川西氣田二開長(zhǎng)裸眼固井質(zhì)量保障工藝

楊 潔，董 波，鄭 義，楊大春，嚴(yán)仕現(xiàn)，陳瑤棋

（1.中國(guó)石化西南石油工程有限公司鉆井一分公司，四川 新都 610500；2.中國(guó)石化西南油氣分公司彭州氣田

（海相）開發(fā)項(xiàng)目部，四川 彭州 611930；3.中國(guó)石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

川西氣田海相雷口坡組氣藏位于四川盆地川西坳陷龍門山構(gòu)造帶中段，PZ1井、YS1井等多口井獲得工業(yè)氣流，表明雷口坡組氣藏具有良好的勘探開發(fā)前景[1-3]。為進(jìn)一步增加優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇長(zhǎng)度、提高單井產(chǎn)量，降低鉆井成本，井身結(jié)構(gòu)由四開制優(yōu)化為三開制。優(yōu)化后的二開井眼尺寸為φ241.3 mm，裸眼段長(zhǎng)3 300～4 000 m，最大井斜角55°～65°；采用φ193.7 mm油層套管先懸掛后回接的方式固井。鉆井液為復(fù)合鹽強(qiáng)抑制聚磺防塌鉆井液體系，中完密度為2.00～2.15 g/cm3。二開井段自上而下鉆遇須家河組、小塘子組、馬鞍塘組地層，縱向上壓力體系復(fù)雜，須家河組二段低壓易漏，小塘子組存在高壓裂縫氣層，須家河組頁(yè)巖和煤層易垮塌[4]。

二開裸眼井段長(zhǎng)、井斜角大、溫差大、地質(zhì)條件復(fù)雜且易漏失、高壓氣層活躍等原因，二開固井施工面臨很大難度，難以保證二開井段長(zhǎng)效封固質(zhì)量，直接影響著氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)。為此，文中針對(duì)川西氣田二開固井存在的難點(diǎn)開展相關(guān)研究。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地層承壓能力低，固井易發(fā)生漏失

須二段發(fā)育大砂體，滲透性好，地層承壓能力較低，易漏失，小塘子組裂縫發(fā)育存在噴漏同層的風(fēng)險(xiǎn)。馬一段頁(yè)巖和灰?guī)r交界面易漏失，同時(shí)高啟泵壓力、環(huán)空憋堵、尾管懸掛器座封帶來(lái)的壓力激動(dòng)，增加了地層漏失發(fā)生的概率。PZ4-2D井固井時(shí)發(fā)生井漏，套管重疊段無(wú)水泥；PZ3-5D井下套管過(guò)程中發(fā)生井漏，套管到位后堵漏兩次失敗，降排量施工，水泥返高未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.2 氣層顯示活躍，防氣竄困難

須家河組、小塘子組氣層密集、分布廣，顯示活躍且能量大，特別是小塘子組發(fā)育高壓裂縫性氣層。二開固井封隔段長(zhǎng)（大于3 500 m），水泥漿柱長(zhǎng)，候凝時(shí)水泥漿“失重”嚴(yán)重，客觀上使得套管固井過(guò)程中極易發(fā)生氣竄而影響固井質(zhì)量[5]。

1.3 使用常規(guī)尾管懸掛器，無(wú)法消除環(huán)空憋堵風(fēng)險(xiǎn)

為防止提前座掛，使用常規(guī)尾管懸掛器，中途不能大排量循環(huán)。而在套管下入過(guò)程中，套管接箍及其附件不斷刮削井壁，使大量沉床巖屑進(jìn)入井筒，不斷被推擠進(jìn)入井底[6]。二開套管下入作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)（超過(guò)40 h），鉆井液長(zhǎng)時(shí)間靜止，鉆井液剪切力高。套管送放到位后循環(huán)，鉆井液攜砂上行，大量巖屑在全角變化率大、大小井眼交界、懸掛器與上層套管環(huán)空等窄間隙處聚積，易造成環(huán)空憋堵。PZ8-5D井套管到位循環(huán)中途環(huán)空堵塞，因泵壓高，施工排量受限僅12.7 L/s，環(huán)空速度0.51 m/s，遠(yuǎn)低于頂替要求，固井優(yōu)良率為2.50%。MJ112井懸掛器座掛后開泵環(huán)空憋堵，無(wú)法建立循環(huán)，固井施工中斷，通過(guò)“穿鞋”作業(yè)補(bǔ)救，水泥返高未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.4 鉆井液密度高且含油，影響頂替效率及膠結(jié)質(zhì)量

二開采用復(fù)合鹽強(qiáng)抑制聚磺防塌鉆井液體系，密度大（2.00～2.15 g/cm3），黏切高，水泥漿與鉆井液相容性差；且鉆井液含油4%，潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)困難。二開井段易漏失風(fēng)險(xiǎn)高，安全壓力窗口窄，二開井段長(zhǎng)，施工壓力高，制約了固井施工。以上因素對(duì)頂替效率、膠結(jié)質(zhì)量造成很多不利影響。

1.5 二開井底高溫且溫差大，水泥石頂部強(qiáng)度發(fā)展慢

二開井底溫度高（約為140 ℃），存在大溫差（上下溫差約為60 ℃），水泥漿在高溫條件下穩(wěn)定性差，漿體及稠化時(shí)間不易調(diào)節(jié)，大溫差固井水泥石頂部強(qiáng)度發(fā)展緩慢。

2 固井質(zhì)量保障工藝

2.1 下套管前井筒強(qiáng)化工藝

2.1.1 專項(xiàng)承壓擠堵

川西氣田二開地層承壓能力普遍偏低，如對(duì)地層進(jìn)行主動(dòng)擠堵，提高地層承壓能力，則可人為地增大固井安全壓力窗口，降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)水泥漿在失重情況下能壓穩(wěn)氣層的原則，確定水泥漿密度，計(jì)算水泥漿進(jìn)環(huán)空后作用于井底的最大壓力，進(jìn)而確定固井所需裸眼段地層承壓當(dāng)量密度。二開中完后，專項(xiàng)下入光鉆桿鉆具組合至小塘子組底部，注入堵漏漿（堵漏漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為8%～10%，粒徑小于1 mm的隨鉆堵漏劑、復(fù)合堵漏劑、超細(xì)配合），體積大于滿足封堵小塘子組裂縫氣層和須二組低壓層所需方量，替出堵漏漿至環(huán)空后，起鉆至堵漏漿頂面，關(guān)井憋壓11～13 MPa進(jìn)行擠堵。第一次讓8～12 m3堵漏漿進(jìn)入地層，自然降壓后多次補(bǔ)壓，直到穩(wěn)壓值滿足計(jì)算承壓當(dāng)量要求。承壓擠堵完成后下鉆到底，循環(huán)排堵漏漿，再次關(guān)井試擠檢驗(yàn)承壓效果。

2.1.2 有效通井

下套管前依次使用單、雙、三扶鉆具組合進(jìn)行通井，對(duì)存在嚴(yán)重狗腿和阻卡井段重復(fù)劃眼，破壞沉床巖屑；根據(jù)井況適當(dāng)增加鉆井液動(dòng)塑比，提高其攜砂能力，通井到底大排量循環(huán)21 d以上清除井筒內(nèi)巖屑[7]，確保井眼清潔，為套管的順利下入和固井施工創(chuàng)造良好的井眼條件。通井組合結(jié)構(gòu)為：?jiǎn)畏觯害?41.3 mm3A+φ177.8 mmDC×1根+φ238.0 mmSST+φ177.8 mmDC×1根+φ127.0 mmDP+φ139.7 mmDP；雙扶：φ241.3 mm3A+φ177.8 mmDC×1根+φ238.0 mmSST+φ177.8 mmDC×1根+φ236.0 mmSST+φ177.8 mmDC×1根+φ127.0 mmDP+φ139.7 mmDP；三扶：φ241.3 mm 3A+φ177.8 mmDC×1根+φ238.0 mmSST+φ177.8 mmDC×1根 +φ237.0 mmSST+φ177.8 mmDC×1根+φ236.0 mmSST+φ177.8 mmDC×1根+φ127.0 mmDP+φ139.7 mmDP。

2.2 管串結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 壓力平衡式尾管懸掛器

選用德州大陸架新研發(fā)的壓力平衡式尾管懸掛器，該懸掛器坐掛驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基于壓力平衡原理設(shè)計(jì)（圖1），采用雙向牽制型液缸。當(dāng)中途循環(huán)管內(nèi)產(chǎn)生高壓時(shí)，雙向液缸處的壓力P1和P2相等，且液缸作用面積相等，產(chǎn)生的液壓力F1和F2相互抵消。因此，無(wú)論管內(nèi)產(chǎn)生多大的壓力，坐掛驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都不會(huì)推動(dòng)卡瓦實(shí)現(xiàn)坐掛，徹底消除了循環(huán)憋堵或異常高壓導(dǎo)致卡瓦提前動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證了中途循環(huán)的泵壓和排量不受工具性能的限制[8]。套管下入過(guò)程中，在遇阻井段或復(fù)雜井段開泵，采用大排量循環(huán)，將井筒內(nèi)殘余和刮削出的巖屑、泥皮分批清除，避免了直接開泵造成大量巖屑急劇聚集而帶來(lái)環(huán)空憋堵的風(fēng)險(xiǎn)。此外，為保障環(huán)空的過(guò)流面積，通過(guò)優(yōu)化該類型懸掛器設(shè)計(jì)參數(shù)，減小本體外徑和縮短本體和膠筒長(zhǎng)度，增大了懸掛器和上層套管之間的環(huán)空間隙，從源頭上降低了環(huán)空憋堵的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 常規(guī)液壓式尾管懸掛器與壓力平衡式尾管懸掛器

2.2.2 整體式扶正器

套管居中度不僅影響頂替效率，還會(huì)影響套管的順利下入。二開管串設(shè)計(jì)選用整體式彈性扶正器（圖2），采用整體成型工藝，無(wú)任何機(jī)械連接或焊接點(diǎn)，提高了扶正器的可靠性。采用高強(qiáng)度合金鋼材料及特定的熱處理工藝，既提高了扶正器的復(fù)位力，又可保證其韌性達(dá)到要求[8]。井斜角0～30°井段1只/3根套管，大于30°井段1只/2根套管，保證了居中度大于80%。

圖2 整體式彈性扶正器結(jié)構(gòu)示意

2.3 低啟泵防漏工藝

川西氣田二開下套管作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，鉆井液長(zhǎng)時(shí)間靜止，套管到位后直接開泵啟泵壓力高，高泵壓作用在裸眼井段易引發(fā)井漏。為消除高泵壓的不利影響，在套管下完接懸掛器前，先循環(huán)鉆井液一周，降低上部環(huán)空鉆井液靜切力；同時(shí)在套管內(nèi)替入低黏切鉆井液，有利于套管到位后的順利頂通。套管送放到位后，先用1～2 L/s小排量頂通循環(huán)，同時(shí)觀察泵壓變化情況，控制泵壓不超過(guò)7 MPa；如泵壓穩(wěn)定，則按每10 min提高1～2 L/s的速度上提排量，直至上提至正常施工排量。

2.4 優(yōu)化固井液設(shè)計(jì)

2.4.1 優(yōu)化水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)

二開固井封固段長(zhǎng)，防竄壓力大，受鉆井液影響和施工排量受限頂替效率低，合理選用固井液漿柱結(jié)構(gòu)非常重要。在漿體設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮前置液對(duì)環(huán)空鉆井液的驅(qū)替效果，還要考慮鉆井液含油可能對(duì)膠面膠結(jié)帶來(lái)的影響；對(duì)水泥漿則要考慮其穩(wěn)定性和防氣竄能力，避免大溫差的影響[9]。經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索，二開固井采用“先導(dǎo)漿+前置液（驅(qū)油型隔離液+沖洗型隔離液）+三凝水泥漿體系”的漿柱結(jié)構(gòu)，取得了很好的效果。

2.4.2 優(yōu)化前置液設(shè)計(jì)

考慮到鉆井液性能對(duì)固井的影響，在固井前注入30 m3以上的常溫先導(dǎo)漿，與井漿密度一致，加入1%～2%除油劑。選擇“加重驅(qū)油型隔離液+加重沖洗型隔離液”前置液體系，保證沖刷時(shí)間不低于10 min，可有效隔離鉆井液與水泥漿，提高水泥漿的頂替效率，沖洗套管表面，改善界面膠結(jié)質(zhì)量[10]。此外，特別設(shè)計(jì)壓塞液和保護(hù)液，防止膠塞下行過(guò)程中水泥漿與鉆井液直接接觸以及起鉆時(shí)水泥漿與鉆井液接。

隔離液配方：水＋加重劑＋0.53%抑泡劑＋0.92%懸浮劑＋1.71%緩凝劑。隔離液與先導(dǎo)漿和水泥領(lǐng)漿的相容性實(shí)驗(yàn)見表1。隔離液升溫至120 ℃，升壓至115 MPa時(shí)測(cè)稠化時(shí)間，從表1可以看出，隔離液與先導(dǎo)漿和水泥領(lǐng)漿的相容性良好。

表1 隔離液相容性實(shí)驗(yàn)

2.4.3 優(yōu)選三凝大溫差防竄水泥漿體系

二開井段氣層活躍，封固段長(zhǎng)，上、下溫差大，為利用稠化時(shí)間差異來(lái)封固好氣層，優(yōu)選并形成了三凝大溫差防氣竄水泥漿體系。領(lǐng)漿采用密度2.10～2.15 g/cm3的加重防氣竄水泥漿，封固上部微含氣層或尾管重疊段；中漿采用加砂加重防氣竄水泥漿、密度根據(jù)壓穩(wěn)設(shè)計(jì)；尾漿采用密度1.90 g/cm3的加砂膠乳防氣竄水泥漿，封固須二段以下氣層。

室內(nèi)優(yōu)化出耐溫130～140 ℃（靜止溫度）三凝大溫差防竄水泥漿體系，常規(guī)性能見表2。選用抗高溫降失水劑，水泥漿體系失水控制能力強(qiáng)，循環(huán)溫度120 ℃條件下API失水小于50 mL。在用于封固主力氣層的尾漿中加入膠乳水泥外加劑，有效降低水泥漿的濾失量和滲透率，減少水泥石的收縮，提高水泥石的彈性，使水泥漿具有很強(qiáng)的阻力來(lái)阻止氣體進(jìn)入水泥環(huán)，尾漿SPN小于0.5，防竄能力強(qiáng)?？紤]井底溫度高且上下溫差大，選用適用于高溫溫差80 ℃以上大溫差緩凝劑，水泥漿體系稠化時(shí)間與溫度、緩凝劑加量呈良好的線性關(guān)系，水泥漿呈直角稠化，過(guò)渡時(shí)間短（圖3）。解決了高溫大溫差條件下領(lǐng)漿超緩凝難題，保證頂部強(qiáng)度48 h可達(dá)14 MPa以上[9]。水泥漿沉降穩(wěn)定性≤不大于0.01 g/cm3，析水0，綜合性能良好，可滿足深井高溫固井的要求。

表2 水泥漿基本性能

圖3 120 ℃條件下水泥領(lǐng)漿稠化曲線

領(lǐng)漿配方：G級(jí)水泥＋35%加重劑＋30.00%高溫穩(wěn)定劑＋5.00%超細(xì)顆粒＋3.00%穩(wěn)定劑＋2.00%膨脹劑＋0.25%增韌劑＋1.00%分散劑＋1.30%降失水劑＋5.00%防氣竄劑＋1.00%早強(qiáng)劑＋5.30%緩凝劑。

中漿配方：G級(jí)水泥＋35%加重劑＋30.00%高溫穩(wěn)定劑＋5.00%超細(xì)顆粒＋3.00%穩(wěn)定劑＋2.00%膨脹劑＋0.25%增韌劑＋1.00%分散劑＋1.30%降失水劑＋5.00%防氣竄劑＋1.00%早強(qiáng)劑＋3.27%緩凝劑。

尾槳配方：G級(jí)水泥＋30.00%高溫穩(wěn)定劑＋10.00%超細(xì)顆粒＋3.00%穩(wěn)定劑＋0.25%增韌劑＋1.20%降失水劑＋5.00%防氣竄劑＋2.10%膨脹劑＋1.00%分散劑+1.00%早強(qiáng)劑＋19.02%膠乳防氣竄劑＋2.04%緩凝劑。

2.5 注水泥頂替效率技術(shù)

高密度水泥漿流變性差，壓力安全窗口窄，易漏失，環(huán)空間隙小，施工泵壓高，難以實(shí)現(xiàn)紊流頂替。為此，在固井前充分循環(huán)鉆井液，降低鉆井液屈服值，進(jìn)一步優(yōu)化鉆井液性能。優(yōu)化先導(dǎo)漿和前置液性能，控制先導(dǎo)漿黏度小于50 s、動(dòng)切力小于8 Pa，保證在低排量下易達(dá)到紊流。為保證界面沖刷效果，先導(dǎo)漿有效入井量大于40 m3，前置液用量大于30 m3，保證沖刷時(shí)間大于10 min[10]。綜合考慮提高頂替效率和憋堵、井漏風(fēng)險(xiǎn)，注替水泥漿排量按理論環(huán)空返速0.8～1.0 m/s設(shè)計(jì)，注漿排量1.0～1.2 m3/min，替漿排量1.1～1.3 m3/min（若遇固井過(guò)程中發(fā)生憋堵或井漏，再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整），實(shí)際施工能滿足紊流-有效層流頂替要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)一系列針對(duì)性措施的實(shí)施，大大提高了固井質(zhì)量。2019—2020年4月，在川西氣田實(shí)施后的6口井（表3），與保障工藝實(shí)施前的二開固井質(zhì)量（表4）對(duì)比。從表中可以看出，上述保障工藝不但避免了固井時(shí)環(huán)空憋堵和井漏的發(fā)生，同時(shí)還大幅度提高了二開固井質(zhì)量的優(yōu)良率，保證了固井施工正常。

表3 川西氣田二開油層套管保障工藝實(shí)施前固井質(zhì)量

表4 川西氣田二開油層套管保障工藝實(shí)施后固井質(zhì)量

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）對(duì)川西氣田二開地層主動(dòng)擠堵，提高地層承壓能力，采用低啟泵壓力，形成一套川西氣田固井防漏工藝，能顯著降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)。

（2）推廣應(yīng)用壓力平衡式尾管懸掛器，采用下尾管中途大排量循環(huán)解堵關(guān)鍵技術(shù)，能有效地避免固井過(guò)程中出現(xiàn)環(huán)空憋堵。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，選用壓力式平衡液缸懸掛器等固井工具，應(yīng)用專項(xiàng)承壓擠堵和低啟泵固井防漏工藝，使用合理的漿柱體系等一系列技術(shù)措施，能有效提升固井質(zhì)量。