李宗要 ，張海濤，魏群寶，周雪，軒飛飛，胡中華，彭松

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.渤海鉆探第一固井分公司，河北任丘 062552；3.中國石油西部鉆探青海鉆井公司固井工程技術(shù)公司，青海茫崖 816400；4.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450）

柴達(dá)木盆地位于青藏高原東北隅，盆地內(nèi)構(gòu)造體系近北西向展布，是我國的一個(gè)高原型含油氣盆地。獅子溝構(gòu)造位于柴達(dá)木盆地西南部，是油氣的有利聚集帶，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，經(jīng)過十多年的勘探，獅子溝地區(qū)的油氣勘探取得了顯著的成績[1-2]。英西獅子溝構(gòu)造深層開發(fā)以下干柴溝組上段（E32）儲層為主，儲集空間以晶間孔、微孔隙及裂縫為主，溶蝕孔不發(fā)育；該儲層巖石基質(zhì)孔隙度為0.58%～8.58%，滲透率為0.010～0.501 mD，屬于低孔超低滲油氣藏。為了更好地開發(fā)和最大程度地獲取油氣資源，目前該區(qū)塊主要采用水平井體積壓裂的方式開采。實(shí)踐證明，水平井的應(yīng)用不僅可以有效提高油氣產(chǎn)能，還可為油田節(jié)省大量的投資成本，切實(shí)提高油田的經(jīng)濟(jì)效益。水平井的固井質(zhì)量是制約體積壓裂技術(shù)、油氣井的使用壽命和生產(chǎn)效率的主要原因。因此，開展了英西獅子溝深層開發(fā)水平井的固井技術(shù)研究[4-6]。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 鉆遇地質(zhì)情況復(fù)雜

英西地區(qū)深層水平井開發(fā)屬于鹽下儲層，裂縫、溶蝕孔洞不發(fā)育，目的層位于下干柴溝組上段（E32），油氣藏埋藏較深，三開鉆遇異常高壓鹽水層，壓力系數(shù)普遍在1.8～2.0 之間，而且該區(qū)目的層是被斷層復(fù)雜化后的斷塊油氣藏，可能一口井就有一個(gè)單獨(dú)的壓力系統(tǒng)，地質(zhì)情況規(guī)律性差。另外，地層壓力、漏失壓力橫向變化較大，多口井在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)了溢漏并存、由漏轉(zhuǎn)噴等復(fù)雜情況，安全密度窗口窄，不利于水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 地層承壓能力低

固井過程中低壓力層易發(fā)生漏失[3]，英西地區(qū)在地層均發(fā)生漏失，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。截至2019 年1 月4 日，在該區(qū)塊共鉆探100 口井，84 口井發(fā)生過井漏，其中溢流和井漏均出現(xiàn)過的井有41 口，井漏發(fā)生率為84%，發(fā)生井漏674 次，平均單井漏失8.02 次。水平井開發(fā)目的層E32漏失最為頻繁、嚴(yán)重，在該層發(fā)生漏失的井為60 口，漏失概率為60%，占漏失總量的60.46%，單井平均漏失次數(shù)為5.58 次。

表1 英西地區(qū)井漏情況統(tǒng)計(jì)

1.3 水平段長、下套管難度大

英西獅子溝深層水平井水平段長，三開裸眼井段不僅有直井段，還有彎曲井段和水平段，為了保證油層的鉆遇率，井眼軌跡經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。水平井固井時(shí)，為了保證水平段套管居中度，扶正器安放和井眼軌跡不規(guī)則帶來的摩擦阻力，進(jìn)一步加大了下套管的難度。

1.4 環(huán)空間隙小，施工排量受限

英西區(qū)塊水平井三開采用φ165.1 mm 鉆頭完鉆，下入φ127 mm 油層套管固井，環(huán)空間隙為19.05 mm，單邊寬度不到10 mm，完鉆時(shí)循環(huán)排量在12～16 L/s，受地層承壓能力和施工泵壓的影響，現(xiàn)場固井施工排量基本控制在8～12 L/s。按照壁面剪應(yīng)力理論，環(huán)空返速1 m/s 才能保證有效頂替，井徑擴(kuò)大率按5%計(jì)算，固井施工排量至少保證11 L/s。

1.5 水泥漿性能要求高

水泥漿作為影響水平井固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對其性能有著嚴(yán)格的要求，除了水平井對水泥漿常規(guī)性能要求之外，還要求具有一定的韌性和觸變性。韌性可滿足水泥石抗壓、抗沖擊等力學(xué)性能的要求，有利于保證水泥環(huán)的完整性；觸變性可以有效防漏，同時(shí)可以抵抗地層流體的侵蝕，防止竄流的發(fā)生。

2 工藝技術(shù)措施

2.1 井眼準(zhǔn)備

井眼準(zhǔn)備是水平井下套管及實(shí)施固井作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要技術(shù)措施有：①從電測到下套管前，必須采用不低于套管剛度的滿眼鉆具組合通井，模擬套管剛性使用單扶、雙扶通井到底2 次，對于不規(guī)則井眼，還要進(jìn)行三扶通井，確保井眼暢通；②通井到底后，大排量循環(huán)（環(huán)空返速大于1 m/s）至少2 周，破壞水平段堆積的巖屑床，保證井眼清潔；③固井前，在保證壓穩(wěn)地層和井壁穩(wěn)定的前提下，降低鉆井液的密度、切力和黏度等性能，或注入黏度較低的先導(dǎo)鉆井液，提高其流動性，保證水泥漿的頂替效率。推薦鉆井液性能調(diào)整可參考表2。

表2 推薦鉆井液性能調(diào)整表

2.2 提高地層承壓能力

提高地層承壓能力能較好地預(yù)防井漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以擴(kuò)大安全密度窗口，為水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工排量優(yōu)化提供指導(dǎo)依據(jù)。針對英西區(qū)塊裂縫性地層引起的漏失，目前主要通過橋接堵漏技術(shù)和酸溶堵漏技術(shù)來封堵漏失層。橋接堵漏技術(shù)是通過不同粒徑的小顆粒材料和纖維復(fù)配在漏失層形成搭橋進(jìn)行堵漏；酸溶堵漏技術(shù)以酸溶材料為主要基材，該材料可溶率大于98%，不僅堵漏效果良好，同時(shí)可消除對儲層的污染。表3 是英西4 口井現(xiàn)場堵漏承壓情況。

高效液相色譜切換波長法同時(shí)測定辛夷鼻炎丸中4種成分的含量 ………………………………………… 黃莉莉等（5）：625

表3 堵漏配方及承壓效果

2.3 提高水平段管柱居中度

水平井固井中，如果套管居中度較低，鉆井液驅(qū)替難度會大幅增加，嚴(yán)重影響水泥漿頂替和水平段固井質(zhì)量。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了保證套管居中度不小于67%，必須使用扶正器來提升套管居中度[7]。針對英西水平井井眼情況，在提高水平段套管居中度，同時(shí)確保套管順利下到位的前提下，根據(jù)固井質(zhì)量和體積壓裂時(shí)水泥環(huán)封固情況，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，采用固井軟件模擬優(yōu)化并制定了該區(qū)塊扶正器安放方案：①水平段3 根套管加2 只扶正器，整體彈性扶正器和螺旋滾輪扶正器交替加入；②裸眼段2 根套管加1 只滾輪扶正器；③重合直井段3 根套管加1 只整體彈性扶正器。

2.4 優(yōu)化入井流體流變性能

水平井固井中，入井流體的流變性能對于提高頂替效率起著決定性作用。目前英西區(qū)塊水平井入井流體設(shè)計(jì)整體遵循流變梯度遞增的規(guī)律，另外通過降低沖洗型隔離液稠度系數(shù)值、提高對環(huán)空滯留鉆井液的剪切應(yīng)力達(dá)到有效沖洗的效果；同時(shí)按表2 中鉆井液性能調(diào)整技術(shù)要求進(jìn)行降黏、降切處理，通過設(shè)計(jì)領(lǐng)漿、尾漿遞增的塑性黏度和動切力，進(jìn)一步提高對鉆井液的頂替效率，確保水平段固井質(zhì)量。目前該設(shè)計(jì)理念在英西獅子溝水平井固井中得到推廣應(yīng)用，并取得良好的固井效果。表4 是獅41H2-1-506 井固井時(shí)流體的流變性能數(shù)據(jù)。

表4 獅41H2-1-506 井水泥漿、前置液和鉆井液的流變性能（90 ℃）

2.5 引入“漂浮固井”技術(shù)

漂浮固井技術(shù)是解決套管居中度的有效方法之一，該技術(shù)能下入更多、更大外徑的套管扶正器，最大程度地提高套管居中度，保證頂替效率，從而達(dá)到提高水平井固井質(zhì)量的目的。采用“漂浮固井”的原理，在替漿過程中水平段用清水頂替，加大水平段套管內(nèi)外的密度差，使其“漂浮”在水泥漿中。根據(jù)相關(guān)理論研究計(jì)算結(jié)果，在水平井段套管外環(huán)空為1.9 g/cm3水泥漿的情況下，套管內(nèi)充滿1.0 g/cm3的清水比套管內(nèi)充滿1.9 g/cm3鉆井液時(shí)其有效重量會減少50%左右，從而產(chǎn)生一個(gè)使套管串向上的漂浮趨勢[8]。

2.6 采用重帽水泥漿技術(shù)

重冒水泥漿技術(shù)是領(lǐng)漿密度高于尾漿密度的雙凝雙密度漿柱結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)理念是通過增加水泥漿和鉆井液之間的密度差，達(dá)到提高頂替效率的目的。根據(jù)地層承壓能力，目前英西水平井固井中領(lǐng)漿密度高于鉆井液密度在0.10～0.15 g/cm3之間；尾漿主要采用綜合性能良好的1.9 g/cm3常規(guī)密度水泥漿，該水泥漿在水平井段對壓穩(wěn)地層無貢獻(xiàn)，主要滿足大規(guī)模體積壓裂時(shí)水泥石力學(xué)性能和長期密封完整性的技術(shù)需求。

2.7 優(yōu)選水擊波振蕩固井技術(shù)

振蕩固井技術(shù)可有效提高頂替效率和二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。英西水平井振蕩固井采用的是井下低頻水力脈動發(fā)生裝置，該裝置一般通過螺紋連接在浮箍下面，PDC 鉆頭可鉆。當(dāng)流體通過時(shí)，振動裝置產(chǎn)生響應(yīng)發(fā)出水力脈沖，水力脈沖使流體在環(huán)空上返時(shí)帶有波及能量，對井壁和套管外壁產(chǎn)生高速脈沖沖洗。另外，前期振動固井機(jī)理研究已經(jīng)證實(shí)了振動對水泥漿初終凝過渡時(shí)間的有利作用[9-10]，振蕩固井在一定程度上可抑制水泥漿膠凝失重，對于防竄有積極作用。

3 水泥漿技術(shù)

3.1 自愈合水泥漿技術(shù)

將自愈合材料應(yīng)用于固井中，使其具備對微裂縫和微間隙的自愈合能力，對于維持固井水泥環(huán)的有效性，延長油氣井的生產(chǎn)壽命，提高生產(chǎn)效益，具有非常重要的意義[11]。自愈合水泥是在水泥漿中加入自愈合材料，當(dāng)水泥環(huán)產(chǎn)生微裂縫和微間隙時(shí)，油氣會沿微裂縫或微間隙竄流而激活自愈合材料，自愈合材料體積發(fā)生膨脹，體積膨脹后的自愈合材料可以對微裂縫進(jìn)行堵塞，實(shí)現(xiàn)了固井水泥環(huán)微裂縫的自修復(fù)，從而抑制油氣竄流[12-14]。

3.1.1 力學(xué)性能

英西水平井開發(fā)屬于低孔超低滲油氣藏，主要采用體積壓裂增產(chǎn)的方式開采，體積壓裂要求水泥石具有一定的韌性，即具有低彈性模量、高泊松比的力學(xué)特征。摻有自愈合劑BCY-200S 的水泥漿形成的水泥石，可以承受較大的徑向變形，防止在增產(chǎn)作業(yè)時(shí)，由于振動或撞擊引起水泥環(huán)破碎，影響水泥環(huán)封隔性能。表5 是空白水泥石與自愈合劑不同摻量時(shí)，水泥石力學(xué)性能數(shù)據(jù)。由表5 可知，在常規(guī)水泥漿中，自愈合劑BCY-200S 摻量為5%時(shí)，水泥石具有較高的抗壓強(qiáng)度和較低的彈性模量，具有彈性水泥的特性，可滿足水平段體積壓裂改造的技術(shù)需求。

表5 水泥石力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3.1.2 膨脹性能

自愈合水泥漿的核心材料是自愈合劑BCY-200S。在開采或鉆進(jìn)時(shí)，受外界作用力的影響，水泥環(huán)容易產(chǎn)生微裂縫或微間隙導(dǎo)致油氣竄流，自愈合材料與竄流的油氣作用產(chǎn)生體積膨脹，達(dá)到封堵竄流通道目的，實(shí)現(xiàn)水泥石完整性自我修復(fù)。表6 為模擬不同流體介質(zhì)中自愈合劑BCY-200S 的膨脹情況。由表6 可以看出，自愈合劑BCY-200S 在遇到小分子竄流時(shí)（通常在8 個(gè)碳以下），通過自身的膨脹性能，可達(dá)到對竄流通道的自我修復(fù)能力。

表6 自愈合劑BCY-200S 在不同模擬介質(zhì)中膨脹比例

3.2 基體抗侵防竄水泥漿技術(shù)

油氣井注水泥后，水泥環(huán)空的氣竄問題是亟待解決的重大技術(shù)難題，采用防竄水泥漿固井技術(shù)是防止環(huán)空發(fā)生氣竄的重要措施之一。以防竄劑BCG-200L 產(chǎn)品為核心的水泥漿技術(shù)采用“靜止堵漏”的原理，通過提高水泥漿的塑性黏度和動切力，增強(qiáng)體系的觸變性，增大漿體對地層的滲流阻力，同時(shí)通過縮短稠化時(shí)間，降低施工和候凝期間漏失和竄流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.1 觸變性能

基體抗侵防竄水泥漿技術(shù)具有一定的觸變性，有利于防止漏失的發(fā)生。不同溫度下水泥漿性能評價(jià)結(jié)果見表7?，F(xiàn)場使用水泥漿配方如下。

加砂水泥+5.0%自愈合劑BCY-200S+1.5%分散劑CF40L+5.0%防竄降失水劑BCG-200L+37.0%水+0.2%消泡劑G603

表7 不同溫度下水泥漿流變性能

由表7 可以看出，隨著溫度的升高，水泥漿體系塑性黏度降低，動切力增加，有利于提高對鉆井液的驅(qū)替；另外，10 s 和10 min 的靜切力差值不斷增大，差值越大，說明觸變性越強(qiáng)，頂替到位后水泥漿靜止堵漏效果越好。通過室內(nèi)評價(jià)、現(xiàn)場施工和固井質(zhì)量分析，英西水平井循環(huán)溫度在100 ℃以內(nèi)時(shí)，防竄降失水劑摻量為5%的水泥漿體系即具有良好的觸變堵漏效果，同時(shí)滿足現(xiàn)場施工要求和工程質(zhì)量要求。

3.2.2 防竄性能

目前防竄性能評價(jià)主要有3 種方法，SPN系數(shù)法、水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5504.5—2010。用上述3 種實(shí)驗(yàn)方法分別考察基體抗侵防氣竄性能，結(jié)果見表8、圖1～圖4，綜合3 種評價(jià)方法可知，該體系具有良好的防竄效果。

表8 不同溫度下水泥漿SPN 防竄性能評價(jià)

圖1 50 ℃水泥漿靜膠凝發(fā)展曲線

圖2 90 ℃水泥漿靜膠凝發(fā)展曲線

圖3 50 ℃水泥漿竄流評價(jià)實(shí)驗(yàn)

圖4 90 ℃水泥漿竄流評價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.3 沖洗型隔離液技術(shù)

英西水平井三開完井鉆進(jìn)過程中，為了防止卡鉆、憋堵等工程事故，同時(shí)為了降低對儲層的污染，通常選用含油鉆井液體系。為了保證固井施工過程的安全，同時(shí)提高對含油鉆井液體系的驅(qū)替效果，通過優(yōu)化隔離液懸浮劑、稀釋劑、加重劑和沖洗劑成分和組成，形成了以BCS-110L 油基沖洗液為主的沖洗型隔離液體系。表9 是沖洗型隔離液與鉆井液和水泥漿三相混漿的流變數(shù)據(jù)。表10 是用接觸角評價(jià)沖洗型隔離液沖洗效果。目前英西沖洗隔離液基準(zhǔn)配方如下。

100.0 g 水+（0.2 g～1.0 g）緩凝劑BXR-200L+（1.0 g～2.0 g）稀釋劑BCS-021L+（1.0 g～2.0 g）懸浮劑BCJ-300S+5.0 g 沖洗劑BCS-110L+重晶石

表9 水泥漿、隔離液和鉆井液混漿的流變參數(shù)表（90 ℃）

表10 BCS-110L 沖洗型隔離液沖洗效率評價(jià)（90 ℃）

由表9 可以看出，三相混漿相容性較好,可以保證固井施工安全。由表10 可知，當(dāng)BCS-110L濃度為5%時(shí)，接觸角為零，即沖洗效果良好。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

獅49X 井為英西區(qū)塊的一口水平井，完鉆井深為5345 m，垂深為4367.6 m，水平段長為850 m，完鉆鉆井液密度為1.90 g/cm3。固井施工要求水泥漿一次上返且固井質(zhì)量合格，滿足后續(xù)體積壓裂開發(fā)的工程需求。該井下套管前采用φ158.75 mm 尺寸單扶、雙扶各通井一次，地層承壓當(dāng)量密度為2.27 g/cm3。通過液柱壓力計(jì)算，并考慮施工摩阻和承壓數(shù)據(jù)，確定水泥漿體系領(lǐng)漿采用2.15 g/cm3抗鹽水泥漿體系、尾漿采用1.90 g/cm3防竄自愈合水泥漿體系、隔離液采用2.0 g/cm3沖洗型隔離液體系。套管管柱結(jié)構(gòu)為：浮鞋+套管1 根+多級水擊波固井裝置+浮箍+套管1 根+浮箍+套管串+聯(lián)頂節(jié)；扶正器安放為4495～5345 m 井段3 根套管加2 只扶正器，彈性扶正器和滾輪扶正器交替安放；3700～4495 m 井段2 根套管加1 只滾輪扶正器，0～3700 m 重合段3 根套管加1 只彈性扶正器。固井施工前，循環(huán)排量為14 L/s、泵壓為8 MPa，井眼清潔、暢通；鉆井液塑性黏度為65 mPa·s、動切力為12 Pa，滿足固井前的性能要求。

該井于2019 年5 月5 日實(shí)施固井作業(yè)，注入20 m3低黏先導(dǎo)鉆井液、12 m3沖洗型隔離液、50 m3抗鹽水泥漿作為領(lǐng)漿和32 m3防竄自愈合水泥漿作為尾漿，水平段替8 m3清水作為壓塞液，替漿總量為47.2 m3，碰壓正常，水泥漿成功返出地面，關(guān)井候凝。整個(gè)施工過程順利，72 h 測井結(jié)果顯示，質(zhì)量優(yōu)良井段為85.2%，水平段膠結(jié)良好，全井合格率為100%，滿足甲方要求和下一步體積壓裂開采的工程需求。

5 結(jié)論

1.英西深層水平井固井核心問題是防漏與頂替，通過優(yōu)化固井工藝，合理設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)和流變參數(shù)，可有效提高該區(qū)塊水平井固井質(zhì)量，滿足水平段體積壓裂改造的技術(shù)需求。

2.自愈合劑屬于多功能材料，可以有效封堵水泥石出現(xiàn)的微裂縫，抑制油氣竄流；同時(shí)具有彈性水泥特征，可以保證水泥環(huán)長期密封完整性。

3.基體抗侵防竄水泥漿體系具有一定觸變性和較強(qiáng)的內(nèi)部黏滯力，具有良好的“靜止堵漏”效果，同時(shí)可降低竄流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。