何立成

（中石化勝利石油工程有限公司,山東東營 257000）

勝利油田頁巖油藏主要分布于濟陽坳陷沾化凹陷和東營凹陷，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]。頁巖油儲層物性差，一般為泥質灰?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才能實現(xiàn)有效開發(fā)[7]，儲層改造體積很大，為保證井筒密封完整性，對水泥環(huán)強度及彈塑性能要求很高。同時，勝利油田沙河街組頁巖油水平井還存在水平段長、井壁穩(wěn)定性差和壓力體系復雜等問題，導致固井作業(yè)時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，并采取了應用整體式扶正器、漂浮頂替技術、偏心引鞋輔助套管下入技術等配套技術措施，初步形成了勝利油田沙河街組頁巖油水平井配套固井技術，并在預探井YYP1 井進行了現(xiàn)場試驗，一界面固井質量優(yōu)質、二界面固井質量合格。

1 固井技術難點

1）油基鉆井液清洗困難。頁巖油水平井的水平段較長，鉆井過程中井壁失穩(wěn)風險大、管柱摩阻大，因此多采用油基鉆井液鉆進。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)場應用表明，油基鉆井液能保持頁巖地層井壁穩(wěn)定，且使井眼擴大率不大于5%，保障了安全高效鉆井完井[9-11]。固井作業(yè)時，常規(guī)前置液與油基鉆井液的相容性差，易提前稠化導致無法正常固井施工[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，不易形成良好的潤濕反轉效果，嚴重影響水泥環(huán)膠結質量。例如，BYP5 井一界面優(yōu)質率80%，二界面優(yōu)質率61%。

2）長封固段固井對水泥漿性能要求高。勝利油田沙河街組頁巖油藏具有埋藏深（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120 ℃）和壓力體系復雜等特點，水平井水平段長度超過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)生微間隙導致層間竄流[14]。另外，沙河街組頁巖儲層微裂縫發(fā)育，固井作業(yè)時存在較大的井漏風險，要求水泥漿具有一定的防漏堵漏性能，且需要合理設計漿柱結構。

3）后期增產(chǎn)措施對水泥環(huán)膠結質量要求高。由于頁巖油儲層為低孔低滲儲層，需要采取大型壓裂增產(chǎn)措施進行開發(fā)，易造成水泥石破碎或形成微裂縫。同時，壓裂作業(yè)時套管會因受壓受熱而發(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，儲層流體容易對水泥環(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。由于頁巖油水平井的水平段較長，固井時受重力影響，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，導致鉆井液及巖屑不易清除，影響水平段固井質量。

2 固井關鍵技術

針對上述固井技術難點，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度等方面進行攻關研究，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措施，形成了勝利油田沙河街組頁巖油水平井固井技術。

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，達到潤濕反轉目的，提高界面膠結質量，研制了兩親沖洗隔離液體系，并對其主要性能進行了室內評價，其配方為9.0%表面活性劑+4.5%潤濕反轉劑+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2 h，再在室溫下老化7 d，測量上部、中部和下部的密度，評價其懸浮穩(wěn)定性。試驗結果發(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，可以防止長水平段固井過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

針對套管表面附著的油膜和井壁上的濾餅，分別利用相關試驗裝置對兩親沖洗隔離液的沖洗效率進行了測試。

1）油膜沖洗效率試驗。在室溫下將特制瓷板（質量為W0）豎直放入裝有油基鉆井液的燒杯中浸泡12 h 后取出，稱其質量為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間，然后取出瓷板稱其質量為W2，沖洗效率即為油膜損失質量（W1-W2）與油膜質量（W1-W0）的比值，試驗結果見表1。由表1可以看出，沖洗時間為10 和20 min時，兩親沖洗隔離液對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結果Table 1 Test results of flushing efficiency of oil film by amphiphilic flushing spacer

2）濾餅沖洗效率試驗。應用旋轉黏度計測量沖洗效率的步驟為[15]：測量200 mL 漿杯的質量為W′0、25 目篩子質量為W′2；在常溫、壓力6.9 MPa 下濾失30 min 制得濾餅，并固定于漿杯內壁，漿杯及濾餅的總質量為W′1；將120 mL 隔離液加入漿杯中，旋轉黏度計在600 r/min 轉速下沖洗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，測量篩子與殘餅的總質量為W′3、濾紙質量為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量與凈濾餅質量的比值，即：沖洗效率=[（W′1-W′0）-（W′3-W′2）]/（W′1-W′0-W′4）。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算得到兩親沖洗隔離液對濾餅的沖洗效率為92.41%。

沖洗效率試驗結果表明，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，改善界面潤濕性，起到潤濕反轉的作用。

2.1.3 相容性試驗

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，觀察發(fā)現(xiàn)油基鉆井液和兩親沖洗隔離液混合后沒有發(fā)生增稠、絮凝現(xiàn)象，表明兩者具有良好的相容性；然后，利用旋轉黏度計測量混合液在溫度88 ℃下的流變參數(shù)，結果見表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切力降低，表明兩親沖洗隔離液對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結果Table 2 Test results of compatibility between oil-base drilling fluid and amphiphilic flushing spacer

2.2 水泥漿體系設計

勝利油田沙河街組頁巖油水平井固井面臨高溫高壓、長水平段、體積壓裂對水泥環(huán)膠結質量要求高等需求，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滿足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滿足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巖油水平井固井要求，直井段和斜井段固井設計采用纖維膨脹水泥漿體系，配方為G 級水泥+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，在該體系中加入復合纖維堵漏材料，以形成三維空間網(wǎng)架結構，實現(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，能改善水泥石力學性能，降低水泥石的彈性模量，從而滿足頁巖儲層長水平段固井及后期壓裂開發(fā)的需求[17]。2 種水泥漿體系的基本性能見表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 水泥石力學性能試驗

根據(jù)行業(yè)標準《油井水泥石性能試驗方法》（SY/T 6466—2016），測試2 種水泥漿凝固后水泥石的力學性能參數(shù)，并計算彈性模量[18-19]，結果見表4。由表4可以看出，水泥石具有較高的抗壓強度，且彈性模量均小于7 GPa，具有良好的抗變形能力，能夠滿足大型壓裂對水泥環(huán)膠結質量的要求。

表4 水泥石力學性能試驗結果Table 4 Test results of mechanical properties of cementstone

2.2.2 防竄性能評價

采用靜膠凝強度分析儀、增壓稠化儀和濾失儀，測量了塑性膠乳防竄水泥漿的靜膠凝過渡時間和稠化過渡時間，以評價其防竄性能[20-21]。測得塑性膠乳防竄水泥漿的靜膠凝過渡時間為24 min，稠化過渡時間為16 min。經(jīng)計算該水泥漿的SPN為1.9，表明其具有良好的防竄性能。

2.2.3 防漏性能評價

基于高溫高壓濾失儀，改造得到了水泥漿防漏性能評價裝置，基本原理如圖1所示，將一個帶孔或縫的金屬板放置在濾失筒底部，通過氮氣加壓至7 MPa

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

注：1）試驗條件為0.1 MPa×30 ℃；2）試驗條件為0.1 MPa×90 ℃；3）試驗條件為30 MPa×124 ℃。并穩(wěn)壓10 min，測量水泥漿通過孔板或縫板的濾液質量，評價水泥漿的防漏堵漏效果[22-23]。分別采用φ1.0 mm 孔板和縫板，進行纖維膨脹水泥漿在加入復合纖維材料前后的防漏性能評價試驗。結果發(fā)現(xiàn)，未加入復合纖維材料的纖維膨脹水泥漿幾乎全部漏失，而加入復合纖維材料的纖維膨脹水泥漿的濾液質量分別占水泥漿總質量的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，進行流體相容性試驗，結果發(fā)現(xiàn)，混合液的稠度保持在10 Bc 以下，稠化時間超過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 配套固井技術措施

針對頁巖油水平井長水平段固井時套管居中度差、頂替效率低和套管下入困難等技術難點，采取了應用整體式彈性套管扶正器、偏心導向引鞋和環(huán)空加壓等固井技術措施。

1）應用整體式彈性套管扶正器[24]。整體式彈性扶正器具有強度高、啟動力小和復位力大等特點，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。模擬計算結果表明，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)空加壓技術措施[25]。在固井作業(yè)時，為避免水泥漿候凝過程中因失重導致油氣水竄，影響固井質量，采取了環(huán)空加壓技術措施（即環(huán)空憋壓3～5 MPa），使水平井眼內水泥漿當量密度達到1.90～1.95 kg/L，從而達到壓穩(wěn)地層的目的（儲層地層壓力系數(shù)為1.75～1.85）。

3）應用偏心導向引鞋。針對水平段和斜井段套管下入困難的問題，應用了偏心導向引鞋，以輔助下入套管。該引鞋設計為偏心錐形冠部，可引導套管串避開井眼內臺階，上部為硬質合金復合片，下套管過程中可進一步修整井壁；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計井深。

4）應用漂浮頂替技術。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)場試驗

YYP1 井是勝利油田部署在濟陽坳陷沾化凹陷渤南洼陷的一口水平預探井，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938.92 m，采用三開井身結構：一開，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，采用φ311.1 mm 鉆頭鉆至井深3 357.00 m，φ244.5 mm 技術套管下至井深3 356.00 m；三開，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巖油層，在鉆進4 674.68～4 687.00 m和4852.00～4902.00 m 井段、通井過程中共發(fā)生3 次井漏，累計漏失鉆井液85.2 m3。完鉆后靜止15 h測后效，鉆井液槽面見米粒狀無色透明氣泡，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，計算油氣上竄速度18.3 m/h。

YYP1 井三開井段固井套管串組合為偏心導向引鞋+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：井口至造斜點每5 根套管安放1 只，造斜點至A靶點每2 根套管安放1 只，A靶點至井底每1 根套管安放1 只。

該井三開井段固井施工時，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 鉆井液進行頂替，碰壓后環(huán)空憋壓3 MPa，6 h 后敞壓候凝。控制施工排量不大于1.0 m3/min，固井作業(yè)一切正常，候凝72 h 后聲幅測井結果顯示，一界面固井質量為優(yōu)質，二界面固井質量為合格。

4 結論與建議

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)空界面膠結條件，提高固井質量。

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度高與彈性模量低等特點，不但保證了頁巖油儲層長水平段固井質量，而且滿足了大規(guī)模體積壓裂對水泥石的性能要求。

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)場試驗表明，勝利油田沙河街組頁巖油水平井固井技術能夠解決頁巖油長水平段固井存在的技術難點，提高固井質量，滿足大規(guī)模體積壓裂對水泥環(huán)膠結質量的要求，建議在頁巖油開發(fā)中進行推廣應用。