淺談渤海灣錦州20區(qū)塊固井技術(shù)

黃偉 （中海油服油田化學事業(yè)部固井（塘沽）作業(yè)公司 天津300450）

0 引言

錦州20-2N含油氣構(gòu)造位于遼東灣遼西低凸起北傾末端，錦州20-2氣田的東北側(cè)，距錦州20-2氣田北高點較近。由于有高壓氣的存在，以前錦州區(qū)塊固井總是大難題。2009年下半年在錦州20區(qū)塊完成5口探井作業(yè)，其中4口井下了7英寸尾管試油，這5口井在鉆進過程中都鉆遇到了高壓氣層，壓力當量密度在1.4～1.7之間，完鉆后通井循環(huán)期間測氣體上竄速度在30～60 m/h，氣全量在5%～30%之間，氣全量都偏大。這5口井地質(zhì)預測都要鉆遇斷層，實際鉆進過程中采用了泥漿隨鉆堵漏技術(shù)，沒有發(fā)生明顯的漏失，但也有滲漏?；谏鲜鲈颍诤笃谙绿坠芎凸叹^程中不能保證不發(fā)生大的漏失，注水泥作業(yè)和固井結(jié)束后致使井底當量比重的增加也有可能壓漏地層；本區(qū)塊5口井在油層附近又存在高壓氣層，容易發(fā)生氣竄，所以既要壓穩(wěn)油層、氣層又不能壓漏地層，具有一定的難度。針對上述因素，通過優(yōu)化固井技術(shù)、改善固井工藝等一系列有效措施保證了固井質(zhì)量。

1 優(yōu)化固井技術(shù)

1.1 錦州20區(qū)塊5口井的基本情況

在錦州20區(qū)塊完成的5口井的各層次套管的固井作業(yè)中，339.7 mm（13-3/8″）表層套管和 244.48 mm（9-5/8″）技術(shù)套管是普通固井作業(yè)，本文不做介紹。下面針對215.9 mm（8-1/2″）井眼的鉆井情況及177.8 mm（7″）尾管固井作業(yè)進行簡單的介紹。5口井基本井況如表1：

表1 基本井況

1.2 水泥漿氣竄的簡單機理

水泥水化必然會引起環(huán)空水泥的膠凝懸掛和體積收縮，使得地層流體壓力大于水泥孔隙壓力。因此，如果水泥漿基體沒有足夠的防竄阻力，地層流體就從水泥環(huán)中防竄阻力最小的地方進去并延伸，直至“阻力”增長達到新的壓力平衡為止。國外許多公司做了大量的實驗研究工作，對于造成氣竄的原因提出了很多觀點，主要包括：在未凝固的脫水水泥漿中，甚至在凝固不久的水泥石里，由于水泥顆粒水化不良造成局部滲透率過大，或由于水泥水化體積收縮造成裂縫，或由于過多的自由水引起水滯等原因，氣體可能穿過水泥石本身發(fā)生氣竄，如圖1所示。注水泥時，因鉆井液頂替效率不高，氣體可能通過套管-水泥界面和水泥-地層界面的微環(huán)空發(fā)生氣竄，如圖2和圖3所示。

綜上所述，固井環(huán)空水泥環(huán)氣竄的充分必要條件為：一是存在氣體通道。氣體通道一般出現(xiàn)在水泥基體內(nèi)或者在水泥膠結(jié)面處，前者是水泥水化過程中由于水泥水化顆粒間的膠結(jié)強度低，在氣層壓力與液柱孔隙壓力的壓差作用下沖破膠結(jié)鏈形成的；后者是由于頂替效率不高，由殘余泥漿造成的。二是水泥漿的有效液柱壓力與通道流動阻力之和小于地層氣體壓力。

圖1 氣體穿過水泥石發(fā)生的氣竄

圖2 水泥－地層界面的氣竄

圖3 水泥－套管界面的氣竄

1.3 紊流循環(huán)調(diào)整泥漿性能，降低泥漿粘度

由于該區(qū)塊屬于高壓氣層地區(qū)而選用PEM泥漿體系，該體系泥漿密度、粘度、屈服值、切力都比較高，嚴重地影響了泥漿的頂替效率，繼而影響到固井質(zhì)量。套管下放到位后，環(huán)空中的泥漿仍然是鉆井期間的泥漿（打鉆過程中泥漿中使用的是隨鉆堵漏材料），甚至井底還有一部分是為了下套管順利墊的稠泥漿和防止氣竄的封閉漿，這些泥漿的粘度、屈服值、切力更高，而且靜止時間過長，甚至有一部分膠凝泥漿，這就必須調(diào)整泥漿性能即改善泥漿性能。通常的方法是調(diào)整泥漿的流變性，為了達到最適合于頂替的條件，降低泥漿的靜切力、屈服值和漏斗粘度等值，這時不僅降低了頂替時所需的驅(qū)動力，而且還增大了泥漿的流動性，同時提高了頂替效率。眾所周知，泥漿在靜止時會產(chǎn)生膠凝和脫水，在套管下放過程中泥漿一直處于靜止狀態(tài)，若徹底使環(huán)空中的泥漿流動起來，靠常規(guī)的層流流態(tài)很難達到這種效果。根據(jù)高低速（紊塞流）頂替固井理論可知，應用紊流循環(huán)可達到全井泥漿都運動起來的效果，因為紊流具有橫向脈動速度和各點流速相同的特點，故在保證循環(huán)壓力低于地層破裂壓力的基礎(chǔ)上，盡可能提高泵速使泥漿以紊流流態(tài)進行循環(huán)（環(huán)空返速應不大于打鉆時候鉆桿環(huán)空返速的1.2倍），這樣即可使環(huán)空內(nèi)的泥漿全部運動起來，全面改善泥漿性能，以便頂替時很容易徹底地頂替泥漿。一般說來，由于循環(huán)前下套管刮掉的巖屑及部分膠凝的泥漿會嚴重影響泥漿的流動性，使其達不到紊流循環(huán)的要求，因此要調(diào)整泥漿性能使其達到紊流循環(huán)的效果。

1.4 優(yōu)化前置液設(shè)計，提高頂替效果

為了取得較高的泥漿頂替效率，采用紊、塞流雙速頂替泥漿，紊流頂替液（前置液）中的紊流漩渦在泥漿與頂替液的交界面上產(chǎn)生沖蝕、攜帶和稀釋作用，同時提高了紊流應力作用下固相顆粒對泥漿的沖蝕作用。紊流頂替要求前置液具有密度低，粘度低，與地層、泥漿、水泥漿相匹配等良好的性能。水泥漿之前必須注入大量的前置液，這樣雖然保證了紊流前置液與環(huán)空有了充分的接觸時間，但其過多的注入量會帶來嚴重的后果。大量前置液的應用，可能導致環(huán)空液柱壓力降低，在前置水泥漿尚未替出套管鞋之前，環(huán)空液柱壓力不足以壓制地層孔隙壓力，造成地層孔隙壓力失控，地層流體不斷滲漏到環(huán)空中，從而影響了水泥環(huán)與套管、地層的膠結(jié)效果，甚至導致固井失敗。眾所周知，當?shù)貙涌紫秹毫κЭ睾螅貙恿黧w將持續(xù)向環(huán)空中進行滲漏，即使環(huán)空液柱壓力恢復，地層流體仍會持續(xù)滲入很長一段時間，地層流體的竄入，污染了水泥漿，從而影響了水泥漿封固效果。為了解決這一問題，保證平衡壓力固井的原則。隔離液用 250目的鐵礦粉（PC-D30（250）（鐵礦粉）+PC-S22S（隔離液）+PC-W20L（沖洗液））加重至密度比泥漿高0.05～0.1 g/cm3。沖洗液用1200目的鐵礦粉［PC-W20L（沖洗液）+PC-W30S（懸浮劑）+PC-D30（1200）（鐵礦粉）+PC-H30L（緩凝劑）］加重到同等的泥漿密度，加重后的前置液既有很好的沉降穩(wěn)定性，又有很好的流變性，這既保證了前置液有很好的流態(tài)，使之能達到紊流沖刷井壁的效果，又保證了壓力平衡的問題而不至于使地層流體侵入前置液中。

1.5 水泥漿中加入纖維

由于錦州區(qū)塊設(shè)計中有斷層存在，所以固井中防漏也是一項重點工作。在渤海灣首次引用纖維防漏水泥漿體系，可以防止固井時水泥漿漏失，同時還可以提高水泥漿徑向剪切應力，改善水泥環(huán)沖擊韌性，顯著提高固井質(zhì)量，起到一劑多效的作用。大量的室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)表明，加入纖維的水泥漿稠化時間普遍縮短，不過都在30 min以內(nèi)。加入纖維的水泥漿，其他條件不變的情況下，隨著緩凝劑加量的增加，其稠化時間延長，加入纖維的水泥漿與普通水泥漿一樣，稠化時間和緩凝劑的加量成線性關(guān)系。漿體的粘度普遍增大，增加10 BC左右，但水泥漿仍有較好的可泵性，較好的沉降穩(wěn)定性能，對水泥漿的失水，自由水影響不大，但對于水泥石的抗壓強度和韌性有明顯的提高。

1.6 水泥漿的優(yōu)化

根據(jù)水泥漿失重和氣竄的發(fā)生原因，控制氣竄的基本方法，可以歸納為以下幾種：增加孔隙壓力，彌補水泥漿失重造成的壓力降低現(xiàn)象；增加孔隙阻力，降低水泥石的滲透率，阻止氣體的竄流；縮短過渡時間，使水泥漿孔隙壓力降到地層壓力之前，膠凝強度增加到240 Pa。

井內(nèi)要封隔的水泥段較長時，為了防止氣竄，需在水泥柱各段范圍內(nèi)添加不同的外加劑以調(diào)節(jié)水泥漿的凝固時間或可泵時間，使水泥漿從上到下逐漸凝固。下部速凝段（LC1）處于危險狀態(tài)時，上部緩凝段（LC2）仍保持較高的靜液壓力；當緩凝段降至水柱壓力時，下部速凝段早已凝固，從而防止氣竄。兩凝水泥漿的段長LC2=（1.5-2）LC1，初凝時間或稠化時間的差值為2～2.5 h。

水泥漿體系選擇膠乳防氣竄水泥漿體系，通過乳膠本身的微小顆?；蛘叻菨B透劑反應生成的塑料膜來堵塞通道，達到防氣竄的目的。稠化時間控制：溫度是影響水泥漿稠化時間的關(guān)鍵因素，因此，一定要確保井底溫度，所選的緩凝劑既要耐井底高溫，又要防止長封固段水泥漿頂部因溫度太低出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，還要避免使用對溫度和加量變化太敏感的緩凝劑。水泥漿密度與混漿稠度控制：用于封固主要封固段的水泥漿密度都是1.92 g/cm3，這么高密度的水泥漿本身就很稠，可泵性較差，所以要加合適的分散劑來調(diào)控水泥漿的稠度，保證安全施工。失水控制：從現(xiàn)有的添加劑使用情況來看，膠乳降失水性能最為穩(wěn)定，且具有顆粒堵塞孔隙通道和化學收縮小的防氣竄功能，冷漿與熱漿稠度變化不大等優(yōu)點，失水要求都在50 mL/30 min以內(nèi)，自由水近乎為零。防強度衰退控制：在井底靜止溫度超過110℃時的井中水泥中摻入35%（BWOC）的硅粉，減少自由水，增強流動性，降低滲透率，提高水泥石強度。

1.7 紊塞流雙速頂替泥漿

為了提高泥漿頂替效率，應該保持前置液的紊流狀態(tài)，以徹底清除環(huán)空中的泥漿、巖屑及不規(guī)則井眼中的死泥漿。應用紊流高速頂替（環(huán)空返速應高于1.20 m/s），提高頂替效率，保證優(yōu)質(zhì)的封固效果。當然，紊流頂替效果達到后（即紊流前置液完成頂替效果），應降低泵速采用塞流頂替（環(huán)空返速低于0.2 m/s）將尾漿緩慢頂替到位，一般應設(shè)計塞流頂替尾漿量保證在要求封固段頂部100 m以上，這樣才不至于尾漿在高速頂替時以層流狀態(tài)進注環(huán)空，從而形成指進現(xiàn)象。在操作過程中，應堅持泵速“高要高上去，慢要慢下來”的頂替原則，以防止由紊流向塞流過渡期間層流狀態(tài)存在時間過長，影響頂替效果，形成指進現(xiàn)象。在頂替過程中，為了防止水泥在凝固過程中使套管收縮變形，產(chǎn)生微間隙，有氣竄的通道，頂替液必須用原井漿頂替，候凝期間禁止頂替成完井液。

1.8 合理加放扶正器，提高套管居中度

套管的居中度是影響泥漿頂替效率的主要因素之一，所以如何提高套管的居中度也是固井關(guān)心的課題。必須制定合理的扶正器加放原則，使套管保證必要的居中度，該區(qū)塊扶正器一般加放原則為：從井底至油頂以上150 m，每3根套管加放2個扶正器。然后再根據(jù)電測井眼軌跡及油氣層位置進行校核，扶正器應加放在井徑較規(guī)則井段、油氣層段及其他特殊層段，如氣全量大的層段。

2 錦州20區(qū)塊具體的固井工藝

2.1 泥漿性能調(diào)整

7″尾管下到位后，環(huán)空中的泥漿仍然是鉆井期間的泥漿，而且靜止時間過長，甚至有一部分膠凝泥漿，這就必須要求紊流循環(huán)調(diào)整泥漿性能，循環(huán)的同時一方面向泥漿中加稀膠液降粘，一方面用離心機在不降低泥漿密度的情況下甩掉一些固相有害物質(zhì)，這樣能很好的降低泥漿的粘度，使泥漿漏斗粘度降到55 s以內(nèi)，屈服值控制在10 Pa以內(nèi)。還有就是井底為保證套管順利下到位，墊的高粘高切的稠泥漿和防止氣串墊在9-5/8″套管鞋處的封閉漿循環(huán)出井口后就不再入井，這樣對泥漿的流變性也有明顯的改善效果，每次紊流循環(huán)要求至少2周以上，而且都是要求振動篩返出泥漿干凈了，測試泥漿性能達到要求了才開始固井作業(yè)。

2.2 前置液

隔離液：隔離液配方PC-W20L（沖洗液）+PC-S11S（隔離液）+PC-D30（250）（鐵礦粉）+PC-H30L（緩凝劑）。密度比泥漿密度高0.05～0.1 g/cm3。使用隔離液10 m3，占裸眼環(huán)空700 m左右，起到攜帶和隔離的雙重作用。

沖洗液：沖洗液配方PC-W20L（沖洗液）+PC-W30S（懸浮劑）+PC-D30（1200）（鐵礦粉）+PC-H30L（緩凝劑），密度加重到泥漿密度。使用沖洗液7 m3，占裸眼環(huán)空的500 m左右，起到很好的沖刷井壁和稀釋泥漿的作用，同時同等泥漿密度的沖洗液在過氣層的時候沒有壓力虧空而導致氣體侵入到井內(nèi)流體。

加重后的前置液和地層紊流接觸時間達到了7～10 min，既起到了沖刷井壁稀釋泥漿的作用，又起到平衡地層壓力的作用，沒有造成固井的ECD（循環(huán)當量動壓）和ESD（循環(huán)當量靜壓）低于地層流體壓力。

2.3 雙凝水泥漿

在錦州20區(qū)塊尾管全井段都用1.92 g/cm3密度進行封固，下部尾漿速凝段（LC1）一般返高到油頂以上30～50 m、稠化時間控制在160～180 min，上部尾漿緩凝段（LC2）一般返到尾管掛頂部以上200 m、稠化時間控制在300～360 min。水泥漿稠化時間都實現(xiàn)了直角稠化，縮短了可能氣侵的時間。在水泥漿中加入適量的纖維，提高水泥漿的韌性，防漏失。圖4是JZ20-2N-5井緩凝段的直角稠化時間圖，稠化時間310 min，圖5是JZ20-2N-5井速凝段直角稠化時間圖，稠化時間160 min。其他井也采用了同樣的直角稠化曲線圖。

2.4 頂替液

頂替液采用泥漿+緩沖液（隔離液）+泥漿的模式，緩沖液相當于密度為泥漿密度的隔離液（需要15 m3，用重晶石加重，PC-S22S（隔離液）+重晶石+PC-H30L（緩凝劑）和泥漿頂替（頂替過程中不間斷），緩沖液的作用就是起出中心管后循環(huán)洗出水泥漿時防止水泥與泥漿接觸產(chǎn)生閃凝現(xiàn)象。高速頂替時最大排量不高于循環(huán)時侯的最大排量，最后留3 m3低速碰壓，環(huán)空返速0.2 m/s，頂替過程中要紊塞流雙速頂替，堅持高得上去，低得下來的原則是控制頂替的關(guān)鍵。

2.5 循環(huán)加壓

為了保證油層段水泥漿的封固質(zhì)量，防止在固井結(jié)束后水泥凝固前由于水泥失重產(chǎn)生的壓力虧空而發(fā)生氣竄，決定給環(huán)空加壓以保持液柱壓力大于地層的流體壓力。以往的經(jīng)驗都是走阻流管匯，關(guān)防噴器，用固井泵打壓憋壓候凝。這樣做的結(jié)果就是有一方面防噴器不好關(guān)緊9-5/8″套管，可是水泥漿的稠化時間是有限的，來回折騰幾次防噴器就錯過了最佳的加壓候凝時間；另一方面環(huán)空憋壓經(jīng)過時間的推移壓力值肯定要上漲，我們要求壓力值控制在某一個固定值就會泄掉一定的壓力，這泄壓的同時就有可能使地層流體侵入，以往的經(jīng)驗是7″和9-5/8″重疊段的水泥漿經(jīng)常被侵入沒了，環(huán)空憋壓很不好操作。錦州20區(qū)塊采用了洗出水泥漿后循環(huán)加壓的方式，加壓時間視地面水泥樣品下部速凝段水泥漿產(chǎn)生的強度而定。加壓原則是油頂處的當量比原來高0.12左右，而加壓后井底的當量密度不能超過地層的破裂壓力，這樣3 000 m左右的油層位置就相當于井口加壓4 MPa。

圖4 JZ20-2N-5井緩凝段從98°降到85°T.T=310 min

圖5 JZ20-2N-5井速凝段溫度92°T.T=160 min

根據(jù)低泵速測定的地面管匯和泵本身的壓耗，算出鉆柱內(nèi)壓耗，套管和鉆桿環(huán)空的壓耗，最后再加上需要井口加壓的泵壓，這就是總的泵壓，依據(jù)這總的泵壓來實施一個合適的排量循環(huán)加壓。循環(huán)加壓的時間依據(jù)地面養(yǎng)護的水泥樣品速凝段的水泥漿的膠凝強度，達到240 Pa后，水泥石已經(jīng)能防止氣竄。

2.6 固井質(zhì)量

錦州區(qū)塊有4口井下了7″尾管，固完井后24 h測SBT，平均衰減率都在10 dB/ft以上，有的地方都達到12 dB/ft，固井質(zhì)量全部優(yōu)秀（見表2，圖6）。

表2 4口井SBT

圖6 JZ20-2N-1井SBT部分截圖

3 結(jié)論和建議

固井前循環(huán)充分、降低泥漿的粘度、屈服值和切力，以保證頂替過程中有效驅(qū)替泥漿，對固井質(zhì)量非常有利。加重后的前置液有很好的流變性，又能很好的平衡地層壓力。水泥漿中加入纖維，對于漏失井來說能起到封固效果。雙凝水泥漿中速凝段水泥漿和緩凝段水泥漿比例的合理分配，對于傳遞液柱壓力，壓穩(wěn)油氣層起到關(guān)鍵性的作用。7″尾管固井中控制泵壓排量循環(huán)加壓候凝的效果要比井口靜加壓效果明顯有效?！?/p>

[1]劉崇建，黃柏宗，徐同臺，等.油氣井注水泥理論與應用[M].北京:石油工業(yè)出版社，2000.

[2]王子源.鉆井數(shù)據(jù)手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，1995.