非常规油气水平井固井关键技术研究与应用.pdf

第 3 5卷 第 2期 2 0 1 3年 3月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 _ 3 5 No ． 2 Ma r c h 201 3 文章 编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 3 0 2 0 0 4 8 0 4 非常规油气水平井固井关键技术研究与应用 刘 成 贵 胜利石 油管理局黄 河钻 井总公 司， 山东东营2 5 7 0 6 4 引用格式刘成贵 ． 非常规油气水平井固井关键技术研究与应用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 3 ， 3 5 2 4 8 5 1 ． 摘要非常规油气水平井固井由于其井眼特点和质量要求， 提 高固井质量的难度较常规水平井更大。围绕非常规油气水 平井固井的难点， 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 ， 并在 F 1 1 6 ． 1 H F等 井施工 中进行 了实践 ， 取得 了良好效果 ， 为非常规 油气水平 井固井提供 了积极的借鉴意义 。 关键词 非常规 油气 田 ；水平井 ；固井 ；顶 替效率 中图分 类号 T E 2 5 6 文献标识码 A Ke y t e c hn o l o g y r e s e a r c h a nd a ppl i c a t i o n o f c e me nt i ng i n ho r i z on t a l we l l s o f unc o nv e nt i o na l o i l a n d g a s r e s e r vo i r L I U C h e n g g u i Hu a n g h e Dr i l l i n g C o m p a n y o fS h e n g l i P e t r o l e u m A d mi n is t r a t i o n ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 4 ， Ch i n a Abs t r a c t Th e d i ffic u l t y o f i mp r o v i n g c e me n t i n g q u a l i ty i n h o r i z o n t a l we l l s o f u n c o n v e nti o n a l o i l a n d g a s r e s e r v o i r s i s mu c h g r e a t e r t h a n t h a t o f c o n v e nti o n a l r e s e r v o i r s d u e t o b o r e h o l e c h a r a c t e r i s t i c s a n d q u a l i t y req u i r e me nts o f h o r i z o n t a l we l l c e me n t i n g ． Ar o u n d t h e d i ffic u l ty o f u n c o n v e nti o n a l o i l a n d g a s h o r i z o n t a l we l l c e me nti n g ． s e v e r a l k e y t e c h n o l o g i e s o f i mp r o v i n g d i s p l a c e me n t e ffic i e n c y we r e p r o p o s e d f r o m t h e a s p e c t s o f d r a f t i n g p r o c e s s ， c a s i n g r u n n i n g ， d r i l l i n g f l u i d p r o p e r t i e s a d j u s t me n t ， c e me n t i n g p a d fl u i d a n d c e me n t s l u r r y d e s i g n a n d c o n s t ruc t i o n p a r a me t e r s d e s i g n a n d c o n t r o l l i n g ． T h e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e a l r e a d y b e e n l a u n c h e d i n W e l l F 1 1 6 1 HF a n d t u r n s t h a t fi n e e f f e c t s h a v e b e e n a c h i e v e d ． T h e s u c c e s s f u l fi e l d a p p l i c ati o n p r o v i d e s p o s i t i v e r e f e r e n c e f o r h o r i z o n t a l we l l c e me nti n g o f u n c o n v e nti o n a l o i l a n d g a s r e s e rv o i r ． Ke y wo r d s u n c o n v e nti o n a l o i l a n d g a s r e s e r v o i r ； h o r i z o n t a l we l l ； c e me n t i n g ； d i s p l a c e m e nt e ffi c i e n c y 水平井 固井存在下套管摩阻大 、 提高顶替效率 难度 大等难题。人们 围绕水平井 固井 ， 就水平井下 套管方法、 水泥浆与隔离液的设计、 提高顶替效率的 施工工艺等进行了诸多研究， 提出了利用漂浮接箍 减小下套管阻力 、 筛管完井顶部注水泥、 改善水泥浆 体系、 利用液压扶正器提高套管居中度等针对水平 井的固井工艺技术和措施 J 。以上这些措施大多局 限于部分解决下套管及 固井质量的问题 ， 而在水泥 浆体系满足固井质量要求的情况下， 提高水平段套 管居中度和顶替效率成为水平井固井要解决的关键 问题， 水平井段的固井质量更多取决于水泥浆顶替 钻井液的顶替效率。目前致密砂岩、 页岩等非常规 资源 的开发多利用水 平井 ， 水平井 段的固井质量还 要满足大型压裂的需 要 ， 因此对水 平井固井质量提 出了更高 的要求 ， 需要在分析水平井及非 常规油气 井固井难点的基础上， 结合每口井的特点， 综合采用 合理 的工艺技术措施 ， 全面改善非常规油气水平井 固井质量。 1 水 平井固井技术特点分析 1 ． 1 井身轨迹与套管居中度 理想的固井质量要求是套管外的环空完全 由高 质量 的水泥充填 ， 套管与井壁及套管壁 间实现 良好 胶结， 从而达到层间封隔的目的。因此， 提高油气井 作者简介刘成贵， 1 9 6 0 年生。现任胜利石油管理局黄河钻井总公司经理， 高级工程师。电话 0 5 4 6 8 6 2 6 8 l 3 。 刘成贵非常规油气水平井固井关键技术研究与应用 4 9 固井质量首先要解决顶替效率的问题 ⋯， 而提高套 管居 中度是提高顶替效率 的重要条件。 提高套管居中度的普遍方法是采用套管扶正 器。套管扶正器安放间距的计算方法有很多， 都考 虑了套管居中程度与下套管摩阻的问题。需要指出 的是， 合理的扶正器设计是降低下套管摩阻的重要 途径。在水平井 中， 套管受到 的载荷要 比直井 中更 为复杂， 套管居中的问题尤为突出。一般多数认为 在定向和水平井段中， 套管会由于重力作用靠近下 井壁 ， 而从整个井眼空间来看 ， 由于受局部井眼曲率 和方位变化及套管刚度 的影响， 套管可能会靠近井 眼圆周的任何一个方 向 J 。没有扶正器的套管柱一 旦与井壁接触 ， 其接触面积有逐渐增大 的趋势 ， 势必 增 大下套管 的摩阻 ， 甚至卡套管 ， 类似于压差 卡钻； 而带有扶正器的套管柱 ， 扶正器与井壁之间是相对 的点接触 ， 同时阻止了套管本体与井壁接触面积的 进一步扩展 ， 因而合 理的扶正器间距可 以降低 下套 管摩阻 。 下套管摩阻还受到井身轨迹平滑程度、 滤饼摩 擦因数和套管 刚度等 因素影响， 需要根据具体 的井 眼条件 和钻井液性能合理设计扶 正器 间距 ， 保证套 管顺利下入 ， 达到尽可能提高套管居中度的 目的 J 。 1 ． 2 钻井液性能与顶替效率 在斜井段及水平段钻进时易形成岩屑床 ， 在井 眼低侧形成钻井液的固相沉降， 从而使钻井液顶替 不干净。 要达到将封 固井段内的钻井液替净的 目的 ， 首先要求钻井液具有易于被顶替的性能， 即具有合 适 的流变性 。一般情况下 ， 在维护井壁稳定 、 提高钻 井液的动塑比提高携砂能力的同时， 要求钻井液具 有较低 的黏度和切力 ， 这样在居 中度相对较低 的井 段钻井液才更容易被顶替。 而即使是较高的居中度， 高黏切 的钻井液顶替起来也会十分 困难 ， 特别在施 工过程可能 出现的停泵或返速降低 的情况下 ， 恢复 循环需要克服钻井液结构力 ， 一定程度上会造成局 部或大段 的钻井液滞 留。较高的摩阻系数会产生较 高 的循环和顶替压 力 ， 不利 于采用大排量达到紊流 流态 ， 从而不利于井眼内钻井液的清除 J 。 1 ． 3 冲洗液和隔离液的性能 在水泥浆前部注人的冲洗液和隔离液要求具有 与钻井液的相容性、 改善亲水环境 特别是使用油基 钻井液 、 提高水泥与地层和套管壁的胶结质量等特 性， 同时需要有足够的接触时间来达到这一目的[ 6 ]。 行业内普遍认可的紊流接触时间为 7 ～ 1 0 m i n ， 但在 现场往往受到井壁稳定性和井眼规则程度的限制。 冲洗液的量过大会引起井壁失稳；黏性隔离液要达 到驱替钻井液的 目的 ， 需要有较高 的黏度和切力 ， 达 到紊流流态具有一定的难度 ， 特别在井径变化较大 时， 实现紊流顶替较为困难， 即使较长的接触时间 也难以达到替净的 目的；在水平井段穿越地层不均 质 、 岩性不一致时， 易 出现 “ 糖葫芦” 井眼 ， 这一矛盾 更为突 出。因此要在井下安全的前提下 ， 尽 可能加 大前置液注入量 ， 确保足够的接触时间 ， 同时还要针 对井径不规则的特殊问题 ， 设计合理的隔离液性能 ， 满足驱替效果。 1 ． 4 水泥浆体系的性能 一 般要求水平井固井的水泥浆体系除了水泥石 的抗压强度和稠化时间满 足施工要求外 ， 还要具有 低失水 5 0 mL 、 零游离液 ， 避免在井眼上侧形成游 离液上窜通道 ；较好 的沉降稳定性有利于充分顶替 和形成均匀的水 泥环 。此外 ， 水平井 固井水泥浆体 系设计还要注意 1 在进行失水和游离液测定 时要 模拟水平井条件 ， 将旋转失水仪或测试量筒倾斜 4 5 o 进行测量 ⋯； 2 在同一地层水平穿越井段长 ， 井底 循 环温度要 比常规温度高 ， 水泥浆实验温度一般取 井底静止温度 的 8 5 ％， 在此温度下确定合理 的水泥 浆稠化时间 ， 同时还要满足直角稠化的要求 ； 3 为提 高水泥浆紊流条件下顶 替钻井液 的效率 ， 水泥浆 的 静切力和动切力应 比钻井液高； 4 环空浆柱组合 ， 特 别是前置液与水泥浆的设计要考虑平衡压力固井的 需要， 既要降低环空动态液柱压力， 降低流动摩阻， 避免井漏 ， 又要防止环空压力较低造成地层失稳 ， 或 候凝过程失重导致地层流体窜入。 2 F l 1 6区块非常规油气水平井固井难点 F l l 6区块 为致密砂岩非常规开发 区块 ， 油藏埋 深 2 8 0 0 ～ 3 0 0 0 m。F 1 1 6 ． 2 HF井为该区块第 1口非 常规水平井 ， 井深 3 9 1 2 m， 水平段长 9 2 0 m， 该井固 井时遇到 了以下问题 ， 导致固井质量未能达到预期 目标。 1 目的层钻井过程 中钻遇多段泥岩地层 ， 并 出 现大量掉块 ， 为维护井壁稳定并充分携砂 ， 钻井液黏 度、 切力较高， 不利于水泥浆的顶替。 2 水平段较长， 且穿过较多的易坍塌掉块地层， 给套管扶正器下人造成一定困难；套管扶正器下入 较多会增大环空循环摩阻， 因此该井水平段仅下人 1 2 只刚性扶正器， 套管居中程度差， 固井质量检测结 果表明， 在扶正器附近的井段水泥环质量相对较好。 3 地层不稳定限制了固井前充分循环及对钻井 液性能进行大幅调整， 对有效顶替影响较大， 同时也 限制了冲洗液和隔离液的用量， 使固井顶替效率大 5 0 石油钻采工艺 2 0 1 3 年 3月 第 3 5卷 第 2期 大降低 。 4 固井要求水泥上返至井 口， 封固段在 4 0 0 0 m 左右， 注入的水泥浆及前置液的量不易准确把握， 固 井过程一旦出现窜槽 ， 直接影响全井段固井质量。 5 钻井液黏切高， 使循环摩阻增大， 不利于大排 量顶替提高顶替效率。 3 非常规油气水平井固井技术对策 通过对水平井 固井技术难点的分析及 F l l 6区 块非常规油气水平井 固井面I 临的特殊 问题 ， 围绕提 高顶替效率的 目标 ， 在 Fl l 6 等非常规开发区块重点 采取了以下措施 ， 有效提高 了固井质量 。 3 ． 1 下套管前通井技术措施 1 模拟原钻具 刚度通井 ， 确保扶正器数量和套 管顺利下入。 2 维持完钻钻井液性能， 在下套管前不对钻井 液进行大幅度的性能调整 ， 确保井壁稳定 。 3 大排量循环洗井 ， 对通井遇阻井段进行划眼 和反复短起下 ， 彻底清洗岩屑床 。 4 通井后期 ， 循环泵压及返出钻井液性能稳定 后 ， 测循环周 ， 估算井筒容积 ， 为确定水泥浆量等提 供参考依据 。 5 起钻前在造斜段及水平段注入润滑钻井液， 提高钻井液润滑性。 3 ．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 ， 为后期循环和充分调 整钻井液性能奠定基础。 1 做好下套管作业前的准备工作， 缩短下套管 过程的停顿时间。 2 采用逐根灌浆措施， 并缩短钻井液灌满的周 期 ， 减少 中途灌 浆的时间；直井段灌浆 时可 以适 当 活动套管 ；下入斜井段之前一定要灌满钻井液 ， 尽 可能保持斜井段及水平段下人的连续性。 3 控制套管下放速度。直井段下放速度保证环 空上返速度小于 0 ． 8 m ／ s ；进人造斜段和水平井段 ， 上返速度小于 0 ． 5 m／ s 。 3 ． 3 扶正器设计原则及方法 1 水平段全部采用刚性扶正器， 在每两个压裂 段之间加大扶正器的安放密度， 确保压裂段之间的 封固质量， 满足后期压裂层间封隔的需要。 2 扶正器的位置宜放在井眼较规则、 井壁稳定 的井段 。 3 造斜段采用刚性扶正器与弹性扶正器交替安 放的方法 。 3 ． 4 前置液设计 1 前置液采用 冲洗液 隔离液组合。根据井下 条件 ， 不低于 8 ～ 1 2 m ， 约占环空高度 3 0 0 - 4 0 0 m， 以 充分延长与井壁接触时间， 达到较好的清洗效果。 2 冲洗液采用驱油活性剂 降失水剂 分散 剂 水配置。 3 隔离液采用有效层流隔离液 ， 由驱油活性 剂 降失水剂 分 散剂 加 重材料 悬 浮剂 水 配 置 。 4 冲洗液和隔离液的具体数量分配 比例根据井 壁稳定性和钻井液性能合理设计 。 5 保持钻井液 、 隔离液与水泥浆 的合理 密度梯 度 ， 提高顶替效率。 3 ． 5 水泥浆体系设计 由于封 固井段长 ， 为避免水泥凝 固过程的失重 ， 采用 多凝水泥浆柱结构 1 o根据地层压力和完钻 钻井液性能， 上部水 泥浆充填井段采用低密度水泥 浆体系 ， 其密度高 于钻井液密度 0 ． 1 0 ～ 0 ． 2 0 g ／ c m ， 稠 化时间3 0 0 ～ 3 6 0 mi n ， 失水不超过 1 5 0 mL；中部采用 中高温降失水水泥浆体 系， 其密度控制在 1 ． 8 7 ～ 1 ． 9 0 g ／ c m ， 稠 化时 间 l 8 0 ～ 2 1 0 mi n ， 失 水量小 于 7 0 mL； 水平井段采用增韧微膨胀水泥浆体系， 其密度控制 在 1 ． 9 0 ～ 1 ． 9 5 g ／ c m ， 稠化时间 1 2 0 ～ 1 5 0 mi n ， 失水量小 于 5 0 mL， 游离液为 0 。 3 ． 6 循环洗井及钻 井液性能调整 _ 9 1 下完套管后小排量开泵顶通 ， 防止压力激动 憋漏地层或憋泵 。 2 开始循环时 ， 应维持下套管前的钻井液性能 ， 以利于井 眼清洗 。根据循环压力和钻井液性能变化 逐步提高循环排量 ， 观察循环泵压及返出情况 ， 待泵 压及钻井液性能稳定后 ， 大排量循环 2周 以上 ， 彻底 清除井内岩屑。 3 正常循环时测量循环周 ， 估算井筒容积 ， 并与 通井时测得 的井筒容积进行对 比， 以最终确定水泥 浆量 。 4 待井 眼清洗干净后 ， 在保证井壁稳定 的条件 下， 在注水泥前的 1 ～ 2 个循环周内， 适当降低钻井液 的黏度和切力 ， 降低循环摩阻 ， 提高钻井液的易顶替 性， 为提高水泥浆顶替效率奠定基础。 5 在井下条件允许 的情况下 ， 可在注水泥前注 入无固相或低固相钻井液， 提高对原钻井液的顶替 效率。 3 ． 7 固井施工过程控制 固 井 施工 参数的 设计上要以 安全 施工和 提高顶 替效 率为出 发点， 合 理 设计施 工排 量， 减轻U 型管 效 刘成贵非常规油气水平井固井关键技术研究与应用 5 1 应。 施工过程中在满足设计要求的施工参数基础上， 主要应保持连续施工 ， 目的 同样是为减少钻井液静 止 时间， 避免结构力形成 ， 实现连续顶替 ， 保证顶替 效率 。 1 做好施工前准备工作 ， 缩短井 口水泥头安装 、 连接时间 ， 避免钻井液静止 。 2 水泥头安装完毕后继续开泵循环 ， 恢复钻井 液流动性 ， 停泵后直接进行前置液和水泥浆泵注。 3 前置液和水泥浆的注入排量不应超过最终的 顶替排量 ， 以防止砂桥憋泵。 4 水泥浆返 出套管时， 增大注水泥浆排量 ， 尽量 使水泥浆返 出套管时达到紊流速度 。 5 压胶塞操作与随后的开泵顶替应迅速 、 连续 ， 保证环空流动的有效衔接 ， 减少 u型管效应 的影响。 6 顶替排量根据环空返速 1 ． 0 m ／ s 左右 控制。 7 计算施工压力如果不超过设 备能力 ， 可以在 造斜段及水平段替人轻质钻井液或清水 ， 增大套管 上浮力 ；直井段替入加重钻井液 ， 以降低替浆压力 ， 满足大排量顶替要求。 从固井质量测井结果来看， 水平井段胶结 良好 占 6 0 ．2 9 ％， 胶结中等占3 4 ．2 8 ％， 胶结不好 占5 ．4 3 ％， 较 F l 1 6 2 HF井有了大幅提高。 5 结论 1 提高非常规油气水平井固井质量除了满足水 泥浆性能要求外， 重点要从提高顶替效率人手， 包括 提高套管居中度 、 改善钻井液润滑性和易顶替性、 设 计合理的液体 冲洗液 、 隔离液 、 水泥浆等 流变参数 、 保证施工连续性等措施。 2 合理设计扶正器安放位置是提高套管居中度 的必要手段 ， 为降低下人扶正器产生 的摩 阻， 还要从 钻 出平滑的井 眼轨迹 、 规则的井眼 、 提高钻井液润滑 性等方面采取措施 。 3 针对水平井段 的岩性特点采用 的钻井液体 系 ， 既要 满足 充分 携岩 、 维 护井 壁稳 定 的 目的， 又 要考虑降低摩阻、 实现紊流顶替的需要；固井前宜 采用低黏 切 、 高 动塑 比的钻井液 ， 以利 于提高顶替 效率 。 4 现场应 用 参考文献 截至 2 0 1 2年底 ， 采用以上技术措施进行 了 l 2口 井 的固井施 工作业 ， 固井质量都得 到 了明显 提高。 以 F 1 1 6 ． 1 H F井为例 。该井完钻井深 4 0 0 2 m， 水平 段长 9 2 0 m ， 水平位移 1 4 0 5 m。 根据完井设计 ， 该井 水平段分为 5个压裂井段 ， 在每两个压裂段之 间的 位置分别连续加 5只刚性扶正器 ， 入 窗点 以上及套 管鞋以上分别每隔 1 根套管连续加 2 ～ 3 只刚性扶正 器 ， 直井段每 3 根套 管加 1只弹性扶正器。全井共 下人刚性扶正器 2 5只 ， 弹性扶正器 7 2只。 完钻时钻井液密度 1 ． 3 5 g ／ c m ， 黏度 1 0 5 S ， 切力 6 ／ 2 2 P a 。下套管后至 固井施工前 ， 逐步调整 至黏度 6 3 S ， 切力 4 ／ 8 P a 。 固井前循环排量 2 ． 0 m。 ／ mi n ， 压力 6 ． 5 MP a ；注 入驱油型 冲洗液 6 m ， 隔离液 6 1 3 1 ， 密度 1 ． 5 5 ～ 1 ． 6 0 g ／ c m ；注低密度水泥 1 0 2 m ， 密度 1 ． 3 8 ～ 1 ． 4 3 g ／ c m ， 稠化时间 3 2 0 mi n ；常规密度低失水缓凝水泥浆 3 0 m ， 密度 1 ． 8 5 ～ 1 ． 9 5 g ／ c m ；增韧微膨胀水泥浆 3 5 m ， 密度 1 ． 9 0 - 2 ． 0 0 g ／ c m ， 注水 泥 排 量 1 ． 6 ～ 1 ． 8 m ／ mi n 。 泵替原井浆 2 1 ． 5 m ， 加重钻井液 2 0 m ， 密度 1 ．5 0 g ／ c m ， 排量 2 ． 0 m ／ mi n ， 压力 0 ～ 1 2 MP a ， 施 工正 常。 [ 1 ] 刘崇建 ． 油气井注水泥理论与应用 [ M]． 北京石油 工 业 出版 社 ． 2 0 0 1 ． [ 2] 冯福平 ， 艾池， 彭万勇， 等 ． 套管偏心对水平井顶替效果 的影响 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 1 ， 3 3 3 1 2 ． 1 6 ． [ 3] 王 治 国， 徐璧 华 ， 张峻巍 ． 扶 正器在 固井作业 中的影 响 [ J ]． 内蒙古石油化工， 2 0 1 0 1 0 6 2 6 3 ． [ 4] L I U Ge f e i ， WE B E R L a w r e n c e ． C e n t r a l i z e r S e l e c t i o n a n d P l a c e me n t Op t i mi z a t i o n[ R] ． S P E 1 5 0 3 4 5 ， 2 0 1 2 ． [ 5] 邓建民 ． 固井钻井液零质量临界静切力计算方法 [ J ]． 天然 气工业 ， 2 0 0 8 ， 1 8 5 7 2 7 3 ． [ 6] 舒秋贵 ． 油气井固井注水泥顶替理论与技术综述 [ J ]． 西部探矿工程 ， 2 0 0 5 ， 1 7 5 8 5 ． 8 7 [ 7] 李金伟 ． 水平井固井水泥浆体系[ J ] ． 内蒙古石油化工， 2 0 1 1 1 7 9 1 ． 9 2 ． [ 8] 闫联 国， 周玉仓 ． 彭页 H F 一 1页岩 气井水平段 固井技 术 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 1 2 ， 4 O 4 4 7 ． 5 1 ． [ 9] 王宏伟 ． 提高塔河油田水平井固井质量的措施 [ J ]． 重庆科技学院学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 1 3 4 7 0 7 3 ． 修 改稿 收到 日期2 0 1 3 一 叭一 2 7 [ 编辑朱伟 ]