東海防氣竄固井技術(shù)研究與應(yīng)用

雷磊，李乾，黃佩，黃召

1.中海石油（中國）有限公司 上海分公司（上海200335）

2.中國石油化工股份有限公司 上海海洋油氣分公司（上海 200120）

東海海域主要油氣藏特點(diǎn)表現(xiàn)為儲層埋藏深、物性低孔低滲，屬于非常規(guī)油氣藏范疇，隨著該海域勘探開發(fā)力度的不斷加大，該類非常規(guī)油氣藏將成為未來主攻領(lǐng)域。為了更好地完成試井取資料任務(wù)，需要良好的固井質(zhì)量做為基礎(chǔ)保障，但由于儲層低孔低滲特點(diǎn)，流阻大、流量小，鉆前地層壓力預(yù)測準(zhǔn)確度低，實(shí)際地層壓力求取較困難，常規(guī)的固井手段易造成固井時(shí)不能有效壓穩(wěn)地層而發(fā)生氣竄，從而導(dǎo)致固井質(zhì)量不合格或環(huán)空帶壓等復(fù)雜情況的發(fā)生，不能滿足后續(xù)完井測試要求和影響油氣井產(chǎn)能等。因此開展東海低孔低滲儲層防氣竄固井技術(shù)的研究非常有必要，能夠有效指導(dǎo)今后東海的固井作業(yè)。

1 防氣竄參數(shù)表征

1.1 水泥漿靜膠凝強(qiáng)度研究

水泥漿失重是指水泥漿在凝結(jié)過程中對下部或者地層所作用的壓力逐漸降低，好像失去了一部分重量。當(dāng)水泥漿漿柱壓力由于失重而低于地層壓力后，地層中的流體就會侵入環(huán)空形成竄流，如流體為氣體則即為氣侵。有很多種原因可能導(dǎo)致水泥漿漿柱壓力的降低，如水泥漿失水、體積收縮、橋堵等[1-4]。近些年，隨著水泥漿體系的不斷完善，已基本解決了由于水泥漿失水和水化導(dǎo)致體積減小而引起的水泥漿失重問題。因此，主要研究由靜膠凝強(qiáng)度變化引起的水泥漿液柱壓力損失。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究表明[5-10]，在水泥漿候凝過程中最容易發(fā)生氣竄。在水泥漿柱頂替到位后，環(huán)空中水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度將不斷增加，逐漸形成具有一定膠凝強(qiáng)度的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使水泥漿柱的一部分重量懸掛在井壁和套管上，難以有效向下傳遞，導(dǎo)致水泥漿的靜液柱壓力隨之降低。當(dāng)水泥漿柱壓力低于地層壓力時(shí)，地層中氣體便會進(jìn)入環(huán)空，沿漿柱向上運(yùn)動形成氣竄，原理如圖1所示。有研究表明，靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到150 Pa之后，水泥漿柱就有足夠的阻力來阻止氣竄，因此選取靜膠凝強(qiáng)度150 Pa作為臨界值，設(shè)計(jì)防氣竄水泥漿柱。

圖1 固井氣竄原理示意圖

1.2 壓穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)施固井作業(yè)前，需要確保井內(nèi)液柱壓力與地層壓力相平衡，保證壓穩(wěn)地層。對于探井而言，地層壓力預(yù)測難以做到準(zhǔn)確可靠，而在低孔低滲地層中進(jìn)行測壓取樣的成功率又難以保證，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確認(rèn)識地層孔隙壓力，給固井水泥漿柱壓穩(wěn)設(shè)計(jì)帶來了很大挑戰(zhàn)。根據(jù)東海長期的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以常規(guī)氣層壓穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)，即固井前氣測值＜5%，推演出高壓低滲氣層壓穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)：①有可靠地層孔隙壓力數(shù)據(jù)，則在實(shí)際地層壓力基礎(chǔ)上附加0.07～0.15 g/cm3；②無可靠地層孔隙壓力數(shù)據(jù)，則根據(jù)短起下測得的后效氣氣全量與循環(huán)時(shí)的氣全量進(jìn)行對比，兩者接近則判斷為壓穩(wěn)。

1.3 水泥漿防氣竄系數(shù)

水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)間的長短與水泥漿液柱壓力降低的快慢直接影響到水泥漿的防氣竄性能。其中，水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，可以用稠化時(shí)間來描述，水泥漿柱壓力降低的主要原因是失水，所以水泥漿液柱壓力降低的快慢可以用失水量來描述。用水泥漿稠化時(shí)間與失水量來衡量水泥漿的防氣竄性能，用如下計(jì)算公式計(jì)算水泥漿的防氣竄系數(shù)，固井施工作業(yè)中以該系數(shù)指導(dǎo)水泥漿設(shè)計(jì)[11]：

式中：SPN為水泥漿防氣竄系數(shù)，無因次；FLAPI為水泥漿API失水量，mL；t100BC，t30BC分別為水泥漿稠度為100 BC和30 BC的時(shí)間，min。

水泥漿防氣竄系數(shù)能夠客觀評價(jià)水泥漿的防氣竄性能，按如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)：

1）SPN＜3時(shí)，防氣竄性能良好。

2）SPN為3～6時(shí)，防氣竄性能一般。

3）SPN＞6時(shí)，防氣竄性能較差。

1.4 水泥漿壓穩(wěn)系數(shù)

固井成功的關(guān)鍵是如何壓穩(wěn)地層，確保水泥漿在稠化失重時(shí)不發(fā)生氣竄。采用合適的壓穩(wěn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，保證設(shè)計(jì)的水泥漿柱在整個(gè)稠化過程中能夠有效平衡地層壓力。壓穩(wěn)系數(shù)法是結(jié)合水泥漿臨界失重點(diǎn)來判斷是否壓穩(wěn)，該方法選取靜膠凝強(qiáng)度150 Pa作為臨界失重點(diǎn)，用水泥漿靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到150 Pa時(shí)的液柱壓力與原始地層壓力相比作為壓穩(wěn)系數(shù)，以此來優(yōu)化設(shè)計(jì)水泥漿密度與漿柱長度，具體計(jì)算方法如下[12]：

式中：PPSF為水泥漿壓穩(wěn)系數(shù)，無因次；Pcmk為水泥漿失重后的壓力，MPa；Pcm為原始漿柱段的壓力，MPa；PIk為水泥漿在臨界點(diǎn)的失重值，MPa；Pf為地層壓力，MPa；Ic為水泥漿長度，m；Dh為井眼尺寸，mm；Dp為套管尺寸，mm。

水泥漿壓穩(wěn)系數(shù)能夠客觀評價(jià)水泥漿壓穩(wěn)地層的能力，按如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)：

1）PPSF≥1，水泥漿壓穩(wěn)能力滿足要求。

2）PPSF＜1，水泥漿壓穩(wěn)能力不滿足要求。

2 配套防氣竄工藝技術(shù)

2.1 防氣竄水泥漿體系

防氣竄水泥漿體系主要從縮短稠化時(shí)間、靜膠凝過渡時(shí)間、降低失水、提高膨脹性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加氣體在水泥漿中的氣侵阻力，改善綜合防氣竄能力。

加入由高分子聚合物、交聯(lián)劑組成的非滲透防氣竄劑，在水泥漿堿性條件下發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，相互連接形成連續(xù)的膠凝結(jié)構(gòu)單元，在近井壁和內(nèi)部形成均勻穩(wěn)定的不滲透膜。加入超細(xì)硅粉，增強(qiáng)對目的層井壁泥餅的物理沖刷，提高膠結(jié)質(zhì)量。加入晶格膨脹劑，保證水泥漿在塑形體、硬化體狀態(tài)下的雙膨脹效果。加入防竄增強(qiáng)劑無定形SiO2（亞微米級顆粒0.15μm），增強(qiáng)對目的層井壁泥餅的物理沖刷，提高膠結(jié)質(zhì)量。另外，由于其具有火山灰活性，通過物理充填、與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成二次凝膠，增加水泥石晶體結(jié)構(gòu)和膠結(jié)程度，并且生成更多的水化產(chǎn)物（如水化硅酸鈣），從而使水泥漿整體具備防氣竄能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、抗溫性好等特點(diǎn)。圖2為常規(guī)水泥漿與防氣竄水泥漿晶體微觀結(jié)構(gòu)對比。

圖2 兩種水泥漿晶體微觀結(jié)構(gòu)對比

2.2 雙凝水泥漿柱

雙凝水泥漿柱采用速凝水泥漿與緩凝水泥漿相結(jié)合。其中，速凝水泥漿封固異常壓力層，稠化時(shí)間較短，確保在其靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到150 Pa的失重過程中，地層中氣體盡可能少的侵入環(huán)空。緩凝水泥漿具有相對較長的稠化時(shí)間，水泥漿液柱壓力降低速率緩慢且壓力傳遞能力強(qiáng)，能起到平衡地層壓力的作用，防止地層氣侵。

2.3 環(huán)空流變學(xué)設(shè)計(jì)

技術(shù)套管、油氣層套管固井應(yīng)進(jìn)行環(huán)空流變學(xué)設(shè)計(jì)（井斜大于30°的井應(yīng)采用偏心環(huán)空流變學(xué)計(jì)算），包括根據(jù)流變學(xué)參數(shù)確定流變模式，計(jì)算沖洗液、隔離液、領(lǐng)漿和尾漿的塞流與紊流臨界排量。考慮沖洗液和隔離液采用紊流頂替，隔離液和水泥漿采用塞流頂替的復(fù)合頂替方式，減小竄槽影響，有效提高固井質(zhì)量。

2.4 鉆井液加重帽

此技術(shù)主要針對尾管固井作業(yè)中確保壓穩(wěn)效果。通常情況下，固井作業(yè)結(jié)束后采取井口加壓候凝的方式，保證水泥漿稠化失重的初凝階段的壓力補(bǔ)償。為了進(jìn)一步提高固井質(zhì)量，現(xiàn)場可替入加重鉆井液進(jìn)行加壓候凝，不需要額外進(jìn)行井口加壓，這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)是：井口無需持續(xù)加壓，鉆臺可以進(jìn)行其他作業(yè)，有效提高作業(yè)效率；通過循環(huán)可以逐步降低壓力，避免因井口壓力突然降低導(dǎo)致套管與井壁環(huán)空間水泥環(huán)受力突變，水泥石中產(chǎn)生微裂縫，影響固井質(zhì)量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

東海X1井為預(yù)探井，完鉆井深4 760 m，三開次井身結(jié)構(gòu)（圖3）。預(yù)測某套地層下部存在高壓氣層，壓力系數(shù)1.50以上，因此244.5 mm套管固井需要考慮防氣竄固井技術(shù)。

圖3 東海X1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 水泥漿設(shè)計(jì)

采用單級雙封固井，領(lǐng)漿封固至上層套管鞋上250 m，管鞋以下300 m；尾漿封固最上部油氣層頂部200～3 500 m。采用聚合物防氣竄水泥漿體系，雙凝水泥漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首漿密度為1.90 g/cm3，封固段為正常壓力井段，稠化時(shí)間為384 min；尾漿密度為1.90 g/cm3，封固段為下部異常壓力井段；稠化時(shí)間為216 min。

3.2 技術(shù)措施

3.2.1 固井前準(zhǔn)備工作

1）地層測井結(jié)束后通井作業(yè)，根據(jù)測井曲線對于縮徑及阻掛井段進(jìn)行劃眼，充分循環(huán)，保證返出干凈，起鉆無阻掛現(xiàn)象為下套管提供良好的基礎(chǔ)。

2）套管下到位后充分循環(huán)井眼，根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)鉆鋌環(huán)空返速來確定固井作業(yè)前的最大循環(huán)排量，井眼穩(wěn)定的情況下盡可能提高到流變學(xué)計(jì)算排量，循環(huán)泥漿至少兩周以上。

3）循環(huán)過程中，在保證井眼安全的情況下適當(dāng)降低泥漿黏度及切力，保證泥漿進(jìn)出口比重均勻，黏度最好控制在50 s以內(nèi)。

4）注意觀察振動篩的巖屑返出情況及錄井氣測值的監(jiān)控，確保井眼干凈氣測值降低到1%以下，有條件的井眼內(nèi)最好替入低黏低切泥漿，降低頂替壓耗。

3.2.2 流變學(xué)計(jì)算

分別計(jì)算了沖洗液、隔離液、領(lǐng)漿和尾漿的塞流與紊流臨界排量，見表1。設(shè)計(jì)了“沖洗液、隔離液紊流+隔離液、水泥漿塞流”的復(fù)合頂替。

3.2.3 防氣竄設(shè)計(jì)

1）由公式（1）計(jì)算得防氣竄系數(shù)SPN=1.82＜3，說明水泥漿防氣竄性能良好。

2）尾漿失重是氣竄危險(xiǎn)階段，根據(jù)公式（2）計(jì)算水泥漿壓穩(wěn)系數(shù)來評價(jià)設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)在候凝階段的壓穩(wěn)能力，計(jì)算結(jié)果見表2。

水泥漿失重后的壓力Pcmk=60.27 MPa，折算當(dāng)量密度1.41 g/cm3，大于孔隙壓力1.30 g/cm3。壓穩(wěn)系數(shù)PPSF=1.085＞1，說明水泥漿靜膠凝強(qiáng)度150 Pa的壓穩(wěn)能力滿足要求，氣竄危險(xiǎn)程度小。

3.3 效果評價(jià)

X1井在通過對水泥漿體系的優(yōu)化、壓穩(wěn)系數(shù)的校核和優(yōu)選、環(huán)空流變參數(shù)的優(yōu)化和水泥漿柱結(jié)構(gòu)和稠化時(shí)間的優(yōu)化，在固井候凝24 h后對244.5 mm套管固井段進(jìn)行了SBT測固井質(zhì)量，根據(jù)測量結(jié)果顯示，BR指數(shù)＞0.6，全井段固井質(zhì)量優(yōu)良，滿足后續(xù)主要目的層測試作業(yè)對封固質(zhì)量的要求，避免了測試作業(yè)過程中射孔后出現(xiàn)高、低壓竄層的風(fēng)險(xiǎn)。圖4為X1井測得固井質(zhì)量結(jié)果。

表1 244.5 mm套管固井替漿排量設(shè)計(jì)

表2 244.5 mm套管固井替漿排量設(shè)計(jì)

圖4 244.5 mm套管固井質(zhì)量測量結(jié)果

4 結(jié)論

1）通過對東海固井作業(yè)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，用水泥漿稠化時(shí)間與失水量來衡量防氣竄性能，建立了水泥漿防氣竄系數(shù)。

2）通過對水泥漿靜膠凝強(qiáng)度分析，選取靜膠凝強(qiáng)度150 Pa作為臨界失重點(diǎn)，得到了水泥漿壓穩(wěn)系數(shù)的計(jì)算方法。

3）雙凝水泥漿、鉆井液加重帽等防氣竄固井技術(shù)措施，可以有效防止氣竄的發(fā)生。

4）防氣竄固井技術(shù)在東海X1井中得到了成功應(yīng)用，固井質(zhì)量優(yōu)良，固井合格率100%，有效解決了固井氣竄問題。