鄂尔多斯盆地杭锦旗地区水平井尾管固井工艺技术

李明忠

（中国石化华北石油工程有限公司技术服务公司，河南 郑州 450006）

0 引言

杭锦旗地区是鄂尔多斯盆地致密砂岩气层勘探开发的主要接替新区。2016年，中国石化在杭锦旗地区已发现上古生界的下石盒子组3套主力气层（盒1、盒2、盒3）、太原组1套主力气层、山西组2套主力气层（山 1、山 2），保有储量 163×108m3，控制储量 5 321×108m3，预测储量 2 362×108m3［1-3］。开发初期，杭锦旗地区以裸眼封隔器投球滑套多级分段压裂的完井方式为主。但什股壕、十里加汗等部分区块，气水关系复杂，边底水发育，压裂改造易沟通水层。为保证有效控水开发，便于开展后续措施作业，目的层尾管固井结合喷砂射孔多级分段压裂或桥塞压裂逐渐成为杭锦旗地区主要的完井方式［4-6］。

开发井多为三级井身结构水平井。三开裸眼段井径 152.4 mm，φ114.3 mm尾管借助悬挂器悬挂至φ177.8 mm技术套管上，水平井尾管段长1 000～1 200 m，注水泥固井。固井后回接压裂管串，连续油管携带底封工具入井，由井底向上逐段喷砂射孔并进行压裂，压裂段数一般不少于8。固井水泥环长期密封有效，不仅为增产措施提供了合格的井筒条件，也是气井长期高效生产的基础保证。因此，开展杭锦旗地区尾管固井工艺技术研究，具有非常重要的现实意义。

1 技术难点

钻井井况和完井方式对尾管固井质量提出了较高要求。影响固井质量的技术难点主要表现在5个方面：

1）尾管回接压裂管柱保证油层套管与环空封隔的难度大。为避免压裂时因固井质量差或常规回接密封失效引起油层套管与环空封隔失效，回接管柱自下至上为“回接插头+2根套管+裸眼封隔器+水力锚+密封插管总成”，以达到双重锚定和密封的目的［7］。但由于环空平衡压力无法传递至回接插头与裸眼封隔器之间的套管，在压裂施工压力较高时，套管受压力及上顶力作用，易达到屈服强度极限而发生变形；若回接管柱密封失效，将造成油层套管与环空连通。另外，回接管柱下入过程中，易发生提前坐封或锚定事故，处理难度大。

2）水泥浆易沉降分层，压裂施工对水泥石的载荷大。水泥浆稳定性差，环空上侧水泥石强度低，自由水析出形成连续水带；候凝时体积收缩，造成水泥环与地层处形成微裂隙；压裂的射孔冲击力及套管压力的巨大载荷作用，易造成水泥环的密封性和完整性失效［8-9］。

3）水泥浆失重后压稳易失效。杭锦旗地区悬挂器坐挂位置的井斜角大（40°～45°），封固段垂深较小。在静胶凝强度过渡阶段，由于失重作用在气层上的液柱压力逐渐下降，在水泥浆内形成气窜通道，降低了相邻段间水泥环的密封质量。

4）对水平裸眼段和重叠段的封固质量要求高。杭锦旗地区部分井区气水关系复杂，压裂段数、簇数多，为避免压裂时环空带压，保证分段改造效果，实现控水生产和提高采收率，在目的层段间、段内和重叠段的水泥环需有效密封。

5）顶替效率低与固井漏失问题并存。水平段内重力作用于环空径向方向，岩屑床积存，套管偏心，顶替界面长（或失稳），钻井液黏度、切力大，泥饼厚等［10-11］，均不利于保证顶替效率；石盒子组等层位地层承压能力较低，固井时易发生漏失。

2 工艺技术措施

2.1 新型尾管悬挂器选用与回接管串简化

为解决压裂时平衡压力无法作用于全部管柱以及锚定、密封能力不足的问题，在国内首次应用新型结构的高压全通径尾管悬挂器及其配套回接工具。该悬挂器耐压提高至70 MPa，而常规尾管回接工具密封能力仅35 MPa，难以满足分段压裂需要。与常规悬挂器回接筒结构不同，该悬挂器回接筒设有马牙扣，与专用密封插头匹配。密封插头总成采用骨架硫化胶圈密封结构，多组密封组件相互独立，回接管柱密封组合具有密封可靠性高、能力强的特点；密封插头带有马牙扣锚定结构，可实现管柱插入后自锁，防止高压下管柱活动。上提正转管柱可将锚定的插头丢手，回收套管，丢手后可重复锁定、密封。

该悬挂器不影响固井施工，而且将回接管串简化为“密封插头总成+密封插管总成+套管串”。与原回接管柱相比，井口平衡压力可施加到整个回接管柱，降低油层套管与环空连通的风险，既减少了水力锚和裸眼封隔器工具，降低了复杂情况发生的概率，又提高了密封、锚定能力。若发生密封失效，可在丢手后重新回接“永久封隔器+密封插管总成”入井。

2.2 弹韧性水泥浆体系开发

为保证水泥环在射孔冲击力和套管压力动载荷作用下的密封性和完整性，水泥石应具有良好的韧性和弹性。根据杭锦旗地区固井低成本的运作现状，优选增弹、增韧材料，由纤维和弹性粒子以一定比例复配，开发了低成本的弹韧性水泥浆体系。

参考配方：G级水泥+2.5%增弹增韧复合材料+1.5%降失水剂+0.45%中温缓凝剂+1.5%悬浮稳定剂+0.5%膨胀剂。如图1所示：弹韧性水泥石消除自由挠度后的实际加载挠度为0.7 mm，且加载载荷峰值达500 N，存在一定假塑裂纹扩展，增韧止裂效果比较明显；而常规水泥石的自由挠度仅0.3 mm，加载载荷峰值仅250 N，后期无假塑裂纹扩展，水泥石在起裂后裂纹快速扩展［12］。常规水泥石的弹性模量大于14 GPa，而弹韧性水泥石的弹性模量小于7 GPa，形变能力显著提高。与常规水泥石相比，弹韧性水泥石残余变形小，在应力载荷作用下应变恢复快，形变恢复能力较强（见图2）。该体系综合性能优越，具有悬浮稳定性好、API失水量小（小于15 mL）、体积膨胀性、直角稠化、水泥浆防窜系数（SPN）小于3等特点。

图1 水泥石载荷-挠度关系

图2 水泥石形变恢复曲线

2.3 浆柱结构优化

杭锦旗地区主要采用常规密度双凝水泥浆固井。尾浆为弹韧性水泥浆体系，封固水平裸眼段，稠化可泵时间在施工时间基础上附加15～20 min，碰压后即迅速稠化；领浆为常规低失水微膨胀防窜水泥浆，封固重叠段并充填上水泥塞，稠化可泵时间在注、替浆至安全洗井结束的基础上附加60 min，领浆注入体积附加20%以上。以井壁泥饼有效冲蚀和钻井液充分稀释为标准，同时考虑泥岩发育和井壁稳定情况，设计冲洗液段长，紊流接触时间大于7 min；采用隔离液隔离冲洗液、钻井液和水泥浆，减少对水泥浆的污染，提高顶替效率。

2.4 顶替效率提高

紊流或塞流是提高顶替效率的首选流态。但是，杭锦旗地区地层承压能力低，水泥浆达到紊流后，固井易漏失；水泥浆流动性较好，受水泥车机泵条件限制，塞流所需要的低排量也难以达到。紊流、塞流临界排量的计算方法可参考文献［13］。以φ222.2 mm钻头×φ177.8 mm套管为例，井径扩大率10%，杭锦旗地区水泥浆的紊流临界排量大于3.50 m3/min，塞流临界排量小于0.25 m3/min，因此在固井施工时无法实现水泥浆紊流或塞流顶替。

通过优化冲洗液、隔离液的流变性能，形成了冲洗液低返速紊流与隔离液高返速塞流的复合顶替技术。计算得出，冲洗液紊流临界排量为0.734 m3/min，隔离液塞流临界排量为0.433 m3/min，即冲洗液的紊流临界排量远低于水泥浆，隔离液的塞流临界排量高于水泥浆。在固井施工时，根据环空内浆柱结构的变化，实时优化调整注替浆排量，使环空内以冲洗液紊流顶替或隔离液塞流顶替为主。

具体过程控制措施为：若注浆总量大于替浆量，在冲洗液进入环空后，适当提高注浆排量以保证冲洗液在环空内达到紊流；随着井底液柱压力升高，由隔离液塞流顶替直至碰压。若注浆总量不大于替浆量，提高替浆初期排量，冲洗液在环空内紊流顶替，替浆后期以隔离液塞流顶替直至碰压。

2.5 技术措施配套

2.5.1 套管居中

以极限偏心度理论为基础，综合环空尺寸、井斜角、钻井液和水泥浆性能等参数，计算套管所允许的最大偏心度。以此偏心度为标准，采用纵横弯曲梁法模拟树脂滚轮扶正器、树脂旋流扶正器安放位置与居中度之间的关系，确定扶正器安放设计。优化后的扶正器安放方案为：井底以上的3根套管每根分别安放1个树脂滚轮扶正器，水平段每2根套管交替安放1个树脂旋流或树脂滚轮扶正器。

2.5.2 钻井液性能调整

钻井液顶通后，首先以小排量全部将井内封闭浆循环至悬挂器以上；然后逐渐提高循环排量，当环空返速不低于1.2 m/s后，定排量循环至少2周，至井内无沉砂、钻井液性能满足“低黏、低切、低含砂、薄泥饼”的要求为止。

2.5.3 低密度替浆液

在水平段采用清水替浆，与钻井液替浆相比，每米套管内替浆液的重力降低了18.5 N，增大了浮力与重力的差，从而提高套管悬浮能力，降低套管偏心度，保证水泥环在环空内均匀分布。

2.5.4 不留上水泥塞

固井碰压并判断回压凡尔正常后，钻杆内憋压9.0～12.0 MPa，缓慢上提钻杆，待压力下降迅速开泵，循环洗出多余水泥浆，从而节省了钻扫水泥塞作业，避免了扫塞对回接筒马牙扣的破坏，保证了回接筒与密封插头的密封性。

2.5.5 辅助压稳

在碰压后至水泥浆静胶凝强度达到480 Pa前，由于循环摩阻消失、冲洗液密度低和水泥浆失重等因素，作用在目的层上的液柱压力下降，产生环空气窜。在洗出多余水泥浆后，通过钻井液大排量循环或井口憋压方式，弥补压力损失，保证目的层持续有效压稳。

3 现场应用

2017年，杭锦旗地区11口井采用了新型尾管固井工艺技术，固井优良率100%，施工情况如表1所示。11口井均采用简化回接管串结构，回接时基本实现一次锚定，过提管柱30 t正常，表明回接管串与尾管锚定有效，且锚定力强。回接管柱和环空内均试压25.0 MPa，30 min压降都小于0.5 MPa，表明密封插头总成与回接筒密封有效，而且尾管重叠段的水泥封固胶结良好。

压裂时，JPH-3Z1，JX1PY3H等井采用连续油管带底封拖动压裂，JPH-3Z1井施工最高压力达54.0 MPa，JX1PY3H井施工最高压力达54.2 MPa，压裂过程顺利，管柱安全可靠，顺利丢手，回接套管得到回收。

表1 2017年尾管固井情况

4 结论

1）应用新型耐高压全通径尾管悬挂器，简化了回接管串结构，提高了密封、锚定能力，保证了管柱在压裂作业时的安全性。

2）开发的弹韧性水泥浆体系成本低，水泥石具有良好的增韧止裂、形变及形变恢复能力，水泥浆综合性能优越，保证在射孔冲击力和套管压力动载荷作用下的密封性和完整性。

3）优化浆柱结构，应用冲洗液低返速紊流与隔离液高返速塞流的复合顶替技术，配套采取套管居中、低密度替浆液、不留上水泥塞、辅助压稳等措施，实现了水平井尾管固井防漏、提高顶替效率和压稳防窜的目的。

4）新型尾管固井工艺技术在杭锦旗地区得到推广应用，提高了尾管固井质量，回接后油层套管与环空密封可靠，管柱在高压下安全稳定，有效保证了分段压裂的顺利实施及改造效果。