玉門油田水平井固井技術

程國惺，張永海，田群山，薛偉強

（西部鉆探國際鉆井公司，甘肅酒泉735000）

玉門油田水平井固井技術

程國惺*，張永海，田群山，薛偉強

（西部鉆探國際鉆井公司，甘肅酒泉735000）

為了更好地發現油藏，提高原油采收率，玉門油田分別在鴨兒峽、花海、鴨西區塊布設了水平井，井深在3700m左右，水平段長700m左右，井眼條件差，全井封固固井施工壓力高，頂替效率低固井質量難以保證。根據區塊水平井的特點，通過水泥漿體系優化、隔離液優選、對下套管及注水泥過程進行軟件模擬，最后制定了水平井配套技術措施，水平井固井質量顯著提高。

水平井固井；防竄增韌水泥漿體系；油污沖洗液

1　概述

玉門油田水平井井身結構為3層結構，為滿足后期酸化壓裂改造需要，水平井固井要求全井封固。由于水平井對水泥漿性能要求高，水泥漿調配困難，全封固固井裸眼段長，需穿越多層壓力體系，固井過程中易發生漏失，施工壓力高，固井難度大。因此對玉門油田水平井固井技術進行攻關，進一步提高水平井固井質量，為油氣開采提供強有力的保障。

2　固井難點及技術對策

2.1固井技術難點

（1）水平井鉆井循環造成井徑不規則，油層裸露段長、高溫；因鉆井需要泥漿中混入的原油附著在井壁上影響了頂替效果和水泥漿膠結強度。

（2）套管下入困難，由于水平井的軌跡控制的原因，實鉆和設計不可能完全符合，因此下套管前必須以實際資料進行強度校核。

（3）由于玉門區塊水平井要求泥漿返至井口，所以調配既滿足固井要求又不壓漏地層的水泥漿困難較大。

（4）水平井由于定向鉆進、起下鉆形成復雜的井眼軌跡和不規則的井眼使套管居中度難以保證；套管在自重作用下易靠近井壁下側，而套管偏心影響著巖屑攜帶及水泥漿頂替率。根據現場經驗表明，只有居中度大于67%，注水泥質量才有保證。

(5）在定向段由于鉆進、起下鉆形成的巖床，鉆井循環形成的死區的存在，此處水泥漿很難頂替干凈，水平井段的問題更加突出。井眼條件差或鉆井液循環處理不夠，造成水泥漿頂替效率低；鉆井液濾餅質量差與水泥膠結程度低，造成固井質量不合格。

2.2固井技術對策

（1）調配符合玉門油田水平井固井的水泥漿體系。

（2）優化前置液，防止水泥竄流，沖洗井眼，平衡地層壓力。

（3）套管安全下入的校核：套管居中模擬。

（4）頂替效率的研究。

（5）現場施工模擬。

（6）制定玉門油田水平井固井的技術措施。

3　固井技術研究

3.1研究思路

玉門區塊水平井完井要求水泥漿返至井口，為了確保施工安全及油層段固井質量，采用了低密加常規水泥漿體系，水泥漿性能要求：失水量小于50mL，漿體穩定，稠化時間可調，流變性能良好，水泥石強度高。由于水平井固井油層段油氣活躍，易發生油氣水竄，因此要求水泥漿要具有一定的防竄性。為防止水泥漿凝固時在井眼高邊形成游離水通道引起油氣水竄，必須控制游離液為零。為滿足后期分段壓裂要求，水泥漿還需要具有更好的韌性。為滿足上述要求需要調配具有防竄增韌性能的水泥漿體系。

3.2防竄增韌水泥漿的室內研究

防竄增韌水泥漿體系是一種聚合物柔性水泥漿體系。其機理是通過在水泥漿中引入高分子聚合物（BCG-300S防竄增韌劑），形成抑制滲透的柔性聚合物薄膜，以防止流體侵入水泥漿柱中，起到防竄的效果，另一方面當水泥石受到外部沖擊時，該柔性聚合物可以分散一定的應力，增加了水泥石的變形能力，從而改善了水泥石的韌性。

3.2.1防竄試驗

靜膠凝試驗就是通過測定水泥漿在靜膠凝過渡時間竄流體積可以判斷有無竄流發生，當水泥漿中加入BCG-300S，測定其竄流體積為零，具有良好的防竄性能。

3.2.2防竄增韌水泥漿綜合性能評價

通過室內對水泥漿進行綜合測定可以得知該水泥漿體系失水量小于50mL，游離液為零，漿體穩定性好，水泥漿稠化時間滿足施工要求，能夠“直角”稠化，流變性能良好，水泥石24h強度高，完全能夠滿足水平井固井要求。

3.3油污沖洗液優化設計

水平井鉆井過程中一般會在鉆井液中混入10%～ 15%的原油，鉆井液中的油相物質會對水泥漿產生一定的污染，井壁上形成的泥餅影響第一、二界面的膠結質量，為了提高頂替效率和提高固井質量對沖洗液進行了優化設計，并且在室內進行了沖洗效率的對比（見表1），優選出了適用于水平井固井的沖洗液體系，配方如下：清水+10%BCS-010L+10%BXF-200L+1% BXR-200L+0.1%G603。

表1　沖洗效率對比表

3.4套管安全下入及套管居中研究

3.4.1套管安全下入強度校核

利用實鉆井眼軌跡數據在下套管前用固井工程設計軟件對油層套管進行強度校核，下入井底后實際強度均未超過額定強度，說明采用常規工藝均可順利下入井底。

3.4.2套管居中

水平井的扶正器加放根據水平井井身結構特點設計，主要采取在水平段彈性扶正器和剛性扶正器交替加放，造斜段一根加一只彈性扶正器的方法確保套管居中，通過該方式可以保證套管據中度達到70%。

3.5頂替效率研究

因玉門油田頂替流態均為層流，故而引進有效層流頂替理論。所謂有效層流頂替是指，利用頂替液和被頂替液的流變性差異和密度級差，形成均勻頂替。有效層流是一種無法實現紊流頂替時的替代選擇。在層流流態下實現有效的頂替需要同時滿足4個基本準則：第一，頂替液的密度至少大于被頂替液10%；第二，頂替液的摩阻梯度至少大于被頂替液20%；第三套管周圍的被頂替液應全部參與流動，特別是頂替液在環空窄邊的壁面剪應力應大于被頂替液屈服值；第四，在頂替液和被頂替液的界面上，頂替液在環空寬邊的流速應不大于被頂替液在環空窄邊的流速。通過對有效層流理論的應用發現，它的計算主要比較鉆井液與水泥漿的摩阻壓力梯度大小，涉及鉆井液與水泥漿性能、井眼尺寸和套管尺寸、頂替排量等幾個參數。由于有效層流頂替在鴨K難以實現，根據玉門油田水平井固井的特點，設計最佳層流頂替模型可以從以下幾個方面加以考慮。

（1）創造良好的井眼條件。根據玉門油田水平井實鉆井徑數據來看，完井井徑擴大率不超過30%，其環空流屬于高直徑比環空流。隨著井徑的擴大，環空返速降低，摩阻壓力梯度隨之降低，頂替效率低。當井徑擴大率不大于12%時，可提高頂替效率。

（2）頂替排量。在井眼條件一定的情況下，頂替排量是頂替效率的核心。摩阻壓力梯度與頂替速度的平方成正比，頂替排量的提高可最大程度地提高水泥漿的摩阻壓力梯度，從而提高頂替效率。玉門區塊水平井固井受設備和地層壓力制約，頂替排量V≤1.5m/s，實踐證明，其排量控制在環空返速為1～1.5m/s時頂替效果較好。

（3）鉆井液性能。鉆井液性能對頂替的影響在于鉆井液密度、塑性粘度和動切力3個方面，鉆井液密度與鉆井液摩阻壓力梯度成正比例關系，根據玉門區塊水平井的實際情況可在固井前調節鉆井液塑性粘度和動切力，在保證鉆井液性能穩定的前提下，適當降低鉆井液的塑性粘度和動切力，可降低鉆井液的摩阻壓力梯度，對固井頂替可起到較好的效果。實踐證明，其粘度控制50～75s、動切力控制在10～15Pa時可得到較好的頂替效率。

（4）水泥漿性能。水泥漿摩阻壓力梯度越大，越有利于頂替。而水泥漿摩阻壓力梯度與水泥漿密度及水泥漿稠度系數成正比例關系，為此，在確保漿體流變性和稠化時間可滿足安全施工的前提下，增加水泥漿稠度系數，以此提高水泥漿摩阻壓力梯度。實踐證明，水泥漿稠度系數控制在1～3Pa·sn，不僅水泥漿流變性能較好，而且可得到較好的頂替效率。

從上可以看出，頂替效率與井徑、頂替排量、鉆井液塑性粘度和動切力、水泥漿稠度系數有直接關系，但將以上各種參數控制在界定的范圍內，即可在層流流態下得到最佳頂替狀態。

3.6注水泥過程模擬

通過固井設計軟件對注水泥流程進行了模擬，確保施工安全及施工各項條件滿足設計要求。

（1）管柱居中度模擬：利用設計軟件可以根據套管扶正器的加放順序、加放井段及數量模擬套管的居中度，確保套管居中度滿足設計要求。

（2）頂替過程井口壓力及井底壓力變化。井口壓力隨著時間的變化規律為：在注水泥過程中壓力逐漸降低，直到降為零（負壓差），在替漿過程中持續一段時間的負壓差后當水泥出套管進入環空后壓力會逐漸升高。通過控制施工排量可以調整井口壓力始終在安全范圍內。

井底壓力隨著時間的變化規律為：井底壓力隨著時間的推移逐漸變大，當水泥全部進入環空后此時井底壓力達到最大值。通過合理設計液柱壓力，確保井底壓力在安全范圍之內。

3.7其它配套技術措施

3.7.1通井要求

（1）下套管前必須認真通井，保持井壁光滑、平整、無鍵槽。

（2）下鉆到井底小排量頂通后正常循環，待泥漿性能穩定后，適當調整鉆井液性能，有效地攜帶巖屑和固相顆粒。

（3）根據井眼情況，可以考慮采取短起下鉆的方法破壞巖屑床、修整井壁，但短起下到底后必須有足夠的循環處理時間，才能起鉆。

（4）起鉆前，循環洗井用的大排量應高于固井施工前的最大循環排量洗井不低于一周半，徹底沖洗井底泥砂，為套管順利下入提供良好的井眼條件。

3.7.2下套管技術措施

（1）認真檢查入井套管及所有管串附件，確保套管及附件性能可靠。

（2）下套管過程中嚴格控制套管下放速度，防止因下方速度過快產生較大激動壓力壓漏地層。

（3）嚴格按設計要求加放扶正器。

（4）灌漿要求：采用邊下邊灌的方式，最后500m不灌漿，防止因套管長時間靜止發生粘卡。

3.7.3固井前的地面設備的準備

（1）檢查固井作業所用設備，確認下灰系統、混漿系統、供氣系統、供水系統和混拌系統等是否符合施工要求。

（2）認真檢查泥漿泵，確保運轉正常，其次需要準備充足的泥漿進行替漿，同時檢查泥漿罐，確保蝶閥靈活、罐之間不竄。

（3）施工前對高壓管線進行試壓，不刺不漏為合格，其次備用一套固井管線和一套輸灰管線以作應急之用。

4　現場應用

4.1固井主要技術措施

（1）管柱結構。浮鞋＋套管1根＋浮箍＋套管1根＋浮箍+?139.7mm套管串。

（2）扶正器的加放：水平段彈性扶正器和剛性扶正器交替加放，造斜段1根加1只彈性扶正器。

（3）施工流程及參數設定（見表2）。

表2　施工流程表

（4）水泥漿基本性能：

①低密度水泥漿配方及性能：低密配方：夾江G級水泥+20%漂珠+3%微硅+1.5%懸浮劑+4%降失水劑+ 0.3%緩凝劑+0.1%消泡劑（實驗條件：45min×70℃×50MPa）。

基本性能：水灰比：0.72；密度：1.52g/cm3；失水：40mL,24h強度:8.9MPa；穩定性靜置2h上下密度差為0.01；流變性能：*/216/153/79/7/5(n=0.92，k=0.36）；游離液為零；稠化時間：初稠28BC,40/70BC=229/ 235min。

②常規水泥漿配方及性能。常規配方：夾江G級水泥+4.5%防竄增韌劑+3%降失水劑+0.1%緩凝劑+ 0.1%消泡劑（實驗條件：45min×70℃×50MPa）。

基本性能：水灰比：0.46；密度：1.84g/cm3；失水：42mL,24h強度:17.9MPa；穩定性靜置2h上下密度差為0；流變性能：*/206/150/85/9/5(n=0.81，k=0.67）；游離液為零；稠化時間：初稠15BC,40/70BC=148/ 153min。

4.2固井整體情況

2014年玉門油田水平井固井4口，其中鴨K1-1H、鴨K1-2H、鴨K1-3H為常規固井，墩1H井為鉆桿固井，固井質量合格率100%，優質率達到50%，具體數據見表3。

5　結論與認識

表3　玉門油田水平井固井情況統計表

（1）防竄增韌水泥漿形成抑制滲透的柔性聚合物薄膜，可以防止流體侵入水泥漿柱中，起到防竄的效果，有利于提高油氣層的封固質量。

（2）必須從井身軌跡設計和實鉆井眼的符合情況來保證套管的安全下入，套管安全下入強度校核是必需的。

（3）優選環空液柱體系是水平井固井成敗的關鍵環節。前置液（清水）+防竄增韌水泥漿體系的室內實驗和應用實踐結果表明，具有較強的沖洗攜帶效果和優良的水泥漿性能，有效地提高了封固質量。

（4）提高頂替效率:合理選擇循環與頂替排量，下套管前通井排量1.8～2m3/min，替漿排量2～2.5m3/min。在條件允許時，盡可能使環空返速達到1m/s以上；調整鉆井液、水泥漿，盡可能達到最佳層流頂替的要求。

[1]屈建省，許樹謙，郭小陽.特殊固井技術[M].北京：石油工業出版社，2006.

[2] 黃柏宗，等.油氣井注水泥理論與應用[M].北京:石油工業出版社，2001.

[3] 劉大為，田錫君，廖潤康.現代固井技術[M].沈陽:遼寧科學技術出版社，1994.

TE25

B

1004-5716(2016）11-0090-04

2015-12-08

2016-01-18

程國惺（1983-），男（漢族），甘肅酒泉人，工程師，現從事固井工程技術服務工作。