王 濤

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；2.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實驗室（籌），陜西 西安 710075）

0 引言

鄂爾多斯盆地延安氣田上古生界氣藏以盒8段、山1段、山2段、本溪組為主要目的層，是非均質(zhì)強(qiáng)的致密巖性氣藏，孔隙度主要為2.0%～13.0%，滲透率為0.01～3.00 mD，儲層之間連通性差，儲層含氣飽和度差異大。根據(jù)同類氣藏開發(fā)經(jīng)驗及區(qū)域內(nèi)水平井開發(fā)實踐［1］，延長石油在延安氣田東部采用套管完井和多級縫網(wǎng)壓裂技術(shù)進(jìn)行后期儲層改造提升開發(fā)效果。因此，除常規(guī)水平井所具有的固井難點(diǎn)外，多級壓裂的反復(fù)高壓沖擊對固井環(huán)空水泥石的密封能力提出了更高的要求［2-3］。結(jié)合陜北地區(qū)特有的地貌、地層及鉆井特點(diǎn)，為提高致密氣水平井固井質(zhì)量，為壓裂提供良好的井筒環(huán)境，針對性地開展了一系列固井關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 延安氣田上古生界地層特點(diǎn)及水平井固井難點(diǎn)

1.1 地層特點(diǎn)及井身結(jié)構(gòu)

延安氣田東部致密氣井區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，地層主要有以下特點(diǎn)：① 主力氣藏位于盒8段、山1段、山2段、本溪組，埋深2 200～2 600 m，平均地溫梯度為2.84℃／100 m，壓力系數(shù)普遍小于1，平均壓力系數(shù)為0.805 1；② 各層天然氣的主要組分含量相似，以甲烷為主，甲烷平均含量為96.82%，乙烷以上烴類平均含量為1.17%，二氧化碳平均含量為0.23%，氮?dú)夂繛?.77%，無硫化氫氣體；③ 儲層致密，直井、定向井開發(fā)單井產(chǎn)量較低。因此，對該區(qū)致密氣的開發(fā)采用水平井縫網(wǎng)壓裂技術(shù)進(jìn)行試驗，井身結(jié)構(gòu)見表1（該井水平段長1 000 m），延安氣田自上而下鉆遇地層依次為新生界第四系，中生界三疊系上統(tǒng)延長組、中統(tǒng)紙坊組、下統(tǒng)和尚溝組、下統(tǒng)劉家溝組，上古生界二疊系上統(tǒng)石千峰組、中統(tǒng)石盒子組、下統(tǒng)山西組、下統(tǒng)太原組，石炭系上統(tǒng)本溪組。

表1 致密氣水平井井身結(jié)構(gòu)表

1.2 固井難點(diǎn)

除了常規(guī)水平井固井過程中存在的下套管難度大、頂替效率低、水平段套管居中困難、水泥漿沉降穩(wěn)定性要求高、要求水泥漿45°傾角下自由水為0等難點(diǎn)外［4-5］，基于上述地層特點(diǎn)及鉆井情況，延安氣田致密氣水平井特有的固井難點(diǎn)主要還有：① 地面黃土塬地貌受限及森林資源保護(hù)需求導(dǎo)致繞障頻繁，儲層原因造成的井眼軌跡復(fù)雜導(dǎo)致需采用漂浮技術(shù)下套管，但地層垂深較淺，漂浮段直井段下入存在一定的困難，因此需對漂浮長度進(jìn)行合理優(yōu)化，解決雙重矛盾；② 儲層上部存在漏失層，地層承壓能力低，水泥漿一次上返全封固的難度大，需采用低密度水泥漿充填上部井段，而致密氣單井產(chǎn)量較低、國際油價長期中低位徘徊、降本增效壓力較大的情況下，低密度減輕劑需采用更為廉價的材料；③ 水泥石為高脆性水硬性材料，而實驗致密氣水平井后期采用多級縫網(wǎng)壓裂，一般為6～10級，井口施工壓力介于50～60 MPa，要求水泥石具有一定的彈性以抵抗破碎。

2 固井關(guān)鍵技術(shù)方案

2.1 漂浮下套管優(yōu)化及套管居中

由于延安氣田東部區(qū)域已鉆定向井較多，直井段繞障造成軌跡復(fù)雜，同時，受地面森林資源及水土保護(hù)的限制，井眼軌跡復(fù)雜性進(jìn)一步提高。另一方面，由于陸相致密氣藏儲層縱橫向變化快，為保證鉆遇率，水平段不同程度的存在上翹或下探，部分井趾端與根部的最大落差達(dá)到19 m，軌跡復(fù)雜造成水平井存在套管下入難的問題，特別是為保證水平段套管居中加入了大量扶正器，更加劇了套管遇阻的風(fēng)險。該區(qū)域解決問題的途徑主要是采用漂浮下套管和扶正器改造設(shè)計。

2.1.1 漂浮長度優(yōu)化

采用漂浮下套管工藝可以降低上提拉力和下放阻力，提高下套管的施工安全性［6］。將漂浮接箍連接在套管柱上，在套管內(nèi)構(gòu)成臨時屏障，漂浮接箍以下的套管內(nèi)注入一定量的空氣，以上的部分充滿鉆井液，用膜密封，套管串在鉆井液中會產(chǎn)生很大的浮力，使其在水平段減少重力產(chǎn)生的阻力，有利于套管順利下到位，延長石油東部致密氣水平井所用漂浮接箍主要為盲板粉碎式，操作簡單，穩(wěn)定性好。

在漂浮下套管過程中，選取合適的套管漂浮長度是套管漂浮技術(shù)的關(guān)鍵［7］，套管漂浮長度的選取不能太長也不能太短。如果漂浮段太長，一方面會因為浮力太大，當(dāng)套管下入到一定的深度后，大鉤載荷降為零，造成套管直井段下入困難，特別是垂深較淺的本區(qū)東部致密氣井；另一方面，套管與井壁的正壓力得不到應(yīng)有的改善，反而會增大套管與井壁的正壓力，造成套管與井壁的摩阻力增大，不利于套管的下入。如果套管的漂浮長度太短，則不能起到應(yīng)有的漂浮效果，同樣是不利的。因此設(shè)計最佳的套管漂浮段長度是非常必要的，而摩擦系數(shù)的確定對套管漂浮長度的模擬計算優(yōu)化至關(guān)重要。

采用軟件對套管下入鉤載進(jìn)行模擬計算，該軟件考慮了實際的井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道，其計算的核心變量是摩擦系數(shù)的確定，其值計算的結(jié)果的準(zhǔn)確性影響著現(xiàn)場實施的可靠性。通過大量的水平井的計算及現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)反演，確定該區(qū)域水平井套管模擬計算中套管—套管之間的摩擦系數(shù)為0.25～0.27、套管—裸眼之間的摩擦系數(shù)為0.30～0.32，采用上述摩擦系數(shù)計算結(jié)果最符合現(xiàn)場實際。

圖1為該區(qū)一口井下套管過程中鉤載分析計算結(jié)果。采用常規(guī)下套管的方法，由于水平段較長、磨阻較大，大鉤載荷線與最小螺旋屈曲線相交，下套管過程中可能會產(chǎn)生螺旋屈曲，導(dǎo)致套管不能下至井底。采用漂浮技術(shù)后，鉤載線始終在螺旋屈曲線的右側(cè)，可以保證套管在全井段下入順利，但對比漂浮600 m、800 m、1 000 m、1 200 m的計算結(jié)果可知，漂浮1 000 m下放套管時大鉤載荷最大，為最佳漂浮長度。

圖1 不同漂浮長度模擬計算結(jié)果圖

2.1.2 套管居中技術(shù)

水平段套管居中對保證固井質(zhì)量至關(guān)重要。為了降低磨阻，該區(qū)水平井水平段主要使用剛性滾輪扶正器幫助套管居中，但由于滾輪扶正器外圍為剛性，彈性差、不易變形，在下套管作業(yè)過程中通過縮徑或有鍵槽井段時易發(fā)生卡阻現(xiàn)象，造成套管上提及下放困難，存在一定的安全事故隱患。針對該問題，對現(xiàn)有的滾輪扶正器進(jìn)行改造，研制了可變形滾輪扶正器。工具如圖2所示，包括扶正器本體1，本體上均勻分布有扶正條2，扶正條中間設(shè)置有凹槽4，凹槽內(nèi)安裝有滾輪5和固定軸7，固定軸與滾輪連接并固定在扶正條上，扶正條呈中間向外突出狀，突出空間區(qū)域為3，扶正條內(nèi)側(cè)設(shè)置有加強(qiáng)筋6，滾輪凸出于扶正條的外表面。

圖2 可變形套管滾輪扶正器示意圖

工具使用時，將扶正器本體套在套管外部，然后進(jìn)行下套管作業(yè)，當(dāng)遇到縮徑井段時，井壁與套管施加的合力使扶正條徑向變形收縮，從而順利通過縮徑井段，在水平井中能夠通過滾輪降低下套管阻力，同時還能扶正套管并保證其在井眼中的居中度。依據(jù)軟件計算結(jié)果及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，水平段使用該扶正器的合理間距為10～15 m。

2.2 粉煤灰低密度水泥漿

該區(qū)鉆井過程中儲層上部及部分儲層存在漏失，為確保水泥漿一次上返實現(xiàn)全封固，設(shè)計使用雙密度水泥漿進(jìn)行固井，上部采用低密度水泥漿進(jìn)行充填。根據(jù)區(qū)域地層承壓能力，設(shè)計低密度水泥漿密度為1.40～1.45 g／cm3。對低密度水泥漿，國內(nèi)外對微珠、玻璃微球水泥漿進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果，但是隨著油價長時間中低位徘徊，降本增效逐漸成為油井開發(fā)的一個重要方面，因此選用廉價減輕材料降低水泥漿密度成為一種可行性較高的方案。對比各類廉價減輕材料，選用粉煤灰作為減輕劑的主料。粉煤灰是火電站煤粉燃過的灰燼，主要由含二氧化硅的玻璃體組成。用粉煤灰配制水泥漿可使水泥漿的密度降到1.70～1.45 g／cm3［8-10］，因此需引入其他外摻料進(jìn)一步降低水泥漿密度，同時維護(hù)其體系穩(wěn)定性。

微硅顆粒粒徑極小，吸附能力很強(qiáng)，可以作為低密度水泥中懸浮增強(qiáng)材料［11-13］。依據(jù)室內(nèi)實驗得出的粉煤灰、微硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（占水泥比）分別為30%和20%。在此基礎(chǔ)上，對其他外加劑進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)選無機(jī)材料改性而成同時對粉煤灰具有激活功效的早強(qiáng)劑YT-Z，并優(yōu)化可通過聚合物微小顆粒相互交聯(lián)橋接作用形成膠結(jié)的網(wǎng)狀膠體聚集體來束縛更多的游離液的聚乙烯醇降失水劑YW-3，結(jié)合應(yīng)用范圍極廣且性能優(yōu)越的丙酮、甲醛縮合物類減阻劑USZ，通過室內(nèi)實驗得出粉煤灰低密度水泥漿配方：G級水泥＋20%粉煤灰＋10%微硅＋6%（YW-3）＋0.5%USZ＋0.4%（YT-W），其性能見表2。由表2可知，激活型早強(qiáng)劑的加入使得粉煤灰體系72 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到7 MPa以上，體系稠化時間合理，失水低、游離液少，上下密度差極小，各方面性能能夠滿足致密氣水平井的上部填充需求。

表2 低密度水泥漿性能表

2.3 增彈水泥漿

延安氣田致密氣水平井開發(fā)中開展套管完井試驗，通過實施體積壓裂的技術(shù)使原本低產(chǎn)或無油流的低滲井獲得工業(yè)價值成為可能，極大地延伸了開采范圍。當(dāng)射孔、大型壓裂時，在水泥環(huán)局部區(qū)域會形成拉、壓高應(yīng)變區(qū)，由于水泥石屬于脆性材料，當(dāng)套管擴(kuò)張引起的水泥環(huán)的應(yīng)力變化超過其強(qiáng)度極限時，水泥環(huán)就會破裂而形成裂紋，影響壓裂的效果和生產(chǎn)安全性。因此，致密氣水平井水泥環(huán)須有一定的強(qiáng)度，而且還要具備一定的彈性，需要加入一定的彈性材料［14］。

根據(jù)目前對增韌材料的研究成果［15-17］，優(yōu)選100目的丁苯橡膠粉顆粒作為增彈劑。但橡膠顆粒憎水親油，且分散效果差，因此采用硅烷偶聯(lián)劑溶液對其表面進(jìn)行改性制得新型增韌劑，經(jīng)實驗驗證其合理加量為3%。增彈水泥漿用于封固水平段，因此還需較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的穩(wěn)定性和極低的失水，優(yōu)選降失水劑YW-3控制漿體失水，加入分散劑USZ和早強(qiáng)劑YT-Z優(yōu)化漿體穩(wěn)定性、提高早期強(qiáng)度。由表3的微彈水泥漿綜合性能表可知，水泥石的強(qiáng)度較高，楊氏模量較低，而且45°傾斜測試游離液及上下密度差均為0，符合水平井對固井水泥漿的穩(wěn)定性的要求。

表3 增彈水泥漿綜合性能表

因水平井后期改造采用分段多級的方式，因此采用循環(huán)加載的方式對水泥石的抗脆止裂效果進(jìn)行評價。采用GCTS巖石力學(xué)試驗機(jī)對水泥石進(jìn)行循環(huán)三軸加載實驗，循環(huán)加載壓力為30 MPa（0.7 × 抗壓強(qiáng)度［18］），圍壓為30 MPa，實驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，在多次循環(huán)加載后，水泥石仍然保持了一定的強(qiáng)度和彈性，與首次加載相比，多次循環(huán)加載的水泥石應(yīng)變略微增大并非完全彈性，但后續(xù)加載每次加載及恢復(fù)曲線相似，水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生顯著變化，實現(xiàn)了增彈的目的。

3 現(xiàn)場實施情況

以上固井集成技術(shù)在延安氣田聞平12井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，固井質(zhì)量合格率達(dá)90%，水平段固井質(zhì)量合格率達(dá)100%，為該區(qū)致密氣水平井多級縫網(wǎng)壓裂提供了良好的井筒環(huán)境。

圖3 循環(huán)三軸加載力學(xué)曲線圖

該井目的層為山西組山1段油藏，三開采用215.9 mm鉆頭鉆至井深3 872 m處完鉆，垂深為2 540 m，水平段長1 170 m，鉆井液密度為1.20 g／cm3，該井三開鉆井過程中曾發(fā)生不同程度的漏失2次，共漏失鉆井液50 m3。該井采用漂浮下套管技術(shù)下入管徑為139.7 mm套管，管串結(jié)構(gòu)（自上而下）為：浮鞋＋1根套管＋浮箍＋1根套管＋碰壓關(guān)閉式浮箍＋短套＋套管串＋粉碎式漂浮接箍＋套管串＋聯(lián)頂節(jié)。水平段下入可變形滾輪扶正器，間距為每3根套管2個，漂浮長度為1 000 m。

該井下套管時直井段套管下入順利，最后剩余3根套管時懸重為0，采用上提下放的方式活動套管，最終全部套管順利下至3 868 m，管內(nèi)加壓至6.5 MPa，漂浮接箍擋板材料粉碎后建立循環(huán)。采用雙密度水泥漿一次上返技術(shù)固井，先注入隔離液和沖洗液8 m3，再注入1.40 g／cm3粉煤灰水泥漿70 m3，最后注入1.90 g／cm3增彈水泥漿40 m3，施工排量為1.2 m3／min，頂替清水44.05 m3后碰壓，卸壓后回水?dāng)嗔?。該井施工連續(xù)順利，水泥漿返出井口，各個固井工具附件使用正常，固井結(jié)束后候凝48 h后探塞測井。水泥塞位置為設(shè)計阻位，碰壓關(guān)閉式浮箍完美阻流。聲波變密度測試結(jié)果顯示全井段為合格井，水平段固井質(zhì)量優(yōu)良率為80%。該井分10級進(jìn)行分段縫網(wǎng)壓裂，各段施工壓力平穩(wěn)，均維持在52 MPa左右，無竄流情況發(fā)生，顯示了水泥環(huán)良好的壓后密封性。以上固井系列技術(shù)的應(yīng)用為區(qū)域增儲上產(chǎn)提供了良好的支撐。

4 結(jié)論

1）結(jié)合延安氣田東部致密氣水平井地質(zhì)及鉆井特點(diǎn)，提出固井難點(diǎn)，并針對性地進(jìn)行了一系列固井關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)用，顯著提高了該區(qū)水平井的固井質(zhì)量，為同類井的固井提供了一定的借鑒意義。

2）研制的相關(guān)固井工具附件及設(shè)計的漂浮優(yōu)化方法，操作簡便、針對性強(qiáng)，現(xiàn)場應(yīng)用表明可以解決相對應(yīng)的固井技術(shù)難點(diǎn)，具有一定的現(xiàn)場適用性；研發(fā)的較低成本的粉煤灰低密水泥漿和一定彈性的增彈水泥漿性能優(yōu)越，能夠滿足該區(qū)域致密氣水平井的固井需求。

3）為進(jìn)一步提高延安氣田東部致密氣水平井固井質(zhì)量，應(yīng)在通過設(shè)計更低密度的低成本水泥漿、加強(qiáng)低磨阻扶正器設(shè)計及優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)和注替參數(shù)以提高頂替效率等方面加強(qiáng)研究。