神木區(qū)塊天然氣探井一次上返固井技術(shù)

胡富源，付雄濤，周興春，馮宇思，張　弛

（1.長(zhǎng)慶油田公司工程技術(shù)管理部，陜西西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司，陜西西安710021；3.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

神木區(qū)塊天然氣探井一次上返固井技術(shù)

胡富源*1，付雄濤2，周興春2，馮宇思3，張弛3

（1.長(zhǎng)慶油田公司工程技術(shù)管理部，陜西西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司，陜西西安710021；3.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

一次上返固井能縮短建井周期，提高套管的氣密性及耐壓性，但由于封固段長(zhǎng)、施工壓力高，容易因漏失而導(dǎo)致水泥返高不夠。針對(duì)神木區(qū)塊氣層段跨度大、劉家溝組承壓能力低等特點(diǎn)，選用輕珠水泥、降失水水泥、泡沫水泥三凝水泥漿體系，密度分別為1.35g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能夠壓穩(wěn)氣層同時(shí)不壓漏地層。氣層段采用泡沫水泥漿封固，效果優(yōu)于膨脹水泥漿。通過(guò)對(duì)水泥漿流變性和井徑數(shù)據(jù)計(jì)算，確定紊流頂替臨界排量為1.57m3/min，同時(shí)在水泥漿返至200m左右時(shí)應(yīng)采用塞流頂替。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，正確控制施工參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)全井段封固，保證固井質(zhì)量。

神木區(qū)塊；天然氣探井；水泥漿固井

神木區(qū)塊位于長(zhǎng)慶氣田東部，目前主要以天然氣預(yù)探井為主。為了延長(zhǎng)氣井開(kāi)采壽命，通常要求全井段封固，減少后期固井補(bǔ)救措施。一次上返固井工藝能夠簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)，提高套管的氣密性及耐壓性，縮短建井周期，降低投資成本[1]。但同時(shí)受限于灰量大、施工時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)水泥漿性能要求高、施工壓力高等因素，固井成功率相對(duì)較低。通過(guò)對(duì)水泥漿技術(shù)及固井工藝等方面研究，實(shí)現(xiàn)全井段封固，提高固井質(zhì)量，為油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)提供強(qiáng)有力的工程技術(shù)支撐。

1　地質(zhì)及工程簡(jiǎn)況

1.1地質(zhì)特征

神木氣田構(gòu)造位置屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，鉆經(jīng)地層依次為：新生界第四系；中生界侏羅系下統(tǒng)延安組，三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組、中統(tǒng)紙坊組、下統(tǒng)和尚溝組和劉家溝組；上古生界二疊系上統(tǒng)石千峰組、中統(tǒng)石盒子組、下統(tǒng)山西組和太原組，石炭系上統(tǒng)本溪組；下古生界奧陶系下統(tǒng)馬家溝組(多數(shù)井未穿)。儲(chǔ)層主要分布在1600～2400m不等，包括本溪組、太原組、山西組、石盒子組、石千峰組。儲(chǔ)層屬于低壓砂巖氣藏，資料顯示地層最小壓力梯度為0.0084MPa/m，最大為0.0102MPa/m，平均為0.0092MPa/m。通過(guò)壓裂數(shù)據(jù)推算，地層破裂壓力梯度在0.017～0.0198MPa/m之間，地層破裂壓力最低點(diǎn)在劉家溝組，通過(guò)承壓能力試驗(yàn)，其破裂壓力當(dāng)量密度在1.38g/cm3左右。

1.2工程簡(jiǎn)況

神木氣田井深一般在2200～2500m，一開(kāi)采用?311.2mm鉆頭鉆過(guò)穩(wěn)定地層，表層采用?244.5mm的套管，下深一般在500m左右。二開(kāi)采用?215.9mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，?139.7mm生產(chǎn)套管下至距井底3～5m位置。多數(shù)井完井方式為套管射孔完井，要求全井段封固，固井質(zhì)量滿足射孔壓裂等后續(xù)作業(yè)要求。

2　固井難點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

2.1固井難點(diǎn)

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜，坍塌、漏失問(wèn)題突出。本溪組、太原組、山西組煤層發(fā)育，單層厚1～10m，易坍塌；部地層劉家溝承壓能力低，固井中易漏失，造成水泥返高不夠。

（2）固井作業(yè)、候凝過(guò)程中易發(fā)生氣竄。目的層氣藏埋藏淺、跨度較大，易發(fā)生氣竄；當(dāng)井下發(fā)生漏失，造成靜液柱壓力降低，存在未壓穩(wěn)地層而導(dǎo)致氣竄的危險(xiǎn)。特別是長(zhǎng)封固段固井施工，水泥漿體系失重更為嚴(yán)重。

（3）一次上返施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。固井用灰量大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工壓力高，頂替過(guò)程中易出現(xiàn)復(fù)雜情況。部分井井徑極不規(guī)則，頂替效率不僅無(wú)法保證，而且容易造成水泥漿與前置液（甚至鉆井液）以及不同體系水泥漿之間竄流，導(dǎo)致固井質(zhì)量不理想。

2.2技術(shù)對(duì)策

2.2.1水泥漿體系研究

（1）氣層段泡沫水泥漿體系評(píng)價(jià)。在天然氣井固井中，氣層段固井質(zhì)量的好壞對(duì)固井的成敗起著決定性的作用。氣層段水泥漿要具有較高的水泥石強(qiáng)度，能滿足壓裂酸化的要求，同時(shí)要求防氣竄性能優(yōu)越。神木區(qū)塊所用的水泥漿為泡沫水泥漿體系，利用化學(xué)發(fā)氣劑發(fā)生反應(yīng)生成氣體，在穩(wěn)泡劑的作用下，形成一種體系穩(wěn)定，氣泡均勻分布的泡沫水泥漿。泡沫在高壓下幾乎不可壓縮，隨著水泥水化的進(jìn)行，靜液柱壓力隨之減少，作用于地層的孔隙壓力會(huì)快速下降，此時(shí)泡沫水泥漿中的氣體可有效地補(bǔ)償?shù)貙涌紫秹毫Φ南陆担瑥亩鴫悍€(wěn)氣層。泡沫水泥漿表現(xiàn)出的這種“彈性”能夠使水泥漿在整個(gè)凝結(jié)硬化過(guò)程中保持足夠的孔隙壓力。另外，由于泡沫水泥漿中含有一定的穩(wěn)泡劑，即使發(fā)氣量不夠，不能產(chǎn)生足夠的氣體壓穩(wěn)氣層，發(fā)生氣侵現(xiàn)象，但侵入的氣體通過(guò)穩(wěn)泡劑的乳化作用，將生成微小的氣泡，穩(wěn)定的存在于泡沫水泥漿中，與泡沫水泥形成一體，直至壓力平衡[3]。

①1.90g/cm3泡沫水泥漿體系常規(guī)性能評(píng)價(jià)：

1#G級(jí)水泥+2%發(fā)氣劑+0.25%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水；

2#G級(jí)水泥+2%發(fā)氣劑+0.3%緩凝劑+1.8%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水；

3#G級(jí)水泥+2%發(fā)氣劑+0.6%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水；

4#G級(jí)水泥+2%發(fā)氣劑+0.8%緩凝劑+1.8%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水。

表1　常規(guī)密度水泥漿綜合性能

從表1可以看出，1.90g/cm3泡沫水泥漿體系綜合性能良好，水泥漿的流動(dòng)性好；API失水量可以控制在50mL以內(nèi)；水泥漿稠化時(shí)間可調(diào)；24h抗壓強(qiáng)度高；滿足固井施工要求。

②1.90g/cm3泡沫水泥漿體系流變性評(píng)價(jià)：該區(qū)塊所用泡沫水泥漿配方為：G級(jí)水泥+2%發(fā)氣劑+0.6%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水，在65℃、常壓下，水泥漿流變性能如表2所示。

表2　泡沫水泥漿流變性能參數(shù)

由F值可知，該水泥漿符合冪律流變模式，流變方程為：

式中：n——流性指數(shù)，無(wú)量綱；

k——稠度系數(shù)，Pa·sn。

由式（1）、（2）可知，該泡沫水泥漿流性指數(shù)n= 0.399，稠度系數(shù)k=0.587Pa·s0.399。

（2）填充段水泥漿體系評(píng)價(jià)。對(duì)于非目的層段的填充，一般根據(jù)地層承壓能力和水泥漿性能等確定[4]。通過(guò)綜合分析，選用密度為1.35g/cm3微珠水泥漿體系作為領(lǐng)漿，密度為1.75g/cm3的降失水水泥作為中間漿。

①水泥漿體系常規(guī)性能評(píng)價(jià)：

1#G級(jí)水泥+50%微珠+50%粉煤灰+1.2%緩凝劑+ 3.5%降失水劑+水；

2#G級(jí)水泥+50%微珠+50%粉煤灰+1.6%緩凝劑+ 4.0%降失水劑+水；

3#G級(jí)水泥+2%降失水劑+0.4%緩凝劑+水；

4#G級(jí)水泥+2.5%降失水劑+0.6%緩凝劑+水。

表3　填充段水泥漿綜合性能

從表3可以看出，填充段2種水泥漿體系綜合性能良好，水泥漿的流動(dòng)性好；API失水量可以控制在100mL以內(nèi)；水泥漿稠化時(shí)間可調(diào)；24h抗壓強(qiáng)度高；滿足固井施工要求。

②填充段水泥漿體系流變性評(píng)價(jià)：在65℃、常壓下，水泥漿流變性能如表4、表5所示。

表4　微珠水泥漿流變性能參數(shù)

表5　降失水水泥漿流變性能參數(shù)

由表4、表5可知，F(xiàn)值均不在0.5±0.03范圍內(nèi)，故選用冪律流變模式，輕珠水泥漿n=1.054，k=0.032Pa·s1.054；降失水水泥漿n=0.798，k=0.203Pa·s0.798。

2.2.2現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)措施

根據(jù)神木區(qū)塊電測(cè)資料，二開(kāi)?215.9mm井眼的平均井徑擴(kuò)大率約為10%，即237.5mm。平均環(huán)容28.97L/m。井深按2400m計(jì)算，一般尾漿量為24m3，封固段長(zhǎng)700m；中間漿10m3，封固段長(zhǎng)300m；領(lǐng)漿50m3，封固段長(zhǎng)1400m。為防止漏失，保證固井質(zhì)量，必須準(zhǔn)確控制施工參數(shù)。

（1）壓力計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)資料及鉆井設(shè)計(jì)要求，綜合考慮氣層位置、地層壓力、地層破裂壓力、劉家溝組承壓能力及水泥漿性能，選用三凝水泥漿體系。水泥漿柱設(shè)計(jì)[5]如下:

尾漿段：密度為1.90g/cm3，封固長(zhǎng)度為600～800m；

中間漿段：密度為1.75g/cm3，封固長(zhǎng)度為300～400m；

領(lǐng)漿段：密度為1.35g/cm3，封固長(zhǎng)度為1300～1700m，返至井口；

氣層段地層壓力：0.0092MPa/m×2400m= 22.08MPa；

氣層段地層破裂壓力：0.017MPa/m×2400m= 40.80MPa；

氣層段水泥漿液柱壓力：（1.35g/cm3×1400m+ 1.75g/cm3×300m+1.90g/cm3×700m）×9.8N/kg×10-3= 36.70MPa；水泥漿“失重”時(shí)當(dāng)量密度[6]取1.07g/cm3，氣層段水泥漿液柱壓力：（1.35g/cm3×1400m+1.75g/cm3× 300m+1.07g/cm3×700m）×9.8N/kg×10-3=31.01MPa；

氣層段水泥漿液柱壓力36.70MPa小于氣層段地層破裂壓力40.80MPa所以不會(huì)壓漏氣層；水泥漿“失重”時(shí)氣層段液柱壓力31.01MPa大于氣層段地層壓力22.08MPa，所以能壓穩(wěn)氣層。

地層破裂壓力最低點(diǎn)為劉家溝組，其底界一般在1400m左右，該層位位于領(lǐng)漿封固段，領(lǐng)漿密度為1.35g/cm3，小于地層破裂當(dāng)量密度1.38g/cm3，因此不會(huì)壓漏。

（2）頂替排量設(shè)計(jì)。流體有塞流、層流和紊流3種狀態(tài)[7]，一般認(rèn)為紊流和塞流的頂替效率最高。在較高的流速下容易達(dá)到紊流頂替，但摩阻壓力相對(duì)較高，尤其在頂替后期，容易造成井漏；塞流狀態(tài)下頂替，流速很低，摩阻壓力下，但受水泥漿稠化時(shí)間的限制，不可能一直采取塞流頂替。因此在實(shí)際施工在采用紊流和塞流相結(jié)合的方式頂替。通常采用雷諾數(shù)Re作為判斷流體流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)[8]。水泥漿在套管外，處于環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)，而且Da/Db(Da/Db分別為環(huán)空的內(nèi)徑和外徑)為0.59，大于0.3，故選用窄縫近似法計(jì)算[9]。選用的水泥漿符合冪律流變模式，因此選用冪律流變模式下的計(jì)算公式。

管流：

環(huán)空流：

在紊流狀態(tài)下，摩阻系數(shù)f滿足：

式中：V——流體流速，m/s；

f——摩阻系數(shù)，無(wú)量綱；

ΔP/L——摩阻梯度，Pa/m；

Di——套管內(nèi)徑，m；

ρ——流體密度，kg/m3；

KRe、KP——單位系數(shù)1，無(wú)量綱。

當(dāng)Re≥4150-1150×n時(shí)，流體為紊流狀態(tài)。

①紊流頂替。在頂替過(guò)程中，如果頂替效率不夠，會(huì)造成不同流體之間竄流。尤其是領(lǐng)漿與前置液及鉆井液之間竄流嚴(yán)重后，可能直接導(dǎo)致填充段固井質(zhì)量不合格。通過(guò)計(jì)算，求出不同水泥漿在套管內(nèi)的臨界流速，如表6所示。

表6　水泥漿在套管內(nèi)的臨界流量

在頂替前期，領(lǐng)漿處在環(huán)空，臨界流速下雷諾數(shù)Re為2938，由式（5）可知：

臨界流速：V=0.902m/s；

臨界排量：Q=（0.902×28.97×60）m3/min=1.57m3/min。

由于領(lǐng)漿環(huán)空流的臨界流速大于各種水泥漿的管流臨界流速，因此當(dāng)頂替排量達(dá)到1.57m3/min，即可實(shí)現(xiàn)頂替前期各種流體均處于紊流狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)施工可以把排量控制在1.6 m3/min。

②塞流頂替。在頂替后期，隨著環(huán)空水泥漿液面的升高，環(huán)空液柱壓力越來(lái)越大。如果不降低排量減小摩阻壓力，很容易導(dǎo)致薄弱地層劉家溝漏失，所以應(yīng)該采用塞流頂替。由于劉家溝底界一般在1400m左右，該層位以上全是領(lǐng)漿封固，因此主要計(jì)算領(lǐng)漿的環(huán)流摩阻壓力。

由式（7）可知，領(lǐng)漿在臨界流速下，環(huán)流摩阻系數(shù)f=0.0407；

摩阻梯度ΔP/L=[2×1350×0.9022×0.0407/（0.23749-0.1397）]Pa/m=914Pa/m。

前置液密度為1.0g/cm3，鉆井液密度1.1g/cm3左右，由于頂替后期鉆井液基本快全部被頂替完全，因此計(jì)算時(shí)領(lǐng)漿上部流體密度取1.0g/cm3，同時(shí)忽略其摩阻壓力。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)領(lǐng)漿返高到200m處，劉家溝處壓力恰好達(dá)到破裂壓力。此時(shí)應(yīng)改為塞流頂替，一般排量不超過(guò)0.5m3/min。

2.2.3其它技術(shù)措施

（1）如果井下正常，可適當(dāng)加大前置液量，減小頂替后期的液柱壓力，避免施工壓力過(guò)高，同時(shí)降低漏失的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）按設(shè)計(jì)要求混配水泥漿，保證密度均勻，密度波動(dòng)范圍控制在±0.03g/cm3；

（3）保證施工連續(xù)，避免中停后再次起動(dòng)造成的壓力激動(dòng)，導(dǎo)致井漏；

（4）為了避免出現(xiàn)假水泥塞，影響電測(cè)三樣，使用專門(mén)配制的壓塞液壓膠塞，數(shù)量為1～1.5m3，壓膠塞時(shí)排量控制在0.5m3/min；

（5）固井過(guò)程中發(fā)生井漏，適當(dāng)降低頂替排量，避免漏失加重，同時(shí)密切關(guān)注井口返出情況；

（6）碰壓后在施工壓力上附加2MPa關(guān)井候凝，關(guān)井時(shí)間一般為2h，不可長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井；

（7）鉆井過(guò)程中發(fā)生漏失的井采用正注反擠工藝施工，正注段返高至700m。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果

在完成固井施工的13口“神”字號(hào)天然氣井中，采用泡沫水泥、降失水水泥、微珠水泥三凝水泥體系施工的有9口井。除一口井因漏失導(dǎo)致上部出現(xiàn)250m的自由井段，其余井水泥均返至地面，固井質(zhì)量全部合格。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可看出，該區(qū)塊一次上返固井采用三凝水泥漿體系，正確控制施工參數(shù)，基本可以避免漏失，滿足固井要求。

4　結(jié)論與建議

（1）在神木區(qū)塊天然氣探井一次上返固井施工中，采用三凝水泥漿體系，對(duì)應(yīng)密度分別為1.35g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能壓穩(wěn)氣層同時(shí)不壓漏地層，滿足固井要求；

（2）用泡沫水泥漿封固氣層段，效果優(yōu)于膨脹水泥漿；

（3）頂替前期，采用紊流頂替，臨界排量為1.57m3/min，現(xiàn)場(chǎng)施工可以控制排量在1.6m3/min，達(dá)到紊流頂替；

（4）頂替后期，防止劉家溝漏失，一般在水泥返至200m左右時(shí)改為塞流頂替，排量不超過(guò)0.5m3/min；

（5）正確采取對(duì)應(yīng)的方案和措施，能夠成功實(shí)現(xiàn)一次上返，固井合格率100%；

（6）由于不同井、不同批次固井材料，存在一定差異，具體到某一口井，要對(duì)水泥漿化驗(yàn)和施工參數(shù)計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計(jì)，確保施工順利。

[1]魏周勝,周兵,李波，等.一次上返固井技術(shù)在天然氣井中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2007,27(8):69-71.

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TE256

B

1004-5716(2015)07-0055-05

2014-07-25

2014-07-30

胡富源（1964-），男（漢族），陜西西安人，工程師，現(xiàn)從事固井技術(shù)研究及管理工作。