大環(huán)空間隙條件下近平衡地層壓力固井方法

周訓(xùn)耀，楊 川，李曉春，丁 輝

(1.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司,四川成都610500；2.塔里木油田庫(kù)車(chē)油氣開(kāi)發(fā)部,新疆庫(kù)爾勒841000)

1 概述

塔里木盆地庫(kù)車(chē)山前鉆井普遍具有井深、地質(zhì)條件復(fù)雜、多套壓力系統(tǒng)并存等特點(diǎn)。上部（4000m左右）主要為大段巨厚含礫地層夾雜成套砂巖，中部（7000m左右）主要為膏鹽巖地層，下部（7500m左右）主要為致密砂巖地層，均存在地層壓力窗口窄的問(wèn)題。上部地層主要為444.5mm井眼下入365.13mm套管，平均井眼擴(kuò)大率5%，環(huán)空間隙達(dá)到50.8mm，屬于大間隙套管固井。

目前，庫(kù)車(chē)山前上部技術(shù)套管固井主要采用常規(guī)單級(jí)或正注反擠固井工藝，該層次井施工面臨的主要問(wèn)題是地層承壓能力低，施工易發(fā)生漏失，造成水泥返高不夠，無(wú)法達(dá)到有效封固裸眼段的目的，給后期鉆進(jìn)及建井生產(chǎn)埋下隱患。為了有效地解決大環(huán)空間隙下窄壓力窗口易漏失和固井頂替效率低的技術(shù)難題，在滿(mǎn)足平衡壓力固井壓穩(wěn)和防漏的原則下，通過(guò)三凝三密度特殊漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)解決漏失問(wèn)題并提高固井頂替效率，進(jìn)而提高固井質(zhì)量，為保證井筒完整性提供有效屏障。

2 固井難點(diǎn)及現(xiàn)狀

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，庫(kù)車(chē)山前上部大尺寸套管固井漏失率達(dá)到60%以上，固井施工中發(fā)生漏失的原因主要有2個(gè)方面：一是靜液柱壓力過(guò)高，二是環(huán)空壓耗過(guò)大。

目前山前上部技術(shù)套管固井施工中，地層承壓能力受地質(zhì)條件限制，且提高地層承壓能力的手段有限，因此，無(wú)法將提高地層承壓能力作為防止地層漏失的主要手段。而上部技術(shù)套管固井施工中，靜液柱壓力對(duì)環(huán)空當(dāng)量密度的影響遠(yuǎn)大于環(huán)空壓耗的影響，以KES-A井為例，進(jìn)行管外循環(huán)壓耗計(jì)算：

式中：Pf——環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；

hf——管外流動(dòng)水力損失高度，m；

λ——流體摩阻系數(shù)；

v——流速，m/s；

L——流體長(zhǎng)度，m；

ρ——流體密度，g/cm3；

Do——外管內(nèi)徑,m；

di——內(nèi)管外徑,m。

通過(guò)套管串管外壓降分段計(jì)計(jì)算得管外循環(huán)壓耗：ΔP1＝0.7MPa，由環(huán)空壓耗引起環(huán)空當(dāng)量密度的增加值為0.02g/cm3，相對(duì)于水泥漿與鉆井液的密度差（0.3g/cm3）對(duì)環(huán)空當(dāng)量密度的影響來(lái)說(shuō)，幾乎可以忽略不計(jì)。

3 特殊漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以控制環(huán)空當(dāng)量密度為目的，調(diào)整漿柱結(jié)構(gòu)。常規(guī)雙凝雙密度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是采用前置液、領(lǐng)漿、尾漿密度依次遞增的漿柱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然滿(mǎn)足壓穩(wěn)和不漏的原則，但在本類(lèi)型固井施工中，其密度差梯度由于壓力窗口窄的限制并不能有效提高，在提高頂替效率方面效果并不理想。例如塔里木庫(kù)車(chē)山前KS-A井127mm尾管固井，鉆井液密度1.90g/cm3，采用常規(guī)漿柱結(jié)構(gòu)：隔離液密度1.93g/cm3、水泥漿密度1.95g/cm3。采用專(zhuān)業(yè)固井軟件進(jìn)行固井頂替情況模擬，模擬具體結(jié)果見(jiàn)圖1。頂替效率雖然為85%，但根據(jù)環(huán)空漿體分布圖可以看出，第一界面無(wú)水泥漿，基本為鉆井液充填，施工出現(xiàn)鉆井液殘留帶來(lái)的固井安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖1 KS-A井127mm尾管固井常規(guī)漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)頂替情況模擬結(jié)果圖

由圖1得出水泥漿與鉆井液密度差不明顯的情況下，頂替效率不高，且會(huì)增加施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在上部大尺寸套管固井施工中，地層漏失壓力系數(shù)（1.5～1.7）普遍低于常規(guī)水泥漿密度（1.88g/cm3），若全部采用近似于鉆井液密度的低密度水泥漿，則水泥石強(qiáng)度和水泥漿對(duì)鉆井液的頂替效率都會(huì)受到較大影響。為解決該技術(shù)難題，采用領(lǐng)漿常規(guī)密度提高頂替效率、中間漿降低整體漿柱當(dāng)量密度、尾漿常規(guī)密度提高管鞋處封固質(zhì)量的思路，在一定程度上大幅提高有效領(lǐng)漿與鉆井液密度差梯度，提高頂替效率，同時(shí)控制環(huán)空當(dāng)量密度近似于地層壓力，防止發(fā)生漏失。

3.1 密度梯度設(shè)計(jì)

參考國(guó)內(nèi)外密度設(shè)計(jì)相關(guān)研究[1-3]：頂替液比鉆井液密度至少高0.24g/cm3，會(huì)有較好的頂替效果。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井壓力窗口的實(shí)際情況，此類(lèi)地層防漏固井窗口僅為0.1g/cm3，水泥漿尾漿密度設(shè)計(jì)為常規(guī)密度，提高管鞋處封固質(zhì)量，中間漿采用低密度水泥漿，密度低于鉆井液密度或等于鉆井液密度，領(lǐng)漿設(shè)計(jì)為常規(guī)密度（比鉆井液密度高0.2g/cm3）；隔離液密度應(yīng)盡可能達(dá)到ρ隔離液=1/2（ρ水泥漿+ρ鉆井液），滿(mǎn)足ρ鉆井液＜ρ隔離液＜ρ水泥漿。

3.2 粘度梯度設(shè)計(jì)

在進(jìn)行漿體密度梯度設(shè)計(jì)后，根據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)Φ100讀數(shù)進(jìn)行漿體粘度梯度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則[4]：隔離液Φ100讀數(shù)應(yīng)處于鉆井液與水泥漿Φ100讀數(shù)平均值附近，滿(mǎn)足 Φ100鉆井液＜ Φ100隔離液＜ Φ100水泥漿。

同時(shí)，水泥漿中間漿Φ100讀數(shù)應(yīng)與領(lǐng)漿Φ100讀數(shù)接近，水泥漿尾漿Φ100讀數(shù)可以大于中間漿Φ100讀數(shù)，以確保整個(gè)漿柱結(jié)構(gòu)合理的粘度梯度。式中：Φ100鉆井液為鉆井液旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)100轉(zhuǎn)讀數(shù)；Φ100隔離液為隔離液旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)100轉(zhuǎn)讀數(shù)；Φ100水泥漿為水泥漿旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)100轉(zhuǎn)讀數(shù)。

3.3 漿體用量設(shè)計(jì)

在進(jìn)行漿體密度設(shè)計(jì)后，考慮壓穩(wěn)和不漏的前提下，進(jìn)行環(huán)空壓力計(jì)算來(lái)確定漿體用量。

壓力計(jì)算原則：

環(huán)空靜液柱壓力：

式中：P靜液柱壓力——環(huán)空靜液柱壓力，MPa；

hi——環(huán)空流體長(zhǎng)度，m；

ρ——流體密度，g/cm3。

地層承壓能力及地層孔隙壓力根據(jù)地層數(shù)據(jù)及鉆進(jìn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

由于前置液+領(lǐng)漿頂替鉆井液過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)混竄現(xiàn)象，需要現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)具體混竄情況確定領(lǐng)漿及前置液的用量。在該區(qū)塊前期的固井施工中，測(cè)量出口混漿的密度和觀(guān)察混漿的成分，領(lǐng)漿與前置液和鉆井液的混竄折合成環(huán)空高度平均在200～300m。同時(shí)參考行業(yè)關(guān)于前置液用量的相關(guān)規(guī)定，確定了前置液300m環(huán)空高度+領(lǐng)漿（常規(guī)密度）500m環(huán)空高度的用量設(shè)計(jì)。

尾漿的設(shè)計(jì)用量主要考慮管鞋段的封固質(zhì)量，且兼顧尾漿強(qiáng)度發(fā)展對(duì)整個(gè)套管柱的支撐作用，并參考領(lǐng)漿混竄高度，確定尾漿（常規(guī)密度）500～700m環(huán)空高度的用量設(shè)計(jì)。

確定了領(lǐng)漿和尾漿的用量之后，中間漿的用量占環(huán)空高度也隨之確定，并由此反推算近平衡于地層壓力的環(huán)空當(dāng)量密度對(duì)應(yīng)的中間漿密度（需考慮環(huán)空壓耗的影響），基本原則為環(huán)空當(dāng)量密度數(shù)值略大于目前井底壓力當(dāng)量密度，同時(shí)小于地層漏失當(dāng)量密度。

3.4 其他設(shè)計(jì)

低密度水泥漿相對(duì)于常規(guī)密度水泥漿的水泥石強(qiáng)度發(fā)展較慢，水泥石本身強(qiáng)度較低。為達(dá)到與常規(guī)密度水泥漿體系相同或接近的封固作用，在常規(guī)密度和低密度水泥漿體系中加入一定比例的彈塑性材料、纖維等，以達(dá)到提高水泥石整體強(qiáng)度、減少漏失等目的，完成整體封固目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

以KES-A為例，該井二開(kāi)采用?444.5mm鉆頭鉆至井深2891.70m中完，擬下入?365.13mm+374.65mm套管，固井方案采用三凝三密度單級(jí)施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。該井二開(kāi)鉆進(jìn)至井深2654m的砂巖發(fā)育地層時(shí)井漏失返。漏失時(shí)鉆井液密度1.67～1.68g/cm3，粘度48s，經(jīng)過(guò)3次注堵漏漿，循環(huán)降密度至1.60g/cm3后井下不漏。根據(jù)后期循環(huán)及承壓實(shí)驗(yàn)情況分析，漏失當(dāng)量密度約為1.69～1.70g/cm3，若超過(guò)1.70則有可能發(fā)生漏失。中完時(shí)鉆井液密度1.60g/cm3。

4.1 施工參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以漏失壓力系數(shù)1.7為設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制施工全程環(huán)空ECD小于1.7，同時(shí)兼顧其它工程需求。設(shè)計(jì)隔離液密度略大于鉆井液密度（1.62g/cm3），占環(huán)空高度300m；領(lǐng)漿密度1.85g/cm3，占環(huán)空高度500m；尾漿密度1.88g/cm3，占環(huán)空高度691.70m；中間漿密度1.58g/cm3，占環(huán)空高度1700m。經(jīng)計(jì)算，施工過(guò)程中，2654m漏點(diǎn)環(huán)空最大當(dāng)量密度為1.69g/cm3，理論上不會(huì)發(fā)生漏失。采用專(zhuān)用固井施工模擬軟件對(duì)以上施工過(guò)程和壓力變化情況進(jìn)行模擬也驗(yàn)證了以上結(jié)論。施工過(guò)程壓力模擬結(jié)果如圖2所示，頂替效率模擬結(jié)果如圖3所示。

4.2 水泥漿實(shí)驗(yàn)情況

水泥漿流變性能按3.2設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

為保證環(huán)空水泥環(huán)強(qiáng)度，領(lǐng)漿、中間漿、尾漿按一定比例進(jìn)行了混合樣品實(shí)驗(yàn)，表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水泥漿間的混竄對(duì)水泥漿稠化時(shí)間、漿體流動(dòng)性能、水泥石強(qiáng)度等影響不大，可以達(dá)到有效封固的目的。

4.3 實(shí)際施工情況

圖2KS-B井?365.13mm+374.65mm套管固井施工過(guò)程模擬結(jié)果圖

圖3 KS-B井?365.13mm+374.65mm套管固井施工頂替效率模擬結(jié)果圖

現(xiàn)場(chǎng)按此設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了實(shí)際施工，施工過(guò)程正常，未發(fā)生漏失等異常情況，水泥漿順利返至地面。返出地面的混漿密度由1.62g/cm3逐步升高至1.85g/cm3，混漿量約占環(huán)空高度300m，也驗(yàn)證了領(lǐng)漿設(shè)計(jì)環(huán)空高度不小于500m的必要性。后期探塞情況正常，電測(cè)固井質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)解釋合格率100%，優(yōu)質(zhì)率89.2%，本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐取得了較好的效果。

5 總結(jié)與認(rèn)識(shí)

（1）在大環(huán)空間隙下的窄密度窗口固井施工中，靜液柱壓力對(duì)環(huán)空當(dāng)量密度的影響遠(yuǎn)大于環(huán)空壓耗的影響，獲取準(zhǔn)確的地層漏失壓力，并以此為核心，進(jìn)行環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決了常規(guī)固井井漏的問(wèn)題，保證了固井施工的安全及質(zhì)量。

（2）進(jìn)行了大環(huán)空間隙下窄密度窗口固井漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用優(yōu)化后的三凝三密度漿柱設(shè)計(jì)，以控制作業(yè)ECD和提高頂替效率為核心，分別從密度梯度、粘度梯度、漿體用量等方面進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，遵循了近平衡壓力固井的壓穩(wěn)和不漏的原則。同時(shí)，在水泥漿體系中嘗試加入彈塑性材料、纖維等，以達(dá)到提高水泥石整體強(qiáng)度尤其是低密度水泥漿的強(qiáng)度的目的，形成環(huán)空整體封固。

表1 KS-B井?365.13mm+374.65mm套管固井水泥漿流變性能

表2 KS-B井?365.13mm+374.65m套管固井水泥漿混竄研究

（3）此類(lèi)近平衡地層壓力法固井已成功在KS地區(qū)大環(huán)空間隙窄密度窗口條件下應(yīng)用了4口井，施工過(guò)程均順利正常，未發(fā)生漏失，固井質(zhì)量較之前的正注反擠施工合格率大大提高，為以后類(lèi)似的固井施工提供了新的思路和成功的實(shí)踐。