大斜度不規(guī)則井眼固井技術(shù)研究與實(shí)踐

縣世東，馬志忠，和鵬飛

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司塘沽作業(yè)公司，天津 300450；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

塔里木油田玉東7 井區(qū)油氣藏埋深大于5 000 m、砂體厚度僅為3 m～5 m，油氣藏如同一張巨大的“薄餅”，其勘探、挖潛難度大。大斜度井由于其井眼軌跡的優(yōu)越性，其可鉆穿的油層的井段長，可一次性連接不在同一深度的幾個(gè)油氣藏，使油氣藏的泄油氣面積增大，可以大幅度提高單井產(chǎn)量；同時(shí)，其水平位移大，能夠大范圍的控制含油面積。為此，技術(shù)人員針對(duì)玉東7 井區(qū)超深、薄砂層巖性油氣藏開展了大斜度井鉆采技術(shù)攻關(guān)，通過研究這個(gè)區(qū)塊的油氣藏特點(diǎn)和沉積特征，決定打破傳統(tǒng)水平井只針對(duì)單一油氣層實(shí)施水平段的做法，以高角度貫穿整個(gè)油氣組，縱貫多個(gè)油氣層，最大限度增加泄油面積，充分解放油氣層。玉東703H 井是塔北隆起英買力低凸起喀拉玉爾滾構(gòu)造帶玉東7 號(hào)構(gòu)造一口開發(fā)井，設(shè)計(jì)采用大斜度井身結(jié)構(gòu)鉆探施工，針對(duì)大斜度井目的層固井施工技術(shù)難題，技術(shù)人員開展了固井專項(xiàng)技術(shù)研究與實(shí)踐。

1 施工難點(diǎn)分析

1.1 井身質(zhì)量差

裸眼段地質(zhì)條件復(fù)雜，砂巖、泥巖分布，定向鉆進(jìn)過程中定向鉆、復(fù)合交替鉆進(jìn)，鉆井液抑制性較差，導(dǎo)致井眼擴(kuò)大及井徑不規(guī)則。三開采用Φ215.9 mm 鉆頭，鉆進(jìn)至5 195 m 完鉆，三開裸眼段為4 725 m～5 195 m。本井電測(cè)平均井徑259 mm，井眼平均擴(kuò)大率20 %，糖葫蘆井段井眼較多（見圖1）。

1.2 套管下入困難

玉東703H 井為定向井（大斜度井），最大井斜68.4°，對(duì)應(yīng)井深5 085 m。最大狗腿度10.1°，對(duì)應(yīng)井深4 787 m，套管下入困難。

1.3 套管居中度低

本井裸眼井段井徑不規(guī)則，存在多處“大肚子”井段。本井為大位移井中，由于存在重力效應(yīng)，套管貼向下井壁整體偏心，同時(shí)扶正器間的套管屈曲變形產(chǎn)生局部偏心。固井期間套管低邊的鉆井液驅(qū)動(dòng)困難，容易竄槽，從而影響水泥漿的頂替效率。

1.4 環(huán)空憋堵風(fēng)險(xiǎn)高

“大肚子”井段巖屑床容易堆積，鉆進(jìn)及通井期間，鉆井液難以將“大肚子”井段中的巖屑攜帶干凈，固井施工過程中黏稠的隔離液和水泥漿將其帶出，在尾管懸掛器處堆積，易造成環(huán)空憋堵。

圖1 玉東703H 井電測(cè)井徑曲線

1.5 密度窗口窄

鄰井（玉東702，玉東710）在固井過程中，發(fā)生了不同程度的漏失情況，漏失當(dāng)量在1.69 g/cm3。玉東703H井鉆進(jìn)至4 756 m～4 757 m，鉆井液密度為1.50 g/cm3時(shí)，地層出水，提高密度至1.52 g/cm3后，壓穩(wěn)地層。固井前鉆井液密度1.52 g/cm3，密度窗口窄，固井及候凝期間發(fā)生漏失及溢流的風(fēng)險(xiǎn)較高。

1.6 層間封隔困難

本井主要目的層段為5 123 m～5 135 m，目的層上部4 725 m～5 064 m 為大段水層，目的層下部5 138 m～5 146 m 為油水同層。目的層與下部水層間隔只有3 m，實(shí)現(xiàn)層間封隔困難。

2 技術(shù)研究及應(yīng)用

2.1 井眼準(zhǔn)備

下套管前通井準(zhǔn)則：（1）通井鉆具組合剛度大于套管串剛度；（2）通井鉆具組合最大外徑大于套管串最大外徑[1]。下套管前采用兩趟鉆進(jìn)行通井，單扶通井組合為：215.9 mmPDC 牙輪+127 mm 浮閥+127 mm 加重鉆桿1根+212.7 mm 扶正器+127 mm 加重鉆桿5 根+127 mm鉆桿；雙扶通井組合為：215.9 mmPDC 牙輪+127 mm 浮閥+127 mm 加重鉆桿1 根+212.7 mm 扶正器+127 mm加重鉆桿1 根+211.1 mm 扶正器+127 mm 加重鉆桿4根+127 mm 鉆桿。

雙扶通井鉆具組合，通井組合與套管串剛度比為1.7，通井以破壞鍵槽及臺(tái)階為目的，經(jīng)過兩趟通井后，保證了井眼通暢，無阻卡。5 060 m～5 195 m 為大肚子井段，平均井徑288 mm，擴(kuò)大率23 %，井斜67°，鉆井液的軸向速度分量不足以保證攜砂，在處理井眼的過程中鉆具將巖屑?jí)核?、壓?shí)，極易形成巖屑床[2]。下套管前雙扶通井到底后，對(duì)井眼進(jìn)行了注稠塞和注稀塞攜砂處理，打入稠漿（密度1.67 g/cm3，黏度120 s，塑性黏度29 s，屈服值10，初終切3/18，失水2，HTHP 失水6），通過處理，明顯將井內(nèi)巖屑攜帶出井口。

2.2 套管居中度

合理加放套管扶正器，提高套管居中度。套管居中是提高頂替效率的前提，套管扶正器是保證套管居中的有效手段，根據(jù)實(shí)鉆井眼軌跡和井徑數(shù)據(jù)，利用軟件優(yōu)化計(jì)算套管居中度，選用下放阻力小，扶正效果好的半鋼扶正器，裸眼段采用2 根套管安放1 只扶正器，套管居中度能夠達(dá)到80 %以上（見圖2），為提高頂替效率提供較好的條件。

2.3 自愈合雙凝水泥漿體系

采用自愈合雙凝水泥漿體系，該體系形成的水泥石具有微膨脹、增韌和自愈合功能。水泥漿雙凝界面設(shè)計(jì)在主要目的層以上120 m，尾漿封固裸眼段主要?dú)鈱?，保證尾漿快速凝固，及時(shí)壓穩(wěn)油氣層，尾漿中加入自愈合劑，尾漿稠化時(shí)間設(shè)計(jì)為尾漿泵注時(shí)間附加30 min（見圖3）。

自愈合劑技術(shù)原理為，當(dāng)水泥環(huán)產(chǎn)生微裂縫或微間隙，產(chǎn)生油氣竄流時(shí)，自愈合劑在油氣刺激作用下，產(chǎn)生體積膨脹，封堵通道，達(dá)到抑制油氣竄流的作用。本井選用的自愈合劑有以下特點(diǎn)：在水泥漿中可均勻分散，水泥漿穩(wěn)定性良好；自愈合劑體積膨脹迅速，10 min內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微裂縫或微間隙的有效封堵；顯著降低水泥石的彈性模量；適用范圍廣，對(duì)固井施工無其他特別要求。

圖2 玉東703H 井套管居中度曲線

圖3 玉東703H 井尾漿稠化曲線

此外，本井選用防氣竄型降失水劑BCG-200L、激活劑BAS-1、緩凝劑BXR-200L 等添加劑。BCG-200L具有良好的防氣竄能力，兼有控制水泥漿失水功能。BAS-1 具有防污染功能，提高水泥漿與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液相容性。緩凝劑選用BXR-200L，可加快頂部水泥強(qiáng)度的發(fā)展。自愈合雙凝水泥漿體系具有漿體穩(wěn)定、失水量小、稠化和靜膠凝過渡時(shí)間短等特點(diǎn)，可防止固井過程中發(fā)生氣竄。水泥環(huán)具有自愈合能力，當(dāng)水泥環(huán)封隔性能損壞，并產(chǎn)生油氣竄流時(shí)，自愈合劑可以產(chǎn)生體積膨脹而封堵竄流通道，有利于后續(xù)的開采及增產(chǎn)作業(yè)。

2.4 流變梯度及壁面剪切力

頂替效率是影響固井質(zhì)量的首要因素，但頂替效率由于受井眼條件、鉆井液性能、水泥漿性能、漿體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工參數(shù)、前置液接觸時(shí)間等諸多因素的影響,是固井施工過程中最難控制的因素。通常認(rèn)為紊流頂替固井效果最優(yōu)。但由于受到井眼本身?xiàng)l件的限制，紊流固頂替很難達(dá)到[3]，因此引入有效層流即壁面剪切力概念。

壁面剪切力是指清除附著在井壁上的虛泥餅的驅(qū)動(dòng)力。一般認(rèn)為，在一定排量范圍內(nèi)，泥漿、領(lǐng)漿、尾漿的壁面剪切應(yīng)力如果呈遞增關(guān)系，則頂替效果良好[4]。

流體在環(huán)空流動(dòng)的壁面剪切應(yīng)力公式如下:

式中：τw-流體在環(huán)空流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力，Pa；D-井眼內(nèi)徑，cm；d-套管外徑，cm；ΔP-環(huán)空流體流動(dòng)的摩擦阻力，MPa；L-流體長度，m。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，分別計(jì)算泥漿、隔離液、水泥漿在不同排量下的壁面剪切力（見圖4）。在施工排量下，壁面剪切力尾漿＞領(lǐng)漿＞泥漿，通過軟件模擬，顯示頂替效率較高（見圖5）。

2.5 預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，水泥漿水化成水泥石后，體積發(fā)生收縮，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)與套管間產(chǎn)生微間隙，影響水泥膠結(jié)質(zhì)量。同時(shí)，即使某些電測(cè)優(yōu)良的井，在后期的開采及增產(chǎn)作業(yè)中，也會(huì)發(fā)生油氣水竄等問題。這一切都是環(huán)空微間隙導(dǎo)致的。為了解決這個(gè)問題，除了優(yōu)化水泥漿體系外（水泥漿中加入膨脹劑等），還可以運(yùn)用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)。即通過一定方法，在固井結(jié)束后，使環(huán)空與套管內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大壓差（套管外壓力大于套管內(nèi)壓力），預(yù)先使套管受擠壓發(fā)生變形，消除由于水泥石收縮等因素產(chǎn)生的微間隙[5]。

表1 玉東703H 井漿體流變性能表

圖4 玉東703H 井壁面剪切應(yīng)力曲線

圖5 玉東703H 井頂替效率分析

微間隙產(chǎn)生的原因主要有以下兩點(diǎn)[6]：

（1）水泥石收縮。實(shí)驗(yàn)表明，水泥在高溫高壓條件下，普通水泥漿由于水化反應(yīng)，體積收縮量在2.6 %～5 %。水泥漿的這種特性，使水泥漿凝固后，水泥環(huán)與套管及地層間產(chǎn)生微間隙，嚴(yán)重的造成油氣水互竄，影響油井壽命及油氣產(chǎn)量。

（2）固井結(jié)束后井內(nèi)壓力的改變。一是固井結(jié)束后，要進(jìn)行套管試壓，造成套管內(nèi)壓力變化，套管發(fā)生膨脹與收縮，產(chǎn)生微間隙。二是在完井作業(yè)中，完井液密度一般都低于原鉆井液密度，也會(huì)造成套管內(nèi)壓力變小，套管發(fā)生收縮，產(chǎn)生微間隙。

為了消除微間隙的產(chǎn)生，采用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，即固井結(jié)束后，使套管外壓力盡可能多的大于套管內(nèi)壓力。通?？梢圆捎靡韵聝煞N方法：

（1）使用低密度鉆井液進(jìn)行頂替作業(yè)，增加套管內(nèi)外壓差。由于本井井眼條件及施工工藝限制（為保證頂替效率，需要進(jìn)行高排量作業(yè)，施工泵壓較高），無法使用此方法。

圖6 封隔式尾管懸掛器示意圖

（2）固井結(jié)束后進(jìn)行環(huán)空憋壓。環(huán)空憋壓相當(dāng)于在水泥石收縮之前就給套管施加一個(gè)受擠壓的預(yù)應(yīng)力，當(dāng)水泥漿水化收縮后，根據(jù)牛頓第三定律（作用力與反作用力）原理，套管會(huì)產(chǎn)生膨脹力，該膨脹力使套管膨脹來填充水泥漿收縮產(chǎn)生的微裂縫[5]。同時(shí)憋壓還可以使水泥漿向地層滲透，提高與地層的結(jié)合緊密度。

2.6 尾管頂部封隔固井技術(shù)

本井使用封隔式尾管懸掛器。該工具主要由懸掛器本體、封隔器、送入工具等組成（見圖6）。頂部封隔器采用單膠筒封隔器設(shè)計(jì)，其具有良好的抗抽吸性能，允許更大施工排量；具有鎖緊機(jī)構(gòu)及防退卡瓦，可有效防止膠筒回退，保證密封效果；封隔器的封壓能力可達(dá)到50 MPa 以上。在一般尾管固井作業(yè)中，坐封封隔器后，環(huán)空憋壓比較難以實(shí)現(xiàn)。為保證固井質(zhì)量，為盡可能消除微間隙的產(chǎn)生。本井在使用帶封隔器尾管懸掛器的同時(shí)，優(yōu)化固井施工工藝，實(shí)現(xiàn)環(huán)空憋壓。具體做法為：注水泥漿結(jié)束后，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行頂替作業(yè)，碰壓前1 m3～2 m3，停止頂替，坐封封隔器，封隔套管環(huán)空，繼續(xù)小排量開泵頂替，擠注壓力即環(huán)空憋壓值。

3 施工過程

703H 井具體施工過程為：試壓合格后，注密度為1.55 g/cm3的前置液20 m3，注平均密度為1.87 g/cm3的領(lǐng)漿25 m3，注平均密度為1.86 g/cm3的尾漿16 m3，投膠塞，替密度為1.55 g/cm3的后置液10 m3，替原井漿35.7 m3，排量1.0 m3/min～2.4 m3/min，壓力11 MPa～25 MPa，放壓無回流，拆水泥頭接方鉆桿，下壓40 t 封隔器剪釘順利剪斷并錨死，封隔器坐封成功，后正擠鉆井液0.8 m3，擠注壓力8 MPa，泄壓放回水正常，后起鉆20 柱，循環(huán)，排混漿25 m3，再起鉆5 柱，關(guān)井候凝。候凝結(jié)束后，電測(cè)固井質(zhì)量，全井段達(dá)到優(yōu)良。

4 結(jié)論及建議

（1）針對(duì)在玉東7 區(qū)塊開展的大斜度井鉆探技術(shù)研究，并在玉東703H 井開展了相關(guān)固井新技術(shù)研究與實(shí)踐，取得了較好效果，為該區(qū)塊后續(xù)作業(yè)提供了有益借鑒。

（2）針對(duì)“大肚子”井段，下套管前強(qiáng)化井眼準(zhǔn)備、充分破壞巖屑床，不但保證了套管的順利下入，而且大大降低固井期間環(huán)空憋堵風(fēng)險(xiǎn)。

（3）合理選擇扶正器型號(hào)及優(yōu)化加放方式，提高套管居中度，滿足水泥漿頂替效率要求，可以為提高大位移井固井質(zhì)量打下良好基礎(chǔ)。

（4）合理設(shè)計(jì)水泥漿體系及漿柱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化井內(nèi)漿體流變性能，可進(jìn)一步提高固井頂替效率。

（5）改良施工工藝，坐封尾管掛頂部封隔器的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)環(huán)空憋壓候凝，使用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，避免環(huán)空微間隙的產(chǎn)生。