秦大偉，黃鵬，劉全穩(wěn)，陳琦

(1.廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.江蘇油田工程技術(shù)服務(wù)中心，江蘇 揚(yáng)州 225265)

目前，水平井技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)川西致密砂巖氣藏的重要手段。作為主力產(chǎn)氣層的中、淺層沙溪廟組均采用“尾管固井不回接”的二開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，水平井段的長(zhǎng)度約500～1000 m。水平裸眼井段長(zhǎng)度大、地質(zhì)特征復(fù)雜、多套壓力體系共存、異常高壓氣層等因素使得該區(qū)塊的固井作業(yè)存在套管下入難度大、套管居中困難、水泥漿頂替效率差等問(wèn)題，從而導(dǎo)致致密砂巖地層水平井斜井段與水平段固井質(zhì)量不理想，為后續(xù)油氣生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患[1，2]。本文首先對(duì)川西致密砂巖地層水平井的固井難點(diǎn)進(jìn)行分析，然后提出了適用于該區(qū)塊的配套固井技術(shù)措施。

1 川西致密砂巖地層水平井固井現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 川西致密砂巖地層水平井固井現(xiàn)狀

川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井通常采用生產(chǎn)套管懸掛尾管固井技術(shù)，在注水泥作業(yè)中采用常規(guī)單級(jí)注水泥工藝，水泥漿上返至尾管懸掛點(diǎn)處，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼與尾管環(huán)空的封固。通過(guò)川西沙溪廟組致密砂巖地層在建水平井尾管固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，全井段固井質(zhì)量不合格率高達(dá)28.1%。對(duì)固井質(zhì)量不合格的9口井進(jìn)行分段固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不合格井分段固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì) %

可以看出，致密砂巖地層水平井尾管固井作業(yè)中，直井段的固井質(zhì)量最好，不合格率僅為13.8%，斜井段的固井質(zhì)量最差，不合格率高達(dá)48.4%。

1.2 川西致密砂巖地層水平井固井技術(shù)難點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比合格井與不合格井的井史資料可以發(fā)現(xiàn)，沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井質(zhì)量不理想的主要原因如下：

(1)井眼不規(guī)則，套管下入難度大。沙溪廟組地層砂體厚度變化較大且連續(xù)性較差，為了保證井眼在砂體中鉆進(jìn)，需不斷對(duì)井眼軌跡進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致井眼不規(guī)則，井眼曲率較大(XC-14HF井在2434 m處的狗腿角高達(dá)13.04 °/30 m)，帶有扶正器的入井套管柱容易在彎曲井眼處發(fā)生“硬卡”現(xiàn)象。

(2)套管扶正器選型及安放位置不合理。該層段井壁易坍塌破碎，使得部分裸眼段的井徑較大，固井作業(yè)中仍然采用外徑為197 mm的彈性扶正器(XC-17HF斜井段的平均直徑達(dá)268.1 mm，井眼與套管環(huán)空單邊間隙達(dá)64.2 mm)，導(dǎo)致套管柱在井筒中偏心嚴(yán)重，影響水泥漿的頂替效率。此外，扶正器的安放位置通常采用經(jīng)驗(yàn)方法確定，使得扶正效果不明顯。

(3)洗井作業(yè)不徹底，水平井段存在巖屑床。巖屑床的存在使環(huán)空間隙變小，增加了套管柱入井時(shí)的摩阻和扭矩。

(4)水泥漿性能不穩(wěn)定。川西致密砂巖地層壓力系數(shù)高，需采用高密度水泥漿進(jìn)行固井作業(yè)，高密度水泥漿的使用會(huì)增加固井作業(yè)的難度以及水泥漿性能調(diào)整的難度。目前采用的KQ系列水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性不理想(XC-7HF、XC-21HF井密度達(dá)到0.17 g/cm3和0.15 g/cm3)，從而導(dǎo)致水泥漿在候凝時(shí)“失重”，增加了氣竄風(fēng)險(xiǎn)。

2 川西致密砂巖地層水平井固井配套技術(shù)

基于川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井現(xiàn)狀及固井質(zhì)量差的原因，針對(duì)性地提出了適用于該區(qū)塊的水平井固井配套技術(shù)。

2.1 斜井段套管下入技術(shù)

2.1.1 斜井段套管通過(guò)性研究

川西沙溪廟組致密砂巖地層斜井段井眼曲率較大，因此在下套管時(shí)不僅要考慮套管與井眼之間的摩阻，還需要避免下套管過(guò)程發(fā)生“硬卡”現(xiàn)象。結(jié)合該區(qū)塊實(shí)際情況，分別從套管能夠通過(guò)的最大井眼曲率和井眼曲率已知的情況下能夠通過(guò)的最大套管長(zhǎng)度兩個(gè)方面對(duì)斜井段套管通過(guò)能力進(jìn)行研究。

(1)套管能夠通過(guò)的最大井眼曲率

在實(shí)際作業(yè)中，斜井段套管柱能夠通過(guò)的最大井眼曲率[3]計(jì)算模型為

min{kAPI，kIADC，kz，kf}≥km

(1)

式中：kAPI，kIADC，kz，kf分別為API法、IADC法、考慮軸向力和考慮扶正器時(shí)的最大井眼曲率，°/30 m。

(2)井眼曲率已知的情況下能夠通過(guò)的最大套管長(zhǎng)度

假設(shè)下套管過(guò)程中，扶正器之間的套管保持剛性，即套管兩端的扶正器與井壁接觸[4]，套管中部與彎曲井眼相切，如圖1所示。

圖1 套管通過(guò)性剛性模型

由于川西沙溪廟組采用的扶正器尺寸一致，基于圖1所示的幾何關(guān)系，在井眼曲率確定的情況下，剛性模型下套管能夠通過(guò)的最大長(zhǎng)度為

(2)

式中：Lg為剛性模型下套管能夠通過(guò)的最大長(zhǎng)度，m；R為斜井段的井眼曲率半徑，m；D為井眼直徑，m；df為扶正器外徑，m；d為套管外徑，m。

在實(shí)際下套管作業(yè)中，扶正器之間的套管在軸向力的作用下發(fā)生彎曲，如圖2所示。

圖2 套管通過(guò)性彈性模型 圖3 不同計(jì)算模型可下入套管最大長(zhǎng)度

采用套管通過(guò)性柔性模型，在井眼曲率確定的情況下，剛性模型下套管能夠通過(guò)的最大長(zhǎng)度Lt為

(3)

結(jié)合川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井作業(yè)參數(shù)，在Φ215.9 mm的井眼中下入Φ139.7 mm的套管，扶正器的外徑為206 mm，井徑擴(kuò)大率為7.5%時(shí)，分別計(jì)算剛性模型和彈性模型下能夠通過(guò)的最大套管長(zhǎng)度，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以知，采用彈性模型計(jì)算出的可通過(guò)最大套管長(zhǎng)度要大于剛性模型的計(jì)算值，即剛性模型的計(jì)算值安全系數(shù)更高，因此在川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井下套管作業(yè)中采用剛性模型進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 下套管摩阻計(jì)算

圖4 套管柱微元段受力分析

(4)

下套管過(guò)程時(shí)的邊界條件為

(5)

根據(jù)川西沙溪廟組致密砂巖地層實(shí)鉆資料，下套管過(guò)程中套管柱與裸眼井壁之間的摩擦系數(shù)取0.3，套管柱與上層套管之間的摩擦系數(shù)取0.2。將公式(4)和公式(5)沿井眼軸線的法向和切向展開(kāi)，并進(jìn)行牛頓迭代，即可得到下套管作業(yè)中的摩阻預(yù)測(cè)值。

2.2 優(yōu)選扶正器類(lèi)型及安放位置

套管在井眼中的居中度直接影響著水泥漿的頂替效率。扶正器選型及安放間距是否合理對(duì)套管在井眼中的居中度有著重要的影響。沙溪廟組致密砂巖地層水平井實(shí)鉆資料表明，旋流式剛性扶正器和雙弓型彈簧片扶正器交替使用，能夠在井徑不規(guī)則的斜井段及水平段起到良好的扶正作用。

基于套管扶正器的設(shè)計(jì)原則，安裝扶正器后的套管偏心距emax不能超過(guò)套管許用偏心距[e]，即：

emax≤[e]

(6)

當(dāng)剛性、彈性扶正器交替安放時(shí)，入井套管柱的最大偏心距emax可表示為

(7)

式中：emax為入井管柱最大偏心距，cm；[e]為套管許用偏心距，cm；ev、es為入井套管柱偏心距在井眼軸線法向和切向上的分量，cm；Pv、Ps為扶正器在井眼軸線法向和切向上的復(fù)位力分量，N。

2.3 水力清除巖屑床工具

巖屑床的存在使得下套管過(guò)程中扭矩和摩阻增加，導(dǎo)致下套管困難，影響固井質(zhì)量。因此，川西致密砂巖水平井洗井和注水泥漿階段，在改善鉆井液性能提高水力清除巖屑床能力的基礎(chǔ)上，采用了巖屑床清除工具(見(jiàn)圖5)。

圖5 巖屑床清除工具工作原理

通過(guò)工具側(cè)向噴嘴的鉆井液以旋轉(zhuǎn)射流的方式?jīng)_洗水平井段下井壁處的巖屑床[6]，旋轉(zhuǎn)射流具有較強(qiáng)的卷吸和擴(kuò)張能力，增大了側(cè)向射流與巖屑床的接觸面積，能夠促使下井壁沉屑離開(kāi)井壁向上運(yùn)移，提高巖屑床清除效率。

2.4 高密度防竄水泥漿體系

川西沙溪廟組致密砂巖地層壓力系數(shù)高，且鉆井液密度窗口較窄，因此對(duì)水泥漿體系的性能(密度、穩(wěn)定性、失水、候凝時(shí)間等)要求較高[7,8]。針對(duì)該地區(qū)采用的“尾管固井不回接”的二開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，適用于該區(qū)塊的水泥漿體系性能要求見(jiàn)表2。

表2 川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井水泥漿體系性能要求

根據(jù)表2要求，針對(duì)川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井作業(yè)中存在的失重、氣竄風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)目前常用的防氣竄水泥漿體系[9,10]進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)篩選水泥漿體系中的加重劑、降失水劑、膨脹劑和分散劑的種類(lèi)和配比，優(yōu)選出適用于該區(qū)塊的高密度水泥漿體系。為提高水泥漿的頂替效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)上部含氣層位的良好封固，川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井作業(yè)采用的領(lǐng)漿基本配方為GSJ(水泥基漿)+加重劑+2%PZM-2(膨脹劑)+3%ZSM(增塑劑)+6.8%JSM(降濾失劑)+1.5%FSM(降濾失劑)+0.3%HNM(緩凝劑)。為更好地封固水平段目的層，防止油氣水竄，該區(qū)塊固井作業(yè)采用的尾漿配方為GSJ(水泥基漿)+加重劑+2%PZM-2(膨脹劑)+3%ZSM(增塑劑)+6.8%JSM(降濾失劑)+1.5%FSM(降濾失劑)+0.6%HNM(緩凝劑)。領(lǐng)漿和尾漿的常規(guī)性能見(jiàn)表3。

表3 川西致密砂巖地層水泥漿體系常規(guī)性能

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井固井作業(yè)中存在技術(shù)難題，針對(duì)性地采取了斜井段下套管技術(shù)、扶正器選型與安放位置優(yōu)選、清除巖屑床、優(yōu)化高密度防竄水泥漿體系等措施，有效地提高了該區(qū)塊水平井固井作業(yè)質(zhì)量。下面以XC-34HF井為例，進(jìn)行說(shuō)明。

XC-34HF井身結(jié)構(gòu)如表4所示。利用公式(1)至公式(3)可以計(jì)算出帶扶正器的Φ139.7 mm套管柱能夠通過(guò)的最大井眼曲率為15.32 °/30 m，考慮軸向力影響時(shí)可通過(guò)的最大井眼曲率為30.3 °/30 m，兩者均大于實(shí)際井眼曲率，因此安裝有扶正器的油層尾管柱在入井過(guò)程中不會(huì)發(fā)生“硬卡”現(xiàn)象，能夠順利入井。

表4 XC-34HF井身結(jié)構(gòu)

采用公式(6)和公式(7)對(duì)扶正器的安放距離進(jìn)行計(jì)算，在斜井段和水平井段每根套管均安裝外徑為226 mm的扶正器，剛性、彈性扶正器交替安放。利用套管下入摩阻模型進(jìn)行計(jì)算，可以得知入井套管柱在XC-33HF井的最大摩阻為215.3 kN，而作業(yè)中大鉤載荷的最大值為375 kN，因此Φ139.7 mm套管柱可以依靠自身重量下至設(shè)計(jì)井深位置。

采用優(yōu)選的高密度防竄水泥漿體系進(jìn)行注水泥作業(yè)，水泥漿體系中加重劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，水泥漿體系的密度為2.23 g/cm3。

固井作業(yè)結(jié)束，利用聲波幅度測(cè)井(CBL)對(duì)XC-34HF井的斜井段和水平井段固井質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，斜井段和水平段固井質(zhì)量為優(yōu)秀和良好的井段長(zhǎng)度占其總長(zhǎng)度的百分比分別為87%和87.1%，斜井段和水平井段固井質(zhì)量不合格的井段長(zhǎng)度占其總長(zhǎng)度的百分比分別為11.8%和12.1%。與區(qū)塊平均值相比，固井質(zhì)量不合格率分別降低了36.6%和11.5%，整體來(lái)看固井質(zhì)量提升效果明顯。

4 結(jié)論

(1)川西沙溪廟組致密砂巖地層水平井斜井段和水平井段固井質(zhì)量較差，主要是由于該區(qū)塊井眼不規(guī)則，扶正器選型及安放位置不合理及目前采用的水泥漿體系性能不穩(wěn)定。

(2)針對(duì)該地區(qū)固井作業(yè)技術(shù)難題，提出了斜井段套管下入技術(shù)、優(yōu)選扶正器的類(lèi)型及安放位置、加裝水力清除巖屑床工具、優(yōu)選高密度防竄水泥漿體系等適用于該區(qū)塊的配套固井技術(shù)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用優(yōu)選后的配套固井技術(shù)能有效提高該區(qū)塊斜井段和水平井段的固井質(zhì)量。