 低 1.88g/ cm3， 最 高1.92g/ cm3，平均1.90g/ cm3；注韌性防竄水泥尾漿92m3，泵壓17～23MPa，排量1.2～1.5m3/ min；水泥漿密度最低1.88/ cm3，最高1.92g/ cm3，平均1.90g/ cm3；倒閘門釋放膠塞；大功率泵車替漿59.75m3（其中高濃度緩凝水5m3，清水54.75m3，預應力固井技術[4]），泵壓27～40～47MPa，排量0.2～1.5～1.0～0.3m3/ min，碰壓47～51.5MPa。套管試壓51.5MPa，穩壓10min，壓力不降；放回水1.6m3，斷流，水泥漿返出地面5m3；環空蹩壓4.5MPa,泵入清水0.2m3，候凝。

固井質量（第一膠結面）：水泥膠結優良井段為90.5%，水泥膠結中等井段為6.2%，水泥膠結差井段為3.3%。

固井質量（第二膠結面）：水泥膠結優良井段為70.4%，水泥膠結中等井段為23.4%，水泥膠結差井段為6.2%。全井段固井第一界面水泥膠結合格率為96.7%，第二界面水泥膠結合格率為93.8%，測井評價為優質，固井質量如圖3 所示。

圖3 固井質量圖

6 結論與建議

（1）頁巖氣長水平段水平井固井關鍵技術主要有套管下入及居中度控制、油基前置液頂替技術及水泥漿體系設計[1]。

（2）頂驅旋轉下套管技術比起傳統下套管技術能有效減少下套管作業中的事故復雜，建議水平段較長及超長的頁巖氣井使用該技術。

（3）預應力固井技術盡量控制環空液柱壓力，在壓穩防漏的同時提高了固井的膠結質量，為水平井固井質量提高提供了一定的支持。

（4）超長水平井固井，B 靶比A 靶在差不多相同的地層承壓能力下，在固井施工時承受更大的井底壓力（更大的壓力當量密度），很容易造成井底漏失，在設計液柱結構時，應盡量設計近平衡壓力固井。