保障水平井固井質量綜合技術初探

辛 榮

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411）

隨著國內頁巖油氣等非常規資源的規模化勘探開發，之前依靠常規鉆完井技術難以動用的儲量，目前正以“長水平段水平井+體積壓裂”的方式進行有效的開發，推動著水平井鉆完井技術的日趨完善與進步。由于水平井固井的特殊性，固井質量一直較難以保障。而非常規資源普遍需要進行大規模的體積壓裂，這對水平段套管的固井質量提出了更高的要求。因此如何提高水平井固井質量這一長期存在的課題正面臨更為艱巨的挑戰。

1 水平井固井主要技術難點

水平井尤其是長水平段頁巖油氣水平井，水平段井壁穩定性較差，在水平段鉆進期間由于井下壓力的波動、泥漿性能的變化、甚至鉆具的劃刮都易引起井壁失穩剝落掉塊造成井眼憋堵；快速鉆進時產生的大量巖屑難以充分返出，由于重力的作用易在大斜度井段和水平井段發生沉降，產生巖屑床，不但導致鉆進時托壓、鉆井扭矩增大，而且不利于后期的下套管固井作業。因此如何保證井壁的相對穩定，防止剝落掉塊、有效的處理巖屑床，為后期完井作業提供穩定、暢通的井眼是關鍵。

水平井固井存在的共性難點主要有：

（1）套管順利下入預定位置并保持居中困難。由于鉆具組合特點、地層傾角變化、定向工程師技術水平等因素的影響，造斜段及水平段井眼軌跡的平滑程度可能并不理想，嚴重時甚至會產生波浪形井眼。再疊加巖屑床以及井壁不規則的影響，隨著套管串在水平段井眼的不斷延伸，下入阻力會越來越大，下入速度越來越慢。以至于后期依靠套管串自重已不能下入而不得不采取頂驅下壓的方式下入，甚至有套管不能全部下入的情況發生，造成損失部分井段。

另一方面，為了保證套管居中度普遍會加密配置套管扶正器，大量的扶正器在套管下入過程中也會在一定程度上增加下套管阻力。一些頁巖油水平井油層套管串扶正器普遍采用造斜點以下每根套管加放一支整體式彈性扶正器，造斜點以上每兩根套管加放一支整體式彈性扶正器的方案。

（2）提高頂替鉆井液效率難度大。頁巖油氣水平段井眼井壁穩定性差，易受井下壓力的擾動而失穩，因此施工過程中必須謹慎。有部分井在完鉆通井環節由于開泵過快發生憋壓，造成井壁失穩或者漏失，這一情況給后期施工帶來了較大不確定性，在固井環節不得不采取相對保守的施工措施，采取限壓限排量的方式，這樣就在一定程度上限制了頂替效率的提升。

而且水平段井眼環空頂替本身就易發生“指進效應”，水平段越長，“指進效應”越顯著[1]，導致沖洗頂替效果差；另一方面在斜井段及水平段鉆進時形成的巖屑床以及在井眼低邊形成的鉆井液固相沉降，更加難以頂替干凈[2]，從而破壞了固井水泥環的完整性。

（3）水平段固井水泥環密封性差。水泥漿自身穩定性差或者入井水泥漿密度太低造成水泥漿整體性能差，在水平段井眼上側形成了自由水槽，這將嚴重影響水泥環的密封性能，直接影響后期壓裂方案的制定和壓裂效果。

2 針對性技術手段

2.1 漂浮下套管及套管居中技術

下套管前的井眼準備工作是關鍵環節。要制定切實可行的通井方案，一般要求采用雙螺扶且大于套管串剛度的鉆具組合進行通井。并且要盡量的細化技術措施，包括通井鉆具組合的確定、遇阻噸位達到多少必須進行劃眼處理、給定合理的劃眼參數等，總之通井工作要細致入微，目的是確保井眼暢通。通井到底后大排量（32L/s以上，根據井眼條件確定）循環洗井3周以上，同時在起鉆前要調整好鉆井液性能，降低鉆井液的粘切并提高其潤滑性，以減小套管串下入摩阻。

（1）漂浮下套管技術。漂浮下套管技術目前已經發展成為一種成熟的下套管技術，在國內各大油田普遍應用。其原理是通過在套管串中加入漂浮短接，在其與浮鞋之間注入空氣或低密度介質，利用浮力來減小套管下入阻力。根據實鉆井眼情況及鉆井液密度等參數來確定漂浮短接數量及加放位置；在套管順利下到設計位置后，通過鉆井泵加壓破碎漂浮短接盲板，重新建立循環。這項技術有其局限性，即如果下套管中途遇阻不得不循環鉆井液時，就需要將漂浮短接盲板破碎建立循環，導致其提前失效。

（2）扶正器加放方案。水平井完鉆后，依據實鉆井眼軌跡進行下套管摩阻和套管居中度計算，并結合通井情況制定合理可行的套管扶正器加放方案。一般優選強度大、摩擦系數較低的整體式彈性扶正器，也可在管串適當位置加放滾輪扶正器以進一步降低下入摩阻。原則上水平段、造斜段要每根套管加放一只扶正器，保證套管居中度不小于70%。

2.2 沖洗隔離一體化高效前置液體系

該前置液體系的特性是一體雙效，實現有效隔離和高效沖洗。防止水泥漿與鉆井液的接觸污染，并有效清除套管外壁及井壁處的虛泥餅，從而為水泥漿的膠結創造有利條件。

該體系具有以下特性：①強力去油污能力，實現界面潤濕反轉；②在較大的密度范圍內均能表現出優異的懸浮穩定性能；③可對前置液的流變性能進行優化設計以適應具體的施工條件；④該體系與水泥漿，油、水基泥漿相容性良好，保證施工安全。

2.3 零游離液微膨脹水泥漿體系

綜合性能良好的水泥漿體系是保障水平井固井質量的重要條件。針對非常規水平井固井特點，開發出了一種具有零游離液、低失水量、微膨脹特性的水泥漿體系。

（1）水泥漿體系的組成和作用機理。該水泥漿體系由降失水劑、游離液抑制劑、膨脹劑等外加劑組成。其作用機理如下：

降失水劑為高分子水溶性聚合物，其分子鏈上的極性基團可吸附于水泥顆粒表面，形成結構緊密的濾餅，可降低滲透率和濾失量。

游離液抑制劑是一種線性高分子聚合物，其表面的大量活性基團可在溶液中通過氫鍵作用形成膠狀聚集，能夠楔入水泥顆粒間的孔隙水，提高孔隙水的粘滯性，抑制游離液的產生。另外，這些極性基團能形成空間網狀結構，使水泥漿具有良好的穩定性。

選用的膨脹劑是一種經處理活化的非金屬礦物材料，可在塑性條件下與水泥的水化產物發生反應，加快水泥漿的塑性強度發展。在水泥漿硬化后，其膨脹性的發展來自于反應產物晶體的生長壓。這一壓力迫使相鄰顆粒發生位移，引起水泥石體積膨脹。

（2）水泥漿體系性能檢測。

①游離液試驗檢測：為了避免水泥漿在水平段和造斜段發生析水形成連通性水竄槽，需要有效控制水泥漿游離液。將不同水灰比的水泥漿體系在不同溫度、壓力條件下混配，再置入250mL 量筒內，將其在不同的傾角下分別于76℃、95℃恒溫條件下靜置2h，測定游離液，結果見表1。

表1 不同水泥漿體系在各種狀態下的游離液

從表1可以看出：首先該水泥漿體系在水灰比0.44、0.55的情況下，在不同傾角下的游離液均為零，可避免水泥漿候凝期間水竄槽的產生。其次該水泥漿體系的游離液受溫度影響較小，說明具有較出色的抗溫能力。

②靜失水試驗檢測：水泥漿在井下壓差作用下產生的濾液進入地層，不但會引起水泥漿體積的減小，造成水泥漿流動性變差，嚴重者可導致固井施工失敗；疊加水泥漿凝固產生的體積收縮，可能引起微環隙，嚴重時導致竄流；因此必須有效減小水泥漿的失水。

試驗表明（見表2）：該水泥漿體系失水量均小于20mL/30min/6.9MPa。

表2 水泥漿體系在不同溫度下的失水量

③稠化時間試驗檢測：從圖1 中可知，該水泥漿體系稠化時間實驗曲線接近直角，過渡時間短，具有較好的抗竄能力。

圖1 稠化時間實驗曲線

④膨脹性能試驗檢測：從表3 可以看出，該水泥漿體系具有較高的抗壓強度、界面強度以及連續的膨脹性。

表3 水泥漿體系的膨脹性能及強度對比表

2.4 無固相加重頂替液

在固井作業中的頂替環節，頂替液的密度、固相含量、流變性等因素會直接影響到頂替效率及測井作業的一次成功率。使用清水或者泥漿進行頂替的缺點與不足有：①穩定性較差的泥漿易發生固相顆粒沉淀導致后期測井遇阻；②采用清水頂替，導致替壓高，排量受限，頂替效率較低[2]。應用無固相加重頂替液可以應對此類問題。

無固相加重頂替液由復合鹽加重劑、緩蝕劑等組成。該體系具有適應密度范圍廣（1.00～1.41g/cm3），最高抗溫150℃，可有效降低替壓4.0MPa/km（與清水相比）。

3 現場應用情況

綜合運用以上固井技術手段，在油田內中淺層水平井、致密油水平井及部分頁巖油水平井中開展現場試驗27 口井，水平段長度分布在780～2100m 范圍內，均成功實現了套管一次下入預定位置；使用最新設計軟件進行套管居中度設計，確定扶正器加放方案，保證套管居中度達到70%以上。

針對不同施工條件配制的高效一體式前置液體系可按設計實現紊流或塞流頂替，最大程度地提高沖洗頂替效果。無固相頂替液的應用可平均降低頂替壓力4～9MPa，有效保障了頂替后期的施工排量。

統計的27 口水平井水平段固井優質率達到74.6%，較前期提高約18%，取得了很好的應用效果。

4 結論

（1）井眼軌跡的平滑、井眼的穩定暢通是確保水平井完井作業成功率的關鍵，下套管前的井眼準備工作要細致入微，為后期完井作業創造有利條件。

（2）提高頂替效率要首先降低鉆井液的粘切，使其易驅替，再從提高套管居中度、優化漿柱結構、創造大排量頂替條件等多方面綜合考慮。

（3）水泥漿的微膨脹特性可以封閉竄槽成長空間、有效提高固井二界面強度，有利于保證水泥環完整性和井筒密封性。