玉门油田水平井固井技术

冯望生，田群山，杜　江，梁兴平，滕兆健

（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451；2. 西部钻探国际钻井公司，甘肃酒泉735200）

玉门油田水平井固井技术

冯望生1，田群山2，杜江2，梁兴平2，滕兆健1

（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451；2. 西部钻探国际钻井公司，甘肃酒泉735200）

冯望生等.玉门油田水平井固井技术［J］.钻井液与完井液，2016，33（5）：98-102.

针对玉门油田水平井开发、多级压裂的作业特点，以建立长期有效的层间封隔为目标，通过开展固井材料、水泥环失效分析和固井工艺技术研究，开发了驱油前置液、增韧防窜水泥浆、水泥环完整性评价等固井技术。通过工艺配套和材料集成，形成玉门油田水平井开发固井技术。2015年以来，在玉门油田完成全部水平井固井应用7井次，固井一次合格率为100%，优质井4口。已投产的3口水平井，压裂后平均含水率在30%以下，比同区块的井位明显降低。该技术还在玉门油田小间隙固井推广使用8井次，固井优质率达到了75%。水平井固井技术取得了良好的应用效果，该项技术具有广阔的市场应用前景。

驱油前置液；增韧防窜水泥浆；水泥环完整性；水平井固井；小间隙

0　引言

玉门油田提出以水平井规模应用为技术手段，重新部署适合目前油水规律分布的注采井网，并配套先进的技术手段，最大限度地增加产油量。水平井多级体积压裂的开发方式，给固井提出了更高的要求和挑战，主要表现在：①水平井井眼轨迹复杂，下套管遇阻风险高；②钻井容易形成钻井液槽，发生固屑沉床，管柱居中度低，提高顶替效率困难；③钻井过程中为降低运动阻力，常用油基或混油钻井液体系，油膜附着影响界面胶结质量；④先注后采，地层原始压力被破坏，个别区域存在油水同层现象，注水后油气水相当活跃，增大了油气水窜的几率和固井难度；⑤水平井后期投产要进行大规模多级压裂改造，水泥环易开裂，对井筒完整性要求高。

2015年以前玉门油田水平井固井采用清水作为冲洗液，清水对固井壁面的清洗、润湿、渗透、乳化、反转效果不佳，直接影响了水泥石的界面胶结，固井质量较差；水泥浆体系则采用PVA成膜类降失水剂，这种水泥浆体系开发时间较早，防窜效果一般、韧性不好。水平井酸化压裂后，出水率很高，水平井投产效果不好，原固井技术已经制约了油田的发展。为了提高水平井固井质量，达到水平井开发增产的主要目的，针对水平井开发多级压裂的特点，以建立长期有效的层间封隔为目标，通过开展固井材料、水泥环失效分析和固井工艺技术研究，开发了驱油前置液、增韧防窜水泥浆、水泥环完整性评价等固井技术，通过工艺配套和材料集成，形成玉门油田水平井开发固井技术，满足水平井油气开发作业的需要［1］。

1　水平井固井技术

1.1增韧防窜固井水泥浆体系研究

为满足水平井固井对水泥浆和水泥石力学性能的要求，综合胶乳［2-3］、不渗透聚合物防窜原理和水泥石改性优点，开发了BCG-300S油井水泥用增韧防窜聚合物粉体树脂［4］。BCG-300S可再分散于水中，与水泥形成良好的颗粒级配，降低滤饼渗透率，同时成膜温度低，聚合物材料在压差作用下，形成耐温能力强、耐盐性好的致密封隔层或抑制渗透的聚合物膜，防止油气水窜。另一方面当受到外部冲击时水泥石中聚合物薄膜可以分散一定的应力，增加了水泥石的变形能力，从而改善水泥石的韧性。

配套粉体降失水剂BCF-200S、粉体缓凝剂BCR-210S，使该体系材料全部实现粉体化，解决了不同材料的配伍性问题。在保证良好的流变性的前提下，各材料相互协同，大大提高水泥浆的基体抗侵能力，模拟井下水侵试验（增大水灰比）表明，水泥浆体系在发生水侵（水灰比增加14%）时仍可保证很好的浆体稳定性和较高的强度，满足水平井固井零析水、防窜、增韧、微膨胀、低失水的性能要求。通过图1可以看出，增韧防窜水泥浆体中的C—S—H凝胶表面覆盖了一层聚合物薄膜。

图1　增韧防窜水泥浆扫描电镜图

1.1.1水泥浆韧性评价

目前常用测定水泥石弹性模量的方法为三轴实验法。首先配制不同BCG-300S掺量的水泥浆，将水泥浆倒入模具中，在80 ℃、20 MPa下养护7 d，然后在0、5、10 MPa的围压下进行三轴实验，结果如表1所示。从表1可以看出，在围压10 MPa下，掺有4.5%BCG-300S水泥石弹性模量降低5%以上；掺有7.5%BCG-300S水泥石弹性模量降低12%以上。随BCG-300S掺量的增加，水泥石弹性模量逐渐降低，说明随着增韧防窜剂掺量的增加，水泥石形变能力增强，韧性有所改善。

表1　BCG-300S水泥石弹性模量性能测试结果

通过图2～图4的应力应变曲线（围压为10 MPa），也可明显发现，随着BCG-300S掺量的增加，水泥石的韧性得到逐步改善。

图2　净浆水泥石应力应变曲线

图3　掺有4.5%BCG-300S水泥石应力应变曲线

图4　掺有7.5%BCG-300S水泥石应力应变曲线

1.1.2水泥浆防窜性能评价

根据行业标准SY/T 5504.5—2010［5］，利用水泥浆窜流分析仪器，在80 ℃下进行了水泥浆防窜实验（验窜压差为2.8 MPa），结果见表2。

表2　掺有BCG-300S的水泥浆防窜实验结果

防窜实验表明，BCG-300S掺量在3.0%以上时，水泥浆即具有良好的防窜性能。

1.2驱油前置液

水平井钻井过程中，常用油基或混油钻井液体系，其中的油膜附着在井壁及套管壁上很难清洗干净，影响界面胶结质量。为了提高驱油效果，利用表面活性剂润湿、渗透、乳化、反转等作用原理，开发了驱油型BCS-110L冲洗液体系。冲洗液BCS-110L基本组成为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂及配套冲洗助剂。阴离子表面活性剂具有很强的润湿渗透和清洗功能，非离子表面活性剂对油性滞留物的去污力强，能有效携带井壁界面虚滤饼及胶凝稠化钻井液。冲洗液可以改善钻井液流动状态，使井壁附着物易于清除，提高顶替效率。

BCS-110L冲洗液不同于一般的冲洗液，可以使油相界面反转，井筒亲油界面反转为亲水界面。用不同浓度的冲洗液浸泡亲油金属片，然后测定接触角的变化来表征界面反转的程度，结果见表3。由表3可知，随着冲洗液浓度的增加，蒸馏水亲油金属片表面接触角逐渐变小，当掺量大于5%时完全铺展（接触角为0°），使亲油金属片表面具有良好的亲水能力。因此，当浓度超过10%时，冲洗液对油基钻井液的冲洗效率达到90%，接近白油的冲洗效率。合理设计冲洗液段长的液体结构，油基钻井液冲洗效率达到95%以上。

表3　冲洗效率和接触角对比（20 ℃）

驱油冲洗液是实现油基钻井液高效顶替的前提。影响顶替效率的因素主要归纳为井身质量、钻井液性能、套管居中度、固井液和顶替液性能、顶替工艺参数等几个方面。模拟顶替分析，套管居中是影响水平井顶替效率的关键因素。因此以套管扶正为核心，合理设计驱油前置液方案，结合模拟顶替技术，优化流体流变参数和施工参数，提高顶替效率，能为界面完整性奠定基础。

1.3水泥环完整性评价技术

通过分析水泥环井下受力情况，建立水泥环应力分析力学模型，定量评价不同水泥石在井下的完整性，提出给定井况下水泥石力学性能指标要求，是保证油气井安全生产的基础［7］。

基于弹性力学理论建立地层-水泥环-套管系统二维平面应变模型，采用岩石力学摩尔-库伦准则判断水泥环剪切破坏、最大拉应力准则判断水泥环拉伸破坏，位移耦合原理判断界面完整性，建立完整的水泥环失效评价模型，并开发相应计算程序，实现2个功能：程序通过文本输入地层-水泥环-套管系统几何参数、力学参数及井下载荷条件，判断给定水泥环在井下界面的完整性；程序通过文本输入地层-水泥环-套管系统几何参数、力学参数及井下载荷条件，判断给定水泥环基体完整性。对于特定井况、地质条件和开发方式，通过水泥环完整性分析，提出水泥石力学性能指标要求，为水平井固井水泥浆方案设计提供指导，图5、图6为水泥石弹性模量和泊松比变化对水泥石抗压强度、抗拉强度的要求。

图5　杨氏模量和泊松比变化对水泥石抗压强度的要求

图6　杨氏模量和泊松比变化对水泥石抗拉强度的要求

2　现场应用情况

2.1增韧防窜水泥浆体系

以水平井固井对水泥浆性能要求为设计依据，并考虑到经济效益和环境保护等因素，外加剂组成全部为粉体化材料，水泥浆基础配方组成如下。增韧防窜水泥浆的性能见表4。

G级水泥+2.5%降失水剂BCF-200S+7.5%增韧防窜剂BCG-300S+缓凝剂BCR-210S+（45%～50%）水（密度为1.85～1.90 g/cm3）

从表4可知，增韧防窜水泥浆具有良好的性能，能满足水平井固井性能要求；水泥石力学性能也达到了水平井开发对水泥环完整性的要求。

表4　增韧防窜水泥浆性能

2.2固井工艺技术措施

1）下套管前原钻具通井和模拟套管刚度通井，对起下钻遇阻卡及电测缩径井段要细心划眼，做到无阻卡、无沉砂、无垮塌、无漏失、井眼清洁，并采取短起下措施，大排量循环洗井。

2）做好井眼清洁工作，下套管后将钻井液至少循环2周。

3）固井前预处理钻井液，降低塑性黏度和屈服值，达到固井施工要求。

4） 合理设计扶正器的数量和位置，在特殊层段增加扶正器的密度，提高套管居中度，这对提高水平井固井质量至关重要。

5） 采用驱油型前置液提高对固井界面的清洗、润湿效果，确保水泥石能良好地胶结。合理设计前置液用量，保证紊流接触时间不小于7 min，提高对钻井液的顶替效率。

6）采用增韧防窜水泥浆体系，使水泥浆具有良好的防窜效果和韧性性能，在保证施工安全的前提下，尽可能缩短水泥浆稠化时间，这样能进一步预防水窜。

7） 采用变排量顶替，在保证井下安全的情况下，合理设计施工排量。

8）固完井后采取环空憋压方式候凝，防止水泥浆候凝过程油、气、水窜，同时也能防止水泥石凝固过程中微间隙的出现。

2.3水平井固井实施效果

2015年以来，采用增韧防窜水泥浆体系、驱油前置液、水泥环完整性评价技术及配套的固井工艺技术，在玉门油田鸭儿峡及青西区块完成全部致密油气水平井固井7井次，一次固井合格率为100%，优质井4口。已投产的3口水平井，压裂后平均含水率为30%以下，比同区块的井位明显降低。目前已投产水平井平均产油量为7 t/d，单井最大产油量达到11 t/d。水平井固井技术基本解决了玉门油田水平井固井中由于顶替效率低和水泥浆体系不配套而引起的固井质量差问题，同时提高了水泥石的力学性能，多级压裂后能保持水泥环完整性，防止层间油气水窜，为产油量提供有力的技术保障。水平井固井配套技术也成功应用在青西和鸭儿峡区块小间隙固井中，目前已完成8井次固井，固井优质率达到了75%，也取得了良好的应用效果。

3　结论

1.目前玉门油田正处于开发的特殊时期，而老油田的增储上产是开发的关键。水平井固井技术的应用不仅解决了玉门油田水平井和小间隙井固井中由于顶替效率低和水泥浆体系不配套而引起的固井质量差的问题，而且还提高了水泥石的力学性能，多级压裂后能保持水泥环完整性，防止层间油气水窜，为玉门油田的增储上产提供有力的技术支撑。

2.水平井固井技术在玉门油田的应用体现了技术的成熟性与先进性，材料体系和工艺方法很好地满足现场应用的需要，解决了生产实际问题。开发的水平井固井技术已达到国内领先水平，而产品价格只有国外的1/6～1/2，有优越的性能价格比，具有良好的应用前景。

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Horizontal Well Cementing Technology Used in Yumen Oilfield

FENG Wangsheng1， TIAN Qunshan2， DU Jiang2， LIANG Xingping2， TENG Zhaojian1
（1.Tianjin China Petroleum Boxing Engineering Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300451；2. International Drilling Division of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Ltd.， Jiuquan， Gansu 735200）

A set of well cementing technologies， such as oil-displacing prepad fluid， toughness-enhanced anti-channeling cement slurries， and the evaluation of the integrity of cement sheath， was developed to improve the job quality of cementing horizontal wells （in which multistage fracturing will be performed） in Yumen Oilfield. These technologies， special for cementing horizontal wells drilled in Yumen Oilfield，were aimed at establishing long-termzonal isolation， and were developed based on the studies on cementing materials，the failure of cement sheath， and cementing techniques. These technologies have been applied on seven horizontal wells in Yumen since 2015， and the cementing job quality of each well was satisfactory at the first try， and four wells out of the seven wells had excellent cementing job quality. Each of three wells that have been cemented with these technologies and have put into production has average water cut that is less than 30% after fracturing， lower than the water cut of the wells drilled in the same block. These technologies have also been applied on eight wells with small annular spaces， and 75% of the cementing job was excellent. These technologies are promising and have gained good results in horizontal well cementing.

Oil-displacing prepad fluid； Toughness-enhanced anti-channeling cement slurry； Integrity of cement sheath； Horizontal well cementing； Small annular space

TE256.6

A

1001-5620（2016）05-0098-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.021

冯望生，工程师，硕士，1982年生，2008年毕业于中国科学院青海盐湖所，现主要从事油井水泥外加剂研发及固井技术研究。电话 （022）66310330/15822918056；E-mail：fengwsh08@cnpc.com.cn。

（2016-4-21；HGF=1604N8；编辑王小娜）