昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)水平井生產(chǎn)套管固井技術(shù)

張永強(qiáng)，曲從鋒，卞維坤，陳安環(huán)，唐守勇，徐 明

（1中國(guó)石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司2中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司）

張永強(qiáng)等.昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)水平井生產(chǎn)套管固井技術(shù).鉆采工藝，2019，42（5）：31-34

隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，頁(yè)巖氣水平井的水平段長(zhǎng)度也在逐漸增加，目前昭通地區(qū)水平段超過(guò)2 000 m的已經(jīng)超過(guò)16口井，長(zhǎng)水平段壓裂施工規(guī)模大，生產(chǎn)套管承壓高，對(duì)固井質(zhì)量和井筒完整性提出了更高要求。

昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)通過(guò)大量的水平井、尤其是超長(zhǎng)水平井固井實(shí)踐證明，頁(yè)巖氣固井存在著套管安全下入問(wèn)題、分段壓裂后套管變形問(wèn)題、環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}、水泥石韌性改造及高密度油基鉆井液條件下界面膠結(jié)質(zhì)量差等問(wèn)題。通過(guò)套管安全下入、洗油沖洗液、韌性改造水泥石、平衡壓力固井及預(yù)應(yīng)力固井等技術(shù)集成，確保了生產(chǎn)套管固井質(zhì)量，滿(mǎn)足了壓裂過(guò)程不發(fā)生層間干擾、完鉆塞及壓裂期間不發(fā)生套管錯(cuò)斷或變形，對(duì)指導(dǎo)頁(yè)巖氣示范區(qū)大規(guī)模開(kāi)發(fā)及后續(xù)產(chǎn)能建設(shè)起到了重要作用。

一、頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管固井面臨的技術(shù)難點(diǎn)

昭通頁(yè)巖氣示范區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為“強(qiáng)改造、過(guò)成熟、高應(yīng)力”山地頁(yè)巖氣特征，區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀變化大，斷層裂縫發(fā)育，表現(xiàn)為地層易坍塌、井徑擴(kuò)大率大、地層承壓低、易發(fā)生井漏、上部及目的層段氣層活躍、地層傾角大、水垂比大等地質(zhì)及工程難點(diǎn)，在鉆完井作業(yè)上具體表現(xiàn)為：

（1）區(qū)內(nèi)三維大位移水平井、勺形井、地層傾角超過(guò)15°的上傾井，“狗腿度”大及“大肚子”井眼等復(fù)雜井不斷增多，套管下入過(guò)程摩阻（圖1）及側(cè)向力大，對(duì)套管的居中度要求及安全下入帶來(lái)挑戰(zhàn)。

圖1 X井下套管摩阻計(jì)算圖

（2）昭通示范區(qū)地處四川盆地邊緣，區(qū)域內(nèi)龍馬溪地層變化大，內(nèi)部斷層、裂縫發(fā)育，井漏頻發(fā)。主要集中在三開(kāi)后的韓家店、石牛欄、龍馬溪地層，累計(jì)發(fā)生13井次大規(guī)模井漏，漏失油基鉆井液4 159 m3，處理井漏用時(shí)220 d。頻發(fā)、規(guī)模較大的井漏，如何提高固井施工質(zhì)量，保證水泥漿不低返，確保井筒完整性，是頁(yè)巖氣水平井固井面臨的重大難題。

（3）油基鉆井液對(duì)固井質(zhì)量影響大。為降低鉆完井風(fēng)險(xiǎn)，區(qū)內(nèi)的頁(yè)巖氣水平井多采用油基鉆井液完井。井筒長(zhǎng)期在油基鉆井液環(huán)境中，二界面形成一層“親油憎水”的油膜，影響親水性水泥石與二界面的膠結(jié)質(zhì)量，易產(chǎn)生環(huán)空微間隙，影響水泥環(huán)層間封隔質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)研究表明［1］，水泥漿與油基鉆井液相混比例達(dá)9∶1，水泥石抗壓強(qiáng)度將降低50%。

（4）長(zhǎng)水平段固井風(fēng)險(xiǎn)大。一般完井鉆井液密度在1.8～2.1 g／cm3，高密度油基鉆井液條件下長(zhǎng)水平段固井，井徑不規(guī)則，水平段長(zhǎng)，高密度油基鉆井液難以頂替干凈，且油基鉆井液與水泥漿相容性差，易影響固井施工安全及固井質(zhì)量。

（5）滿(mǎn)足大型體積壓裂改造，對(duì)井筒密封完整性要求高。固井時(shí)“三壓穩(wěn)”控制不好，易竄氣造成環(huán)空微間隙，引起環(huán)空帶壓；大型體積壓裂對(duì)水平段水泥環(huán)密封完整性要求高。

二、措施及對(duì)策

1.下套管技術(shù)

良好的井筒條件是保證完井質(zhì)量的關(guān)鍵，通過(guò)模型計(jì)算，井眼曲率影響套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，如圖2所示，井眼曲率為10°／30 m，抗內(nèi)壓強(qiáng)度降低約6%；套管殘余摩阻降低套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，如圖3所示，以X井為例，可計(jì)算MD 2 924 m處套管承受35.25 MPa的壓應(yīng)力，則此處抗內(nèi)壓強(qiáng)度由102.5 MPa降為100 MPa，降低比值為2.4%。

圖2 井眼曲率影響套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度模板圖

圖3 套管殘余摩阻影響套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度模板圖

解決方法：①?gòu)脑O(shè)計(jì)開(kāi)始，預(yù)先考慮軌跡的圓滑，一是針對(duì)三維軌跡，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用多段制，使軌跡變成近二維；二是針對(duì)地層傾角較大的上傾井，水平段長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，一般不超過(guò)1 700 m；三是針對(duì)水平段可能穿斷層的井，在軌跡設(shè)計(jì)建模時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，減少頻繁調(diào)井斜；②做好下套管前通井作業(yè)，通過(guò)模擬套管串剛性，最低要求是“雙扶”通井，通井到底后要采用2 m3／min以上排量及90 r／min以上高轉(zhuǎn)速循環(huán)，清洗井筒；③做好地層承壓試驗(yàn)，為優(yōu)化固井設(shè)計(jì)提供依據(jù)；④套管串的優(yōu)化組合，首先是保證套管居中度大于67%，優(yōu)化扶正器選型及安放：井斜角50°～水平段，1只?205 mm滾珠扶正器×1根套管；造斜點(diǎn)～50°，1只剛性旋流扶正器×2根套管；技術(shù)套管鞋～造斜點(diǎn)，1只?205 mm剛性旋流扶正器×3根套管；井口第2根套管～技術(shù)套管鞋，1只?210 mm剛性螺旋扶正器×5根套管；⑤套管附件：水泥注入頭承壓大于70 MPa，浮箍、浮鞋及膠塞正反向承壓大于50 MPa，井斜角30°以下的扶正器采用剛性滾珠螺旋扶正器，下部采用旋轉(zhuǎn)引鞋，便于套管下入；⑥為減少套管屈曲、應(yīng)力集中，預(yù)防套變，套管下到位后，采用頂驅(qū)補(bǔ)扭，保證管串完整性，同時(shí)通過(guò)充分循環(huán)及上提下放，保證套管座封力；⑦在水平段長(zhǎng)度大于2 000 m的水平井或地層傾角大于100°的上傾井中，完井生產(chǎn)管串中下入趾端滑套，首段壓裂時(shí)通過(guò)打壓到趾端滑套開(kāi)啟壓力（50～80 MPa），可省去一趟壓裂前連續(xù)油管通井、射孔，節(jié)約成本，降低井下風(fēng)險(xiǎn)。

2.平衡壓力防漏固井技術(shù)

下套管前，在鉆井液中添加FIB纖維材料和CARB固體顆粒材料及其他配套材料，封堵漏失層位，做好地層承壓試驗(yàn)，如無(wú)法提高地層承壓能力，則在滿(mǎn)足水泥石強(qiáng)度要求時(shí)，降低水泥漿密度［2］。因此應(yīng)根據(jù)地層承壓試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)水泥漿、沖洗液、隔離液的密度，設(shè)計(jì)平衡壓力固井，確保水泥漿一次性上返。同時(shí)，在尾漿中加入纖維材料，提高水泥漿強(qiáng)度的同時(shí)，提高尾漿對(duì)目的層微裂縫的封堵能力。

3.高效洗油沖洗隔離液技術(shù)［3］

采用油基鉆井液的水平井，完井固井施工中，附著在井壁和套管壁上的油膜很難被沖洗干凈，影響界面膠結(jié)質(zhì)量。使用添加有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用的表面活性劑的洗油沖洗隔離液，其用量20～30 m3滿(mǎn)足接觸時(shí)間大于10 min，在紊流頂替下有效提高對(duì)油基鉆井液的驅(qū)替效率，清理套管壁和井壁的油膜，提高水泥石與套管壁和井壁的界面膠結(jié)質(zhì)量［4］。表1可看出，水泥漿∶鉆井液∶沖洗隔離液＝7∶2∶1的污染稠化為19 Bc／180 min未稠化，證明洗油沖洗隔離液具有良好的沖洗隔離效果。

表1 污染實(shí)驗(yàn)

4.雙凝韌性防竄水泥漿技術(shù)

尾漿要求48 h抗壓強(qiáng)度大于21 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度大于28 MPa，7 d楊氏模量小于6 GPa；領(lǐng)漿要求48 h抗壓強(qiáng)度大于16 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度大于24 MPa，7 d楊氏模量小于7 GPa。目前國(guó)內(nèi)外油井水泥都基于下述方法提高水泥石韌性：①在水泥漿中加入一定比例的長(zhǎng)短纖維，如木質(zhì)纖維、尼龍纖維、合成纖維等，以達(dá)到阻裂、增韌、增強(qiáng)、抗收縮、防腐蝕和抗?jié)B透。其阻裂和增韌的作用機(jī)制為：在撓曲載荷作用下，提高材料形成可見(jiàn)裂縫時(shí)的載荷能力；在疲勞載荷作用下阻止裂縫擴(kuò)展；在沖擊載荷作用下對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)形成屏蔽；顯著提高水泥石的斷裂韌性。同時(shí)利用纖維對(duì)負(fù)荷的傳遞，致使水泥石內(nèi)部缺陷的應(yīng)力集中減小，增加水泥石抗沖擊能力。實(shí)驗(yàn)表明，纖維與水泥的重量比例、體積比例、長(zhǎng)徑比、以及分布狀況等，對(duì)水泥漿性能影響極大。纖維過(guò)長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比過(guò)高都會(huì)影響水泥漿的失水性和流變性；纖維短、長(zhǎng)徑比過(guò)低，則水泥石韌性和其它力學(xué)性質(zhì)增效甚小。在選擇纖維種類(lèi)和進(jìn)行化學(xué)改性時(shí)，還應(yīng)注意纖維與水泥界面粘接強(qiáng)度，它是影響水泥石力學(xué)性能的重要因素之一；②用聚合物水泥漿，如樹(shù)脂、膠乳或膠粉等，由于大分子對(duì)水泥微粒之間連接作用和顆粒填充作用，并利用低彈性模量的高分子粉體材料降低水泥石整體的彈性模量，降低外力在水泥石中的傳遞系數(shù)，提高水泥石韌性。

中國(guó)石油集團(tuán)公司川慶鉆探井下作業(yè)公司自主研發(fā)SD66纖維增韌劑采用的纖維長(zhǎng)度均小于4 mm，且有不同的長(zhǎng)度分布和合適的長(zhǎng)徑比。其中含有兩種不同性能復(fù)合纖維即高彈模纖維和低彈模纖維。高彈模纖在水泥石裂紋初期阻止裂紋擴(kuò)展，提高水泥石抗裂性能和強(qiáng)度。低彈模纖維，在裂紋擴(kuò)展階段纖維提高水泥石延展性，復(fù)合纖維提高水泥石的抗裂性和延展性，增加水泥石韌性。

圖4 水泥環(huán)的缺失影響套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度模板圖

5.優(yōu)化水泥石力學(xué)參數(shù)及技術(shù)措施提高水泥環(huán)密封完整性

通過(guò)室內(nèi)研究，如圖4所示，水泥環(huán)的局部缺失影響套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，當(dāng)缺失25%時(shí)套管內(nèi)的應(yīng)力增加最大，由水泥環(huán)完整時(shí)的315 MPa增加至450 MPa，增幅為42.8%。如圖5所示，模擬壓裂過(guò)程，對(duì)水泥石受力及界面微環(huán)隙進(jìn)行定量分析，可知低彈模、高強(qiáng)度的水泥環(huán)能夠承受更高的溫度、壓力變化，有利于保持水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整性［5-8］。采用清水頂替及環(huán)空憋壓的預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，提升水泥環(huán)與二界面的壓應(yīng)力，有利于防止環(huán)空微間隙，提升水泥環(huán)的層間封隔能力。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，隨著頁(yè)巖氣昭通示范區(qū)下套管技術(shù)、扶正器優(yōu)選、高效洗油沖洗隔離液選擇、韌性水泥漿體系應(yīng)用等系列技術(shù)的集成應(yīng)用，有效確保了在井深不斷增加，水平段長(zhǎng)不斷加長(zhǎng)，固井難度越來(lái)越大的情況下，固井質(zhì)量仍穩(wěn)步提升。

2011～2018年，頁(yè)巖氣昭通示范區(qū)水平井累計(jì)固井103口，其中超過(guò)2 000 m的水平井16口，最深井深5 390 m（YS108H23-1井）、最大垂深3 454.32 m（YS108H13-2井），最大水平段長(zhǎng)2 810 m（YS112H12-1井），平均井深4 310 m，水平段長(zhǎng)1 579.61 m，水平段平均固井質(zhì)量合格率92%，優(yōu)質(zhì)率82%，無(wú)環(huán)空帶壓。

圖5 水泥石的彈性模量及屈服強(qiáng)度與膠結(jié)面微環(huán)隙相關(guān)性模板圖

四、結(jié)論

（1）優(yōu)化扶正器選型、安放及模擬套管強(qiáng)度的雙扶通井是保證套管順利下到位的前提條件，上提下放、頂驅(qū)補(bǔ)扭等措施是釋放管柱應(yīng)力、減少套管屈曲變形的有效手段。

（2）根據(jù)地層承壓試驗(yàn)結(jié)果，合理設(shè)計(jì)水泥漿及洗油沖洗隔離液的密度，保證不壓漏地層，確保水泥漿一次性上返；在尾漿中加入纖維材料，提高水泥漿強(qiáng)度的同時(shí)，提高尾漿對(duì)目的層微裂縫的封堵能力，形成平衡壓力防漏固井技術(shù)措施。

（3）采用高效的洗油沖洗隔離技術(shù)有效沖洗井壁油污、提高頂替效率、改善水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量，提高固井質(zhì)量。

（4）雙凝韌性防竄水泥漿體系及預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)的應(yīng)用，是提高長(zhǎng)水平段頁(yè)巖氣水平井固井質(zhì)量、減少套管變形、提高井筒完整性、滿(mǎn)足大型體積水力壓裂要求的行之有效的方法。