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. 西部鉆探國際鉆井公司，甘肅酒泉735200）

玉門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. 西部鉆探國際鉆井公司，甘肅酒泉735200）

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

針對玉門油田水平井開發(fā)、多級壓裂的作業(yè)特點，以建立長期有效的層間封隔為目標(biāo)，通過開展固井材料、水泥環(huán)失效分析和固井工藝技術(shù)研究，開發(fā)了驅(qū)油前置液、增韌防竄水泥漿、水泥環(huán)完整性評價等固井技術(shù)。通過工藝配套和材料集成，形成玉門油田水平井開發(fā)固井技術(shù)。2015年以來，在玉門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)還在玉門油田小間隙固井推廣使用8井次，固井優(yōu)質(zhì)率達到了75%。水平井固井技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果，該項技術(shù)具有廣闊的市場應(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)，并配套先進的技術(shù)手段，最大限度地增加產(chǎn)油量。水平井多級體積壓裂的開發(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鉆井過程中為降低運動阻力，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，地層原始壓力被破壞，個別區(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)要進行大規(guī)模多級壓裂改造，水泥環(huán)易開裂，對井筒完整性要求高。

2015年以前玉門油田水平井固井采用清水作為沖洗液，清水對固井壁面的清洗、潤濕、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成膜類降失水劑，這種水泥漿體系開發(fā)時間較早，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，達到水平井開發(fā)增產(chǎn)的主要目的，針對水平井開發(fā)多級壓裂的特點，以建立長期有效的層間封隔為目標(biāo)，通過開展固井材料、水泥環(huán)失效分析和固井工藝技術(shù)研究，開發(fā)了驅(qū)油前置液、增韌防竄水泥漿、水泥環(huán)完整性評價等固井技術(shù)，通過工藝配套和材料集成，形成玉門油田水平井開發(fā)固井技術(shù)，滿足水平井油氣開發(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

為滿足水平井固井對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優(yōu)點，開發(fā)了BCG-300S油井水泥用增韌防竄聚合物粉體樹脂［4］。BCG-300S可再分散于水中，與水泥形成良好的顆粒級配，降低濾餅滲透率，同時成膜溫度低，聚合物材料在壓差作用下，形成耐溫能力強、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現(xiàn)粉體化，解決了不同材料的配伍性問題。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（增大水灰比）表明，水泥漿體系在發(fā)生水侵（水灰比增加14%）時仍可保證很好的漿體穩(wěn)定性和較高的強度，滿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水泥漿韌性評價

目前常用測定水泥石彈性模量的方法為三軸實驗法。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7 d，然后在0、5、10 MPa的圍壓下進行三軸實驗，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，說明隨著增韌防竄劑摻量的增加，水泥石形變能力增強，韌性有所改善。

表1　BCG-300S水泥石彈性模量性能測試結(jié)果

通過圖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BCG-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水泥漿防竄性能評價

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 ℃下進行了水泥漿防竄實驗（驗竄壓差為2.8 MPa），結(jié)果見表2。

表2　摻有BCG-300S的水泥漿防竄實驗結(jié)果

防竄實驗表明，BCG-300S摻量在3.0%以上時，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，利用表面活性劑潤濕、滲透、乳化、反轉(zhuǎn)等作用原理，開發(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的潤濕滲透和清洗功能，非離子表面活性劑對油性滯留物的去污力強，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，然后測定接觸角的變化來表征界面反轉(zhuǎn)的程度，結(jié)果見表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10%時，沖洗液對油基鉆井液的沖洗效率達到90%，接近白油的沖洗效率。合理設(shè)計沖洗液段長的液體結(jié)構(gòu)，油基鉆井液沖洗效率達到95%以上。

表3　沖洗效率和接觸角對比（20 ℃）

驅(qū)油沖洗液是實現(xiàn)油基鉆井液高效頂替的前提。影響頂替效率的因素主要歸納為井身質(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)完整性評價技術(shù)

通過分析水泥環(huán)井下受力情況，建立水泥環(huán)應(yīng)力分析力學(xué)模型，定量評價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)失效評價模型，并開發(fā)相應(yīng)計算程序，實現(xiàn)2個功能：程序通過文本輸入地層-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。對于特定井況、地質(zhì)條件和開發(fā)方式，通過水泥環(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)計提供指導(dǎo)，圖5、圖6為水泥石彈性模量和泊松比變化對水泥石抗壓強度、抗拉強度的要求。

圖5　楊氏模量和泊松比變化對水泥石抗壓強度的要求

圖6　楊氏模量和泊松比變化對水泥石抗拉強度的要求

2　現(xiàn)場應(yīng)用情況

2.1增韌防竄水泥漿體系

以水平井固井對水泥漿性能要求為設(shè)計依據(jù)，并考慮到經(jīng)濟效益和環(huán)境保護等因素，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表4。

G級水泥+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，能滿足水平井固井性能要求；水泥石力學(xué)性能也達到了水平井開發(fā)對水泥環(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，對起下鉆遇阻卡及電測縮徑井段要細心劃眼，做到無阻卡、無沉砂、無垮塌、無漏失、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，達到固井施工要求。

4） 合理設(shè)計扶正器的數(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)油型前置液提高對固井界面的清洗、潤濕效果，確保水泥石能良好地膠結(jié)。合理設(shè)計前置液用量，保證紊流接觸時間不小于7 min，提高對鉆井液的頂替效率。

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間，這樣能進一步預(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，防止水泥漿候凝過程油、氣、水竄，同時也能防止水泥石凝固過程中微間隙的出現(xiàn)。

2.3水平井固井實施效果

2015年以來，采用增韌防竄水泥漿體系、驅(qū)油前置液、水泥環(huán)完整性評價技術(shù)及配套的固井工藝技術(shù)，在玉門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)油量達到11 t/d。水平井固井技術(shù)基本解決了玉門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)量差問題，同時提高了水泥石的力學(xué)性能，多級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)率達到了75%，也取得了良好的應(yīng)用效果。

3　結(jié)論

1.目前玉門油田正處于開發(fā)的特殊時期，而老油田的增儲上產(chǎn)是開發(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)量差的問題，而且還提高了水泥石的力學(xué)性能，多級壓裂后能保持水泥環(huán)完整性，防止層間油氣水竄，為玉門油田的增儲上產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

2.水平井固井技術(shù)在玉門油田的應(yīng)用體現(xiàn)了技術(shù)的成熟性與先進性，材料體系和工藝方法很好地滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要，解決了生產(chǎn)實際問題。開發(fā)的水平井固井技術(shù)已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，而產(chǎn)品價格只有國外的1/6～1/2，有優(yōu)越的性能價格比，具有良好的應(yīng)用前景。

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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）