水平井固井质量控制认识

薛艳彪 王书峰 杨海 闫旬国

水平井具有增加泄油长度、增大传导率、改善油气供油通道、提高水力压裂效果和减少开发作业数量等优点，被各大油田广泛采用。美国是应用水平井最多的国家，在东部阿巴拉契亚盆地泥盆系页岩中，4口未经增产处理的水平段长610m的水平井气产量相当于16口直井产量的1.6倍，相当于23口直井总产量的95%[1]。可以看出，水平井的应用带来了巨大的经济效益和社会效益。然而，水平井固有的特点也使其面临着套管不居中、套管摩阻大、岩屑床、水泥浆失水量多等因素的困扰，针对这些难点提出提高固井质量的措施十分必要。下面先说一下固井的影响因素：

一、井眼质量

水平井井眼稳定性的影响贯穿于水平井钻井、完井和开采的全过程。钻井过程中井眼不稳定，不仅会造成钻井困难，而且还影响完井作业。另外，水平井井眼不稳定对采油生产也有很大影响。水平井由直井段、斜井段和水平段构成，因为在斜井段钻具会产生斜向拉力，随着钻具深入，侧向力随之增大，钻具与井壁形成“偏心环空”，岩屑滑移、堆积，在一定条件下会淤积在水平段，给固井带来困难。

二、水平段钻井液窜槽

水平段固井施工很容易出现环空底部钻井液窜槽，这与井斜角、钻井液流变性能和钻井液固相沉淀等因素有关。钻井液内的固相会因重力作用而沉淀，如果井斜角过大，这些沉淀就会淤积在环空下部，进而无法被冲洗液顶出；沉淀未清除会直接污染固井水泥浆。一般来讲，钻井液的静切力及屈服值需有适当数值，以防止固相沉淀，提高顶替效率；减小井斜角，会降低窜槽程度。

三、套管不居中

在水平段钻井时，由于曲率、方位等因素的影响，套管很容易不居中，从而提高了固井的难度。在井斜角过大时，套管将无法居中而偏向井壁，进而形成宽边和窄边。由于宽边和窄边的环空流速不同，顶替效率受到影响。如果偏心严重，甚至与井壁紧贴，就会使环空不能完全“替净”而窜槽，在注入水泥后形成水泥环部分较薄，甚至未形成水泥环，进而使固井的质量大打折扣。有关资料显示，套管居中度达67%以上，才可以获得较好的顶替效率。

四、水泥浆体系对固井质量的影响

水平段水泥浆胶结过程中受自身重力作用，密实度会降低，可能发生胶结变弱或无胶结的情况。此外，水泥浆内含有大量的自由水，在重力作用下很容易析出并在环壁上侧形成游离通道，这些通道会引起油气水窜。

针对以上问题，找出解决办法才能提高固井质量。我国固井技术发展十分，已拥有和掌握了许多先进技术，但苦于发展时间较短，与发达国家相比还存在不小的差距。笔者以为，国外的诸多先进技术仍然值得借鉴。

1.井眼准备

井眼准备是其它工序顺利施工的关键，其主要方法是：①保持原钻具不变，循环洗井要充分，循环处理要干净；②电测后通井，利用短起下钻使井眼更通畅、更稳定；③较大循环洗井排量，并调整钻井液性能，将静切力及屈服值控制在一定范围内，尽量减少沉砂、漏失和垮塌。④在斜井段和水平段的钻井液内添加润滑材料，以降低摩阻和扭矩，尽可能为套管作业制造便利条件。

2.固井工具的选择

2.1套管扶正器

套管扶正器可以有效的改善水平段窄边环空段内的水泥浆顶替，还可有效的降低摩阻。它的应用该满足以下条件：①复位能力强，启动力低；②摩阻较小且可耐受较高的冲击；③不影响套管柱旋转。常用的有弓形弹簧扶正器和旋流刚性扶正器，可据地层、井径与井斜变化灵活选用。直井段可选用弓形弹性扶正器，三根套管装备一个便可。斜井段与水平段均选用刚性旋流扶正器，每二根套管装备一个，也可与弓形弹簧扶正器交替使用，保证套管居中度达到67% 以上。

2.2紊流器

紊流器上有螺旋叶片，它的作用是强迫钻井液形成漩涡流，以提高钻井液在通过环空窄边时的顶替效率。紊流器的使用使固井管柱的居中度得到了极大幅度的提升。在工程实践当中，应用紊流器达到了不吃井眼底边，不产生明显摩阻的效果。

3.固井特殊工艺技术

3.1环空压力补偿固井技术。套管外封隔器与压力补偿工具（图1）相互配合，在水泥浆凝固前对环空施加一个与地层压力相当的压力，以达防止油气水窜的目的。依据固井质量及水窜机理，环空压差△P<1MPa将无法阻挡地层流体的侵入，严重时会引起二次窜槽；统计结果证明，在1～7MPa间水泥环的胶结质量最有保障，而1.5～5.5MPa是优质固井最合理的选择范围。

3.2套管外封隔器固井技术。是一种防止套管与井壁间环空泄漏的工具，可以明显提高固井质量。其原理为高压液体经施工阀进入胶筒，胶筒受挤压膨胀紧贴井壁，胶筒内压力达到一定数值后限压阀主动关闭通道。泄压后锁紧阀彻底关闭胶筒通道。

图1压力补偿工具

4.优化前置液性能

钻井前置液由隔离液与冲洗液构成，其作用为清洗井眼和井壁油膜，防止钻井液与水泥浆混合污染。要求隔离液与钻井液有良好的互容特性，并且在相遇后起到稀释作用，以保证较高的顶替效率；不产生使水泥浆发生闪凝、絮凝、变稠等负面作用；冲洗效率较高，环空界面有较高的胶结质量；具有一定的悬浮能参数，与钻时变化没有必然联系的显示不作为异常显示。冲洗液的设计原则为：密度约在1.0～1.10g/cm3之间，能够起到破坏虑饼、井壁油膜的作用，使其得到充分的水润；对泥饼有较强的浸透力，可有效降低粘度与切力；溶液稀释性能佳。隔离液采用粘性隔离液，具有一定的稳定性和悬浮性，能够使岩屑与其它固体颗粒悬浮；在中温条件下塑性粘度应保持在40～180mPa·s，设计密度高于泥浆或低于水泥浆密度0.12～0.25g/cm3，胶凝强度低于水泥浆高于泥浆， 屈服值大于钻井液9.6Pa[2]。

5.水泥浆性能的优化

5.1失水量与自由水的控制

通常情况下，要求水泥浆API失水小于50ml和自由水小于0.5%。在进行设计时，在确保施工安全条件下，需尽可能的降低水泥浆的初凝时间，使稠化时间变短，进而达到“直角”稠化的目的。另外，水泥细度、水灰比和沉降稳定性是水泥浆自由水含量的影响因素，提高水泥细度、减小水灰比和添加失水剂等方法都可以降低自由水。

5.2强水泥浆的稳定性

可以在水泥浆中适量加入增粘剂或抗沉降剂来增加水泥颗粒的沉降阻力，以减缓沉降；可以加入电介质，使水泥体系的静切力增加；可以加入微硅来降低自由水量。

总而言之，在斜井段和水平段的套管不居中、钻屑堆积是影响固井质量的重要难题之一。通过洗净井眼，加装扶正器、优化前置液和水泥浆性能，可以达到提高固井质量的目的。

参考文献

[1]冯京海，郝新朝，白亮清等.冀东油田水平井固井技术[J].石油钻采工艺，2007.

[2]屈建省，许树谦，郭小阳.特殊固井技术[M].北京：石油工业出版社，2006.

作者简介：薛艳彪，1982年2月8日，性别：男，籍贯：黑龙江省绥化市望奎县.工作职称：助理工程师，研究方向：钻井工程。