新疆油田玛湖砾岩油藏水平井固井技术研究与应用

孙栓科，胡 磊，杨 东

（新疆克拉玛依市白碱滩区西部钻探固井公司，新疆克拉玛依 834009）

1 玛湖水平井基础数据

玛湖区块窄间隙水平井表层采用∅381mm 钻头钻至井深500m，下入∅273mm 套管；技术套管采用∅241mm 钻头钻至井深3140m，下入∅193.7mm 套管，低密度水泥浆固井，返至2540m，油层套管采用∅165.1mm钻头钻至井深5500～6000m，下入∅127mm套管，水泥浆返至2940m，封固目的层，三开环空间隙小，其井身结构如图1所示。

图1 玛湖井区窄间隙水平井井身结构图

2 窄间隙水平井套管安全下入技术研究

2.1 影响下套管因素

（1）三维井水平井井眼轨迹复杂，由于拖压直井段套管重量未能完全传递。由于水平井井眼轨迹比直井的较为复杂，在套管下入到造斜段时，井斜角会忽然的增大，套管下入到狗腿角过大的井段时，套管与井段的接触机会就会大大增加，从而使接触压力变大，因此套管下入阻力也会逐渐增加，下套管的阻力增加到一定程度可能会发生无法正常下入套管的情况。在钻进过程中井眼轨迹三维弯曲，这样会产生扭方位，使井眼半径变小或者使狗腿角变大，从而导致下套管难度增大。三维水平井方位扭角大，套管下至后期由于拖压使上部套管重力难以往下传递，造成套管前行困难。

（2）下入套管刚度大于通井钻具刚度。如表1 所示，2017 年以前玛湖井区窄间隙三开水平井下套管前通井采用三扶正器钻具组合，完井套管采用刚级为P110套管，外径127mm，壁厚11.1mm；根据公式：

表1 通井钻具组合参数

式中：I钻——加重钻杆的惯性矩，I钻=（D钻4-d钻4）×π/64；

I扶——通井扶正器的惯性矩，I扶=（D扶4-d扶4）×π/64；

L钻——加重钻杆长度；

L扶——扶正器有效棱长；

I套——套管的惯性矩，I套=（D套4-d套4）×π/64。

根据刚度计算可得钻具与套管刚度比值M=0.97，说明通井钻具刚度小于下入套管刚度，钻具通井效果差，未能有效地对井眼进行修复，因此套管下入更困难。

（3）水平井段长，下套管后期水平段摩阻大于套管直井段自重。玛湖井区窄间隙水平井水平段长1200～2000m不等，从造斜点至井底均处于裸眼地层，套管下至后期由于重力的作用，套管在水平段贴边前行，套管与井壁之间摩阻大，给套管的顺利下入增加难度；水平段长，下入过程岩屑堆积严重，当摩阻大于等于套管直井段浮重，套管难以下入。

（4）井眼条件不规则，斜井段和水平段不规则井眼不能使套管平顺下放。斜井段和水平段钻进时易产生“糖葫芦”井眼和键槽，套管在下入过程中当浮鞋进入不规则复杂井眼后会导致套管遇阻无法下放到位。

2.2 水平井下套管技术方案

（1）轨迹模拟，确定套管下深。在水平井钻进过程，通过实钻轨迹和设计轨迹进行套管下深模拟，确定套管理论下入，根据套管理论下深可确定完钻井深，避免钻井进尺的浪费。

如图2所示，根据钻进过程实钻轨迹和工程设计轨迹、泥浆性能，通过固井软件进行套管理论下深模拟。

图2 水平井下套管摩阻模拟图

（2）采用四扶正器钻具组合，刚度大于套管刚度。由于前期玛湖窄间隙三开水平井井眼前期下套管困难，因此采用四扶正器（大三扶）钻具组合通井，并在环玛湖小三开井身结构水平井中推广应用；

钻具组合：∅165.1mm 钻头+∅160mm 扶正器+∅101.6mm 加重钻×1+∅160mm 扶正器+∅159mm 扶正器+∅101.6mm 加重钻杆×1+∅158mm 扶正器+∅101.6mm钻杆串。

根据式（1）得到此四扶正器钻具组合刚度比M=1.20。

通过套管刚度和通井钻具刚度计算对比，确定通井钻具刚度大于下入套管刚度（即刚度比M大于1），通井正常后再进行下套管作业,该通井钻具组合刚度比更大，在通井过程中更能有效模拟下套管情况，且对于阻卡井段有较好的井眼修复效果。

（3）优化钻井液性能，做好下套管中途洗井措施。钻井液不仅在钻井过程中井内起着循环的作用，同时也在钻井通井和下套管时可以起到很好的润滑作用，可以降低通井与下套管时的摩擦阻力，减小对套管的损害。钻井液主要是因为其润滑性对套管摩阻的一个影响，这样可以减小套管摩阻系数，从而达到减小套管摩阻的效果。因此现场都是合理使用钻井液，已达到套管顺利下入的效果。同时，钻井液由于在井内是循环作业的，因此钻井液也有把井底的这些岩屑循环带出到地面，能更好地清洁井眼，一般来说下套管前高粘钻井液有助于岩屑清理，固井前低粘低切钻井液有助于固井顶替效率，是保障固井质量重要因素之一。

（4）优选下套管减阻固井附件，优选并合理安放固井扶正器。下套管使用水力偏心旋转浮鞋，该工具在开泵循环和遇阻下压时偏心导向头能旋转，使套管能有效通过大肚子、键槽等井眼。同时扶正器采用刚性滚轮扶正器与整体式弹性扶正器交替安装，既保障了套管顺利下入，又提高了套管居中度，保障固井质量，扶正器种类及安装位置如表2所示。

表2 扶正器种类和安放位置

3 水平井固井工艺研究

3.1 优化浆柱结构，采用高效前置液

玛湖区块油气水较为活跃，斜深长设计要求水泥封固段长，浆柱结构既要确保固井后压稳油气水层，前置液又必须较好地冲洗管壁，从而提高水泥浆胶结质量。

固井采用高效隔离液+驱油性清洗液+水泥浆浆柱结构，隔离液占高1300m，清洗液占高约300m，保证了其具备良好的冲洗性。

3.2 优化水泥浆性能

由于玛湖水平井采用体积压裂，压裂级数多，压力高，因此要求固井水泥浆必须具备较强的抗冲击性，在常规水泥浆中加入弹性材料及膨胀颗粒，采用颗粒级配技术，使水泥浆具有较好的抗冲击能力；同时玛湖区块油气显示好，要求水泥浆体系有良好的防油气窜性能，快速发挥早期强度，从而保障水平井封固质量。

3.3 优选固井施工参数

玛湖水平井斜深长，下套管循环洗井时间长，设计要求水泥浆一次封固段约2700m，因此固井施工排量优选从以下三方面考虑：

（1）由于地层具有橡胶回吐特性，施工循环压耗须平衡地层压力，防止地层泥浆回吐，污染水泥浆，影响封固质量。根据多口井循环洗井观察当排量大于1.0m3/min时地层易发生渗漏，排量小于0.6m3/min时，地层吸入泥浆将回吐。

（2）注入流体要有较好流态，能使前置液有效地清洗管壁，提高水泥浆胶结质量。

（3）小间隙井眼，循环压耗大，全井替浆介质为清水，固井施工泵压高。

通过水平井、前置液流态模拟，当固井施工排量达到1.0m3/min时前置液为紊流流态，对套管壁清洗效果好。因此固井替浆采用变排量顶替，前期顶替排量为1.0m3/min，提高清洗液及水泥浆顶替效率，水泥浆进入直井段后，顶替排量降至0.7m3/min，防止漏失。

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3.4 固井主要技术措施

（1）四扶通井到底后大排量1.20m3/min 保证循环无漏失，验证地层承压能力和井眼稳定性。

（2）固井前充分循环洗井排净后效，后效值需小于1×104ppm，泥浆密度不小于完钻泥浆密度，粘度小于60s，进出口密度差小于0.01g/cm3。

（3）下部结构为强制式旋转浮鞋+双浮箍下部结构，确保固井施工单流阀可靠性，管内零压候凝。

（4）采用双泵车同时替清水，保证高泵压替浆施工的连续性、安全性且排量满足顶替效率要求。

（5）固井结束后若放回水正常立即关井，环空加回压3～5MPa，确保固井候凝过程环空压稳。

4 现场应用——MaHW2039井∅127mm油层套管固井

4.1 基本井况

MaHW2039井是新疆油田部署在玛湖区块玛2井区的一口开发水平井，三开∅165.1mm 钻深5288m，A 点3788m，井底垂深3500m，水平段长1500m；下入∅127mm、壁厚11.1mm套管，钻井液为钾钙基聚铵有机盐钻井液体系，完钻密度1.53g/cm3，设计要求水泥浆返至2860m，MaHW2039井井身结构如表3所示。

表3 MaHW2039井井身结构

4.2 采取主要技术措施

（1）电测完四扶正器通井，四扶钻具组合：∅165.1mm钻头+∅160mm 扶正器+∅101.4mm 加重钻杆+∅159mm 扶正器+∅159mm 扶正器+∅101.4mm 加重钻杆+∅159mm扶正器。

（2）调整好钻井液性能，钻井液中加入润滑剂，斜井段和水平段注入润滑性良好的润滑浆，粘度小于70s，降低井壁摩擦阻力。

（3）四扶通井到底后大排量1.20m3/min 保证循环无漏失现象，验证地层承压能力和井眼稳定性。

（4）下套管在500m、1500m 处顶通15min，排量小于1.0m3/min，出技术套管前（3000m 左右）循环洗井1周，排量小于0.5m3/min，井队开泵控制好泵压。A 点以后200m循环洗井一周，之后每500～800m洗井一次，每次循环洗井须排尽后效，洗井期间注意活动好套管严防粘附。套管下至井底后，小排量（小于0.5m3/min）洗井一周后，逐渐增加排量至1.0m3/min。

（5）浆柱结构：采用高效隔离液、清洗液和韧性水泥浆浆柱结构，水泥浆密度为1.90g/cm3，有效平衡地层压力，全井替清水。

（6）固井前充分循环洗井排净后效，后效值需小于1×104ppm，泥浆密度不小于完钻泥浆密度，粘度小于60s，进出口密度差小于0.01g/cm3。

（7）固井替浆采用变排量顶替，前期顶替排量为1.0m3/min，提高清洗液及水泥浆顶替效率，水泥浆进入直井段后，顶替排量降至0.7m3/min。

（8）固完井后若放回水正常立即关井，环空加回压3～5MPa，8h拆水泥头，候凝24h后进行下步作业。

4.3 水泥浆性能

固井采用韧性防气窜水泥浆体系，其性能如表4所示。

表4 MaHW2039井水泥浆体系综合性能（83℃，55MPa）

由表4 可以看出，该水泥浆体系各项性能指标优良，失水量小，稠化过渡时间短，早期强度发挥时间为3.5h，具有较好的防窜性能，24h 小时抗压强度值26MPa，具有高强度低弹性模量特性，其各项目性能均满足水平井压裂开采需要，其性能如图3、图4所示。

图3 水泥浆稠化曲线

图4 水泥浆静胶凝曲线图

4.4 现场施工参数

固井注水泥施工：注入14m3密度1.60g/cm3的高效隔离液，4m3密度1.02g/cm3清洗液，注入防气窜水泥30m3，平均密度1.90g/cm3。

替浆施工45.3m3，前38m3，施工排量1.0m3/min；7.3m3施工排量0.7m3/min，碰压32～38MPa，固井施工结束后放回水正常，关防喷器环空加压4.2MPa。

4.5 声幅检测情况

本次固井施工过程顺利，各项指标基本达到设计要求。试压合格，经声幅CBL测井验证，全井固井质量合格，分段声幅解释如表5所示。

表5 MaHW2039井CBL声幅解释情况

根据上述研究结果，在玛湖区块进行窄间隙水平井多口井下套管及固井现场应用，在整个管串下入过程无阻卡现象，套管安全下至设计位置，开泵循环正常，现场参数符合设计要求，固井质量合格率为100%，对水平段进行了有效封隔，通过后期压裂施工证实，固井质量封隔良好，满足大型体积压裂要求。

5 认识与结论

（1）充分的井眼准备，是窄间隙井眼、超长水平段套管安全下至井底的必要条件，使用四扶正器通井钻具组合，优化下套管中途洗井等措施能保障套管顺利下入。

（2）国产防气窜韧性水泥浆具有较好的防油气侵及抗冲击性能，不仅能提高水泥浆封固效果，还有利于后续大型体积压裂。

（3）窄间隙固井，前置液易于实现紊流顶替，可通过设计合理的浆柱结构和顶替排量，提高前置液冲洗时间，既能保证水平段顶替效率又能防止薄弱地层漏失。

（4）固井前充分循环洗井、低粘低切性能泥浆、固井替浆施工连续性均是提高固井质量的重要因素。