哥倫比亞VS-6、VS-8井固井問題分析及其對策

黎紅勝，溫慧蕓，文良凡，鄭振國，陳玉平

1.中化石油勘探開發(fā)有限公司（北京 100031）2.中海油研究總院有限責(zé)任公司（北京 100028）3.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司 非洲分公司（北京 100028）

Vigia Sur油田是中化石油在哥倫比亞的一個主力油田，主要產(chǎn)層是Une、Gacheta、Guadalupe和Mirador砂巖油藏，埋藏深度2 956～3 657 m，為邊底水驅(qū)動的常溫常壓砂巖油藏，油田處于高含水開發(fā)中后期。VS-6、VS-8井均是兩開井身結(jié)構(gòu)，Φ444.5 mm井眼鉆至548 m，下Φ339.72 mm表層套管固井，Φ241 mm井眼鉆穿儲層至3 352.8 m，下Φ177.8 mm生產(chǎn)套管固井，兩口井均為定向井，直-增-穩(wěn)二維三段制井身剖面，井斜在45°左右。二開鉆井液為KPAM-AP泥漿體系，密度1.13 kg/m3，漏斗黏度50 s，塑性黏度12 mPa·s，動切力18 Pa，10"/10'/30'靜切力分別為7/14/19 Pa。固井作業(yè)除VS-6井中途檢修水泥車管路外未發(fā)生其他異常情況，候凝48 h測聲幅，聲幅顯示封固段絕大部分聲幅值超過30%，出現(xiàn)嚴(yán)重固井質(zhì)量問題，導(dǎo)致VS-6井無法投產(chǎn)，VS-8勉強(qiáng)投產(chǎn)，但穩(wěn)定生產(chǎn)15 d后，突然100%出水，被迫關(guān)停。

1 固井施工概述

1）VS-6地層剖面情況見表1，實(shí)際井深3 525.9 m，生產(chǎn)套管下深3 524 m，需要封隔Une、Gacheta、Guadalupe、Mirador 4個產(chǎn)層。采用領(lǐng)漿尾漿雙膠塞固井，領(lǐng)漿密度1.5 kg/m3，封固304.8 m（2 548～2 852.9 m），尾漿密度設(shè)計(jì)為1.9 kg/m3，塑性黏度180 mPa·s，封固673 m(2 582.9～3 526 m)，封至Mirador頂層以上304.8 m。井徑儀測得平均井徑Φ267.97 mm，扶正器用量83只。沖洗液隔離液用量19.08 m3，注入排量0.954 m3/min，接觸時間20 min。按照50%井徑擴(kuò)大率設(shè)計(jì)的領(lǐng)漿量9.54 m3，尾漿用量21.6 m3，替漿量67.4 m3，清水頂替。循環(huán)洗井后，下放下膠塞#1，注入清洗液隔離液19.08 m3，下放下膠塞#2注入領(lǐng)漿9.54 m3，尾漿20.19 m3，排量均為0.79 m3/min。下放上膠塞，清水頂替47.7 m3，排量1.19 m3/min下9.54 m3，排量0.95 m3/min下6.36 m3，排量0.24 m3/min下4.13 m3，沒有碰壓，卸壓后返回水0.64 m3，用水泥車頂替，地面壓力限制在10.68 MPa，折算ECD為1.36 kg/m3。設(shè)計(jì)施工時間4 h，稠化時間7.5 h。固井施工中領(lǐng)漿混配因處理管線堵塞問題中斷1 h，泵入尾漿時再次處理管線堵塞問題中斷0.5 h，泥漿返出正常。因扭矩較大，注水泥期間沒有轉(zhuǎn)動套管，固井施工曲線如圖1所示。

表1 VS-6井地層剖面

圖1 VS-6井固井施工曲線

2）VS-8地層情況見表2，實(shí)際井深3 377 m，生產(chǎn)套管下深3 375 m，封隔Une、Gacheta、Guadalupe、Mirador 4個產(chǎn)層。采用領(lǐng)漿尾漿雙膠塞固井，領(lǐng)漿密度1.64 kg/m3，封固304.8 m(2 547～2 852 m)，尾漿密度為1.73 kg/m3，塑性黏度224 mPa·s，封固525 m(2 852～3 377 m)，封至Mirador頂層以上152 m。測得平均井徑Φ268 mm，扶正器用量73只。沖洗液隔離液設(shè)計(jì)為19.08 m3，注入排量0.95 m3/min，接觸時間20 min。按照20%井徑擴(kuò)大率計(jì)算的領(lǐng)漿量14.63 m3，尾漿用量17.17 m3。替漿量65.03 m3，清水頂替。循環(huán)洗井后，下放下膠塞#1，注入清洗液隔離液22.26 m3，下放下膠塞#2注入領(lǐng)漿14.63 m3，尾漿17.17 m3，排量均為0.79 m3/min。下放上膠塞，清水頂替47.7 m3，排量0.79 m3/min，7.95 m3排量0.47 m3/min，6.36 m3排量0.48 m3/min，3.5 m3排量0.24 m3/min，碰壓至16.2 MPa，卸壓后返回水0.56 m3。用水泥車頂替，排量0.95 m3/min，地面壓力限制在10.68 MPa，ECD設(shè)計(jì)為1.36 kg/m3。施工時間4 h，稠化時間7.5 h。除下套管遇阻較多以外，注水泥施工正常，期間沒有轉(zhuǎn)動套管，固井施工曲線如圖2所示。

圖2 VS-8井固井施工曲線

表2 VS-8井地層剖面

2 固井質(zhì)量檢測結(jié)果

圖3分別為VS-8、VS-6儲層和返高部位CBLUSIT測井圖。

圖3 VS-8、VS-6固井質(zhì)量測井

聲幅（CBL）檢查一界面水泥環(huán)質(zhì)量。聲幅相對值≤15%，膠結(jié)良好（優(yōu)）；聲幅相對值≤30%，膠結(jié)中等（合格）；聲幅相對值≥30%，膠結(jié)差（不合格）。變密度（VDL）檢查一、二界面水泥環(huán)質(zhì)量。套管波弱或者無，地層波清晰，第一、第二界面膠結(jié)良好；套管波較弱，地層波弱或者不清晰，第一界面部分膠結(jié)，第二界面膠結(jié)差；套管波強(qiáng)，地層波弱或者無，第一、第二界面膠結(jié)差。VS-6、VS-8兩口井從聲波測井曲線CBL和VDL判斷，絕大部分為差或不合格，只有少量井段固井質(zhì)量合格，看不出返高位置。VS-8部分井段稍好一些。但因不合格井段太多，均無法實(shí)現(xiàn)層間封隔。

3 質(zhì)量問題原因分析

影響頂替效率的主要因素有：水泥漿流變性、前置液流變性及用量、注替排量、套管居中度、注水泥過程中發(fā)生漏失和溢流、固井施工出現(xiàn)異常情況等[1-6]。

3.1 水泥漿流變性

圖4、圖5分別是VS-6、VS-8兩口井水泥漿流變性測試結(jié)果，顯示水泥漿流變性曲線符合冪律模式。采用冪律模式[7]：

圖4 VS-6井水泥漿流變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流變曲線

圖5 VS-8井水泥漿流變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流變曲線

分別計(jì)算VS-6和VS-8兩口井流性指數(shù)和稠度系數(shù)，計(jì)算結(jié)果為：n6=0.63,k6=3.01；n8=0.67,k8=2.30。兩口井均為高黏度高切力水泥漿。k6、k8分別為VS-6井和VS-8井稠度系數(shù)；n為流性指數(shù)，無因次；n＜1，n6、n8分別為VS-6井和VS-8井流性指數(shù)；Φ100、Φ300分別為黏度計(jì)轉(zhuǎn)速為100、300 r/min時對應(yīng)的讀數(shù)。

上臨界雷諾數(shù)：RePL2=4 150-1 150n，分別算得：

環(huán)空臨界流速由環(huán)空流窄縫近似法計(jì)算：

分別算得：

分別算得：

實(shí)際環(huán)空返速：

分別算得：

兩口井實(shí)際返速和雷諾數(shù)均小于臨界返速和臨界雷諾數(shù)，判定為層流。

壁面剪應(yīng)力：

對于層流：

分別算得壁面剪應(yīng)力：

式中：n為流性指數(shù)；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；RePL2為上臨界雷諾數(shù)；D0為環(huán)空內(nèi)徑，m；Dh為環(huán)空外徑，m；Vc為臨界流速，m/s；RePL為實(shí)際雷諾數(shù)；KRePL為計(jì)算系數(shù)，公制單位取1；τw為壁面剪應(yīng)力，Pa；ΔP為水泥漿流動摩阻，Pa；L為水泥漿流動作用的井眼，m；f為摩阻系數(shù)；ρ為水泥漿密度，kg/cm3；V為水泥漿環(huán)空流速，m/s。

從流變參數(shù)看，上述水泥漿屬于高黏高切，環(huán)空流動產(chǎn)生的是層流流動，低速流動產(chǎn)生的是尖峰層流（圖6），若壁面剪應(yīng)力不超過鉆井液膠凝強(qiáng)度，必然引起竄槽。VS-6和VS-8兩口井使用的是聚合物鉆井液體系，膠凝強(qiáng)度較高，且靜置時間越長膠凝強(qiáng)度越大。VS-6比VS-8固井質(zhì)量更差的原因一方面是由于VS-6井眼情況差，另一方面是固井中途停泵，泥漿膠凝強(qiáng)度進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致驅(qū)替效果更差，竄槽更嚴(yán)重[8-11]。

圖6 層流驅(qū)替環(huán)空流態(tài)

3.2 頂替泵速

VS-6替漿排量1.19 m3/min，VS-8井僅有0.79 m3/min，用上述注替計(jì)算的環(huán)空返速見表3。

表3 不同對應(yīng)的環(huán)空返速

考慮實(shí)際測出的擴(kuò)徑情況，水泥漿頂替泥漿過程中的返速在0.43～0.6.4 m/s，無法實(shí)現(xiàn)高速層流頂替，是典型的低速層流驅(qū)替。舌形尖峰層流以及寬邊流速高于窄邊流速，產(chǎn)生不對稱的壁面剪應(yīng)力低于鉆井液的膠凝強(qiáng)度，無法實(shí)現(xiàn)對鉆井液的有效驅(qū)替，從而引起大量的竄槽。

3.3 前置液與井壁接觸時間

由表4可見，前置液與井壁接觸時間達(dá)到了20 min以上，滿足清洗井壁、提高頂替效率的要求。

表4 前置液用量和接觸時間

3.4 套管居中度

一般要求套管居中度達(dá)到70%，兩井扶正器用量接近80只，模擬計(jì)算若井徑Φ293.24 mm，居中度可達(dá)到88%；若井徑Φ266.7 mm，居中度可以達(dá)到70%。這兩口井扶正器用量比以前的井都多，扶正效果較好，不是導(dǎo)致嚴(yán)重竄槽的原因。

3.5 溢流與井漏

該地區(qū)屬于正常壓力地層，已鉆井沒有發(fā)生過溢流，個別井發(fā)生過小級別井漏。上述兩口井無論是鉆井還是固井都沒有發(fā)生過溢流和井漏，因此，溢流和井漏也不是導(dǎo)致固井質(zhì)量差的原因。

3.6 固井施工

VS-6井固井施工中途停泵1.5 h，沒有碰壓，返回水正常。VS-8井固井施工正常，碰壓正常。

綜上所述，兩口井固井嚴(yán)重竄槽排除以下幾種情況：①不是候凝階段水泥漿漏失造成。因?yàn)槁┦е辉斐煞蹈卟粔?，是兩個界面一起漏，不可能一界面漏，二界面不漏，況且注水泥階段沒有發(fā)生漏失。②不存在沒有壓穩(wěn)油層或水層導(dǎo)致溢流竄出問題。③不可能是中途停泵前置液混入水泥漿，前置液和水泥漿，水泥漿和泥漿之間有膠塞隔離。因此，可以判定是由于水泥漿性能設(shè)計(jì)和注替參數(shù)不匹配造成的。兩口井均屬于低速層流頂替，產(chǎn)生的壁面剪應(yīng)力無法超過泥漿的膠凝強(qiáng)度，導(dǎo)致泥漿和水泥漿互竄。

4 改進(jìn)措施

為提高頂替效率，需要提高水泥漿驅(qū)動泥漿的壁面剪應(yīng)力。根據(jù)上述壁面剪應(yīng)力的計(jì)算公式，提高頂替效率的措施歸納為：①提高環(huán)空返速；②提高水泥漿密度；③提高水泥漿黏切。

因此對新井固井提出改進(jìn)措施：①采用高黏高切水泥漿，環(huán)空返速要大于1 m/s，高速層流流態(tài)注水泥；②對于Φ177.8 mm套管，Φ241.3 mm井眼替漿要達(dá)到1.91 m3/min以上，Φ215.9 mm井眼替漿要達(dá)到1.27 m3/min以上；③實(shí)現(xiàn)上述，要用鉆井泵頂替，接近結(jié)束時也可以換水泥車頂替并碰壓；④根據(jù)井下情況低速轉(zhuǎn)動套管，形成擾流流動可以破壞鉆井液膠凝結(jié)構(gòu)。

5 實(shí)施效果評價

上述改進(jìn)措施體現(xiàn)在VS-7和VS-9井的固井實(shí)踐中，頂替時采用了高速層流驅(qū)替。兩口井水泥漿流變性測試結(jié)果見表5，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量結(jié)果與VS-6和VS-8井差別不大，流變參數(shù)計(jì)算結(jié)果比較接近，和VS-6、VS-8兩口井一樣是層流流態(tài)，是典型的高速層流驅(qū)替。4口井固井參數(shù)對比見表6，變化比較大的有：替漿排量提到了2.23 m3/min，用20～30 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動套管，取消了領(lǐng)漿，縮短了施工時間和稠化時間。根據(jù)該地區(qū)實(shí)測情況，井眼一般在Φ266.7 mm，2.23 m3/min的替漿排量算出環(huán)空返速達(dá)到了1.2 m/s，壁面剪應(yīng)力達(dá)到了89 Pa，高于一般鉆井液的膠凝強(qiáng)度，頂替效率大幅提高，測井顯示封固段水泥環(huán)密實(shí)，水泥返深界面清晰。

表5 VS-7和VS-9井旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量結(jié)果

表6 四口井技術(shù)參數(shù)對比

6 結(jié)論

1）VS-6、VS-8兩口井環(huán)空竄槽是由于替漿排量設(shè)計(jì)不合理造成的。低速層流頂替產(chǎn)生的壁面剪應(yīng)力無法超過泥漿的膠凝強(qiáng)度，導(dǎo)致泥漿和水泥漿互竄。

2）壁面剪應(yīng)力影響因素有返速、黏度、密度。層流狀態(tài)下與返速的n次方成正比，紊流狀態(tài)下與返速的（1.4+0.3n）（n為流型指數(shù)，n＜1，取紊流摩阻系數(shù)計(jì)算的中位數(shù)）次方成正比，與水泥漿黏度和密度均成正比。不管哪種流態(tài)提高環(huán)空返速均能增大壁面剪應(yīng)力，從而獲得好的驅(qū)替效果。

3）VS-7、VS-9兩口井固井實(shí)踐證明，水泥漿返速超過1.2 m/s，黏度超過240 mPa·s固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，即使水泥漿黏度達(dá)到220m Pa·s，若返速低于0.64 m/s，固井質(zhì)量也不合格。因此，替漿返速要求超過1.2 m/s以上。

4）注水泥時轉(zhuǎn)動套管有利于形成擾流，提高驅(qū)替效率，依據(jù)井下情況盡可能轉(zhuǎn)動套管。

5）在保證井壁穩(wěn)定的情況下盡可能增加前置液和井壁的接觸時間，固井要連續(xù)不能中斷，這些均有利于提高頂替效率。