張繼尹 鄧天安 范希連 李玉飛 溫真桃

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局固井公司 3.中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院)

隨著鉆井技術(shù)水平進(jìn)步，川西溪廟組水平井井身結(jié)構(gòu)由三開(kāi)制優(yōu)化為兩開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，Φ244.5表層套管下深500m～800m，Φ139.7油層套管下深2800m～3300m，水平段長(zhǎng)500m～1000m。由于同一裸眼井段長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、壓力梯度相差大、高壓氣層活躍以及測(cè)井工具局限等原因，使得水平井固井施工面臨很大難度，難以保證水平井長(zhǎng)效封固質(zhì)量，直接影響著氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)。為此，本文針對(duì)固井存在的難點(diǎn)開(kāi)展相關(guān)研究，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)固井，達(dá)到了提高川西中淺層水平井固井質(zhì)量的目的。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)

(1)地質(zhì)條件復(fù)雜、存在高壓氣層容易引起氣竄

以JS21和JS23為主力產(chǎn)層的水平井，自上而下鉆遇K1j、J3p、J3sn及J2s地層，地層巖性致密、非均質(zhì)性強(qiáng)、裂縫性氣層發(fā)育且屬于高壓氣層，鉆井液密度達(dá)1.77 g/cm3～1.98g/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)同類(lèi)型氣藏(如大牛地氣藏)，造成了川西水平井固井在高密度條件下施工難度及調(diào)整水泥漿性能難度顯著增大；同時(shí)由于固井封隔段長(zhǎng)(3000m±)，裸眼段長(zhǎng)(2500m±)，水泥漿柱長(zhǎng)，候凝時(shí)水泥漿“失重”嚴(yán)重，客觀上使得油層套管固井過(guò)程中極易發(fā)生氣竄而影響固井質(zhì)量。

(2)套管下入困難且不易居中，影響固井質(zhì)量

由于地質(zhì)條件復(fù)雜、定向施工水平等原因，常會(huì)出現(xiàn)井眼軌跡全角變化率大(XS21-2H井在2215.27m狗腿度達(dá)42.46°/100m)、實(shí)鉆井眼軌跡差，斜井段出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)狗腿度極值拐點(diǎn)(XS21-8H井水平段“W”井眼軌跡)、井徑擴(kuò)大率大(XS23-3H井?dāng)U大率為17.46%)、鉆井液密度高、水平段長(zhǎng)等工程問(wèn)題，大大增加了下套管的摩擦阻力(XS21-8H井起下鉆摩阻達(dá)60t～80t)，從而使套管下到設(shè)計(jì)井深非常困難。加之水平井段未測(cè)井作業(yè)和套管所受的重力方向?yàn)閺较?，致使套管扶正器選型困難、造斜點(diǎn)以下井段居中度不高，固井頂替過(guò)程中窄間隙處漿體難以流動(dòng)，從而影響水泥漿的頂替效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆井液竄槽。

(3)鉆井液密度高且含油，影響頂替效率及膠結(jié)質(zhì)量

川西地區(qū)地層壓力系數(shù)高，鉆井液密度大，與水泥漿密度差??；為徹底清除大井斜井段低邊沉積的巖屑，鉆井液粘度高；為減小作業(yè)過(guò)程中的摩阻扭矩，采用含油8%左右的聚磺混油鉆井液。以上鉆井液性能對(duì)頂替效率、膠結(jié)質(zhì)量造成很多不利影響。

2 相關(guān)技術(shù)對(duì)策

2.1 防竄性能水泥漿體系的選擇

針對(duì)川西沙溪廟組水平井固井有氣竄等工程風(fēng)險(xiǎn)，以水泥漿性能系數(shù)(SPN)和阻力系數(shù)法(A)為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，濾失量、自由水和凝結(jié)過(guò)渡時(shí)間是防氣竄水泥漿的關(guān)鍵性能，因此，選擇了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系。該體系具有良好的防氣竄能力、稠化時(shí)間可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，API失水量為20ml/30min左右，過(guò)渡時(shí)間為5min～10min(圖1)，防竄性能系數(shù)為0.6左右。圖2實(shí)驗(yàn)氣竄壓力為3.2MPa，溫度80℃，塑性膨脹防氣竄水泥漿體系失重曲線顯示，失重壓力從4MPa到水泥漿凝固之間的時(shí)間很短，說(shuō)明固井過(guò)程中不會(huì)發(fā)生氣竄。

圖1 塑性膨脹防氣竄水泥漿稠化曲線

圖2 塑性膨脹防氣竄水泥漿體系失重曲線

2.2 選擇套管扶正器及合理安放

針對(duì)套管下入困難且不易居中的問(wèn)題，要求套管扶正器解決高復(fù)位力和低啟動(dòng)力、低摩擦因數(shù)和高耐沖擊強(qiáng)度等矛盾。彈性扶正器可應(yīng)用在各種形狀和尺寸的井眼中，但在產(chǎn)生高扶正力的同時(shí)也產(chǎn)生了較大的啟動(dòng)力，存在下入阻力較大及復(fù)位力有限等缺陷。剛性扶正器具有很高的支撐力和較低的啟動(dòng)力或移動(dòng)力，能夠使套管柱順利下入而又保持較高的居中度，但對(duì)井眼規(guī)則程度要求較高，不能用在有縮徑井段或有大肚子井段。所以在設(shè)計(jì)使用過(guò)程中，采用剛性、彈性交錯(cuò)安放方式，既保證了套管居中，同時(shí)也不至于使套管下入時(shí)摩阻增加過(guò)大而影響下套管作業(yè)。

2.3 套管下入技術(shù)

(1)下套管摩阻預(yù)測(cè)

在水平井中，由于管柱自重、井眼曲率、井徑、地層摩阻等多種因素，使得在套管下入過(guò)程中存在較高的摩阻力，直接制約著套管柱能否通過(guò)彎曲井段下入預(yù)定井深。在井眼軸線坐標(biāo)系上任取一弧長(zhǎng)ds為的微元體AB，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，以A點(diǎn)為始點(diǎn)，其軸線坐標(biāo)為s，B點(diǎn)為終點(diǎn)，其軸線坐標(biāo)為s+ds，單元體受力(圖3)，建立微元段平衡方程(1)。

圖3 微元段套管柱受力分析

(1)

根據(jù)川西沙溪廟組水平井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況，摩擦系數(shù)取值套管內(nèi)0.20，裸眼段內(nèi)0.30，則采用常規(guī)下入法時(shí)套管最大下入深度臨界條件如式(2)，為下套管作業(yè)提供了理論指導(dǎo)。預(yù)測(cè)有效下放力Fm，總摩阻力Ff。

F游+Fm=Ff

(2)

(2)通井模擬技術(shù)

川西沙溪廟組水平井實(shí)鉆軌跡差，下套管前通過(guò)采用模擬套管尺寸和剛度的鉆具結(jié)構(gòu)、多次通井的方式通井，提高井徑的規(guī)則程度，是確保套管順利下到設(shè)計(jì)井深的重要保證。本體剛度對(duì)比如式(3)所示，要求C≥1.00。若通井作業(yè)順利，則說(shuō)明套管能一次性下入到設(shè)計(jì)井深；若通井作業(yè)不順利，則需改變鉆具組合來(lái)通井。

(3)

2.4 提高頂替效率技術(shù)

(1)優(yōu)選前置液類(lèi)型及合理用量以提高頂替效率

針對(duì)完鉆鉆井液含油量(8%±)及套管和地層表面親油的問(wèn)題，在固井前注入一倍井筒容積不含油鉆井液作為先導(dǎo)漿以替換含油鉆井液，并選擇“乳化沖洗液+加重隔離液”前置液體系，沖洗液用量環(huán)空占250m左右，隔離液占環(huán)空300m左右，使其有效隔離鉆井液與水泥漿、提高水泥漿的頂替效率、改善界面膠結(jié)質(zhì)量。

(2)流變學(xué)模擬計(jì)算

針對(duì)川西沙溪廟組水平井井眼條件，根據(jù)頂替機(jī)理，采用紊流頂替對(duì)提高頂替效率有著顯著的作用。根據(jù)具體水泥漿的流變性能模擬計(jì)算出合理的施工排量施工參數(shù)(圖4)，是提高固井質(zhì)量行之有效的重要手段。

圖4流變學(xué)模擬計(jì)算

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)一系列針對(duì)性措施的實(shí)施，大大提高了水平井各井段的固井質(zhì)量。表1是上述工藝措施實(shí)施前的川西沙溪廟組2007年-2009年4口水平井固井質(zhì)量與實(shí)施后的XS21-3H、XS21-4H等井固井質(zhì)量的對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，上述工藝措施不但可以大大降低水平井各井段的固井質(zhì)量不合格率，同時(shí)還提高了井口至造斜點(diǎn)和水平段固井質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)率。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)川西沙溪廟組水平井由于地質(zhì)條件復(fù)雜、高壓氣層活躍以及測(cè)井工具局限等原因，面臨包括環(huán)空氣竄、套管不易下入與居中、巖屑清除困難、頂替效率低等固井技術(shù)難點(diǎn)。

表1 油層套管固井質(zhì)量

(2)塑性膨脹防氣竄水泥漿體系適用于川西沙溪廟組水平井固井施工，具有防氣竄效果好、稠化時(shí)間可調(diào)、固井質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

(3)成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)表明，選擇塑性膨脹防氣竄水泥漿體系及剛性與彈性套管扶正器并合理交錯(cuò)安放、預(yù)測(cè)下套管摩阻與通井模擬、優(yōu)選前置液類(lèi)型并合理用量及根據(jù)具體水泥漿流變性能模擬計(jì)算出合理施工排量以提高頂替效率等一系列技術(shù)措施，能有效提高井口至造斜點(diǎn)和水平段固井質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)率，并為川西沙溪廟組水平井固井提供可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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