“壓穩(wěn)防漏”固井工藝在旬邑-宜君區(qū)塊的研究與應(yīng)用

湯祖明

(中石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

旬邑—宜君區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南與渭北隆起結(jié)合部，主力產(chǎn)層為三疊系延長組長3段與長8段，沉積環(huán)境為三角洲前緣水下分流河道沉積，砂體較發(fā)育，巖性以砂巖，含泥質(zhì)粉砂巖為主。由于長1段在構(gòu)造運動中抬升遭剝蝕缺層，導(dǎo)致長2段與侏羅系延安組地層為平行不整合接觸，且延安組上部和中部發(fā)育較厚煤層[1-2]。通過對比分析，結(jié)合前期探井DST測試，該區(qū)塊地層破裂壓力較低(1.60 g/cm3)，在鉆進(jìn)和固井過程容易發(fā)生漏失，漏失層位主要為延安組，有個別井在延長組也發(fā)生漏失。通過對固井漏失井的漏失情況進(jìn)行統(tǒng)計，表明該區(qū)塊油井發(fā)生漏失情況，主要表現(xiàn)為井口失返。由于地層發(fā)生漏失，環(huán)空水泥漿漿柱長度減少，導(dǎo)致環(huán)空靜液柱壓力低于地層壓力，不能有效壓穩(wěn)長3段與長8段油層。從工程上來說井筒第一和第二界面膠結(jié)質(zhì)量的好壞，直接影響油井后期的開采和使用壽命。為了達(dá)到有效封固目的層的目的，提出了“壓穩(wěn)防漏”平衡固井工藝，控制環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度動態(tài)變化，使其既能小于地層破裂壓力，又能平衡地層油氣當(dāng)量密度[3-5]。為了實現(xiàn)“壓穩(wěn)防漏”平衡固井工藝，從優(yōu)化水泥漿的漿柱結(jié)構(gòu)、水泥漿性能及施工工藝流程著手，簡化施工過程，嚴(yán)格控制施工排量，使環(huán)空頂替流態(tài)趨于穩(wěn)定，提高水泥漿頂替效率[6]。同時要求鉆井隊在鉆進(jìn)過程中加入隨鉆堵漏劑，根據(jù)不同的構(gòu)造部位，再加入一定量的復(fù)配顆粒材料，通過對堵漏材料進(jìn)入裂縫以密封和支撐的方式提高地層的承壓能力[7-8]，并在下套管前全井做地層承壓試驗，使固井漏失率明顯降低，提高固井成功率，保證全井段環(huán)空水泥石膠結(jié)質(zhì)量。

1 發(fā)生漏失的原因

1.1 地層的原因

延長組屬于三角洲前緣水下河道砂體，砂體發(fā)育，巖性以砂巖、粉砂巖、含泥質(zhì)粉砂巖為主，縱向上表現(xiàn)為多道砂體重疊，屬于低孔低滲致密油氣層類型。本區(qū)塊在區(qū)域構(gòu)造運動中，造成2種結(jié)果：第一由于地層抬升，上覆地層裸露，長期受到物理化學(xué)作用，如淋浴、暴曬、化學(xué)搬運，造成地層缺失，而較難搬運礦物殘留在地表，形成風(fēng)化殼，隨后下沉接受再沉積，與上覆地層形成平行不整合接觸，發(fā)育不整合接觸裂縫；第二由于地層遭到剝蝕，上覆壓力減少，地層應(yīng)力得到釋放，產(chǎn)生應(yīng)力裂縫，導(dǎo)致地層破裂壓力低。由此分析，造成井眼漏失的主要原因有2種，地層不整合性裂縫漏失和地層應(yīng)力裂縫漏失。

1.2 鉆進(jìn)方式和設(shè)備的原因

本區(qū)塊目的層較淺，長3段埋深300～600 m，長7、長8段埋深700～1300 m。在鉆進(jìn)期間，部分井隊對地層壓力系統(tǒng)認(rèn)識不足，未采取隨鉆堵漏的方法，故在鉆進(jìn)過程中漏失情況嚴(yán)重。此外隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行，地層應(yīng)力的均衡被打破，應(yīng)力釋放形成多方向的應(yīng)力微裂縫，在沒有復(fù)配顆粒及惰性堵漏材料填補進(jìn)入裂縫的情況下，導(dǎo)致地層承壓能力不高。同時由于施工的鉆井隊設(shè)備簡陋，沒有獨立的泥漿計量罐，井隊只有在井口返漿失返或者返漿量明顯減少的情況下才能發(fā)現(xiàn)井眼出現(xiàn)漏失，一般井眼在有輕微漏失存在的情況下井隊不易發(fā)現(xiàn)，錯過堵漏最佳時機(jī)，致使固井時發(fā)生漏失。

1.3 水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)及性能的原因

根據(jù)前期探井進(jìn)行的DST測試結(jié)果，區(qū)域內(nèi)地層壓力范圍為0.978～0.986 g/cm3，因此將水泥漿設(shè)計成“三凝”漿柱結(jié)構(gòu)，分為領(lǐng)漿、過渡漿及尾漿，密度分別為1.35、1.55、1.75 g/cm3，領(lǐng)漿和過渡漿將作為廣義上的充填漿，封固非目的層，尾漿封固主要目的層。漿體流動度和初始稠度均按領(lǐng)漿<過渡漿<尾漿設(shè)計，領(lǐng)漿、過渡漿和尾漿易達(dá)到紊流流態(tài)。水泥漿采用2種配方(見表1)，利用稠化時間差和密度差的方式，來補充尾漿由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗軕B(tài)過程中失重?fù)p失的液柱壓力，使靜液柱壓力始終大于1.05 g/cm3，以達(dá)到壓穩(wěn)油氣層的目的。但是由于該低密度水泥漿所在井段層位淺(200～300 m)，溫度低(16～18 ℃)，水泥石早期強度發(fā)展緩慢，候凝24 h后進(jìn)行固井質(zhì)量測井，聲波幅度曲線與變密度顯示環(huán)空多為自由段和膠結(jié)質(zhì)量較差井段(參見圖1)。由于水泥漿過渡漿量少(3～6 m3)，密度混配難以達(dá)到設(shè)計要求，容易混配成領(lǐng)漿密度或者尾漿密度，造成水泥漿總體密度偏低或偏高，達(dá)不到設(shè)計的液柱壓力，不能壓穩(wěn)長8段油氣層，或者增加水泥漿液柱壓力，導(dǎo)致地層破裂，發(fā)生漏失。

表1 水泥漿配方Table 1 The formulation of cement slurry

1.4 施工工藝的原因

通過對固井工藝流程統(tǒng)計分析，固井過程出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，大部分發(fā)生在替漿過程中或關(guān)鍵節(jié)點上。如在本區(qū)塊施工工藝為注水泥漿排量設(shè)計1.0～1.2 m3/min，壓力控制為1.0～1.5 MPa，注壓塞液排量為1.0～1.1 m3/min，為減小U型管效應(yīng)，替漿排量控制在1.0～1.2 m3/min，待替漿液追上水泥漿起壓后，將替漿排量降低至0.5 m3/min，待替漿壓力升至1.0 MPa后，繼續(xù)降低排量至0.3 m3/min，以該排量替漿直至碰壓。由于該工區(qū)油井完鉆井深較淺(900～1300 m)，套管單位內(nèi)容積小(12.13 L/m)，環(huán)空體積大(30～40 m3)，替漿過程中U型管效應(yīng)不明顯。在開始替漿時水泥漿已經(jīng)進(jìn)入環(huán)空15～20 m3，在以替漿排量為1.0～1.2 m3/min的情況下，追上水泥漿的瞬間形成一定“激動”壓力，使循環(huán)當(dāng)量密度易大于地層破裂壓力1.60g/cm3，造成井漏，使水泥漿進(jìn)入地層導(dǎo)致返高不足。

圖1渭北55井CBL曲線
Fig.1CBL curve of Well Weibei-55

1.5 漏失及水泥漿返高情況統(tǒng)計

已施工的48口井發(fā)生漏失及水泥漿返高情況見表2。其中有14口井發(fā)生漏失情況，漏失率為29.2%。開始替漿時井口斷流的井有1口，替漿至中后期(5～16 m3)，有12口井井口斷流?！皟赡苯Y(jié)構(gòu)有6口井發(fā)生漏失，“三凝”結(jié)構(gòu)有8口井發(fā)生漏失?！皟赡苯Y(jié)構(gòu)中未采用穩(wěn)定替漿排量施工工藝發(fā)生漏失的有1口井。根據(jù)測井變密度顯示，返高在100～300 m之間有9口井，2口井返高低于400 m?！皟赡苯Y(jié)構(gòu)中漏失造成返高不夠有4口井，只有1口井返高滿足要求?！叭苯Y(jié)構(gòu)的有6口，僅有1口井返高滿足要求。此外有4口井未發(fā)生漏失而返高不夠。

表2 漏失與水泥漿返高情況Table 2 The condition of circulation loss and cement slurry return height

綜合上述，本區(qū)塊發(fā)生漏失的主要因素是地層裂縫發(fā)育，地層承壓能力低。施工安全壓力窗口窄，并且一旦出現(xiàn)漏失，返漿口表現(xiàn)為失返，如何解決裂縫漏失提高地層承壓能力是目前主要問題之一；其次是長3段油層埋深淺，溫度低，水泥石強度發(fā)展較慢，如何設(shè)計水泥漿性能，使水泥石強度發(fā)展時間縮短，形成有效封固；其三是施工時循環(huán)當(dāng)量密度的變化，如何將施工工藝流程合理化，降低施工過程循環(huán)當(dāng)量密度。

2 技術(shù)措施和效果

2.1 技術(shù)措施

在前期已完成施工井?dāng)?shù)據(jù)和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，排查出發(fā)生漏失的主要誘因是地層裂縫的存在，導(dǎo)致地層壓力低。因此，本次研究工作圍繞提高地層承壓能力、降低循環(huán)當(dāng)量和優(yōu)化水泥漿性能等方面進(jìn)行，主要有以下幾方面：(1)在鉆進(jìn)過程提高地層承壓力能力；(2)改變水泥漿柱結(jié)構(gòu)，降低循環(huán)當(dāng)量密度；(3)優(yōu)化水泥漿性能，使水泥漿具有一定堵漏功能，提高早期強度發(fā)展；(4)優(yōu)化施工工藝。

2.1.1 提高地層承壓能力

決定漏失地層壓力高低，不僅與裂縫孔隙度高低有關(guān)，還和圍壓有關(guān)[9]。由于裂縫性地層的承壓能力隨著堵漏材料進(jìn)入裂縫的深度有關(guān)，故在鉆進(jìn)過程中加入隨鉆堵漏劑，使其在裂縫張開時進(jìn)入填充，以提高地層的承壓能力。下套管前對全井用原井漿做地層承壓試驗，并按公式(1)、(2)所計算值做承壓試驗，要求承壓值不低于計算值，穩(wěn)壓時間30 min，井眼條件達(dá)不到要求，必須進(jìn)行先期堵漏，滿足條件方能下套管。

P=ΔP靜+Pf+(1～3)

(1)

式中：P——承壓值，MPa；ΔP靜——環(huán)空水泥漿與泥漿靜液柱壓力差，MPa；Pf——水泥漿流動摩阻，MPa。

(2)

式中：f——水泥漿摩阻系數(shù)，無因次；L——水泥漿段長，m；ρc——水泥漿密度，g/cm3；V——水泥漿返速，m/s；R——井眼直徑，cm；r——套管外徑，cm。

2.1.2 漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過DTS測試顯示工區(qū)內(nèi)地層壓力范圍為0.978～0.986 g/cm3，破裂壓力為1.60 g/cm3。為保證環(huán)空水泥漿當(dāng)量密度在1.08～1.60 g/cm3范圍內(nèi)，將水泥漿漿柱由“三凝”設(shè)計為 “兩凝”結(jié)構(gòu)，其中領(lǐng)漿密度設(shè)計為1.35～1.40 g/cm3，封固上部油層長3段油頂150～200 m以上井段，尾漿密度設(shè)計為1.55 g/cm3，封固下部油層裸眼井段。根據(jù)地層破裂壓力測試值，將井底靜液柱當(dāng)量密度1.08和1.60 g/cm3設(shè)為安全閥值，并依據(jù)公式(3)設(shè)計領(lǐng)漿和尾漿段長分界點。只有當(dāng)井底當(dāng)量密度在2個安全閥值之內(nèi)，才滿足要求，否則重新設(shè)計分界點。此外還需考慮尾漿由液態(tài)轉(zhuǎn)為塑態(tài)過程造成的失重現(xiàn)象，使尾漿段當(dāng)量密度在1.08～1.2 g/cm3。通過這樣設(shè)計，當(dāng)環(huán)空充滿水泥漿后既能平衡地層壓力將油氣層壓穩(wěn)，又不會將地層壓漏，這是“壓穩(wěn)防漏”平衡固井理論的核心之一：壓穩(wěn)。

ρ當(dāng)L=ρ1L1+ρ2L2

(3)

式中：ρ當(dāng)——井底當(dāng)量密度，g/cm3；ρ1、ρ2——分別為領(lǐng)漿密度，尾漿密度，g/cm3；L、L1、L2——分別井眼長度、領(lǐng)漿段長、尾漿段長，m。

2.1.3 水泥漿性能優(yōu)化

通過對不同廠家的添加劑進(jìn)行室內(nèi)評價，設(shè)計出一套配方(見表3)。依據(jù)顆粒級配原理，將不同粒徑顆粒按一定比例組合，緊密堆積，增加單位體積內(nèi)有效固相含量，提高低密度水泥石強度[10-12]。該配方與前期配方相比，在領(lǐng)漿中降低減輕材料(漂珠)的加入比例，使固相顆粒的整體比表面積得到相應(yīng)增加，微硅相對量得到增加，提高了水泥漿的沉降穩(wěn)定性，加大了漿體的鎖水功能，降低了自由水的比例，降低了自由液及固相含量對致密油氣層孔喉通道的傷害[13]，并使水泥漿尾漿(1.55 g/cm3)具有一定的觸變性。此外在漿體中加入0.2%(以漿體量計算)長度為5 mm的纖維，提高了水泥石的綜合力學(xué)性能[14]，在井眼發(fā)生漏失的情況下，漿體中分散分布具有架橋功能的纖維，使水泥凝膠顆粒附著在纖維和漂珠所形成的立體空間之中，使水泥漿不能進(jìn)入地層深部。另外加入適當(dāng)比例的早強劑，使得水泥漿領(lǐng)漿早期強度發(fā)展更快，確保了領(lǐng)漿的膠結(jié)質(zhì)量。在45 ℃×15 MPa×50 min條件下的基本性能如表4所示。根據(jù)工區(qū)作業(yè)特點，將外摻料和添加劑與水泥進(jìn)行干混，這樣將領(lǐng)漿與尾漿設(shè)計成相同配方，通過利用地層深度與溫度的線性關(guān)系，以及調(diào)節(jié)水灰比來改變水泥漿密度與稠化時間。

2.1.4 優(yōu)化施工工藝流程

簡化施工工藝流程，控制替漿排量，使環(huán)空頂替過程中頂替液流態(tài)始終穩(wěn)定，提高頂替效率。由于環(huán)空水泥漿量為30～45 m3，替漿總量為10～13 m3，因此注水泥漿排量要求在1.0～1.1 m3/min范圍內(nèi)，前置液在尾漿段(長3段以下)能以紊流流態(tài)的方式對井壁及套管壁進(jìn)行沖刷。當(dāng)開始替漿時前置液和水泥漿領(lǐng)漿已經(jīng)過了尾漿段，U型管效應(yīng)已經(jīng)不明顯，因此改變前期替漿方式，不再以膠塞追上水泥漿后再降低排量的方式，而是整個替漿期間將排量穩(wěn)定在0.3 m3/min，以期降低泥漿追上水泥漿產(chǎn)生的“激動”壓力及瞬間水泥漿改變流速的摩阻[15]，降低整體的循環(huán)當(dāng)量密度，控制循環(huán)當(dāng)量密度在1.60 g/cm3以內(nèi)。

表3 水泥漿配方Table 3 The formulation of cement slurry

表4 水泥漿基本性能Table 4 The basic properties of cement slurry

2.2 施工效果

通過對地層構(gòu)造演化及漏失機(jī)理的分析，對工區(qū)地層漏失性質(zhì)進(jìn)行定性判定，再針對性地采取上述技術(shù)措施后，在后期施工的15口井中，僅有4口井發(fā)生漏失但界面膠結(jié)質(zhì)量滿足要求(見表5)。其余井水泥漿全返地面，第一膠結(jié)面與第二膠結(jié)面均滿足后期壓裂改造要求。這4口井漏失情況分別如下，渭北20井返高在108 m，油層第一和第二膠結(jié)面膠結(jié)良好，界面不存在竄槽情況；渭北25井測井顯示返高121 m，但在施工時水泥漿返出地面，可以判斷為候凝過程發(fā)生漏失(井隊承壓試驗2.3MPa，沒有滿足承壓要求)；渭北24井和渭北49井，替漿后期水泥已經(jīng)返出地面，故水泥漿達(dá)到返高要求，油氣層封固質(zhì)量達(dá)到良好—優(yōu)秀。

表5 固井質(zhì)量Table 5 The cementation quality

3 認(rèn)識與建議

(1)水泥漿采用 “兩凝”結(jié)構(gòu)，使用相同配方，領(lǐng)漿密度為1.35～1.40 g/cm3，尾漿密度為1.55 g/cm3，領(lǐng)漿稠化時間控制在190～210 min，尾漿稠化時間控制在80～90 min，確保尾漿失重后領(lǐng)漿還能有效的將壓力下傳，使靜液柱當(dāng)量密度為1.08～1.20 g/cm3。

(2)水泥漿外摻料中加入適當(dāng)?shù)脑鐝妱?，使水泥石快速發(fā)展早期強度，滿足上部井段水泥石強度的要求。

(3)加入適當(dāng)比例的微硅和減輕材料，提高水泥漿的抗沉降穩(wěn)定性，降低析水量，微硅適當(dāng)加入使尾漿具有微觸變性，通過纖維在漿體中的架構(gòu)作用，使其具有充填裂縫防止漏失的功效。

(4)控制施工排量，充分利用套管內(nèi)容量小，水泥漿量大， U型管效應(yīng)不明顯，降低追上水泥漿時的“激動”壓力，減少對地層的總壓力，將替漿過程循環(huán)當(dāng)量密度控制在1.60 g/cm3以下。

(5)加強對井隊泥漿性能的監(jiān)控，建議井隊在鉆進(jìn)過程中加入細(xì)顆粒隨鉆堵漏材料，以提高地層的承壓能力，在固井前降粘降切，泥漿性能必須滿足固井施工的要求。