夏忠躍，解健程，范志坤，賈佳，郭建東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司山西分公司，山西晉中 030600)

鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊致密砂巖氣藏資源勘探潛力巨大，儲(chǔ)層低孔低滲，非均質(zhì)性強(qiáng)、分布不穩(wěn)定，部分區(qū)域微裂縫發(fā)育，砂體平面連續(xù)性差，氣田開發(fā)過程中面臨著直井、定向井井控產(chǎn)量不足的問題。水平井因其在開發(fā)過程中大幅度增加了井眼與油氣層的接觸面積，能夠有效提升油氣井的生產(chǎn)效率[1]，降低生產(chǎn)成本，在臨興區(qū)塊內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。臨興區(qū)塊內(nèi)水平井水平段及裸眼段較長造成了固井作業(yè)中套管串居中度不高及下套管遇阻情況的發(fā)生，再加上頂替效率低，區(qū)塊內(nèi)地層溫度低，水泥漿性能不佳，導(dǎo)致固井質(zhì)量較差[2]。對(duì)于區(qū)塊內(nèi)致密氣水平井固井中出現(xiàn)的復(fù)雜狀況尚無針對(duì)性的研究及優(yōu)化措施。致密氣藏的特點(diǎn)決定了其要走低成本高效開發(fā)的模式。因此，在不增加預(yù)算的前提下，保證套管居中度的同時(shí)將具有足夠強(qiáng)度的套管串順利下至設(shè)計(jì)位置，同時(shí)提升水泥漿的性能以保證水泥環(huán)完全封固整個(gè)環(huán)空，為后期壓裂試氣提供良好的井筒環(huán)境，對(duì)于臨興區(qū)塊致密氣的開發(fā)具有非常重要的意義。

筆者對(duì)當(dāng)前臨興區(qū)塊致密氣水平井固井技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，指出了其中的不足之處，并提出了相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化措施，同時(shí)對(duì)優(yōu)化措施的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，明確了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可行性；鑒于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成功，以期能夠?yàn)樘嵘骄谂R興區(qū)塊致密氣開發(fā)中的適應(yīng)性及固井質(zhì)量提供借鑒。

1 水平井固井難點(diǎn)分析

區(qū)塊內(nèi)的水平井要快速建產(chǎn)，高效開發(fā)，提高固井質(zhì)量需解決以下難題。

1.1 套管柱居中度及水泥漿頂替效率

根據(jù)調(diào)研的區(qū)塊內(nèi)水平井管柱扶正器的安放方式，造斜段及水平段一般采取2根套管安放1個(gè)雙弓彈性扶正器的方式，根據(jù)Landmark軟件的計(jì)算結(jié)果，該方式幾乎很難保證管柱達(dá)到67%的居中度；甚至在造斜段及水平段，受套管自身重力的影響[3]，套管柱有完全貼邊的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致寬窄間隙處流速分布極不均勻，頂替效率不高直接影響固井質(zhì)量。

1.2 保證套管串安全下入

水平段套管下入相對(duì)較困難，極易出現(xiàn)套管下入遇阻的情況。水平段套管對(duì)井壁的側(cè)壓力很大，隨著井深的增加，下套管的摩阻會(huì)越來越大，下入難度會(huì)逐漸增大，如何在保證套管居中度的情況下順利將套管送入到預(yù)定的位置是提升固井質(zhì)量必須面對(duì)的課題。

1.3 固井水泥漿的穩(wěn)定性

在造斜段及水平段中，水泥漿顆粒從頂邊運(yùn)移到底邊的距離，因此，水泥漿漿體的穩(wěn)定性比常規(guī)井更為重要。對(duì)于油氣井來說，地層中最活躍的就是氣體，氣體黏度為地層水黏度的1/100~1/80，發(fā)生竄流的可能性較大，水泥漿漿體的穩(wěn)定性對(duì)于防氣竄尤其重要[4]。

一般說來，水泥漿的漿體穩(wěn)定性由自由液性質(zhì)和顆粒沉降性能所決定。水泥漿中顆粒沉淀導(dǎo)致井眼頂邊水泥漿變稀而底邊水泥漿變稠，凝固后會(huì)導(dǎo)致井眼頂邊將留有強(qiáng)度很弱的滲透性水泥，而底邊將有很強(qiáng)的低滲透性水泥，頂部這種弱滲透性水泥不能充分保護(hù)套管而可能造成井內(nèi)流體在環(huán)空中流動(dòng)。室內(nèi)通過評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)固井水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性，也發(fā)現(xiàn)低密度水泥漿沉降嚴(yán)重，封固效果較差，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提升其封固效果。

1.4 壓裂完井下水泥環(huán)的完整性

臨興區(qū)塊內(nèi)水平井的完井作業(yè)多采用射孔結(jié)合分段壓裂的方式，因此，需要在保證水泥石界面膠結(jié)能力的同時(shí)要求水泥環(huán)具備較好的抗沖擊能力和韌性。

1.5 儲(chǔ)層保護(hù)

低孔隙度、低滲透率是臨興區(qū)塊致密氣藏儲(chǔ)層典型的物理特性，致密氣與常規(guī)天然氣流動(dòng)阻力相比較大，區(qū)塊內(nèi)水平井在投產(chǎn)前均需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造，由于裸眼段較長，要求固井水泥漿應(yīng)具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)性，也就是要求進(jìn)入到儲(chǔ)層的水泥漿濾液要盡可能的少。

1.6 低溫對(duì)水泥漿性能的影響

臨興區(qū)塊內(nèi)地層溫度低，影響水泥正常水化，水泥漿強(qiáng)度增長較慢。因此，固井水泥漿應(yīng)具有良好的低溫固化性能，固化后水泥漿的整體性能應(yīng)達(dá)到水平井固井要求。

2 水平井固井技術(shù)優(yōu)化

2.1 套管柱優(yōu)化措施

管柱優(yōu)化主要集中于2個(gè)方面：一是保證套管串的居中度，最少能夠達(dá)到67%；二是在保證居中度的條件下將套管串順利送到預(yù)定的位置。剛性扶正器具有低啟動(dòng)力、低下入力和高復(fù)位力的特點(diǎn)，可以解決套管串太重貼邊的問題，保證套管串良好的居中效果；滾珠扶正器具有很明顯的減阻效果。因此，剛性滾珠扶正器既能提升套管居中度，又能減小套管串下入摩阻[5]，適合小井眼水平井固井作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，研發(fā)了適用于臨興區(qū)塊致密氣水平井的φ114.3 mm規(guī)格的剛性滾珠扶正器。

臨興區(qū)塊某二開(完鉆井深3 131.0 m，垂深1 842.31 m，水平段813 m)、三開(完鉆井深3 538.15 m，垂深1 808.78 m，水平段1 137.35 m)井在無擴(kuò)徑、5%擴(kuò)徑工況下，水平段1根或2根套管安放不同扶正器居中度模擬見圖1。

圖1 不同工況下，不同扶正器安放方式居中度示意

由圖1可見：不管在何種工況下，水平段2根套管安放1個(gè)扶正器的方式很難保證套管串的居中度達(dá)到國標(biāo)67%的要求；在加密扶正器的數(shù)量后，水平段1根套管安放1個(gè)扶正器的方式能夠滿足固井作業(yè)對(duì)于套管居中度的要求。居中度最高的是水平段采用雙弓彈性扶正器的方式，其次是采用剛性滾珠與彈性扶正器交錯(cuò)的方式，效果最差的是全部采用剛性滾珠扶正器的方式。然而，居中度是套管串優(yōu)化的一方面，扶正器的加密可能會(huì)造成套管串剛度的增大，下入摩阻力的增加，故扶正器的安放需綜合考慮居中度、下入摩阻和大鉤載荷等因素。區(qū)塊內(nèi)不同摩阻系數(shù)下三開井型水平段1根套管安放1個(gè)扶正器下入摩阻及大鉤載荷的計(jì)算結(jié)果見表1，現(xiàn)場(chǎng)下套管作業(yè)套管內(nèi)摩阻系數(shù)設(shè)定為0.25。

由表1可見：采用全彈扶正器套管下入摩阻力最大；采用全剛性滾珠扶正器的套管下入摩阻力比采用全彈扶正器要小40%左右，但成本在3種扶正器下入方式中最高；而采用剛性滾珠與彈性扶正器組合的方式套管串的下入摩阻力比采用全彈扶正器要小25%左右，成本相對(duì)低廉；結(jié)合圖3中居中度計(jì)算結(jié)果，考慮經(jīng)濟(jì)性等因素推薦使用該方式，該方式既能很好的保證擴(kuò)徑時(shí)套管串居中度達(dá)到要求，又能保證成本不至于太高，同時(shí)套管下入的摩阻力相對(duì)較小[6]。

2.2 水泥漿體系優(yōu)化

臨興區(qū)塊目的層多為低孔低滲的致密砂巖氣儲(chǔ)層[7]，需要采取壓裂增產(chǎn)措施，壓裂作業(yè)對(duì)固井膠結(jié)質(zhì)量要求較高[8]，在滿足水泥漿膠結(jié)質(zhì)量良好的前提下，要求水泥漿穩(wěn)定性、儲(chǔ)保性能優(yōu)秀，另外需要水泥石應(yīng)具有較強(qiáng)的彈韌性及耐久性[9-11]。通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥漿性能進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)條件均為55 ℃×20 MPa，稠化升溫時(shí)間30 min；水泥漿性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》；試樣為現(xiàn)場(chǎng)取樣及實(shí)驗(yàn)室自制。

2.2.1 常規(guī)密度水泥漿性能優(yōu)化

對(duì)現(xiàn)階段臨興區(qū)塊水平井固井常規(guī)密度(1.90 g/cm3)水泥漿性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。領(lǐng)漿配方(w)：G級(jí)水泥+現(xiàn)場(chǎng)水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+1.5%降失水劑+1.0%早強(qiáng)劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑；尾漿配方(w)：G級(jí)水泥+現(xiàn)場(chǎng)水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+1.5%降失水劑+1.0%早強(qiáng)劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑。

由表2可見：現(xiàn)階段水平井固井使用的水泥漿失水較大，另外存在自由液，易發(fā)生氣竄。

表2 現(xiàn)階段固井水泥漿性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1.1 水泥漿體系失水性能優(yōu)化

鑒于現(xiàn)階段使用水泥漿失水較大的情況，對(duì)降失水劑加量進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

由表3可見：當(dāng)降失水劑加量(w)達(dá)到2.25%時(shí)，水泥漿的失水性能及自由液量控制的最好。

表3 降失水劑加量?jī)?yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1.2 水泥石力學(xué)特性的優(yōu)化

在水泥漿中添加纖維材料是改善水泥石力學(xué)性能的有效方法[12]。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中存在一些問題：①固體纖維現(xiàn)場(chǎng)混拌難度較大，和水泥干混易堵塞管線，放在水泥漿中濕混，存在分散不均，容易堵塞混漿撬上水管線的問題[13]；②纖維較難在水泥石中均勻分散，不能有效改善水泥石力學(xué)性能。因此，提出了一種在水泥漿中添加液體纖維的方法，既能改善水泥漿的性能，又能解決固體纖維的一些缺陷。對(duì)添加不同含量的液體纖維后尾漿的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。

表4 液體纖維加量對(duì)尾漿性能的影響

由表4可見：當(dāng)液體纖維的加量(w)增加到4%時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度比無添加液體纖維可增大4%左右，抗沖擊強(qiáng)度增大17%，彈性模量減小23%，表明液體纖維可較好地改善水泥石的力學(xué)性能；但隨著液體纖維量的增加，水泥漿逐漸變稠，這是由于液體纖維是以水為分散相，加入到水泥漿后，減少了配漿水的用量；且稠化時(shí)間有延遲的趨勢(shì)，為了保證對(duì)施工性能影響較小，液體纖維加量(w)選取2%，最終得到了優(yōu)化后的臨興區(qū)塊致密氣水平井常規(guī)密度固井水泥漿體系，具體配方(w)為領(lǐng)漿：G級(jí)水泥+現(xiàn)場(chǎng)水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強(qiáng)劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑+2%液體纖維；尾漿：G級(jí)水泥+現(xiàn)場(chǎng)水+0.5%分散劑+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強(qiáng)劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑+2%液體纖維。

優(yōu)化后水泥漿體系的常規(guī)性能見表5，優(yōu)化前后尾漿水泥石射孔試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

表5 優(yōu)化后固井水泥漿性能

由表2和表5的數(shù)據(jù)對(duì)比可見：優(yōu)化后的水泥漿失水小，抗壓強(qiáng)度得到了提升，自由液為零；雖然存在增稠現(xiàn)象，但能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行正常施工。此外，由圖2可見：水泥石的射孔炮眼在加入液體纖維后變的光滑，未出現(xiàn)水泥環(huán)的垮塌現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的韌性。綜合上述研究表明優(yōu)化后的水泥漿體系性能相對(duì)優(yōu)秀，更加適合臨興區(qū)塊致密氣井的固井作業(yè)。

圖2 尾漿未優(yōu)化和優(yōu)化后射孔炮眼對(duì)比

2.2.2 低密度水泥漿性能優(yōu)化

水泥漿密度是固井施工過程中的重要參數(shù)。水泥漿密度過高可能導(dǎo)致在深井、超深井、長封固段井、低壓易漏失井等復(fù)雜井固井過程中產(chǎn)生漏失，進(jìn)而在影響固井質(zhì)量的同時(shí)，嚴(yán)重傷害儲(chǔ)層[14-15]。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的低密度(1.5 g/cm3)水泥漿進(jìn)行了優(yōu)化。

為了在控制成本的同時(shí)有效提升低密度水泥漿的性能，研發(fā)了一種新型減輕劑材料液體減輕劑添加到水泥漿中。液體減輕劑是一種納米活性硅溶液，納米活性硅常態(tài)下為白色無定形絮狀半透明固體膠狀納米粒子，具有較強(qiáng)的束水功能，顆粒材料能與水泥顆粒形成H—Si—H凝膠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一方面具有良好的穩(wěn)定性，另一方面能夠形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保證水泥顆粒材料正常水化固化。液體減輕劑不僅能夠降低水泥漿密度，而且在一定程度上還可以增強(qiáng)水泥石強(qiáng)度。納米硅能夠增加水泥漿的懸浮穩(wěn)定性，解決常規(guī)低密度水泥漿沉降嚴(yán)重的問題，同時(shí)也可以增加水泥漿的黏度和水泥石的抗壓強(qiáng)度。

室內(nèi)評(píng)價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)低密度水泥漿體系與液體減輕劑低密度水泥漿體系綜合性能見表6。現(xiàn)場(chǎng)低密度水泥漿配方(w)：G級(jí)水泥+62%淡水+2.25%降失水劑+0.7%防竄劑+1.0%早強(qiáng)劑+0.2%消泡劑+26%漂珠；液體減輕劑低密度水泥漿配方(w)：G級(jí)水泥+99%現(xiàn)場(chǎng)水+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強(qiáng)劑+0.2%消泡劑+2%液體纖維+10%液體減輕劑。

表6 不同類型低密度水泥漿性能對(duì)比

由表6可見：液體減輕劑低密度水泥漿體系失水和稠化時(shí)間變化不大，水泥石強(qiáng)度增強(qiáng)45%左右，且無自由液。液體減輕劑低密度水泥漿體系性能要更好，特別是對(duì)于水泥漿體系自由液的控制及水泥石強(qiáng)度的提升效果較顯著。

2.3 固井工藝優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

為研究?jī)?yōu)化后固井技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)不同配方的低密度(1.7 g/cm3)水泥漿的成本進(jìn)行了核算，結(jié)果見表7。

由表7可見：以配制1.7 g/cm3的低密度水泥漿體系計(jì)算，液體減輕劑低密度水泥漿體系成本為1 305.05元/m3，而漂珠低密度水泥漿體系成本為1 710.56元/m3，使用液體減輕劑能夠?qū)⑺酀{成本降低24%左右，節(jié)省的部分可以用來支出剛性滾珠扶正器的費(fèi)用，從一口井整體固井費(fèi)用來衡量，優(yōu)化后的工藝費(fèi)用無需額外增加成本。

表7 不同配方的低密度(1.7 g/cm3)水泥漿成本核算

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

優(yōu)化后的固井技術(shù)在臨興區(qū)塊應(yīng)用5口井。以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的某致密氣水平井為例，該井為臨興區(qū)塊一口生產(chǎn)井，完鉆井深3 538 m，水平段長1 137 m，最大井斜角96°，井底循環(huán)溫度56 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)固井存在如下問題：①井眼存在砂泥互層，易漏，易垮塌，易縮徑；另外泥巖易吸水膨脹，且有剝落掉快，嚴(yán)重影響下套管等作業(yè)進(jìn)度；②大斜度井段長，井斜角大，管串重，套管下入困難；③常規(guī)水泥漿封固段長，當(dāng)量密度高，替漿后期施工壓力高，容易引起漏失；④氣層巖性疏松，巖石機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，易發(fā)生垮塌而形成“糖葫蘆”井眼，頂替效率差，易發(fā)生竄槽，不利于水泥環(huán)第二界面的膠結(jié)；⑤壓裂完井下保證水泥環(huán)的完整性困難；⑥儲(chǔ)層保護(hù)，致密氣藏儲(chǔ)層低孔、低滲透率的物性特征要求固井水泥漿應(yīng)具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)特性；⑦井溫低，影響水泥正常水化，水泥漿強(qiáng)度增長較慢，對(duì)水泥漿綜合性能要求高。為了保證并提升固井作業(yè)的質(zhì)量，前期作了如下工作：①優(yōu)化泥漿性能，保證井壁穩(wěn)定性；②優(yōu)選性能優(yōu)良的前置液，充分整理巖屑床，凈化井眼，前置液的量滿足10 min沖洗時(shí)間；③加密扶正器用量，水平段采用一根套管安放一個(gè)扶正器的原則，采取剛性滾珠與彈性扶正器交替下入的方式；④按照優(yōu)化后的水泥漿配方合理的設(shè)計(jì)漿注結(jié)構(gòu)及用量，保證水泥漿零自由液，漿體穩(wěn)定無沉降。現(xiàn)場(chǎng)使用的水泥漿體系為雙凝雙密度水泥漿體系，水泥漿性能見表8。固井施工后候凝48 h測(cè)聲幅，結(jié)果表明，固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，達(dá)到了應(yīng)用的效果。

4 結(jié)論

1)臨興致密氣水平井水平段每根套管安放1個(gè)扶正器，采用剛性滾珠與彈性扶正器組合的方式，能夠保證管串的居中度，與采用全彈扶正器相比，可將摩阻力降低25%左右。

2)通過測(cè)試及比對(duì)前期固井水泥漿，優(yōu)化后常規(guī)密度水泥漿體系降失水劑加量(w)為2.25%左右，且液體纖維的加量(w)為4%時(shí)，對(duì)于水泥石力學(xué)性能提升明顯，抗壓強(qiáng)度比不加液體纖維可增大4%左右，抗沖擊強(qiáng)度增大17%，彈性模量減小23%，同時(shí)流變等施工性能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

3)優(yōu)化后的低密度水泥漿體系，無自由液，水泥石強(qiáng)度增加45%左右。

4)通過核算，優(yōu)化后的臨興區(qū)塊致密氣水平井固井工藝不會(huì)額外增加作業(yè)成本；現(xiàn)場(chǎng)的成功運(yùn)用表明該技術(shù)具有推廣價(jià)值。