“壓穩防漏”固井工藝在旬邑-宜君區塊的研究與應用

湯祖明

(中石化華北石油工程有限公司井下作業分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

旬邑—宜君區塊位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南與渭北隆起結合部，主力產層為三疊系延長組長3段與長8段，沉積環境為三角洲前緣水下分流河道沉積，砂體較發育，巖性以砂巖，含泥質粉砂巖為主。由于長1段在構造運動中抬升遭剝蝕缺層，導致長2段與侏羅系延安組地層為平行不整合接觸，且延安組上部和中部發育較厚煤層[1-2]。通過對比分析，結合前期探井DST測試，該區塊地層破裂壓力較低(1.60 g/cm3)，在鉆進和固井過程容易發生漏失，漏失層位主要為延安組，有個別井在延長組也發生漏失。通過對固井漏失井的漏失情況進行統計，表明該區塊油井發生漏失情況，主要表現為井口失返。由于地層發生漏失，環空水泥漿漿柱長度減少，導致環空靜液柱壓力低于地層壓力，不能有效壓穩長3段與長8段油層。從工程上來說井筒第一和第二界面膠結質量的好壞，直接影響油井后期的開采和使用壽命。為了達到有效封固目的層的目的，提出了“壓穩防漏”平衡固井工藝，控制環空循環當量密度動態變化，使其既能小于地層破裂壓力，又能平衡地層油氣當量密度[3-5]。為了實現“壓穩防漏”平衡固井工藝，從優化水泥漿的漿柱結構、水泥漿性能及施工工藝流程著手，簡化施工過程，嚴格控制施工排量，使環空頂替流態趨于穩定，提高水泥漿頂替效率[6]。同時要求鉆井隊在鉆進過程中加入隨鉆堵漏劑，根據不同的構造部位，再加入一定量的復配顆粒材料，通過對堵漏材料進入裂縫以密封和支撐的方式提高地層的承壓能力[7-8]，并在下套管前全井做地層承壓試驗，使固井漏失率明顯降低，提高固井成功率，保證全井段環空水泥石膠結質量。

1 發生漏失的原因

1.1 地層的原因

延長組屬于三角洲前緣水下河道砂體，砂體發育，巖性以砂巖、粉砂巖、含泥質粉砂巖為主，縱向上表現為多道砂體重疊，屬于低孔低滲致密油氣層類型。本區塊在區域構造運動中，造成2種結果：第一由于地層抬升，上覆地層裸露，長期受到物理化學作用，如淋浴、暴曬、化學搬運，造成地層缺失，而較難搬運礦物殘留在地表，形成風化殼，隨后下沉接受再沉積，與上覆地層形成平行不整合接觸，發育不整合接觸裂縫；第二由于地層遭到剝蝕，上覆壓力減少，地層應力得到釋放，產生應力裂縫，導致地層破裂壓力低。由此分析，造成井眼漏失的主要原因有2種，地層不整合性裂縫漏失和地層應力裂縫漏失。

1.2 鉆進方式和設備的原因

本區塊目的層較淺，長3段埋深300～600 m，長7、長8段埋深700～1300 m。在鉆進期間，部分井隊對地層壓力系統認識不足，未采取隨鉆堵漏的方法，故在鉆進過程中漏失情況嚴重。此外隨著鉆進的進行，地層應力的均衡被打破，應力釋放形成多方向的應力微裂縫，在沒有復配顆粒及惰性堵漏材料填補進入裂縫的情況下，導致地層承壓能力不高。同時由于施工的鉆井隊設備簡陋，沒有獨立的泥漿計量罐，井隊只有在井口返漿失返或者返漿量明顯減少的情況下才能發現井眼出現漏失，一般井眼在有輕微漏失存在的情況下井隊不易發現，錯過堵漏最佳時機，致使固井時發生漏失。

1.3 水泥漿漿柱結構及性能的原因

根據前期探井進行的DST測試結果，區域內地層壓力范圍為0.978～0.986 g/cm3，因此將水泥漿設計成“三凝”漿柱結構，分為領漿、過渡漿及尾漿，密度分別為1.35、1.55、1.75 g/cm3，領漿和過渡漿將作為廣義上的充填漿，封固非目的層，尾漿封固主要目的層。漿體流動度和初始稠度均按領漿<過渡漿<尾漿設計，領漿、過渡漿和尾漿易達到紊流流態。水泥漿采用2種配方(見表1)，利用稠化時間差和密度差的方式，來補充尾漿由液態轉變為塑態過程中失重損失的液柱壓力，使靜液柱壓力始終大于1.05 g/cm3，以達到壓穩油氣層的目的。但是由于該低密度水泥漿所在井段層位淺(200～300 m)，溫度低(16～18 ℃)，水泥石早期強度發展緩慢，候凝24 h后進行固井質量測井，聲波幅度曲線與變密度顯示環空多為自由段和膠結質量較差井段(參見圖1)。由于水泥漿過渡漿量少(3～6 m3)，密度混配難以達到設計要求，容易混配成領漿密度或者尾漿密度，造成水泥漿總體密度偏低或偏高，達不到設計的液柱壓力，不能壓穩長8段油氣層，或者增加水泥漿液柱壓力，導致地層破裂，發生漏失。

表1 水泥漿配方Table 1 The formulation of cement slurry

1.4 施工工藝的原因

通過對固井工藝流程統計分析，固井過程出現漏失現象，大部分發生在替漿過程中或關鍵節點上。如在本區塊施工工藝為注水泥漿排量設計1.0～1.2 m3/min，壓力控制為1.0～1.5 MPa，注壓塞液排量為1.0～1.1 m3/min，為減小U型管效應，替漿排量控制在1.0～1.2 m3/min，待替漿液追上水泥漿起壓后，將替漿排量降低至0.5 m3/min，待替漿壓力升至1.0 MPa后，繼續降低排量至0.3 m3/min，以該排量替漿直至碰壓。由于該工區油井完鉆井深較淺(900～1300 m)，套管單位內容積小(12.13 L/m)，環空體積大(30～40 m3)，替漿過程中U型管效應不明顯。在開始替漿時水泥漿已經進入環空15～20 m3，在以替漿排量為1.0～1.2 m3/min的情況下，追上水泥漿的瞬間形成一定“激動”壓力，使循環當量密度易大于地層破裂壓力1.60g/cm3，造成井漏，使水泥漿進入地層導致返高不足。

圖1渭北55井CBL曲線
Fig.1CBL curve of Well Weibei-55

1.5 漏失及水泥漿返高情況統計

已施工的48口井發生漏失及水泥漿返高情況見表2。其中有14口井發生漏失情況，漏失率為29.2%。開始替漿時井口斷流的井有1口，替漿至中后期(5～16 m3)，有12口井井口斷流?！皟赡苯Y構有6口井發生漏失，“三凝”結構有8口井發生漏失?！皟赡苯Y構中未采用穩定替漿排量施工工藝發生漏失的有1口井。根據測井變密度顯示，返高在100～300 m之間有9口井，2口井返高低于400 m?！皟赡苯Y構中漏失造成返高不夠有4口井，只有1口井返高滿足要求?！叭苯Y構的有6口，僅有1口井返高滿足要求。此外有4口井未發生漏失而返高不夠。

表2 漏失與水泥漿返高情況Table 2 The condition of circulation loss and cement slurry return height

綜合上述，本區塊發生漏失的主要因素是地層裂縫發育，地層承壓能力低。施工安全壓力窗口窄，并且一旦出現漏失，返漿口表現為失返，如何解決裂縫漏失提高地層承壓能力是目前主要問題之一；其次是長3段油層埋深淺，溫度低，水泥石強度發展較慢，如何設計水泥漿性能，使水泥石強度發展時間縮短，形成有效封固；其三是施工時循環當量密度的變化，如何將施工工藝流程合理化，降低施工過程循環當量密度。

2 技術措施和效果

2.1 技術措施

在前期已完成施工井數據和經驗的基礎上，排查出發生漏失的主要誘因是地層裂縫的存在，導致地層壓力低。因此，本次研究工作圍繞提高地層承壓能力、降低循環當量和優化水泥漿性能等方面進行，主要有以下幾方面：(1)在鉆進過程提高地層承壓力能力；(2)改變水泥漿柱結構，降低循環當量密度；(3)優化水泥漿性能，使水泥漿具有一定堵漏功能，提高早期強度發展；(4)優化施工工藝。

2.1.1 提高地層承壓能力

決定漏失地層壓力高低，不僅與裂縫孔隙度高低有關，還和圍壓有關[9]。由于裂縫性地層的承壓能力隨著堵漏材料進入裂縫的深度有關，故在鉆進過程中加入隨鉆堵漏劑，使其在裂縫張開時進入填充，以提高地層的承壓能力。下套管前對全井用原井漿做地層承壓試驗，并按公式(1)、(2)所計算值做承壓試驗，要求承壓值不低于計算值，穩壓時間30 min，井眼條件達不到要求，必須進行先期堵漏，滿足條件方能下套管。

P=ΔP靜+Pf+(1～3)

(1)

式中：P——承壓值，MPa；ΔP靜——環空水泥漿與泥漿靜液柱壓力差，MPa；Pf——水泥漿流動摩阻，MPa。

(2)

式中：f——水泥漿摩阻系數，無因次；L——水泥漿段長，m；ρc——水泥漿密度，g/cm3；V——水泥漿返速，m/s；R——井眼直徑，cm；r——套管外徑，cm。

2.1.2 漿柱結構設計

通過DTS測試顯示工區內地層壓力范圍為0.978～0.986 g/cm3，破裂壓力為1.60 g/cm3。為保證環空水泥漿當量密度在1.08～1.60 g/cm3范圍內，將水泥漿漿柱由“三凝”設計為 “兩凝”結構，其中領漿密度設計為1.35～1.40 g/cm3，封固上部油層長3段油頂150～200 m以上井段，尾漿密度設計為1.55 g/cm3，封固下部油層裸眼井段。根據地層破裂壓力測試值，將井底靜液柱當量密度1.08和1.60 g/cm3設為安全閥值，并依據公式(3)設計領漿和尾漿段長分界點。只有當井底當量密度在2個安全閥值之內，才滿足要求，否則重新設計分界點。此外還需考慮尾漿由液態轉為塑態過程造成的失重現象，使尾漿段當量密度在1.08～1.2 g/cm3。通過這樣設計，當環空充滿水泥漿后既能平衡地層壓力將油氣層壓穩，又不會將地層壓漏，這是“壓穩防漏”平衡固井理論的核心之一：壓穩。

ρ當L=ρ1L1+ρ2L2

(3)

式中：ρ當——井底當量密度，g/cm3；ρ1、ρ2——分別為領漿密度，尾漿密度，g/cm3；L、L1、L2——分別井眼長度、領漿段長、尾漿段長，m。

2.1.3 水泥漿性能優化

通過對不同廠家的添加劑進行室內評價，設計出一套配方(見表3)。依據顆粒級配原理，將不同粒徑顆粒按一定比例組合，緊密堆積，增加單位體積內有效固相含量，提高低密度水泥石強度[10-12]。該配方與前期配方相比，在領漿中降低減輕材料(漂珠)的加入比例，使固相顆粒的整體比表面積得到相應增加，微硅相對量得到增加，提高了水泥漿的沉降穩定性，加大了漿體的鎖水功能，降低了自由水的比例，降低了自由液及固相含量對致密油氣層孔喉通道的傷害[13]，并使水泥漿尾漿(1.55 g/cm3)具有一定的觸變性。此外在漿體中加入0.2%(以漿體量計算)長度為5 mm的纖維，提高了水泥石的綜合力學性能[14]，在井眼發生漏失的情況下，漿體中分散分布具有架橋功能的纖維，使水泥凝膠顆粒附著在纖維和漂珠所形成的立體空間之中，使水泥漿不能進入地層深部。另外加入適當比例的早強劑，使得水泥漿領漿早期強度發展更快，確保了領漿的膠結質量。在45 ℃×15 MPa×50 min條件下的基本性能如表4所示。根據工區作業特點，將外摻料和添加劑與水泥進行干混，這樣將領漿與尾漿設計成相同配方，通過利用地層深度與溫度的線性關系，以及調節水灰比來改變水泥漿密度與稠化時間。

2.1.4 優化施工工藝流程

簡化施工工藝流程，控制替漿排量，使環空頂替過程中頂替液流態始終穩定，提高頂替效率。由于環空水泥漿量為30～45 m3，替漿總量為10～13 m3，因此注水泥漿排量要求在1.0～1.1 m3/min范圍內，前置液在尾漿段(長3段以下)能以紊流流態的方式對井壁及套管壁進行沖刷。當開始替漿時前置液和水泥漿領漿已經過了尾漿段，U型管效應已經不明顯，因此改變前期替漿方式，不再以膠塞追上水泥漿后再降低排量的方式，而是整個替漿期間將排量穩定在0.3 m3/min，以期降低泥漿追上水泥漿產生的“激動”壓力及瞬間水泥漿改變流速的摩阻[15]，降低整體的循環當量密度，控制循環當量密度在1.60 g/cm3以內。

表3 水泥漿配方Table 3 The formulation of cement slurry

表4 水泥漿基本性能Table 4 The basic properties of cement slurry

2.2 施工效果

通過對地層構造演化及漏失機理的分析，對工區地層漏失性質進行定性判定，再針對性地采取上述技術措施后，在后期施工的15口井中，僅有4口井發生漏失但界面膠結質量滿足要求(見表5)。其余井水泥漿全返地面，第一膠結面與第二膠結面均滿足后期壓裂改造要求。這4口井漏失情況分別如下，渭北20井返高在108 m，油層第一和第二膠結面膠結良好，界面不存在竄槽情況；渭北25井測井顯示返高121 m，但在施工時水泥漿返出地面，可以判斷為候凝過程發生漏失(井隊承壓試驗2.3MPa，沒有滿足承壓要求)；渭北24井和渭北49井，替漿后期水泥已經返出地面，故水泥漿達到返高要求，油氣層封固質量達到良好—優秀。

表5 固井質量Table 5 The cementation quality

3 認識與建議

(1)水泥漿采用 “兩凝”結構，使用相同配方，領漿密度為1.35～1.40 g/cm3，尾漿密度為1.55 g/cm3，領漿稠化時間控制在190～210 min，尾漿稠化時間控制在80～90 min，確保尾漿失重后領漿還能有效的將壓力下傳，使靜液柱當量密度為1.08～1.20 g/cm3。

(2)水泥漿外摻料中加入適當的早強劑，使水泥石快速發展早期強度，滿足上部井段水泥石強度的要求。

(3)加入適當比例的微硅和減輕材料，提高水泥漿的抗沉降穩定性，降低析水量，微硅適當加入使尾漿具有微觸變性，通過纖維在漿體中的架構作用，使其具有充填裂縫防止漏失的功效。

(4)控制施工排量，充分利用套管內容量小，水泥漿量大， U型管效應不明顯，降低追上水泥漿時的“激動”壓力，減少對地層的總壓力，將替漿過程循環當量密度控制在1.60 g/cm3以下。

(5)加強對井隊泥漿性能的監控，建議井隊在鉆進過程中加入細顆粒隨鉆堵漏材料，以提高地層的承壓能力，在固井前降粘降切，泥漿性能必須滿足固井施工的要求。