提高黃灣區(qū)塊水平井固井封固率技術(shù)研究

鐘 凱，李佳佳，張永福，張 東，來鵬飛

（中國石油川慶鉆探有限公司長慶固井公司，陜西西安 710016）

1 研究背景

黃灣區(qū)塊是某采油廠的主力開發(fā)區(qū)，其主力油層為延長組長7，埋藏深度2 100～2 400 m。該區(qū)塊水平井主要采用二開井身結(jié)構(gòu)，完鉆井深3 100～4 500 m，水平段長600～2 050 m。區(qū)塊鉆進(jìn)期間復(fù)雜情況較多，鉆至目的層后，漏失現(xiàn)象普遍，施工前循環(huán)期間井筒普遍滲漏嚴(yán)重，固完井時發(fā)生嚴(yán)重漏失。

2021 年黃灣區(qū)塊共施工水平井21 口，鉆進(jìn)至目的層全部發(fā)生漏失，其中10 口井鉆進(jìn)至水平段發(fā)生過井漏失返，固井施工全部發(fā)生漏失，漏失量在10.0～50.0 m3不等，平均單井漏失量25.0 m3。候凝期間水泥漿持續(xù)向地層滲漏[1]，導(dǎo)致水泥漿低返。已測井聲幅顯示正注返高普遍在1 100～2 100 m，4 口井封固率不足80.00%，封固率偏低。另有11 口井油水層段封固質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，不符合中石油集團(tuán)公司固井質(zhì)量五條紅線第二條，其中上部延安組油水層段固井質(zhì)量問題尤為突出，主要原因為正注與頂部補(bǔ)救不能有效銜接，導(dǎo)致上部油水層漏封（表1）。

表1 黃灣區(qū)塊水平井2021 年施工概況

統(tǒng)計分析施工情況，計算黃灣區(qū)塊水平井漏失當(dāng)量密度（表2）。

表2 黃灣區(qū)塊水平井漏失當(dāng)量密度統(tǒng)計表

由表2 可以看出，區(qū)塊目的層長7 承壓能力極低，普遍漏失當(dāng)量密度在1.30 g/cm3以下，部分井漏失當(dāng)量密度低至1.20 g/cm3左右，極大限制了低密度體系可選擇的范圍，固井漏失風(fēng)險極大。區(qū)塊油水層跨度長，一旦發(fā)生漏失，易造成上部油水層封固質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

從上面施工情況可以看出，黃灣區(qū)塊水平井主要施工難點(diǎn)為：

（1）地層承壓能力低，施工極易發(fā)生漏失；

（2）封固段長，施工水泥漿摩阻較大；

（3）油水層跨度長，一旦漏失，上部油水層易漏封，固井質(zhì)量差。

針對以上難點(diǎn)，考慮解決黃灣區(qū)塊固井漏失嚴(yán)重問題的方向如下：

（1）合理設(shè)計漿柱結(jié)構(gòu)，降低整體液柱壓力；

（2）優(yōu)選減輕材料，改善體系流變性能，提高體系耐壓性能，降低環(huán)空摩阻；

（3）優(yōu)化施工參數(shù)，降低環(huán)空壓耗，提高正注返高，一次性封固延安組至井底的油水層。

2 水泥漿配方室內(nèi)優(yōu)化調(diào)試

2.1 低摩阻配方室內(nèi)調(diào)試及性能評價

2021 年施工，為降低液柱壓力，減少漏失，使用1.18～1.35 g/cm3低密度水泥漿體系。體系密度低，強(qiáng)度滿足施工要求，可顯著降低液柱壓力，但由于體系珍珠巖含量較高，經(jīng)高壓后破碎摩阻變大，無法較好解決區(qū)塊漏失問題。因此，考慮從降低體系摩阻及提高耐壓性能方面入手，進(jìn)一步降低環(huán)空壓耗，減少漏失。

2.1.1 玻璃微珠水泥漿體系 室內(nèi)優(yōu)選以Y6000 型空心玻璃微珠為減輕材料，玻璃微珠具有耐壓強(qiáng)度高（承壓能力達(dá)41.0 MPa 以上）、晶體穩(wěn)定的特點(diǎn)，且本身呈圓珠狀，具有潤滑作用，進(jìn)入環(huán)空后可進(jìn)一步降低環(huán)空摩阻。通過與粉煤灰、水泥、微硅等材料進(jìn)行復(fù)配，形成密度為1.16～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系[2]，體系基本性能見表3。

表3 玻璃微珠水泥漿體系基本性能表

2.1.2 耐壓低摩阻水泥漿體系 通過以次納米硅為主要減輕材料調(diào)試耐壓低摩阻水泥漿體系，該體系具有摩阻低、耐壓性能強(qiáng)的特點(diǎn)，有效改善了常用珍珠巖體系低密度經(jīng)高壓后增密增稠的特性（表4）。

表4 耐壓低摩阻水泥漿體系基本性能表

2022 年新調(diào)試的系列低摩阻水泥漿體系與2021年常用的低密度水泥漿體系流變性能對比見表5。

表5 低摩阻水泥漿體系與常用低密度水泥漿體系流變性能對比表

由表5 可以看出，玻璃微珠水泥漿體系流動性能明顯優(yōu)于2021 年使用的復(fù)合低密度及輕珠體系，摩阻系數(shù)同比下降20%以上，可顯著降低施工摩阻，減少漏失。

同時，為驗證黃灣區(qū)塊井底承壓對水泥漿性能的影響，將2021 年與2022 年常用的低密度水泥漿體系耐壓性能進(jìn)行對比，見表6[3-4]。

表6 常用低密度水泥漿體系耐壓性能測試表

由表6 可以看出，耐壓低摩阻水泥漿體系經(jīng)過加壓后性能保持穩(wěn)定，同時玻璃微珠水泥漿體系經(jīng)過加壓后性能變化也明顯優(yōu)于1.18 g/cm3復(fù)合低密度及1.35 g/cm3輕珠體系，可以適應(yīng)黃灣區(qū)塊井底承壓30.0～35.0 MPa 的地層條件。

2.2 漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

為降低液柱壓力，減少漏失，2022 年，黃灣區(qū)塊水平井漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計為1.15～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系+1.36 g/cm3耐壓低摩阻水泥漿體系+1.90 g/cm3高強(qiáng)韌性水泥漿體系，正注返高設(shè)計至一開井深以下200 m。同時，為進(jìn)一步降低液柱壓力，將1.90 g/cm3高強(qiáng)韌性水泥漿體系封固段在原基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短200 m。在黃灣區(qū)塊施工的某井中，該井鉆至2 231、2 785 m（長7）多次嚴(yán)重滲漏，后期鉆進(jìn)時水平段存在多處漏失，隨鉆堵漏，下套管前堵漏不徹底，施工前循環(huán)仍有滲漏3～5 m3/h，長7 層位漏失當(dāng)量密度1.29 g/cm3。對該井薄弱地層關(guān)注點(diǎn)分別按2021 年方案（漿柱結(jié)構(gòu)1）及2022 年方案（漿柱結(jié)構(gòu)2）施工進(jìn)行模擬計算，見圖1。

圖1 漿柱結(jié)構(gòu)1 關(guān)注點(diǎn)承壓計算

經(jīng)模擬計算，該井注入體積106.7 m3，即替量余23.2 m3時，該井關(guān)注點(diǎn)動態(tài)當(dāng)量密度已達(dá)漏失壓力當(dāng)量密度，此時已有較大漏失風(fēng)險，施工漏失量達(dá)20.0 m3以上；通過將體系調(diào)整為玻璃微珠及耐壓低摩阻水泥漿體系后，井底動態(tài)當(dāng)量密度計算對比見圖2。

圖2 漿柱結(jié)構(gòu)2 關(guān)注點(diǎn)承壓計算

此時，經(jīng)模擬計算，該井注入體積120.6 m3，替量余9.3 m3時，關(guān)注點(diǎn)承壓達(dá)到漏失壓力當(dāng)量密度，因此，經(jīng)過漿柱調(diào)整后，固井施工最大動態(tài)當(dāng)量密度顯著降低，當(dāng)量密度達(dá)到漏失壓力當(dāng)量密度的時間有所推遲，可顯著緩解施工漏失情況。

3 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用效果

3.1 隨鉆堵漏

加強(qiáng)與項目組和鉆井隊溝通，及時跟蹤鉆進(jìn)情況，要求鉆失漏失井及時采取堵漏漿堵漏及水泥漿堵漏工作，漏失嚴(yán)重井堵漏后進(jìn)行承壓堵漏，確保堵漏成功后才進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，保證下套管前井況正常，2022 年已施工井地層承壓漏失當(dāng)量密度計算見表7。

表7 2022 年施工井漏失當(dāng)量密度統(tǒng)計表

由表7 可以看出，經(jīng)過隨鉆堵漏以后，區(qū)塊水平井承壓能力有了一定程度提高，為提高水泥返高提供有利條件。但整體地層承壓能力仍然偏低，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)隨鉆堵漏工作，提高泥漿暫堵能力，并在完鉆后進(jìn)行承壓堵漏試驗，提高地層承壓能力，為固井施工設(shè)計提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐。

3.2 提高套管居中度

施工前收集電測數(shù)據(jù)，進(jìn)行居中度模擬，同時，水平段及斜井段使用整體式偏弓扶正器及滾珠扶正器交替加放原則，確保套管順利下入，增加過流面積，降低憋堵風(fēng)險，提高頂替效率[5-6]。

3.3 流變頂替設(shè)計

精細(xì)化設(shè)計施工方案，施工前提前關(guān)注薄弱地層，前置液及領(lǐng)漿進(jìn)入環(huán)空初期時，此時環(huán)空液柱壓力較低，漏失風(fēng)險小，適當(dāng)增加頂替排量以提高沖洗頂替效率，水泥上返至薄弱地層時，提前降低施工排量，降低漏失風(fēng)險[7]，將優(yōu)化后與優(yōu)化前的頂替效率及井底壓力模擬對比，見圖3、圖4。

圖3 關(guān)注點(diǎn)當(dāng)量密度曲線（優(yōu)化前）

圖4 關(guān)注點(diǎn)當(dāng)量密度曲線（優(yōu)化后）

由圖3、圖4 可以看出，通過排量優(yōu)化，控制施工排量，可進(jìn)一步降低關(guān)注點(diǎn)動態(tài)當(dāng)量密度，關(guān)注點(diǎn)達(dá)到漏失壓力當(dāng)量密度時的注入體積從119.9 m3增加至121.5 m3，進(jìn)一步降低環(huán)空壓耗，減少漏失量。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

截至目前，2022 年共在黃灣區(qū)塊開展現(xiàn)場試驗3口井，施工領(lǐng)漿均采用1.20～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系+1.36 g/cm3耐壓低摩阻水泥漿體系，施工壓力及漏失量較2021 年同區(qū)塊施工均有顯著降低，應(yīng)用情況統(tǒng)計見表8。

表8 2022 年黃灣區(qū)塊水平井施工概況表

在體系測量密度差異較小的情況下（漿柱結(jié)構(gòu)由1.18/1.35/1.90 g/cm3調(diào)至1.20～1.25/1.36/1.90 g/cm3），經(jīng)過體系優(yōu)選及施工參數(shù)優(yōu)化后，區(qū)塊平均漏失量下降至12.3 m3（其中A 平33-27 井試驗水泥上返至井口，正注灰量較大導(dǎo)致漏失量偏大），且施工壓力也有了顯著下降，正注返高達(dá)到600～800 m，水泥漿低返問題有了較大改善。

以A 平32-28 井為例，該井采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開φ311 mm×394 m+φ244.5 mm×394 m，二開φ215.9 mm×3 602 m+φ139.7 mm×3 601.85 m。該井鉆進(jìn)至長6 層發(fā)生失返性漏失，隨鉆堵漏后鉆進(jìn)至長7 層持續(xù)滲漏，施工前循環(huán)有輕微漏失。該井使用1.20 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系21.0 m3，現(xiàn)場施工平均密度1.22 g/cm3，使用1.36 g/cm3耐壓低摩阻水泥漿體系24.0 m3，現(xiàn)場施工平均密度1.37 g/cm3，替量期間控制排量，水泥上返至漏失關(guān)注點(diǎn)時采用塞流頂替方式，頂替排量0.5～0.7 m3/min，施工正常，起壓10.0 MPa，漏失量為10.0 m3，候凝12 h 后頂部補(bǔ)救。48 h 后測直井段固井顯示，直井段固井質(zhì)量合格，封固率98.64%，上部油水層段固井質(zhì)量全部合格。

同時在相鄰區(qū)塊探井開展現(xiàn)場試驗，該區(qū)塊目的層長7 漏失當(dāng)量密度低于1.35 g/cm3，為防止漏失，通常采用雙級固井工藝。2022 年，依據(jù)鉆采方案，區(qū)塊采用體積壓裂開發(fā)工藝，要求采用一次上返固井工藝。為確保固井質(zhì)量，區(qū)塊2 口探井試驗1.16 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系，施工正常，固井質(zhì)量合格，試驗情況見表9。

表9 2022 年1.16 g/cm3 玻璃微珠水泥漿體系試驗情況表

但由于玻璃微珠材料本身價格較高，每立方米的1.16～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系成本為1.35 g/cm3珍珠巖低密度水泥漿體系的3～5 倍，受限于水泥漿成本限制及鉆井工程設(shè)計對水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)要求等因素，區(qū)塊漏失問題未能徹底解決。因此，需從鉆進(jìn)前期隨鉆堵漏方面做更多的工作，提高地層承壓能力。同時，建議將井身結(jié)構(gòu)改為三開后，二開封固延安以上薄弱地層，可進(jìn)一步減少一次封固段長，漏失現(xiàn)象將進(jìn)一步改善。

4 結(jié)論與建議

（1）室內(nèi)調(diào)試的1.15～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系及1.36 g/cm3耐壓低摩阻水泥漿體系，流動性好及耐壓性能好，現(xiàn)場試驗表明可顯著降低施工摩阻，防止漏失。

（2）通過合理設(shè)計施工參數(shù)，可在兼顧頂替效率的同時減緩漏失風(fēng)險。

（3）加強(qiáng)與鉆井隊溝通，鉆井期間嚴(yán)格做好隨鉆堵漏，在各漏點(diǎn)開展承壓堵漏試驗，進(jìn)一步提高地層承壓能力，有助于進(jìn)一步減少施工漏失，提高正注返高。

（4）建議黃灣區(qū)塊改為三開井身結(jié)構(gòu)，封固上部薄弱地層及非開發(fā)油水層，減少水泥一次封固段長，解決區(qū)塊漏失問題。