玉門(mén)油田水平井固井技術(shù)

馮望生，田群山，杜　江，梁興平，滕兆健

（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451；2. 西部鉆探國(guó)際鉆井公司，甘肅酒泉735200）

玉門(mén)油田水平井固井技術(shù)

馮望生1，田群山2，杜江2，梁興平2，滕兆健1

（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451；2. 西部鉆探國(guó)際鉆井公司，甘肅酒泉735200）

馮望生等.玉門(mén)油田水平井固井技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：98-102.

針對(duì)玉門(mén)油田水平井開(kāi)發(fā)、多級(jí)壓裂的作業(yè)特點(diǎn)，以建立長(zhǎng)期有效的層間封隔為目標(biāo)，通過(guò)開(kāi)展固井材料、水泥環(huán)失效分析和固井工藝技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了驅(qū)油前置液、增韌防竄水泥漿、水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)等固井技術(shù)。通過(guò)工藝配套和材料集成，形成玉門(mén)油田水平井開(kāi)發(fā)固井技術(shù)。2015年以來(lái)，在玉門(mén)油田完成全部水平井固井應(yīng)用7井次，固井一次合格率為100%，優(yōu)質(zhì)井4口。已投產(chǎn)的3口水平井，壓裂后平均含水率在30%以下，比同區(qū)塊的井位明顯降低。該技術(shù)還在玉門(mén)油田小間隙固井推廣使用8井次，固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了75%。水平井固井技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果，該項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

驅(qū)油前置液；增韌防竄水泥漿；水泥環(huán)完整性；水平井固井；小間隙

0　引言

玉門(mén)油田提出以水平井規(guī)模應(yīng)用為技術(shù)手段，重新部署適合目前油水規(guī)律分布的注采井網(wǎng)，并配套先進(jìn)的技術(shù)手段，最大限度地增加產(chǎn)油量。水平井多級(jí)體積壓裂的開(kāi)發(fā)方式，給固井提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：①水平井井眼軌跡復(fù)雜，下套管遇阻風(fēng)險(xiǎn)高；②鉆井容易形成鉆井液槽，發(fā)生固屑沉床，管柱居中度低，提高頂替效率困難；③鉆井過(guò)程中為降低運(yùn)動(dòng)阻力，常用油基或混油鉆井液體系，油膜附著影響界面膠結(jié)質(zhì)量；④先注后采，地層原始?jí)毫Ρ黄茐?，個(gè)別區(qū)域存在油水同層現(xiàn)象，注水后油氣水相當(dāng)活躍，增大了油氣水竄的幾率和固井難度；⑤水平井后期投產(chǎn)要進(jìn)行大規(guī)模多級(jí)壓裂改造，水泥環(huán)易開(kāi)裂，對(duì)井筒完整性要求高。

2015年以前玉門(mén)油田水平井固井采用清水作為沖洗液，清水對(duì)固井壁面的清洗、潤(rùn)濕、滲透、乳化、反轉(zhuǎn)效果不佳，直接影響了水泥石的界面膠結(jié)，固井質(zhì)量較差；水泥漿體系則采用PVA成膜類(lèi)降失水劑，這種水泥漿體系開(kāi)發(fā)時(shí)間較早，防竄效果一般、韌性不好。水平井酸化壓裂后，出水率很高，水平井投產(chǎn)效果不好，原固井技術(shù)已經(jīng)制約了油田的發(fā)展。為了提高水平井固井質(zhì)量，達(dá)到水平井開(kāi)發(fā)增產(chǎn)的主要目的，針對(duì)水平井開(kāi)發(fā)多級(jí)壓裂的特點(diǎn)，以建立長(zhǎng)期有效的層間封隔為目標(biāo)，通過(guò)開(kāi)展固井材料、水泥環(huán)失效分析和固井工藝技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了驅(qū)油前置液、增韌防竄水泥漿、水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)等固井技術(shù)，通過(guò)工藝配套和材料集成，形成玉門(mén)油田水平井開(kāi)發(fā)固井技術(shù)，滿(mǎn)足水平井油氣開(kāi)發(fā)作業(yè)的需要［1］。

1　水平井固井技術(shù)

1.1增韌防竄固井水泥漿體系研究

為滿(mǎn)足水平井固井對(duì)水泥漿和水泥石力學(xué)性能的要求，綜合膠乳［2-3］、不滲透聚合物防竄原理和水泥石改性?xún)?yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了BCG-300S油井水泥用增韌防竄聚合物粉體樹(shù)脂［4］。BCG-300S可再分散于水中，與水泥形成良好的顆粒級(jí)配，降低濾餅滲透率，同時(shí)成膜溫度低，聚合物材料在壓差作用下，形成耐溫能力強(qiáng)、耐鹽性好的致密封隔層或抑制滲透的聚合物膜，防止油氣水竄。另一方面當(dāng)受到外部沖擊時(shí)水泥石中聚合物薄膜可以分散一定的應(yīng)力，增加了水泥石的變形能力，從而改善水泥石的韌性。

配套粉體降失水劑BCF-200S、粉體緩凝劑BCR-210S，使該體系材料全部實(shí)現(xiàn)粉體化，解決了不同材料的配伍性問(wèn)題。在保證良好的流變性的前提下，各材料相互協(xié)同，大大提高水泥漿的基體抗侵能力，模擬井下水侵試驗(yàn)（增大水灰比）表明，水泥漿體系在發(fā)生水侵（水灰比增加14%）時(shí)仍可保證很好的漿體穩(wěn)定性和較高的強(qiáng)度，滿(mǎn)足水平井固井零析水、防竄、增韌、微膨脹、低失水的性能要求。通過(guò)圖1可以看出，增韌防竄水泥漿體中的C—S—H凝膠表面覆蓋了一層聚合物薄膜。

圖1　增韌防竄水泥漿掃描電鏡圖

1.1.1水泥漿韌性評(píng)價(jià)

目前常用測(cè)定水泥石彈性模量的方法為三軸實(shí)驗(yàn)法。首先配制不同BCG-300S摻量的水泥漿，將水泥漿倒入模具中，在80 ℃、20 MPa下養(yǎng)護(hù)7 d，然后在0、5、10 MPa的圍壓下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在圍壓10 MPa下，摻有4.5%BCG-300S水泥石彈性模量降低5%以上；摻有7.5%BCG-300S水泥石彈性模量降低12%以上。隨BCG-300S摻量的增加，水泥石彈性模量逐漸降低，說(shuō)明隨著增韌防竄劑摻量的增加，水泥石形變能力增強(qiáng)，韌性有所改善。

表1　BCG-300S水泥石彈性模量性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)圖2～圖4的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圍壓為10 MPa），也可明顯發(fā)現(xiàn)，隨著B(niǎo)CG-300S摻量的增加，水泥石的韌性得到逐步改善。

圖2　凈漿水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3　摻有4.5%BCG-300S水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4　摻有7.5%BCG-300S水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.1.2水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5504.5—2010［5］，利用水泥漿竄流分析儀器，在80 ℃下進(jìn)行了水泥漿防竄實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)竄壓差為2.8 MPa），結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　摻有BCG-300S的水泥漿防竄實(shí)驗(yàn)結(jié)果

防竄實(shí)驗(yàn)表明，BCG-300S摻量在3.0%以上時(shí)，水泥漿即具有良好的防竄性能。

1.2驅(qū)油前置液

水平井鉆井過(guò)程中，常用油基或混油鉆井液體系，其中的油膜附著在井壁及套管壁上很難清洗干凈，影響界面膠結(jié)質(zhì)量。為了提高驅(qū)油效果，利用表面活性劑潤(rùn)濕、滲透、乳化、反轉(zhuǎn)等作用原理，開(kāi)發(fā)了驅(qū)油型BCS-110L沖洗液體系。沖洗液BCS-110L基本組成為陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑及配套沖洗助劑。陰離子表面活性劑具有很強(qiáng)的潤(rùn)濕滲透和清洗功能，非離子表面活性劑對(duì)油性滯留物的去污力強(qiáng)，能有效攜帶井壁界面虛濾餅及膠凝稠化鉆井液。沖洗液可以改善鉆井液流動(dòng)狀態(tài)，使井壁附著物易于清除，提高頂替效率。

BCS-110L沖洗液不同于一般的沖洗液，可以使油相界面反轉(zhuǎn)，井筒親油界面反轉(zhuǎn)為親水界面。用不同濃度的沖洗液浸泡親油金屬片，然后測(cè)定接觸角的變化來(lái)表征界面反轉(zhuǎn)的程度，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，隨著沖洗液濃度的增加，蒸餾水親油金屬片表面接觸角逐漸變小，當(dāng)摻量大于5%時(shí)完全鋪展（接觸角為0°），使親油金屬片表面具有良好的親水能力。因此，當(dāng)濃度超過(guò)10%時(shí)，沖洗液對(duì)油基鉆井液的沖洗效率達(dá)到90%，接近白油的沖洗效率。合理設(shè)計(jì)沖洗液段長(zhǎng)的液體結(jié)構(gòu)，油基鉆井液沖洗效率達(dá)到95%以上。

表3　沖洗效率和接觸角對(duì)比（20 ℃）

驅(qū)油沖洗液是實(shí)現(xiàn)油基鉆井液高效頂替的前提。影響頂替效率的因素主要?dú)w納為井身質(zhì)量、鉆井液性能、套管居中度、固井液和頂替液性能、頂替工藝參數(shù)等幾個(gè)方面。模擬頂替分析，套管居中是影響水平井頂替效率的關(guān)鍵因素。因此以套管扶正為核心，合理設(shè)計(jì)驅(qū)油前置液方案，結(jié)合模擬頂替技術(shù)，優(yōu)化流體流變參數(shù)和施工參數(shù)，提高頂替效率，能為界面完整性奠定基礎(chǔ)。

1.3水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)技術(shù)

通過(guò)分析水泥環(huán)井下受力情況，建立水泥環(huán)應(yīng)力分析力學(xué)模型，定量評(píng)價(jià)不同水泥石在井下的完整性，提出給定井況下水泥石力學(xué)性能指標(biāo)要求，是保證油氣井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)［7］。

基于彈性力學(xué)理論建立地層-水泥環(huán)-套管系統(tǒng)二維平面應(yīng)變模型，采用巖石力學(xué)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則判斷水泥環(huán)剪切破壞、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判斷水泥環(huán)拉伸破壞，位移耦合原理判斷界面完整性，建立完整的水泥環(huán)失效評(píng)價(jià)模型，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：程序通過(guò)文本輸入地層-水泥環(huán)-套管系統(tǒng)幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)及井下載荷條件，判斷給定水泥環(huán)在井下界面的完整性；程序通過(guò)文本輸入地層-水泥環(huán)-套管系統(tǒng)幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)及井下載荷條件，判斷給定水泥環(huán)基體完整性。對(duì)于特定井況、地質(zhì)條件和開(kāi)發(fā)方式，通過(guò)水泥環(huán)完整性分析，提出水泥石力學(xué)性能指標(biāo)要求，為水平井固井水泥漿方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，圖5、圖6為水泥石彈性模量和泊松比變化對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的要求。

圖5　楊氏模量和泊松比變化對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的要求

圖6　楊氏模量和泊松比變化對(duì)水泥石抗拉強(qiáng)度的要求

2　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2.1增韌防竄水泥漿體系

以水平井固井對(duì)水泥漿性能要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，并考慮到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)等因素，外加劑組成全部為粉體化材料，水泥漿基礎(chǔ)配方組成如下。增韌防竄水泥漿的性能見(jiàn)表4。

G級(jí)水泥+2.5%降失水劑BCF-200S+7.5%增韌防竄劑BCG-300S+緩凝劑BCR-210S+（45%～50%）水（密度為1.85～1.90 g/cm3）

從表4可知，增韌防竄水泥漿具有良好的性能，能滿(mǎn)足水平井固井性能要求；水泥石力學(xué)性能也達(dá)到了水平井開(kāi)發(fā)對(duì)水泥環(huán)完整性的要求。

表4　增韌防竄水泥漿性能

2.2固井工藝技術(shù)措施

1）下套管前原鉆具通井和模擬套管剛度通井，對(duì)起下鉆遇阻卡及電測(cè)縮徑井段要細(xì)心劃眼，做到無(wú)阻卡、無(wú)沉砂、無(wú)垮塌、無(wú)漏失、井眼清潔，并采取短起下措施，大排量循環(huán)洗井。

2）做好井眼清潔工作，下套管后將鉆井液至少循環(huán)2周。

3）固井前預(yù)處理鉆井液，降低塑性黏度和屈服值，達(dá)到固井施工要求。

4） 合理設(shè)計(jì)扶正器的數(shù)量和位置，在特殊層段增加扶正器的密度，提高套管居中度，這對(duì)提高水平井固井質(zhì)量至關(guān)重要。

5） 采用驅(qū)油型前置液提高對(duì)固井界面的清洗、潤(rùn)濕效果，確保水泥石能良好地膠結(jié)。合理設(shè)計(jì)前置液用量，保證紊流接觸時(shí)間不小于7 min，提高對(duì)鉆井液的頂替效率。

6）采用增韌防竄水泥漿體系，使水泥漿具有良好的防竄效果和韌性性能，在保證施工安全的前提下，盡可能縮短水泥漿稠化時(shí)間，這樣能進(jìn)一步預(yù)防水竄。

7） 采用變排量頂替，在保證井下安全的情況下，合理設(shè)計(jì)施工排量。

8）固完井后采取環(huán)空憋壓方式候凝，防止水泥漿候凝過(guò)程油、氣、水竄，同時(shí)也能防止水泥石凝固過(guò)程中微間隙的出現(xiàn)。

2.3水平井固井實(shí)施效果

2015年以來(lái)，采用增韌防竄水泥漿體系、驅(qū)油前置液、水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)技術(shù)及配套的固井工藝技術(shù)，在玉門(mén)油田鴨兒峽及青西區(qū)塊完成全部致密油氣水平井固井7井次，一次固井合格率為100%，優(yōu)質(zhì)井4口。已投產(chǎn)的3口水平井，壓裂后平均含水率為30%以下，比同區(qū)塊的井位明顯降低。目前已投產(chǎn)水平井平均產(chǎn)油量為7 t/d，單井最大產(chǎn)油量達(dá)到11 t/d。水平井固井技術(shù)基本解決了玉門(mén)油田水平井固井中由于頂替效率低和水泥漿體系不配套而引起的固井質(zhì)量差問(wèn)題，同時(shí)提高了水泥石的力學(xué)性能，多級(jí)壓裂后能保持水泥環(huán)完整性，防止層間油氣水竄，為產(chǎn)油量提供有力的技術(shù)保障。水平井固井配套技術(shù)也成功應(yīng)用在青西和鴨兒峽區(qū)塊小間隙固井中，目前已完成8井次固井，固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了75%，也取得了良好的應(yīng)用效果。

3　結(jié)論

1.目前玉門(mén)油田正處于開(kāi)發(fā)的特殊時(shí)期，而老油田的增儲(chǔ)上產(chǎn)是開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。水平井固井技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了玉門(mén)油田水平井和小間隙井固井中由于頂替效率低和水泥漿體系不配套而引起的固井質(zhì)量差的問(wèn)題，而且還提高了水泥石的力學(xué)性能，多級(jí)壓裂后能保持水泥環(huán)完整性，防止層間油氣水竄，為玉門(mén)油田的增儲(chǔ)上產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

2.水平井固井技術(shù)在玉門(mén)油田的應(yīng)用體現(xiàn)了技術(shù)的成熟性與先進(jìn)性，材料體系和工藝方法很好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要，解決了生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。開(kāi)發(fā)的水平井固井技術(shù)已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，而產(chǎn)品價(jià)格只有國(guó)外的1/6～1/2，有優(yōu)越的性能價(jià)格比，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］李玉琪，張璇.玉門(mén)油田連續(xù)多年穩(wěn)產(chǎn)的原因初探［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，22（3）：55-59.

LI Yuqi，ZHANG Xuan. An exploration on the causes continuous multi-years stable production in Yumen Oilfield［J］. Journal of Xi'an Shiyou University，2013，22（3）： 55-59.

［2］靳建州，孫富全，侯薇，等.膠乳水泥漿體系研究與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2006，23（2）：37-39.

JIN Jianzhou， SUN Fuquan， HOU Wei， et al. Research and application of latex cement slurry system［J］. Drilling Fluid& Completion Fluid， 2006， 23（ 2 ）： 37-39.

［3］馮望生，吳天師，田群山，等.膠乳水泥漿體系在酒東區(qū)塊尾管固井中的應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2012，29（4）：66-68.

FENG Wangsheng， WU Tianshi， TIAN Qunshan， et al. The research and application of latex-cement slurry in Yumen Jiudong Oilfield［J］. Drilling Fluid& Completion Fluid， 2012， 29（4）： 66-68.

［4］滕兆健，湯少兵，安少輝，等.新型固體增韌防竄劑［J］.鉆井液與完井液，2014，31（6）：63-65.

TENG Zhaojian， TANG Shaobing， AN Shaohui， et al. A new anti-gas migration agent for oil well cement［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014，31（6）：63-65.

［5］SY/T 5504.5—2010 油井水泥外加劑評(píng)價(jià)方法第5部分：防氣竄劑［S］. SY/T 5504.5—2010 Evaluation method for well cement additives-part 5： Anti-gas migration agent［S］.

［6］王翀，謝飛燕，劉愛(ài)萍.固井前置液室內(nèi)評(píng)價(jià)方法探討［J］.鉆井液與完井液，2014，31（4）：92-94.

WANG Chong， XIE Feiyan， LIU Aiping. Discussion on the evaluation of preflush fluid for well cementing［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014， 31（4）： 92-94.

［7］楊振杰，姜曉強(qiáng)，吳志強(qiáng)，等.固井水泥環(huán)完整性模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)儀研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30（6）：9-12.

YANG Zhenjie， JIANG Xiaoqiang， WU Zhiqiang， et al. Research on simulation evaluation instrument of integrity of cement sheath［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（6）：9-12.

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

馮望生，工程師，碩士，1982年生，2008年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖所，現(xiàn)主要從事油井水泥外加劑研發(fā)及固井技術(shù)研究。電話 （022）66310330/15822918056；E-mail：fengwsh08@cnpc.com.cn。

（2016-4-21；HGF=1604N8；編輯王小娜）