埕海一區大位移水平井固井技術與應用

摘" " 要：伴隨密集叢式井布井的日益深入，埕海一區大位移水平井?311.1 mm井眼裸眼段長度、水平位移、穩斜角度不斷增加。受淺地層井眼擴大、易漏失，大井斜套管不易居中、井眼不規則，長封固段施工時間長、易竄槽等多個因素的綜合影響，致使?244.5 mm套管固井質量難以保障。通過對制約因素和提升方向進行分析，針對性采取提高頂部低密度水泥強度、使用防竄增韌水泥漿技術和可固化隔離液技術、開展居中度設計優化等固井工藝優化措施，成功解決了套管不易居中、頂替效率低、頂部水泥早期強度發展慢等技術難點。現場連續應用固井工藝優化措施2井次，固井合格率較優化前提升20%，固井質量明顯改善，可為埕海區塊油氣勘探開發提供有力技術支持。

關鍵詞：大位移井；固井；低密度水泥漿；居中度；頂替效率

Cementing technology and application of extended reach horizontal well in"Chenghai block

SHEN Yayun1， WEI Bowen2

1. CNPC Tianjin Bo-Xing Engineering Science amp; Technology Company Limited， Tianjin 300451， China

2. Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：With the development of dense cluster well deployment， in an open hole section of extended reach horizontal well with a borehole diameter of 311.1 mm in Chenghai District 1， open well length， horizontal displacement， and hold angle were constantly increasing. Due to various factors including expanded and easy-to-leak borehole in shallow strata， difficult standoff of large inclination casing， irregular borehole， time-consuming construction of long sealing sections， and easy-to-occur channeling， it was difficult to guarantee the cementation quality of casing with a diameter of 244.5 mm. By analyzing constraints and improvement directions， targeted cementing process optimization methods were carried out： strength improvement of low-density cement at the top， employment of toughening and anti-channeling cement slurry technology and solidifiable spacer fluid technology， as well as casing standoff optimization design. Technical difficulties such as difficult casing standoff， low top displacement efficiency， and slow early strength development of top cement were successfully solved. Cementing qualification rate was increased by 20% compared to that before application， and cementing quality was significantly improved， providing strong technical support for oil and gas exploration and development in Chenghai Block.

Keywords：extended reach well; cementing; low density cement slurry; casing standoff; displacement efficiency

埕海一區是大港油田海上開發的重點區塊，位于渤海灣西部，主要開發沙一段和館陶組油藏，埋深淺（1 400 m），依托埕海1-1平臺進行開發，井型主要為大斜度井、水平井。為滿足穩產、增產需求，井位布置趨向邊遠砂體、邊際油藏，大位移井數量逐年增加[1]。目前最大施工井深為4 473 m（XA井），對應水平位移3 775 m、水垂比2.73。井身結構受海上井口條件的制約，?311.1 mm裸眼長度及水平位移不斷加大，?244.5 mm套管固井難度日益突出。

如圖1所示，區塊主要為三開井身結構，二開導向工具鉆進，前段大角度穩斜（60°～80°），使用海水坂土漿鉆進至2 000 m左右，而后替換鉀鹽聚合物鉆井液；底部二次增斜（至90°）、扭方位，鉆穿館陶組底部厚水層及25 m泥巖層后，入窗進入油層，下入?244.5 mm套管。如圖2所示，近兩年單井二開平均井深、水平位移增幅較大，通井、套管下入難度增加，井眼擴大率增加5%，固井合格率下降14.4%，油、水層及隔層封固質量有待提高。

1" " ?244.5 mm套管固井難點與改進方向分析

1.1" " 固井難點分析

1）易漏失。裸眼位移大，且穿越不整合面、斷層、松散、高滲透等復雜井段較多，館陶組含礫不等粒砂巖膠結疏松，滲透性強，地層承壓能力低，按作業要求水泥漿需一次上返，封固段長3 000～4 000 m，環空液柱壓力大。

2）頂替效率低。井斜角大，水平位移大，套管不易居中，偏心環空流體竄槽，摻混段長，頂替效率差；井眼不規則，造斜段易形成橢圓形井眼、“大肚子”井眼，有害固相易沉積井眼低邊，影響膠結質量。如圖3、圖4所示。

3）油水竄風險高。館陶組存在多套大段水層，砂巖具有高孔、高滲特性，相距井底油層較近，固井及候凝期間有油水竄風險。

4）大井眼、長封固段。上部地層井眼泥質含量高，易造漿，井眼大，進一步影響居中度、頂替效率，增加鉆井液滯留風險，套管窄邊摻混增強，如圖5所示。注替量高達230 m3，稠化時間長，頂部強度發展較慢，頂部質量不佳；頂替效率差，影響底部水層封固質量，如圖6所示。

1.2" " 制約因素與改進方向

基于淺地層防漏及井底油水層封固的雙重考慮，區塊水泥漿結構采用1.50 g/cm3低密度領漿+1.90 g/cm3常規密度尾漿，存在的主要問題是：第一，低密度水泥漿封固質量下降，主要在套管重疊段，因頂部低溫，水泥漿水化反應較慢，影響強度增長速度；第二，含礫不等粒砂巖膠結疏松，部分水層與隔層封固不好，膠結質量較差；第三，部分井段頂替效率不高，水泥漿與鉆井液發生摻混影響固井質量。

前期施工井大位移特點不明顯，且受淺地層巖性不穩定影響，需平衡套管下入風險，扶正器使用種類單一，且加量較少。近期XA井、XB井水平位移增長較高，原扶正器設計方案在實際應用時居中度較差，由于窄邊滯留嚴重，無法通過調整水泥漿流變性提高頂替效率[2]。所以在水平位移逐漸增大、套管下入難度增加的同時，合理調整扶正器類型，并增加其加放數量，提高套管居中度最為關鍵。

因大位移井套管居中度提升相對困難，提高頂替效率還需漿柱結構優化、漿體流變設計優化、頂替設計優化等多方面措施共同配合，以期實現綜合提升。

2" " 固井工作液設計優化

2.1" " 提高低密度領漿頂部早期強度

提高水泥石早期強度的途徑主要有兩個方面，一是選取適用的早強劑，主要分為無機鹽類、有機物類和復合型三類，通過加速水泥熟料礦物的凝結與硬化，提高水泥石早期強度；二是選取適用的增強材料，整體提升水泥石膠結強度[3]。納米基低密度水泥漿體系具有成本低、耐壓能力強、抗壓強度高、穩定性好等特點[4]，前期在埕海區塊應用效果良好。現以1.50 g/cm3納米基低密度水泥漿為基礎，選用以下4種材料進行頂部水泥石早期強度評價。

1#材料，微硅屬于膠凝材料，其主要成分為介態的SiO2，粒徑較小（0.1～0.2 μm）、比表面積大、具有較高的反應活性，水化早期和低溫條件下促水化作用明顯，可提高水泥石的早期強度和膠結強度。

2#材料，空心玻璃微珠（粒徑40～200 μm，比水泥粒徑大3～4倍），質輕，耐壓高，可降低水灰比，經過合理級配，達到緊密堆積，改善水泥石的空隙結構，提高水泥石強度。

3#材料，BCA-210S為有機鹽類，采用其配制的水泥漿體系具有低溫促凝效果，適用于低溫、低密度條件。

4#材料，CA909S是一種有機鹽和無機鹽復合的促凝早強劑，可縮短低密度水泥漿在低溫下的候凝時間，提高水泥石早期強度。

由表1可知，BCA-210S對當前井溫早期強度無增強作用，微硅有增強效果，但使水泥漿中固相顆粒增加，加大對自由水的吸附，流變難以控制。微珠和CA909S增強效果較好，添加3%微珠與添加3%CA909S試驗組48 h抗壓強度均可提高57%；但微珠降密度作用明顯，需同步減水，使流動性變差[5-7]，需增加減阻劑的加量。微珠價格較高且減阻劑加量大，考慮到其綜合成本較高，因此不采用。CA909S有明顯的促凝作用，強度增強效果好，調節稠化時間需相應增加緩凝劑的加量，經綜合對比選用3%CA909S加量。

除此之外，選用對水泥石早期強度影響較小且適用于中低溫條件的減阻劑BCD-200L，改善領漿流變性，提高頂替效率，并加入膨脹劑BCP-1S，可以補償水泥漿固結時的體積收縮，提高水泥環膠結質量。

2.2" " 尾漿優選防竄增韌水泥漿

館陶組含礫不等粒砂巖孔隙度好、滲透率高、膠結疏松，對水泥石界面膠結和力學性能要求較高。為此，優化常規密度尾漿性能，使用防竄增韌水泥漿技術，主劑增韌劑為兩親聚合物BCE-310S和防竄劑BCG-200L，并加入晶格類膨脹劑BCP-1S，體系具有防竄、增韌、微膨脹、低失水等多種性能，可改善水泥環與套管、地層的膠結狀況，增強疏松巖性地層界面膠結，有效應對層間竄流問題。該漿體基礎性能好（見表2），靜膠凝過渡時間短，強度發展較快，力學性能好，與普通水泥石相比，其楊氏模量大幅降低，見圖7。

2.3" " 優選可固化隔離液改善混漿膠結強度

可固化隔離液的技術原理為，材料成分是一種復合活性凝膠材料，在界面處與水泥漿發生水化反應，實現膠結固化，無需額外激活劑。該可固化隔離液對于“S”形井段、“大肚子”井段、“糖葫蘆”井段等不規則井眼處，由于鉆井液頂替效率差、窩存鉆井液而導致出現的混漿問題，其改善效果顯著。

可固化隔離液的性能優于普通隔離液，其摻混水泥的比例越高膠結強度越好，如表3所示。當水泥漿：前置液：鉆井液=2：2：1時，其抗壓強度可達3.9 MPa，實現了三種混合流體的整體固化膠結（見圖8），使套管壁-水泥環-地層的界面能夠很好地固結在一起。鉆井液、隔離液與水泥漿的不同比例混合，流變相容性良好，稠化時間無縮短，滿足施工安全要求。

3" " 固井工藝措施改進

3.1" " 居中度設計

優化措施主要為三個方面：一是優化扶正器選型，具有降摩阻效果，不影響套管下入[8]；二是扶正器數量要加足，兼之優化加放方式，保證扶正器在井下有良好的居中效果；三是優化鉆井、通井措施，給套管串下入提供良好的井眼條件。

扶正器具體設計見表4，裸眼段主要加放整體式斜條和半剛性扶正器，主要原因為：其一，剛性扶正器在軟地層易產生“雪犁”效應，破壞井壁，增加阻力[9]；整體式直條易隨套管受力被壓嵌入井眼低邊凹槽內，失去扶正效果；其二，整體式斜條和半剛性扶正器在重力作用下，產生橫向扭矩分力，其在不規則井眼段的居中效果更好，且隨套管的下入，會發生一定程度的旋轉，從而減輕下入阻力；其三，整體式斜條和半剛性扶正器其扶正條都對環空流體產生旋流效果，可進一步提高頂替效率。

經過探索與優化，扶正器加放由重點層位1根1加、其余2根1加提升至基本全井1根1加，套管下入無不良影響（見表5），固井質量明顯改善。

3.2" " 環空漿柱結構

前置液設計：占環空高度500 m高效沖洗液+500 m可固化隔離液。沖洗液以BCS-110L為主劑，具有較強的滲透作用，易達到紊流流態，可有效剝蝕、清除井壁與套管壁上黏附的虛泥餅和潤滑劑。前置液環空紊流接觸時間＞10 min，提升對井眼的沖洗及清潔效果。

水泥漿柱設計：高強低密度領漿+防竄增韌尾漿。尾漿封固油層及以上500 m，保證油水層間有效封隔，剩余井段使用低密度水泥填充，降低環空漏失風險。對于漿柱結構形成密度極差的井段，避免發生重力置換形成混漿。流變呈梯度依次變化，可減小頂替界面長度，逐級提高壁面切力，實現有效驅替。

3.3" " 頂替設計

海水頂替，相對增加套管串浮力，減輕水平段套管貼邊程度。優化上膠塞結構，加長上塞長度，葉翼數量由常規的4道增加到6道（如圖9所示），增大膠塞葉翼與套管內壁的摩擦，提高長行程頂替的刮壁效果和碰壓可靠性。

對比多種固井軟件驅替模型理論，在保證井下安全的前提下，優化高返速頂替在總頂替量中的占比：頂替前期采用3.8～4.0 m3/min大排量，高返速頂替追趕（環空返速1.2 m/s），后期以1.0 m3/min排量塞流慢替，兼顧頂替效率與降低漏失風險。井眼以15%鉆頭擴大進行模擬，注替過程中環空動態壓力小于地層破裂壓力，頂替效率較高，鉆井液滯留較少，如圖10所示。

3.4" " 其他措施

通井：在處理井眼通暢的同時，避免破壞、擴大井眼，保證井眼清潔。通井鉆具采用領眼鉆頭+近鉆頭扶正器，搭配巖屑床清除鉆具，用于在拉力異常或下放遇阻井段，進行劃眼、循環處理，遇阻下壓不超過100 kN，無法通過，則開排量120 spm/160 spm（spm是每分鐘泵沖數，表示每分鐘活塞或柱塞的往復次數）。下沖，或加40 r/min劃眼處理；通過連續遇阻井段，210 spm、100 r/min倒劃一遍。大排量高返速+頂驅高轉速相結合，劃眼1遍后，提排量至220 spm，轉速130 r/min，上下調整立柱活動鉆具，循環清潔井眼，改善環空鉆井液流態，清除有害固相。

下套管：根據下套管摩阻預測，合理確定漂浮接箍加放位置[10]。套管下入工序銜接連貫，避免因停滯導致黏卡，必要時可上下活動。同時控制下放速度≤30 s/根，避免激動壓力過大壓漏地層。

固井循環：以3.8～4.0 m3/min大排量充分循環，清除井內巖屑，并調整鉆井液性能，在井眼安全的前提下，降黏、降切，使動切力YP＜5 Pa，塑性黏度PV處于10～20 mPa?s，初切/終切≤2/6 Pa，漏斗黏度≤45 s。

候凝：生產平臺及鄰井在產，為防止地層水發生竄流，環空憋壓候凝12 h，總候凝時間應不少于48 h。

3.5" " 現場應用情況

目前，埕海大位移井固井技術已連續應用于XC和XD兩口井，現場施工順利，各項技術措施提升固井質量的效果明顯。

首先，解決了裸眼段套管貼邊問題，套管居中度得到大幅提升，頂替效率得到改善，如圖11所示。

其次，低密度領漿頂部強度大幅提高，防竄增韌水泥漿有效改善油水層封固效果，可固化隔離液提高了混漿的強度，封固段質量整體較好，如圖12所示。

兩口井平均固井合格率92%，較前兩口井固井合格率提升30%。綜合比較，套管扶正器加放數量與套管居中度均有大幅提升，說明頂替效率的改善與固井質量提高明顯相關，如圖13所示。

4" " 結束語

1）水泥漿在海洋低溫環境需具備較好的早期強度，通過對納米基低密度水泥優選適用的早強劑，大幅提高頂部水泥漿硬化體的早期強度，應用效果較好，套管重疊段質量得到大幅改善。

2）已完工井水層封固良好，后期生產正常。說明防竄增韌水泥漿出色發揮其較好的封堵性和膠結能力，對館陶組砂礫巖和水層有較好的環空封固效果。

3）大位移井頂替效率低的主要原因是由于套管偏心導致環空竄流與井眼不規則，無法達到有效充填。通過提高套管居中度，再輔以可固化隔離液技術、漿柱結構、頂替設計等環節的優化，較好地提高了大位移井固井頂替效率，提高了充填效果，增強了界面膠結，進而有效提升了大位移井固井質量。

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作者簡介：

申亞運（1990—），男，河北邯鄲人，工程師，2017年畢業于天津工業大學機械設計及其自動化專業，現在主要從事石油天然氣固井技術研究工作。Email：shenyy01@cnpc.com.cn

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