小井眼水平井全套管固井技术的探索与实践

摘要：在小井眼固井作业中，井眼清洁度对于套管能否顺利下放至预定位置至关重要，它不仅关系到固井作业的安全性，而且对固井质量的最终效果产生显著影响。特别是在小井眼水平井固井过程中，套管附件及扶正器的合理配置是提升水平井段固井质量的核心要素。针对现场施工中流体流态的设计，必须依托专业软件模拟与现场实际情况的综合考量，持续进行优化与改进，以实现最佳的紊流效果。此外，通过分析已施工井的固井质量数据，不断调整和优化设计策略，是提升固井质量的有效途径。

关键词：小井眼固井；固井质量；套管附件；紊流效果；设计策略

小井眼通常是指井眼直径较常规井眼小的钻井技术。不同的定义标准可能会根据井眼尺寸的不同百分比、穿过目的层井段的井眼尺寸或环空尺寸来界定小井眼。国外目前引用得较多的是Amoco公司的Walker和Millheim在1989年提出的定义：90%以上井段用小于7in（177.8mm）钻头打的井眼。法国Elf公司完钻井眼小于常规完钻井眼（81/2″）的井统称为小井眼。本区块水平井大多采用四开结构，即26”井眼/20”导管+17-1/2”井眼/13-3/8”套管+12-1/4”井眼/9-5/8”套管+8-1/2”井眼/7”尾管+6”井眼/4-1/2”套管。水平段采用套管固井完井方式相比裸眼完井有诸多优点，如井筒内更干净，后期的修井更便捷等，因此也成为近年来鄂尔多斯盆地许多气田水平井完井方式的首选方案。

1小井眼水平井套管固井技术难点

水平井套管完井固井质量的好坏直接影响后期压裂、生产以及修井作业。采用6"钻头属于小井眼钻井，给后期的固井施工带来了很大的挑战。主要表现在以下5个方面：（1）本区块水平井全井段长4300~5000m左右，水平段长1000~1600m不等，水平段长，环空间隙小，下套管容易遇阻卡。（2）环空摩阻大，施工压力高。小井眼、小间隙井的环空面积小，使环空水泥浆流动阻力增大，导致固井过程中泵压升高，甚至产生压漏地层和憋泵等重大事故。（3）井斜大，固井顶替效率差。井眼中下入扶正器的难度和风险也很大，（4）水泥浆性能的影响大。水泥浆整体性能的细微变化对水泥环的质量都将产生很大影响。例如，很少的析水就可产生很长的环空自由水窜槽，而水泥浆稳定性差，稍有固相颗粒下沉，就会在斜

井段井筒上部产生疏松胶结现象，导致地层间封固失效。

2小井眼水平井套管固井技术分析

根据固井施工流程从三个方向来分析，即固井前，固井中，固井后。固井前包括井眼轨迹、完钻后的通井以及下套管以及固井相关液体设计试验和队伍准备情况等。固井质量取决于以下3点：（1）优化井身轨迹。井身轨迹设计过程中，根据工具的造斜能力，合理确定各井段的长度，大幅度缩短靶前位移和造斜段长度，优化井身轨迹，以改善井眼清洗效果、减少摩阻和扭矩、提高工作效率、缩短建井周期。（2）标准化通井程序。通井，是对井径的检查，一般是通过通井规通井，区块水平井四开完井采用“单扶+单扩眼+双扶+双扩眼”组合的通井程序，彻底循环清洁井眼，最终要求扩眼器外径无明显磨损且裸眼段起下钻无遇阻显示即可。（3）试验情况以及设备准备情况。液体方面固井施工液体分为三类：前置液，水泥浆和顶替液。水平段全套管固井采用高效混合型前置液，具有高流动性、高冲洗效率，高抗污染等特性，其目的是清洗井孔和井底，清除井孔和井底的杂质和气体，调节井孔和井底的温度，为固井工艺提供良好的施工环境。增强固井前置液对套管壁上的滤饼和套管环空虚泥饼以及残余钻井液的冲洗效果，减少混浆提高顶替效率。

考虑到后期完井压裂，裸眼段水泥石的弹性模量以及固井施工的特殊性，目前推荐使用高强度低失水的弹性水泥浆。

（1）水泥环的弹性模量。水平井全套管固井需要压裂以后才能进行生产，在压裂过程中，管柱和水泥石要承受多次高应力变化载荷，在这种情况下，要求水泥石能够承受多次高压力载荷而不发生损坏，这样才能最大限度的为压裂提供可靠的硬件基础并对采气生产提供良好的井筒完整性。弹性水泥浆所形成的水泥石具有较高的弹性模量，使套管水泥环抵抗外部承载能力得到有效的提高，水泥石在承受压力载荷的情况下会发生弹性形变。因此选用弹性水泥浆体系，该体系水泥环所具有较高的弹性模量，进而使套管水泥环抵抗外部承载能力得到有效的提高。

（2）水泥浆其他性能。提高水泥浆的稳定性，确保低滤失量、低游离水，以防止气窜的发生；稠化过渡时间要短（40~100Bc的时间小于20 min），稠化曲线要呈现直角稠化趋势；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。顶替液采用完井液，避免了在压裂作业前进行洗井作业。扶正器以及套管附件在通井结束前按照设计数量进入井场并检查好是否合格，确保入井工具的安全性。

固井中包含下套管设计以及和施工相关内容。

（1）居中度与下套管模拟。居中度（Standoff）：一根管子在另一根管子或裸眼内偏离中心的程度。通常用百分数表示。水平段套管居中度是影响该开次固井质量的关键因素，就区块来说，水平段长一般的扶正器以及常规的扶正器安置规则根本不适用，因此我们调研了市场上好几家扶正器厂商，最终选择刚性滚珠扶正器作为水平段套管所加扶正器。扶正器安置规矩根据专业的扶正器安置软件进行模拟并且跟踪现场进行优化，要求最终水平段套管居中度平均大于67%，同时对下套管时的摩阻扭矩进行跟踪与模拟进行对比，发现问题及时查看确保下套管顺利。

（2）附件优化水平段。全套管固井摒弃原有的“一鞋一箍”组合，升级为“一鞋两箍”（即关井阀+浮箍+浮鞋），多一层保护措施，确保井下安全，避免单流阀失效引起大量水泥倒返。

（3）顶替效率。水泥浆在环空上返时，按流速大小会呈现三种流型：塞流、层流和紊流。当流速较小（一般水泥浆至少低于0.4m/s）时呈塞流，流体像柱塞一样，在环空中基本是同速度平行上返，顶替效率较高，但由于水泥浆上返速度太慢，因此一般只在水泥浆量很少固井施工时采用，或替浆的某一时间段采用（多数在替浆结束前一段时间）。当流速增加到某一范围内时，则为层流，其特点是流体质点运动的轨迹与流体流动的方向平行，但流速不同，流核流速大，往边界层逐渐减小，这种流态中间的高速水泥浆容易提前穿过钻井液，发生窜槽，固井时最好避开此流速。当流速超过某一值（一般大于1m/s）时，呈紊流状态，这个值称为：“临界流速”，此时各质点以较高流速做不规则运动，整个液柱整体推进，并且流体质点的不规则运动有利于冲刷井壁，顶替效率较高。紊流顶替是提高水泥浆顶替效率最有效的措施之一。

（4）施工要求。现场施工要求严格按照固井设计执行，同时密切监控关键方量与施工泵压，根据设计软件模拟提供的施工压力值与现场实际数据进行拟合，以防井下出现不安全事故。固井后期对固井质量的检测是对整个固井工作评价的唯一手段。通过分析固井质量对整个固井方案也是改进一个很好的途径。固井后对固井质量分析也是提高固井质量的关键手段。分析前期固井质量发现在9~5/8"套管于4~1/2"套管双层套管处固井质量为中等，随后优化上部低密度水泥浆性以及该井段处扶正器的设计，通过多种手段对方案进行优化，最终后期的固井质量有明显提升，全井段固井质量保持在优等。

3应用

到目前为止，小井眼水平井全套管固井工艺在区块共施工30余口井，下套管全程顺利，固井施工顺利，无工程事故发生，均全井段固井质量合格率均优等；裸眼段使用弹性水泥浆体系，裸眼段CBL测井曲线均小于10%，固井质量全为优等。

参考文献

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