延長石油淺層大位移水平井固井技術(shù)

陶紅勝，王 濤，于小龍，李 偉，楊先倫（陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）

延長石油淺層大位移水平井固井技術(shù)

陶紅勝，王 濤，于小龍，李 偉，楊先倫
（陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）①

基于延長油田東部地區(qū)地質(zhì)條件和水平井鉆井狀況的認知，分析了延長淺層大位移水平井的固井難點。儲層溫度下水泥漿體系設(shè)計困難、垂深淺套管下入摩阻大、后期分段壓裂改造對固井質(zhì)量要求高是其面臨的突出難題。研發(fā)了低溫下強度20 M Pa以上的低溫微膨脹水泥漿體系，結(jié)合雙漂浮接箍、優(yōu)化扶正器組合等降摩減阻下套管技術(shù)，井眼準備、隔離液三級沖洗紊流頂替、漂浮頂替等一系列提高頂替效率措施，確保了延長首口淺層大位移水平井七平1井的順利施工，固井質(zhì)量良好。為延長油田進一步鉆大位移水平井開發(fā)淺層難動用資源提供了技術(shù)支撐。

淺層大位移；固井；水平井；扶正器；低溫水泥漿

由于水平井在低滲、特低滲油藏開發(fā)方面的巨大的優(yōu)勢［1-3］，延長油田于其東部延長組部署了一批淺層大位移水平井。該區(qū)域油藏低溫、低滲、埋深淺，水平井位垂比普遍大于2．0，采用分段壓裂方式增產(chǎn)使得固井過程存在諸多的難點。通過對延長石油淺層大位移水平井固井技術(shù)的研究和實踐，總結(jié)出了一套能夠滿足低滲、特低滲油田淺層開發(fā)的固井集成技術(shù)。

1 固井難點分析

1．1 套管下入困難

水平井段鉆具受力狀況導(dǎo)致水平井井眼呈橢圓形，大斜度井段和水平井段套管對井壁側(cè)向力大，因此下套管摩阻較大［4］。鄂爾多斯盆地地表溝壑叢生，受環(huán)保、水土流失等地面復(fù)雜條件限制導(dǎo)致水平井井眼軌跡復(fù)雜，延長油田東部淺層大位移水平井垂深淺（七平1井499 m）、水平位移大（1003 m），油層套管固井采用全井段139．7mm套管，依靠套管自重難以實現(xiàn)套管順利下入。根據(jù)計算和模擬結(jié)果，即使使用漂浮接箍和頂驅(qū)加壓仍然存在難以下入的風(fēng)險。

1．2 低溫下水泥漿體系設(shè)計困難

延長油田東部淺層延長組儲層溫度20～25℃，低溫下水泥漿流變性能差、稠化時間不易控制、早期強度發(fā)展慢、后期強度低，而超低滲開發(fā)采用壓裂技術(shù)人工增縫，垂深淺導(dǎo)致水平段壓裂沿套管方向開縫，需水泥漿有較高的抗壓強度。同時，水泥漿的析水、失水或稠化時間過長引起油氣水竄造成的水平段高邊水帶將嚴重影響壓裂的效果，甚至造成分段壓裂的失敗。目前低溫水泥漿的研究主要應(yīng)用于海上、表層或無需壓裂的淺層固井［5-10］，因此，研發(fā)適用于低溫下油層套管固井且能夠滿足壓裂需求的水泥漿體系是淺層大位移固井的難點之一。

1．3 扶正器設(shè)計困難

為提高固井質(zhì)量，保證套管居中，水平段及大斜度井段需加入大量扶正器。而扶正器的加入進一步加大了套管下入摩阻［11］，增加了套管遇阻的風(fēng)險。因此淺層大位移水平井固井套管下入摩阻大與套管居中需要大量扶正器矛盾突出。

1．4 壓裂改造對固井質(zhì)量要求高

除了低溫水泥漿，壓裂改造產(chǎn)生水平縫對水平段的固井質(zhì)量也提出了很高的要求。注水泥頂替效率低或界面微裂隙、旁通渠道將為氣液創(chuàng)造竄流通道，其通道的形成極易造成壓裂后裂縫無法向地層中延伸，無法在地層中獲取理想的壓裂縫網(wǎng)。

1．5 水平段U型軌跡對浮箍浮鞋要求高

延長東部淺層延長組油層變化快，間或夾層發(fā)育，砂巖單層厚度小。為了最大限度地發(fā)揮水平井的產(chǎn)能優(yōu)勢，水平段采用U型軌跡，極易因頂替完成后環(huán)空與管內(nèi)的壓差作用而發(fā)生水泥漿倒流［12］，造成水泥塞過長影響后期作業(yè)。而水平井磨塞難度較大且極易因工具反復(fù)沖擊引起水泥環(huán)微裂隙的產(chǎn)生，因此對浮箍浮鞋的單向阻流作用要求高。

2 延長淺層大位移水平井固井技術(shù)措施

2．1 低溫早強微膨脹水泥漿體系

根據(jù)淺層大位移水平井儲層低溫固井及壓裂改造的工程需要，水泥漿體系研究的核心是克服低溫下早期強度發(fā)展慢、后期強度低、外加劑發(fā)揮效果差的問題。因此，優(yōu)選應(yīng)用低溫下相互作用起效的早強劑M 52S、降失水劑M 83S與分散劑U SZ組合，同時加入膠結(jié)劑提高膠結(jié)強度以抵抗壓裂時壓力沿固井界面?zhèn)鬟f，此外加入防氣竄劑和少量膨脹劑以實現(xiàn)稠化短過渡和水泥石的微膨脹，防止水泥水化過程中失重和收縮引起的竄槽。

水泥漿體系的配方為：G級水泥＋2%微硅＋5．0%降失水劑M83S＋1%分散劑USZ＋2．0%膠結(jié)劑M 19S＋3%穩(wěn)定劑M59S＋2%膨脹劑QJ625 ＋2%鎖水劑＋1%防氣竄劑G502＋4%早強劑M 52S。體系的性能如表1，稠化曲線如圖1。由表1和圖1可以看出，該水泥漿體系在低溫下沉降穩(wěn)定性好、稠化時間適宜、過渡時間短，析水為0，失水僅為15 mL，抗壓強度高達25MPa以上，能夠滿足壓裂改造條件下的淺層水平井固井需求。

表1 低溫水泥漿體系性能

圖1 低溫水泥漿稠化曲線

2．2 降摩減阻下套管技術(shù)

2．2．1 雙漂浮接箍下套管

針對淺層大位移水平井套管難以下入的問題，運用Land mark對下套管過程中的摩阻進行分析，套管-套管之間的摩擦因數(shù)取0．25，套管-裸眼之間的摩擦因數(shù)根據(jù)鉆井過程中摩阻反演取0．4，以七平1井為例，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 常規(guī)下套管鉤載計算

由圖2可知，采用常規(guī)下套管方法，下套管過程中可能會產(chǎn)生螺旋屈曲，導(dǎo)致套管不能下至井底，因此采用漂浮下套管技術(shù)。對漂浮700 m下套管過程中的鉤載進行計算，計算結(jié)果如圖3所示。上述鉤載計算沒有考慮扶正器的附加摩阻，實際摩阻較上述計算值大，因此即使使用漂浮接箍仍然存在套管難以下入的風(fēng)險，而漂浮長度太長又易造成接箍以下套管于直井段承受浮力太大難以下入。因此采取雙漂浮接箍下套管，下漂浮接箍保證水平段全漂浮，上漂浮接箍處于直井段，上漂浮接箍以上灌重漿（密度大小根據(jù)實際需要設(shè)定），以提高直井段對下部套管的軸向壓力。經(jīng)計算，七平1井300m井段1．5g／cm3重漿（固井時鉆井液密度1．08 g／cm3）可附加軸向載荷1．5kN，結(jié)合以上模擬計算，套管可實現(xiàn)順利下入。套管下入完成后依次打開兩個接箍，通井循環(huán)。

圖3 漂浮下套管鉤載計算

同時，下套管前鉆井液里加入3%的塑料小球，提高完井鉆井液的潤滑性，確保生產(chǎn)套管順利下入。

2．2．2 優(yōu)化扶正器組合

采用滾輪扶正器可降低套管下入摩阻，變滑動摩擦為滾動摩擦，但其外徑較大，且存在少數(shù)滾輪受砂堵不能發(fā)揮滾動作用的風(fēng)險，在相對應(yīng)的井段反而增加了摩阻。因此，為了降低套管下入摩阻，同時又最大限度地保證套管居中，扶正器加法采用?210mm滾輪扶正器與?208mm半剛性扶正器交替組合的方式如圖4。圖4a為半鋼性扶正器，其棱條有一定彈性，中間有一定的間隙，加壓后可輕易通過縮徑井段。該組合方式可使外徑較大的滾輪扶正器接觸井眼底部以滑動方式向前推進，同時又有較小井徑的半剛性扶正器保證其套管居中度，將滾輪扶正器滾輪失效增大摩阻的風(fēng)險降低了50%。

圖4 半剛性和滾輪扶正器

2．3 彈簧球式浮箍浮鞋

水泥漿倒流引起的水泥塞過長將為水平井的后期施工帶來比較大的隱患。七平1井井眼軌跡為U型設(shè)計，水平段末端井斜角大于90°，常用的強制復(fù)位型浮箍浮鞋在反復(fù)沖擊下極易出現(xiàn)不同程度的失效，在環(huán)空水泥漿與管內(nèi)頂替液的壓差作用下引起水泥漿倒流。對于回水目前采取的方式就是憋壓候凝，而憋壓候凝引起的套管膨脹在泄壓后的收縮又會引起一界面微間隙的產(chǎn)生，影響固井質(zhì)量及壓裂效果。為此，在淺層大位移水平井固井中采用彈簧球式浮箍浮鞋［13］，如圖5所示。該工具發(fā)揮單向流作用的部件是有一定伸縮能力的彈簧和球體。當(dāng)循環(huán)或注水泥時球體壓縮彈簧向內(nèi)收縮，打開正向循環(huán)通道；當(dāng)候凝時壓差使得彈簧釋放壓縮，球體將通道堵死。該裝置的優(yōu)勢為即使彈簧失效，壓差仍能夠推動鋼球?qū)⒛媪魍ǖ雷猓乐顾酀{倒流。

圖5 彈簧球式浮箍

2．4 提高頂替效率措施

為提高注水泥過程中的頂替效率，主要有井眼準備、隔離液3級沖洗紊流頂替技術(shù)、漂浮頂替技術(shù)3種措施。

1）井眼準備技術(shù)。

固井前進行3次通井，完鉆后電測以前通井、循環(huán)；電測完用剛度大于套管串的鉆具通井，對起鉆遇阻、卡井段、縮徑段和井眼曲率變化大的井段反復(fù)劃眼或進行短起下；下套管前再次以較大排量洗井循環(huán)兩周以上［14］。通過以上3次通井，在保證井下安全的前提下，盡量降低鉆井液的黏度、切力和含砂量，提高注水泥時的頂替效率。

2） 隔離液3級沖洗紊流頂替。

為提高頂替效率，注水泥過程中采用先導(dǎo)漿、隔離液、沖洗液3級沖洗技術(shù)。先導(dǎo)漿是保留了鉆井液所有特性的特殊鉆井液［15］，能夠有效提高注水泥過程中鉆井液與水泥漿的相容性。先導(dǎo)漿兼顧鉆井液與隔離液的功效，能夠在防止井塌的同時發(fā)揮沖洗井壁、驅(qū)替原鉆井液的目的。先導(dǎo)漿與隔離液、沖洗液3級沖洗能夠在維持井壁穩(wěn)定的前提下增加前置液接觸時間，顯著提高1、2界面的沖洗效率。

延長水平井二開采用139．7mm套管與215．9mm井眼，根據(jù)計算要達到紊流頂替需2m3／min以上的施工排量，由此而附加的環(huán)空摩阻增大了低壓儲層的固井漏失風(fēng)險。因此設(shè)計隔離液密度在鉆井液和水泥漿之間，塑性黏度3～4 m Pas，動切力0．7～0．8Pa，根據(jù)計算1．2m3／min的排量即可實現(xiàn)隔離液的紊流有效頂替。

3） 漂浮頂替技術(shù)。

在管串結(jié)構(gòu)中使用浮鞋、雙浮箍三重阻流措施的前提下，在注水泥完成后使用清水頂替，加大套管內(nèi)外液體的密度差，以此增大水平段套管向上的浮力，達到一定的漂浮效果，提高套管居中度。

3 現(xiàn)場施工

七平1井是延長油田首口淺層大位移水平井，完鉆井深1 366m，垂深499m、水平位移1003m、水平段長723 m，鉆井軌跡為U型井眼。該井完鉆后通井多次遇阻，鉆具無法送達井底，依靠以上下套管技術(shù)實現(xiàn)了套管的順利下入，打開漂浮接箍后測套管懸重為0，證明了漂浮下套管的必要性。注水泥過程中注入先導(dǎo)漿6 m3，隔離液和沖洗液5 m3，以排量1．4 m3／min清水頂替，水泥漿返出井口，施工完成后回水?dāng)嗔?，開井候凝。依靠以上固井綜合技術(shù)，該井施工過程順利，固井質(zhì)量良好，水泥塞達到設(shè)計值。

4 結(jié)論

1） 所研發(fā)的低溫微膨脹水泥漿體系游離液為0、失水低、抗壓強度高、微膨脹、稠化過度時間短、能夠滿足淺層大位移水平井固井對水泥漿的要求。

2） 采用雙漂浮接箍和差異性外徑的半剛性、滾輪扶正器交替組合下套管能夠顯著降低套管下入摩阻。

3） 低溫微膨脹水泥漿、下套管技術(shù)、提高頂替效率措施等固井技術(shù)的綜合應(yīng)用為淺層大位移水平井分段壓裂提供了良好的井筒條件。

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Cement of Shaiiow Extended Reach Horizontai Weiiin Yanchang Oiifieid

TAOH ongsheng，WANG Tao，YU Xiaolong，LI Wei，YANG Xianlun
（Research Institute，Yanchang Petroleu m （Group）Co．，Ltd．，Xi’an710075，China）

Base on the geological conditions in eastern areas and the drilling records of horizontal well，the difficulties of cementing in shallow extended reach horizontal well have been analyzed．The pro minent problems are slurry，w hich is difficult to design under low reservoir tem perature，the shallow vertical depth cause the difficulties of running casing and later subsection fracturing on cementing quality requirements．In this paper，a kind of micro-expansion slurry w hose strength can reach above 20 M Pa under low tem perature has been developed．Double floating collar and op-timizing centralizer co m bination to reduce frictional drag of casing running，and a series of meas-ures to im prove the replacement efficiency have studied in the article．T he measures include the borehole preparation，three-stage flushing and floating turbulent displacement．T he above tech-nique to ensure the sm ooth construction of QiPing-1 wellis the first shallow extended reach hori-zontal wellin Yanchang oilfield．T he results provide technical support for the further exploitation of shallow difficult-to-produce reserves with horizontal well．

shallow extended reach well；cement；horizontal well；centralizer；low tem perature slurry

T E925．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．004

1001-3482（2015）06-0017-04

①2014-11-25

陶紅勝（1967-），男，河南焦作人，高級工程師，主要從事石油地質(zhì)和油田開發(fā)的研究工作，Email：taohongsheng1967＠163．com。