鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)水平井尾管固井工藝技術(shù)

李明忠

（中國石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450006）

0 引言

杭錦旗地區(qū)是鄂爾多斯盆地致密砂巖氣層勘探開發(fā)的主要接替新區(qū)。2016年，中國石化在杭錦旗地區(qū)已發(fā)現(xiàn)上古生界的下石盒子組3套主力氣層（盒1、盒2、盒3）、太原組1套主力氣層、山西組2套主力氣層（山 1、山 2），保有儲量 163×108m3，控制儲量 5 321×108m3，預(yù)測儲量 2 362×108m3［1-3］。開發(fā)初期，杭錦旗地區(qū)以裸眼封隔器投球滑套多級分段壓裂的完井方式為主。但什股壕、十里加汗等部分區(qū)塊，氣水關(guān)系復(fù)雜，邊底水發(fā)育，壓裂改造易溝通水層。為保證有效控水開發(fā)，便于開展后續(xù)措施作業(yè)，目的層尾管固井結(jié)合噴砂射孔多級分段壓裂或橋塞壓裂逐漸成為杭錦旗地區(qū)主要的完井方式［4-6］。

開發(fā)井多為三級井身結(jié)構(gòu)水平井。三開裸眼段井徑 152.4 mm，φ114.3 mm尾管借助懸掛器懸掛至φ177.8 mm技術(shù)套管上，水平井尾管段長1 000～1 200 m，注水泥固井。固井后回接壓裂管串，連續(xù)油管攜帶底封工具入井，由井底向上逐段噴砂射孔并進(jìn)行壓裂，壓裂段數(shù)一般不少于8。固井水泥環(huán)長期密封有效，不僅為增產(chǎn)措施提供了合格的井筒條件，也是氣井長期高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)保證。因此，開展杭錦旗地區(qū)尾管固井工藝技術(shù)研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 技術(shù)難點

鉆井井況和完井方式對尾管固井質(zhì)量提出了較高要求。影響固井質(zhì)量的技術(shù)難點主要表現(xiàn)在5個方面：

1）尾管回接壓裂管柱保證油層套管與環(huán)空封隔的難度大。為避免壓裂時因固井質(zhì)量差或常規(guī)回接密封失效引起油層套管與環(huán)空封隔失效，回接管柱自下至上為“回接插頭+2根套管+裸眼封隔器+水力錨+密封插管總成”，以達(dá)到雙重錨定和密封的目的［7］。但由于環(huán)空平衡壓力無法傳遞至回接插頭與裸眼封隔器之間的套管，在壓裂施工壓力較高時，套管受壓力及上頂力作用，易達(dá)到屈服強(qiáng)度極限而發(fā)生變形；若回接管柱密封失效，將造成油層套管與環(huán)空連通。另外，回接管柱下入過程中，易發(fā)生提前坐封或錨定事故，處理難度大。

2）水泥漿易沉降分層，壓裂施工對水泥石的載荷大。水泥漿穩(wěn)定性差，環(huán)空上側(cè)水泥石強(qiáng)度低，自由水析出形成連續(xù)水帶；候凝時體積收縮，造成水泥環(huán)與地層處形成微裂隙；壓裂的射孔沖擊力及套管壓力的巨大載荷作用，易造成水泥環(huán)的密封性和完整性失效［8-9］。

3）水泥漿失重后壓穩(wěn)易失效。杭錦旗地區(qū)懸掛器坐掛位置的井斜角大（40°～45°），封固段垂深較小。在靜膠凝強(qiáng)度過渡階段，由于失重作用在氣層上的液柱壓力逐漸下降，在水泥漿內(nèi)形成氣竄通道，降低了相鄰段間水泥環(huán)的密封質(zhì)量。

4）對水平裸眼段和重疊段的封固質(zhì)量要求高。杭錦旗地區(qū)部分井區(qū)氣水關(guān)系復(fù)雜，壓裂段數(shù)、簇數(shù)多，為避免壓裂時環(huán)空帶壓，保證分段改造效果，實現(xiàn)控水生產(chǎn)和提高采收率，在目的層段間、段內(nèi)和重疊段的水泥環(huán)需有效密封。

5）頂替效率低與固井漏失問題并存。水平段內(nèi)重力作用于環(huán)空徑向方向，巖屑床積存，套管偏心，頂替界面長（或失穩(wěn)），鉆井液黏度、切力大，泥餅厚等［10-11］，均不利于保證頂替效率；石盒子組等層位地層承壓能力較低，固井時易發(fā)生漏失。

2 工藝技術(shù)措施

2.1 新型尾管懸掛器選用與回接管串簡化

為解決壓裂時平衡壓力無法作用于全部管柱以及錨定、密封能力不足的問題，在國內(nèi)首次應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)的高壓全通徑尾管懸掛器及其配套回接工具。該懸掛器耐壓提高至70 MPa，而常規(guī)尾管回接工具密封能力僅35 MPa，難以滿足分段壓裂需要。與常規(guī)懸掛器回接筒結(jié)構(gòu)不同，該懸掛器回接筒設(shè)有馬牙扣，與專用密封插頭匹配。密封插頭總成采用骨架硫化膠圈密封結(jié)構(gòu)，多組密封組件相互獨立，回接管柱密封組合具有密封可靠性高、能力強(qiáng)的特點；密封插頭帶有馬牙扣錨定結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)管柱插入后自鎖，防止高壓下管柱活動。上提正轉(zhuǎn)管柱可將錨定的插頭丟手，回收套管，丟手后可重復(fù)鎖定、密封。

該懸掛器不影響固井施工，而且將回接管串簡化為“密封插頭總成+密封插管總成+套管串”。與原回接管柱相比，井口平衡壓力可施加到整個回接管柱，降低油層套管與環(huán)空連通的風(fēng)險，既減少了水力錨和裸眼封隔器工具，降低了復(fù)雜情況發(fā)生的概率，又提高了密封、錨定能力。若發(fā)生密封失效，可在丟手后重新回接“永久封隔器+密封插管總成”入井。

2.2 彈韌性水泥漿體系開發(fā)

為保證水泥環(huán)在射孔沖擊力和套管壓力動載荷作用下的密封性和完整性，水泥石應(yīng)具有良好的韌性和彈性。根據(jù)杭錦旗地區(qū)固井低成本的運作現(xiàn)狀，優(yōu)選增彈、增韌材料，由纖維和彈性粒子以一定比例復(fù)配，開發(fā)了低成本的彈韌性水泥漿體系。

參考配方：G級水泥+2.5%增彈增韌復(fù)合材料+1.5%降失水劑+0.45%中溫緩凝劑+1.5%懸浮穩(wěn)定劑+0.5%膨脹劑。如圖1所示：彈韌性水泥石消除自由撓度后的實際加載撓度為0.7 mm，且加載載荷峰值達(dá)500 N，存在一定假塑裂紋擴(kuò)展，增韌止裂效果比較明顯；而常規(guī)水泥石的自由撓度僅0.3 mm，加載載荷峰值僅250 N，后期無假塑裂紋擴(kuò)展，水泥石在起裂后裂紋快速擴(kuò)展［12］。常規(guī)水泥石的彈性模量大于14 GPa，而彈韌性水泥石的彈性模量小于7 GPa，形變能力顯著提高。與常規(guī)水泥石相比，彈韌性水泥石殘余變形小，在應(yīng)力載荷作用下應(yīng)變恢復(fù)快，形變恢復(fù)能力較強(qiáng)（見圖2）。該體系綜合性能優(yōu)越，具有懸浮穩(wěn)定性好、API失水量?。ㄐ∮?5 mL）、體積膨脹性、直角稠化、水泥漿防竄系數(shù)（SPN）小于3等特點。

圖1 水泥石載荷-撓度關(guān)系

圖2 水泥石形變恢復(fù)曲線

2.3 漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

杭錦旗地區(qū)主要采用常規(guī)密度雙凝水泥漿固井。尾漿為彈韌性水泥漿體系，封固水平裸眼段，稠化可泵時間在施工時間基礎(chǔ)上附加15～20 min，碰壓后即迅速稠化；領(lǐng)漿為常規(guī)低失水微膨脹防竄水泥漿，封固重疊段并充填上水泥塞，稠化可泵時間在注、替漿至安全洗井結(jié)束的基礎(chǔ)上附加60 min，領(lǐng)漿注入體積附加20%以上。以井壁泥餅有效沖蝕和鉆井液充分稀釋為標(biāo)準(zhǔn)，同時考慮泥巖發(fā)育和井壁穩(wěn)定情況，設(shè)計沖洗液段長，紊流接觸時間大于7 min；采用隔離液隔離沖洗液、鉆井液和水泥漿，減少對水泥漿的污染，提高頂替效率。

2.4 頂替效率提高

紊流或塞流是提高頂替效率的首選流態(tài)。但是，杭錦旗地區(qū)地層承壓能力低，水泥漿達(dá)到紊流后，固井易漏失；水泥漿流動性較好，受水泥車機(jī)泵條件限制，塞流所需要的低排量也難以達(dá)到。紊流、塞流臨界排量的計算方法可參考文獻(xiàn)［13］。以φ222.2 mm鉆頭×φ177.8 mm套管為例，井徑擴(kuò)大率10%，杭錦旗地區(qū)水泥漿的紊流臨界排量大于3.50 m3/min，塞流臨界排量小于0.25 m3/min，因此在固井施工時無法實現(xiàn)水泥漿紊流或塞流頂替。

通過優(yōu)化沖洗液、隔離液的流變性能，形成了沖洗液低返速紊流與隔離液高返速塞流的復(fù)合頂替技術(shù)。計算得出，沖洗液紊流臨界排量為0.734 m3/min，隔離液塞流臨界排量為0.433 m3/min，即沖洗液的紊流臨界排量遠(yuǎn)低于水泥漿，隔離液的塞流臨界排量高于水泥漿。在固井施工時，根據(jù)環(huán)空內(nèi)漿柱結(jié)構(gòu)的變化，實時優(yōu)化調(diào)整注替漿排量，使環(huán)空內(nèi)以沖洗液紊流頂替或隔離液塞流頂替為主。

具體過程控制措施為：若注漿總量大于替漿量，在沖洗液進(jìn)入環(huán)空后，適當(dāng)提高注漿排量以保證沖洗液在環(huán)空內(nèi)達(dá)到紊流；隨著井底液柱壓力升高，由隔離液塞流頂替直至碰壓。若注漿總量不大于替漿量，提高替漿初期排量，沖洗液在環(huán)空內(nèi)紊流頂替，替漿后期以隔離液塞流頂替直至碰壓。

2.5 技術(shù)措施配套

2.5.1 套管居中

以極限偏心度理論為基礎(chǔ)，綜合環(huán)空尺寸、井斜角、鉆井液和水泥漿性能等參數(shù)，計算套管所允許的最大偏心度。以此偏心度為標(biāo)準(zhǔn)，采用縱橫彎曲梁法模擬樹脂滾輪扶正器、樹脂旋流扶正器安放位置與居中度之間的關(guān)系，確定扶正器安放設(shè)計。優(yōu)化后的扶正器安放方案為：井底以上的3根套管每根分別安放1個樹脂滾輪扶正器，水平段每2根套管交替安放1個樹脂旋流或樹脂滾輪扶正器。

2.5.2 鉆井液性能調(diào)整

鉆井液頂通后，首先以小排量全部將井內(nèi)封閉漿循環(huán)至懸掛器以上；然后逐漸提高循環(huán)排量，當(dāng)環(huán)空返速不低于1.2 m/s后，定排量循環(huán)至少2周，至井內(nèi)無沉砂、鉆井液性能滿足“低黏、低切、低含砂、薄泥餅”的要求為止。

2.5.3 低密度替漿液

在水平段采用清水替漿，與鉆井液替漿相比，每米套管內(nèi)替漿液的重力降低了18.5 N，增大了浮力與重力的差，從而提高套管懸浮能力，降低套管偏心度，保證水泥環(huán)在環(huán)空內(nèi)均勻分布。

2.5.4 不留上水泥塞

固井碰壓并判斷回壓凡爾正常后，鉆桿內(nèi)憋壓9.0～12.0 MPa，緩慢上提鉆桿，待壓力下降迅速開泵，循環(huán)洗出多余水泥漿，從而節(jié)省了鉆掃水泥塞作業(yè)，避免了掃塞對回接筒馬牙扣的破壞，保證了回接筒與密封插頭的密封性。

2.5.5 輔助壓穩(wěn)

在碰壓后至水泥漿靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到480 Pa前，由于循環(huán)摩阻消失、沖洗液密度低和水泥漿失重等因素，作用在目的層上的液柱壓力下降，產(chǎn)生環(huán)空氣竄。在洗出多余水泥漿后，通過鉆井液大排量循環(huán)或井口憋壓方式，彌補(bǔ)壓力損失，保證目的層持續(xù)有效壓穩(wěn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年，杭錦旗地區(qū)11口井采用了新型尾管固井工藝技術(shù)，固井優(yōu)良率100%，施工情況如表1所示。11口井均采用簡化回接管串結(jié)構(gòu)，回接時基本實現(xiàn)一次錨定，過提管柱30 t正常，表明回接管串與尾管錨定有效，且錨定力強(qiáng)。回接管柱和環(huán)空內(nèi)均試壓25.0 MPa，30 min壓降都小于0.5 MPa，表明密封插頭總成與回接筒密封有效，而且尾管重疊段的水泥封固膠結(jié)良好。

壓裂時，JPH-3Z1，JX1PY3H等井采用連續(xù)油管帶底封拖動壓裂，JPH-3Z1井施工最高壓力達(dá)54.0 MPa，JX1PY3H井施工最高壓力達(dá)54.2 MPa，壓裂過程順利，管柱安全可靠，順利丟手，回接套管得到回收。

表1 2017年尾管固井情況

4 結(jié)論

1）應(yīng)用新型耐高壓全通徑尾管懸掛器，簡化了回接管串結(jié)構(gòu)，提高了密封、錨定能力，保證了管柱在壓裂作業(yè)時的安全性。

2）開發(fā)的彈韌性水泥漿體系成本低，水泥石具有良好的增韌止裂、形變及形變恢復(fù)能力，水泥漿綜合性能優(yōu)越，保證在射孔沖擊力和套管壓力動載荷作用下的密封性和完整性。

3）優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，應(yīng)用沖洗液低返速紊流與隔離液高返速塞流的復(fù)合頂替技術(shù)，配套采取套管居中、低密度替漿液、不留上水泥塞、輔助壓穩(wěn)等措施，實現(xiàn)了水平井尾管固井防漏、提高頂替效率和壓穩(wěn)防竄的目的。

4）新型尾管固井工藝技術(shù)在杭錦旗地區(qū)得到推廣應(yīng)用，提高了尾管固井質(zhì)量，回接后油層套管與環(huán)空密封可靠，管柱在高壓下安全穩(wěn)定，有效保證了分段壓裂的順利實施及改造效果。