鄂爾多斯杭錦旗區塊低漏失壓力井固井工藝技術

吳天乾，李明忠，蔣新立，李德紅，李 季，宋文宇

(中國石化華北石油工程有限公司技術服務公司 河南 鄭州 450006)

杭錦旗區塊位于鄂爾多斯盆地邊緣，屬于低壓、低滲、低孔儲層，天然氣資源儲量豐富，是鄂爾多斯盆地天然氣資源開發的接替新區。但受地層承壓能力、井身結構和鉆井液性能等因素影響，固井質量較差，普遍存在固井漏失、低密度段固井質量差等問題。分析影響杭錦旗區塊固井質量的主要因素，重點從井眼準備、漿柱結構優化、水泥漿性能調整、“正注反擠”固井技術等方面進行研究，系統總結出一套適合該區塊的固井配套技術措施。

1 杭錦旗區塊固井技術難點分析

1.1 固井漏失問題嚴重

固井漏失造成水泥返高難以達到設計要求，控排量頂替致使頂替效率低，“反擠”過程水泥漿易與鉆井液發生混漿，且因漏點多難以保證環空有效“銜接”。導致杭錦旗區塊固井易漏失原因主要有：

(1)地質構造與地層承壓能力因素：受多次地殼運動影響，平面上構造復雜、斷裂發育、易漏層縱向分布，垂向各層均發生過不同程度的井漏，主要漏失層位為劉家溝、石千峰組和下石盒子組。鉆、固井資料表明，部分井區劉家溝組地層承壓能力僅為1.10 g/cm3。2016年，固井失返率達95.2%。

(2)環空間隙小，一次封固段長，循環摩阻較大。大多采用222.2 mm鉆頭與177.8 mm套管的井身結構，裸眼一次封固段長不小于3 500 m。

(3)杭錦旗區塊井段上部采用1.30～1.33 g/cm3低密度水泥漿封固，在易漏失層位上產生的靜液柱壓力已大于地層承壓能力。若采用更低密度的泡沫水泥漿或高強度漂珠低密度水泥漿，成本顯著增加。

1.2 大斜度段、水平井段頂替效率低

出于石千峰組、石盒子組防塌考慮以及保證套管順利下入的需要，鉆井液的粘度與切力普遍較大，坂土含量高；部分井因漏失在固井前無法建立循環，原鉆井液滯留井內；環保設備不能及時清除固相、調整鉆井液性能，也致使井壁與套管壁上泥餅厚度增大。大斜度井段和水平井段的套管偏心、流變性級差不匹配、井內稠漿、厚泥餅、巖屑床滯留等原因，導致頂替效率低，較低的地層承壓能力限制了全程大排量的紊流頂替。

2 固井技術措施

2.1 總體技術對策

(1)固井前能夠建立正常循環的井，采用正常程序與正常漿量固井，全力滿足提高頂替效率要求；部分井區按照地層承壓能力所能保證的水泥返高，適當附加10%～15%設計正注水泥漿量；

(2)固井前無法建立正常循環的井，采用“正注”與“反擠”固井；“正注”水泥漿量返至漏層位置，不附加，采用工程措施保證“正注”段頂替效率；

(3)正常固井發生漏失但水泥返高不夠，或采用“正注”與“反擠”的井，應以充分破壞上部井段環空內鉆井液結構力、促進井壁與套管壁泥餅沖刷、減少鉆井液與水泥漿混摻為目的，進行“反擠”設計。

2.2 工程措施

2.2.1 固井漿體性能優化

為防止固井漏失和壓穩活躍氣層，采用三凝水泥漿體系固井。

(1)低密度水泥漿性能優化。

初期主要采取提高水灰比、降低水泥漿密度方法進行防漏固井，但由于水泥漿與鉆井液之間的流變性差異不匹配，混漿嚴重甚至發生竄槽，防井漏及提高水泥返高效果不明顯，水泥封固段質量較差。因此，基于顆粒級配原理，在原有人工漂珠減輕低密度水泥漿(密度1.33 g/cm3)體系基礎上，優化調整微硅加量及水灰比，開發了密度1.25 g/cm3的低密度水泥漿。該體系具有較好的塑性粘度，動塑比大于鉆井液動塑比，流動性較差，滿足提高頂替效率的流變性級差要求；70℃/48 h條件下的抗壓強度大于6 MPa，增強了水泥環測井聲幅響應；適當提高水泥漿初始稠度(10～15Bc)，直角稠化特征明顯，過渡時間小于15 min。

(2)過渡漿性能優化。

過渡漿是通過由1.25 g/cm3低密度水泥漿降低水灰比獲得，便于施工。過渡漿段長根據主要漏失層位的斜長設計，密度為1.40～1.45 g/cm3。過渡漿中的漂珠組分、較差的流動性和較短的稠化過渡時間，有利于封固漏層，減少漏層以上環空水泥漿漏失，并提高壓穩系數。

(3)尾漿性能優化。

尾漿封固大斜度段與水平段，密度1.88 g/cm3；初始稠度15～20 Bc；直角稠化，稠化過渡時間小于10 min，可泵時間滿足固井碰壓后即可稠化，減少氣竄與地層漏失帶來的不利影響；膨脹劑的加入使水泥石具有一定的膨脹特性。低密度領漿與尾漿稠化時間分別如圖1所示。

圖1 水泥漿在70℃×40 MPa×35 min條件下的稠化曲線

2.2.2 固井漿柱結構設計

以提高頂替效率為主，兼顧固井防漏需要，優化后的固井漿柱結構見圖2。

沖洗液作用是稀釋鉆井液與沖刷井壁，隔離液作用是分隔鉆井液與保證頂替界面穩態。

圖2 優化后的固井漿柱結構

相關設計：

(1)用量：沖洗液對目的層紊流沖刷時間大于8 min；隔離液(漿)用量以沖洗液的1.0～1.5倍為宜；

(2)密度：設計鉆井液密度最低，隔離液密度不高于領漿，或取鉆井液與領漿的平均密度；沖洗液密度不作特殊要求；若采用隔離水泥漿作為隔離液，并封固上部井段，其與領漿混漿后，不會造成水泥石強度降低。設計隔離水泥漿密度至少比鉆井液密度高0.15 g/cm3；

(3)流變性：流體流變性應滿足梯級匹配，層層推進，以有效提高頂替效率[3]。隔離液流變性應滿足動塑比[4]：(τ0/η)隔離液(漿)>(τ0/η)鉆井液或φ100隔離液(漿)>φ100鉆井液；

2.2.3 防漏與提高頂替效率的注替設計

固井注、替漿排量，需在滿足地層承壓能力和提高頂替效率要求的約束下，根據環空動液柱壓力隨施工時效變化進行實時調整。根據固井漿體流變性設計結果，以實現環空內沖洗液的紊流頂替與隔離液塞流頂替為基本要求。注、替漿排量控制原則與方法：

(1)注、替漿排量不能超過固井前鉆井液循環排量；

(2)提高沖洗液出套管后環空上返速度，改善沖洗液紊流沖刷環空壁面與稀釋鉆井液的效果。尤其是二級結構水平井由于水平段長、水泥漿量大，在注漿期間需保持或適當提高排量；

(3)替漿期間，“U”型管效應結束前，以不超過固井前鉆井液循環排量的原則，使用泥漿泵灌漿；井口起壓或“U”型管效應結束后，停泥漿泵，以水泥車替漿，保證沖洗液紊流頂替；泵、車平穩轉換，避免激動壓力壓漏地層；

(4)隨著井口壓力升高，以隔離液(漿)塞流頂替直至碰壓。

常規固井通常采用紊流或塞流頂替來提高頂替效率，但兼顧杭錦旗區塊固井防漏需要，設計流動性較差的隔離液(漿)，提高塞流頂替臨界排量；設計流動性好的沖洗液，降低紊流臨界排量，盡可能同時實現沖洗液的紊流沖刷與隔離液(漿)塞流頂替[5]。紊流與塞流頂替的設計方法[6-7]為：

隔離液(漿)的塞流頂替，取臨界雷諾數100：

(1)

沖洗液的紊流沖刷，取臨界雷諾數Rec=3 470-1 370n，得

(2)

式中De為套管外徑，mm；Dw為井眼平均井徑，mm；Qw為沖洗液的紊流臨界排量，L/s；Qs為隔離液(漿)塞流臨界排量，L/s；ρ為對應的漿體密度，g/cm3；K為對應的稠度系數，Pa·sn；n為對應的流性指數。

六速粘度計測定隔離漿與沖洗液的流變參數，并計算臨界排量。以222.2 mm鉆頭×177.8 mm套管為例，考慮井壁擴大率10%。利用六速粘度計各轉速下測得的數值，通過計算，沖洗液紊流臨界排量為734 L/min，隔離液(漿)塞流臨界排量為433 L/min(見表1)。

表1 沖洗液與隔離漿的流變參數與臨界排量

2.2.4 固井前鉆井液性能調整

根據井眼不同狀況制定針對性的鉆井液性能調整策略。固井前鉆井液性能調整主要采取以下措施：

(1)下套管時分段循環，破除鉆井液結構力，降低套管入井產生的激動壓力，同時避免開泵憋漏地層。分段循環要求：薄弱地層以上井段每500 m循環；進入薄弱地層前，薄弱層以上井段井內鉆井液全部置換；進入薄弱地層后，每200 m井段循環。分段循環時，均緩慢頂通，壓力穩定后，逐漸提高排量。

(2)套管下入設計井深后，緩慢頂通井內鉆井液，泥漿泵單凡爾小排量將井內封閉漿全部循環出井，根據井口返漿情況，逐漸提高循環排量，當環空返速不低于1.2 m/s后，定排量循環至少兩周，有效清除一、二界面上虛泥餅，降低鉆井液粘度與切力。鉆井液密度根據實際井況調整，馬氏漏斗粘度小于45 s。

(3)若下完套管后，出現井漏、井內大斜度段與水平段封閉漿無法循環出井等情況，則正注鉆井液，根據井口壓力，控制注漿排量，將套管內與漏點以下環空內的封閉漿推擠至地層，清除泥餅，并且避免惡化漏失情況。鉆井液用量為該段容積的1.5～2倍。漏點以上適當推擠一定鉆井液，以破壞環空內鉆井液結構力，保證環空暢通。

2.2.5 “正注反擠”固井技術

上述措施應用后能在一定程度上保證水泥返高。但對下套管、鉆井液循環過程中發生漏失，或精確評估的地層實際承壓能力不能保證水泥漿返高至設計井深，固井宜采用“正注反擠”技術；對正常固井過程中發生漏失造成水泥返高不夠情況，需采用“反擠”補救技術。

“正注”水泥漿封固至漏層底部位置或地層承壓所保證的水泥返高，由實測井徑擴大率核算水泥漿用量。若封固至漏層底部，不附加；封固至地層承壓所允許的水泥返高，附加10%～15%。“正注”前，首先注入膠液或新配鉆井液，充分破壞井內鉆井液結構力，有效沖刷井壁泥餅，然后依次注入沖洗液(可適當提高用量)、水泥漿，提高替漿排量，但不能超鉆井液循環的排量，提高目的層段固井質量。

為避免水泥漿強度不能有效封固薄弱地層而造成“反擠”壓漏地層，同時減少“反擠”時井內鉆井液對“正注”段上部水泥漿的污染，一般施工等待時間不小于12 h。“反擠”水泥漿量參考“正注”時的碰壓壓力、漏失量設計反擠水泥漿量，適當附加。施工中提高沖洗液用量，以實現破壞鉆井液在井內長時間靜止所形成的結構力，沖洗液后依次注入200 m隔離液和設計水泥漿量。試擠后，在壓力許可范圍內，提高“反擠”排量。隨著打開漏點、鉆井液結構力破壞以及水泥漿注入，井口壓力逐漸下降。當部分沖洗液進入漏點后，由于沖洗液在漏層孔、隙介質中的指進，井內壓力最小，當隔離液與水泥漿進入漏層，與鉆井液相近或更差的流變性導致指進現象消失，井口壓力開始上升。

2.2.6 其它工程技術措施

(1)保證套管居中。

利用軟件模擬扶正器安置方式與套管居中度、套管下入摩阻之間的關系，保證套管居中度不低于0.67[8]：井底三根套管每根安置1個，保證套管“抬頭”；水平段每兩根安置一個；在造斜段，井斜角大于45°的井段每3根套管安置一個樹脂旋流剛性扶正器，井斜角小于45°則每5根安置一個；直井段每8根安置一個彈性扶正器。

(2)地層承壓能力評估。

采用靜態承壓或動態承壓方法。靜態承壓時關閉環形防噴器，通過光桿或原鉆桿向井內緩慢泵入鉆井液，在井口補償一定壓力；補償壓力根據固井后環空增加的液柱壓力(與環空鉆井液液柱壓力相比)和循環摩阻計算。動態承壓即通過逐步提高循環排量，利用鉆井液在環空產生的循環摩阻，對易漏失層位的地層承壓能力進行評價。動態承壓方法較適用于低漏失壓力井的地層承壓能力測試。

(3)控制下套管速度。

下套管過程需防止下放速度太快而產生過大的激動壓力壓漏地層。以易漏失層位承壓能力為依據，采用穩態波動理論模擬套管下放過程中產生的激動壓力，確定套管下放的臨界速度。根據杭錦旗區塊地層承壓能力，套管下放速度的控制標準為：直井段每根套管下放時間不低于45 s，易漏失層位以上500 m處開始，每根套管下放時間不低110 s。

3 現場應用分析

杭錦旗區塊應用該固井配套工藝技術系列后，固井質量顯著提高。2017年，固井優質率61.9%，優良率93.6%，較2016年同比提升35.2%和22%；正注返高提高至1 300 m左右，基本達到反擠目標層位延安組，對接成功23口井，區塊內統計空套管段長100～550 m范圍，空套管段長及未全封井占比顯著降低。

JPH-3X井技術套管下套管未發生漏失，固井前鉆井液環空返速達到1.2 m/s，有效降低了其粘度與切力。按照上述思路進行固井設計與施工，水泥漿順利返出地面，全井優質率接近100%。

JPH-3Y井技術套管下套管時發生漏失，經堵漏后固井前鉆井液循環正常。按照全井段一次封固進行固井設計與施工，替漿過程時發生漏失，根據漏失量與碰壓壓力，推算水泥返高1 500 m；候凝12 h后，“反擠”水泥漿30 m3。聲幅測井顯示環空未銜接井段僅70 m，1 500 m以下固井質量優質，井口至井深800 m“反擠”井段優質，其余井段除70 m空套管外，低密度封固段質量達到良好。

JPH-3Z井下完套管后，由于嚴重漏失不能建立循環，井內稠漿無法循環出井，該井被迫采用“正注反擠”施工。“正注”封固至漏層底部，水泥漿不附加；正注12 h后，依次反擠沖洗液、隔離漿和低密度水泥漿。根據井口壓力顯示，反擠部分水泥漿后，壓力緩慢降至最低后顯著上升，反擠水泥漿進入上部漏點。為避免上部漏層漏失情況惡化，并促使水泥漿繼續下行，降低反擠排量至設計量后附加15%。后期聲幅測井曲線表明存在兩點漏點，上部漏點以上至井口固井質量優質，兩個漏點之間井段由于注漿速度降低，存在一定混漿，固井質量達到合格，部分井段達到良好，“正注”下部井段固井質量優質。

4 結論

(1)針對鄂爾多斯杭錦旗區塊固井漏失和頂替效率低的問題，制定了以提高頂替效率為前提，采用鉆、固井工程措施防漏，以正注反擠技術解決返高不足的技術對策，現場應用取得一定效果。

(2)固井前鉆井液性能調整、沖洗液低返速紊流頂替、隔離液(漿)高返速塞流頂替、提高領漿初始稠度和動塑比，以及扶正器保證套管居中等技術措施的實施，提高了杭錦旗區塊水平井和大斜度井的頂替效率。

(3)在下套管、鉆井液循環和固井過程中，控制下套管速度、鉆井液分段循環、調整水泥漿密度、過渡漿堵漏、注替漿排量控制等措施，對固井防漏具有明顯效果；通過完善“正注反擠”固井技術，有效解決固井漏失造成的水泥返高不足問題，提高了反擠段固井質量。