吉木萨尔页岩油水平井固井技术探讨_郭建军.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-27修回日期 2020-03-28 第一作者简介 郭建军 （1964-） ， 男 （汉族） ， 新疆克拉玛依人， 高级工程师， 现从事固完井方面的技术工作。 吉木萨尔页岩油水平井固井技术探讨 郭建军*， 刘克全， 孙栓科， 魏 新， 帕尔哈提 （西部钻探工程技术研究院， 新疆 克拉玛依 834000） 摘要 2019年新疆油田在吉木萨尔区块部署的开发水平井， 水平段长1500～3500m， 属长水平段水 平井。长水平段水平井的套管一次安全下入、 套管扶正、 顶替效率、 水泥浆体系设计， 是保证完井套 管顺利下到位和固井质量的关键因素。为此， 结合固井实践从井眼准备、 套管居中技术、 固井水泥浆 体系及配套技术措施等方面进行论述， 并给出了实践的结论。 关键词 页岩油； 水平井； 套管居中； 水泥浆； 固井质量 中图分类号 TE256 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0051-05 水平井开采目前已成为提高油田采收率的有效开 发方式。2019年新疆油田在吉木萨尔页岩油区块部署 40 多口水平井， 完钻井深 4500～6300m 左右， 垂深 3300～3500m左右， 目的层为二叠系芦草沟组。油层 孔隙度10.60～11.61， 平均10.97， 属低孔、 低渗油 藏， 具有埋藏浅、 油层厚薄不均、 优质油层占比高、 油层 含油饱和度高和原油性质相对较好等特征， 后期要求 对水平段进行分段压裂， 因此固井质量对致密油水平 井油气资源的高效开发紧密相关。通过对水平井固井 难点进行分析讨论， 提出相应的技术措施， 从而达到提 高水平井固井质量的目的。 1基本概况 2019年吉木萨尔页岩油区块水平井开发采用两种 井身结构 一种是二开井身结构 （见图1） ； 另一种是三 开井身结构 （见图2） 。两种井身结构水平井固井关键 技术是如何保证下套管前井眼相对规则， 有效清洁水 平段、 斜井段岩屑床； 如何选用合适的套管扶正器类 型， 能够满足套管下入摩阻小、 套管居中度高的要求， 保证完井套管一次安全下入到设计井深； 如何保证固 井施工时环空井壁的稳定性， 固井施工时不堵、 不漏、 不喷； 如何确保水泥浆能够完全充满井眼环空， 使水泥 浆具有良好的沉降稳定性和压稳防窜能力； 如何保证 环空具有较高抗冲击强度和低杨氏模量韧性水泥石； 如何选用经多次循环后， 单向密封可靠的浮箍和浮鞋； 如何根据水平段失准电测井径数据， 精准计算并确定 实际水泥浆用量。 51 2020年第12期西部探矿工程 2固井难点分析 2.1井眼质量差及岩屑清洁难度大 在斜井段、 水平段钻进过程中由于钻具贴井壁高 边或底边转动滑移， 易形成键槽和椭圆形及糖葫芦等 不规则井眼， 造成井眼质量差。在钻进循环过程中， 高 边的岩屑会被钻井液冲蚀携带到地面， 无法形成岩屑 床， 因为重力作用， 岩屑沉积在井眼底边并累积形成岩 屑床， 在钻进和通井循环洗井过程中， 由于底层岩屑床 只能运移一段距离又重新堆积， 使岩屑床厚度变薄后， 又重新形成一个新的岩屑床高度， 达到新的岩屑床平 衡， 导致井眼岩屑清洁难度较大。 2.2套管一次安全下入难度大 水平井套管柱通过斜井段时， 在套管重量和弯曲 井眼作用下产生弯曲变形， 通过水平段时， 由于套管重 力作用， 套管与井壁的接触面积增加， 套管与井壁之间 滑动摩阻增大， 再加上井眼不规则性， 如大肚子和糖葫 芦井眼， 则会进一步增大套管下入摩阻。当摩阻达到 一定程度， 出现遇阻现象后， 若强行下入， 入井套管可 能会发生变形， 甚至造成失稳[1]， 使套管很难一次安全 下至设计井深。 2.3套管居中度难保证 水平段在钻进过程中为了保证在油层中良好的穿 过率， 需进行增斜或降斜的轨迹调整， 井眼轨迹调整 后， 就造成了轨迹不规则， 再加上由于套管自重原因， 在重力的作用下会使套管下端贴近井壁底边， 在水平 段中的套管在规则井段和不规则井段与井眼环空之间 形成上下环隙不均匀， 套管居中度难保证。 2.4顶替不完全 由于斜井段和水平段井眼轨迹存在不轨则现象， 而套管在水平段的自重及斜井段产生的弯曲应力影响 下导致套管偏心， 造成套管在斜井段和水平段居中度 低， 套管与井壁环空窄间隙处钻井液和虚泥饼很难被 顶替干净， 直接影响水泥浆的顶替效率。 2.5对水泥浆的综合性能要求高 大型压裂对环空水泥石强度、 韧性、 弹性模量等综 合性能要求高。水平井在施工中由于水平段特殊的受 力条件， 当水泥浆上返到套管外环空位置， 质量较大的 水泥颗粒在水泥柱中由于重力作用会沿与井眼轴线垂 直方向沉降到水平段底边， 水泥颗粒在环空中分布不 均， 底边出现松散颗粒聚集的倾向， 上部析出的游离液 聚集在水平段高边， 产生游离液槽。凝固后形成不连续 的水泥石柱， 水泥环整体抗压强度低， 加压时易破碎[2]。 此外， 水泥浆固化后， 若水泥石环在水平段井眼高边形 成游离液通道， 会引起层间油气水窜， 将严重影响水泥 环柱的完整性和密封性， 尤其是不能保证在内压作用 下水泥环密封完整性和密封性， 难以满足后期大型压 裂施工的需求。 2.6对套管附件安全可靠性要求高 水平井套管附件入井时通过斜井段和水平段， 在 入井过程中受到套管上提拉力、 下放压力、 套管重力、 套管弯曲应力等， 受力比较复杂， 尤其是浮箍、 浮鞋在 下入过程中既要承受各种作用力， 又要保证多次循环 洗井和固井施工完成后能够有效单向密封， 避免因套 管内留水泥塞和采用憋压候凝， 从而造成环空水泥浆 返高不够及影响一、 二界面的胶结质量， 导致环空固井 水泥环封固质量差。 2.7水平段井径电测数据误差大 水平段钻进时不可避免地要进行增斜、 降斜轨迹 调整， 从而造成井眼形状不规则， 易形成波浪曲线型井 眼， 导致水平段电测井径实测数据不准， 造成根据水平 段电测井径实测数据计算的水泥浆用量与实际水泥浆 用量误差较大， 使固井施工实际水泥浆用量确定难度 较大， 增加了固井施工风险。 3固井主要技术措施 3.1承压实验 通井前依据钻时排量和施工最大排量计算环空压 耗， 采用2.40m3/min大排量循环洗井一周， 循环正常无 漏失再进行下套管作业。 3.2通井 下套管前采取原钻具带扶正器多次短程起下钻通 井消除井眼台阶和修复不规则井段， 斜井段和水平段 使用岩屑床专用清除工具等措施清除岩屑床， 尤其是 保证斜井段及水平段井眼交界处 （水平段窗口） 附近井 段畅通无阻， 使全井段能够达到轨迹相对平整、 光滑、 无键槽， 井壁稳定性好。此外， 通过对比分析通井钻具 与入井套管结构、 尺寸、 刚度等[3]， 同时考虑钻具带扶正 器对钻具组合和井眼的影响， 选择合适的通井钻具刚 度和组合进行通井， 确保井眼上提下放畅通无阻。 3.3调整钻井液性能 通井到底， 在斜井段和水平段采用高粘度稠浆或 钻井液中加入雷特纤维分段洗井携岩， 清洁井眼； 并以 钻进时的最大排量循环洗井不少于3周， 循环至振动筛 无岩屑， 进出口密度一致， 并在起钻前充分调整钻井液 性能， 保证井眼稳定， 在水平段注入润滑性良好的封闭 52 2020年第12期西部探矿工程 钻井液。 3.4套管居中 3.4.1套管居中度计算 X W Re-Rc 100 式中 X套管居中度， ； Rc套管半径， mm； W套管与井眼窄边环隙， mm； Re井眼半径， mm。 套管居中度是影响固井顶替效率和固井质量最重 要的因素之一， 研究表明 水平段套管居中度达到80 以上， 才能从窄边间隙处完全顶替滞留的钻井液， 保证 环空水泥环无窜槽。见图3。 图3套管居中示意图 3.4.2套管扶正器的选择和安放 水平段中套管扶正器的选择和安放位置， 直接关 系到套管居中度的高低。为此， 从井底到造斜点每一 根套管安放一个扶正器。选用滚轮扶正器及整体式弹 性扶正器间隔安装方式， 2个滚轮扶正器和2个整体式 弹性扶正器间距均为20m。整体式弹性扶正器具有扶 正力大、 环空过流面积大的特点， 而刚性滚轮螺旋式扶 正器既有足够的过流面积， 又有足够大的扶正力， 当水 泥浆通过扶正器时产生旋流， 可以提高水泥浆的顶替 效率。 3.5环空水泥浆量确定 对于水平段井径电测数据与实际井径数据误差较 大， 环空水泥浆量估算不准， 参考其它区块水平段井径 电测数据与实际井径数据进行分析计算， 按照7井眼 扩大率计算尾浆使用量与实算水泥浆量相比较取量多 值作为实际水泥浆注入量。 3.6浆柱结构设计 浆柱结构设计技套管鞋处当量密度大于1.45g/cm3， 使用密度为1.02g/cm3冲洗液占据环空高度350m， 使 用密度为1.60g/cm3隔离液占据环空高度500m， 封固 段采用密度1.80g/cm3的低失水、 零析水、 流变性好、 浆 体稳定性高、 高强度韧性水泥浆体系； 井底当量密度为 1.463g/cm3， 可以压稳防漏， 提高水平段及大斜度段顶 替效率。 3.7水泥浆体系设计 实验条件 77℃/41MPa/45min； 配方 G级7韧性材料4微硅4早强剂 2防气窜剂4膨胀剂 （2胶连剂6降失水剂 1分散剂0.1消泡剂0.8缓凝剂） 44水； 性能参数 液固比 43.1， 密度 1.80g/cm3， 失水 29mL， 析水0mL， 强度24h/15.2MPa， 流动度22cm， 密 度差0.2g/cm3， 流变性185/109/83.5/50.5/8/5， n0.7， k0.71Pa/sn， 动切力10.85Pa， 塑性粘度87.75mPas； 稠化时间 初稠19BC， 稠度40BC为132min， 稠度 70BC为138min； 钻井液和隔离液及水泥浆相容性等于1 ∶ 1 ∶ 1大于 180min， 满足施工要求。 3.8前置液配方及性能 3.8.1冲洗液设计 在顶替流态下， 以紊流效果最好， 因井眼条件限 制， 水泥浆无法实现紊流， 需要用前置液代替水泥浆实 现紊流顶替[4]。冲洗液的紊流临界速度0.3～0.5m/s。 通过在旋转粘度剂外筒上捆绑附有钻井液失水后形成 泥饼的滤纸， 置于冲洗液中旋转， 转速为300r/min， 并 测量冲洗前后粘附有钻井液外筒的质量差之比计算冲 洗效率得出5min冲洗效率达到90.9， 效果良好。 冲洗液配方 清水25表面活性剂5悬浮剂 0.1消泡剂； 冲洗液性能参数 实测密度1.02g/cm3， 流变读数 3/2/1/1/0/0， n0.585， k0.03Pa/sn， 塑性粘度8mPas， 动切力1Pa。 3.8.2隔离液设计 采用占据环空高度500m密度为1.60g/cm3的隔离 液， 一是控制井下不稳定和流体压稳； 二是避免水泥接 触污染和防止钻井液的絮凝稠化； 三是隔离液具有浮 力效应及拖拽力， 可冲蚀泥饼， 提高顶替效率。 隔离液配方 清水5悬浮剂25铁矿粉； 隔离液性能参数 密度1.60g/cm3， 测试温度77℃， 流变读数 74/41/30/17/2/2， n0.85， k33Pa/sn， 塑性 粘度33mPas， 动切力4.1Pa。 隔离液相容性试验数据见表1。 3.9套管漂浮与套管附件选用 套管内替清水， 增加套管在大斜度和水平井段中 53 2020年第12期西部探矿工程 的浮力效应。环空水泥浆密度1.80g/cm3， 套管内替清 水， 二者密度差形成的浮力效应， 既可以减轻套管对扶 正器的下压负荷， 也有助于套管在水泥浆中的上浮， 进 一步提高套管的居中度， 提高水平段固井施工时的顶 替效率。套管附件选用抗疲劳次数多的复位弹簧和耐 冲蚀性好的密封面材料制成的强制式浮箍、 浮鞋， 以保 证固井施工安全可靠性。 4现场应用 4.1JHW00526井固井施工 4.1.1基础数据 一开井身结构∅381mm钻头1286m， 二开井身结 构∅241.3mm 钻头2448m∅215.9mm 钻头4220m （复合井眼） ， 完钻井深 4220m， 垂深 2583.49m， A 点 2730m， 水平段长1490m， 全井段采用水基钻井液体系， 钻 井 液 密 度 1.59g/cm3，完 井 套 管 ∅ 139.7mm TP125V， 水泥浆密度 领浆1.65g/cm3； 尾浆1.85g/cm3。 4.1.2施工概况 2019年10月16日400～10月17日1100下套管， 套管顺利下至设计井深； 1100～1900 循环洗井， 排量 1.50m3/min， 泵压 8MPa； 2100～24 00 固井施工 注入隔离液 15m3， 密度 1.60g/cm3； 注入领浆 70m3， 密度 1.65g/cm3； 注入尾浆 50m3， 密 度 1.85g/cm3； 替 清 水 43.91m3， 排 量 1.50～ 0.60m3/min， 碰压21↑30MPa， 放回水0.70m3， 断流， 关 闭防喷器敞压候凝。 4.1.3固井质量评价 声幅测井评价固井质量优质， 见图4。 溶积混合比 100钻井液 100隔离液 100水泥浆 1 ∶ 1 ∶ 1 粘度计刻度盘读数 Φ600 80 74 185 115 Φ300 50 41 109 70 Φ200 35 30 83.5 53 Φ100 20 17 50.5 33 Φ6 5 2 8 5 Φ3 4 2 5 3 塑性粘度 mPas 30 33 87.75 56 动切力Pa 10.22 4.1 10.859 7.4 流动度cm 24 21 22 23 表1隔离液相容性试验数据表 图4JHW00526井水平段固井声幅图 4.2JHW00421井固井施工 4.2.1基础数据 一开井身结构∅44.5mm钻头504m， 二开井身结 构∅311.1mm钻头2730m， 三开井身结构∅215.9mm 钻头5830m， 完钻井深 5830m， 垂深 2733.82m， A 点 2730m， 水平段长3100m， 一开、 二开采用水基钻井液体 系， 三开采用油基钻井液体系， 钻井液密度1.55g/cm3， 完井套管∅139.7mmTP125V， 水泥浆密度 领浆 1.65g/cm3； 尾浆1.85g/cm3。 4.2.2施工概况 2019年7月31日1100～8月2日320下套管， 套 管顺利下至设计井深； 400～1100 循 环 洗 井 ， 排 量 1.50m3/min， 泵 压 11MPa； 1200～1520 固井施工 注入隔离液 25m3， 密度 1.60g/cm3； 注入水泥浆116m3， 密度1.85g/cm3； 替清水 60.7m3， 排量1.50～0.60m3/min， 碰压28↑35MPa， 放回 水1m3， 断流， 关闭防喷器敞压候凝。 4.2.3固井质量评价 声幅测井评价固井质量优质见图5。 5结论和认识 （1） 通井钻具组合、 下套管摩阻预测、 扶正器的合 理选择及安放， 确保了套管顺利下入到设计井深及套 管居中度， 提高了水平井固井质量。 （2） 套管内替清水， 水泥浆与顶替水之间的密度差 形成的浮力使套管在水平段浮起， 有效提高了水平段 54 2020年第12期西部探矿工程 套管的居中度。 （3） 技术套管下至水平段窗口位置， 三开采用油基 钻井液和旋转导向钻进的水平段， 井眼相对规则， 提下 钻和通井与井壁摩阻相对较小， 常规下套管工艺可满 足3000m左右长水平段水平井下套管施工要求。 参考文献 [1]高德利， 等.弯曲井眼中管柱屈曲行为研究[J].石油钻采工 艺， 2000， 2241-4. 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In this paper, a to optimize the valve disc size of hydraulic oscillator is proposed, and an exam- ple is analyzed to provide reference for the field application of hy- draulic oscillator. Key words hydraulic oscillator； support pressure； disc valve； size 55