臨興區(qū)塊漏失井固井技術(shù)研究

陳澤恩，姜磊，江智勛

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉西分公司，山西 呂梁 033200；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，晉西撓褶帶與伊陜斜坡交界處，構(gòu)造位置地跨鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北段和晉西撓褶帶西北緣。地貌具有典型的黃土塬區(qū)地表結(jié)構(gòu)特征，山上黃土厚度較大，巖性縱、橫向變化劇烈。由于長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化侵蝕，地層極易形成裂縫，導(dǎo)致鉆井表層極易漏失[1-3]。為了提高山西臨興區(qū)塊漏失井的固井質(zhì)量，本文通過技術(shù)研究形成了一套適合山西臨興區(qū)塊漏失井固井綜合技術(shù)。

1 鉆井、固井難點(diǎn)分析

1.1 鉆井主要面臨難題

臨興工區(qū)表層為新生界第四系沉積，土質(zhì)疏松，鉆井過程中注意防漏失；二開鉆遇古生界地層井段長(zhǎng)、層位多，斷層基本不發(fā)育，應(yīng)注意膠結(jié)疏松井段及層間漏失，以及井壁剝落的掉塊造成卡鉆事故；本區(qū)石千峰組—上石盒子組泥巖要防止井壁垮塌，需要采取措施保護(hù)井壁[4]。

1.2 固井主要面臨難題

臨興工區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地層易垮塌、在鉆進(jìn)過程中鉆遇豎直裂縫，導(dǎo)致發(fā)生漏失、井徑不規(guī)則，頂替效率低；水泥漿返至地面，封固段長(zhǎng)，固井過程中容易發(fā)生井漏；水泥封固段長(zhǎng)，上下溫差大，水泥環(huán)頂部凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度發(fā)展較慢，上部封固質(zhì)量難以保障[5-7]。

1.2.1 氣層比較活躍，防竄難度大

天然氣分子比水和油的分子體積要小很多，不但穿透能力極強(qiáng)，并且侵入防竄能力差的泥漿更加容易，對(duì)環(huán)空封固質(zhì)量影響較為嚴(yán)重。

1.2.2 封固段長(zhǎng)，上下溫差大

上部水泥漿凝結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，強(qiáng)度發(fā)展較慢。封固段長(zhǎng)上下溫差大，上部水泥漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，水泥面處易出現(xiàn)超緩凝，影響上部封固質(zhì)量。

1.2.3 封固段長(zhǎng)、地層存在豎直裂縫，易發(fā)生井漏

常規(guī)井封固段長(zhǎng)度在2 000 m左右，需要返至地面，在鉆進(jìn)過程中鉆遇豎直裂縫，導(dǎo)致發(fā)生漏失，固井過程中易發(fā)生井漏，造成水泥漿低返，會(huì)造成漏封油、氣、水層，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量并給后續(xù)采氣埋下了安全隱患。

2 固井技術(shù)研究

2.1 固井前置液技術(shù)研究

2.1.1 前置液體系設(shè)計(jì)

(1)隔離液組成。隔離液組成主要包括：水、懸浮劑、稀釋劑、降失水劑、消泡劑等。

(2)處理劑作用原理。懸浮劑由多種水溶性材料組成，包括穩(wěn)定劑和增黏劑。穩(wěn)定劑是層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物，在水介質(zhì)中高度分散易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并使大量自由水轉(zhuǎn)變成束縛水，從而在水中起到一種支撐骨架的結(jié)構(gòu)。增黏劑是高分子聚合物，即使是低濃度也會(huì)產(chǎn)生很高的黏度，有較好的增黏作用，使隔離液保持良好的懸浮穩(wěn)定性。懸浮劑既能在混配和地面泵送過程中形成足夠的黏度來懸浮加重料，又能在井下泵送過程中達(dá)到較高溫度時(shí)，繼續(xù)釋放黏度，保證高溫下加重劑的懸浮。

稀釋劑可以降低隔離液的黏度，改善流體的流變性，有利于現(xiàn)場(chǎng)固井施工。稀釋劑是一種聚合物材料，該材料可以離解出陰陽離子基團(tuán)。陰離子基團(tuán)被吸附到加重劑顆粒的表面，這樣就會(huì)在加重劑顆粒表面形成一層溶劑化的單分子膜，從而減弱了加重劑顆粒間的凝聚作用，減小了顆粒的摩阻，因而顆粒得以分散，使所配制的隔離液黏度下降，流動(dòng)性得到改善。在稀釋劑中加入表面活性劑，表面活性劑能夠改變套管和井壁的潤(rùn)濕性，形成親水環(huán)境，提高環(huán)空界面的膠結(jié)質(zhì)量，并對(duì)隔離液中的加重材料產(chǎn)生分散作用。通過調(diào)節(jié)體系中懸浮劑和稀釋劑的比例，就可以解決高溫條件下隔離液穩(wěn)定性和流變性之間的矛盾。

降失水劑是具有良好耐溫性能的多元共聚物型產(chǎn)品，該產(chǎn)品的加入可控制隔離液的濾失，保證該體系具有良好的懸浮穩(wěn)定性能和抗鹽效果，并與鉆井液、水泥漿更好地相容。

2.1.2 前置液液體系性能評(píng)價(jià)

采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明，新型的前置液有比較強(qiáng)的滲透清洗作用，在紊流狀態(tài)下能夠有效地沖刷井壁，沖洗效率≥92%。

2.1.3 隔離液性能評(píng)價(jià)

1.15 g/cm3低密度水泥與鉆井液、隔離液按7∶2∶1比例混合，攪拌混合后，運(yùn)行稠度27.3 BC，整體運(yùn)行平穩(wěn)，350 min拆時(shí)未凝固，符合施工要求。

2.2 水泥漿技術(shù)研究

2.2.1 低密度水泥漿技術(shù)研究

低密度水泥漿中油井水泥和精細(xì)漂珠按一定的合理級(jí)配，可以使水泥石更加致密。

(1)材料的選擇。選擇優(yōu)質(zhì)漂珠作為低密度水泥漿的減輕材料。選擇其有效密度為0.5 g/cm3左右。為了提高水泥漿的綜合性能，需要進(jìn)行水泥漿的緊密堆積設(shè)計(jì)，其核心是具有較高反應(yīng)活性的低密度增強(qiáng)材料。這種微細(xì)的顆粒材料填充在水泥和漂珠形成的空隙中，降低水灰比，同時(shí)起到滾珠潤(rùn)滑作用，在水泥水化時(shí)參與水泥的水化反應(yīng)，起到增強(qiáng)作用。

(2)低密度水泥漿性能實(shí)驗(yàn)

①1.25 g/cm3低密度水泥與鉆井液按7∶3比例混合；攪拌混合后漿體比較黏稠，開始運(yùn)行稠度34.5 BC，5 min后稠度45.7 BC，15 min后升至100 BC，拆完后，漿體沒有凝固。

②1.25 g/cm3密度水泥(樣品)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(a)樣品灰(420 g)+水(378 mL)；

水灰比：0.9，水泥漿體積：640 mL，造漿率：1.5,靜置1小時(shí)后，密度(上)：

1.25 g/cm3，密度(下)：1.27 g/cm3。析水：無。

(b)樣品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.1%GH-1；

流動(dòng)度：230 mm；

失水(55 ℃、30 min、6.9 MPa):54 mL；

強(qiáng)度(60 ℃、24 h):9.5 MPa,強(qiáng)度(60 ℃、48 h):9.7 MPa；

稠化時(shí)間(55 ℃、25 min、25 MPa):137 min。

③樣品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.15%GH-1；

稠化時(shí)間(55 ℃、25 min、25 MPa):192 min。

④樣品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.3%GH-1；

稠化時(shí)間(55 ℃、25 min、25 MPa):321 min。

⑤1.25 g/cm3低密度水泥現(xiàn)場(chǎng)灰+現(xiàn)場(chǎng)水檢驗(yàn)；

稠化時(shí)間(55 ℃、25 min、25 MPa):325 min。

2.2.2 防氣竄、防漏水泥漿技術(shù)研究

(1)水泥漿性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

①流動(dòng)性好，密度控制在1.80±0.02 g/cm3之間。

②稠化時(shí)間合適，在保證固井施工安全順利進(jìn)行后，水泥漿應(yīng)迅速水化為固態(tài)，減少與產(chǎn)層的接觸。要求稠化曲線呈直角效應(yīng)，這樣水泥漿的阻力增長(zhǎng)速度快，防竄能力強(qiáng)，因此所選擇的水泥漿體系30 BC至100 BC的稠化時(shí)間越短越好。

③失水量小，在施工及侯凝過程中，水泥漿具有較小的濾失量(小于50 mL)，析水為0，水泥漿處于失重狀態(tài)及固化后水泥石滲透性低，地層流體難以侵入水泥環(huán)，同時(shí)可以充分保證體系的各項(xiàng)性能不受影響。

④抗壓強(qiáng)度高，施工結(jié)束后，水泥漿的膠凝強(qiáng)度迅速發(fā)展，使之越過臨界膠凝強(qiáng)度，并有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

(2)防氣竄水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)。水泥漿體系能否防止油氣水竄，最關(guān)鍵的性能是水化階段該體系對(duì)油氣水竄的相對(duì)滲透率及內(nèi)部阻力變化的大小。水泥漿對(duì)地層流體不滲透能力形成越快，竄槽的機(jī)率就越??；另一個(gè)要考慮的因素是水泥漿的失水特性。把水泥漿的滲透性和失水兩項(xiàng)需要考慮的性能歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)即水泥漿性能系數(shù)SPN。

水泥漿失水量與時(shí)間的平方根成近似線性關(guān)系，SPN的計(jì)算式為：

式中：API失水為水泥漿30 min、6.9 MPa條件下的失水量(mL)；t100為水泥漿達(dá)到100 BC的時(shí)間(min)；t100為水泥漿達(dá)到30 BC的時(shí)間(min)。

應(yīng)用SPN值，可以對(duì)水泥漿進(jìn)行防竄評(píng)價(jià)。SPN值越小，水泥漿防竄能力越強(qiáng)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 防竄水泥漿的SPN值

2.3 防氣竄、防漏配套技術(shù)研究

(1)建立了壓穩(wěn)與防漏設(shè)計(jì)模型，如圖1所示。實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)和防漏的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

圖1 壓穩(wěn)與防漏設(shè)計(jì)模型

(2)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地層壓力剖面、承壓試驗(yàn)和堵漏。詳細(xì)調(diào)研附近注水井鉆關(guān)降壓最新結(jié)果，結(jié)合鄰井完井壓力解釋資料，預(yù)測(cè)待鉆井的地層壓力，合理的設(shè)計(jì)不同層位的鉆井液密度；在鉆遇易漏層的頂部時(shí)，在鉆井液中加入高效承壓堵漏劑，提高地層的承壓能力；鉆井隊(duì)固井前做承壓實(shí)驗(yàn)，計(jì)算井底泥漿當(dāng)量密度。

(3)井隊(duì)進(jìn)行堵漏，堵漏成功后篩掉大顆粒的堵漏材料。

(4)完鉆前認(rèn)真清理泥漿罐及連接管線，及早配足泥漿，調(diào)整鉆井液性能，以降低鉆井液的黏度、切力，要求固井前鉆井液黏度不超50 s，初切小于2.0；下套管前要對(duì)井眼洗井，確保井眼穩(wěn)定、不漏、干凈，保證下套管和固井安全。

(5)為保證下套管順利及裸眼段的封固質(zhì)量，下套管前要用原鉆具嚴(yán)格進(jìn)行通井，并認(rèn)真做好遇阻遇卡記錄，要求在遇阻卡段進(jìn)行短起下鉆，直至?xí)惩?，下套管前通井開始必須小排量循環(huán)，下套管作業(yè)必須嚴(yán)格控制下放速度并及時(shí)灌漿，確保環(huán)空液面高度，規(guī)避井控風(fēng)險(xiǎn)。

(6)鉆井液性能原則上不做大的調(diào)整，不能低于完鉆時(shí)密度，必須保證壓穩(wěn)地層，防止跨塌和縮徑，盡可能降低鉆井液黏度和切力。

(7)井隊(duì)要備有足量的鉆井液材料，具備現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)配置鉆井液的條件，以確保下套管和循環(huán)過程中遇到井漏時(shí)有充足的鉆井液補(bǔ)充。

(8)套管居中是保證固井質(zhì)量的重要措施，扶正器一定要按設(shè)計(jì)加足；優(yōu)化套管組合，套管下深距完鉆井深不低于2 m。

(9)優(yōu)化水泥漿體系做好水泥漿大小樣試驗(yàn)保證固井質(zhì)量及施工安全。

(10)下完套管后，先不要座掛，小排量打通，并以0.5 m3/min速度進(jìn)行循環(huán)。循環(huán)期間觀察鉆井液返出是否漏失、是否有異物，一切正常后，方可座掛(座掛前要先清洗兩側(cè)翼閥)，連續(xù)測(cè)量鉆井液性能，確保井眼穩(wěn)定，滿足固井要求后方可施工。

(11)使用合適的水泥漿密度，確保壓穩(wěn)和防漏。優(yōu)選注灰排量和替漿排量，采用塞流頂替技術(shù)，提高頂替效率。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)環(huán)空返漿情況及施工壓力變化隨時(shí)做出合理調(diào)整，如果發(fā)生井漏和坍塌，根據(jù)稠化時(shí)間合理降低排量。

(12)應(yīng)用高效能注水泥漿設(shè)備，確保前置液和水泥漿注入排量和注入量、水泥漿密度和性能、注替排量必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1口井，該井為山西省臨興中區(qū)塊的一口漏失井。該井是一口直井，二開結(jié)構(gòu)井。井身結(jié)構(gòu)為：一開采用311.15 mm鉆頭，一開中完井深210.5 m，采用244.5 mm套管固井，套管下深至210 m。二開采用215.9 mm鉆頭，設(shè)計(jì)完鉆井深2 165 m，采用139.7 mm套管固井，套管下深至2 163 m。在二開鉆進(jìn)過程中，多個(gè)層段發(fā)生失返性漏失，井隊(duì)采用注水泥漿的方式進(jìn)行堵漏，然后再鉆開水泥塞進(jìn)行鉆進(jìn)。本井共計(jì)漏失鉆井液約950 m3，共注水泥堵漏14次，消耗水泥139.3 m3。

鉆井液采用聚合物類型，密度1.13 g/cm3，黏度：58 s。

3.1 承壓實(shí)驗(yàn)情況

(1)下套管前分段承壓：下鉆至1 900 m單凡爾頂通，雙凡爾循環(huán)一周，泵入堵漏漿，關(guān)半封，單凡爾開泵打壓至3.5 MPa(當(dāng)量密度1.43 g/cm3)，壓力降至1.5 MPa(當(dāng)量密度1.32 g/cm3)，穩(wěn)壓10 min，起鉆至1 600 m單凡爾頂通，泵入堵漏漿，關(guān)半封單凡爾打壓最高3.5 MPa(當(dāng)量密度1.46 g/cm3)，降至1.5 MPa (當(dāng)量密度1.34)，穩(wěn)壓10 min，起鉆至1 350 m，單凡爾頂通，泵入堵漏漿，關(guān)半封單凡爾打壓最高至3 MPa(當(dāng)量密度1.46 g/cm3)，壓力降至1.8 MPa(當(dāng)量密度1.54 g/cm3)，穩(wěn)壓10 min。共計(jì)泵入堵漏漿4.5 m3方；

(2)帶堵漏劑做承壓試驗(yàn)(1 504 m，承壓2.2 MPa，穩(wěn)壓10 min)；

(3)起鉆至1 351 m，承壓試驗(yàn)(1 351 m，承壓2 MPa，穩(wěn)壓10 min)；

(4)起鉆至1 095 m承壓試驗(yàn)(1 095 m，承壓2.2 MPa，穩(wěn)壓10 min)；

(5)起鉆至735 m承壓試驗(yàn)(735 m，承壓1.5 MPa，穩(wěn)壓10 min)。

3.2 漿柱設(shè)計(jì)

首漿1采用防氣竄水泥漿+堵漏劑F27A體系，首漿2和尾漿采用防氣竄水泥漿體系，通過調(diào)整各段水泥漿的封固長(zhǎng)度和采用合適的水泥漿密度來實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)防漏。首漿1：密度1.15±0.02 g/cm3；首漿2：密度1.25±0.02 g/cm3，封固0～1 416.1 m; 尾漿：密度1.80±0.02 g/cm3，封固1 416.1～2 170.67 m。

水泥漿附加原則：首漿眼段附加15%給首漿1，首漿2為基數(shù)，尾漿附加10%。

3.3 替量設(shè)計(jì)

從壓塞開始，排量降至0.2 m3/min，達(dá)到壓力平衡前2 m3，排量再降至0.15 m3/min。

3.4 固井液性能測(cè)量及泵入量

3.4.1 前置液在進(jìn)行固井作業(yè)前，需要對(duì)配置好的前置液進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 前置液性能測(cè)試

3.4.2 首漿1實(shí)驗(yàn)

水泥漿體系：低密度水泥漿+F27A。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 首1漿化驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3 首漿2實(shí)驗(yàn)

首漿配方：G級(jí)水泥+現(xiàn)場(chǎng)水+20%減輕材料+1.8%降失水劑+0.4%分散劑+2%早強(qiáng)劑+0.5%防氣竄劑+0.2%消泡劑。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，稠化時(shí)間如圖2所示。

圖2 首2漿稠化曲線

表4 首2漿化驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

3.4.4 尾漿實(shí)驗(yàn)

尾漿配方：G級(jí)水泥+現(xiàn)場(chǎng)水+1.5%降失水劑+1%早強(qiáng)劑+0.4%分散劑+2%緩凝劑+0.5%防氣竄劑+0.2%消泡劑。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，稠化曲線如圖3所示。

表5 尾漿化驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

圖3 尾漿稠化曲線

首漿1+首漿2實(shí)際共注入45.8 m3，設(shè)計(jì)注入47 m3。

尾漿實(shí)際注入20.37 m3，設(shè)計(jì)注入20.2 m3。

注灰至26 m3，失返。

替量至25 m3，復(fù)返，測(cè)量返出液密度為1.25 g/cm3，通過觀察和測(cè)量，確定為水泥漿。

替量至25.5 m3，碰壓，由9 MPa碰至15 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力穩(wěn)定，放壓，回水?dāng)嗔鳎叹Y(jié)束。

3.5 固井質(zhì)量

固井結(jié)束后，經(jīng)測(cè)井結(jié)果顯示：井段0～136.5 m的固井質(zhì)量為自有套管；井段136.5～1 755.95 m的固井質(zhì)量為合格；井段1 755.95～1 772.11 m的固井質(zhì)量為不合格；井段1 772.11～1 803.58 m的固井質(zhì)量為合格；井段1 803.58～1815.77 m的固井質(zhì)量為優(yōu)；井段1 815.77～1 833.52 m的固井質(zhì)量為合格；井段1 833.52～2 140.61 m的固井質(zhì)量為優(yōu)。

4 結(jié)語

漏失井固井是未來幾年臨興中區(qū)塊面臨主要問題之一，新技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅可以有效地提高山西臨興中區(qū)塊地區(qū)固井質(zhì)量，延長(zhǎng)氣井的安全生產(chǎn)周期，減少后期的修井及其他補(bǔ)救費(fèi)用，為油田創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為整個(gè)油田的后續(xù)開發(fā)提供了可靠的技術(shù)支撐。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出結(jié)論：(1)先期預(yù)堵漏，做好地層承壓試驗(yàn)等防漏技術(shù)措施的應(yīng)用是保證施工安全、提高固井質(zhì)量的前提。(2)良好的井眼準(zhǔn)備、合理的沖洗液和隔離液設(shè)計(jì)、優(yōu)良的水泥漿體系等提高頂替效率技術(shù)的應(yīng)用，是提高固井質(zhì)量的關(guān)鍵。(3)防氣竄、防漏水泥漿體系具有失水少、沉降穩(wěn)定性好、稠化過渡時(shí)間短防竄性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。