調(diào)整水平井固井工藝技術(shù)

張文澤 夏宏南 白凱

摘 要：實(shí)踐證明水平井不僅可以成功地用于開采低滲透油藏、地層不整合油藏、裂縫性油藏及超薄油層，使油氣產(chǎn)量大幅增加；而且能有效對(duì)老油氣田再次進(jìn)行勘探和開發(fā)，最大限度地把殘余存油開采出來。A油田地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷層多，地層傾角大，地層壓力層系錯(cuò)雜，低滲、多裂縫、薄油層油藏較多，地層富含鹽膏層，漏失量大，固井難點(diǎn)多，固井效果難以提升。針對(duì)A油田特定區(qū)塊較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，從固井工藝和完善水泥漿性能兩方面進(jìn)行了完善，旨在改善并提高A油區(qū)的固井質(zhì)量。

關(guān) 鍵 詞：水平井；固井技術(shù)；頂替效率；固井質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TE 252 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1863-04

Abstract： The practice proves that the horizontal well not only can be successfully used in low permeability reservoirs， stratigraphic unconformity reservoirs， fractured reservoirs and thin oil reservoirs to greatly increase oil and gas production， but also can be efficiently used in exploration and development of old gas fields. A oilfield geological structure is relatively complex， the dip angle is large， the formation pressure layer system is heterogeneous； low permeability thin oil reservoirs are rich， there are rich salt paste layers in the formation， the loss is big， the cementing is difficult， it is difficult to improve cementing effect. According to specific block complex geological structure in A oilfield， the cementing technology and cement properties have been improved to increase the quality of cementing.

Key words： horizontal wells； cementing technology； displacement efficiency； cementing quality

利用水平井技術(shù)開發(fā)成熟油田、枯竭油藏、低滲透油藏、底水油藏等，可以獲得較直井高3～10倍的產(chǎn)量。美國(guó)南得克薩斯Pearsall油田奧斯汀白堊巖鉆水平井使油田產(chǎn)量增加到了前期的100倍，突破了傳統(tǒng)水平井的增產(chǎn)極限[1]。

與直井作為鮮明對(duì)比的是，水平井特別是階梯水平井和分支水平井能精準(zhǔn)定位靶區(qū)，增大與目的產(chǎn)層的有效接觸，預(yù)防并有效減緩水錐、氣錐帶來的損害，調(diào)整水平井技術(shù)在低產(chǎn)、低效、高費(fèi)油井中能顯著提升產(chǎn)量和效益。A油田開發(fā)已進(jìn)入低產(chǎn)期，調(diào)整水平井的首要目的是開發(fā)小型斷裂油藏及復(fù)雜斷塊油藏。

1 水平井固井現(xiàn)狀

A油田經(jīng)過幾十年的摸索、實(shí)踐，水平井固井技術(shù)體系日趨完善。先后完成了多分支水平井、深層水平井、超薄油層水平井、小井眼側(cè)鉆水平井的水平段注水泥固井。經(jīng)過CBL/VDL測(cè)井檢驗(yàn)評(píng)價(jià)：直井段和井斜70°以內(nèi)斜井段CBL值在“合格”-“優(yōu)質(zhì)”范圍內(nèi)，第二界面膠結(jié)質(zhì)量“合格”，水泥返高、人工井底均達(dá)到要求，水平段由于電測(cè)儀器的原因測(cè)井不多，后期采油生產(chǎn)情況良好，采收率不同程度的較直井有所提高。

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析、電測(cè)結(jié)果檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有以下基本規(guī)律：

（1）直井段固井質(zhì)量明顯優(yōu)于大斜度井井段的固井質(zhì)量。

（2）通過CBL/VDL分析，發(fā)現(xiàn)第一界面膠結(jié)質(zhì)量顯著高于第二界面。

2 問題與分析

2.1 突出問題

（1）水平段井眼底部沉淀物不易清除，影響膠結(jié)質(zhì)量（圖1）：

（2）高邊水帶的形成，形成竄槽（圖2）：

（3）井眼中套管偏離，影響頂替效率（圖3）：

由于長(zhǎng)期開采導(dǎo)致地層孔隙壓力降低，或由于注水造成局部壓力升高以及地層的異常活躍，這種由于工程、技術(shù)、地質(zhì)等綜合原因造成的壓力竄槽并不罕見。F-C1井在7″套管固井中存在8個(gè)氣層、6個(gè)水層及多個(gè)產(chǎn)層。F-C3井存在4個(gè)氣層，跨距750 m[2]。

2.2 主要原因分析

2.2.1 設(shè)計(jì)方面

地質(zhì)資料與地層壓力分析不精準(zhǔn)，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題。導(dǎo)致水泥漿柱的壓力設(shè)計(jì)與實(shí)際地層壓力相差較大，出現(xiàn)漏失、溢流等。套管柱設(shè)計(jì)：需要全面考慮井眼全角變化率、外載條件、數(shù)值差異、地層剪切應(yīng)力、腐蝕、塑性地層的影響。

2.2.2 地層環(huán)境因素

水泥漿的高質(zhì)、快速凝固需要一個(gè)靜態(tài)的環(huán)境，才能確保有效封隔。然而隨著油田后期注水開發(fā)的需要，注水層位和注水井的逐漸增多，地下橫向、縱向動(dòng)態(tài)干擾、注水壓力的升高和層間的相互干擾給固井帶來的影響越來越大。

2.2.3 井眼質(zhì)量

A油田地區(qū)構(gòu)造陸相地層新生界，且QJ組富含鹽膏層，易垮塌易融蝕，井徑擴(kuò)大率嚴(yán)重超標(biāo)，糖葫蘆井眼及大肚子井眼普遍存在，加上井眼軌跡的影響，難以保證頂替效率。

2.2.4 固井水泥漿配方

A油區(qū)地層鹽膏較為發(fā)育，大段的鹽層分布在1 000至3 300 m之間，固井水泥漿必須與地層相配伍，特別是封固水平段的水泥漿質(zhì)量要求更高。

2.2.5 井身軌跡控制

在大位移水平井和大斜度井中由于井斜、方位變化影響，以及地層應(yīng)力，巖層的差異性，水平井段地質(zhì)夾層等因素，容易產(chǎn)生狗腿、鍵槽，巖屑床，橢圓井眼和“糖葫蘆”井眼，大井眼等復(fù)雜井眼狀況，導(dǎo)致固井質(zhì)量差，頂替效果不理想，同時(shí)還容易造成固相的橋堵“憋泵”等安全故障。

3 固井質(zhì)量提升措施

3.1 優(yōu)選水泥漿體系

由于A油區(qū)地層的特殊性，決定水泥漿體系是鹽水水泥漿體系，配方必須適應(yīng)井下封固段內(nèi)大段的鹽膏層。通過多年的探索實(shí)踐，A油區(qū)的一套鹽水水泥漿體系已經(jīng)系統(tǒng)化，其性能具有高強(qiáng)度、低失水、微反應(yīng)、防漏失特點(diǎn)。

為預(yù)防固井水泥的“四高”[3]，調(diào)整井水平井固井水泥漿設(shè)計(jì)時(shí)一般按以下原則進(jìn)行：

（1）具有較好的沉降穩(wěn)定性。水平井固井對(duì)水泥石的要求是上下井段密度差不應(yīng)大于0.03 g/cm3，以防在垂直剖面上形成上稀下稠的現(xiàn)象，降低井眼高邊強(qiáng)度的同時(shí)，加劇了竄槽的發(fā)生[4]。

（2）API失水量小于50 mL/（6.9 MPa/30 min）。水泥漿失水，一方面污染了油氣層，其次導(dǎo)致水泥漿變稠，流變性能降低，導(dǎo)致蹩泵且降低了頂替效果；水泥漿失水嚴(yán)重后，水灰比降低，穩(wěn)定性變差，在高滲透地層易形成泥餅?zāi)酥痢岸氯本踇5]，在井眼高邊形成水竄。

（3）水泥石具有高強(qiáng)度和抗沖擊韌性。在大位移水平井中，若水泥石強(qiáng)度過低，易碎裂，造成膠結(jié)質(zhì)量差，封固不牢靠；同時(shí)，水泥環(huán)抵卸鹽膏層蠕變和抗沖擊任性的能力降低，加劇了套管的損壞。

（4）水泥漿具有微膨脹增韌性。領(lǐng)漿具有高流變性能、稠化時(shí)間長(zhǎng)特點(diǎn)，能提高頂替效率的同時(shí)并有效壓穩(wěn)地層；尾漿具有明顯的低失水性、微膨脹性、高強(qiáng)度性和稠化時(shí)間短特性[6]。一旦水泥漿不能正常傳遞靜液柱壓力，便快速凝結(jié)且強(qiáng)度不斷增大，防止油氣、水侵造成潛在危害，微膨脹性能預(yù)防水泥漿凝固后導(dǎo)致的體積縮小，改善小井眼第一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。

（5）水泥漿具有防竄性能。在油氣井開采后期或大位移、大井斜角水平井固井中，水泥漿易在凝結(jié)過程中形成大量的自由水并造成體系沉降，使井眼高邊易形成油氣竄流的通道。因此，對(duì)水泥漿體系的防竄特性要求更高。

（6）較短的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間。靜膠凝強(qiáng)度時(shí)間過長(zhǎng)，將導(dǎo)致地層流體侵入?？s短水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間及其以膠體狀態(tài)存在的時(shí)間，能明顯提升水泥石抗壓強(qiáng)度和界面膠結(jié)質(zhì)量。水平井一般要求達(dá)到直角稠化。

3.2 液柱設(shè)計(jì)

固井設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)地層破裂壓力和地層坍塌壓力，對(duì)液柱當(dāng)量密度進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，采用“領(lǐng)漿液+沖洗液+隔離液+水泥漿”的組合方式[7]，確定水泥漿密度段。以平衡地層壓力，防止水泥漿候凝時(shí)各壓力界面互竄。

領(lǐng)漿液有較好的攜砂能力和不錯(cuò)的清洗效果；沖洗液的親水性和除油性效果明顯；前置液的排替體積，以紊流接觸時(shí)間來計(jì)算，控制在10 min左右為宜；沖洗液的體積以前置液的2倍最佳，環(huán)空高度的控制計(jì)算約為300～600 m。水泥漿液柱通常由兩段組成，水平段常以高強(qiáng)度低失水微膨脹鹽水速凝水泥漿體系為主，其余井段常采用低密度的欠飽和鹽水緩凝水泥漿體系。

水泥漿密度滿足下列條件[8]：

（0.9～0.95）P孔隙< P <（0.9～0.95）P破裂

式中：P-固井施工中對(duì)地層所產(chǎn)生的最大壓力；

P破裂-地層的破裂壓力；

P孔隙-地層的孔隙壓力。

3.3 提高頂替效率技術(shù)

3.3.1 確保套管居中度大于67%

由于在大斜度段或長(zhǎng)水平段，扶正器要承受套管柱重力所施加的載荷，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可知螺旋滾輪剛性扶正器的使用效果更佳。在不規(guī)則井眼中，螺旋扶正器受到橫向的扭矩力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)從而減輕下套管的阻力；在環(huán)空中，水泥漿沖擊扶正器產(chǎn)生旋流，改善了環(huán)空流場(chǎng)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在小于244.5 mm的井眼中，環(huán)空旋流場(chǎng)可以達(dá)到近30 m，明顯改善了水泥漿頂替效率（圖4）。

3.3.2 應(yīng)用紊流定位器

其實(shí)質(zhì)是彈性扶正器中的一種旋流扶正器，應(yīng)用于“大肚子”井段、大斜度及水平段，起到提高套管居中度、實(shí)現(xiàn)紊流頂替的效果。利用螺旋形橡膠導(dǎo)流翼與井壁緊密吻合，使之形成螺旋通道[9]。水泥漿作用其間產(chǎn)生旋流，影響水泥漿的流型、流態(tài)，提高大斜度及水平段頂替效率。

3.3.3 采用“紊流-塞流”脈沖式頂替技術(shù)

頂替排量設(shè)計(jì)的原則為：注替返速≤套管循環(huán)返速≤通井返速[10]。由于水平井水平段長(zhǎng)、井斜角度大的原因，套管居中效果差，頂替措施不佳，為了避免壓裂地層，注水泥漿排量選擇0.8`1.3 m3/min之間，替泥漿排量為1.5～2.0 m3/min，碰壓前排量控制在0.3～0.8 m3/min之間。對(duì)于小井眼水平井應(yīng)選用紊流隔離液，采取紊流+塞流頂替施工，施工排量控制在100～500 L/min。

3.3.4 漂浮套管固井技術(shù)

為了改善套管居中度，提高固井質(zhì)量，在井眼斜度大且水平距離長(zhǎng)的井段套管內(nèi)替入輕質(zhì)（低密度清水、柴油等）頂替液，密度一般為 1.00～1.06 g/cm3，提高套管的上浮力，減少對(duì)下井壁的壓力；利用水平井漂浮接箍降低下套管摩阻，在一定程度上改善了居中效果。

3.4 重視水泥漿候凝過程

固完井后的后續(xù)工作往往被忽視，固井質(zhì)量全過程控制應(yīng)該還包括水泥漿候凝、固井質(zhì)量檢測(cè)、做好井口、套管試壓等一系列工作，特別是水泥漿在候凝過程中，在井下發(fā)生較為復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，井下地層流體（油氣水等）的存在，使水泥漿反應(yīng)更為復(fù)雜，且水泥漿在分段凝固過程中，壓力始終處于動(dòng)態(tài)變化中，隨時(shí)可能受到地層流體的污染，而影響水泥膠結(jié)質(zhì)量。

所以，在固井施工完成后，要求根據(jù)井況，決定關(guān)閉環(huán)空或井口，通過壓力觀察井下變化。對(duì)井下壓力的變化隨時(shí)進(jìn)行壓力釋放或壓力補(bǔ)償，以減輕水泥漿在凝固過程中受污染程度。

4 結(jié)論與建議

（1）加強(qiáng)老區(qū)井漏提承壓技術(shù)，有效解決低壓易漏地層長(zhǎng)封固段固井時(shí)的漏失問題，保證水泥漿返高。

（2）大力推廣應(yīng)用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的成熟的固井工具，改善套管柱的居中性和穩(wěn)定性，提高水泥漿頂替效率。同時(shí)，確保機(jī)械阻斷液體和氣體在套管與井筒間的環(huán)空內(nèi)流動(dòng)，隔開不同地層，防止層間互相竄通，保護(hù)套管，提高油井使用壽命。

（3） A地區(qū)水平井固井前井眼準(zhǔn)備技術(shù)已基本能滿足固井需要，但是對(duì)完井液的性能調(diào)整還有待進(jìn)一步完善。

（4） 加強(qiáng)水平井水泥漿體系的研究，提高其防竄、穩(wěn)定性等性能。

（5）為徹底解決水平井混油鉆井液造成的井壁和套管外壁油膜污染，對(duì)沖洗液還應(yīng)進(jìn)一步完善。

（6）水平井完井方式還有待研究，其研究方向在滿足甲方提高油井產(chǎn)量、延長(zhǎng)油井壽命的基礎(chǔ)上，還要考慮如何提高固井質(zhì)量。

（7）多套壓力層系固井技術(shù)也可以推廣到許多低壓易漏失井、長(zhǎng)封固段井及稠油熱采井的固井施工中。

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