川西沙溪庙组水平井固井技术的现场应用

张继尹 邓天安 范希连 李玉飞 温真桃

(1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院 2.中国石化集团西南石油局固井公司 3.中国石油西南油气田公司采气工程研究院)

随着钻井技术水平进步，川西溪庙组水平井井身结构由三开制优化为两开制井身结构，Φ244.5表层套管下深500m～800m，Φ139.7油层套管下深2800m～3300m，水平段长500m～1000m。由于同一裸眼井段长、地质条件复杂、压力梯度相差大、高压气层活跃以及测井工具局限等原因，使得水平井固井施工面临很大难度，难以保证水平井长效封固质量，直接影响着气井长期安全生产。为此，本文针对固井存在的难点开展相关研究，并成功应用于现场固井，达到了提高川西中浅层水平井固井质量的目的。

1 固井技术难点

(1)地质条件复杂、存在高压气层容易引起气窜

以JS21和JS23为主力产层的水平井，自上而下钻遇K1j、J3p、J3sn及J2s地层，地层岩性致密、非均质性强、裂缝性气层发育且属于高压气层，钻井液密度达1.77 g/cm3～1.98g/cm3，远远高于国内同类型气藏(如大牛地气藏)，造成了川西水平井固井在高密度条件下施工难度及调整水泥浆性能难度显著增大；同时由于固井封隔段长(3000m±)，裸眼段长(2500m±)，水泥浆柱长，候凝时水泥浆“失重”严重，客观上使得油层套管固井过程中极易发生气窜而影响固井质量。

(2)套管下入困难且不易居中，影响固井质量

由于地质条件复杂、定向施工水平等原因，常会出现井眼轨迹全角变化率大(XS21-2H井在2215.27m狗腿度达42.46°/100m)、实钻井眼轨迹差，斜井段出现一个或多个狗腿度极值拐点(XS21-8H井水平段“W”井眼轨迹)、井径扩大率大(XS23-3H井扩大率为17.46%)、钻井液密度高、水平段长等工程问题，大大增加了下套管的摩擦阻力(XS21-8H井起下钻摩阻达60t～80t)，从而使套管下到设计井深非常困难。加之水平井段未测井作业和套管所受的重力方向为径向，致使套管扶正器选型困难、造斜点以下井段居中度不高，固井顶替过程中窄间隙处浆体难以流动，从而影响水泥浆的顶替效率，严重时会导致钻井液窜槽。

(3)钻井液密度高且含油，影响顶替效率及胶结质量

川西地区地层压力系数高，钻井液密度大，与水泥浆密度差小；为彻底清除大井斜井段低边沉积的岩屑，钻井液粘度高；为减小作业过程中的摩阻扭矩，采用含油8%左右的聚磺混油钻井液。以上钻井液性能对顶替效率、胶结质量造成很多不利影响。

2 相关技术对策

2.1 防窜性能水泥浆体系的选择

针对川西沙溪庙组水平井固井有气窜等工程风险，以水泥浆性能系数(SPN)和阻力系数法(A)为设计依据进行了实验分析。结果表明，滤失量、自由水和凝结过渡时间是防气窜水泥浆的关键性能，因此，选择了塑性膨胀防气窜水泥浆体系。该体系具有良好的防气窜能力、稠化时间可调等优点，API失水量为20ml/30min左右，过渡时间为5min～10min(图1)，防窜性能系数为0.6左右。图2实验气窜压力为3.2MPa，温度80℃，塑性膨胀防气窜水泥浆体系失重曲线显示，失重压力从4MPa到水泥浆凝固之间的时间很短，说明固井过程中不会发生气窜。

图1 塑性膨胀防气窜水泥浆稠化曲线

图2 塑性膨胀防气窜水泥浆体系失重曲线

2.2 选择套管扶正器及合理安放

针对套管下入困难且不易居中的问题，要求套管扶正器解决高复位力和低启动力、低摩擦因数和高耐冲击强度等矛盾。弹性扶正器可应用在各种形状和尺寸的井眼中，但在产生高扶正力的同时也产生了较大的启动力，存在下入阻力较大及复位力有限等缺陷。刚性扶正器具有很高的支撑力和较低的启动力或移动力，能够使套管柱顺利下入而又保持较高的居中度，但对井眼规则程度要求较高，不能用在有缩径井段或有大肚子井段。所以在设计使用过程中，采用刚性、弹性交错安放方式，既保证了套管居中，同时也不至于使套管下入时摩阻增加过大而影响下套管作业。

2.3 套管下入技术

(1)下套管摩阻预测

在水平井中，由于管柱自重、井眼曲率、井径、地层摩阻等多种因素，使得在套管下入过程中存在较高的摩阻力，直接制约着套管柱能否通过弯曲井段下入预定井深。在井眼轴线坐标系上任取一弧长ds为的微元体AB，并对其进行受力分析，以A点为始点，其轴线坐标为s，B点为终点，其轴线坐标为s+ds，单元体受力(图3)，建立微元段平衡方程(1)。

图3 微元段套管柱受力分析

(1)

根据川西沙溪庙组水平井现场实钻情况，摩擦系数取值套管内0.20，裸眼段内0.30，则采用常规下入法时套管最大下入深度临界条件如式(2)，为下套管作业提供了理论指导。预测有效下放力Fm，总摩阻力Ff。

F游+Fm=Ff

(2)

(2)通井模拟技术

川西沙溪庙组水平井实钻轨迹差，下套管前通过采用模拟套管尺寸和刚度的钻具结构、多次通井的方式通井，提高井径的规则程度，是确保套管顺利下到设计井深的重要保证。本体刚度对比如式(3)所示，要求C≥1.00。若通井作业顺利，则说明套管能一次性下入到设计井深；若通井作业不顺利，则需改变钻具组合来通井。

(3)

2.4 提高顶替效率技术

(1)优选前置液类型及合理用量以提高顶替效率

针对完钻钻井液含油量(8%±)及套管和地层表面亲油的问题，在固井前注入一倍井筒容积不含油钻井液作为先导浆以替换含油钻井液，并选择“乳化冲洗液+加重隔离液”前置液体系，冲洗液用量环空占250m左右，隔离液占环空300m左右，使其有效隔离钻井液与水泥浆、提高水泥浆的顶替效率、改善界面胶结质量。

(2)流变学模拟计算

针对川西沙溪庙组水平井井眼条件，根据顶替机理，采用紊流顶替对提高顶替效率有着显著的作用。根据具体水泥浆的流变性能模拟计算出合理的施工排量施工参数(图4)，是提高固井质量行之有效的重要手段。

图4流变学模拟计算

3 现场应用

通过一系列针对性措施的实施，大大提高了水平井各井段的固井质量。表1是上述工艺措施实施前的川西沙溪庙组2007年-2009年4口水平井固井质量与实施后的XS21-3H、XS21-4H等井固井质量的对比结果。可以看出，上述工艺措施不但可以大大降低水平井各井段的固井质量不合格率，同时还提高了井口至造斜点和水平段固井质量的优质率。

4 结论与认识

(1)川西沙溪庙组水平井由于地质条件复杂、高压气层活跃以及测井工具局限等原因，面临包括环空气窜、套管不易下入与居中、岩屑清除困难、顶替效率低等固井技术难点。

表1 油层套管固井质量

(2)塑性膨胀防气窜水泥浆体系适用于川西沙溪庙组水平井固井施工，具有防气窜效果好、稠化时间可调、固井质量好等优点。

(3)成功的现场应用试验表明，选择塑性膨胀防气窜水泥浆体系及刚性与弹性套管扶正器并合理交错安放、预测下套管摩阻与通井模拟、优选前置液类型并合理用量及根据具体水泥浆流变性能模拟计算出合理施工排量以提高顶替效率等一系列技术措施，能有效提高井口至造斜点和水平段固井质量的优质率，并为川西沙溪庙组水平井固井提供可以借鉴的经验。

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

2 孙莉，黄晓川，向兴华. 国内水平井固井技术及发展[J]. 钻采工艺， 2005,28(5):23-26.

3 张国仿.提高水平井固井质量工艺技术[J]. 江汉石油职工大学学报,2002,15(3):20-22.

4 李定先.使用套管扶正器提高固井质量[J].钻采工艺，1990，13(2)：90-93.

5 韩烈祥，向兴华.水平井固井技术新进展[J]. 天然气工业，2007，27(12):86-88.

6 严焱诚，薛丽娜，朱礼平，等.复合套管固井在川西水平井中的应用[J]. 天然气工业，2009，29(2):67-69.

7 李建成，吴洪波，孙吉军,等.哈德油田水平井固井工艺技术[J]. 钻井液与完井液， 2005， 22(4):78-80.