東海X7開發(fā)井長裸眼油氣層井段全封固井技術(shù)

曹 松，白玉洪，王建紅，黃 佩，曹太云

（中石化海洋石油工程有限公司上海特殊作業(yè)分公司，上海 200120）

1 長裸眼油氣井段全封固井關(guān)鍵技術(shù)

1.1 固井方案及水泥漿體系選擇[1-2]

1.1.1 固井方法

固井方法為單級(jí)單封固井，中間漿通過選擇粉煤灰減輕顆粒（粉煤灰水泥配比：45.5%水泥+45.5%粉煤灰+9%微硅）和調(diào)節(jié)水灰比配置成粉煤灰水泥漿。領(lǐng)、尾漿(水泥配比：74.13%水泥+25.87%硅粉)之間的充填段利用粉煤灰中間漿充填，保障環(huán)空的有效封隔，利于長期開發(fā)生產(chǎn)，有效避免環(huán)空帶壓。

1.1.2 首、尾漿選擇聚合物防氣竄水泥漿體系[3]

（1）水泥漿體系靜膠凝評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，靜膠凝過渡時(shí)間＜30 min。

式中：t100Bc為水泥漿強(qiáng)度在達(dá)到100 Bc時(shí)間，min；t30Bc為水泥漿強(qiáng)度在達(dá)到30 Bc時(shí)間，min。

計(jì)算SPN值＜3，則水泥漿體系防竄性能達(dá)標(biāo)。

（2）開展泥漿與水泥漿、泥漿與前置液相容性實(shí)驗(yàn)，抗污染實(shí)驗(yàn)。

1.2 高性能驅(qū)油沖洗液

通過滲透溶脹、逆膠乳增溶和潤濕反轉(zhuǎn)機(jī)理，高效清潔井壁油基鉆井液和油膜，形成親水壁面，洗油效率高[4]。沖洗后，井壁和套管壁由油潤濕性轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂櫇裥浴９叹爸靡航佑|時(shí)間不少于9 min。

1.3 壓穩(wěn)防竄防漏設(shè)計(jì)[5]

1.3.1 ESD環(huán)空液柱壓力須大于油氣層地層孔隙壓力，同時(shí)小于裸眼井段地層漏失壓力。

1.3.2 ECD模擬需滿足固井施工過程中最大、最小當(dāng)量密度均介于孔隙壓力當(dāng)量密度和破裂壓力當(dāng)量密度之間平衡的壓力固井設(shè)計(jì)要求。

1.3.3固井作業(yè)結(jié)束，水泥漿失重后應(yīng)按150 Pa膠凝失水系數(shù)法進(jìn)行壓穩(wěn)校核[6]。

式中：PPSF為水泥漿在靜膠150 Pa的漿柱壓力Pcmk與地層壓力Pf之比；Pcm為原始漿柱段的壓力，MPa；Plk為水泥漿在臨界點(diǎn)的失重值，MPa；lc為水泥漿長度，m；Dh、Dc為井眼尺寸和套管尺寸，mm；PPSF≥1，防竄效果好；PPSF＜1，防竄效果差。

1.4 頂替效率提高的設(shè)計(jì)

1.4.1 注替排量控制

固井設(shè)計(jì)規(guī)范參考“SY 5480—2016”，根據(jù)不同流體黏度、密度性質(zhì)以及對(duì)應(yīng)的井眼直徑計(jì)算沖洗液、隔離液、領(lǐng)漿、尾漿等的臨界雷諾數(shù)，并按流態(tài)模型分別計(jì)算沖洗液、領(lǐng)漿和尾漿的塞流臨界排量和紊流臨界排量，從而設(shè)計(jì)“沖洗液紊流+尾漿塞流”的復(fù)合頂替，充分保證頂替效率。并結(jié)合ECD模擬安全施工的排量參數(shù)，優(yōu)化選取各階段快替或慢替施工排量參數(shù)。工作液流態(tài)可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中F值的判定，選擇具體模擬模型 （包括賓漢、冪律、赫巴），大斜度井以赫巴流態(tài)模型計(jì)算為例。

式中：Dc為套管外徑，mm；Dh為井眼平均井徑，mm；Qw為紊流臨界排量，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；Rec為臨界紊流雷諾數(shù)，取Rec=3470-1370n。

1.4.2 隔離液流變選擇[7]

（1）與泥漿、水泥漿相容性良好。

（2）體系懸浮隔離性能良好，確保隔離液密度優(yōu)選ρ鉆井液＜ρ隔離液＜ρ水泥漿。

（3）基于壁面剪切理論，通過調(diào)整隔離劑加量，設(shè)計(jì)隔離液流變參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)塑比：鉆井液＜隔離液＜水泥漿，提高頂替效率。

1.5 套管偏心控制技術(shù)

軟件模擬通過加增扶正器位置和數(shù)量以滿足套管居中度＞67%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）主要油氣層井段加密安放半剛性扶正器，保障套管安全下入，利于油氣層套管居中。

（2）上層套管鞋附近井段采用樹脂旋流扶正器和半鋼性扶正器交替安放，改變環(huán)空的流態(tài)，利于頂替效率。

（3）大狗腿度及關(guān)鍵油氣層井段采用半鋼性扶正器安放，同時(shí)確保套管鞋抬頭效應(yīng)，保障套管安全下入，改善環(huán)空流態(tài)。

2 X7井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該井中完井深4 161 m，進(jìn)行9-5/8″套管固井作業(yè)。固井作業(yè)依照《X7井單級(jí)固井設(shè)計(jì)》，注入沖洗液、前置液、高密度首尾漿、粉煤灰低密度中間漿，頂替碰壓，順利施工作業(yè)，并獲得油氣層及上層套管鞋處優(yōu)良CBL測(cè)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2.1 鉆井及地質(zhì)資料

2.1.1 鉆井資料

（1）12-1/4″井眼鉆進(jìn)至2 472 m，進(jìn)行地漏試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)：鉆井液密度1.36 g/cm3，地面壓力985 Psi，未漏，折算管鞋處當(dāng)量密度1.65 g/cm3。

（2）12-1/4″井眼鉆進(jìn)至3 814.50 m進(jìn)行裸眼承壓試驗(yàn)。承壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)：鉆井液密度1.45 g/cm3，地面壓力685 Psi，未漏，折算管鞋處當(dāng)量密度1.65 g/cm3。

（3）12-1/4″井眼鉆進(jìn)過程未發(fā)生井漏。

（4）井斜數(shù)據(jù)：12-1/4″井眼18.70°@2 467 m （13-3/8″管鞋），0.06°@2 902.37 m，垂直鉆進(jìn)至中完井深。

（5）12-1/4″井眼鉆進(jìn)至4 161 m中完，短起下測(cè)后效氣7.2%，氣竄速度4.6 m/h。

（6）井底溫度數(shù)據(jù)：隨鉆測(cè)井井底循環(huán)溫度110 ℃；電纜測(cè)井井底靜止溫度135 ℃。

（7）電測(cè)井徑情況見表1。

12-1/4″井段井徑規(guī)則，無明顯擴(kuò)徑及井徑不規(guī)則井段（表1）。

表1 測(cè)井井徑數(shù)據(jù)表Table 1 Logging caliper data table

2.1.2 地質(zhì)資料。

X7井二開鉆進(jìn)期間共計(jì)鉆遇12層油氣顯示，其中P11（3 990～3 999 m）井段的全烴值最高達(dá)到65.33%，基值2.2%，油頂深度為3 825 m。

2.2 固井作業(yè)情況

2.2.1 基本數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2 基本數(shù)據(jù)表Table 2 Basic data sheet

2.2.2 水泥漿體系選擇[8]

選擇水泥漿體系類型：首尾漿為密度1.90 g/cm3聚合物防氣竄水泥漿體系（SPN＜3），中間漿為密度1.60 g/cm3粉煤灰水泥漿。實(shí)驗(yàn)溫度參考鄰井資料和電測(cè)井溫值，確保水泥漿化驗(yàn)溫度準(zhǔn)確可靠，為固井質(zhì)量保障提供了可靠的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保固井施工安全（表3）。

2.2.3 沖洗液及前置液沖洗設(shè)計(jì)

前置液使用情況見表4。

（1）界面沖洗實(shí)驗(yàn)

第一界面沖洗試驗(yàn)，浸油鋼條潤濕表面反轉(zhuǎn)，滴清水完全鋪開。

第二界面沖洗試驗(yàn)，油基泥漿濾餅潤濕角達(dá)到33°～38°。

（2）采用加重沖洗隔離液，在加重隔離液中加入洗油型沖洗液，既發(fā)揮了加重隔離液的物理沖刷效果，也提高了洗油效率，實(shí)現(xiàn)了高效沖洗和頂替。隔離液密度設(shè)計(jì)遵循：ρ鉆井液≤ρ隔離液≤ρ水泥漿的原則，形成密度級(jí)差，避免發(fā)生重力置換形成混漿。隔離液流變參數(shù)設(shè)計(jì)（表5）遵循動(dòng)塑比的原則，實(shí)現(xiàn) “稠頂稀”，從而通過逐級(jí)提高壁面切力有效驅(qū)替（沖蝕和攜帶）泥餅，保障沖刷質(zhì)量。

表3 水泥漿配方和性能Table 3 Formulation and properties of cement slurry

表4 前置液使用情況Table 4 Usage of preliminary fluid

表5 隔離液流變性能參數(shù)Table 5 Rheological performance parameters of spacer fluid

2.2.4 壓穩(wěn)防竄設(shè)計(jì)[9]

（1）靜態(tài)液柱壓力當(dāng)量密度（ESD）計(jì)算

靜態(tài)液柱壓力計(jì)算見表6。

（2）泥漿的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）模擬

井底ECD模擬見圖1，上層套管鞋處ECD模擬見圖2。

表6 靜態(tài)液柱壓力計(jì)算Table 6 Calculation of static liquid column pressure

圖1 井底ECD模擬Fig. 1 ECD simulation of bottom hole

圖2 上層套管鞋處ECD模擬Fig. 2 ECD simulation at upper casing shoe

（3）采用靜膠凝強(qiáng)度計(jì)算防竄設(shè)計(jì)

尾漿稠化后最大失重值 P失重值=4.50 MPa，尾漿稠化后環(huán)空液柱壓力值P終了=63.04-4.50=58.54 MPa，孔隙壓力當(dāng)量密度1.34 g/cm3，氣層壓力值P產(chǎn)層=52.47 MPa，壓穩(wěn)系數(shù)F=P終了/P產(chǎn)層=1.116＞1。

雖然壓穩(wěn)系數(shù)略大于1，為保險(xiǎn)起見，在確保固井安全施工作業(yè)基礎(chǔ)上，本井采用雙凝尾漿設(shè)計(jì)，確保主力油氣層水泥環(huán)快速膠凝，防止上部水泥漿失重后不能壓穩(wěn)地層發(fā)生氣竄風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.5 頂替效率提高的設(shè)計(jì)

（1）通過赫巴模型計(jì)算流體臨界雷諾數(shù)

結(jié)合ECD模擬計(jì)算及臨界流態(tài)計(jì)算（表7），選取快替排量為2.5 m3/min，慢替排量為0.3 m3/min。

（2）扶正器安裝

扶正器的安放設(shè)計(jì)：目的層井段選用半鋼扶正器，重疊段及上層套管鞋封固井段選用樹脂旋流扶正器，保障了封固井段套管居中度（圖3）。

表7 工作液臨界流態(tài)計(jì)算Table 7 Calculation of critical flow state of working fluid

① 本井段扶正器采用具有擾流作用的半剛性旋流扶正器和樹脂旋流扶正器兩種；

② 9-5/8″套管鞋至油氣層頂部共計(jì)300 m井段，每2根套管加放1支半鋼性扶正器，共計(jì)入井14支半鋼性旋流扶正器；

③ 中間漿封固井段不安放扶正器；

④ 13-3/8″套管鞋上下150 m每2根套管加放1個(gè)樹脂螺旋剛性扶正器，共計(jì)入井13支樹脂旋流扶正器。

圖3 套管居中度模擬Fig. 3 Simulation of casing centering

2.2.6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工作業(yè)

現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)見表8。

2.2.7 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)[10]

固井質(zhì)量評(píng)價(jià)見表9。

表8 9-5/8″技術(shù)套管固井施工數(shù)據(jù)表Table 8 Construction data sheet of 9-5/8" technical casing cementing

續(xù)表 8

表9 電測(cè)CBL固井質(zhì)量評(píng)價(jià)表Table 9 Quality evaluation sheet of CBL cementing

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)東海固井作業(yè)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，用水泥漿防氣竄系數(shù)優(yōu)選水泥漿防氣竄性能，同時(shí)通過對(duì)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度分析，選取靜膠凝強(qiáng)度150 Pa作為臨界失重點(diǎn)，來滿足水泥漿壓穩(wěn)防竄要求。

（2）長井段固井作業(yè)，水泥中間漿附加量可根據(jù)電測(cè)井徑選擇合理附加20%～30%，避免首漿上返高度過高，影響上層套管鞋處的封固質(zhì)量。

（3）本井因油層較多，并且鉆井液并沒有壓穩(wěn)地層（中低孔滲儲(chǔ)層），中完短起下鉆到底后循環(huán)氣測(cè)值峰值為7.2%，油氣上竄速度為4.5 m/h；為確保固井施工過程中壓穩(wěn)氣層，將尾漿封固段設(shè)計(jì)為下部速凝尾漿和上部緩凝尾漿，并在各油頂水泥漿失重液柱壓力的基礎(chǔ)上通過提高全井液柱壓力當(dāng)量，以適當(dāng)提高油氣層壓穩(wěn)系數(shù)。

（4）采用環(huán)空流變學(xué)優(yōu)選頂替水力參數(shù)，是提高本井固井頂替效率的科學(xué)依據(jù)。

（5）長井段全封單級(jí)固井施工過程中，工作量較大，流程較復(fù)雜，三凝水泥漿體系，需各專業(yè)協(xié)同確保水泥上灰、泥漿池回收、管線倒換、井口操作等順利進(jìn)行。因此需要充分的溝通和準(zhǔn)備工作，任何一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能造成嚴(yán)重后果。