張 偉，唐 煒，余 建，田發(fā)斌，趙常青

（中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都 610051）

太陽(yáng)構(gòu)造地處云貴川交界處，隸屬滇黔北坳陷威信凹陷鹽源背斜帶太陽(yáng)背斜構(gòu)造上，主要開(kāi)發(fā)目的層龍馬溪組頁(yè)巖氣，其儲(chǔ)層物性差，孔隙度和滲透率低，埋深相對(duì)較淺，主體集中在垂深800～1 500 m，采用兩開(kāi)兩完的井身結(jié)構(gòu)。一開(kāi)表層采用φ311.2 mm 鉆頭和清水鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深后下入φ244.5 mm 套管；二開(kāi)油層采用φ215.9 mm 鉆頭和有機(jī)鹽鉆井液體系，鉆井液密度1.65～1.85 g/cm3，下入φ139.7 mm 生產(chǎn)套管固井。該區(qū)塊采用工廠式的布井方式，井口間距小，由于繞障需求均采用三維井設(shè)計(jì)，井眼軌跡復(fù)雜。淺層氣井直井段短、造斜點(diǎn)淺、水平段長(zhǎng)造成井身水垂比大；同時(shí)后期儲(chǔ)層改造采用大型水力分段壓裂增產(chǎn)技術(shù)對(duì)水泥石強(qiáng)度及韌性要求高。

通常情況下固井時(shí)套管難以順利下至設(shè)計(jì)井深、固井頂替效率較低、氣層顯示活躍易造成早期氣竄，后期作業(yè)對(duì)水泥石強(qiáng)度及韌性要求高等問(wèn)題，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)與集成應(yīng)用形成了以井眼清潔、漂浮下套管技術(shù)、高效沖洗液、早強(qiáng)抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系、短候凝漿柱結(jié)構(gòu)、調(diào)整鉆井液性能等提高此區(qū)塊水平井固井質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)措施，后期套管安全下入到位，油層固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率達(dá)到99%。

1 主要固井難點(diǎn)分析

1.1 套管安全下入難度

（1）井身水垂比大，套管靠自重不足以克服下行阻力難以安全下放到井底。太陽(yáng)構(gòu)造淺層頁(yè)巖氣出表層套管后開(kāi)始造斜，完鉆井深2 200～3 200 m，目的層垂深在800～1 500 m，水平段長(zhǎng)度800～1 600 m，水垂比主要在1～1.5。

（2）井眼軌跡復(fù)雜，沿程摩阻大[1-5]。區(qū)域采用三維井眼軌跡，設(shè)計(jì)上需要繞障。部分井儲(chǔ)層厚度薄，微斷層頻繁，井眼軌跡復(fù)雜，如陽(yáng)102H15-1 井（見(jiàn)圖1），最大井斜角107.63°，水平段平均地層傾角97°，該井在單扶通井過(guò)程中摩阻較大，在1 570 m、2 240 m 附近遇阻。

圖1 陽(yáng)102H15-1 井眼軌跡圖

1.2 提高頂替效率困難

鉆井液泥餅附著于井壁難以驅(qū)替，鉆井液中的固相顆粒物質(zhì)和巖屑在井壁低邊沉淀不易攜帶出來(lái)，影響固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量。水泥漿固化后泥餅在井下溫度下干裂，長(zhǎng)時(shí)間流體侵蝕和破壞作用下形成流體竄流通道。水平段套管單邊嚴(yán)重，套管居中度不夠，水平井段套管所受的重力方向不再是軸向而是徑向，這一重力極易導(dǎo)致套管偏心，甚至貼邊，使套管與井壁窄邊的鉆井液很難被頂替出來(lái)，形成竄槽，且難以形成連續(xù)均勻的水泥，影響封固質(zhì)量。地層承壓能力低，頂替過(guò)程中易發(fā)生井漏，影響施工排量和頂替效率。

1.3 水泥漿漿體設(shè)計(jì)要求高

針對(duì)頁(yè)巖氣水平井的水泥漿，水泥漿體系設(shè)計(jì)要求高。在水平段，水泥漿注入后由于重力作用，難以保持原有的穩(wěn)定性，水泥顆粒易下層凝結(jié)，游離液析出，在套管上側(cè)形成自由水通道，影響固井質(zhì)量。同時(shí)水平段為主要產(chǎn)層，需要控制水泥漿失水，保護(hù)產(chǎn)層。頁(yè)巖氣水平井對(duì)水泥漿性能要求達(dá)到以下幾點(diǎn)：（1）45°傾角游離液為0。（2）30 min 失水小于50 mL。（3）水泥漿沉降穩(wěn)定要好，無(wú)上下密度差。（4）48 h 抗壓強(qiáng)度不低于21 MPa。

1.4 固井質(zhì)量影響井筒密封完整性

太陽(yáng)-大寨區(qū)塊前期固井后井口出現(xiàn)地表竄，主要發(fā)生在油層套管與表層套管之間發(fā)生氣竄，其氣源來(lái)自上部五峰組。其原因如下：

（1）表層固井質(zhì)量差：區(qū)域地表多呈現(xiàn)喀斯特地貌特點(diǎn)，表層常鉆遇裂縫、溶洞甚至暗河，鉆井漏失量大且堵漏成功率極低，目前表層多采用空氣鉆鉆進(jìn)，固井時(shí)因漏失返不到地面。

（2）淺層氣防竄難度大[6，7]：相對(duì)威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通黃金壩紫金壩等中深層頁(yè)巖氣，太陽(yáng)構(gòu)造頁(yè)巖氣垂深淺，溫度低40～50 ℃，水泥漿在不加緩凝劑的情況下稠化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（＞300 min），水泥石強(qiáng)度發(fā)育慢，不利于防竄。

（3）油層上部固井質(zhì)量差：①考慮清潔化壓力，水泥漿量設(shè)計(jì)有限，不考慮返至地面。②有機(jī)鹽鉆井液黏切高，鉆井液與水泥漿相容性差，不利于施工安全和提高頂替效率[8]。③井下存在漏失，固井過(guò)程中易發(fā)生井漏，影響水泥漿封固質(zhì)量。④氣顯示活躍，容易發(fā)生氣體竄槽，降低固井質(zhì)量。

（4）對(duì)水泥環(huán)巖石力學(xué)性能要求高[9]：針對(duì)后期的大型體積壓裂要求水泥石具有足夠的抗沖擊能力和柔韌性，以保證井筒的密封完整性。

2 主要技術(shù)措施

2.1 下套管技術(shù)對(duì)策

2.1.1 井眼清潔 下套管前采用近鉆頭+雙扶正器鉆具組合，保證鉆具組合剛度不低于套管剛度，強(qiáng)化模擬套管串通井，對(duì)起下鉆遇阻、全角變化率較大井段主動(dòng)劃眼修整井壁，保證井壁光滑、平整、無(wú)鍵槽；通井作業(yè)過(guò)程中采用定點(diǎn)循環(huán)，有效的攜帶巖屑和固相顆粒，充分清洗井筒；起鉆前循環(huán)鉆井液時(shí)加入適量潤(rùn)滑劑，有效減小下套管流體摩阻[10]。

2.1.2 漂浮下套管工藝技術(shù) 采用漂浮下套管技術(shù)是將漂浮接箍連接在套管柱上[11]，漂浮接箍?jī)?nèi)部盲板作為臨時(shí)屏障，漂浮接箍下端內(nèi)充滿空氣，上端充滿鉆井液。降低水平井段套管柱作用在井底有效壓力，一定程度上降低下套管摩阻，增加下套管的安全性和通過(guò)性。如陽(yáng)102H15-1 實(shí)測(cè)大鉤載荷數(shù)據(jù)反演地層摩阻系數(shù)0.5～0.55，通過(guò)軟件預(yù)測(cè)如果按照常規(guī)方式下套管，需要額外增加1 000～2 000 kN 的驅(qū)動(dòng)力，套管基本上下不到位。而采用漂浮下套管技術(shù)，則可以安全下到設(shè)計(jì)井深?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況直井段套管下放速度為15～20 根/小時(shí)，下放過(guò)程平穩(wěn)，下入漂浮接箍后，下至1 570 m 遇阻后，下放速度也隨之減慢，后期達(dá)到2～3 根/小時(shí)。

陽(yáng)102H15-1 井油層套管兩種下套管方式模擬對(duì)比（見(jiàn)圖2，圖3）。

圖2 常規(guī)下套管大鉤載荷預(yù)測(cè)

圖3 漂浮下套管實(shí)測(cè)大鉤載荷摩阻系數(shù)反演

漂浮固井技術(shù)的核心附件是漂浮接箍[12]。在區(qū)塊上采用全通徑破裂盤(pán)式的漂浮浮箍，其盲板由特種玻璃構(gòu)成，具有破碎徹底、破碎后不留殘?bào)w，實(shí)現(xiàn)全通徑，膠塞通過(guò)漂浮浮箍無(wú)明顯壓力升高，破碎后呈小顆粒狀，容易被鉆井液沖走，不影響正常固井和碰壓。

2.1.3 扶正器選型及安放優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)選旋流剛性扶正器和滾珠扶正器配合使用，在井斜小于30°井段使用旋流剛性扶正器，旋流剛性扶正器剛度大，扶正力大，居中性好，并且在施工中可產(chǎn)生環(huán)向流速場(chǎng)，加大流體的攜帶能力和提高注水泥頂替效率。滾珠扶正器是在旋流剛性扶正器扶正條內(nèi)加入鋼珠，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，大大降低套管下入過(guò)程中摩阻[13，14]，在井斜大于30°井段每根套管加入一只滾珠扶正器，有利于套管在水平段的下入和居中[15，16]。

2.1.4 優(yōu)化管串前端結(jié)構(gòu)，采用抬頭入井 在水平段，套管引鞋與其下方的井壁接觸面大，產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦阻力非常大。優(yōu)化管串前端結(jié)構(gòu)，即采用加長(zhǎng)型旋流浮鞋和雙浮箍，在浮鞋后安放一根短套管，浮箍浮鞋之間采用三長(zhǎng)一短的管串設(shè)計(jì)，使頂端浮箍和浮鞋之間間距不大于40 m，同時(shí)三長(zhǎng)一短的每根套管均安裝滾珠式剛性扶正器，使浮鞋離開(kāi)井壁，利于套管下入。

2.2 提高頂替效率技術(shù)

2.2.1 調(diào)整鉆井液性能 固井前充分調(diào)整鉆井液性能，通過(guò)循環(huán)洗井和增加膠液等方式增加鉆井液的流動(dòng)系數(shù)，即降低固井前鉆井液的黏度，形成薄而韌的泥餅，同時(shí)破壞鉆井液的膠凝強(qiáng)度，該區(qū)塊固井中通常按照1.5 m/s 上返速度循環(huán)洗井2～3 周，黏度控制在60 s 以內(nèi)。

2.2.2 提高前置液驅(qū)替效果 為了提高頂替效率，優(yōu)化前置液設(shè)計(jì)，采用沖洗液+隔離液的組合，加大沖洗液的量，提高井壁和套管壁的清潔度。使用具有表面活性的化學(xué)沖洗液，沖洗液用量滿足接觸時(shí)間8～10 min，可降低鉆井液黏度、切力，實(shí)現(xiàn)紊流頂替，同時(shí)可有效驅(qū)替套管壁和井壁虛泥餅，提高水泥石與套管壁和井壁的界面膠結(jié)質(zhì)量。

2.3 優(yōu)化水泥漿配方

固井水泥環(huán)是封隔井筒環(huán)空形成井筒通道的主體材質(zhì)，固井水泥漿體系性能對(duì)提高固井質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

通過(guò)顆粒級(jí)配、大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出抗鹽降失水劑SD18、早強(qiáng)劑SKY-1、韌性劑SD77、膨脹劑SDP-1等外加劑，形成了一套早強(qiáng)抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系。水泥漿具體配方為：嘉華G 級(jí)+1.5%微硅+2%增強(qiáng)劑+1.4%降失水劑SD18+3%韌性劑SD77+3%膨脹劑SDP-1+1%早強(qiáng)劑SKY-1+0.3%分散劑SD35。

早強(qiáng)抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系及水泥石的性能（見(jiàn)表1、表2）。

由表1、表2 可以看出水泥漿體系有以下特點(diǎn)：

表1 早強(qiáng)抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系性能表

（1）加入增強(qiáng)劑和微硅后，各種顆粒相互之間能形成級(jí)配，水泥漿穩(wěn)定性更好。同時(shí)低失水、無(wú)游離液、稠化過(guò)度時(shí)間短、早期強(qiáng)度能達(dá)到4.5 MPa 等特點(diǎn)。不同密度水泥漿的SPN 值小于3，防氣竄能力強(qiáng)[17，18]。

（2）從表2 看出，該體系水泥漿7 d 線性膨脹率為0.03%，而常規(guī)水泥漿體積收縮，與常規(guī)水泥漿相比有利于提高膠結(jié)質(zhì)量和井筒密封完整性。

表2 水泥石性能與常規(guī)水泥石性能對(duì)比表

（3）與常規(guī)水泥石相比，48 h 的抗壓強(qiáng)度大于21 MPa，7 d 彈性模量由9.58 GPa 降低至5.86 GPa，表明該體系水泥石的剛性降低，柔韌性得到了大幅度改善[19-21]，有利于頁(yè)巖氣井后期壓裂、增產(chǎn)安全開(kāi)發(fā)生產(chǎn)作業(yè)的需要。

2.4 提高固井質(zhì)量配套技術(shù)

2.4.1 漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) 由于井淺，溫度低，上部五峰組等非產(chǎn)層氣體后期上竄，除了漿體優(yōu)化配方后，漿體結(jié)構(gòu)上采取密度調(diào)節(jié)方式，適當(dāng)拉開(kāi)兩凝水泥漿稠化時(shí)間，實(shí)現(xiàn)尾漿封堵氣層。具體做法是同一種水泥和同一種配漿水，上部井段密度為1.86～1.88 g/cm3，下部井段密度為1.92～1.95 g/cm3，通常兩種水泥漿稠化時(shí)間間隔30～60 min。

根據(jù)太陽(yáng)構(gòu)造采取兩開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，表層下深300～500 m，水泥漿混漿井段長(zhǎng)，不能保障上部淺層頂部固井質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)狀，確定水泥漿全返至井口，并附加5～8 m3水泥漿提高接觸時(shí)間，增加上部井段充填率。

2.4.2 優(yōu)化表層固井方案 對(duì)于漏失量較小的井，固井時(shí)通過(guò)增加水泥漿量采用一次上返施工工藝施工，正注完成后再根據(jù)井口返出情況采用環(huán)空吊灌的方式封固上部井段。對(duì)于失返性漏失的井，或者采用空氣鉆鉆進(jìn)出現(xiàn)放空或水層的井，考慮采用穿鞋帶帽的施工工藝，正注時(shí)封固下部放空位置以下的井段，再采用環(huán)空搭橋后吊灌的方式封固上部井段。

2.4.3 地層承壓試驗(yàn) 該區(qū)塊地層承壓能力普遍偏低，在鉆進(jìn)過(guò)程中滲透性漏失較為常見(jiàn)，為確保水泥漿返出地面，按照入井水泥漿密度和正常施工時(shí)環(huán)空循環(huán)摩阻確定地層承壓試驗(yàn)當(dāng)量密度，在下套管前完成，對(duì)于承壓能力達(dá)不到要求的井進(jìn)行堵漏作業(yè)，提高地層承壓能力，保證水泥漿對(duì)環(huán)空的有效封固。

2.4.4 大壓差預(yù)應(yīng)力固井技術(shù) 考慮到本區(qū)塊的井筒承壓能力較低，主要采用套管內(nèi)外大壓差的預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)來(lái)提高固井質(zhì)量[22]，施工中全程采用清水進(jìn)行頂替，保證頂替到位后套管內(nèi)外靜液柱壓差≥8 MPa，預(yù)先使套管擠壓變形從而產(chǎn)生彈性能，提高了水泥環(huán)密封性能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 Y102H2-6 井固井

完鉆井深2 350 m，完鉆時(shí)鉆井液密度1.73 g/cm3，黏度86 s。φ139.7 mm 套管下入2 305.96 m，套管安全下到位后固井施工前，逐步調(diào)整至密度1.65 g/cm3，黏度降低50 s。

該井固井施工流程如下：（1）采用雙機(jī)雙泵大功率水泥車施工，實(shí)現(xiàn)大排量紊流頂替，保證連續(xù)施工能力；（2）進(jìn)行密度、流量和壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，優(yōu)化參數(shù)，有效提高固井質(zhì)量；（3）固井施工前進(jìn)行管線試壓（40 MPa），保證固井施工安全；（4）注入沖洗液6 m3、高效沖刷泥餅，保證一、二界面膠結(jié)質(zhì)量；（5）注入水泥漿65 m3（平均密度1.90 g/cm3），注水泥排量1.3～1.5 m3/min，采用清水替量24.2 m3（排量1.3～1.5 m3/min），替壓14 MPa，碰壓40 MPa，施工過(guò)程正常。實(shí)現(xiàn)了高效頂替和固井“三壓穩(wěn)”，后期電測(cè)固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率100%。

3.2 應(yīng)用效果

截止目前，共完成水平井固井9 口，套管安全下入到位成功率100%，固井質(zhì)量合格，水平段優(yōu)質(zhì)率99%以上，取得了良好的效果（見(jiàn)表3）。

表3 9口井固井情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）井眼凈化、模擬通井和半剛性扶正器配合漂浮接箍下套管等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了套管安全順利下入到位。

（2）固井前調(diào)整鉆井液性能，使用表面活性的化學(xué)沖洗液，有效驅(qū)替套管壁和井壁虛泥餅，提高第一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度，提高固井質(zhì)量。

（3）早強(qiáng)抗鹽防氣竄韌性水泥漿體系密度可調(diào)，沉降穩(wěn)定性好，失水小，稠化過(guò)度時(shí)間短，早期強(qiáng)度高，防氣竄能力強(qiáng)，能提高淺層頁(yè)巖氣井封固質(zhì)量。

（4）地層承壓試驗(yàn)、預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)、合理的漿柱設(shè)計(jì)等配套技術(shù)，提高了水泥環(huán)封隔地層能力和井筒密封完整性。