辛 榮

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411）

隨著國內(nèi)頁巖油氣等非常規(guī)資源的規(guī)?；碧介_發(fā)，之前依靠常規(guī)鉆完井技術(shù)難以動用的儲量，目前正以“長水平段水平井+體積壓裂”的方式進(jìn)行有效的開發(fā)，推動著水平井鉆完井技術(shù)的日趨完善與進(jìn)步。由于水平井固井的特殊性，固井質(zhì)量一直較難以保障。而非常規(guī)資源普遍需要進(jìn)行大規(guī)模的體積壓裂，這對水平段套管的固井質(zhì)量提出了更高的要求。因此如何提高水平井固井質(zhì)量這一長期存在的課題正面臨更為艱巨的挑戰(zhàn)。

1 水平井固井主要技術(shù)難點

水平井尤其是長水平段頁巖油氣水平井，水平段井壁穩(wěn)定性較差，在水平段鉆進(jìn)期間由于井下壓力的波動、泥漿性能的變化、甚至鉆具的劃刮都易引起井壁失穩(wěn)剝落掉塊造成井眼憋堵；快速鉆進(jìn)時產(chǎn)生的大量巖屑難以充分返出，由于重力的作用易在大斜度井段和水平井段發(fā)生沉降，產(chǎn)生巖屑床，不但導(dǎo)致鉆進(jìn)時托壓、鉆井扭矩增大，而且不利于后期的下套管固井作業(yè)。因此如何保證井壁的相對穩(wěn)定，防止剝落掉塊、有效的處理巖屑床，為后期完井作業(yè)提供穩(wěn)定、暢通的井眼是關(guān)鍵。

水平井固井存在的共性難點主要有：

（1）套管順利下入預(yù)定位置并保持居中困難。由于鉆具組合特點、地層傾角變化、定向工程師技術(shù)水平等因素的影響，造斜段及水平段井眼軌跡的平滑程度可能并不理想，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生波浪形井眼。再疊加巖屑床以及井壁不規(guī)則的影響，隨著套管串在水平段井眼的不斷延伸，下入阻力會越來越大，下入速度越來越慢。以至于后期依靠套管串自重已不能下入而不得不采取頂驅(qū)下壓的方式下入，甚至有套管不能全部下入的情況發(fā)生，造成損失部分井段。

另一方面，為了保證套管居中度普遍會加密配置套管扶正器，大量的扶正器在套管下入過程中也會在一定程度上增加下套管阻力。一些頁巖油水平井油層套管串扶正器普遍采用造斜點以下每根套管加放一支整體式彈性扶正器，造斜點以上每兩根套管加放一支整體式彈性扶正器的方案。

（2）提高頂替鉆井液效率難度大。頁巖油氣水平段井眼井壁穩(wěn)定性差，易受井下壓力的擾動而失穩(wěn)，因此施工過程中必須謹(jǐn)慎。有部分井在完鉆通井環(huán)節(jié)由于開泵過快發(fā)生憋壓，造成井壁失穩(wěn)或者漏失，這一情況給后期施工帶來了較大不確定性，在固井環(huán)節(jié)不得不采取相對保守的施工措施，采取限壓限排量的方式，這樣就在一定程度上限制了頂替效率的提升。

而且水平段井眼環(huán)空頂替本身就易發(fā)生“指進(jìn)效應(yīng)”，水平段越長，“指進(jìn)效應(yīng)”越顯著[1]，導(dǎo)致沖洗頂替效果差；另一方面在斜井段及水平段鉆進(jìn)時形成的巖屑床以及在井眼低邊形成的鉆井液固相沉降，更加難以頂替干凈[2]，從而破壞了固井水泥環(huán)的完整性。

（3）水平段固井水泥環(huán)密封性差。水泥漿自身穩(wěn)定性差或者入井水泥漿密度太低造成水泥漿整體性能差，在水平段井眼上側(cè)形成了自由水槽，這將嚴(yán)重影響水泥環(huán)的密封性能，直接影響后期壓裂方案的制定和壓裂效果。

2 針對性技術(shù)手段

2.1 漂浮下套管及套管居中技術(shù)

下套管前的井眼準(zhǔn)備工作是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要制定切實可行的通井方案，一般要求采用雙螺扶且大于套管串剛度的鉆具組合進(jìn)行通井。并且要盡量的細(xì)化技術(shù)措施，包括通井鉆具組合的確定、遇阻噸位達(dá)到多少必須進(jìn)行劃眼處理、給定合理的劃眼參數(shù)等，總之通井工作要細(xì)致入微，目的是確保井眼暢通。通井到底后大排量（32L/s以上，根據(jù)井眼條件確定）循環(huán)洗井3周以上，同時在起鉆前要調(diào)整好鉆井液性能，降低鉆井液的粘切并提高其潤滑性，以減小套管串下入摩阻。

（1）漂浮下套管技術(shù)。漂浮下套管技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的下套管技術(shù)，在國內(nèi)各大油田普遍應(yīng)用。其原理是通過在套管串中加入漂浮短接，在其與浮鞋之間注入空氣或低密度介質(zhì)，利用浮力來減小套管下入阻力。根據(jù)實鉆井眼情況及鉆井液密度等參數(shù)來確定漂浮短接數(shù)量及加放位置；在套管順利下到設(shè)計位置后，通過鉆井泵加壓破碎漂浮短接盲板，重新建立循環(huán)。這項技術(shù)有其局限性，即如果下套管中途遇阻不得不循環(huán)鉆井液時，就需要將漂浮短接盲板破碎建立循環(huán)，導(dǎo)致其提前失效。

（2）扶正器加放方案。水平井完鉆后，依據(jù)實鉆井眼軌跡進(jìn)行下套管摩阻和套管居中度計算，并結(jié)合通井情況制定合理可行的套管扶正器加放方案。一般優(yōu)選強(qiáng)度大、摩擦系數(shù)較低的整體式彈性扶正器，也可在管串適當(dāng)位置加放滾輪扶正器以進(jìn)一步降低下入摩阻。原則上水平段、造斜段要每根套管加放一只扶正器，保證套管居中度不小于70%。

2.2 沖洗隔離一體化高效前置液體系

該前置液體系的特性是一體雙效，實現(xiàn)有效隔離和高效沖洗。防止水泥漿與鉆井液的接觸污染，并有效清除套管外壁及井壁處的虛泥餅，從而為水泥漿的膠結(jié)創(chuàng)造有利條件。

該體系具有以下特性：①強(qiáng)力去油污能力，實現(xiàn)界面潤濕反轉(zhuǎn)；②在較大的密度范圍內(nèi)均能表現(xiàn)出優(yōu)異的懸浮穩(wěn)定性能；③可對前置液的流變性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以適應(yīng)具體的施工條件；④該體系與水泥漿，油、水基泥漿相容性良好，保證施工安全。

2.3 零游離液微膨脹水泥漿體系

綜合性能良好的水泥漿體系是保障水平井固井質(zhì)量的重要條件。針對非常規(guī)水平井固井特點，開發(fā)出了一種具有零游離液、低失水量、微膨脹特性的水泥漿體系。

（1）水泥漿體系的組成和作用機(jī)理。該水泥漿體系由降失水劑、游離液抑制劑、膨脹劑等外加劑組成。其作用機(jī)理如下：

降失水劑為高分子水溶性聚合物，其分子鏈上的極性基團(tuán)可吸附于水泥顆粒表面，形成結(jié)構(gòu)緊密的濾餅，可降低滲透率和濾失量。

游離液抑制劑是一種線性高分子聚合物，其表面的大量活性基團(tuán)可在溶液中通過氫鍵作用形成膠狀聚集，能夠楔入水泥顆粒間的孔隙水，提高孔隙水的粘滯性，抑制游離液的產(chǎn)生。另外，這些極性基團(tuán)能形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水泥漿具有良好的穩(wěn)定性。

選用的膨脹劑是一種經(jīng)處理活化的非金屬礦物材料，可在塑性條件下與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，加快水泥漿的塑性強(qiáng)度發(fā)展。在水泥漿硬化后，其膨脹性的發(fā)展來自于反應(yīng)產(chǎn)物晶體的生長壓。這一壓力迫使相鄰顆粒發(fā)生位移，引起水泥石體積膨脹。

（2）水泥漿體系性能檢測。

①游離液試驗檢測：為了避免水泥漿在水平段和造斜段發(fā)生析水形成連通性水竄槽，需要有效控制水泥漿游離液。將不同水灰比的水泥漿體系在不同溫度、壓力條件下混配，再置入250mL 量筒內(nèi)，將其在不同的傾角下分別于76℃、95℃恒溫條件下靜置2h，測定游離液，結(jié)果見表1。

表1 不同水泥漿體系在各種狀態(tài)下的游離液

從表1可以看出：首先該水泥漿體系在水灰比0.44、0.55的情況下，在不同傾角下的游離液均為零，可避免水泥漿候凝期間水竄槽的產(chǎn)生。其次該水泥漿體系的游離液受溫度影響較小，說明具有較出色的抗溫能力。

②靜失水試驗檢測：水泥漿在井下壓差作用下產(chǎn)生的濾液進(jìn)入地層，不但會引起水泥漿體積的減小，造成水泥漿流動性變差，嚴(yán)重者可導(dǎo)致固井施工失??；疊加水泥漿凝固產(chǎn)生的體積收縮，可能引起微環(huán)隙，嚴(yán)重時導(dǎo)致竄流；因此必須有效減小水泥漿的失水。

試驗表明（見表2）：該水泥漿體系失水量均小于20mL/30min/6.9MPa。

表2 水泥漿體系在不同溫度下的失水量

③稠化時間試驗檢測：從圖1 中可知，該水泥漿體系稠化時間實驗曲線接近直角，過渡時間短，具有較好的抗竄能力。

圖1 稠化時間實驗曲線

④膨脹性能試驗檢測：從表3 可以看出，該水泥漿體系具有較高的抗壓強(qiáng)度、界面強(qiáng)度以及連續(xù)的膨脹性。

表3 水泥漿體系的膨脹性能及強(qiáng)度對比表

2.4 無固相加重頂替液

在固井作業(yè)中的頂替環(huán)節(jié)，頂替液的密度、固相含量、流變性等因素會直接影響到頂替效率及測井作業(yè)的一次成功率。使用清水或者泥漿進(jìn)行頂替的缺點與不足有：①穩(wěn)定性較差的泥漿易發(fā)生固相顆粒沉淀導(dǎo)致后期測井遇阻；②采用清水頂替，導(dǎo)致替壓高，排量受限，頂替效率較低[2]。應(yīng)用無固相加重頂替液可以應(yīng)對此類問題。

無固相加重頂替液由復(fù)合鹽加重劑、緩蝕劑等組成。該體系具有適應(yīng)密度范圍廣（1.00～1.41g/cm3），最高抗溫150℃，可有效降低替壓4.0MPa/km（與清水相比）。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

綜合運(yùn)用以上固井技術(shù)手段，在油田內(nèi)中淺層水平井、致密油水平井及部分頁巖油水平井中開展現(xiàn)場試驗27 口井，水平段長度分布在780～2100m 范圍內(nèi)，均成功實現(xiàn)了套管一次下入預(yù)定位置；使用最新設(shè)計軟件進(jìn)行套管居中度設(shè)計，確定扶正器加放方案，保證套管居中度達(dá)到70%以上。

針對不同施工條件配制的高效一體式前置液體系可按設(shè)計實現(xiàn)紊流或塞流頂替，最大程度地提高沖洗頂替效果。無固相頂替液的應(yīng)用可平均降低頂替壓力4～9MPa，有效保障了頂替后期的施工排量。

統(tǒng)計的27 口水平井水平段固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到74.6%，較前期提高約18%，取得了很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

（1）井眼軌跡的平滑、井眼的穩(wěn)定暢通是確保水平井完井作業(yè)成功率的關(guān)鍵，下套管前的井眼準(zhǔn)備工作要細(xì)致入微，為后期完井作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

（2）提高頂替效率要首先降低鉆井液的粘切，使其易驅(qū)替，再從提高套管居中度、優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)、創(chuàng)造大排量頂替條件等多方面綜合考慮。

（3）水泥漿的微膨脹特性可以封閉竄槽成長空間、有效提高固井二界面強(qiáng)度，有利于保證水泥環(huán)完整性和井筒密封性。