致密油水平井固井技术现状

霍维维

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

1 国内技术研究现状

1.1 川西水平井固井技术

通过研究分析，认为水平井固井质量的主要因素为重力因素与井眼几何形状。重力作用导致水平段套管向下侧弯曲，影响套管居中，导致水泥浆顶替效率低。钻井液、前置液和水泥浆的重相颗粒沉降在环空底部，不利于井眼清洗，影响水泥环二界面胶结质量。井眼轨迹不平滑、井径不规则，会严重影响套管下入及居中，同时井径不规则处形成死泥浆，造成顶替钻井液困难。提出了合理的扶正器选用与间距设计，优化浆柱结构与顶替工艺，以及使用综合性能优良的水泥浆体系，是提高川西水平井固井质量的有效途径，主要技术措施如下：

（1）增加造斜点以下扶正器数量，提高造斜及水平段居中度；

（2）使用低粘切的常温钻井液作为先导浆，降粘、降切；

（3）使用带有螺旋形状扶正楞的旋流扶正器，提高水平段顶替效率；

（4）固井前置液采用组合形式——冲洗液+隔离液+冲洗液；

（5）使用双凝水泥浆，增加双凝水泥浆稠化时间差，确保压稳。

1.2 胜利油田水平井固井技术

主要是围绕水平井固井难点，从通井、下套管、钻井液性能调整、固井前置液和水泥浆设计、施工参数设计与控制等方面提出了提高顶替效率的关键技术措施：

（1）下套管前通井技术措施。模拟原钻具刚度通井，确保扶正器数量和套管顺利下入；下套管前维持原钻井液性能，确保井壁稳定；大排量洗井，对通井遇阻井段进行划眼和反复短起下，彻底清除岩屑床；通井后期，泵压和钻井液性能稳定后，测循环周，估算井筒容积，为确定水泥浆量提供参考依据；起钻前在水平段和造斜段注入润滑钻井液。

（2）下套管操作特别要求。下套管主要应做到连续下入，缩短钻井液静止时间，避免过高的结构力形成。

（3）扶正器设计原则及方法。水平段全部采用刚性扶正器并加大安放密度；扶正器位置宜放在井眼较规则、井壁稳定的井段。

（4）前置液设计。在注水泥之前，先注入冲洗隔离液，目的是清除水泥封固段附着在套管外壁和井壁的稠钻井液，使水泥在两个界面均有较高的胶结强度。冲洗液与钻井液相混时相容性要好，并能获得一个亲水环境；冲洗液的流变性要好，保证在低速下实现紊流，使两个界面都得到有效冲洗，一般设计为400～500m环空体积，紊流接触时间10min。

（5）水泥浆体系设计。采用多凝水泥浆柱结构。上部采用低密度水泥浆体系，中部采用高温降失水剂水泥浆体系，水平段采用增韧微膨胀水泥浆体系。

（6）循环洗井及钻井液性能调整。刚开始循环时，维持下套管前的钻井液性能，以利于井眼清洗；逐步提高排量，待泵压及钻井液性能稳定后，大排量循环洗井两周以上，以彻底清洗井眼；在注水泥前的1～2个循环周内，循环到进出口钻井液性能达到平衡为止。如果可能，循环时钻井液流态应达到紊流状态，以帮助清除岩屑或固相沉淀槽。另外，注水泥前或者注水泥期间要尽量减少井内钻井液处于静止的时间，务必使其保持最充分的循环。

1.3 西部钻探水平井固井技术

主要是通过完井管柱下入、水泥浆体系及配套固井技术等几方面开展计算机模拟分析，配方优化研究，配套固井技术优选等致力于解决水平井固井的主要技术难题。

下套管前充分循环洗井并最终采用三扶正器通井保证井眼稳定、畅通、平滑；造斜段、水平段套管串合理安放刚性扶正器，特别是滚轮扶正器有利于提高套管居中度和降低套管串下入摩阻；通过优化固井施工参数采用变排量注水泥及替浆，改善注替流态，辅助采用除油前置液及套管漂浮技术有利于提高顶替效率；在水泥浆配方中加入弹性颗粒进一步增加水泥石弹韧性，有利于在保证水泥石强度的前提下降低弹性模量，适应大型压裂对水泥石强度及韧性的要求。

2 国外技术研究现状

2.1 顶替效率模拟软件

（1）Displace 3D 顶替三维模拟软件采用全井眼三维模拟方式，通过计算环空顶替钻井液时各种流体的动态特征，能够分析有效顶替钻井液的必要条件。由于能清楚地看到井下的模拟情况，可以协助固井技术人员制订更完备的注替方案，保证井眼完整性及封固质量。

（2）OptiCem 固井优化设计软件可以使固井技术人员获得更真实的模拟与流变模型。通过对比设计参数与实际施工参数，OptiCem 软件可依据调整固井施工工序，监测井下流体注入位置，实时监测井下ECD，在保证施工安全的前提下，提高注替排量。

2.2 保证水泥环长期密封的技术

（1）ElastiCem 水泥和ElastiSeal 水泥。ElastiCem水泥通过加入弹性材料和纤维，降低水泥石的脆性，增加弹塑性，保证水泥环密封长期有效。ElastiCem 属于泡沫水泥，密度为0.61～2.29g/cm3，可满足10.0℃～315.7℃井下温度的要求；ElastiSeal 水泥具有较强的可压缩性，抵抗不同井下环境中应力的能力强。由于ElastiSeal水泥中含有稳定性强、分散性高的氮气泡，具有更强的可压缩性、桥堵性和弹塑性。

（2）GasStop水泥。GasStop水泥为防窜水泥浆，适用温度范围为93℃～177℃，可以用来控制水泥浆的胶凝强度。水泥浆凝固前可以有效传递液柱压力，保证对气层的压稳，防止失重时发生气窜现象。GasStop水泥在淡水及盐水钻井液中均有优异的降失水效果。

2.3 固井过程中防止水泥浆漏失技术

（1）Tuned Light Cement 水泥。Tuned Light Cement水泥采用玻璃微珠作为减轻剂来降低水泥浆密度，适应密度范围宽，水泥石抗压强度高。在低压易漏井固井中，Tuned Light Cement水泥能保证水泥浆返到设计位置，防止固井中水泥浆漏失，从而降低回灌作业的费用。Tuned Light Cement水泥具有一定的触变性，可有助于防止水泥浆的漏失及候凝时水泥的回落；Tuned Light Cement水泥过渡时间短，有助于防止气窜。

（2）ZoneSeal 泡沫水泥。ZoneSeal 泡沫水泥具有以下优点：①弹塑性及抗拉强度高，增加了水泥石的力学性能，有助于保证水泥环的长期密封；②泡沫水泥在压缩状态下为高能、高粘体系，有助于提高顶替效率。在低压易漏井中，泡沫水泥有助于保证水泥的返高；在高压井中，泡沫水泥有助于防气窜；泡沫水泥可实现超低密度，可用于特殊地层固井，应用效果显著。

（3）固井前置液技术。Tuned Spacer 水基隔离液与任何类型钻井液相容性良好，通过优化流变性能参数，可以有效清除钻井液及井壁上的滤饼，为水泥浆的良好胶结环境。Tuned Spacer 水基隔离液在不同温度条件下屈服值稳定，悬浮性好，流变性能易于调整。最高抗温可达177℃，适用密度为1.21～2.17g/cm3。Mud Flash 冲洗液可作为固相颗粒分散剂与水润湿表面活性剂来冲净环空中的钻井液，并将环空二界面变为水润湿，为水泥浆与井壁间的良好胶结创造条件。上述性能保证钻井液、水泥浆与井下冲洗液在井下的良好相容性。Mud Flash是单组分钻井液—滤饼清除剂，具有用户友好、低成本、易操作等特点。

3 水平井固井技术新进展

3.1 水平井固井新工具

国外研制的水平井固井工具主要是从提高顶替效率和强化套管环空的窜槽通道密封两方面来进行的。

（1）紊流器；

（2）套管扶正器；

（3）旋转尾管下入工具；

（4）管外封隔器。

3.2 水平井固井新体系

（1）泡沫水泥浆。泡沫水泥主要是在水泥浆混配过程中，加入表面活性剂、稳定剂，在通过人工引入氮气来实现，优势是具有高的剪切应力，可提高顶替钻井液能力，另外，水泥石内部气体可以保持水泥石内部压力，提高水泥石防油气水窜的能力。

（2）韧性水泥浆。致密油水平井大型压裂对水泥环长期密封性能要求高，所以对水泥石的力学性能具有较高的要求，水泥石是具有先天缺陷的脆性材料，井下水泥环在射孔弹高能聚流冲击力（＞4000MPa）的作用下，会破裂形成宏观裂纹，油气井开发过程中的后续增产措施使这些裂纹进一步扩大，致使水泥环的封隔作用彻底失效。因此，需要增加水泥石的韧性，就是提高水泥石的抗外载能力，可以通过添加弹性材料，如，加入复合纤维、弹塑剂、溶结环氧树脂等材料，在水泥石受力作用时，力传递到弹性材料，产生力的缓冲作用，吸收部分能量，减缓骨架支撑结构的破坏，提高水泥石的抗冲击性能。

4 结论

水平井的主要特点是水平段较长，受地质条件的影响，存在井眼轨迹控制难度大、井眼规则度差的问题，导致固井作业环节下套管困难、套管居中度差、顶替效率低，影响固井质量。而水平井固井水泥环需经受大型压裂的考验，水泥环质量直接影响着压裂方案的制定与油井寿命，因此固井质量成为各方关注的焦点。