漏失量較大地層“戴帽”固井技術(shù)

李硯智， 張長(zhǎng)茂， 張 平

(1.河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 衡水 053000； 2.河北省地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)研究所，河北 衡水 053000)

0 引言

在地?zé)峋_(kāi)發(fā)過(guò)程中，固井的主要目的是保證套管的穩(wěn)定性并封堵非目的含水層，使不同熱儲(chǔ)層的水相互隔離，相對(duì)于油氣井的固井質(zhì)量要求要簡(jiǎn)單的多，大多數(shù)的地?zé)峋韺犹坠芤韵录夹g(shù)套管的固井往往采用“穿鞋戴帽”的方式[1-2]，即技術(shù)套管的頂、底部只需一部分水泥漿柱就可以達(dá)到固井目的,考慮后期開(kāi)采，水泥盡量少封固含水層。但是，對(duì)于漏失量較大地層的“戴帽”固井時(shí)，首先鉆桿下入位置是成功的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)；其次注替漿水過(guò)程中泥漿泵排量小很容易導(dǎo)致水泥漿和水混合被稀釋，致使水泥漿不能夠凝固；再則水泥漿進(jìn)入重疊管之后導(dǎo)致水泥漿整體液柱壓力增大加劇液面下降，當(dāng)水泥漿進(jìn)入地層后整體液柱壓力下降又會(huì)導(dǎo)致液面回升，即水泥漿液柱壓力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，最終的穩(wěn)定液面受很多方面的影響[3-5]。本文針對(duì)固井過(guò)程中鉆桿下入位置及水泥漿被稀釋導(dǎo)致固井失敗的問(wèn)題，總結(jié)“戴帽”固井的關(guān)鍵問(wèn)題，并結(jié)合工程實(shí)例提出了一些人為控制方法來(lái)提高固井的成功率。

1 KM-01井基本情況

KM-01井位于牛駝鎮(zhèn)凸起，設(shè)計(jì)井深1600.00 m，井身井管結(jié)構(gòu)如下：一開(kāi)井深0～400.00 m下入?339.7 mm套管，二開(kāi)350.00～800.00 m下入?244.5 mm套管，三開(kāi)750.00～1600.00 m下入?177.8 mm套管，?177.8 mm套管與?244.5 mm套管重疊50.00 m。本井鉆進(jìn)至810.00 m鉆井液失返，地層巖性為硅質(zhì)白云巖，薊縣系霧迷山組的風(fēng)化殼位置，漏失量大，從810.00 m后采用清水頂漏鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中采用的泵量為20～30 L/s，井口不返水,即三開(kāi)霧迷山地層的漏失量在100 m3/h(不同的泵量對(duì)應(yīng)的井內(nèi)水位不同)以上。本文所述“戴帽”固井指的是三開(kāi)套管頂部的固井，即自深度750.00 m以深包括套管重疊位置及三開(kāi)上部50.00 m井段。KM-01井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KM-01井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program of Well KM-01

2 三開(kāi)“戴帽”固井過(guò)程分析

在介紹3次固井具體情況前，首先要?dú)w納總結(jié)一個(gè)新的穩(wěn)定液面及鉆桿下入位置的計(jì)算公式，同時(shí)通過(guò)模擬打水泥漿時(shí)井內(nèi)水位抬升的高度來(lái)?yè)Q算水泥漿下移的深度，或者在水泥漿剛出鉆桿的時(shí)候停泵，使液面恢復(fù)至原平衡液面，以便確定鉆桿下入位置，這在大漏失井段“戴帽”固井中是關(guān)鍵的一點(diǎn)。

h1=(ρm/ρw)hm-hm+h0

(1)

式中：h1——新平衡液面深度，m；hm——水泥漿柱在套管環(huán)空內(nèi)高度,m；h0——原平衡液面深度，m；ρm——水泥漿密度，g/cm3；ρw——清水密度，g/cm3。

鉆桿下入位置受漏層的壓力、漏失速度(漏失量)、漏層位置、三開(kāi)套管下入的位置(三開(kāi)套管頂深度)、二開(kāi)的套管和表層套管直徑不同所致的每米的內(nèi)容積的差別、泥漿泵排量等因素的影響[6-7]。其中漏失速度(漏失量)及泥漿泵排量決定了：固井時(shí)，當(dāng)用泥漿泵泵送水泥漿至水泥漿剛要出鉆桿時(shí)井內(nèi)動(dòng)液面的深度(或者說(shuō)井內(nèi)液面高出原凈液面的高度)，此時(shí)井內(nèi)動(dòng)液面的高度是確定鉆桿下入位置的一個(gè)重要參數(shù)，這個(gè)液面高度可通過(guò)停泵的方式使其恢復(fù)至原平衡液面(停泵的過(guò)程中必須保證泵送管線不漏氣)，也可通過(guò)模擬打水泥漿的方式獲得[8-11]。當(dāng)從一個(gè)穩(wěn)定的靜液面開(kāi)始向井內(nèi)泵送液體時(shí)，地層的漏失速度(漏失量)是一個(gè)逐漸增大的變量值，它是隨著液面的抬升逐漸增大，當(dāng)液面達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)液面時(shí)，漏失速度(漏失量)達(dá)最大；此時(shí)若泥漿泵的排量不能夠再增大，將保持這樣漏失速度的全泵量漏失，因此，在打替漿水的過(guò)程中應(yīng)該選擇大于漏失量的泵量，且在打替漿水的過(guò)程中不能停頓，以盡量減小水泥漿被稀釋[12-13]。針對(duì)上述因素，依照壓力平衡的原理，在井內(nèi)全部是清水的情況下，總結(jié)了一個(gè)鉆桿下入位置的參考公式。

H=H1-H2-hm+Hx

(2)

式中：H——鉆桿下入位置，m；H1——三開(kāi)套管頂部的深度，m；H2——理論上水泥漿柱下行距離〔可根據(jù)不同套管環(huán)空容積差別具體調(diào)整，H2=(ρm/ρw)hm×0.077/0.04，hm、ρm、ρw同公式(1)，即將?339.7 mm套管內(nèi)液面下降值轉(zhuǎn)換到?244.5 mm套管里水泥漿柱下行距離，考慮到?127 mm鉆桿的影響〕，m；Hx——浮動(dòng)系數(shù)，取值范圍20～30 m，考慮套管內(nèi)預(yù)留水泥塞的高度。

2.1 第一次固井

井口未密封，穩(wěn)定液面136.00 m，注入G級(jí)水泥漿3.20 m3,水泥漿密度1.80 g/cm3，注入替漿水4.00 m3，此時(shí)理論計(jì)算穩(wěn)定液面應(yīng)為200.00 m，水泥漿柱高度80.00 m，液面穩(wěn)定過(guò)程中將水泥漿柱下推123.20 m，?127 mm鉆桿下入深度601.00 m，距離重疊管頂部149.00 m，打完水泥漿后液面136.00 m上漲至132.00 m，打完替漿水后水位下降至186.00 m，由于液面下降速率過(guò)快，提出4個(gè)?127 mm鉆桿立根，此時(shí)液面下降至196.00 m，之后開(kāi)始緩慢上漲，為控制液面上漲導(dǎo)致水泥漿上返，分3次從井口共計(jì)灌入清水4.00 m3，最終液面穩(wěn)定在136.00 m，候凝48 h后下鉆無(wú)水泥塞，固井失敗。

2.2 第二次固井

井口未密封，穩(wěn)定液面137.75 m，注入G級(jí)水泥漿3.20 m3,水泥漿密度1.80 g/cm3，注入替漿水5.10 m3，此時(shí)理論計(jì)算穩(wěn)定液面應(yīng)為201.75 m，水泥漿柱高度80.00 m，液面穩(wěn)定過(guò)程中將水泥漿柱下推123.20 m，?127 mm鉆桿下入深度569.00 m，距離重疊管頂部181.00 m，本次打替漿水的過(guò)程中前2.00 m3替漿水是用單泵打，即打完2.00 m3替漿水理論上水泥漿剛出鉆桿開(kāi)始進(jìn)入?244.5 mm套管內(nèi)，此時(shí)剩余的3.10 m3替漿水采用雙泵打，其液面變化見(jiàn)表1，候凝48 h后下鉆探塞，塞頂面656.90 m，掃塞過(guò)程中根據(jù)鉆壓判斷塞子不完整，掃至重疊管口時(shí)再次出現(xiàn)漏失，固井失敗。

表1 第二次固井過(guò)程中液面變化Table 1 Liquid level changes in the second cementing

2.3 第三次固井

井口未密封，穩(wěn)定液面138.00 m，注入G級(jí)水泥漿3.50 m3,水泥漿密度1.80 g/cm3，注入替漿水4.50 m3，此時(shí)理論計(jì)算穩(wěn)定液面應(yīng)為208.00 m，水泥漿柱高度87.50 m，液面穩(wěn)定過(guò)程中將水泥漿柱下推134.75 m，?127 mm鉆桿下入深度554.00 m，距離重疊管頂部196.00 m，本次打替漿水的過(guò)程是直接用雙泵打完4.50 m3替漿水，其液面變化見(jiàn)表2。候凝48 h后下鉆探塞，塞頂面739.72 m，至重疊管口750.00 m處都是完整的水泥塞，沒(méi)有出現(xiàn)漏失，試壓后確定固井成功。

3 固井難點(diǎn)分析

3.1 第一次固井失敗原因分析

由于鉆桿下入位置不合適及水泥漿被稀釋導(dǎo)致固井失敗。打完水泥漿后液面為132.00 m，此后開(kāi)始打替漿水的過(guò)程中液面一直下降，至186.00 m替漿水打完，在這個(gè)過(guò)程中，隨著水泥漿被頂出鉆桿后進(jìn)入?244.5mm套管內(nèi)原壓力平衡狀態(tài)被打破，造成液面快速下降，此時(shí)水泥漿被稀釋，理論上計(jì)算132.00～186.00 m液面下降過(guò)程中有3.67 m3清水和水泥漿混合，此時(shí)水泥漿過(guò)度被稀釋導(dǎo)致失效，而后期灌入清水的過(guò)程又導(dǎo)致水泥漿最終全部進(jìn)入地層，最終液面恢復(fù)至136.00 m正好驗(yàn)證了理論推測(cè)，即水泥漿被稀釋后且全部被壓入地層后造成穩(wěn)定壓力恢復(fù)到原來(lái)的平衡，所以液面會(huì)緩慢上漲最終恢復(fù)至136.00 m。

表2 第三次固井過(guò)程中液面變化Table 2 Liquid level changes in the third cementing

3.2 第二次固井失敗原因分析

失敗的原因主要是泵送水泥漿時(shí)排量小，水泥漿和水混合造成水泥漿被稀釋，水泥漿不能夠凝固。從最終掃水泥塞的過(guò)程來(lái)看，頂出的水泥漿是被稀釋的，即沒(méi)有頂出完整的水泥塞。鉆桿下入位置為569.00 m,水泥塞頂面656.90 m，48 h后掃塞過(guò)程中小泵量上返，水泥塞斷斷續(xù)續(xù)有，需加壓回轉(zhuǎn)，鉆具才能下放，水泥塞為虛塞。掃塞接近三開(kāi)套管頂時(shí)(750.00 m)井口失返，但井內(nèi)水位30.00 m，比以前高了不少，地層漏失量較少，說(shuō)明750.00～800.00 m套管重疊部分的環(huán)空及部分地層的裂隙中也有水泥漿，不過(guò)是稀釋了的水泥漿，沒(méi)有形成真實(shí)的水泥塞；3.20 m3水泥漿在?244.5 mm套管內(nèi)理論上最多能形成80.00 m的真實(shí)水泥塞(實(shí)際由于兩頭混漿能形成70.00 m就不錯(cuò))，雖然不成功，但對(duì)地層起到了一定的堵漏作用，漏失量減小了，對(duì)下一次減少混漿很有利。

3.3 第三次固井成功原因分析

在前兩次固井的基礎(chǔ)上，第三次固井采用了雙泵打替漿水的方式來(lái)解決水泥漿被稀釋的問(wèn)題，從表2液面變化的情況來(lái)看，打完替漿水液面下降至208.00 m后基本上就穩(wěn)定住，不再出現(xiàn)返水導(dǎo)致液面大幅度上漲的現(xiàn)象。理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)?244.5 mm套管內(nèi)水泥漿進(jìn)入重疊管后，其造成液柱壓力增大，原平衡被破壞，加劇液面下降，當(dāng)重疊管環(huán)空全部充滿水泥漿的時(shí)刻是整體液柱壓力最大的時(shí)刻，此后隨著部分水泥漿進(jìn)入地層，整體液柱壓力將變小，此時(shí)，理論上就會(huì)出現(xiàn)地層水回流，這樣就出現(xiàn)一個(gè)后期水泥漿被稀釋的問(wèn)題，最終水泥漿被稀釋的程度及被頂出的總量與地層滲透性及水泥漿的稠度及凝固狀態(tài)有很大關(guān)系。在第三次固井過(guò)程中同樣出現(xiàn)了回流現(xiàn)象：提出12個(gè)鉆桿立根后水位是202.40 m，假如此時(shí)液面不變，隨后又提出17根鉆桿立根后，理論上液面應(yīng)下降10.00 m，而實(shí)際上液面僅下降了5.60 m，這中間的差值就是地層回流的量，約為0.35 m3，這個(gè)量要小于重疊管環(huán)空總量0.78 m3，即環(huán)空內(nèi)水泥漿不會(huì)被全部頂出或稀釋，這樣就保證了環(huán)空內(nèi)有完整的水泥塞。

同時(shí)，從3次固井的實(shí)際情況來(lái)看，其最終穩(wěn)定液面的位置與實(shí)際的鉆桿下入深度與理論公式計(jì)算的數(shù)值存在一定誤差(見(jiàn)表3)。這里面受水泥漿被稀釋、人為操作以及計(jì)算誤差等多方面的影響，因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)盡量保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確，加強(qiáng)人為操作上的合理性與嚴(yán)謹(jǐn)性[14-15]。

表3 3次固井過(guò)程中理論計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比Table 3 Comparison of theoretical calculation values andactual values in three cementing processes

4 結(jié)論

(1)利用壓力平衡原理，進(jìn)行漏失地層的固井，確保套管內(nèi)形成完整實(shí)水泥塞，固井才能成功。

(2)打替漿水時(shí)應(yīng)選擇大于地層漏失量的泵量，避免打替漿水的過(guò)程中水泥漿被稀釋。

(3)應(yīng)從理論上計(jì)算注入水泥漿后新的穩(wěn)定液面，并結(jié)合理論上預(yù)留水泥塞高度確定合理的鉆桿下入深度，以防水泥漿被全部壓入地層。

(4)大漏失量地層“戴帽”固井先對(duì)地層進(jìn)行堵漏，達(dá)到一定的堵漏效果，減小地層的漏失速度，在下一次的固井中能大大減少水泥漿的混漿，有利于形成密實(shí)的水泥塞。

(5)可以嘗試對(duì)水泥漿添加速凝劑，減小水泥漿凝固的時(shí)間，有利于提高固井成功率。

(6)盡量保證理論數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)人為操作過(guò)程中的合理性與嚴(yán)謹(jǐn)性。