劉華祺

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

水平井鉆井技術(shù)是高效開發(fā)低滲薄層油（氣）藏的最佳技術(shù)手段。隨著江漢油田勘探開發(fā)力度的進(jìn)一步加大，近兩年開始逐步開展低孔、低滲巖性油（氣）藏水平井開發(fā)的試驗(yàn)性研究，為了提高單井產(chǎn)能，擴(kuò)大油層的泄油面積，增加了水平段在油層中的穿行長(zhǎng)度，加大了固井的難度。因此，系統(tǒng)分析影響水平井固井質(zhì)量的各種因素，研究和探討長(zhǎng)水平段水平井固井技術(shù)，對(duì)于提高水平井固井質(zhì)量有著十分重要的意義。

1 影響水平井固井質(zhì)量的因素和難點(diǎn)

1）套管下入困難。由于水平段長(zhǎng)，造斜率高，在大斜度井段和水平井段套管對(duì)井壁的側(cè)壓力很大，從而大大增加了下套管摩擦阻力，使套管很難順利下至預(yù)定位置，尤其是較淺的水平井更為突出。

2）水泥漿頂替效率低。套管受自重作用會(huì)使水平段上下環(huán)空間隙不一樣，這樣相應(yīng)增大高邊寬環(huán)空間隙臨界紊流頂替排量，施工時(shí)出現(xiàn)層流頂替現(xiàn)象；低邊窄環(huán)空間隙中巖屑與虛泥餅含量高，相應(yīng)增大循環(huán)摩阻。因此在斜井段和水平段套管居中降低，直接影響水泥漿頂替效率。

3）泥漿中混有原油或油基泥漿影響水泥膠結(jié)質(zhì)量。在造斜和水平段鉆進(jìn)時(shí)，為了提高泥漿潤(rùn)滑性，泥漿中混入10% 左右原油，這樣在井壁和套管壁形成油膜，由于原油的疏水性，水泥漿凝固后在第一、二膠結(jié)面形成微環(huán)隙，從而影響水泥石與井壁和套管壁的界面膠結(jié)質(zhì)量。油基泥漿的使用使這一問題顯得更加突出。

4）水泥漿性能影響固井質(zhì)量。水平井固井時(shí)對(duì)水泥漿性能要求最為苛刻。水泥漿穩(wěn)定性差或析水量大，水泥顆粒會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，致使斜井段或水平段高邊形成水帶，影響水泥石與井壁膠結(jié)質(zhì)量；水平段井眼軌跡在凝析油氣層中，候凝時(shí)油氣竄入水泥漿影響水泥石結(jié)構(gòu)；常規(guī)水泥漿凝固后會(huì)出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象，致使水泥石與井壁和套管壁形成間隙，從而影響第一、二膠結(jié)面固井質(zhì)量。

5）水泥石脆性影響油氣開發(fā)。常規(guī)水泥石最大特點(diǎn)是脆性大，射孔沖擊會(huì)使水泥石產(chǎn)生裂縫，將底水與油氣層溝通，油氣生產(chǎn)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)底水錐進(jìn)現(xiàn)象，從而影響油氣正常生產(chǎn)。

2 水平井固井技術(shù)問題探討

2.1 水平井套管安全下入問題

套管安全下入是長(zhǎng)水平段水平井一個(gè)最主要的問題。目前，國(guó)內(nèi)、外各研究單位及院校有關(guān)此方面的研究很多，考慮也比較全面。綜合來(lái)說(shuō)，影響套管安全下入的主要因素有:

1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。井眼軌跡、地層特性、復(fù)雜地層封固、井眼控制的難易程度、井眼和套管尺寸配合等；

2）套管柱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的套管允許下入的最小曲率半徑能否滿足井眼的曲率，套管柱強(qiáng)度、安全系數(shù)等；

3）實(shí)鉆井眼控制及規(guī)則程度（大狗腿角、糖葫蘆井眼）；

4）下套管的摩擦阻力計(jì)算；

5）井眼干凈程度、鉆井液攜沙能力、井壁的穩(wěn)定性等。

2.1.1 井眼準(zhǔn)備

1）下套管前，認(rèn)真進(jìn)行通井和模擬通井，凈化井眼和鉆井液，保持良好的泥漿性能；

2）通井下鉆過(guò)程中分段大排量循環(huán)，循環(huán)過(guò)程中要活動(dòng)管柱，結(jié)合短起下鉆破環(huán)巖屑修整井壁，使井眼更規(guī)則，以振動(dòng)篩面無(wú)砂子為原則；

3）起鉆前調(diào)整好鉆井液性能，在斜井段和水平段注入潤(rùn)滑泥漿；

4）嚴(yán)禁固井前鉆井液密度低于完鉆鉆井液密度，控制油氣上竄速度小于15m／h；

5）下套管時(shí)加密灌漿頻率，禁止長(zhǎng)時(shí)間禁止；

6）下完套管后，以不小于正常鉆進(jìn)時(shí)環(huán)空返速的排量至少洗井兩周，鉆井液性能達(dá)到固井施工要求，在8h內(nèi)必須進(jìn)行注水泥施工作業(yè)。

2.1.2 套管安全下入校核

全角變化率很大的井眼內(nèi)，套管能否順利通過(guò)首先取決于套管管體允許的彎曲半徑應(yīng)小于井眼實(shí)際的彎曲半徑。

鉆井中套管管體允許的半徑為:

式中:R－允許的套管彎曲半徑（cm）；E－鋼材彈性模量（206×106kPa）；D－套管的外徑（cm）；Yp－鋼材的屈服極限（kPa）；K1－抗彎安全系數(shù)（推薦 K1＝1.8）；K2－螺紋連接處的安全系數(shù)（推薦K2＝3）。

井眼彎曲半徑:

式中:R0－ 井眼曲率半徑，（m）；K0－ 井眼曲率，（0／100mm）。

當(dāng)套管允許曲率半徑R小于井眼的曲率半徑即能下入井內(nèi)。

2.1.3 摩阻校核

當(dāng)套管下行的驅(qū)動(dòng)力大于套管對(duì)井壁的摩擦力時(shí)，套管才能順利下入。

1）摩擦力的確定。通井鉆具對(duì)井壁的摩擦力F等于管柱對(duì)井壁的法向合力P乘以摩阻系數(shù)μ，即:F＝μP。

浮重的法向分力:

式中:P－為水平井段浮重的法向分力（kN）；L－為水平井段在水平面上的投影長(zhǎng)度（m）；Q－為鉆具單位質(zhì)量（N／m）；B－為浮力系數(shù)。

2）模擬計(jì)算。運(yùn)用模擬軟件對(duì)下套管進(jìn)行模擬計(jì)算，確保套管順利下入。目前這方面的軟件很多，我們主要運(yùn)用的是蘭德馬克軟件，但每口井的井下情況不同，應(yīng)在軟件模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)單井情況進(jìn)行具體分析。

2.1.4 漂浮下套管技術(shù)

在長(zhǎng)水平段水平井固井中，為保證套管的安全下入，國(guó)內(nèi)、外目前采取較多的下套管輔助措施，主要是應(yīng)用漂浮下套管技術(shù)，來(lái)有效減少大斜度井段的摩擦阻力，以保證套管的安全下入。漂浮下套管技術(shù)主要體現(xiàn)在兩方面:

1）采用漂浮接箍，使下部管串在下套管過(guò)程中處于漂浮狀態(tài)，降低套管對(duì)井眼低邊正壓力，從而減小了下套管時(shí)的摩擦阻力。

2）下套管灌漿過(guò)程中，在大斜度和水平井段灌入密度低的液體，如清水，盡量提高環(huán)空鉆井液與套管內(nèi)該段流體的密度差，增加其浮力，從而降低摩阻。

2.1.5 套管加壓裝置的使用

使用套管加壓裝置，通過(guò)套管頂部加壓，為套管下行提供額外的驅(qū)動(dòng)力。

2.2 提高套管居中度技術(shù)方法

套管居中是提高固井質(zhì)量的前提和基本措施之一，水泥漿最佳頂替流態(tài)為紊流，研究表明水泥漿在同心環(huán)空中的頂替是非常均勻的，而套管偏心是注水泥時(shí)鉆井液竄槽的主要原因，偏心環(huán)形空間液體的流速、流量及流態(tài)在不同間隙處將發(fā)生變化，而臨界紊流排量隨套管偏心度增加而增大，當(dāng)套管居中度由100% 下降至67%和50%時(shí)，套管環(huán)空紊流頂替排量分別增加l倍和3倍。大量實(shí)驗(yàn)證明，保證環(huán)空鉆井液被有效頂替，套管居中度應(yīng)等于或大于67%。當(dāng)小于67% 時(shí)，鉆井液驅(qū)替難度會(huì)大大增加。道威爾－斯倫貝謝公司提出，套管居中度大于70% ，套管與井眼間隙25.4mm～37.1mm頂替效率將會(huì)更高。因此為降低水泥漿紊流頂替臨界排量，提高水泥漿頂替效率，需提高套管居中度。

2.2.1 扶正器安放

套管扶正器是提高套管居中度的唯一可靠方法，通過(guò)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，確定扶正器的下入位置。長(zhǎng)水平段水平井要求扶正器有足夠的支撐力和一定的彈性形變能力。目前在長(zhǎng)水平段水平井使用的扶正器主要有整體式雙弓彈性扶正器和剛性樹脂旋流扶正器（見圖1，2）。

圖1 雙弓彈性扶正器

圖2 剛性樹脂旋流扶正器

2.2.2 增加套管在井眼中的浮力效應(yīng)

在大斜度和水平井段，套管在自重作用下往往靠近井壁下側(cè)，因此，在替漿過(guò)程中，在大斜度和水平井段替入密度低的液體，如清水或者柴油作為替漿液，盡量提高環(huán)空鉆井液與套管內(nèi)該段流體的密度差，增加其浮力，幫助套管扶正居中，從而提高其頂替效應(yīng)。

2.3 固井前的井壁清洗

在水平井鉆井過(guò)程中，為了順利鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深和順利下套管，在鉆井液中往往要加入原油，使固井前井壁和套管壁上粘附有一層油漿、油膜，它將導(dǎo)致水泥環(huán)界面膠結(jié)性能較差。室內(nèi)試驗(yàn)表明，這種情況下水泥石的界面膠結(jié)強(qiáng)度近似為零，嚴(yán)重地影響固井質(zhì)量及油田的勘探開發(fā)。因此，注水泥前必須采用合理的沖洗液，乳化、沖洗、攜帶粘附在井下環(huán)空界面上的油漿、油膜，并改善井壁、管壁的親水性。

目前，主要采用的方法是多層次驅(qū)替，以化學(xué)型驅(qū)油劑清洗井壁為主，通過(guò)增加沖洗液與井壁的接觸時(shí)間，改變沖洗流態(tài)來(lái)達(dá)到提高沖洗效果的目的。具體方法為:先導(dǎo)漿＋高效驅(qū)油型沖洗液＋隔離液＋沖洗領(lǐng)漿，使沖洗液與井壁的紊流接觸時(shí)間達(dá)到10min以上。

2.4 固井水泥漿體系

固井水泥漿體系有以下主要技術(shù)要求:

1）水泥漿的自由水（析水）為零。測(cè)定用于大位移水平井固井水泥漿的自由水，應(yīng)將配制水泥漿先在井下循環(huán)溫度條件下預(yù)制后，再置于測(cè)試量筒中，并傾斜至實(shí)際井下井斜角或45°，測(cè)定其自由水量，嚴(yán)格控制到零。這樣，可以有效的防止大位移水平井高邊出現(xiàn)自由水帶竄槽。

2）具有良好的穩(wěn)定性。要求水泥石上下密度差 ＜0.03g／cm，否則在大斜度井段或水平井段的垂直剖面上易形成上稀下稠，井眼高邊強(qiáng)度偏低，滲透性偏高的水泥封隔截面，易產(chǎn)生高滲透性封隔帶竄槽。

3）API失水≤50ml／30min；在大位移水平井中，油氣層裸眼段長(zhǎng)，水泥漿與油層接觸面積大，由于水泥漿失水，不僅會(huì)加大油氣層污染，而且會(huì)導(dǎo)致水泥漿變稠，流動(dòng)阻力增大，泵壓異常。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制水泥漿失水，要求水泥漿API失水量 ＜50ml。

4）水泥石具有一定的抗沖擊韌性。水平井套管難于居中，往往存在偏向于井眼低邊，則此時(shí)的低邊水泥環(huán)較薄，在后續(xù)各種工況作業(yè)時(shí)易于導(dǎo)致其碎裂。因此，提高用于封固長(zhǎng)水平段水平井固井水泥漿體系水泥石的抗沖擊韌性，有利于提高油氣井在大斜度及水平井段的封隔完整性和正常生產(chǎn)壽命。

5）具有一定的微膨脹特性。用微膨脹水泥漿體系封固長(zhǎng)水平段水平井，有利于有效封隔地層，防止層間竄流。

6）水泥漿具有防竄性能。由于井斜角大，在水泥漿凝結(jié)過(guò)程中，容易形成較大的自由水和產(chǎn)生體系沉降，井眼高邊易形成油氣竄流的通道。因此，對(duì)水泥漿體系的防竄特性要求更高。

7）為防止頂替時(shí)水平段發(fā)生竄槽，一般要求水泥漿初始稠度在15Pa左右。

2.5 油氣層壓穩(wěn)問題

1）環(huán)空蹩壓。根據(jù)水泥漿膠凝失重后的液柱壓力與油氣層地層壓力計(jì)算環(huán)空蹩壓壓力，確保壓穩(wěn)油氣層。

2）地層提承壓。根據(jù)水泥漿液柱壓力和環(huán)空蹩壓壓力計(jì)算環(huán)空當(dāng)量密度，并進(jìn)行提承壓，確保固井施工不會(huì)發(fā)生漏失。

3）特殊套管附件。通過(guò)使用特殊套管附件（如封隔器等 ），封隔活躍地層，確保固井質(zhì)量。

3 結(jié)論及建議

1）長(zhǎng)水平段水平井下套管作業(yè)困難，且風(fēng)險(xiǎn)大，實(shí)施作業(yè)前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作。

2）良好的井眼軌跡和固井前模擬通井是套管安全下入的前提，應(yīng)足夠重視。

3）泥漿性能、泥餅質(zhì)量對(duì)于下套管作業(yè)至關(guān)重要。

4）提高套管居中度和水泥漿頂替效率是提高固井質(zhì)量的前提和基本措施之一，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。

［1］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.