川西沙溪廟組水平井固井技術的現場應用

張繼尹 鄧天安 范希連 李玉飛 溫真桃

(1.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院 2.中國石化集團西南石油局固井公司 3.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院)

隨著鉆井技術水平進步，川西溪廟組水平井井身結構由三開制優化為兩開制井身結構，Φ244.5表層套管下深500m～800m，Φ139.7油層套管下深2800m～3300m，水平段長500m～1000m。由于同一裸眼井段長、地質條件復雜、壓力梯度相差大、高壓氣層活躍以及測井工具局限等原因，使得水平井固井施工面臨很大難度，難以保證水平井長效封固質量，直接影響著氣井長期安全生產。為此，本文針對固井存在的難點開展相關研究，并成功應用于現場固井，達到了提高川西中淺層水平井固井質量的目的。

1 固井技術難點

(1)地質條件復雜、存在高壓氣層容易引起氣竄

以JS21和JS23為主力產層的水平井，自上而下鉆遇K1j、J3p、J3sn及J2s地層，地層巖性致密、非均質性強、裂縫性氣層發育且屬于高壓氣層，鉆井液密度達1.77 g/cm3～1.98g/cm3，遠遠高于國內同類型氣藏(如大牛地氣藏)，造成了川西水平井固井在高密度條件下施工難度及調整水泥漿性能難度顯著增大；同時由于固井封隔段長(3000m±)，裸眼段長(2500m±)，水泥漿柱長，候凝時水泥漿“失重”嚴重，客觀上使得油層套管固井過程中極易發生氣竄而影響固井質量。

(2)套管下入困難且不易居中，影響固井質量

由于地質條件復雜、定向施工水平等原因，常會出現井眼軌跡全角變化率大(XS21-2H井在2215.27m狗腿度達42.46°/100m)、實鉆井眼軌跡差，斜井段出現一個或多個狗腿度極值拐點(XS21-8H井水平段“W”井眼軌跡)、井徑擴大率大(XS23-3H井擴大率為17.46%)、鉆井液密度高、水平段長等工程問題，大大增加了下套管的摩擦阻力(XS21-8H井起下鉆摩阻達60t～80t)，從而使套管下到設計井深非常困難。加之水平井段未測井作業和套管所受的重力方向為徑向，致使套管扶正器選型困難、造斜點以下井段居中度不高，固井頂替過程中窄間隙處漿體難以流動，從而影響水泥漿的頂替效率，嚴重時會導致鉆井液竄槽。

(3)鉆井液密度高且含油，影響頂替效率及膠結質量

川西地區地層壓力系數高，鉆井液密度大，與水泥漿密度差小；為徹底清除大井斜井段低邊沉積的巖屑，鉆井液粘度高；為減小作業過程中的摩阻扭矩，采用含油8%左右的聚磺混油鉆井液。以上鉆井液性能對頂替效率、膠結質量造成很多不利影響。

2 相關技術對策

2.1 防竄性能水泥漿體系的選擇

針對川西沙溪廟組水平井固井有氣竄等工程風險，以水泥漿性能系數(SPN)和阻力系數法(A)為設計依據進行了實驗分析。結果表明，濾失量、自由水和凝結過渡時間是防氣竄水泥漿的關鍵性能，因此，選擇了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系。該體系具有良好的防氣竄能力、稠化時間可調等優點，API失水量為20ml/30min左右，過渡時間為5min～10min(圖1)，防竄性能系數為0.6左右。圖2實驗氣竄壓力為3.2MPa，溫度80℃，塑性膨脹防氣竄水泥漿體系失重曲線顯示，失重壓力從4MPa到水泥漿凝固之間的時間很短，說明固井過程中不會發生氣竄。

圖1 塑性膨脹防氣竄水泥漿稠化曲線

圖2 塑性膨脹防氣竄水泥漿體系失重曲線

2.2 選擇套管扶正器及合理安放

針對套管下入困難且不易居中的問題，要求套管扶正器解決高復位力和低啟動力、低摩擦因數和高耐沖擊強度等矛盾。彈性扶正器可應用在各種形狀和尺寸的井眼中，但在產生高扶正力的同時也產生了較大的啟動力，存在下入阻力較大及復位力有限等缺陷。剛性扶正器具有很高的支撐力和較低的啟動力或移動力，能夠使套管柱順利下入而又保持較高的居中度，但對井眼規則程度要求較高，不能用在有縮徑井段或有大肚子井段。所以在設計使用過程中，采用剛性、彈性交錯安放方式，既保證了套管居中，同時也不至于使套管下入時摩阻增加過大而影響下套管作業。

2.3 套管下入技術

(1)下套管摩阻預測

在水平井中，由于管柱自重、井眼曲率、井徑、地層摩阻等多種因素，使得在套管下入過程中存在較高的摩阻力，直接制約著套管柱能否通過彎曲井段下入預定井深。在井眼軸線坐標系上任取一弧長ds為的微元體AB，并對其進行受力分析，以A點為始點，其軸線坐標為s，B點為終點，其軸線坐標為s+ds，單元體受力(圖3)，建立微元段平衡方程(1)。

圖3 微元段套管柱受力分析

(1)

根據川西沙溪廟組水平井現場實鉆情況，摩擦系數取值套管內0.20，裸眼段內0.30，則采用常規下入法時套管最大下入深度臨界條件如式(2)，為下套管作業提供了理論指導。預測有效下放力Fm，總摩阻力Ff。

F游+Fm=Ff

(2)

(2)通井模擬技術

川西沙溪廟組水平井實鉆軌跡差，下套管前通過采用模擬套管尺寸和剛度的鉆具結構、多次通井的方式通井，提高井徑的規則程度，是確保套管順利下到設計井深的重要保證。本體剛度對比如式(3)所示，要求C≥1.00。若通井作業順利，則說明套管能一次性下入到設計井深；若通井作業不順利，則需改變鉆具組合來通井。

(3)

2.4 提高頂替效率技術

(1)優選前置液類型及合理用量以提高頂替效率

針對完鉆鉆井液含油量(8%±)及套管和地層表面親油的問題，在固井前注入一倍井筒容積不含油鉆井液作為先導漿以替換含油鉆井液，并選擇“乳化沖洗液+加重隔離液”前置液體系，沖洗液用量環空占250m左右，隔離液占環空300m左右，使其有效隔離鉆井液與水泥漿、提高水泥漿的頂替效率、改善界面膠結質量。

(2)流變學模擬計算

針對川西沙溪廟組水平井井眼條件，根據頂替機理，采用紊流頂替對提高頂替效率有著顯著的作用。根據具體水泥漿的流變性能模擬計算出合理的施工排量施工參數(圖4)，是提高固井質量行之有效的重要手段。

圖4流變學模擬計算

3 現場應用

通過一系列針對性措施的實施，大大提高了水平井各井段的固井質量。表1是上述工藝措施實施前的川西沙溪廟組2007年-2009年4口水平井固井質量與實施后的XS21-3H、XS21-4H等井固井質量的對比結果。可以看出，上述工藝措施不但可以大大降低水平井各井段的固井質量不合格率，同時還提高了井口至造斜點和水平段固井質量的優質率。

4 結論與認識

(1)川西沙溪廟組水平井由于地質條件復雜、高壓氣層活躍以及測井工具局限等原因，面臨包括環空氣竄、套管不易下入與居中、巖屑清除困難、頂替效率低等固井技術難點。

表1 油層套管固井質量

(2)塑性膨脹防氣竄水泥漿體系適用于川西沙溪廟組水平井固井施工，具有防氣竄效果好、稠化時間可調、固井質量好等優點。

(3)成功的現場應用試驗表明，選擇塑性膨脹防氣竄水泥漿體系及剛性與彈性套管扶正器并合理交錯安放、預測下套管摩阻與通井模擬、優選前置液類型并合理用量及根據具體水泥漿流變性能模擬計算出合理施工排量以提高頂替效率等一系列技術措施，能有效提高井口至造斜點和水平段固井質量的優質率，并為川西沙溪廟組水平井固井提供可以借鑒的經驗。

1 Rae P， Wikins. A New Approach for Predict Gas Flow After Cementing . SPE18622，1989.

2 孫莉，黃曉川，向興華. 國內水平井固井技術及發展[J]. 鉆采工藝， 2005,28(5):23-26.

3 張國仿.提高水平井固井質量工藝技術[J]. 江漢石油職工大學學報,2002,15(3):20-22.

4 李定先.使用套管扶正器提高固井質量[J].鉆采工藝，1990，13(2)：90-93.

5 韓烈祥，向興華.水平井固井技術新進展[J]. 天然氣工業，2007，27(12):86-88.

6 嚴焱誠，薛麗娜，朱禮平，等.復合套管固井在川西水平井中的應用[J]. 天然氣工業，2009，29(2):67-69.

7 李建成，吳洪波，孫吉軍,等.哈德油田水平井固井工藝技術[J]. 鉆井液與完井液， 2005， 22(4):78-80.