保障水平井固井质量综合技术初探

辛 荣

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江 大庆 163411）

随着国内页岩油气等非常规资源的规模化勘探开发，之前依靠常规钻完井技术难以动用的储量，目前正以“长水平段水平井+体积压裂”的方式进行有效的开发，推动着水平井钻完井技术的日趋完善与进步。由于水平井固井的特殊性，固井质量一直较难以保障。而非常规资源普遍需要进行大规模的体积压裂，这对水平段套管的固井质量提出了更高的要求。因此如何提高水平井固井质量这一长期存在的课题正面临更为艰巨的挑战。

1 水平井固井主要技术难点

水平井尤其是长水平段页岩油气水平井，水平段井壁稳定性较差，在水平段钻进期间由于井下压力的波动、泥浆性能的变化、甚至钻具的划刮都易引起井壁失稳剥落掉块造成井眼憋堵；快速钻进时产生的大量岩屑难以充分返出，由于重力的作用易在大斜度井段和水平井段发生沉降，产生岩屑床，不但导致钻进时托压、钻井扭矩增大，而且不利于后期的下套管固井作业。因此如何保证井壁的相对稳定，防止剥落掉块、有效的处理岩屑床，为后期完井作业提供稳定、畅通的井眼是关键。

水平井固井存在的共性难点主要有：

（1）套管顺利下入预定位置并保持居中困难。由于钻具组合特点、地层倾角变化、定向工程师技术水平等因素的影响，造斜段及水平段井眼轨迹的平滑程度可能并不理想，严重时甚至会产生波浪形井眼。再叠加岩屑床以及井壁不规则的影响，随着套管串在水平段井眼的不断延伸，下入阻力会越来越大，下入速度越来越慢。以至于后期依靠套管串自重已不能下入而不得不采取顶驱下压的方式下入，甚至有套管不能全部下入的情况发生，造成损失部分井段。

另一方面，为了保证套管居中度普遍会加密配置套管扶正器，大量的扶正器在套管下入过程中也会在一定程度上增加下套管阻力。一些页岩油水平井油层套管串扶正器普遍采用造斜点以下每根套管加放一支整体式弹性扶正器，造斜点以上每两根套管加放一支整体式弹性扶正器的方案。

（2）提高顶替钻井液效率难度大。页岩油气水平段井眼井壁稳定性差，易受井下压力的扰动而失稳，因此施工过程中必须谨慎。有部分井在完钻通井环节由于开泵过快发生憋压，造成井壁失稳或者漏失，这一情况给后期施工带来了较大不确定性，在固井环节不得不采取相对保守的施工措施，采取限压限排量的方式，这样就在一定程度上限制了顶替效率的提升。

而且水平段井眼环空顶替本身就易发生“指进效应”，水平段越长，“指进效应”越显著[1]，导致冲洗顶替效果差；另一方面在斜井段及水平段钻进时形成的岩屑床以及在井眼低边形成的钻井液固相沉降，更加难以顶替干净[2]，从而破坏了固井水泥环的完整性。

（3）水平段固井水泥环密封性差。水泥浆自身稳定性差或者入井水泥浆密度太低造成水泥浆整体性能差，在水平段井眼上侧形成了自由水槽，这将严重影响水泥环的密封性能，直接影响后期压裂方案的制定和压裂效果。

2 针对性技术手段

2.1 漂浮下套管及套管居中技术

下套管前的井眼准备工作是关键环节。要制定切实可行的通井方案，一般要求采用双螺扶且大于套管串刚度的钻具组合进行通井。并且要尽量的细化技术措施，包括通井钻具组合的确定、遇阻吨位达到多少必须进行划眼处理、给定合理的划眼参数等，总之通井工作要细致入微，目的是确保井眼畅通。通井到底后大排量（32L/s以上，根据井眼条件确定）循环洗井3周以上，同时在起钻前要调整好钻井液性能，降低钻井液的粘切并提高其润滑性，以减小套管串下入摩阻。

（1）漂浮下套管技术。漂浮下套管技术目前已经发展成为一种成熟的下套管技术，在国内各大油田普遍应用。其原理是通过在套管串中加入漂浮短接，在其与浮鞋之间注入空气或低密度介质，利用浮力来减小套管下入阻力。根据实钻井眼情况及钻井液密度等参数来确定漂浮短接数量及加放位置；在套管顺利下到设计位置后，通过钻井泵加压破碎漂浮短接盲板，重新建立循环。这项技术有其局限性，即如果下套管中途遇阻不得不循环钻井液时，就需要将漂浮短接盲板破碎建立循环，导致其提前失效。

（2）扶正器加放方案。水平井完钻后，依据实钻井眼轨迹进行下套管摩阻和套管居中度计算，并结合通井情况制定合理可行的套管扶正器加放方案。一般优选强度大、摩擦系数较低的整体式弹性扶正器，也可在管串适当位置加放滚轮扶正器以进一步降低下入摩阻。原则上水平段、造斜段要每根套管加放一只扶正器，保证套管居中度不小于70%。

2.2 冲洗隔离一体化高效前置液体系

该前置液体系的特性是一体双效，实现有效隔离和高效冲洗。防止水泥浆与钻井液的接触污染，并有效清除套管外壁及井壁处的虚泥饼，从而为水泥浆的胶结创造有利条件。

该体系具有以下特性：①强力去油污能力，实现界面润湿反转；②在较大的密度范围内均能表现出优异的悬浮稳定性能；③可对前置液的流变性能进行优化设计以适应具体的施工条件；④该体系与水泥浆，油、水基泥浆相容性良好，保证施工安全。

2.3 零游离液微膨胀水泥浆体系

综合性能良好的水泥浆体系是保障水平井固井质量的重要条件。针对非常规水平井固井特点，开发出了一种具有零游离液、低失水量、微膨胀特性的水泥浆体系。

（1）水泥浆体系的组成和作用机理。该水泥浆体系由降失水剂、游离液抑制剂、膨胀剂等外加剂组成。其作用机理如下：

降失水剂为高分子水溶性聚合物，其分子链上的极性基团可吸附于水泥颗粒表面，形成结构紧密的滤饼，可降低渗透率和滤失量。

游离液抑制剂是一种线性高分子聚合物，其表面的大量活性基团可在溶液中通过氢键作用形成胶状聚集，能够楔入水泥颗粒间的孔隙水，提高孔隙水的粘滞性，抑制游离液的产生。另外，这些极性基团能形成空间网状结构，使水泥浆具有良好的稳定性。

选用的膨胀剂是一种经处理活化的非金属矿物材料，可在塑性条件下与水泥的水化产物发生反应，加快水泥浆的塑性强度发展。在水泥浆硬化后，其膨胀性的发展来自于反应产物晶体的生长压。这一压力迫使相邻颗粒发生位移，引起水泥石体积膨胀。

（2）水泥浆体系性能检测。

①游离液试验检测：为了避免水泥浆在水平段和造斜段发生析水形成连通性水窜槽，需要有效控制水泥浆游离液。将不同水灰比的水泥浆体系在不同温度、压力条件下混配，再置入250mL 量筒内，将其在不同的倾角下分别于76℃、95℃恒温条件下静置2h，测定游离液，结果见表1。

表1 不同水泥浆体系在各种状态下的游离液

从表1可以看出：首先该水泥浆体系在水灰比0.44、0.55的情况下，在不同倾角下的游离液均为零，可避免水泥浆候凝期间水窜槽的产生。其次该水泥浆体系的游离液受温度影响较小，说明具有较出色的抗温能力。

②静失水试验检测：水泥浆在井下压差作用下产生的滤液进入地层，不但会引起水泥浆体积的减小，造成水泥浆流动性变差，严重者可导致固井施工失败；叠加水泥浆凝固产生的体积收缩，可能引起微环隙，严重时导致窜流；因此必须有效减小水泥浆的失水。

试验表明（见表2）：该水泥浆体系失水量均小于20mL/30min/6.9MPa。

表2 水泥浆体系在不同温度下的失水量

③稠化时间试验检测：从图1 中可知，该水泥浆体系稠化时间实验曲线接近直角，过渡时间短，具有较好的抗窜能力。

图1 稠化时间实验曲线

④膨胀性能试验检测：从表3 可以看出，该水泥浆体系具有较高的抗压强度、界面强度以及连续的膨胀性。

表3 水泥浆体系的膨胀性能及强度对比表

2.4 无固相加重顶替液

在固井作业中的顶替环节，顶替液的密度、固相含量、流变性等因素会直接影响到顶替效率及测井作业的一次成功率。使用清水或者泥浆进行顶替的缺点与不足有：①稳定性较差的泥浆易发生固相颗粒沉淀导致后期测井遇阻；②采用清水顶替，导致替压高，排量受限，顶替效率较低[2]。应用无固相加重顶替液可以应对此类问题。

无固相加重顶替液由复合盐加重剂、缓蚀剂等组成。该体系具有适应密度范围广（1.00～1.41g/cm3），最高抗温150℃，可有效降低替压4.0MPa/km（与清水相比）。

3 现场应用情况

综合运用以上固井技术手段，在油田内中浅层水平井、致密油水平井及部分页岩油水平井中开展现场试验27 口井，水平段长度分布在780～2100m 范围内，均成功实现了套管一次下入预定位置；使用最新设计软件进行套管居中度设计，确定扶正器加放方案，保证套管居中度达到70%以上。

针对不同施工条件配制的高效一体式前置液体系可按设计实现紊流或塞流顶替，最大程度地提高冲洗顶替效果。无固相顶替液的应用可平均降低顶替压力4～9MPa，有效保障了顶替后期的施工排量。

统计的27 口水平井水平段固井优质率达到74.6%，较前期提高约18%，取得了很好的应用效果。

4 结论

（1）井眼轨迹的平滑、井眼的稳定畅通是确保水平井完井作业成功率的关键，下套管前的井眼准备工作要细致入微，为后期完井作业创造有利条件。

（2）提高顶替效率要首先降低钻井液的粘切，使其易驱替，再从提高套管居中度、优化浆柱结构、创造大排量顶替条件等多方面综合考虑。

（3）水泥浆的微膨胀特性可以封闭窜槽成长空间、有效提高固井二界面强度，有利于保证水泥环完整性和井筒密封性。