杭錦旗地區正注反擠固井技術研究

吳天乾，李明忠，李建新，李德紅，張軍義，何斌斌

1中國石化華北石油工程有限公司技術服務公司鉆完井中心2中國石化石油工程造價管理中心

1 研究背景

地層承壓能力低造成的固井漏失和難以全井封固，是固井工程面臨的常規性技術難題。在鄂爾多斯盆地的杭錦旗地區，劉家溝組的地層承壓能力不足1.15 g/cm3［1］。超低密度水泥漿和雙級固井是固井防漏的主要技術措施［2］，應用由玻璃微珠或3M漂珠開發的超低密度水泥漿成本高［3］。在基漿中注入氣體并將密度降至1.15 g/cm3以下時的充氣量大，由于氣泡體積隨液柱壓力變化劇烈［4］，水泥漿穩定性較差，氣體滑脫上升聚集形成段塞，配套的發泡和混配設備同樣會增加成本。當存在多個漏失層位時，分級箍安放位置難以兼顧一、二級防漏需要，且分級箍限制了壓裂工藝優選，其密封性直接影響后期作業［5］。因此，固井漏失后反擠補救或正注反擠技術廣泛應用。

關于常規固井的基本原理、設計方法及配套工藝技術研究較多，但對于反擠固井缺乏系統研究，反擠固井設計和過程控制缺乏參考和依據，導致反擠作業過程不可控、固井質量不穩定［6-7］。通過開展反擠頂替機理和井口壓力變化規律研究，明確提高頂替效率的技術對策，形成精細過程控制措施，保證反擠水泥漿到達指定目標層，實現正注和反擠的有效銜接，并提高固井質量。

2 反擠頂替機理數值模擬研究

常規固井時沖洗液和水泥漿由井底進入環空驅替鉆井液，頂替方向與流體受力方向相反；基于固井頂替機理研究成果，形成了提高頂替效率的系列技術措施。但反擠時沖洗液和水泥漿由井口進入環空、由上而下驅替鉆井液，頂替方向與流體受力方向一致。與正注相比，各因素對頂替效率的影響規律及影響程度均存在一定差異，但尚未開展系統研究。

Gambit構建了環空模型、定義邊界類型和網格生成，建立了直井三維環空模型，設置套管偏心度0、0.3，環空模型外徑為222.3 mm，內徑為177.8 mm，計算區域長度為100 m，網格均采用六面體結構化網格。將模型導入Fluent求解器，以三維非定常N-S方程作為控制方程，流體體積法（VOF）對頂替界面追蹤與定位。水泥漿直接接觸反擠、層流頂替鉆井液，賓漢模式描述流變特性，鉆井液、水泥漿的塑性黏度分別為15、30 mPa·s，動切力分別為4、6 Pa，密度1.20、1.30 g/cm3。入口為速度邊界，頂替速度0.5 m/s，出口為壓力邊界，環空壁面按無滑移邊界條件處理。單精度有限體積方法進行數值方程離散，時間上采用隱格式，對流項采用一階迎風有限元離散格式，利用壓力隱式分裂算子（PISO）方法進行壓力速度場耦合，時間步長為0.005 s［8-10］。

對比正注與反擠時的頂替機理差異，分析反擠時鉆井液和水泥漿性能參數對頂替效率影響規律。

（1）與正注相比，套管偏心對反擠頂替效率和界面長度影響作用更突出，混漿更易發生，如圖1所示。為提高反擠固井質量，反擠段套管偏心應不超過0.2。由于反擠時流體重力與頂替方向一致，偏心度越大，環空寬間隙與窄間隙的速度差異越大［11-12］。采用正注反擠固井的施工井，上部反擠段加放扶正器，保證套管偏心度小于0.2。

圖1 不同偏心度時正注、反擠時的頂替效率

（2）水泥漿和鉆井液性能參數對頂替效率均有一定影響。動切力體現流體結構強弱，塑性黏度體現流體內摩擦力。隨著鉆井液塑性黏度或動切力增大，不利于鉆井液流動，反擠頂替效率降低，見圖2、圖3。

圖2 鉆井液屈服應力對頂替效率影響

圖3 鉆井液塑性黏度對頂替效率影響

隨著水泥漿塑性黏度或動切力增大，增大了水泥漿對鉆井液的接觸拖曳力，反擠頂替效率增大。在直井正常頂替時，浮力隨著密度差增大而增大，促進環空各間隙鉆井液的驅替；但在反擠時隨著密度差增大，環空寬、窄間隙處的頂替速度差異越大，頂替效率越低［11-12］，見圖4。反擠水泥漿前，泵入沖洗液充分降低鉆井液的動切力和塑性黏度，反擠漿密度盡量接近井漿密度。

圖4 水泥漿與鉆井液密度差對頂替效率影響

3 反擠井口套壓變化規律分析

反擠時井口壓力是施工過程唯一的標志參數，但目前對反擠井口壓力的變化規律研究較少，導致施工過程參數調整和控制缺乏依據和針對性。借助水驅油指進機理，定性分析了反擠時的井口壓力變化規律。當作用在反擠目標層的動液柱壓力大于漏失壓力時，流體進入地層。反擠井口壓力p0有：

p0＝pL-p液柱+pf（1）式中：pL—返擠通道的漏失壓力；p液柱—環空液柱壓力；pf—環空循環摩阻。

為便于分析和施工控制，首先采用小排量試擠，后提高至設計排量保持不變，直至施工結束前適當降低排量。根據現場施工數據記錄，反擠井口壓力變化存在如下規律：關井、小排量試擠，將漏層擠通，試擠井口壓力p試擠；注入沖洗液，在壓力允許的條件下適當提高注入排量，井口壓力p0增大。沖洗液注入過程中，液柱壓力和循環摩阻逐漸降低，井口壓力呈現波動。隨著水泥漿注入，液柱壓力逐漸增大，井口壓力下降；當井口壓力下降至某一值后開始上升。如圖5所示。

圖5 反擠時井口壓力變化示意圖

4 提高正注反擠固井質量的配套措施

為提高正注反擠施工的固井質量，在反擠頂替機理和井口壓力變化規律分析基礎上，形成了較為系統的正注反擠固井配套措施。

（1）正注反擠固井設計。固井前若井內難以建立正常循環，正注與反擠在劉家溝組對接，設計正注水泥漿返至劉家溝組底部，不附加；等待正注水泥漿稠化后即可反擠，反擠水泥漿封固井口至劉家溝組井段。若固井前井內以鉆井排量循環而鉆井液無漏失，正注與反擠在延長組對接，設計正注水泥漿返至延長組頂部，反擠水泥漿封固井口至延長組頂部井段。正注與反擠時間間隔不少于12 h，保證封固劉家溝組的水泥漿形成足夠強度。

（2）水泥漿設計。若正注封固至劉家溝組底部時，微膨脹低失水防竄水泥漿封固劉家溝組底以下井段；反擠時1.40 g/cm3的高早強低密度水泥漿封固劉家溝組，1.30 g/cm3的高早強低密度水泥漿封固上部井段，微硅加量不少于10%，提高塑性黏度和動切力，保證反擠頂替效率；縮短稠化時間、過渡時間小于30 min、強度發展快，減少反擠候凝期間的漏失，提高水泥石抗壓強度、增強測井聲幅響應。若正注封固至延長組頂部時，封固劉家溝組底以下井段的水泥漿為微膨脹低失水防竄體系，封固劉家溝組的水泥漿為密度1.40 g/cm3的高早強低密度體系，劉家溝組頂至延長組井段水泥漿為1.25～1.30 g/cm3的高強低密度體系；反擠水泥漿采用1.30 g/cm3的高早強低密度體系。

（3）提高反擠頂替效率設計。安放雙弓彈性扶正器，反擠井段套管偏心度不大于0.2，斜井段套管偏心度不大于0.3；正注時向井內依次注入20 m3新配鉆井液或膠液，將下套管時注入的封閉漿充分稀釋、擠入劉家溝組；反擠時由井口向環空泵入不少于10 m3沖洗液，破壞反擠等待期間鉆井液形成的膠凝結構，沖刷井壁和套管壁。

（4）施工過程控制。正注時以不超過鉆井時的最大排量依次注漿和替漿；反擠試擠后，將排量提高至1 m3/min保持不變，記錄井口壓力。當井口壓力最小值對應的反擠水泥漿量與設計值相近，則說明水泥漿已反擠至目標漏層，降低排量至300 L/min以促進裂縫閉合，附加水泥漿5 m3后結束施工。若井口壓力最小值對應的反擠水泥漿量小于設計值，表明水泥漿進入上部漏層，應降低排量減小上部漏層張開程度，促使水泥漿繼續下行。

5 現場應用

該工藝在杭錦旗地區累計應用145口井，固井優質率提高38.2%、優良率提高45%；環空內正注與反擠有效對接及全井封固率由15.2%提高至62.5%。

5.1 JPH-3XY井

JPH-3XY井為三開井身結構，一開?311.2 mm井眼下?244.5 mm表層套管，二開?222.2 mm井眼下?177.8 mm技術套管，劉家溝組、延長組等易漏失層位分布在二開井段，三開裸眼完井。該井二開鉆進時發生井漏，經堵漏后固井前鉆井液循環正常，井內鉆井液密度1.20 g/cm3。延長組頂部（井深1 455 m）為正注和反擠對接位置，正注依次注入沖洗液6 m3、1.30 g/cm3高強低密度水泥漿20 m3、1.40 g/cm3高早強低密度水泥漿4 m3和1.88 g/cm3微膨脹低失水防竄水泥漿10 m3；正注12 h后反擠，依次注入沖洗液10 m3、1.30 g/cm3高早強低密度水泥漿35 m3。反擠至水泥漿26 m3時井口壓力由6 MPa降至2 MPa后逐漸升高，判斷水泥漿反擠至延安組。聲幅測井顯示環空未銜接井段僅70 m，正注與反擠基本實現對接；1 500 m以下井段固井質量優質，井口至井深800 m反擠井段優質，其余井段除70 m空套管外固井質量良好。

5.2 JPH-3ZQ井

JPH-3ZQ井井身結構與JPH-3XY 井相同。?177.8 mm技術套管入井后，劉家溝組（井深2 397～2 551 m）存在嚴重漏失不能建立循環，井內封閉漿無法循環出井，井內鉆井液密度1.22 g/cm3。正注時依次注入膠液20 m3、沖洗液10 m3和1.88 g/cm3微膨脹低失水防竄水泥漿12 m3，封固至劉家溝組底部，水泥漿不附加。等待正注水泥漿稠化后即刻反擠，注入反擠沖洗液10 m3、1.40 g/cm3高早強低密度水泥漿4 m3和1.30 g/cm3的低密度水泥漿52 m3。井口壓力顯示，在反擠水泥漿28 m3后，壓力緩慢降至最小后顯著上升，顯示水泥漿進入上部延安、延長組。降低施工排量至500 L/min，促使水泥漿下行，反擠漿量由設計的52 m3增至60 m3。聲幅測井曲線顯示，正注和反擠在劉家溝組實現對接，空套管段長為0；正注段固井質量優質；延長組以上井段固井質量優質；但由于在延長組分流，反擠排量降低，造成延長組與劉家溝組之間井段固井質量僅合格。

6 結論

（1）降低鉆井液塑性黏度、動切力，增大水泥漿塑性黏度、動切力以及降低水泥漿與鉆井液密度差，有利于提高反擠頂替效率；鉆井液塑性黏度和密度差對反擠頂替效率影響較大。

（2）在固定反擠排量前提下，當井口壓力達到最小值時水泥漿進入漏層。井口壓力最小值可作為水泥漿進入漏層標志，或根據井口壓力最小值對應的水泥漿注入量作為是否返擠至目標漏層的判斷依據。

（3）在杭錦旗地區應用取得顯著效果，固井優質率提高了38.2%、優良率提高了45%，全井封固率由15.2%提高至62.5%。