川西致密砂岩地层水平井固井技术研究①

秦大伟，黄鹏，刘全稳，陈琦

(1.广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000；2.江苏油田工程技术服务中心，江苏 扬州 225265)

目前，水平井技术已成为开发川西致密砂岩气藏的重要手段。作为主力产气层的中、浅层沙溪庙组均采用“尾管固井不回接”的二开制井身结构，水平井段的长度约500～1000 m。水平裸眼井段长度大、地质特征复杂、多套压力体系共存、异常高压气层等因素使得该区块的固井作业存在套管下入难度大、套管居中困难、水泥浆顶替效率差等问题，从而导致致密砂岩地层水平井斜井段与水平段固井质量不理想，为后续油气生产作业带来了严重的安全隐患[1，2]。本文首先对川西致密砂岩地层水平井的固井难点进行分析，然后提出了适用于该区块的配套固井技术措施。

1 川西致密砂岩地层水平井固井现状及技术难点

1.1 川西致密砂岩地层水平井固井现状

川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井通常采用生产套管悬挂尾管固井技术，在注水泥作业中采用常规单级注水泥工艺，水泥浆上返至尾管悬挂点处，从而实现对井眼与尾管环空的封固。通过川西沙溪庙组致密砂岩地层在建水平井尾管固井质量统计发现，全井段固井质量不合格率高达28.1%。对固井质量不合格的9口井进行分段固井质量统计，结果见表1。

表1 不合格井分段固井质量统计 %

可以看出，致密砂岩地层水平井尾管固井作业中，直井段的固井质量最好，不合格率仅为13.8%，斜井段的固井质量最差，不合格率高达48.4%。

1.2 川西致密砂岩地层水平井固井技术难点

通过对比合格井与不合格井的井史资料可以发现，沙溪庙组致密砂岩地层水平井固井质量不理想的主要原因如下：

(1)井眼不规则，套管下入难度大。沙溪庙组地层砂体厚度变化较大且连续性较差，为了保证井眼在砂体中钻进，需不断对井眼轨迹进行调整，从而导致井眼不规则，井眼曲率较大(XC-14HF井在2434 m处的狗腿角高达13.04 °/30 m)，带有扶正器的入井套管柱容易在弯曲井眼处发生“硬卡”现象。

(2)套管扶正器选型及安放位置不合理。该层段井壁易坍塌破碎，使得部分裸眼段的井径较大，固井作业中仍然采用外径为197 mm的弹性扶正器(XC-17HF斜井段的平均直径达268.1 mm，井眼与套管环空单边间隙达64.2 mm)，导致套管柱在井筒中偏心严重，影响水泥浆的顶替效率。此外，扶正器的安放位置通常采用经验方法确定，使得扶正效果不明显。

(3)洗井作业不彻底，水平井段存在岩屑床。岩屑床的存在使环空间隙变小，增加了套管柱入井时的摩阻和扭矩。

(4)水泥浆性能不稳定。川西致密砂岩地层压力系数高，需采用高密度水泥浆进行固井作业，高密度水泥浆的使用会增加固井作业的难度以及水泥浆性能调整的难度。目前采用的KQ系列水泥浆体系的沉降稳定性不理想(XC-7HF、XC-21HF井密度达到0.17 g/cm3和0.15 g/cm3)，从而导致水泥浆在候凝时“失重”，增加了气窜风险。

2 川西致密砂岩地层水平井固井配套技术

基于川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井固井现状及固井质量差的原因，针对性地提出了适用于该区块的水平井固井配套技术。

2.1 斜井段套管下入技术

2.1.1 斜井段套管通过性研究

川西沙溪庙组致密砂岩地层斜井段井眼曲率较大，因此在下套管时不仅要考虑套管与井眼之间的摩阻，还需要避免下套管过程发生“硬卡”现象。结合该区块实际情况，分别从套管能够通过的最大井眼曲率和井眼曲率已知的情况下能够通过的最大套管长度两个方面对斜井段套管通过能力进行研究。

(1)套管能够通过的最大井眼曲率

在实际作业中，斜井段套管柱能够通过的最大井眼曲率[3]计算模型为

min{kAPI，kIADC，kz，kf}≥km

(1)

式中：kAPI，kIADC，kz，kf分别为API法、IADC法、考虑轴向力和考虑扶正器时的最大井眼曲率，°/30 m。

(2)井眼曲率已知的情况下能够通过的最大套管长度

假设下套管过程中，扶正器之间的套管保持刚性，即套管两端的扶正器与井壁接触[4]，套管中部与弯曲井眼相切，如图1所示。

图1 套管通过性刚性模型

由于川西沙溪庙组采用的扶正器尺寸一致，基于图1所示的几何关系，在井眼曲率确定的情况下，刚性模型下套管能够通过的最大长度为

(2)

式中：Lg为刚性模型下套管能够通过的最大长度，m；R为斜井段的井眼曲率半径，m；D为井眼直径，m；df为扶正器外径，m；d为套管外径，m。

在实际下套管作业中，扶正器之间的套管在轴向力的作用下发生弯曲，如图2所示。

图2 套管通过性弹性模型 图3 不同计算模型可下入套管最大长度

采用套管通过性柔性模型，在井眼曲率确定的情况下，刚性模型下套管能够通过的最大长度Lt为

(3)

结合川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井作业参数，在Φ215.9 mm的井眼中下入Φ139.7 mm的套管，扶正器的外径为206 mm，井径扩大率为7.5%时，分别计算刚性模型和弹性模型下能够通过的最大套管长度，结果如图3所示。

由图3可以知，采用弹性模型计算出的可通过最大套管长度要大于刚性模型的计算值，即刚性模型的计算值安全系数更高，因此在川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井下套管作业中采用刚性模型进行计算。

2.1.2 下套管摩阻计算

图4 套管柱微元段受力分析

(4)

下套管过程时的边界条件为

(5)

根据川西沙溪庙组致密砂岩地层实钻资料，下套管过程中套管柱与裸眼井壁之间的摩擦系数取0.3，套管柱与上层套管之间的摩擦系数取0.2。将公式(4)和公式(5)沿井眼轴线的法向和切向展开，并进行牛顿迭代，即可得到下套管作业中的摩阻预测值。

2.2 优选扶正器类型及安放位置

套管在井眼中的居中度直接影响着水泥浆的顶替效率。扶正器选型及安放间距是否合理对套管在井眼中的居中度有着重要的影响。沙溪庙组致密砂岩地层水平井实钻资料表明，旋流式刚性扶正器和双弓型弹簧片扶正器交替使用，能够在井径不规则的斜井段及水平段起到良好的扶正作用。

基于套管扶正器的设计原则，安装扶正器后的套管偏心距emax不能超过套管许用偏心距[e]，即：

emax≤[e]

(6)

当刚性、弹性扶正器交替安放时，入井套管柱的最大偏心距emax可表示为

(7)

式中：emax为入井管柱最大偏心距，cm；[e]为套管许用偏心距，cm；ev、es为入井套管柱偏心距在井眼轴线法向和切向上的分量，cm；Pv、Ps为扶正器在井眼轴线法向和切向上的复位力分量，N。

2.3 水力清除岩屑床工具

岩屑床的存在使得下套管过程中扭矩和摩阻增加，导致下套管困难，影响固井质量。因此，川西致密砂岩水平井洗井和注水泥浆阶段，在改善钻井液性能提高水力清除岩屑床能力的基础上，采用了岩屑床清除工具(见图5)。

图5 岩屑床清除工具工作原理

通过工具侧向喷嘴的钻井液以旋转射流的方式冲洗水平井段下井壁处的岩屑床[6]，旋转射流具有较强的卷吸和扩张能力，增大了侧向射流与岩屑床的接触面积，能够促使下井壁沉屑离开井壁向上运移，提高岩屑床清除效率。

2.4 高密度防窜水泥浆体系

川西沙溪庙组致密砂岩地层压力系数高，且钻井液密度窗口较窄，因此对水泥浆体系的性能(密度、稳定性、失水、候凝时间等)要求较高[7,8]。针对该地区采用的“尾管固井不回接”的二开制井身结构，适用于该区块的水泥浆体系性能要求见表2。

表2 川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井固井水泥浆体系性能要求

根据表2要求，针对川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井固井作业中存在的失重、气窜风险，对目前常用的防气窜水泥浆体系[9,10]进行优化。通过筛选水泥浆体系中的加重剂、降失水剂、膨胀剂和分散剂的种类和配比，优选出适用于该区块的高密度水泥浆体系。为提高水泥浆的顶替效率，实现对上部含气层位的良好封固，川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井固井作业采用的领浆基本配方为GSJ(水泥基浆)+加重剂+2%PZM-2(膨胀剂)+3%ZSM(增塑剂)+6.8%JSM(降滤失剂)+1.5%FSM(降滤失剂)+0.3%HNM(缓凝剂)。为更好地封固水平段目的层，防止油气水窜，该区块固井作业采用的尾浆配方为GSJ(水泥基浆)+加重剂+2%PZM-2(膨胀剂)+3%ZSM(增塑剂)+6.8%JSM(降滤失剂)+1.5%FSM(降滤失剂)+0.6%HNM(缓凝剂)。领浆和尾浆的常规性能见表3。

表3 川西致密砂岩地层水泥浆体系常规性能

3 现场试验

基于川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井固井作业中存在技术难题，针对性地采取了斜井段下套管技术、扶正器选型与安放位置优选、清除岩屑床、优化高密度防窜水泥浆体系等措施，有效地提高了该区块水平井固井作业质量。下面以XC-34HF井为例，进行说明。

XC-34HF井身结构如表4所示。利用公式(1)至公式(3)可以计算出带扶正器的Φ139.7 mm套管柱能够通过的最大井眼曲率为15.32 °/30 m，考虑轴向力影响时可通过的最大井眼曲率为30.3 °/30 m，两者均大于实际井眼曲率，因此安装有扶正器的油层尾管柱在入井过程中不会发生“硬卡”现象，能够顺利入井。

表4 XC-34HF井身结构

采用公式(6)和公式(7)对扶正器的安放距离进行计算，在斜井段和水平井段每根套管均安装外径为226 mm的扶正器，刚性、弹性扶正器交替安放。利用套管下入摩阻模型进行计算，可以得知入井套管柱在XC-33HF井的最大摩阻为215.3 kN，而作业中大钩载荷的最大值为375 kN，因此Φ139.7 mm套管柱可以依靠自身重量下至设计井深位置。

采用优选的高密度防窜水泥浆体系进行注水泥作业，水泥浆体系中加重剂的质量分数为40%，水泥浆体系的密度为2.23 g/cm3。

固井作业结束，利用声波幅度测井(CBL)对XC-34HF井的斜井段和水平井段固井质量进行检测，斜井段和水平段固井质量为优秀和良好的井段长度占其总长度的百分比分别为87%和87.1%，斜井段和水平井段固井质量不合格的井段长度占其总长度的百分比分别为11.8%和12.1%。与区块平均值相比，固井质量不合格率分别降低了36.6%和11.5%，整体来看固井质量提升效果明显。

4 结论

(1)川西沙溪庙组致密砂岩地层水平井斜井段和水平井段固井质量较差，主要是由于该区块井眼不规则，扶正器选型及安放位置不合理及目前采用的水泥浆体系性能不稳定。

(2)针对该地区固井作业技术难题，提出了斜井段套管下入技术、优选扶正器的类型及安放位置、加装水力清除岩屑床工具、优选高密度防窜水泥浆体系等适用于该区块的配套固井技术。

(3)现场试验表明，采用优选后的配套固井技术能有效提高该区块斜井段和水平井段的固井质量。