低成本超低密度水泥漿體系研究與應(yīng)用

畢明清，何斌斌，韓 婧，謝海濤，劉 福，鄭文武

(1.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 450024；2.中石化華北石油工程有限公司 技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450000)

低漏失壓力井在我國大牛地、長慶、延長等油氣田廣泛分布，各油氣田基于油氣井壽命和環(huán)保的考慮，均嚴(yán)格要求固井水泥返至地面，無疑大幅增加低密度水泥漿用量和固井成本[1]。但是在當(dāng)下“低油價”的運(yùn)行狀態(tài)下，國內(nèi)油氣田開發(fā)成本大幅縮減，固井成本壓減明顯。受“低油價”的影響，固井“低成本”運(yùn)行和固井質(zhì)量 “高標(biāo)準(zhǔn)”之間的矛盾日益突出，有必要開發(fā)低成本水泥漿體系。為實(shí)現(xiàn)油氣井全井段封固，部分低漏失壓力井固井要求水泥漿密度低至1.15 g/cm3，常規(guī)低密度水泥漿無法滿足現(xiàn)場需求。但國內(nèi)外應(yīng)用的超低密度水泥漿，以空心玻璃微珠為減輕劑，漿體成本高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用，開發(fā)低成本超低密度水泥漿體系，對專業(yè)固井公司應(yīng)對“低油價”的挑戰(zhàn)和低成本運(yùn)行意義重大。綜上，針對鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)低漏失壓力井，以G級水泥和復(fù)合減輕劑HBJQ-1為主料，輔以油井水泥外加劑[2]，開發(fā)了性能優(yōu)良的1.15 g/cm3低成本超低密度水泥漿,在杭錦旗地區(qū)JG2PA9H井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了一次上返全井封固固井，固井質(zhì)量良好，提高了該區(qū)域固井質(zhì)量和延長了氣井壽命。

1 施工井概況及固井難點(diǎn)

1.1 施工井概況

JG2PA9H井是部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部的一口氣藏評價井，完鉆井深3 535 m，井身結(jié)構(gòu)為Ф311 mm鉆頭×404.00 m+Ф244.5 mm表層套管×403.31 m+Ф222.3 mm鉆頭×3 535.00 m+Ф139.7 mm生產(chǎn)套管×3 535.00 m。最大井斜75.56°，對應(yīng)井深3 014.00 m；完鉆鉆井液密度1.20 g/cm3，固井前鉆井液密度1.14 g/cm3。

1.2 施工井固井施工難點(diǎn)

1)漏失層位多，漏失頻次多。鉆井過程中先后發(fā)生漏失7次，通井、電測期間發(fā)生漏失3次，經(jīng)KPD堵漏、靜止堵漏后恢復(fù)正常。漏失層位自上而下分別為劉家溝組、馬家溝組、元古界，漏層垂向上分布，地層承壓能力低，一次上返全井封固難度大。漏失情況如表1所示。

表1 JG2PA9H井漏失情況一覽表

2)該區(qū)域地層壓力安全窗口窄。延長組、劉家溝組、馬家溝組為易漏失層，而石千峰組、石盒子組的硬脆性地層，黏土礦物含量高，泥頁巖微裂縫發(fā)育，外力作用下易出現(xiàn)泥頁巖剝離，易井壁失穩(wěn)[3]。坍塌壓力和漏失壓力差值小，固井期間防塌防漏要求高。

3)受井漏、井壁穩(wěn)定的影響，巖屑難以完全清除，影響頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量。受地層承壓能力的制約，固井施工排量受限，單純從施工排量上難以實(shí)現(xiàn)頂替效率提高。

4)該井鉆遇良好的油氣顯示，發(fā)現(xiàn)氣層、含氣層共計15層，其中馬家溝組地層全烴值最高達(dá)到84.156%。

5)井眼不規(guī)則。井徑擴(kuò)大率大，呈“糖葫蘆”井眼，特別是石千峰組、石盒子組等硬脆性地層井段，井徑最大值299.34 mm，井徑擴(kuò)大率達(dá)到34.66%，井徑曲線如圖1所示。

2 超低密度水泥漿體系開發(fā)

2.1 固井水泥漿密度的確定

固井水泥漿密度是平衡壓力固井技術(shù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一，水泥漿密度設(shè)置的合理與否關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)一次上返全井封固，也是壓穩(wěn)防漏和保障固井質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。杭錦旗地區(qū)地層壓力安全窗口窄，固井水泥漿密度確定是固井設(shè)計的關(guān)鍵因素?？紤]施工安全的需要，固井水泥漿密度原則上應(yīng)同時滿足式(1)和(2)

ρ坍塌<ρ水泥漿<ρ漏失

(1)

ρ水泥漿>ρ地層壓力+κ

(2)

式中，ρ坍塌為坍塌壓力的最小值，g/cm3；ρ水泥漿為水泥漿密度值，g/cm3；ρ漏失為易漏失地層的漏失壓力系數(shù)最小值，g/cm3；ρ地層壓力為地層壓力系數(shù)的最大值，g/cm3；κ為安全系數(shù)，取(0.07～0.15) g/cm3。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：杭錦旗地區(qū)地層壓力系數(shù)1.05 g/cm3，劉家溝組地層漏失壓力系數(shù)介于1.06～1.28 g/cm3之間，其中錦72井區(qū)的承壓能力最高，漏失壓力系數(shù)介于1.20～1.28 g/cm3之間。易坍塌的石千峰組、石盒子組地層坍塌壓力介于1.08～1.18 g/cm3之間，考慮井斜角影響，取1.15 g/cm3。本井完井通井、電測期間鉆井液密度1.20 g/cm3，發(fā)生了不同程度的漏失。綜合漏失情況、坍塌壓力和地層壓力，本井非目的層井段的水泥漿密度確定為1.15 g/cm3。

2.2 超低密度水泥漿體系開發(fā)

超低密度水泥漿體系開發(fā)難點(diǎn)在于沉降穩(wěn)定性和水泥石強(qiáng)度發(fā)展[4]。優(yōu)選合適的超低密度水泥漿體系，水泥漿綜合性能不僅能滿足現(xiàn)場需求，更利于降低作業(yè)成本。基于此，選擇以顆粒級配技術(shù)為基礎(chǔ)的低密度復(fù)合減輕劑HBJQ-1，制備1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系，水泥漿綜合性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，該1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系具有成本較低、漿體穩(wěn)定性好、流變性能良好、稠化時間可控、早期強(qiáng)度升高快等特點(diǎn)。

表2 1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系綜合性能參數(shù)

2.3 綜合成本評價

杭錦旗地區(qū)推行低成本運(yùn)行戰(zhàn)略，故而超低密度水泥漿成本高低成為決定水泥漿體系能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。以1.15 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系為參考，成本對比如表3。從表3可以看出，HBJQ-1超低密度水泥漿體系成本相比玻璃微珠體系成本降低37.3%。降本效果明顯，具有推廣應(yīng)用價值。

表3 超低密度水泥漿體系成本評價

3 工藝技術(shù)措施

3.1 套管安全下放技術(shù)措施

套管安全下放到位是保障固井質(zhì)量的先決條件[5]。杭錦旗地區(qū)地層漏失壓力低，下套管過程的激動壓力、套管下放到位后頂通循環(huán)均可能造成井漏。下套管過程嚴(yán)格控制下放速度，減小激動壓力；套管下放過程中分段循環(huán)，充分破壞鉆井液結(jié)構(gòu)力，避免套管下放到位開泵憋漏地層。下套下放至易漏失地層井段，套管下放速度不小于100 s/根，直至套管下放至設(shè)計位置。

套管下放過程中，分井段循環(huán)頂通，置換井內(nèi)鉆井液，破壞鉆井液結(jié)構(gòu)力，降低循環(huán)摩阻。具體做法是：套管下放至井深1 000、1 500、2 100、2 700、3 300 m時開泵循環(huán)，循環(huán)時間不少于1個遲到時間。套管下放到位后，以不高于10 L/s的排量循環(huán)1個遲到時間后，逐步提高循環(huán)排量至固井要求排量。

3.2 漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

合理的漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計是壓穩(wěn)防漏的關(guān)鍵[6]。JG2PA9H井漏失壓力低、坍塌壓力低，漿柱結(jié)構(gòu)既要滿足壓穩(wěn)防漏需求，更要預(yù)防固井施工的井壁失穩(wěn)。參考本井漏失壓力、坍塌壓力和地層壓力，本井水泥漿采用三凝水泥漿體系，具體設(shè)計如下：1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系封固井口至劉家溝組底部；過渡漿封固劉家溝組底部至井壁易失穩(wěn)的石千峰組地層，常規(guī)密度水泥漿封固下部目的層井段，漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

3.3 低紊流排量的前置液設(shè)計

考慮本井實(shí)際情況，防漏是重中之重，而固井過程防漏的主要手段之一是降低施工排量。降低施工排量必然影響頂替效率的提高，故而設(shè)計低紊流排量的前置液體系對于提高固井質(zhì)量意義很大。前置液的紊流沖刷，取臨界雷諾數(shù)ReC=3 470-1 370n[7]，得

(3)

式中，De為套管外徑，mm；Dw為井眼平均井徑，mm；Qw為沖洗液紊流臨界排量，L/s；ρ為漿體密度，g/cm3；n為流性指數(shù)；K為稠度系數(shù)，Pa·sn。

以六速黏度儀測定沖洗液的流變參數(shù)計算臨界排量，數(shù)據(jù)如表4所示。計算數(shù)據(jù)可以看出，該井選用的前置液體系可以在16.5 L/s的排量下實(shí)現(xiàn)紊流頂替，為提高頂替效率創(chuàng)造良好條件，前置液注入量以紊流接觸時間不少于7 min計算，實(shí)現(xiàn)對井壁充分沖洗，清潔井眼，提高頂替效率。

表4 JG2PA9H井前置液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 提高頂替效率的注替漿技術(shù)

該井水泥漿量遠(yuǎn)大于頂替量，注漿結(jié)束后，水泥漿已上返至2 300 m左右，此時考慮紊流頂替對于提高固井質(zhì)量意義不大[8]。故注漿至前置液準(zhǔn)備出套管時，提高注漿排量至1.5 m3/min，實(shí)現(xiàn)前置液紊流上返，實(shí)現(xiàn)對下部井段井壁的高效沖刷，沖洗時間不少于7 min。當(dāng)前置液上返至劉家溝組易漏失地層時，通過降低注漿排量的方式，降低環(huán)空流動摩阻，減小作用在劉家溝組易漏失地層的當(dāng)量密度，實(shí)現(xiàn)防漏作用。當(dāng)井口壓力增加至固井前循環(huán)壓力時，降低施工排量，低密度水泥漿塞流頂替。下部目的層井段采用前置液紊流頂替，上部非目的層井段采用低密度水泥漿塞流頂替，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全井段頂替效率提高。對整個注、替漿過程利用固井軟件模擬壓力、當(dāng)量密度的動態(tài)變化，為固井防漏提供理論指導(dǎo)，模擬情況如圖3、圖4所示。

4 應(yīng)用效果評價

JG2PA9H井固井注入前置液10.0 m3，1.15 g/cm3超低密度水泥漿78.0 m3，過渡水泥漿8.0 m3，常規(guī)密度水泥漿40.0 m3。固井過程無漏失，水泥漿返出地面，碰壓壓力15 MPa升至20 MPa。測井顯示：固井質(zhì)量良好，目的層封固質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，聲幅值<10%；非目的層井段采用超低密度水泥漿體系封固良好。

5 結(jié)論

1)基于緊密堆積理論開發(fā)的復(fù)合減輕劑HBJQ-1，輔以油井水泥外加劑，開發(fā)的1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系具有成本較低、漿體穩(wěn)定性好、流變性能良好、稠化時間可控、早期強(qiáng)度升高快等特點(diǎn)，具有現(xiàn)場推廣應(yīng)用價值。

2)采用超低密度水泥漿封固上部非目的層井段，實(shí)現(xiàn)了一次上返全井封固，固井質(zhì)量良好，滿足后期開發(fā)需求，現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。該體系可用于解決低漏失壓力井固井易漏失、水泥漿無法返至地面的難題。

3)低漏失壓力、安全壓力窗口窄的低漏失壓力井固井水泥漿密度可結(jié)合地層漏失壓力、坍塌壓力和地層壓力確定。

4)低紊流排量的前置液體系對于低漏失壓力井固井提高頂替效率具有積極意義。