玉门油田水平井固井技术

程国惺，张永海，田群山，薛伟强

（西部钻探国际钻井公司，甘肃酒泉735000）

玉门油田水平井固井技术

程国惺*，张永海，田群山，薛伟强

（西部钻探国际钻井公司，甘肃酒泉735000）

为了更好地发现油藏，提高原油采收率，玉门油田分别在鸭儿峡、花海、鸭西区块布设了水平井，井深在3700m左右，水平段长700m左右，井眼条件差，全井封固固井施工压力高，顶替效率低固井质量难以保证。根据区块水平井的特点，通过水泥浆体系优化、隔离液优选、对下套管及注水泥过程进行软件模拟，最后制定了水平井配套技术措施，水平井固井质量显著提高。

水平井固井；防窜增韧水泥浆体系；油污冲洗液

1　概述

玉门油田水平井井身结构为3层结构，为满足后期酸化压裂改造需要，水平井固井要求全井封固。由于水平井对水泥浆性能要求高，水泥浆调配困难，全封固固井裸眼段长，需穿越多层压力体系，固井过程中易发生漏失，施工压力高，固井难度大。因此对玉门油田水平井固井技术进行攻关，进一步提高水平井固井质量，为油气开采提供强有力的保障。

2　固井难点及技术对策

2.1固井技术难点

（1）水平井钻井循环造成井径不规则，油层裸露段长、高温；因钻井需要泥浆中混入的原油附着在井壁上影响了顶替效果和水泥浆胶结强度。

（2）套管下入困难，由于水平井的轨迹控制的原因，实钻和设计不可能完全符合，因此下套管前必须以实际资料进行强度校核。

（3）由于玉门区块水平井要求泥浆返至井口，所以调配既满足固井要求又不压漏地层的水泥浆困难较大。

（4）水平井由于定向钻进、起下钻形成复杂的井眼轨迹和不规则的井眼使套管居中度难以保证；套管在自重作用下易靠近井壁下侧，而套管偏心影响着岩屑携带及水泥浆顶替率。根据现场经验表明，只有居中度大于67%，注水泥质量才有保证。

(5）在定向段由于钻进、起下钻形成的岩床，钻井循环形成的死区的存在，此处水泥浆很难顶替干净，水平井段的问题更加突出。井眼条件差或钻井液循环处理不够，造成水泥浆顶替效率低；钻井液滤饼质量差与水泥胶结程度低，造成固井质量不合格。

2.2固井技术对策

（1）调配符合玉门油田水平井固井的水泥浆体系。

（2）优化前置液，防止水泥窜流，冲洗井眼，平衡地层压力。

（3）套管安全下入的校核：套管居中模拟。

（4）顶替效率的研究。

（5）现场施工模拟。

（6）制定玉门油田水平井固井的技术措施。

3　固井技术研究

3.1研究思路

玉门区块水平井完井要求水泥浆返至井口，为了确保施工安全及油层段固井质量，采用了低密加常规水泥浆体系，水泥浆性能要求：失水量小于50mL，浆体稳定，稠化时间可调，流变性能良好，水泥石强度高。由于水平井固井油层段油气活跃，易发生油气水窜，因此要求水泥浆要具有一定的防窜性。为防止水泥浆凝固时在井眼高边形成游离水通道引起油气水窜，必须控制游离液为零。为满足后期分段压裂要求，水泥浆还需要具有更好的韧性。为满足上述要求需要调配具有防窜增韧性能的水泥浆体系。

3.2防窜增韧水泥浆的室内研究

防窜增韧水泥浆体系是一种聚合物柔性水泥浆体系。其机理是通过在水泥浆中引入高分子聚合物（BCG-300S防窜增韧剂），形成抑制渗透的柔性聚合物薄膜，以防止流体侵入水泥浆柱中，起到防窜的效果，另一方面当水泥石受到外部冲击时，该柔性聚合物可以分散一定的应力，增加了水泥石的变形能力，从而改善了水泥石的韧性。

3.2.1防窜试验

静胶凝试验就是通过测定水泥浆在静胶凝过渡时间窜流体积可以判断有无窜流发生，当水泥浆中加入BCG-300S，测定其窜流体积为零，具有良好的防窜性能。

3.2.2防窜增韧水泥浆综合性能评价

通过室内对水泥浆进行综合测定可以得知该水泥浆体系失水量小于50mL，游离液为零，浆体稳定性好，水泥浆稠化时间满足施工要求，能够“直角”稠化，流变性能良好，水泥石24h强度高，完全能够满足水平井固井要求。

3.3油污冲洗液优化设计

水平井钻井过程中一般会在钻井液中混入10%～ 15%的原油，钻井液中的油相物质会对水泥浆产生一定的污染，井壁上形成的泥饼影响第一、二界面的胶结质量，为了提高顶替效率和提高固井质量对冲洗液进行了优化设计，并且在室内进行了冲洗效率的对比（见表1），优选出了适用于水平井固井的冲洗液体系，配方如下：清水+10%BCS-010L+10%BXF-200L+1% BXR-200L+0.1%G603。

表1　冲洗效率对比表

3.4套管安全下入及套管居中研究

3.4.1套管安全下入强度校核

利用实钻井眼轨迹数据在下套管前用固井工程设计软件对油层套管进行强度校核，下入井底后实际强度均未超过额定强度，说明采用常规工艺均可顺利下入井底。

3.4.2套管居中

水平井的扶正器加放根据水平井井身结构特点设计，主要采取在水平段弹性扶正器和刚性扶正器交替加放，造斜段一根加一只弹性扶正器的方法确保套管居中，通过该方式可以保证套管据中度达到70%。

3.5顶替效率研究

因玉门油田顶替流态均为层流，故而引进有效层流顶替理论。所谓有效层流顶替是指，利用顶替液和被顶替液的流变性差异和密度级差，形成均匀顶替。有效层流是一种无法实现紊流顶替时的替代选择。在层流流态下实现有效的顶替需要同时满足4个基本准则：第一，顶替液的密度至少大于被顶替液10%；第二，顶替液的摩阻梯度至少大于被顶替液20%；第三套管周围的被顶替液应全部参与流动，特别是顶替液在环空窄边的壁面剪应力应大于被顶替液屈服值；第四，在顶替液和被顶替液的界面上，顶替液在环空宽边的流速应不大于被顶替液在环空窄边的流速。通过对有效层流理论的应用发现，它的计算主要比较钻井液与水泥浆的摩阻压力梯度大小，涉及钻井液与水泥浆性能、井眼尺寸和套管尺寸、顶替排量等几个参数。由于有效层流顶替在鸭K难以实现，根据玉门油田水平井固井的特点，设计最佳层流顶替模型可以从以下几个方面加以考虑。

（1）创造良好的井眼条件。根据玉门油田水平井实钻井径数据来看，完井井径扩大率不超过30%，其环空流属于高直径比环空流。随着井径的扩大，环空返速降低，摩阻压力梯度随之降低，顶替效率低。当井径扩大率不大于12%时，可提高顶替效率。

（2）顶替排量。在井眼条件一定的情况下，顶替排量是顶替效率的核心。摩阻压力梯度与顶替速度的平方成正比，顶替排量的提高可最大程度地提高水泥浆的摩阻压力梯度，从而提高顶替效率。玉门区块水平井固井受设备和地层压力制约，顶替排量V≤1.5m/s，实践证明，其排量控制在环空返速为1～1.5m/s时顶替效果较好。

（3）钻井液性能。钻井液性能对顶替的影响在于钻井液密度、塑性粘度和动切力3个方面，钻井液密度与钻井液摩阻压力梯度成正比例关系，根据玉门区块水平井的实际情况可在固井前调节钻井液塑性粘度和动切力，在保证钻井液性能稳定的前提下，适当降低钻井液的塑性粘度和动切力，可降低钻井液的摩阻压力梯度，对固井顶替可起到较好的效果。实践证明，其粘度控制50～75s、动切力控制在10～15Pa时可得到较好的顶替效率。

（4）水泥浆性能。水泥浆摩阻压力梯度越大，越有利于顶替。而水泥浆摩阻压力梯度与水泥浆密度及水泥浆稠度系数成正比例关系，为此，在确保浆体流变性和稠化时间可满足安全施工的前提下，增加水泥浆稠度系数，以此提高水泥浆摩阻压力梯度。实践证明，水泥浆稠度系数控制在1～3Pa·sn，不仅水泥浆流变性能较好，而且可得到较好的顶替效率。

从上可以看出，顶替效率与井径、顶替排量、钻井液塑性粘度和动切力、水泥浆稠度系数有直接关系，但将以上各种参数控制在界定的范围内，即可在层流流态下得到最佳顶替状态。

3.6注水泥过程模拟

通过固井设计软件对注水泥流程进行了模拟，确保施工安全及施工各项条件满足设计要求。

（1）管柱居中度模拟：利用设计软件可以根据套管扶正器的加放顺序、加放井段及数量模拟套管的居中度，确保套管居中度满足设计要求。

（2）顶替过程井口压力及井底压力变化。井口压力随着时间的变化规律为：在注水泥过程中压力逐渐降低，直到降为零（负压差），在替浆过程中持续一段时间的负压差后当水泥出套管进入环空后压力会逐渐升高。通过控制施工排量可以调整井口压力始终在安全范围内。

井底压力随着时间的变化规律为：井底压力随着时间的推移逐渐变大，当水泥全部进入环空后此时井底压力达到最大值。通过合理设计液柱压力，确保井底压力在安全范围之内。

3.7其它配套技术措施

3.7.1通井要求

（1）下套管前必须认真通井，保持井壁光滑、平整、无键槽。

（2）下钻到井底小排量顶通后正常循环，待泥浆性能稳定后，适当调整钻井液性能，有效地携带岩屑和固相颗粒。

（3）根据井眼情况，可以考虑采取短起下钻的方法破坏岩屑床、修整井壁，但短起下到底后必须有足够的循环处理时间，才能起钻。

（4）起钻前，循环洗井用的大排量应高于固井施工前的最大循环排量洗井不低于一周半，彻底冲洗井底泥砂，为套管顺利下入提供良好的井眼条件。

3.7.2下套管技术措施

（1）认真检查入井套管及所有管串附件，确保套管及附件性能可靠。

（2）下套管过程中严格控制套管下放速度，防止因下方速度过快产生较大激动压力压漏地层。

（3）严格按设计要求加放扶正器。

（4）灌浆要求：采用边下边灌的方式，最后500m不灌浆，防止因套管长时间静止发生粘卡。

3.7.3固井前的地面设备的准备

（1）检查固井作业所用设备，确认下灰系统、混浆系统、供气系统、供水系统和混拌系统等是否符合施工要求。

（2）认真检查泥浆泵，确保运转正常，其次需要准备充足的泥浆进行替浆，同时检查泥浆罐，确保蝶阀灵活、罐之间不窜。

（3）施工前对高压管线进行试压，不刺不漏为合格，其次备用一套固井管线和一套输灰管线以作应急之用。

4　现场应用

4.1固井主要技术措施

（1）管柱结构。浮鞋＋套管1根＋浮箍＋套管1根＋浮箍+Ø139.7mm套管串。

（2）扶正器的加放：水平段弹性扶正器和刚性扶正器交替加放，造斜段1根加1只弹性扶正器。

（3）施工流程及参数设定（见表2）。

表2　施工流程表

（4）水泥浆基本性能：

①低密度水泥浆配方及性能：低密配方：夹江G级水泥+20%漂珠+3%微硅+1.5%悬浮剂+4%降失水剂+ 0.3%缓凝剂+0.1%消泡剂（实验条件：45min×70℃×50MPa）。

基本性能：水灰比：0.72；密度：1.52g/cm3；失水：40mL,24h强度:8.9MPa；稳定性静置2h上下密度差为0.01；流变性能：*/216/153/79/7/5(n=0.92，k=0.36）；游离液为零；稠化时间：初稠28BC,40/70BC=229/ 235min。

②常规水泥浆配方及性能。常规配方：夹江G级水泥+4.5%防窜增韧剂+3%降失水剂+0.1%缓凝剂+ 0.1%消泡剂（实验条件：45min×70℃×50MPa）。

基本性能：水灰比：0.46；密度：1.84g/cm3；失水：42mL,24h强度:17.9MPa；稳定性静置2h上下密度差为0；流变性能：*/206/150/85/9/5(n=0.81，k=0.67）；游离液为零；稠化时间：初稠15BC,40/70BC=148/ 153min。

4.2固井整体情况

2014年玉门油田水平井固井4口，其中鸭K1-1H、鸭K1-2H、鸭K1-3H为常规固井，墩1H井为钻杆固井，固井质量合格率100%，优质率达到50%，具体数据见表3。

5　结论与认识

表3　玉门油田水平井固井情况统计表

（1）防窜增韧水泥浆形成抑制渗透的柔性聚合物薄膜，可以防止流体侵入水泥浆柱中，起到防窜的效果，有利于提高油气层的封固质量。

（2）必须从井身轨迹设计和实钻井眼的符合情况来保证套管的安全下入，套管安全下入强度校核是必需的。

（3）优选环空液柱体系是水平井固井成败的关键环节。前置液（清水）+防窜增韧水泥浆体系的室内实验和应用实践结果表明，具有较强的冲洗携带效果和优良的水泥浆性能，有效地提高了封固质量。

（4）提高顶替效率:合理选择循环与顶替排量，下套管前通井排量1.8～2m3/min，替浆排量2～2.5m3/min。在条件允许时，尽可能使环空返速达到1m/s以上；调整钻井液、水泥浆，尽可能达到最佳层流顶替的要求。

[1]屈建省，许树谦，郭小阳.特殊固井技术[M].北京：石油工业出版社，2006.

[2] 黄柏宗，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京:石油工业出版社，2001.

[3] 刘大为，田锡君，廖润康.现代固井技术[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，1994.

TE25

B

1004-5716(2016）11-0090-04

2015-12-08

2016-01-18

程国惺（1983-），男（汉族），甘肃酒泉人，工程师，现从事固井工程技术服务工作。