安201 區(qū)塊溢流井固井技術(shù)研究與應(yīng)用

來鵬飛，鐘 凱，李曉陽，馬學(xué)如，張戰(zhàn)臣

（川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710016）

1 安201 區(qū)塊特性及前期固井施工情況分析

安201 區(qū)塊位于定邊縣磚井鎮(zhèn)，2019 年主要部署井型為短水平段水平井、大斜度井，目的層長6，完鉆井深2 215～2 377 m，垂深約1 950 m。該區(qū)塊以加密井、調(diào)整井居多[1-2]，超前注水嚴(yán)重，鉆進(jìn)至目的層，存在不同程度的溢流，溢流量為15～25 m3/h，且上部地層洛河組存在滲透性漏失。2019-2020 年該區(qū)塊固完井22口，其中18 口井發(fā)生溢流。為確保壓穩(wěn)目的層，完鉆泥漿密度調(diào)至1.35～1.58 g/cm3。

2019 年安201 區(qū)塊水泥漿漿柱采用“三凝”水泥漿體系，即輕珠（密度1.33 g/cm3）、粉煤灰（1.55 g/cm3）、常規(guī)密度水泥漿（1.90 g/cm3）和“兩凝”水泥漿體系，即粉煤灰、常規(guī)密度水泥漿。固井施工注水泥漿順序依次為輕珠、粉煤灰、常規(guī)密度水泥漿，2019 年該區(qū)塊平均封固率為71.38%。填充段和目的層段存在固井二界面膠結(jié)質(zhì)量差、膠結(jié)中等、膠結(jié)好相間分布的情況，說明固井施工初期以及候凝階段，未壓穩(wěn)目的層，環(huán)空水泥漿遭受地層水侵蝕，破壞了水泥漿性能，導(dǎo)致固井質(zhì)量差。

2 水侵對水泥漿性能的影響

地層水侵入環(huán)空會導(dǎo)致水泥漿漿體變稀、稠化時間延長、濾失量增加、穩(wěn)定性變差等。同時，水泥石本體的抗壓強度明顯降低，固井二界面的抗剪切強度顯著下降，層間封隔能力變差[3-5]。2019 年該區(qū)塊固井現(xiàn)場施工主要有三種水泥漿體系，即1.33 g/cm3增強輕珠體系、1.55 g/cm3粉煤灰體系、1.90 g/cm3早強觸變性水泥漿體系。為研究地層水侵入環(huán)空后對水泥石抗壓強度和水泥漿穩(wěn)定性的影響，分別將不同密度水泥漿與一定比例的地層水混合，養(yǎng)護(hù)后測試抗壓強度、穩(wěn)定性，結(jié)果（見表1、表2）。

由表1、表2 可以看出，在混入一定量的地層水后，水泥石的抗壓強度大幅減小，穩(wěn)定性變差，尤其是常規(guī)密度水泥漿的穩(wěn)定性影響最大。因此，確保注水泥、候凝過程中壓穩(wěn)地層，防止水竄，是保證區(qū)塊固井質(zhì)量的關(guān)鍵。

表1 地層流體對水泥漿強度影響表

表2 地層流體對水泥漿穩(wěn)定性影響表

3 安201 區(qū)塊固井難點分析及解決思路

（1）經(jīng)過長期注水開采，安201 區(qū)塊目的層地層壓力高，溢流嚴(yán)重，固井施工替量過程中，由于前置液密度低，當(dāng)前置液進(jìn)入環(huán)空，會降低環(huán)空液柱壓力，導(dǎo)致地層水侵入環(huán)空，影響低密度水泥漿的性能?；诖?，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)的成功施工經(jīng)驗[6]，在前置液后面注入加重水泥漿來補償環(huán)空壓降。

（2）2019 年固井施工均采用正常水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)，即注入水泥漿密度由低到高，未充分考慮固井施工中壓穩(wěn)問題，低密度水泥漿進(jìn)入地層后，環(huán)空液柱壓力增長較慢，領(lǐng)漿性能易受地層水影響。因此，通過調(diào)整水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)，改變水泥漿的注入順序，即先注入粉煤灰水泥漿，再注入一定量的輕珠水泥漿，加快注水泥漿過程中環(huán)空液柱壓力增長速度。

（3）常規(guī)密度水泥漿采用一種體系，封固段較長，稠化時間間隔不長，候凝過程中常規(guī)密度水泥漿全部失重，導(dǎo)致液柱壓力急劇下降，地層水侵入環(huán)空，影響水泥漿性能和固井二界面膠結(jié)強度。通過采用兩種不同稠化時間的常規(guī)密度水泥漿來補償水泥漿失重時的環(huán)空液柱壓力。

（4）目的層水泥漿防竄性能要求高。根據(jù)文獻(xiàn)研究表明[7-10]，常規(guī)密度水泥漿防水侵性能主要設(shè)計原則為“早強、高觸變、快凝”，通過增加早強觸變劑加量，提高水泥漿的早期強度和觸變性能。通過優(yōu)化材料配比，提高常規(guī)密度水泥漿的穩(wěn)定性、流變性。

4 固井工藝選擇

4.1 施工期間的防水侵工藝

安201 區(qū)塊上部地層洛河組存在滲透性漏失，為避免漏失，根據(jù)完鉆鉆井液密度和鉆進(jìn)情況合理選擇漿柱結(jié)構(gòu)，使用一定量具有堵漏效果的增強輕珠水泥漿體系封固洛河組上部，全井段采用輕珠+粉煤灰+早強觸變1+早強觸變2“四凝”水泥漿體系。

完鉆鉆井液密度超過輕珠水泥漿密度時，正常情況下（先注輕珠，后注粉煤灰），輕珠水泥漿進(jìn)入環(huán)空時，環(huán)空液柱壓力降低，輕珠水泥漿會受到地層流體侵蝕，影響輕珠水泥漿性能，進(jìn)而影響封固質(zhì)量。因此，考慮使用倒?jié){柱體系（先注粉煤灰，后注輕珠）。假設(shè)安平X 井垂深1 950 m，目的層長6，完鉆鉆井液密度1.45 g/cm3，各水泥漿體系設(shè)計封固段長度相同，不同漿柱結(jié)構(gòu)施工期間環(huán)空液柱當(dāng)量密度變化情況（見圖1）（為隔離鉆井液與水泥漿，清洗井壁和套管壁的泥餅，提高二界面抗剪切強度，注水泥前均注入占環(huán)空200 m 的沖洗液，密度1.02 g/cm3）。

從圖1 可知，倒?jié){柱結(jié)構(gòu)的環(huán)空液柱壓力當(dāng)量密度和增長速度明顯高于正常順序下的漿柱結(jié)構(gòu)，更高的環(huán)空當(dāng)量密度意味著地層流體侵蝕水泥漿的阻力變大，水泥漿性能受地層水影響較小。因此，選擇倒?jié){柱結(jié)構(gòu)更有利于保證安201 區(qū)塊固井質(zhì)量。但是，由于前期注入低密度沖洗前置液，環(huán)空液柱壓力明顯降低，即使采用倒?jié){柱的情況下，也只能改善環(huán)空液柱壓力降低的程度。因此，需要采取改進(jìn)措施。主要有以下兩種措施：

圖1 不同漿柱結(jié)構(gòu)環(huán)空液柱當(dāng)量密度變化

（1）采取精細(xì)控壓固井技術(shù)，前期液柱壓力不足時，通過井口加回壓提高井底壓力，確保壓穩(wěn)。然而，長慶區(qū)域大部分井隊鉆井設(shè)備簡陋，不能滿足精確控壓的條件。若加壓較高，易造成憋堵，增加固井施工風(fēng)險。

（2）通過計算前置液降低的液柱壓力，在注領(lǐng)漿段前，注入一段密度高于鉆井液密度的水泥漿作為先導(dǎo)水泥漿，并將該段水泥漿全部返出井筒，以此來保障全井段的固井水泥漿不受水侵影響，先導(dǎo)漿段長為：

H前（ρ泥-ρ前）g=H先（ρ先-ρ泥）g

式中：ρ泥-水泥漿密度，g/cm3；ρ前-前置液密度，g/cm3；ρ先-先導(dǎo)漿密度，g/cm3；H先-先導(dǎo)漿所占環(huán)空高度，m；H前-前置液所占環(huán)空高度，m。

從上式可得，H先與ρ先成反比，即先導(dǎo)漿密度越小，所需先導(dǎo)漿段長越長。因此，綜合考慮，選取密度1.90 g/cm3的緩凝水泥漿作為先導(dǎo)漿。計算可得，所需先導(dǎo)漿占環(huán)空高度約為200 m，則在采用先導(dǎo)漿情況下，施工期間的環(huán)空液柱當(dāng)量密度變化（見圖2）（a 點為先導(dǎo)漿全部進(jìn)入環(huán)空）。由圖2 可知，在先導(dǎo)漿進(jìn)入環(huán)空后，環(huán)空液柱當(dāng)量密度可以恢復(fù)到1.45 g/cm3以上，且直到施工結(jié)束，環(huán)空液柱當(dāng)量密度始終保持在1.45 g/cm3以上，可以確保水泥漿不受地層流體影響。

圖2 不同漿柱結(jié)構(gòu)環(huán)空液柱當(dāng)量密度變化

4.2 提高水泥漿失重時的過平衡壓差

水泥漿失重受井斜、套管偏心度、環(huán)空間隙以及水泥漿穩(wěn)定性等因素的影響[11-12]，水泥漿失重過程中，影響環(huán)空水泥漿漿柱傳壓能力，降低環(huán)空液柱壓力，若不能壓穩(wěn)地層流體，會導(dǎo)致地層流體侵入環(huán)空，影響環(huán)空水泥漿性能，降低水泥石本體強度和固井Ⅰ、Ⅱ界面抗剪切強度，破壞井筒的完整性，甚至形成竄流通道，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量和后續(xù)開采。

在水泥漿抗竄阻力一定的情況下，優(yōu)化水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)，采用“四凝”漿柱結(jié)構(gòu)，即輕珠（密度1.33 g/cm3）、粉煤灰（密度1.55 g/cm3）、尾漿1（密度1.90 g/cm3）、尾漿2（密度1.90 g/cm3），提高目的層液柱壓力，確保當(dāng)尾漿2 在候凝期間失重時，環(huán)空過平衡壓差當(dāng)量密度保持在約0.1 g/cm3，來防止目的層水泥漿遭受地層水影響。同時，為避免洛河組發(fā)生漏失，洛河組環(huán)空液柱當(dāng)量密度保持在完井時鉆井液密度。完井鉆井液密度為1.45 g/cm3，設(shè)計水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)（見表3）。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究和固井施工經(jīng)驗，在做好防漏的情況下，合理提高過平衡壓差是保證目的層固井質(zhì)量的有效手段。根據(jù)表3 的漿柱結(jié)構(gòu)，計算可知，洛河組液柱當(dāng)量密度為1.46 g/cm3，在尾漿2 失重時，目的層的液柱當(dāng)量密度為1.56 g/cm3，環(huán)空過平衡壓差為2.10 MPa?，F(xiàn)場固井設(shè)計可根據(jù)鉆進(jìn)情況和溢流情況，對尾漿2 失重時的當(dāng)量密度進(jìn)行調(diào)整，環(huán)空過平衡壓差保持在2.0 MPa 左右。

表3 設(shè)計水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)

4.3 優(yōu)選常規(guī)密度抗水侵水泥漿

通過對2019 年尾漿性能進(jìn)行分析，結(jié)合固井聲幅圖，對尾漿配方進(jìn)行調(diào)整。2020 年該區(qū)塊尾漿使用“兩凝”水泥漿體系。尾漿2 主要封固水平段和溢流層位，尾漿1 主要封固上部目的層。按照水泥漿防竄性能要求，由于緩凝劑不利于水泥漿早期強度的發(fā)展，因此去掉緩凝劑。同時，降低尾漿2 中降失水劑加量，增加早強觸變劑加量來提高早期強度和水泥漿的觸變性。2020 年安201 區(qū)塊尾漿性能（見表4）。由表4 可知，在體系同時滿足區(qū)塊施工基本需求的情況下，早強觸變尾漿比增強尾漿過渡時間短，早期強度較高的特點。尾漿1 具有較長的稠化時間，確保尾漿2 失重后，能有效傳遞液柱壓力，壓穩(wěn)儲層和溢流層位。

表4 尾漿基本性能表

水泥漿的觸變性是指水泥漿攪拌后變稀，靜止后變稠的特性，即水泥漿靜置一定時間重新恢復(fù)流動性的阻力大小。現(xiàn)用靜置一定時間的流動度和稠度變化來評價水泥漿的觸變性（見表5）。從表5 可知，早強觸變尾漿相較于增強尾漿，具有較好的觸變性，早期強度更高，適合封固儲層和溢流層位。

表5 尾漿2 觸變性對比表

5 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)過調(diào)整水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化水泥漿體系、改變固井工藝后，2020 年安201 區(qū)塊的常規(guī)密度水泥漿使用“雙凝”體系，目的層水泥漿選用早強觸變水泥漿體系，固井全部采用倒?jié){柱方式，現(xiàn)場應(yīng)用12 口水平井，全井段平均封固率提高到88.14%，較2019 年平均封固率提高了16.76%。目的層平均封固率從80.67%提高到95.54%，提高了14.87%（見表6）。

表6 2019 年及2020 年安201 區(qū)塊固井質(zhì)量對比表

6 結(jié)論

（1）使用優(yōu)化的先導(dǎo)漿和倒?jié){柱結(jié)構(gòu)，可以彌補前置液進(jìn)入環(huán)空導(dǎo)致的環(huán)空壓降損失，提高注水泥期間環(huán)空液柱壓力和液柱壓力增長速度，保證填充段固井質(zhì)量。

（2）合理設(shè)計水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)，針對目的層地層特性選擇相應(yīng)的水泥漿體系，且在防止漏失下確保固井施工期間和尾漿失重時壓穩(wěn)儲層和溢流層位，是保證溢流井固井質(zhì)量的關(guān)鍵。

（3）合理提高水泥漿候凝時的過平衡壓差，對保障固井質(zhì)量至關(guān)重要。

（4）12 口水平井的現(xiàn)場實踐表明，形成的溢流井配套固井技術(shù)可有效解決或緩解溢流井固井技術(shù)難題。