長(zhǎng)水平段水平井固井技術(shù)探討

劉華祺

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

水平井鉆井技術(shù)是高效開(kāi)發(fā)低滲薄層油（氣）藏的最佳技術(shù)手段。隨著江漢油田勘探開(kāi)發(fā)力度的進(jìn)一步加大，近兩年開(kāi)始逐步開(kāi)展低孔、低滲巖性油（氣）藏水平井開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)性研究，為了提高單井產(chǎn)能，擴(kuò)大油層的泄油面積，增加了水平段在油層中的穿行長(zhǎng)度，加大了固井的難度。因此，系統(tǒng)分析影響水平井固井質(zhì)量的各種因素，研究和探討長(zhǎng)水平段水平井固井技術(shù)，對(duì)于提高水平井固井質(zhì)量有著十分重要的意義。

1 影響水平井固井質(zhì)量的因素和難點(diǎn)

1）套管下入困難。由于水平段長(zhǎng)，造斜率高，在大斜度井段和水平井段套管對(duì)井壁的側(cè)壓力很大，從而大大增加了下套管摩擦阻力，使套管很難順利下至預(yù)定位置，尤其是較淺的水平井更為突出。

2）水泥漿頂替效率低。套管受自重作用會(huì)使水平段上下環(huán)空間隙不一樣，這樣相應(yīng)增大高邊寬環(huán)空間隙臨界紊流頂替排量，施工時(shí)出現(xiàn)層流頂替現(xiàn)象；低邊窄環(huán)空間隙中巖屑與虛泥餅含量高，相應(yīng)增大循環(huán)摩阻。因此在斜井段和水平段套管居中降低，直接影響水泥漿頂替效率。

3）泥漿中混有原油或油基泥漿影響水泥膠結(jié)質(zhì)量。在造斜和水平段鉆進(jìn)時(shí)，為了提高泥漿潤(rùn)滑性，泥漿中混入10% 左右原油，這樣在井壁和套管壁形成油膜，由于原油的疏水性，水泥漿凝固后在第一、二膠結(jié)面形成微環(huán)隙，從而影響水泥石與井壁和套管壁的界面膠結(jié)質(zhì)量。油基泥漿的使用使這一問(wèn)題顯得更加突出。

4）水泥漿性能影響固井質(zhì)量。水平井固井時(shí)對(duì)水泥漿性能要求最為苛刻。水泥漿穩(wěn)定性差或析水量大，水泥顆粒會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，致使斜井段或水平段高邊形成水帶，影響水泥石與井壁膠結(jié)質(zhì)量；水平段井眼軌跡在凝析油氣層中，候凝時(shí)油氣竄入水泥漿影響水泥石結(jié)構(gòu)；常規(guī)水泥漿凝固后會(huì)出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象，致使水泥石與井壁和套管壁形成間隙，從而影響第一、二膠結(jié)面固井質(zhì)量。

5）水泥石脆性影響油氣開(kāi)發(fā)。常規(guī)水泥石最大特點(diǎn)是脆性大，射孔沖擊會(huì)使水泥石產(chǎn)生裂縫，將底水與油氣層溝通，油氣生產(chǎn)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)底水錐進(jìn)現(xiàn)象，從而影響油氣正常生產(chǎn)。

2 水平井固井技術(shù)問(wèn)題探討

2.1 水平井套管安全下入問(wèn)題

套管安全下入是長(zhǎng)水平段水平井一個(gè)最主要的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)、外各研究單位及院校有關(guān)此方面的研究很多，考慮也比較全面。綜合來(lái)說(shuō)，影響套管安全下入的主要因素有:

1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。井眼軌跡、地層特性、復(fù)雜地層封固、井眼控制的難易程度、井眼和套管尺寸配合等；

2）套管柱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的套管允許下入的最小曲率半徑能否滿足井眼的曲率，套管柱強(qiáng)度、安全系數(shù)等；

3）實(shí)鉆井眼控制及規(guī)則程度（大狗腿角、糖葫蘆井眼）；

4）下套管的摩擦阻力計(jì)算；

5）井眼干凈程度、鉆井液攜沙能力、井壁的穩(wěn)定性等。

2.1.1 井眼準(zhǔn)備

1）下套管前，認(rèn)真進(jìn)行通井和模擬通井，凈化井眼和鉆井液，保持良好的泥漿性能；

2）通井下鉆過(guò)程中分段大排量循環(huán)，循環(huán)過(guò)程中要活動(dòng)管柱，結(jié)合短起下鉆破環(huán)巖屑修整井壁，使井眼更規(guī)則，以振動(dòng)篩面無(wú)砂子為原則；

3）起鉆前調(diào)整好鉆井液性能，在斜井段和水平段注入潤(rùn)滑泥漿；

4）嚴(yán)禁固井前鉆井液密度低于完鉆鉆井液密度，控制油氣上竄速度小于15m／h；

5）下套管時(shí)加密灌漿頻率，禁止長(zhǎng)時(shí)間禁止；

6）下完套管后，以不小于正常鉆進(jìn)時(shí)環(huán)空返速的排量至少洗井兩周，鉆井液性能達(dá)到固井施工要求，在8h內(nèi)必須進(jìn)行注水泥施工作業(yè)。

2.1.2 套管安全下入校核

全角變化率很大的井眼內(nèi)，套管能否順利通過(guò)首先取決于套管管體允許的彎曲半徑應(yīng)小于井眼實(shí)際的彎曲半徑。

鉆井中套管管體允許的半徑為:

式中:R－允許的套管彎曲半徑（cm）；E－鋼材彈性模量（206×106kPa）；D－套管的外徑（cm）；Yp－鋼材的屈服極限（kPa）；K1－抗彎安全系數(shù)（推薦 K1＝1.8）；K2－螺紋連接處的安全系數(shù)（推薦K2＝3）。

井眼彎曲半徑:

式中:R0－ 井眼曲率半徑，（m）；K0－ 井眼曲率，（0／100mm）。

當(dāng)套管允許曲率半徑R小于井眼的曲率半徑即能下入井內(nèi)。

2.1.3 摩阻校核

當(dāng)套管下行的驅(qū)動(dòng)力大于套管對(duì)井壁的摩擦力時(shí)，套管才能順利下入。

1）摩擦力的確定。通井鉆具對(duì)井壁的摩擦力F等于管柱對(duì)井壁的法向合力P乘以摩阻系數(shù)μ，即:F＝μP。

浮重的法向分力:

式中:P－為水平井段浮重的法向分力（kN）；L－為水平井段在水平面上的投影長(zhǎng)度（m）；Q－為鉆具單位質(zhì)量（N／m）；B－為浮力系數(shù)。

2）模擬計(jì)算。運(yùn)用模擬軟件對(duì)下套管進(jìn)行模擬計(jì)算，確保套管順利下入。目前這方面的軟件很多，我們主要運(yùn)用的是蘭德馬克軟件，但每口井的井下情況不同，應(yīng)在軟件模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)單井情況進(jìn)行具體分析。

2.1.4 漂浮下套管技術(shù)

在長(zhǎng)水平段水平井固井中，為保證套管的安全下入，國(guó)內(nèi)、外目前采取較多的下套管輔助措施，主要是應(yīng)用漂浮下套管技術(shù)，來(lái)有效減少大斜度井段的摩擦阻力，以保證套管的安全下入。漂浮下套管技術(shù)主要體現(xiàn)在兩方面:

1）采用漂浮接箍，使下部管串在下套管過(guò)程中處于漂浮狀態(tài)，降低套管對(duì)井眼低邊正壓力，從而減小了下套管時(shí)的摩擦阻力。

2）下套管灌漿過(guò)程中，在大斜度和水平井段灌入密度低的液體，如清水，盡量提高環(huán)空鉆井液與套管內(nèi)該段流體的密度差，增加其浮力，從而降低摩阻。

2.1.5 套管加壓裝置的使用

使用套管加壓裝置，通過(guò)套管頂部加壓，為套管下行提供額外的驅(qū)動(dòng)力。

2.2 提高套管居中度技術(shù)方法

套管居中是提高固井質(zhì)量的前提和基本措施之一，水泥漿最佳頂替流態(tài)為紊流，研究表明水泥漿在同心環(huán)空中的頂替是非常均勻的，而套管偏心是注水泥時(shí)鉆井液竄槽的主要原因，偏心環(huán)形空間液體的流速、流量及流態(tài)在不同間隙處將發(fā)生變化，而臨界紊流排量隨套管偏心度增加而增大，當(dāng)套管居中度由100% 下降至67%和50%時(shí)，套管環(huán)空紊流頂替排量分別增加l倍和3倍。大量實(shí)驗(yàn)證明，保證環(huán)空鉆井液被有效頂替，套管居中度應(yīng)等于或大于67%。當(dāng)小于67% 時(shí)，鉆井液驅(qū)替難度會(huì)大大增加。道威爾－斯倫貝謝公司提出，套管居中度大于70% ，套管與井眼間隙25.4mm～37.1mm頂替效率將會(huì)更高。因此為降低水泥漿紊流頂替臨界排量，提高水泥漿頂替效率，需提高套管居中度。

2.2.1 扶正器安放

套管扶正器是提高套管居中度的唯一可靠方法，通過(guò)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，確定扶正器的下入位置。長(zhǎng)水平段水平井要求扶正器有足夠的支撐力和一定的彈性形變能力。目前在長(zhǎng)水平段水平井使用的扶正器主要有整體式雙弓彈性扶正器和剛性樹(shù)脂旋流扶正器（見(jiàn)圖1，2）。

圖1 雙弓彈性扶正器

圖2 剛性樹(shù)脂旋流扶正器

2.2.2 增加套管在井眼中的浮力效應(yīng)

在大斜度和水平井段，套管在自重作用下往往靠近井壁下側(cè)，因此，在替漿過(guò)程中，在大斜度和水平井段替入密度低的液體，如清水或者柴油作為替漿液，盡量提高環(huán)空鉆井液與套管內(nèi)該段流體的密度差，增加其浮力，幫助套管扶正居中，從而提高其頂替效應(yīng)。

2.3 固井前的井壁清洗

在水平井鉆井過(guò)程中，為了順利鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深和順利下套管，在鉆井液中往往要加入原油，使固井前井壁和套管壁上粘附有一層油漿、油膜，它將導(dǎo)致水泥環(huán)界面膠結(jié)性能較差。室內(nèi)試驗(yàn)表明，這種情況下水泥石的界面膠結(jié)強(qiáng)度近似為零，嚴(yán)重地影響固井質(zhì)量及油田的勘探開(kāi)發(fā)。因此，注水泥前必須采用合理的沖洗液，乳化、沖洗、攜帶粘附在井下環(huán)空界面上的油漿、油膜，并改善井壁、管壁的親水性。

目前，主要采用的方法是多層次驅(qū)替，以化學(xué)型驅(qū)油劑清洗井壁為主，通過(guò)增加沖洗液與井壁的接觸時(shí)間，改變沖洗流態(tài)來(lái)達(dá)到提高沖洗效果的目的。具體方法為:先導(dǎo)漿＋高效驅(qū)油型沖洗液＋隔離液＋沖洗領(lǐng)漿，使沖洗液與井壁的紊流接觸時(shí)間達(dá)到10min以上。

2.4 固井水泥漿體系

固井水泥漿體系有以下主要技術(shù)要求:

1）水泥漿的自由水（析水）為零。測(cè)定用于大位移水平井固井水泥漿的自由水，應(yīng)將配制水泥漿先在井下循環(huán)溫度條件下預(yù)制后，再置于測(cè)試量筒中，并傾斜至實(shí)際井下井斜角或45°，測(cè)定其自由水量，嚴(yán)格控制到零。這樣，可以有效的防止大位移水平井高邊出現(xiàn)自由水帶竄槽。

2）具有良好的穩(wěn)定性。要求水泥石上下密度差 ＜0.03g／cm，否則在大斜度井段或水平井段的垂直剖面上易形成上稀下稠，井眼高邊強(qiáng)度偏低，滲透性偏高的水泥封隔截面，易產(chǎn)生高滲透性封隔帶竄槽。

3）API失水≤50ml／30min；在大位移水平井中，油氣層裸眼段長(zhǎng)，水泥漿與油層接觸面積大，由于水泥漿失水，不僅會(huì)加大油氣層污染，而且會(huì)導(dǎo)致水泥漿變稠，流動(dòng)阻力增大，泵壓異常。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制水泥漿失水，要求水泥漿API失水量 ＜50ml。

4）水泥石具有一定的抗沖擊韌性。水平井套管難于居中，往往存在偏向于井眼低邊，則此時(shí)的低邊水泥環(huán)較薄，在后續(xù)各種工況作業(yè)時(shí)易于導(dǎo)致其碎裂。因此，提高用于封固長(zhǎng)水平段水平井固井水泥漿體系水泥石的抗沖擊韌性，有利于提高油氣井在大斜度及水平井段的封隔完整性和正常生產(chǎn)壽命。

5）具有一定的微膨脹特性。用微膨脹水泥漿體系封固長(zhǎng)水平段水平井，有利于有效封隔地層，防止層間竄流。

6）水泥漿具有防竄性能。由于井斜角大，在水泥漿凝結(jié)過(guò)程中，容易形成較大的自由水和產(chǎn)生體系沉降，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。

7）為防止頂替時(shí)水平段發(fā)生竄槽，一般要求水泥漿初始稠度在15Pa左右。

2.5 油氣層壓穩(wěn)問(wèn)題

1）環(huán)空蹩壓。根據(jù)水泥漿膠凝失重后的液柱壓力與油氣層地層壓力計(jì)算環(huán)空蹩壓壓力，確保壓穩(wěn)油氣層。

2）地層提承壓。根據(jù)水泥漿液柱壓力和環(huán)空蹩壓壓力計(jì)算環(huán)空當(dāng)量密度，并進(jìn)行提承壓，確保固井施工不會(huì)發(fā)生漏失。

3）特殊套管附件。通過(guò)使用特殊套管附件（如封隔器等 ），封隔活躍地層，確保固井質(zhì)量。

3 結(jié)論及建議

1）長(zhǎng)水平段水平井下套管作業(yè)困難，且風(fēng)險(xiǎn)大，實(shí)施作業(yè)前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作。

2）良好的井眼軌跡和固井前模擬通井是套管安全下入的前提，應(yīng)足夠重視。

3）泥漿性能、泥餅質(zhì)量對(duì)于下套管作業(yè)至關(guān)重要。

4）提高套管居中度和水泥漿頂替效率是提高固井質(zhì)量的前提和基本措施之一，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。

［1］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.