勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井固井技術(shù)

何立成

（中石化勝利石油工程有限公司,山東東營(yíng) 257000）

勝利油田頁(yè)巖油藏主要分布于濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷和東營(yíng)凹陷，目的層為沙河街組[1-2]，已有多口探井在沙河街組一段、三段下亞段和四段上亞段獲得工業(yè)油氣流[3-6]。頁(yè)巖油儲(chǔ)層物性差，一般為泥質(zhì)灰?guī)r和云巖等，孔隙度和滲透率低，需采用水平井體積壓裂技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)有效開(kāi)發(fā)[7]，儲(chǔ)層改造體積很大，為保證井筒密封完整性，對(duì)水泥環(huán)強(qiáng)度及彈塑性能要求很高。同時(shí)，勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井還存在水平段長(zhǎng)、井壁穩(wěn)定性差和壓力體系復(fù)雜等問(wèn)題，導(dǎo)致固井作業(yè)時(shí)面臨套管居中和安全下入難度大、水泥漿性能要求高和油基鉆井液驅(qū)替困難等難題[8]。為此，筆者研發(fā)了兩親沖洗隔離液體系，優(yōu)選了塑性膠乳防竄水泥漿體系，并采取了應(yīng)用整體式扶正器、漂浮頂替技術(shù)、偏心引鞋輔助套管下入技術(shù)等配套技術(shù)措施，初步形成了勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井配套固井技術(shù)，并在預(yù)探井YYP1 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一界面固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)、二界面固井質(zhì)量合格。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)

1）油基鉆井液清洗困難。頁(yè)巖油水平井的水平段較長(zhǎng)，鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大、管柱摩阻大，因此多采用油基鉆井液鉆進(jìn)。目前，勝利油田常用的氣制油合成基鉆井液油水比一般為85∶15，摩阻系數(shù)小于0.15，破乳電壓不小于500 V?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，油基鉆井液能保持頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定，且使井眼擴(kuò)大率不大于5%，保障了安全高效鉆井完井[9-11]。固井作業(yè)時(shí)，常規(guī)前置液與油基鉆井液的相容性差，易提前稠化導(dǎo)致無(wú)法正常固井施工[12-13]。另外，油基鉆井液在井壁形成的含油濾餅和在套管壁附著的油膜清洗困難，不易形成良好的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)效果，嚴(yán)重影響水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。例如，BYP5 井一界面優(yōu)質(zhì)率80%，二界面優(yōu)質(zhì)率61%。

2）長(zhǎng)封固段固井對(duì)水泥漿性能要求高。勝利油田沙河街組頁(yè)巖油藏具有埋藏深（3 500 m 以深）、地層壓力高（壓力系數(shù)1.75～1.85）、地層溫度高（超過(guò)120 ℃）和壓力體系復(fù)雜等特點(diǎn)，水平井水平段長(zhǎng)度超過(guò)900 m，這要求水泥漿體系具有良好的防竄性能和沉降穩(wěn)定性能，以克服水泥漿硬化后的體積收縮，避免產(chǎn)生微間隙導(dǎo)致層間竄流[14]。另外，沙河街組頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育，固井作業(yè)時(shí)存在較大的井漏風(fēng)險(xiǎn)，要求水泥漿具有一定的防漏堵漏性能，且需要合理設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)。

3）后期增產(chǎn)措施對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量要求高。由于頁(yè)巖油儲(chǔ)層為低孔低滲儲(chǔ)層，需要采取大型壓裂增產(chǎn)措施進(jìn)行開(kāi)發(fā)，易造成水泥石破碎或形成微裂縫。同時(shí)，壓裂作業(yè)時(shí)套管會(huì)因受壓受熱而發(fā)生膨脹，由于水泥石和套管的膨脹率不同，易出現(xiàn)微間隙，儲(chǔ)層流體容易對(duì)水泥環(huán)造成侵蝕和“溶解遷移”，破壞了井筒的完整性，造成層間流體竄流從而影響油井產(chǎn)量及壽命。

4）水泥漿頂替效率低。由于頁(yè)巖油水平井的水平段較長(zhǎng)，固井時(shí)受重力影響，套管居中度差，易發(fā)生偏心，甚至貼在下井壁，造成環(huán)空窄間隙處水泥漿頂替效率降低，導(dǎo)致鉆井液及巖屑不易清除，影響水平段固井質(zhì)量。

2 固井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述固井技術(shù)難點(diǎn)，從提高油基鉆井液沖洗效率、水泥漿防竄性能和水泥石彈塑性及強(qiáng)度等方面進(jìn)行攻關(guān)研究，研制了兩親沖洗隔離液體系，優(yōu)選了纖維膨脹水泥漿體系和塑性膠乳防竄水泥漿體系，并采取了一系列固井技術(shù)措施，形成了勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井固井技術(shù)。

2.1 兩親沖洗隔離液體系

為有效清洗油基鉆井液在井壁上形成的濾餅或套管上附著的油膜，達(dá)到潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)目的，提高界面膠結(jié)質(zhì)量，研制了兩親沖洗隔離液體系，并對(duì)其主要性能進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)，其配方為9.0%表面活性劑+4.5%潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑+1.5%緩凝劑+0.3%抑泡劑+0.6%懸浮劑+0.7%消泡劑+加重劑+水。

2.1.1 懸浮穩(wěn)定性

配制密度1.85 kg/L 的兩親沖洗隔離液，在溫度90 ℃條件下養(yǎng)護(hù)2 h，再在室溫下老化7 d，測(cè)量上部、中部和下部的密度，評(píng)價(jià)其懸浮穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該隔離液未出現(xiàn)分層沉淀現(xiàn)象，上部、中部和下部的密度分別為1.846，1.851 和1.855 kg/L，上下密度差為0.009 kg/L，表明該隔離液具有良好的懸浮穩(wěn)定性，可以防止長(zhǎng)水平段固井過(guò)程中因加重材料沉淀堆積造成的環(huán)空堵塞。

2.1.2 沖洗效率

針對(duì)套管表面附著的油膜和井壁上的濾餅，分別利用相關(guān)試驗(yàn)裝置對(duì)兩親沖洗隔離液的沖洗效率進(jìn)行了測(cè)試。

1）油膜沖洗效率試驗(yàn)。在室溫下將特制瓷板（質(zhì)量為W0）豎直放入裝有油基鉆井液的燒杯中浸泡12 h 后取出，稱(chēng)其質(zhì)量為W1，然后將瓷板固定在攪拌器上并浸泡在隔離液中勻速攪拌一定時(shí)間，然后取出瓷板稱(chēng)其質(zhì)量為W2，沖洗效率即為油膜損失質(zhì)量（W1-W2）與油膜質(zhì)量（W1-W0）的比值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，沖洗時(shí)間為10 和20 min時(shí)，兩親沖洗隔離液對(duì)油膜的沖洗效率分別為86.27%和97.10%。

表1 兩親沖洗隔離液油膜沖洗效率試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of flushing efficiency of oil film by amphiphilic flushing spacer

2）濾餅沖洗效率試驗(yàn)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量沖洗效率的步驟為[15]：測(cè)量200 mL 漿杯的質(zhì)量為W′0、25 目篩子質(zhì)量為W′2；在常溫、壓力6.9 MPa 下濾失30 min 制得濾餅，并固定于漿杯內(nèi)壁，漿杯及濾餅的總質(zhì)量為W′1；將120 mL 隔離液加入漿杯中，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在600 r/min 轉(zhuǎn)速下沖洗10 min，然后將隔離液和殘餅緩慢傾倒于篩子上，沖掉殘余物質(zhì)，測(cè)量篩子與殘餅的總質(zhì)量為W′3、濾紙質(zhì)量為W′4。W′0，W′1，W′2，W′3和W′4分別為175.80，183.30，113.00，113.80 和0.25 g。沖洗效率為濾餅損失質(zhì)量與凈濾餅質(zhì)量的比值，即：沖洗效率=[（W′1-W′0）-（W′3-W′2）]/（W′1-W′0-W′4）。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到兩親沖洗隔離液對(duì)濾餅的沖洗效率為92.41%。

沖洗效率試驗(yàn)結(jié)果表明，兩親沖洗隔離液具有良好的界面清洗效果，能夠降低油膜表面張力，改善界面潤(rùn)濕性，起到潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的作用。

2.1.3 相容性試驗(yàn)

首先，將密度1.83 kg/L 油基鉆井液和密度1.85 kg/L兩親沖洗隔離液按不同體積比混合，觀(guān)察發(fā)現(xiàn)油基鉆井液和兩親沖洗隔離液混合后沒(méi)有發(fā)生增稠、絮凝現(xiàn)象，表明兩者具有良好的相容性；然后，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量混合液在溫度88 ℃下的流變參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，隨著兩親沖洗隔離液體積的增加，混合液的塑性黏度和動(dòng)切力降低，表明兩親沖洗隔離液對(duì)油基鉆井液具有一定稀釋作用，有利于提高頂替效率。

表2 油基鉆井液與兩親沖洗隔離液相容性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of compatibility between oil-base drilling fluid and amphiphilic flushing spacer

2.2 水泥漿體系設(shè)計(jì)

勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井固井面臨高溫高壓、長(zhǎng)水平段、體積壓裂對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量要求高等需求，因而要求水泥漿體系具有良好的防竄性能、沉降穩(wěn)定性能和防漏性能。為此，直井段和斜井段水泥漿性能應(yīng)滿(mǎn)足API 濾失量小于100 mL，游離液小于1%，上下密度差小于0.03 kg/L 等要求，并具有一定的防漏性能；水平段水泥漿性能應(yīng)滿(mǎn)足API 濾失量小于50 mL，游離液為0，上下密度差小于0.02 kg/L，24 h 抗壓強(qiáng)度大于14 MPa 等要求，并具有良好的防竄性能和一定的彈塑性能。

根據(jù)勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井固井要求，直井段和斜井段固井設(shè)計(jì)采用纖維膨脹水泥漿體系，配方為G 級(jí)水泥+2.0% 大溫差降濾失劑+0.8% 分散劑+2.0% 膨脹劑+1.0% 大溫差緩凝劑+1.5%增韌劑+水。同時(shí)，在該體系中加入復(fù)合纖維堵漏材料，以形成三維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前期防漏，并提高地層承壓能力[16]。水平段固井采用塑性膠乳防竄水泥漿體系，配方為G 級(jí)水泥+30.0%熱穩(wěn)定劑+2.0%填充劑+2.0%降濾失劑+0.5%分散劑+10.0%膠乳+2.0%膨脹劑+0.3%抑泡劑+40.0%彈性劑+水。該體系中加入了膠乳，能提高水泥漿抗氣侵氣竄的能力，并且加入了彈性劑，能改善水泥石力學(xué)性能，降低水泥石的彈性模量，從而滿(mǎn)足頁(yè)巖儲(chǔ)層長(zhǎng)水平段固井及后期壓裂開(kāi)發(fā)的需求[17]。2 種水泥漿體系的基本性能見(jiàn)表3。

表3 纖維膨脹水泥漿體系和塑性膠乳防竄水泥漿體系的基本性能參數(shù)Table 3 Basic performance parameters of the fiber expanding and anti-channeling plastic latex cement slurry system

2.2.1 水泥石力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥石性能試驗(yàn)方法》（SY/T 6466—2016），測(cè)試2 種水泥漿凝固后水泥石的力學(xué)性能參數(shù)，并計(jì)算彈性模量[18-19]，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，水泥石具有較高的抗壓強(qiáng)度，且彈性模量均小于7 GPa，具有良好的抗變形能力，能夠滿(mǎn)足大型壓裂對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的要求。

表4 水泥石力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties of cementstone

2.2.2 防竄性能評(píng)價(jià)

采用靜膠凝強(qiáng)度分析儀、增壓稠化儀和濾失儀，測(cè)量了塑性膠乳防竄水泥漿的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間和稠化過(guò)渡時(shí)間，以評(píng)價(jià)其防竄性能[20-21]。測(cè)得塑性膠乳防竄水泥漿的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間為24 min，稠化過(guò)渡時(shí)間為16 min。經(jīng)計(jì)算該水泥漿的SPN為1.9，表明其具有良好的防竄性能。

2.2.3 防漏性能評(píng)價(jià)

基于高溫高壓濾失儀，改造得到了水泥漿防漏性能評(píng)價(jià)裝置，基本原理如圖1所示，將一個(gè)帶孔或縫的金屬板放置在濾失筒底部，通過(guò)氮?dú)饧訅褐? MPa

圖1 水泥漿防漏性能評(píng)價(jià)裝置基本原理Fig.1 Basic principle of evaluation device for cement slurry lost-circulation-control performance

注：1）試驗(yàn)條件為0.1 MPa×30 ℃；2）試驗(yàn)條件為0.1 MPa×90 ℃；3）試驗(yàn)條件為30 MPa×124 ℃。并穩(wěn)壓10 min，測(cè)量水泥漿通過(guò)孔板或縫板的濾液質(zhì)量，評(píng)價(jià)水泥漿的防漏堵漏效果[22-23]。分別采用φ1.0 mm 孔板和縫板，進(jìn)行纖維膨脹水泥漿在加入復(fù)合纖維材料前后的防漏性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未加入復(fù)合纖維材料的纖維膨脹水泥漿幾乎全部漏失，而加入復(fù)合纖維材料的纖維膨脹水泥漿的濾液質(zhì)量分別占水泥漿總質(zhì)量的25.65%和28.70%，且通道完全堵塞。這表明，纖維膨脹水泥漿在加入復(fù)合纖維材料后具有良好的防漏堵漏性能，且能提高地層承壓能力。

2.2.4 流體相容性

為保證固井施工安全，將油基鉆井液、兩親沖洗隔離液和纖維膨脹水泥漿分別按照2∶1∶7 和1∶1∶1 的比例進(jìn)行混合，使用增壓稠化儀，在模擬井下溫度90 ℃、壓力70 MPa 的條件下，進(jìn)行流體相容性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合液的稠度保持在10 Bc 以下，稠化時(shí)間超過(guò)300 min，未出現(xiàn)提前稠化和“鼓包”現(xiàn)象，表明油基鉆井液、兩親沖洗隔離液和纖維膨脹水泥漿具有良好的相容性，可保證固井施工安全。

2.3 配套固井技術(shù)措施

針對(duì)頁(yè)巖油水平井長(zhǎng)水平段固井時(shí)套管居中度差、頂替效率低和套管下入困難等技術(shù)難點(diǎn)，采取了應(yīng)用整體式彈性套管扶正器、偏心導(dǎo)向引鞋和環(huán)空加壓等固井技術(shù)措施。

1）應(yīng)用整體式彈性套管扶正器[24]。整體式彈性扶正器具有強(qiáng)度高、啟動(dòng)力小和復(fù)位力大等特點(diǎn)，具有更好的套管扶正作用，因此，為提高套管居中度，選用了整體式彈性套管扶正器：水平段每根套管需安裝1 只扶正器；斜井段每2 根套管安裝1 只扶正器。模擬計(jì)算結(jié)果表明，安放整體式彈性套管扶正器后，水平段及斜井段的套管居中度達(dá)到86.3%以上，能有效提高環(huán)空頂替效率。

2）采取環(huán)空加壓技術(shù)措施[25]。在固井作業(yè)時(shí)，為避免水泥漿候凝過(guò)程中因失重導(dǎo)致油氣水竄，影響固井質(zhì)量，采取了環(huán)空加壓技術(shù)措施（即環(huán)空憋壓3～5 MPa），使水平井眼內(nèi)水泥漿當(dāng)量密度達(dá)到1.90～1.95 kg/L，從而達(dá)到壓穩(wěn)地層的目的（儲(chǔ)層地層壓力系數(shù)為1.75～1.85）。

3）應(yīng)用偏心導(dǎo)向引鞋。針對(duì)水平段和斜井段套管下入困難的問(wèn)題，應(yīng)用了偏心導(dǎo)向引鞋，以輔助下入套管。該引鞋設(shè)計(jì)為偏心錐形冠部，可引導(dǎo)套管串避開(kāi)井眼內(nèi)臺(tái)階，上部為硬質(zhì)合金復(fù)合片，下套管過(guò)程中可進(jìn)一步修整井壁；并配合使用整體式彈性套管扶正器，降低下套管摩阻，保證了套管順利下至設(shè)計(jì)井深。

4）應(yīng)用漂浮頂替技術(shù)。采用清水作為水平段和斜井段套管或全井套管的頂替液，以加大套管內(nèi)外液體密度差，使套管因受到浮力而向上漂浮，可輔助提高套管居中度，改善環(huán)空頂替效率[26]。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

YYP1 井是勝利油田部署在濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷渤南洼陷的一口水平預(yù)探井，采用常規(guī)方式完井。該井完鉆井深4 902.00 m，垂深3 545.00 m，水平位移2 055.88 m，水平段長(zhǎng)938.92 m，采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：一開(kāi)，采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至井深500.00 m，φ339.7mm 表層套管下至井深499.80 m；二開(kāi)，采用φ311.1 mm 鉆頭鉆至井深3 357.00 m，φ244.5 mm 技術(shù)套管下至井深3 356.00 m；三開(kāi)，采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4902.00 m，φ139.7 mm 油層套管下至井深4899.87 m，水泥漿均返至地面。該井目的層為沙三下亞段頁(yè)巖油層，在鉆進(jìn)4 674.68～4 687.00 m和4852.00～4902.00 m 井段、通井過(guò)程中共發(fā)生3 次井漏，累計(jì)漏失鉆井液85.2 m3。完鉆后靜止15 h測(cè)后效，鉆井液槽面見(jiàn)米粒狀無(wú)色透明氣泡，約占槽面總面積20%，鉆井液密度由1.83 kg/L 降至1.76 kg/L，漏斗黏度由96 s 降至76 s，計(jì)算油氣上竄速度18.3 m/h。

YYP1 井三開(kāi)井段固井套管串組合為偏心導(dǎo)向引鞋+φ139.7 mm 套管1 根+1#浮箍+φ139.7 mm 套管1 根+2#浮箍+φ139.7 mm 套管串。為提高套管居中度，在套管串安放整體式彈性套管扶正器：井口至造斜點(diǎn)每5 根套管安放1 只，造斜點(diǎn)至A靶點(diǎn)每2 根套管安放1 只，A靶點(diǎn)至井底每1 根套管安放1 只。

該井三開(kāi)井段固井施工時(shí)，注入密度1.83 kg/L兩親加重沖洗隔離液30 m3，密度1.05 kg/L 兩親沖洗隔離液2 m3，先后注入纖維膨脹水泥漿87 m3（密度1.85 kg/L）和塑性膠乳防竄水泥漿30 m3（密度1.92 kg/L），然后注入清水和密度1.95 kg/L 鉆井液進(jìn)行頂替，碰壓后環(huán)空憋壓3 MPa，6 h 后敞壓候凝?？刂剖┕づ帕坎淮笥?.0 m3/min，固井作業(yè)一切正常，候凝72 h 后聲幅測(cè)井結(jié)果顯示，一界面固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，二界面固井質(zhì)量為合格。

4 結(jié)論與建議

1）兩親沖洗隔離液可有效清除套管壁附著油膜和井壁含油濾餅，能改善環(huán)空界面膠結(jié)條件，提高固井質(zhì)量。

2）塑性膠乳防竄水泥漿具有低濾失、零游離液、良好的沉降穩(wěn)定性與防竄性能和水泥石抗壓強(qiáng)度高與彈性模量低等特點(diǎn)，不但保證了頁(yè)巖油儲(chǔ)層長(zhǎng)水平段固井質(zhì)量，而且滿(mǎn)足了大規(guī)模體積壓裂對(duì)水泥石的性能要求。

3）纖維膨脹水泥漿具有良好的防漏堵漏效果，可實(shí)現(xiàn)固井作業(yè)前期防漏、提高地層承壓能力，保證了固井作業(yè)安全。

4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，勝利油田沙河街組頁(yè)巖油水平井固井技術(shù)能夠解決頁(yè)巖油長(zhǎng)水平段固井存在的技術(shù)難點(diǎn)，提高固井質(zhì)量，滿(mǎn)足大規(guī)模體積壓裂對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的要求，建議在頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。