大慶地區(qū)多壓力層系長(zhǎng)封井固井配套技術(shù)研究

曲國(guó)富

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司鉆井項(xiàng)目部，黑龍江大慶163412）

1 多壓力層系分布對(duì)長(zhǎng)封井固井質(zhì)量的影響分析

松遼盆地由淺至深包括四套含油氣組合，多套油氣產(chǎn)層。上部油氣組合為黑帝廟油層；中部含油氣組合為薩爾圖、葡萄花、高臺(tái)子油層；下部含油氣組合為扶余、楊大城子油層；深部含油氣組合為登婁庫(kù)組和侏羅系地層。油氣層埋深200～4200m，地溫為20℃～160℃，由于較強(qiáng)的成巖作用，儲(chǔ)層厚生孔隙由上部的大于25%，減少到深層的5%左右，正是由于孔隙的從上到下的變化使儲(chǔ)層的壓力分布發(fā)生變化，形成高壓層和低壓層；并且由于成巖作用和基巖的差異，使低壓層和高壓層交互存在，形成多壓力層系。壓力層系的分布直接影響到固井質(zhì)量保證措施的實(shí)施，以下針對(duì)多壓力層系分布的特點(diǎn)，分析其對(duì)固井質(zhì)量的影響。

1.1 低破裂壓力地層對(duì)長(zhǎng)封井固井質(zhì)量的影響

低破裂壓力地層一般破裂壓力系數(shù)在1.40～1.60之間，在鉆井過程中一般不會(huì)發(fā)生漏失，對(duì)鉆井影響不大；固井時(shí)水泥漿平均密度為1.90g/cm3，且封固段長(zhǎng)，環(huán)空液柱壓力增加，施工壓力大于地層破裂壓力，就會(huì)壓漏地層，對(duì)固井造成危害：

（1）水泥漿進(jìn)入地層，污染油氣層，同時(shí)使上部地層漏封，導(dǎo)致一次固井作業(yè)失??；

（2）由于地層發(fā)生漏失，致使環(huán)空返速降低，影響頂替效率，環(huán)空中泥漿頂替不干凈，水泥環(huán)與地層的膠結(jié)質(zhì)量差，甚至造成混漿段，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。

1.2 裂縫性地層對(duì)長(zhǎng)封井固井質(zhì)量的影響

大慶地區(qū)深層的登婁庫(kù)和侏羅系，主要巖性為砂礫巖或火山巖，地層破裂壓力系數(shù)雖高，但不同程度存在著裂縫，鉆進(jìn)過程中就有一定量的漏失，如肇深6井，井深4117m，泥漿密度1.18g/cm3，鉆進(jìn)過程中在2743.5～4117m井段共漏失鉆井液約 400m3，在3691.1m時(shí)漏失嚴(yán)重約25m3，已無(wú)法進(jìn)行正常固井施工，給固井帶來(lái)了困難。

1.3 高壓層對(duì)長(zhǎng)封井固井質(zhì)量的影響

高壓層固井時(shí)，雖然地層壓力較高，但地層壓力基本保持不變的，候凝時(shí)環(huán)空靜液壓力包括兩部分，一部分泥漿、隔離液和沖洗液液柱壓力，由于這些液體中所含的材料為非膠凝材料，所以這部分壓力也是不變的，另一部分為水泥漿柱的靜液壓力，由于水泥漿內(nèi)含有水硬性硅酸鹽膠凝材料，隨著水泥礦物水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥漿膠凝強(qiáng)度在不斷增加，水泥漿中水的存在形式也在不斷變化，水和水泥礦化物水化，固相量不斷增加，使水泥漿由液態(tài)向固態(tài)過渡，表現(xiàn)為水泥漿柱的失重，使得上部向底部傳遞的液柱壓力降低，壓穩(wěn)程度減弱，當(dāng)?shù)貙訅毫1大于環(huán)空液柱壓力P2和環(huán)空內(nèi)抵抗地層流體侵入的阻力P3之和時(shí)，即P1＞P2+P3環(huán)空竄流就可能發(fā)生，影響高固井質(zhì)量。研究表明封固段越長(zhǎng)，水泥漿失重越厲害，環(huán)空壓差ΔP越小。針對(duì)水泥膠結(jié)造成壓力損失情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

表1 不同封固高度的水泥漿失重?cái)?shù)據(jù)

由表1中數(shù)據(jù)可見，在相同的候凝時(shí)間，封固段越長(zhǎng)，水泥漿柱的壓力損失越大，因此說長(zhǎng)封井固井時(shí)，環(huán)空水泥漿柱的失重嚴(yán)重，尤其是封固段下部有高壓層存在，很難實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)地層的目的。

1.4 高壓層與低壓層共存對(duì)長(zhǎng)封井固井質(zhì)量的影響

高低壓并存是多壓力層系的特點(diǎn)，同時(shí)要固好高壓層、低壓層，很難解決高壓層和低壓層差異的矛盾，尤其是高壓層下部存在低壓層的情況。為滿足高壓層固井條件，就要提高液柱壓力，增加環(huán)空壓差，在水泥漿凝結(jié)過程中保持正壓差，防止地層流體侵入水泥環(huán)；而由于低壓層的存在，環(huán)空液柱壓力高時(shí)就會(huì)壓漏低壓層，隨著水泥漿進(jìn)入地層，環(huán)空液面降低，致使上部目的層漏封，造成一次固井失敗，影響固井質(zhì)量。反之，若滿足低壓層固井條件就要降低環(huán)空液柱壓力，高壓層不穩(wěn)，地層流體侵入水泥環(huán)，形成水氣竄通道，造成固井失敗。

2 多壓力層系長(zhǎng)封井固井配套技術(shù)研究

2.1 提高低破裂壓力地層固井質(zhì)量配套技術(shù)

2.1.1 配套技術(shù)選擇

長(zhǎng)封井固井時(shí)，由于低壓層的存在，使用正常密度水泥漿固井施工，環(huán)空壓力高于低壓層破裂壓力時(shí)，低壓層發(fā)生漏失，導(dǎo)致上部目的層漏封，同時(shí)，由于井漏環(huán)空返速降低，直接影響頂替效率，固井質(zhì)量差。為防止井漏的發(fā)生，必須保證固井施工壓力小于地層破裂壓力Pb，固井施工壓力包括環(huán)空靜液柱壓力Pc和環(huán)空循環(huán)壓力Ps，因此，防止井漏的條件為：Pb＞Pc+Ps。

控制施工壓力低于地層破裂壓力就要降低環(huán)空靜液柱壓力和減小循環(huán)壓力，減小循環(huán)壓力手段是：①降低注替排量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)紊流頂替，固井中不采用這種方法；②改善水泥漿的流動(dòng)性，應(yīng)用低摩阻水泥漿，其壓力降低有限。因此，防漏技術(shù)主要是采用控制環(huán)空靜液柱壓力的方法。

2.1.2 微珠低密度水泥漿體系

環(huán)空液柱壓力在H處產(chǎn)生的壓力Pc=ρ·g·H，其中ρ為水泥漿的密度，應(yīng)用低密度水泥漿代替正常密度水泥漿固井，能有效降低水泥漿柱的壓力，目前大慶常采用的低密度水泥漿密度為1.60g/cm3，根據(jù)低密度水泥漿封固井段的長(zhǎng)短，計(jì)算環(huán)空壓力降低的效果，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 低密度與常密度水泥漿柱壓力數(shù)據(jù)

從表2的數(shù)據(jù)可見，在長(zhǎng)封井固井時(shí)，應(yīng)用低密度水泥漿的井段越長(zhǎng)，環(huán)空壓力降低的越大，更有利于防止低壓層的漏失。

目前，微珠低密度水泥漿穩(wěn)定性能較差，在水泥漿候凝過程中，微珠上浮使水泥石強(qiáng)度降低，水泥環(huán)與套管、地層膠結(jié)質(zhì)量變差，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。為了提高微珠低密度水泥漿的穩(wěn)定性和控制低密度水泥漿的失水量，采取微珠低密度水泥漿與DSHJ降失水劑配套使用，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得較好的效果，這是因?yàn)镈SHJ降失水劑是高分子化合物，增加了水溶性的粘度，使微珠逸出的阻力增大；另外，化合物分子吸附在水泥顆粒和微珠上，化合物分子之間的作用力，束縛微珠在水泥漿體內(nèi)的運(yùn)移，從而提高了微珠低密度水泥漿體系的穩(wěn)定性，室內(nèi)試驗(yàn)情況見表3。

在大慶西部探區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了5口井，上部采用1.60g/cm3微珠低密度水泥漿，下部應(yīng)用1.90g/cm3正常密度水泥漿，從應(yīng)用情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)施工沒有發(fā)生漏失，固井質(zhì)量得到顯著提高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見表4。

表3 水泥漿穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 低密度防漏應(yīng)用情況

2.1.3 雙級(jí)注技術(shù)

對(duì)于封固段太長(zhǎng)或低壓層的破裂壓力太低井，采用低密度水泥漿體系也無(wú)法滿足防漏的要求，就要考慮應(yīng)用雙級(jí)注技術(shù)。雙級(jí)注技術(shù)是利用雙級(jí)箍，將長(zhǎng)封固段分解成兩個(gè)短封固段，雙級(jí)箍可以自封，起到水泥傘的作用，避免二級(jí)水泥漿柱的壓力向下傳遞，同時(shí)，一級(jí)注水泥與二級(jí)注水泥之間有一定的時(shí)間間隔，大約為3h左右，在二級(jí)注水泥作業(yè)時(shí)，一級(jí)的水泥漿因水化作用形成一定的膠凝強(qiáng)度，傳壓性降低。由于上述的兩個(gè)原因，應(yīng)用雙級(jí)注技術(shù)能有效地解決低壓層的漏失。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，DSHJ降失水劑水泥漿體系、微珠低密度水泥漿體系與雙級(jí)注配套使用，有效地解決了低破裂壓力地層的防漏問題，提高了低破裂壓力地層的固井質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見表5。

表5 雙級(jí)注固井應(yīng)用情況

2.2 提高裂縫性地層固井質(zhì)量配套技術(shù)

大慶地區(qū)深井目的層為登婁庫(kù)、侏羅系，主要巖性為砂礫巖或火山巖，地層破裂壓力系數(shù)雖高，但不同程度存在著裂縫，鉆進(jìn)過程就有一定量的漏失，給固井帶來(lái)了困難，無(wú)法進(jìn)行正常固井施工，因此，采用裸眼水泥橋塞堵漏，建立固井條件。

以肇深x井為例，井深4117m，封固井段2350～3705m，泥漿密度1.18g/cm3，鉆進(jìn)過程中在2743.5～4117m井段共漏失鉆井液約400m3，在3691.1m時(shí)漏失嚴(yán)重約25m3，即使采用低密度（1.60g/cm3）水泥漿固井，也會(huì)壓漏地層，因此已不具備注水泥條件，經(jīng)研究，采用先在3705～3753m打水泥塞，建立人工井底，后在3540～3570m打第二段水泥塞封隔漏層，保證注水泥時(shí)不發(fā)生漏失，最后下?178mm套管至3542m進(jìn)行固井施工，一次成功，后采用?152.4mm鉆頭鉆穿?178mm套管下部水泥塞至3705m，完成了此井的固井施工。即采用上部大尺寸套管完井，下部裸眼完井的“一井兩法”，解決了深層漏失的固井問題，見圖1。

圖1 肇深x井完井示意圖

2.3 提高高壓層固井質(zhì)量配套技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用DSHJ濕混降失水劑，控制水泥漿的失水，避免發(fā)生橋堵失重，使上部液柱壓力無(wú)法向下傳遞，降低對(duì)高壓層的壓穩(wěn)程度。前導(dǎo)漿使用超緩凝水泥漿，中部使用正常水泥漿，下部應(yīng)用速凝水泥漿，即在固井時(shí)采用三凝水泥漿技術(shù)，當(dāng)高壓層上部水泥漿因失重產(chǎn)生壓力損失，使得環(huán)空液柱壓力等于高壓層孔隙壓時(shí)，下部水泥漿已終凝，產(chǎn)生足夠抵抗地層流體侵入的強(qiáng)度，防止水氣竄的發(fā)生。

2.4 提高高壓層與低壓層共存固井質(zhì)量配套技術(shù)

高低壓層系并存是長(zhǎng)封固多壓力層系井的特點(diǎn)，固井時(shí)首先要防漏，而防漏技術(shù)的應(yīng)用必然降低環(huán)空對(duì)高壓層的壓差，不利于壓穩(wěn)高壓層。因此，在多壓力層系長(zhǎng)封井固井選用配套技術(shù)的原則：根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)，確定低壓層和高壓層的位置，計(jì)算防止低壓層漏失的當(dāng)量水泥漿密度和壓穩(wěn)高壓層的水泥漿密度；通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，在保證施工壓力小于低壓層的破裂壓力的前提下，盡可能提高環(huán)空液柱壓差，壓穩(wěn)高壓層；如果需選用雙級(jí)注技術(shù)，根據(jù)油層分布情況，確定雙級(jí)箍的最佳下深。

（1）低摩阻常密度水泥漿；

（2）上部應(yīng)用低密度水泥漿，下部用常密度水泥漿；

（3）全井用低密度水泥漿；

（4）應(yīng)用雙級(jí)注技術(shù)，分解封固段；

（5）根據(jù)地質(zhì)情況，在應(yīng)用雙級(jí)注固井工藝時(shí)，選擇低密度水泥漿。

按上述順序選擇固井方案，以確保較高的環(huán)空壓差，同時(shí)設(shè)計(jì)好水泥漿性能，使其在有限的環(huán)空壓差下，防止水氣竄的發(fā)生。

多壓力層系長(zhǎng)封井固井設(shè)計(jì)時(shí)，要同時(shí)兼顧低壓層的防漏和高壓層的壓穩(wěn)，因此，合理選用配套技術(shù)，在防漏的同時(shí)壓穩(wěn)高壓層，保證固井質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）采用加入添加劑的低密度水泥漿體系和雙級(jí)注配套技術(shù)能夠防止低壓層漏失，提高低破裂壓力地層的固井質(zhì)量；

（2）利用人工井底封隔裂縫性地層技術(shù)可以解決深層漏失問題；

（3）采用三凝水泥漿技術(shù)可以有效壓穩(wěn)長(zhǎng)封井中高壓層，提高高壓層固井質(zhì)量；

（4）微珠低密度水泥漿體系、雙級(jí)注、三凝水泥漿等技術(shù)的配套應(yīng)用可以解決高、低壓層并存的問題，提高高低壓并存長(zhǎng)封井的固井質(zhì)量。