川南區(qū)塊頁巖氣井壓穩(wěn)防漏固井技術(shù)研究

楊 偉

（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 450007）

0 引言

川南是中國(guó)頁巖氣資源最豐富、最具有開發(fā)價(jià)值的地區(qū)，主要包括長(zhǎng)寧區(qū)塊、威遠(yuǎn)區(qū)塊和瀘州區(qū)塊。川南區(qū)塊三開鉆進(jìn)鉆遇主要?dú)鈱訛轫毤液咏M、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M、茅口組，同時(shí)茅口組易漏失，鉆井中極易出現(xiàn)由漏轉(zhuǎn)噴的井控問題，處理難度大。目前鉆井壓穩(wěn)措施主要依靠提高鉆井液密度，防漏堵漏措施主要為橋漿堵漏和水泥漿堵漏。固井主要依靠?jī)?yōu)化水泥漿性能、水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)及注替排量等措施來達(dá)到壓穩(wěn)防漏的目的，但是存在水泥漿性能、漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，缺少對(duì)地層的承壓能力及壓穩(wěn)當(dāng)量密度的理論計(jì)算分析等問題，技術(shù)套管固井依然存在漏失頻發(fā)，環(huán)空帶壓等問題。

1 頁巖氣技術(shù)套管固井施工技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 淺層氣活躍，易發(fā)生氣竄

川南區(qū)塊上部發(fā)育多套淺層氣地層，結(jié)合該區(qū)塊前期打鉆異常情況，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊淺層氣活躍，固井候凝過程中易發(fā)生氣竄，導(dǎo)致環(huán)空帶壓。前期有4口井技術(shù)套管固井結(jié)束后發(fā)生環(huán)空帶壓（如表1所示）。

表1 技術(shù)套管固井環(huán)空帶壓情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of annular pressure in technical casing cementing process

1.2 茅口組易漏失，壓穩(wěn)與防漏矛盾突出

川南區(qū)塊技術(shù)套管鉆進(jìn)過程中漏失主要集中在茅口組，茅口組巖性特征主要為灰?guī)r夾雜灰黑色碳質(zhì)泥頁巖，地震剖面顯示裂縫發(fā)育，漏失類型主要為裂縫性漏失（見表2）。同時(shí)漏失地層氣層發(fā)育，極易出現(xiàn)由漏轉(zhuǎn)噴，處理難度大［1］。如何保證在壓穩(wěn)前提下防漏是一個(gè)主要難題。

表2 川南區(qū)塊頁巖氣井鉆井漏失統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of drilling loss of shale gas wells in Southern Sichuan Block

1.3 鉆井液密度高，頂替效率低

川南區(qū)塊在進(jìn)入飛仙關(guān)組后，為了壓穩(wěn)淺層氣，鉆井液密度提高至2.05 g/cm3左右，固井水泥漿密度高達(dá)2.15 g/cm3，且裸眼段環(huán)容較大，受排量影響，環(huán)空返速較低，水泥漿易污染、易竄槽，影響頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量［2］。

2 易漏地層堵漏后承壓能力研究

川南區(qū)塊技術(shù)套管鉆進(jìn)漏失主要集中在茅口組，漏失類型主要為裂縫性漏失。結(jié)合鉆井資料，茅口組漏失當(dāng)量密度可能＜1.55 g/cm3。為了壓穩(wěn)，進(jìn)入茅口組后鉆井液密度提高至2.05 g/cm3左右，固井水泥漿密度為2.10～2.15 g/cm3，單獨(dú)研究茅口組地層漏失壓力對(duì)指導(dǎo)固井沒有意義，應(yīng)分析茅口組在經(jīng)過漏失堵漏后的地層承壓能力，為固井防漏提供依據(jù)和參考。本文以固井前地層漏失壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試方法為指導(dǎo)，通過計(jì)算經(jīng)過堵漏后漏失地層的承壓能力和固井施工過程中作用在漏層的最大動(dòng)液柱壓力，分析固井過程中是否存在漏失的可能性，以此指導(dǎo)注替排量的設(shè)計(jì)［3-6］。

2.1 循環(huán)摩阻計(jì)算

為了便于研究，做如下假設(shè)：（1）環(huán)空通暢，不存在明顯憋堵井段；（2）鉆井液滿足賓漢流變模式；（3）充分循環(huán)后，井內(nèi)鉆井液性能一致；（4）套管串上的浮箍、浮鞋水眼直徑較大，節(jié)流效應(yīng)較小，井口立壓主要是套管、環(huán)空的循環(huán)摩阻疊加。固井前循環(huán)鉆井液，充分降粘切，逐步提高排量，鉆井液在環(huán)空內(nèi)的流態(tài)變?yōu)槲闪?。套管和環(huán)空流動(dòng)摩阻計(jì)算公式如下［7-11］：

環(huán)空內(nèi)流體平均流速：

塞流與層流時(shí)環(huán)空范寧摩阻系數(shù)：

式中：ηp——鉆井液塑性粘度，mPa·s；Di——套管內(nèi)徑，mm；Dw——井眼內(nèi)徑，mm；De——套管外徑，mm；ρ——鉆井液密度，g/cm3；Q——循環(huán)排量，L/s；L——井深，m。

2.2 易漏地層堵漏后承壓能力計(jì)算

根據(jù)摩阻“線性分布”和“可疊加”特征，計(jì)算不同層位處承受的動(dòng)摩阻，進(jìn)而計(jì)算此排量循環(huán)時(shí)的動(dòng)液柱壓力［12］。以瀘203H59-4 井?244.5 mm 套管固井為例。固井前鉆井液密度2.05 g/cm3，動(dòng)切力14 Pa，塑性粘度36 mPa·s。固井前最大循環(huán)排量43 L/s，井口壓力為11 MPa。環(huán)空不同井段承受的動(dòng)液柱壓力見表3。環(huán)空分2 段，套管分1 段，技術(shù)套管平均直徑為342.3 mm，計(jì)算得出環(huán)空摩阻和套管內(nèi)的總摩阻分別為7.509 MPa 和2.364 MPa，二者之和為9.873 MPa，和井口壓力相差1.127 MPa，滿足相對(duì)誤差＜15%的要求，考慮浮箍、浮鞋及扶正器的節(jié)流效應(yīng)，理論計(jì)算結(jié)果偏小，符合實(shí)際情況。

表3 根據(jù)井口壓力計(jì)算的環(huán)空及套管內(nèi)摩阻Table 3 Calculation of annular and casing internal friction based on wellhead pressure

根據(jù)式（8）和線性疊加原理，可得作用在漏層位置2537.8 m 處的循環(huán)摩阻為6.803 MPa，換算成動(dòng)液柱當(dāng)量密度為2.323 g/cm3。即漏層處經(jīng)過堵漏后的地層承壓能力≮2.323 g/cm3。

3 技術(shù)套管水泥漿性能及漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 水泥漿體系性能設(shè)計(jì)

川南區(qū)塊技術(shù)套管固井壓穩(wěn)與防漏矛盾突出，要求水泥漿具有良好的防竄性能和良好的流動(dòng)性。根據(jù)這一現(xiàn)狀，研發(fā)了一套單密多凝防氣竄水泥漿體系［13-15］，該體系配方組成為：100%嘉華G 級(jí)水泥（JHG）+25% 鐵礦粉（Fe3O4）+0.4% 分散劑+2.0%降失水劑+1.5%防竄劑+0.5%～1.1%緩凝劑+42%水。其性能參數(shù)見表4。該體系水泥漿防氣竄性能良好，流動(dòng)性適中，且具有一定的微膨脹性能，能夠彌補(bǔ)水泥漿在稠化過程中的體積收縮，避免膠結(jié)面產(chǎn)生微間隙。圖1、圖2 為水泥漿稠化曲線。

圖1 領(lǐng)漿稠化曲線Fig.1 Collar slurry thickening curve

圖2 尾漿稠化曲線Fig.2 Tail slurry thickening curve

表4 水泥漿體系性能參數(shù)Table 4 Parameters of cement slurry system

由圖1、圖2 可知，該體系水泥漿稠化曲線平穩(wěn)，過渡時(shí)間短，具有直角稠化的特性，一旦水泥漿開始稠化立刻就能形成較強(qiáng)的膠凝結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了抗竄阻力，有助于防竄。

3.2 漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化前漿柱結(jié)構(gòu)為領(lǐng)漿+尾漿，尾漿封固井底—飛仙關(guān)組底井段，領(lǐng)漿封固飛仙關(guān)組底—井口井段。該區(qū)塊飛仙關(guān)組全烴值大，氣層活躍，領(lǐng)漿稠化過程中逐漸失重，無法壓穩(wěn)淺層氣，且領(lǐng)漿稠化時(shí)間較長(zhǎng)，不利于防氣竄，易發(fā)生環(huán)空帶壓。根據(jù)前期固井情況，本文從漿柱結(jié)構(gòu)、漿體密度兩方面進(jìn)行優(yōu)化，將原先的單密兩凝水泥漿體系改成單密三凝水泥漿體系，尾漿封固井底—最上部主力氣層以上200 m 井段，中漿封固尾漿頂—表套鞋井段，領(lǐng)漿封固中漿頂—井口井段。同時(shí)縮短中漿的稠化時(shí)間，稠化時(shí)間在尾漿基礎(chǔ)上附加30 min 左右，對(duì)承壓實(shí)驗(yàn)滿足要求的井適當(dāng)提高水泥漿密度至2.13 g/cm3。優(yōu)化后的固井漿柱結(jié)構(gòu)以入井順序依次為前置液（沖洗液+隔離液）、領(lǐng)漿、中漿和尾漿。

隔離液作用是分隔鉆井液與保證頂替界面穩(wěn)態(tài)，用量設(shè)計(jì)為：占環(huán)空高度300 m；密度設(shè)計(jì)為：鉆井液＜隔離液＜水泥漿；流變性應(yīng)滿足［16］：(τ0/η)隔離液(漿)＞(τ0/η)鉆井液或φ100隔離液(漿)＞φ100鉆井液。

優(yōu)化后的漿柱結(jié)構(gòu)尾漿封固所有主力氣層，中漿封固氣測(cè)異常層，將原來的領(lǐng)漿替換為中漿，中漿稠化時(shí)上部領(lǐng)漿還未稠化，依然能保證壓穩(wěn)。同時(shí)尾漿稠化時(shí)間控制在施工結(jié)束后30 min，中漿稠化時(shí)間控制在施工結(jié)束后60 min，既能滿足施工需要，又能達(dá)到“以快制氣”的目的。

4 注替排量設(shè)計(jì)

相比于層流頂替與塞流頂替，紊流頂替效率最大。根據(jù)式（9）、式（10）計(jì)算出技術(shù)套管固井隔離液達(dá)到紊流所需排量為98 L/s，根據(jù)軟件模擬出隔離液達(dá)到紊流所需排量為101.7 L/s，該排量明顯在現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)施，故需要重新設(shè)計(jì)注替排量。

式中：Dw——井徑，cm；De——套管外徑，cm；Qc——環(huán)空紊流臨界排量，L/s；Qw——環(huán)空塞流臨界排量，L/s；Rec——漿體紊流臨界雷諾數(shù)；K——稠度系數(shù)，Pa·s；n——流性指數(shù)。

以瀘203H59-4 井為例，該井技術(shù)套管固井隔離液密度為2.08 g/cm3，水泥漿密度為2.10 g/cm3，根據(jù)承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合環(huán)空摩阻計(jì)算方法反推施工最大排量。

假設(shè)隔離液全部返出后仍然以最大排量替漿，此時(shí)環(huán)空均為密度2.1 g/cm3的水泥漿，最大值假設(shè)有助于為施工預(yù)留安全空間。此時(shí)要求作用在漏層2537.8 m 處的最大摩阻≯5.64 MPa，結(jié)合式（4）、（6）、（8）（此時(shí)環(huán)空為層流）反推出流速的計(jì)算公式為：

式中：ηp——水泥漿塑性粘度，mPa·s；Pf——環(huán)空摩阻，MPa；Dw——井眼內(nèi)徑，mm；De——套管外徑，mm；L——井深，m。

水泥漿塑性粘度為52 mPa.s，計(jì)算出V=0.84 m/s，利用式（2）計(jì)算出Q=37.86 L/s，本井替漿過程中最大排量≯37.86 L/s。

5 壓穩(wěn)輔助技術(shù)研究

區(qū)塊淺層氣發(fā)育，固井候凝過程中容易發(fā)生氣竄，造成環(huán)空帶壓，針對(duì)這一情況，固井結(jié)束后采取環(huán)空加壓的方式［17-18］。具體加壓值計(jì)算過程如下（以2423 和2991 m 處為例）。

2423 m 處循環(huán)時(shí)最大動(dòng)液柱壓力當(dāng)量密度為2.329 g/cm3，此時(shí)進(jìn)出口密度一致，說明該循環(huán)排量下的動(dòng)液柱壓力能壓穩(wěn)氣層，固井結(jié)束后該處的靜液柱壓力當(dāng)量密度為2.10 g/cm3，需要加壓值為5.45 MPa；2991 m 循環(huán)時(shí)最大動(dòng)液柱壓力當(dāng)量密度為2.306 g/cm3，尾漿失重前需要加壓值為6.05 MPa，尾漿失重后需要加壓值為10.83 MPa。

7 個(gè)淺層氣最為活躍的點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表5。由表5 可以得出所需環(huán)空加壓值隨井深增加而增大，考慮到防漏的需要，采取階梯式加壓的方式，首先加壓1～2 MPa，停泵，觀察壓力變化，若5 min 后壓力基本穩(wěn)定不降，則繼續(xù)加壓，每次加壓值為1～2 MPa，直至加壓至井底壓穩(wěn)所需壓力；若壓力下降較快，則30 min 后再進(jìn)行加壓，重復(fù)上述步驟，直至加壓至設(shè)計(jì)值，瀘203H59-4 井最終加壓值為11 MPa。通過優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)和科學(xué)的環(huán)空加壓，截止2022 年底，川南區(qū)塊共進(jìn)行13 井次的技術(shù)套管固井施工，環(huán)空帶壓率由50%降低至10%。

表5 環(huán)空加壓值計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of annular pressure value

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

瀘203H56-4 井技術(shù)套管井深為2616 m，采用常規(guī)單級(jí)固井，使用單密多凝微膨脹防氣竄水泥漿體系，密度為2.10 g/cm3的領(lǐng)漿封固0～960 m 井段，中漿封固960～2000 m 井段，尾漿封固2000～2616 m 井段；采用密度為2.05 g/cm3的泥漿替漿+環(huán)空預(yù)應(yīng)力固井。本井共注入密度2.08 g/cm3隔離液15 m3，密度1.02 g/cm3沖洗液5 m3，密度2.10 g/cm3領(lǐng)漿30 m3，密度2.10 g/cm3中漿48 m3，密度2.10 g/cm3尾漿31 m3，替密度1.02 g/cm3壓塞液4 m3，替密度2.05 g/cm3鉆井液96 m3。施工結(jié)束后立刻組織進(jìn)行環(huán)空加壓，環(huán)空加壓采用階梯式加壓，最終加壓至12 MPa，加壓持續(xù)時(shí)間為12 h，固井質(zhì)量如表6所示。

表6 第一界面水泥膠結(jié)質(zhì)量Table 6 The cementing quality of first interface

7 結(jié)論及建議

（1）川南區(qū)塊深層頁巖氣技術(shù)套管易漏地層為茅口組和龍?zhí)督M，主要漏失層位為茅口組，可以通過地層漏失壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試方法求出漏層經(jīng)過堵漏后的承壓能力，根據(jù)易漏地層承壓能力反推注替最大排量，保障固井過程中不發(fā)生漏失。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后技術(shù)套管固井漿柱結(jié)構(gòu)為：尾漿封固井段為井底—最上部主力氣層以上200 m 井段，中漿封固井段為尾漿頂—表層套管鞋井段，領(lǐng)漿封固井段為中漿頂—井口，同時(shí)縮短水泥漿稠化時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“以快制氣”。

（3）技術(shù)套管固井結(jié)束后采取環(huán)空加壓，保證壓穩(wěn)，加壓過程采取階梯式加壓，防止加壓過快壓漏地層。

（4）應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)川南區(qū)塊井筒承壓能力，為提高水泥漿密度，增加環(huán)空加壓值等提升環(huán)空壓穩(wěn)系數(shù)等技術(shù)措施提供可行條件，進(jìn)一步降低環(huán)空帶壓情況的發(fā)生。