塔里木山前中完防漏固井技術(shù)的研究

劉 鑫，張小建，郭文猛，覃 毅，田寶振，詹 馳

(渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552)

山前區(qū)塊二開及三開中完作業(yè)裸眼段長度可達(dá)4 000 m以上，山前多為高壓、超高壓氣井和區(qū)域探井，為滿足后續(xù)井控安全的要求，必須增加封固段長，水泥漿盡可能返至井口，裸眼段中經(jīng)常還夾雜鹽膏巖層[1]、白云巖層等復(fù)雜地層，中完作業(yè)漏失情況嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，近年來山前區(qū)塊在中完作業(yè)過程中發(fā)生漏失的井次占到總井次的40%，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。以前所運用的防漏水泥漿體系未對不同類型的漏失進(jìn)行分類研究，對纖維的選用和加量也是固定的，不能起到有效的堵漏作用，本文選用不同長度、不同加量的聚丙烯纖維，對不同類型的漏失情況進(jìn)行類比分析，制定了一套適用于山前區(qū)塊的有效固井防漏工藝技術(shù)，對改善山前區(qū)塊的固井質(zhì)量具有重要意義[2]。

1 山前區(qū)塊固井技術(shù)難點分析

1.1 地質(zhì)巖性特殊，存在多套壓力系統(tǒng)

山前構(gòu)造古近系庫姆格列木群組巖性變化相對復(fù)雜，壓力體系不均勻，大段鹽層地層破裂壓力高，地層應(yīng)力大，需要高密度泥漿來抑制；非鹽層破裂壓力低，泥漿密度低，由于地層壓力系統(tǒng)的不同，導(dǎo)致施壓力窗口較窄，固井易發(fā)生井漏，只要一發(fā)生漏失，就可能造成環(huán)空靜液柱壓力不能有效地抑制鹽層蠕變。目的層又存在大段細(xì)砂巖、粉砂巖，承壓能力低，漏失風(fēng)險大，固井質(zhì)量差可能直接影響到后期開采。

1.2 防漏水泥漿體系單一

防漏水泥漿的應(yīng)用是有效降低漏失風(fēng)險的手段之一，所以防漏水泥漿體系的設(shè)計是固井過程中預(yù)防地層漏失的重點。但是目前山前區(qū)塊所用的防漏失水泥漿體系過于單一，沒有針對不同井型井況進(jìn)行區(qū)別分析，防漏外摻料的選用也沒有進(jìn)行過實驗研究，尤其是纖維的大小與加量都是特定唯一的，不能有效降低漏失風(fēng)險[3]。

1.3 中完作業(yè)過程中的漏失風(fēng)險大

中完作業(yè)過程中的漏失風(fēng)險主要包括：①由于裸眼段長，下鉆通井過程在小井眼處產(chǎn)生的激動壓力較大，容易壓漏地層[4]。②泥漿密度高，固相含量較高，屈服值相應(yīng)增加，所以在泥漿循環(huán)過程中產(chǎn)生的激動壓力可能壓漏地層。③下套管在下放過程中會使泥漿在環(huán)空中上返，從而對井壁產(chǎn)生附加的激動壓力；套管下到位后循環(huán)過程中由于井底存在沉砂、掉塊等固相顆粒，循環(huán)過程中可能壓力較高導(dǎo)致憋漏地層[5]。

2 山前區(qū)塊防漏技術(shù)措施

2.1 優(yōu)選防漏水泥漿體系

山前區(qū)塊目前主要采用纖維防漏水泥漿體系，其作用原理是在濕混配方中加入聚丙烯纖維，利用纖維對載荷的傳遞，使水泥石內(nèi)部欠缺的力相對減少，纖維之間形成結(jié)構(gòu)提高地層的承壓能力，對類似砂巖地層的滲透性漏失，或由于壓力梯度不同造成的系統(tǒng)性漏失起到堵漏作用[6]。不同尺寸大小的纖維對不同情況的漏層有著不同的堵漏效果，山前區(qū)塊目前使用的纖維防漏水泥漿體系均使用一種尺寸的纖維進(jìn)行封堵，加量也比較固定，不能對不同漏失情況進(jìn)行有效封堵[7]。

山前區(qū)塊地層漏失主要分為孔隙性漏失和裂縫性漏失，本文分別模擬堵漏不同孔徑(1 mm、2 mm)的孔隙性漏失和不同寬度(1 mm、2 mm)的裂縫性漏失，對聚丙烯纖維體系水泥漿的防漏、堵漏能力進(jìn)行綜合評價[8]。

圖1 水泥漿評價裝置

堵漏縫板實驗：選用3種不同長度(3 mm、6 mm、9 mm)的聚丙烯纖維對縫板進(jìn)行堵漏實驗，實驗結(jié)果如下：

圖2 聚丙烯纖維

對于1 mm的裂縫性漏失，原漿+0.8%3 mm纖維水泥漿可以成功封堵。

對于2 mm的裂縫性漏失，原漿+2.0%3 mm纖維可以成功封堵。

對于2 mm的裂縫性漏失堵漏，加量為2.0%6 mm纖維和1.5%9 mm纖維均不能成功封堵，這或許是由于纖維太長不利于在縫上面均勻而穩(wěn)定“搭接”的原因。

堵漏孔板實驗：選用3種不同長度(3 mm、6 mm、9 mm)的聚丙烯纖維對孔板進(jìn)行堵漏實驗，實驗結(jié)果如下：

對于1 mm的孔隙性漏失，原漿+0.3%3 mm纖維可以成功封堵。

對于2 mm的孔隙性漏失，從圖表中可以看出，隨著纖維長度的增加，其加量逐漸減小，室內(nèi)得出3種單一纖維長度的水泥漿配方如下：原漿+1%3 mm纖維，原漿+0.8%6 mm纖維，原漿+0.6%9 mm纖維可以成功封堵。

表1 聚丙烯纖維對縫板堵漏結(jié)果

表2 聚丙烯纖維對孔板堵漏結(jié)果

在加量為0.8%3 mm纖維水泥漿內(nèi)加入5%玻璃微珠，其堵漏效果明顯，這是由于纖維搭橋成功后，玻璃微珠和水泥顆?？梢猿涮钇溟g而更好地實現(xiàn)堵漏。

從聚丙烯纖維實驗結(jié)果看，針對山前區(qū)塊不同類型的漏層選取合適種類、大小的纖維能更有效地封堵漏失地層，從而提高固井質(zhì)量[9]。

2.2 中完井眼防漏固井工藝的優(yōu)化

中完井眼的準(zhǔn)備情況是固井防漏的前提，一個優(yōu)質(zhì)的井眼能大幅降低固井漏失風(fēng)險，主要從通井措施、地層承壓能力、泥漿性能3個方面對井眼進(jìn)行優(yōu)化[10]。

2.2.1 通井措施的優(yōu)化

對于中完前已經(jīng)漏失的井，應(yīng)進(jìn)行堵漏，確保井下正常后再進(jìn)行通井作業(yè)；通井鉆具組合建議第一次先采用原鉆具通井，降低剛度比，如果未發(fā)生漏失，再進(jìn)行雙扶或者三扶鉆具組合通井。對于以下情況的井段應(yīng)進(jìn)行重點擴劃眼：電測井徑小于鉆頭直徑井段、起下鉆遇卡、遇阻井段、全角變化率應(yīng)超過設(shè)計規(guī)定的井段，擴眼時應(yīng)注意劃眼時應(yīng)控制鉆具下放速度以免產(chǎn)生過大的激動壓力；通井到底后循環(huán)出井內(nèi)沉砂，降低井底憋壓的可能性，大排量清洗井眼不少于2周，徹底清除通井時刮削的假濾餅和井底巖屑。

2.2.2 提高地層承壓能力

在下套管、循環(huán)及注水泥期間將對地層產(chǎn)生激動壓力，為了防止過大的激動壓力造成井漏，需要模擬地層能承受固井施工中產(chǎn)生的最大壓力[11]。承壓能力值是防漏失設(shè)計的基礎(chǔ)，中完期間各階段的防漏措施都將基于地層實際承壓能力進(jìn)行計算。地層應(yīng)達(dá)到的承壓能力值為：p=替漿后管內(nèi)外靜液柱壓差+環(huán)空壓耗+懸掛器節(jié)流壓力(尾管)+安全附加值。

對于存在漏失風(fēng)險的井，必須滿足地層承壓實驗要求后才可進(jìn)行下套管作業(yè)。

2.2.3 中完泥漿性能的優(yōu)化

中完泥漿性能的優(yōu)化主要是對泥漿屈服值和塑性黏度兩個參數(shù)的優(yōu)化。泥漿要流動起來，必須要克服其本身帶有的屈服值，克服此值就需相應(yīng)的壓力，循環(huán)開泵、下鉆通井或下套管開始瞬間所產(chǎn)生的激動壓力，主要是泥漿屈服值引起的[12-13]。隨著泥漿屈服值的降低，開泵使泥漿流動產(chǎn)生的激動壓力也隨之降低，因此降低泥漿屈服值可以減小井漏風(fēng)險。

當(dāng)鉆井液密度低于1.30 g/cm3時，屈服值應(yīng)小于5 Pa；密度在1.30～1.80 g/cm3范圍內(nèi)時，屈服值應(yīng)小于8 Pa；密度高于1.80 g/cm3時，屈服值應(yīng)小于10 Pa。

當(dāng)通井下鉆速度一定時，泥漿的塑性黏度將影響激動壓力的大小[14]。

圖3 塑性黏度與激動壓力關(guān)系

通過研究發(fā)現(xiàn)，在上層套管內(nèi)，當(dāng)下鉆速度穩(wěn)定在0.5 m/s時，產(chǎn)生的激動壓力隨著泥漿塑性黏度的降低而降低，因此在通井前降低泥漿的塑性黏度可降低井漏風(fēng)險。鉆井液密度低于1.30 g/cm3時，塑性黏度在10～30 mPa·s之間；密度在1.30～1.80 g/cm3范圍內(nèi)時，塑性黏度應(yīng)在22～30 mPa·s之間；密度高于1.80 g/cm3時，塑性黏度應(yīng)在40～75 mPa·s之間[15-16]。

2.3 注替參數(shù)防漏失研究

注水泥注替參數(shù)是否合理直接關(guān)系到固井質(zhì)量的好壞。目前大部分井都要求大排量紊流頂替來提高頂替效率，但是對于易漏失井，排量越大環(huán)空摩阻越大，增加了漏失風(fēng)險[17]。

現(xiàn)場通過實驗?zāi)M研究不同排量下泥漿、隔離液、水泥漿進(jìn)入環(huán)空后的環(huán)空摩阻變化如下：

圖4 注替排量與環(huán)空摩阻關(guān)系

研究模擬發(fā)現(xiàn)，隔離液和水泥漿進(jìn)入環(huán)空后，在同樣的排量下，比隔離液未進(jìn)入環(huán)空前的環(huán)空摩阻增加，并且隨著排量的增加，環(huán)空摩阻相應(yīng)的增加，所以適當(dāng)降低環(huán)空摩阻可以減小漏失風(fēng)險[18]。

降低水泥漿進(jìn)入環(huán)空后的環(huán)空摩阻對于降低固井漏失風(fēng)險起著關(guān)鍵作用。本文對如何降低水泥漿進(jìn)入環(huán)空以后的摩阻進(jìn)行了實驗，通過對水泥漿性能的研究發(fā)現(xiàn)，減小水泥漿的流動指數(shù)和稠度系數(shù)可以有效降低環(huán)空摩阻，從而降低漏失風(fēng)險[19]。

3 結(jié)論與認(rèn)識

(1)纖維水泥漿體系可以有效解決山前區(qū)塊的防漏問題。針對山前區(qū)塊漏失的多樣性，對1 mm、2 mm裂縫性漏失分別加入0.8%3 mm、3%3 mm聚丙烯能達(dá)到良好堵漏效果；針對1 mm孔隙性漏失，也可加入0.3%3 mm聚丙烯纖維堵漏；而對于2 mm孔隙性漏失，選用3 mm、6 mm、9 mm聚丙烯纖維配合不同加量均能起到良好的封堵效果[20]。現(xiàn)場施工可根據(jù)實際漏失情況選取適合的纖維配比，從而降低漏失風(fēng)險，增加固井質(zhì)量。

(2)中完井眼的準(zhǔn)備情況是固井施工防漏的前提，建議下套管前進(jìn)行激動壓力的計算，控制合理的下放速度，要求井底激動壓力小于3 MPa；同時建議做地層承壓試驗，驗證地層承壓能力后再進(jìn)行下套管作業(yè)；充分調(diào)整泥漿性能，山前區(qū)塊密度大多在1.30～1.80 g/cm3范圍內(nèi)，通過實驗研究要求泥漿屈服值應(yīng)小于8 MPa，塑性黏度應(yīng)在22～30 mPa·s之間。

(3)通過對注替參數(shù)的研究得知，排量與環(huán)空摩阻成正比關(guān)系，即排量越大漏失風(fēng)險越高，在保證環(huán)空返速不小于1 m/s紊流固井的同時，盡可能控制施工排量，降低漏失風(fēng)險，對于高漏失風(fēng)險井可采取環(huán)空返速低于0.4 m/s的塞流固井工藝。