低壓易漏長裸眼段固井防漏工藝技術(shù)概述

李明忠，李正國，王亞青，王成文

(1.中國石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司工藝研究所，河南 鄭州 450042;2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

低壓易漏井長裸眼段固井過程中經(jīng)常發(fā)生漏失，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量，甚至誘發(fā)井塌、卡鉆、井噴等各種復(fù)雜事故。全國大部分油田都存在固井漏失問題，特別是在長慶、吐哈、遼河、新疆等油田較為突出。防止低壓易漏井固井漏失和提高固井質(zhì)量是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，主要從固井前準(zhǔn)備、水泥漿體系、固井工藝以及注替技術(shù)四個(gè)方面進(jìn)行綜合治理。

1 固井前準(zhǔn)備

1.1 提高地層承壓能力

提高地層承壓能力是解決固井井漏問題的重要手段[1］，地層承壓能力測試是指固井前按環(huán)空全漿柱當(dāng)量水泥漿密度進(jìn)行試漏試驗(yàn)，根據(jù)環(huán)空鉆井液密度和井眼垂深，確定井口憋壓值。若地層不能承受所要求的當(dāng)量密度，可對(duì)地層進(jìn)行先期堵漏，直至地層承壓能力滿足固井要求。井口加壓值可通過式(1)計(jì)算。

式中，Hb為薄弱地層垂深，m;ECDc為固井時(shí)最大環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度，g/cm3;ρm為井眼內(nèi)鉆井液密度，g/cm3;P0為井口承壓值，MPa。

1.2 防止激動(dòng)壓力過大

控制下套管速度，防止下放速度過快造成過大激動(dòng)壓力壓漏地層。套管下放速度應(yīng)不超過0.46 m/s，在低壓易漏井段，下放速度應(yīng)降至0.25～0.30 m/s[2］。堵漏后的井，由于鉆井液的高粘度和大切力，應(yīng)采取中途開泵循環(huán)的方式。

1.3 固井前鉆井液的性能調(diào)整

固井前調(diào)整鉆井液性能，達(dá)到“四低一薄一適當(dāng)”(低粘度、低切力、低失水、低含砂、薄泥餅和密度適當(dāng))，確保井眼內(nèi)巖屑清除干凈，沖蝕掉滯留在大井眼、偏心環(huán)空窄邊一側(cè)和滲透性地層上的膠凝化或者已脫水鉆井液以及井壁上的疏松泥餅，降低環(huán)空摩阻。

2 水泥漿體系

2.1 低密度水泥漿體系

采用低密度水泥漿體系，降低環(huán)空漿柱液柱壓力，實(shí)現(xiàn)近平衡壓力固井是解決低壓易漏井固井漏失最有效、最簡便的方法。目前為獲得低密度水泥漿體系，主要有以下三種方法[3，4］:

1)加入粉煤灰、膨潤土、火山灰、水玻璃等，增大水灰比，降低水泥漿密度。但受漿體穩(wěn)定性、均勻性和水泥漿失水的要求，這類水泥漿的密度一般在1.50 g/cm3以上。

2)水泥灰中加入密度較小的中空玻璃球、漂珠和微硅(粒徑:中空玻璃球、漂珠＞水泥灰＞超細(xì)水泥＞微硅，如圖1和2所示[5］。)，根據(jù)顆粒級(jí)配原理，配制成低密高強(qiáng)水泥漿體系。漂珠水泥漿穩(wěn)定性差，水泥石強(qiáng)度低，而微硅低密度水泥只能有限降低漿體密度。目前應(yīng)用較為廣泛的是“漂珠+微硅”低密度水泥，該體系密度可低至1.08 g/cm3，漿體穩(wěn)定性好，通過增加了干混物的堆積體積百分比(PVF)，可獲得較強(qiáng)的水泥石強(qiáng)度，如圖3所示。

3)采用機(jī)械或化學(xué)方法向水泥漿中注入氣體，如氮?dú)饣蚩諝?，并借助表面活性劑穩(wěn)定泡沫，該體系密度可降至1.0 g/cm3以下。泡沫水泥是高度分散的多相體系，為使其密度符合設(shè)計(jì)要求，需計(jì)算氣體合理注入量。氣體狀態(tài)隨井深，即溫度和壓力變化，因此泡沫水泥漿密度是溫度和壓力的函數(shù)，需借助水力學(xué)和熱力學(xué)理論進(jìn)行分析。

與其它低密度水泥漿體系相比，漂珠、中空玻璃球、微硅、超細(xì)水泥與水泥灰組成的多元低密度水泥漿體系，密度可調(diào)范圍廣，性能穩(wěn)定，流動(dòng)性好，干混方便，不會(huì)因更新設(shè)備產(chǎn)生大量成本。但該體系普遍存在水泥石強(qiáng)度低、早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢、有效期短等問題。根據(jù)顆粒級(jí)配原理，進(jìn)行粒級(jí)篩選和材料配比優(yōu)選，改善干混物的堆積狀況，提高灰樣的水化速率是提高低密度水泥石強(qiáng)度的主要方法。

2.2 防漏增韌水泥漿體系

防漏增韌水泥漿體系具有防漏和水泥石增韌功能，提高了水泥石力學(xué)性能穩(wěn)定，見圖4。添加劑主要由特種纖維、降失水劑、調(diào)凝劑、分散劑等組成，尤其適用于40℃的低溫井固井。防漏作用機(jī)理源于不同尺寸、不同種類纖維自身所具有的搭橋成網(wǎng)和不同級(jí)配固相顆粒的填充特性[6，7］，如圖5所示。水泥石韌性的主要影響指標(biāo)為纖維合理細(xì)長比和加量。低密度防漏增韌水泥漿體系綜合低密度水泥漿體系和防漏增韌水泥漿體系的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)防漏與堵漏一體化。

3 固井工藝

3.1 分級(jí)固井工藝

分級(jí)固井工藝技術(shù)是指通過分級(jí)箍及其各種配套的塞子，將較長的裸眼井段分成多段進(jìn)行封固，能夠有效減少固井漏失的發(fā)生。常用的分級(jí)箍規(guī)格尺寸有244.5、177.8、139.7、127 mm，有機(jī)械式、液壓式和機(jī)械與液壓一體式三種。按照內(nèi)套是否需要鉆掃，又分為常規(guī)分級(jí)箍和免鉆分級(jí)箍。免鉆分級(jí)箍在二級(jí)碰壓關(guān)閉套關(guān)閉循環(huán)孔后，繼續(xù)加壓剪斷銷釘使內(nèi)套落井。分級(jí)箍安放位置依據(jù)油氣水層及漏層位置決定，但必須兼顧一、二級(jí)固井防漏目標(biāo)。

3.2 尾管懸掛固井工藝

尾管懸掛固井是通過懸掛器將尾管懸掛在上層套管上，該固井工藝具有較高的經(jīng)濟(jì)性，并且顯著降低環(huán)空液柱壓力。懸掛器有機(jī)械式和液動(dòng)式兩種，其性能必須滿足“下得去”、“掛得住”、“倒得開”、“可回接”，并具有滿足施工的流通通道。尾管懸掛器處過流斷面小導(dǎo)致泵壓過高，固井不可一味機(jī)械地追求大排量紊流，需根據(jù)環(huán)容、懸掛器類型、實(shí)測泵壓去合理調(diào)整固井排量。在小間隙尾管中，建議采用小排量塞流固井技術(shù)。水泥附加量控制在10%左右，防止在水泥漿替出過程時(shí)發(fā)生事故。

3.3 使用套管外封隔器固井

把封隔器連接到套管串中，安放在低壓易漏層位上部，液壓脹開封隔器橡膠部分，封閉環(huán)空，阻止?jié){柱壓力傳遞到下部易漏地層。為避免封隔器膠筒被擊穿而失去密封效果，在替漿時(shí)可適當(dāng)提高替漿液的密度，減小碰壓附加壓力，即以出現(xiàn)明顯碰壓為原則，附加2～3 MPa即可。

4 注替技術(shù)

4.1 考慮地層“四壓力”的固井注替設(shè)計(jì)

當(dāng)環(huán)空漿體動(dòng)液柱壓力大于地層漏失壓力時(shí)，固井漏失開始出現(xiàn)。一般地層漏失壓力遠(yuǎn)小于地層破裂壓力，因此，以地層“三壓力剖面”(地層破裂壓力、地層壓力、坍塌壓力)為標(biāo)準(zhǔn)的固井設(shè)計(jì)不利于低壓易漏井固井施工。為防止固井時(shí)發(fā)生井壁坍塌和漏失，固井漿體動(dòng)液柱壓力應(yīng)滿足以下條件:

即環(huán)空漿體動(dòng)液柱壓力在滿足壓穩(wěn)地層、維持井壁穩(wěn)定的前提下，避免固井時(shí)發(fā)生漏失以及壓漏地層。式中，Pc為地層坍塌壓力，MPa;Pp為地層壓力，MPa;Pl為地層漏失壓力，MPa;Pf為地層破裂壓力，MPa;∑Pi為環(huán)空漿體動(dòng)液柱壓力，MPa。地層壓力、地層坍塌壓力和地層破裂壓力可通過測井?dāng)?shù)據(jù)，借助理論模型計(jì)算得到;地層漏失壓力可借助地層試漏試驗(yàn)法獲得。

設(shè)計(jì)合理的漿柱結(jié)構(gòu)，減少尾漿附加量，增加前置液和低密度段水泥漿環(huán)空長度，控制注、替漿排量，保證封固段環(huán)空液柱壓力小于地層漏失壓力。

4.2 前置液設(shè)計(jì)

前置液主要用于清洗膠凝鉆井液，改善鉆井液流動(dòng)性，提高固井頂替效率。保證前置液紊流臨界返速控制在0.5 m/s以下[9］，紊流沖洗時(shí)間大于7 min。但在大斜度井段或水平段，受套管偏心、巖屑積存等影響，保證紊流沖洗時(shí)間大于10 min。此外，在低壓易漏井中，前置液中可添加一定的堵漏材料。在“壓穩(wěn)”基礎(chǔ)上，通過增加一級(jí)固井前置液段長，可適當(dāng)降低井底液柱壓力。

4.3 排量計(jì)算

固井注替排量的大小影響頂替效率的高低。一般紊流頂替效率最高，但低壓易漏井較低的承壓能力限制了水泥漿紊流頂替的使用。在不漏失的情況下環(huán)空最大排量Qmax計(jì)算方法為[10］:

式中，Qmax為不漏失的情況下環(huán)空最大排量，L/s;Dw為井徑，cm;de為套管外徑，cm;Pa為環(huán)空靜液柱壓力，MPa;Pl為地層漏失壓力，MPa;ρc為水泥漿密度，g/cm3;L為井段長度，m。

對(duì)于固井中可能發(fā)生漏失的井，采用“紊流+塞流”固井頂替，注前置液、注水泥和替漿前期未達(dá)到循環(huán)壓力前采用紊流方式施工，替漿后期達(dá)到循環(huán)壓力后采用低返速塞流頂替，這樣可以大大降低環(huán)空的流動(dòng)阻力。紊流施工時(shí)，注漿和替漿排量計(jì)算方法為:

式中，Qc為環(huán)空紊流臨界排量，L/s;Qw為環(huán)空塞流臨界排量，L/s;Rec為水泥漿紊流臨界雷諾數(shù);K為水泥漿稠度系數(shù)，Pa·sn;n為水泥漿流性指數(shù)。

5 結(jié)論

1)對(duì)于低壓易漏長裸眼段井眼，防止固井漏失和提高固井質(zhì)量是一系統(tǒng)工程，固井設(shè)計(jì)時(shí)需要從地層巖性及壓力特征、水泥漿體系、固井工藝和注替技術(shù)幾個(gè)方面綜合考慮;

2)根據(jù)顆粒級(jí)配原理，進(jìn)行粒級(jí)篩選和材料配比優(yōu)選，改善干混物的堆積狀況，提高灰樣的水化速率，可解決低密度水泥漿體系水泥石強(qiáng)度低、早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢的問題。開展低密度防漏增韌水泥漿體系的研究與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)防漏與堵漏一體化;

3)以漏失壓力為基準(zhǔn)，優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，減小尾漿附加量，適當(dāng)增加一級(jí)固井前置液段長，控制注、替漿排量，控制施工泵壓，保證環(huán)空動(dòng)液柱壓力小于地層漏失壓力。

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