五探1井超深井下套管固井技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

張君毅， 陳穎杰， 廖富國， 付華才

(1中石油川慶鉆探公司川東鉆探公司 2中石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部)

五探1井位于四川盆地達(dá)州～開江古隆起檀木場(chǎng)潛伏構(gòu)造高點(diǎn)。本井三開?374.65 mm套管下深3 547.71 m，四開采用?333.4 mm鉆頭、1.67 g/cm3聚磺鉆井液鉆進(jìn)至井深5 331 m、層位韓家店組中完，下?273.05 mm套管固井，最大井斜小于2.2°，實(shí)鉆中在嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、茅口組、黃龍組均發(fā)生過井漏，且以茅口組惡性井漏為主。五探1井?273.05 mm套管固井為川渝地區(qū)該尺寸套管固井井深最深，屬超深井固井范疇，其固井存在較大難度。該井固井施工的成功將為今后類似固井作業(yè)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

一、主要技術(shù)難點(diǎn)

若采用一次性下套管固井，套管懸重將到達(dá)450 t以上，這使得施工設(shè)備負(fù)荷大，實(shí)際操作風(fēng)險(xiǎn)大，且極易發(fā)生卡套管情況。五探1井施工采用先懸掛、后回接固井方式，套管下深5 331 m，裸眼段長1 783.29 m(見表1)，懸掛井段3 150.00～5 331.00 m，套管重量為167 t，浮重134 t，回接井段0～3 150 m，套管重量為290 t，浮重232 t。套管重量大、裸眼長，套管下至預(yù)定井深難度大[1]。

固井注水泥施工，水泥漿驅(qū)替的環(huán)空間隙較大且井徑變化不規(guī)律，存在“糖葫蘆”井眼(見圖1)，這給套管柱下入和固井質(zhì)量保障帶來很大困難。裸眼段長1 783.29 m，存在四個(gè)壓力體系，地層敏感性較大，氣層活躍，易出現(xiàn)漏噴同存現(xiàn)象，施工防漏防竄是一大難題[2]。

井深4 200 m以下存在三段氣侵顯示，根據(jù)電測(cè)解釋(見表2)，茅二段地層為活躍氣層(實(shí)鉆中在該層位發(fā)生氣侵，總烴值4.468 4%↑90.268 4%)，固井防氣竄難度大，固井后易出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

表1 五探1井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

圖1 五探1井?333.4 mm鉆頭井眼裸眼段井徑曲線圖

表2五探1井?333.4mm鉆頭井眼裸眼段電測(cè)解釋成果表

層位井段/m厚度/m解釋結(jié)論飛三～飛一段4061.0～4068.37.3滲透層茅二段4830.6～4847.316.7氣層石炭系5184.3～5201.717.4水層

飛仙關(guān)以下地層(4 066～5 185 m)存在多段漏失，以茅口組(4 830～4 847 m)為主要漏層，該層位實(shí)鉆過程中累計(jì)漏失鉆井液1 126.2 m3，經(jīng)多次堵漏作業(yè)后用1.68 g/cm3鉆進(jìn)仍伴隨井漏，黃龍組5 185 m實(shí)鉆也出現(xiàn)大漏現(xiàn)象，固井施工漏失風(fēng)險(xiǎn)大。

二、難點(diǎn)處理措施

1. 采用高扭矩、高強(qiáng)度套管先懸掛、后回接固井方式

五探1井全井?273.05 mm套管采用TP-CQ氣密封扣、110剛級(jí)、壁厚13.84 mm，套管總重量為457 t，浮重366 t，采用先懸掛、后回接固井方式分散單次下套管的重量，降低下套管安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

使用的懸掛器基本結(jié)構(gòu)主要包括(如圖2所示)：送入工具、回接筒、懸掛器、密封補(bǔ)芯、碰壓器、膠塞組合、回接工具等。

圖2 五探1井?237.05 mm尾管懸掛器示意圖

2. 強(qiáng)化通井措施保障套管順利下至預(yù)定井深

2.1 合理選擇通井鉆具組合

通過通井鉆具組合與套管柱的剛度比來評(píng)價(jià)通井后套管柱能否順利下入。當(dāng)其剛度比值大于1時(shí)，表示通井鉆具剛性大于套管柱剛性，通井后套管柱能下入，但剛度比值越大，通井難度越大。根據(jù)磨溪-高石梯地區(qū)和下川東地區(qū)實(shí)鉆井下套管前通井情況，通井鉆具的剛度比值在1.4～1.8范圍內(nèi)最佳。同時(shí)在通井鉆具組合中加入隨鉆震擊器，有利于通井防卡。

五探1井采用2趟帶扶正器的通井鉆具組合[3]：

第一趟通井：?333.4 mm牙輪鉆頭+雙母接頭+回壓凡爾+?330 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌6根+731×630接頭+?203.2 mm鉆鋌2根+?203.2 mm隨鉆震擊器1根+631×410接頭+?177.8 mm鉆鋌3根+411×520DS接頭+?139.7 mm鉆桿(剛度比：1.47)

第二趟通井：?333.4 mm牙輪鉆頭+雙母接頭+回壓凡爾+?330 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌1根+?320 mm扶正器1只+?228.6 mm鉆鋌1根+?320 mm扶正器1只+?228.6 mm鉆鋌3根+731×630接頭+?203.2 mm鉆鋌2根+?203.2 mm隨鉆震擊器1根+631×410接頭+?177.8 mm鉆鋌3根+411×520DS接頭+?139.7 mm鉆桿(剛度比：1.59)

2.2 通井技術(shù)措施

①通井注意噸位變化，不能猛提猛放，以防阻卡;②每次遇阻噸位不超過5 t，對(duì)掛卡、遇阻的井段必須加強(qiáng)劃眼，通井到位后堅(jiān)持短起下并大排量循環(huán)鉆井液不少于兩周，使井眼干凈、無垮塌、無沉砂、無后效，為下套管作業(yè)做好準(zhǔn)備[4];③循環(huán)出井的鉆井液必須過篩，確保鉆井液清潔;④通井至井底，起鉆前鉆井液充分循環(huán)，進(jìn)出口密度差≤0.02 g/cm3。

2.3 優(yōu)化鉆井液性能

井筒內(nèi)鉆井液采用密度1.68 g/cm3的鉀聚磺鉆井液體系，下套管前調(diào)整好鉆井液性能，降低裸眼段摩擦阻力，鉆井液塑性黏度控制在30 mPa·s以內(nèi)，屈服值<8 Pa(如表3)。

表3 五探1井下?273.05 mm套管前鉆井液性能參數(shù)表

表黏/mPa·s塑黏/mPa·skfΦ600Φ300Φ200Φ100Φ6Φ3nk/Pa·sn25200.0850302214320.740.15

圖3 尾管固井施工頂替效率模擬

3. 優(yōu)選替漿排量保障頂替效率

選用不同循環(huán)排量，同條件下模擬施工過程中動(dòng)當(dāng)量密度，根據(jù)動(dòng)當(dāng)量密度情況，下套管前做地層承壓試驗(yàn)，為固井優(yōu)選的施工參數(shù)提供現(xiàn)實(shí)可能性。

(1)按固井設(shè)計(jì)要求，當(dāng)水泥漿的頂替效率達(dá)到90%以上才能保障固井質(zhì)量。通過CCDC DOWNHOLE SERVICE COMPANY工程計(jì)算軟件模擬結(jié)果(圖3)，在頂替排量達(dá)到2.4 m3/min以上時(shí)，水泥漿的頂替效率達(dá)到90%以上。

(2)以2.4 m3/min、2.7 m3/min的循環(huán)排量，同條件模擬施工過程中主要漏層(4 893 m和5 185 m)、井底(5 331 m)的承載壓力情況(圖4、圖5、圖6、表4所示)。假定固井所用水泥漿密度為1.88 g/cm3，懸掛固井時(shí)水泥漿注入井筒內(nèi)，此時(shí)全井的平均密度為1.77 g/cm3，采用2.4 m3/min的排量進(jìn)行頂替，此時(shí)井筒內(nèi)主要漏層所承載的最大壓力與密度1.88 g/cm3鉆井液對(duì)漏層5 185 m施加的靜液柱壓力相當(dāng)。所以，按1.88 g/cm3當(dāng)量密度(井口憋壓10 MPa)對(duì)茅口主漏層做地層承壓試驗(yàn)，保障地層承壓能力，降低固井施工井漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 施工過程中4893m壓力變化

圖5 施工過程中5185m壓力變化

圖6 施工過程中井底壓力變化

表4動(dòng)當(dāng)量密度模擬情況表

工況通井套管下到位替漿到位排量/(L·s-1)46404640465185m漏層靜當(dāng)量密度/(g·cm-3)1.681.681.775185m漏層動(dòng)當(dāng)量密度/(g·cm-3)1.731.741.751.881.904066m氣顯示頂界動(dòng)當(dāng)量密度/(g·cm-3)1.731.721.731.821.84管內(nèi)摩阻/MPa16.47.59.57.09.0環(huán)空摩阻/MPa2.13.03.35.86.8泵壓/MPa18.510.512.819.122.0

4. 制定固井施工措施

4.1 尾管懸掛注水泥施工

(1)采用雙凝水泥漿體系，兩凝界面4 000 m?？旄刹捎庙g性防氣竄水泥漿，密度1.88 g/cm3，封固5 331～4 000 m井段；緩凝采用纖維防漏水泥漿體系，密度1.88 g/cm3，封固4 000～3 150 m以上至喇叭口井段，下水泥塞長度50 m，上塞及多返設(shè)計(jì)15 m3。

(2)在井不漏的前提下憋壓3～5 MPa候凝，期間間斷補(bǔ)償水泥漿凝固失重造成的壓力損失，提高氣體防竄效果。

候凝壓力補(bǔ)償滿足安全條件[5]：

p自+p失+p補(bǔ)≥p孔隙

式中：p自、p失、p補(bǔ)、p孔隙—分別為環(huán)空鉆井液柱壓力、水泥漿失重后壓力、憋壓候凝壓力、 地層孔隙壓力。

(3)施工排量要達(dá)到2.4m3/min以上。

(4)提前做好井漏反注施工方案：若漏速穩(wěn)定并≤10 m3/h，則采用彌補(bǔ)施工中水泥漿的漏失量，多注入一定量的水泥漿，仍采用一次性正注水泥返至尾管懸掛器之上的固井施工方案；若漏失量過大，則根據(jù)實(shí)際井漏情況，完善正反注方案的前提下進(jìn)行固井施工作業(yè)，反擠采用密度1.90 g/cm3的纖維防漏水泥漿體系。

4.2 套管回接注水泥施工

(1)采用一次性雙膠塞正注兩凝水泥漿固井工藝，緩凝為微膨脹防竄水泥漿體系，水泥漿密度1.90 g/cm3；快干為韌性防竄水泥漿體系，水泥漿密度1.88 g/cm3，兩凝界面2 270 m。

(2)采用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù),補(bǔ)償水泥漿水化收縮對(duì)失重的影響[6]。控制壓差在10 MPa。

(3)憋足回壓候凝。兼顧安全與壓穩(wěn)，上層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度50.5 MPa，回接套管抗擠強(qiáng)度49.7 MPa，憋回壓10～12 MPa，管外液柱壓力59.85 MPa，憋壓后管外壓力71.9～67 MPa，能確保套管安全；憋壓后喇叭口井深3 150 m處當(dāng)量鉆井液密度為2.29～2.13 g/cm3，快干失重時(shí)當(dāng)量鉆井液密度為2.03～1.87 g/cm3，滿足水泥漿凝結(jié)失重后的壓力補(bǔ)償。

(4)優(yōu)選注替參數(shù)，提高頂替效率，在同條件下選用不同排量進(jìn)行頂替效率數(shù)據(jù)模擬，通過CCDC DOWNHOLE SERVICE COMPANY工程計(jì)算軟件模擬結(jié)果表明，當(dāng)施工排量達(dá)到2.2 m3/min以上，回接固井施工頂替效率能夠到達(dá)90%以上。

(5)采用雙膠塞固井，減少混漿；認(rèn)真檢查插入筒，確保插入筒插入順利可靠，有效密封。

(6)強(qiáng)化候凝措施,同時(shí)滿足候凝時(shí)間大于48 h、地面取樣已凝固、環(huán)空壓力平穩(wěn)等條件方可進(jìn)行下步作業(yè)[7]。

三、固井施工過程與效果

1. 固井施工過程

1.1 套管送入情況

分別采用剛度比為1.47、1.59的近鉆頭單扶和三扶通井至井底，套管順利下至預(yù)定井深。

1.2 套管懸掛施工

(1)水泥漿配方。緩凝：G級(jí)水泥+3%微硅+1.5%超細(xì)纖維+4%增韌劑+0.8%減阻劑+3%降失水劑+0.1%緩凝劑+0.7%寬溫帶緩凝劑+0.2%消泡劑。

快干：G級(jí)水泥+2%硅粉+8%韌性防氣竄劑+1%減阻劑+2.5%降失水劑+0.6%緩凝劑+0.2%消泡劑。

(2)注隔離液5 m3，注密度1.87～1.90 g/cm3緩凝水泥漿43 m3,注密度1.86～1.89 g/cm3快干水泥漿55 m3。

(3)注壓膠塞液、替漿128 m3，替漿排量2.4～2.5 m3/min，紊流頂替，施工壓力正常，碰壓27.4 MPa，泄壓無回流，起出中心管循環(huán)排混漿后關(guān)井憋壓5 MPa候凝4 h，再補(bǔ)壓至10 MPa候凝。

1.3 回接施工

(1)水泥漿配方。

緩凝：G級(jí)水泥+1.5%降失水劑+2%膨脹劑+1.0%減阻劑+0.3%緩凝劑+0.2%消泡劑。

快干：G級(jí)水泥+ 2%高溫降失水劑+1.5%增韌劑+7%韌性防氣竄劑+1%減阻劑0.2%緩凝劑+0.2%消泡劑

(2)注隔離液10 m3，注密度1.87～1.92 g/cm3緩凝水泥漿85 m3，注密度1.86～1.90 g/cm3快干水泥漿31 m3。

(3)注壓膠塞液、替漿148.3 m3，替漿排量2.7～3.0 m3/min，紊流頂替，施工壓力正常，碰壓20 MPa，泄壓無回流，環(huán)空憋壓12 MPa候凝。

2. 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過聲幅變密度測(cè)井，五探1井?273.05 mm套管固井質(zhì)量合格率達(dá)到70.3%，固井后環(huán)空無氣竄現(xiàn)象，固井質(zhì)量合格，滿足本次固井要求。

四、結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1)優(yōu)化鉆井液性能、選用剛度比為1.47的單扶鉆具組合和剛度比為1.59的三扶鉆具組合進(jìn)行通井，有助于套管順利下達(dá)預(yù)定井深。

(2)對(duì)壓力敏感性地層進(jìn)行注水泥施工過程中的地層壓力動(dòng)當(dāng)量模擬，能為地層承壓試驗(yàn)和施工參數(shù)優(yōu)選提供依據(jù)，對(duì)固井質(zhì)量保障起到積極作用。

(3)水泥漿失重過程中容易發(fā)生氣體上竄。采用韌性防氣竄兩凝水泥漿體系和預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)，分時(shí)間段補(bǔ)償水泥漿失重壓力，可有效抑制氣體上竄。

(4)本次固井所使用的尾管懸掛器不帶頂封裝置，可優(yōu)化大尺寸尾管懸掛器結(jié)構(gòu)，選用帶頂封的尾管懸掛器，有利于阻隔下部氣層氣體上竄。