畢明清，何斌斌，韓 婧，謝海濤，劉 福，鄭文武

(1.中石化華北石油工程有限公司 井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450024；2.中石化華北石油工程有限公司 技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450000)

低漏失壓力井在我國大牛地、長(zhǎng)慶、延長(zhǎng)等油氣田廣泛分布，各油氣田基于油氣井壽命和環(huán)保的考慮，均嚴(yán)格要求固井水泥返至地面，無疑大幅增加低密度水泥漿用量和固井成本[1]。但是在當(dāng)下“低油價(jià)”的運(yùn)行狀態(tài)下，國內(nèi)油氣田開發(fā)成本大幅縮減，固井成本壓減明顯。受“低油價(jià)”的影響，固井“低成本”運(yùn)行和固井質(zhì)量 “高標(biāo)準(zhǔn)”之間的矛盾日益突出，有必要開發(fā)低成本水泥漿體系。為實(shí)現(xiàn)油氣井全井段封固，部分低漏失壓力井固井要求水泥漿密度低至1.15 g/cm3，常規(guī)低密度水泥漿無法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。但國內(nèi)外應(yīng)用的超低密度水泥漿，以空心玻璃微珠為減輕劑，漿體成本高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用，開發(fā)低成本超低密度水泥漿體系，對(duì)專業(yè)固井公司應(yīng)對(duì)“低油價(jià)”的挑戰(zhàn)和低成本運(yùn)行意義重大。綜上，針對(duì)鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)低漏失壓力井，以G級(jí)水泥和復(fù)合減輕劑HBJQ-1為主料，輔以油井水泥外加劑[2]，開發(fā)了性能優(yōu)良的1.15 g/cm3低成本超低密度水泥漿,在杭錦旗地區(qū)JG2PA9H井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了一次上返全井封固固井，固井質(zhì)量良好，提高了該區(qū)域固井質(zhì)量和延長(zhǎng)了氣井壽命。

1 施工井概況及固井難點(diǎn)

1.1 施工井概況

JG2PA9H井是部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部的一口氣藏評(píng)價(jià)井，完鉆井深3 535 m，井身結(jié)構(gòu)為Ф311 mm鉆頭×404.00 m+Ф244.5 mm表層套管×403.31 m+Ф222.3 mm鉆頭×3 535.00 m+Ф139.7 mm生產(chǎn)套管×3 535.00 m。最大井斜75.56°，對(duì)應(yīng)井深3 014.00 m；完鉆鉆井液密度1.20 g/cm3，固井前鉆井液密度1.14 g/cm3。

1.2 施工井固井施工難點(diǎn)

1)漏失層位多，漏失頻次多。鉆井過程中先后發(fā)生漏失7次，通井、電測(cè)期間發(fā)生漏失3次，經(jīng)KPD堵漏、靜止堵漏后恢復(fù)正常。漏失層位自上而下分別為劉家溝組、馬家溝組、元古界，漏層垂向上分布，地層承壓能力低，一次上返全井封固難度大。漏失情況如表1所示。

表1 JG2PA9H井漏失情況一覽表

2)該區(qū)域地層壓力安全窗口窄。延長(zhǎng)組、劉家溝組、馬家溝組為易漏失層，而石千峰組、石盒子組的硬脆性地層，黏土礦物含量高，泥頁巖微裂縫發(fā)育，外力作用下易出現(xiàn)泥頁巖剝離，易井壁失穩(wěn)[3]。坍塌壓力和漏失壓力差值小，固井期間防塌防漏要求高。

3)受井漏、井壁穩(wěn)定的影響，巖屑難以完全清除，影響頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量。受地層承壓能力的制約，固井施工排量受限，單純從施工排量上難以實(shí)現(xiàn)頂替效率提高。

4)該井鉆遇良好的油氣顯示，發(fā)現(xiàn)氣層、含氣層共計(jì)15層，其中馬家溝組地層全烴值最高達(dá)到84.156%。

5)井眼不規(guī)則。井徑擴(kuò)大率大，呈“糖葫蘆”井眼，特別是石千峰組、石盒子組等硬脆性地層井段，井徑最大值299.34 mm，井徑擴(kuò)大率達(dá)到34.66%，井徑曲線如圖1所示。

2 超低密度水泥漿體系開發(fā)

2.1 固井水泥漿密度的確定

固井水泥漿密度是平衡壓力固井技術(shù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一，水泥漿密度設(shè)置的合理與否關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)一次上返全井封固，也是壓穩(wěn)防漏和保障固井質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。杭錦旗地區(qū)地層壓力安全窗口窄，固井水泥漿密度確定是固井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素?？紤]施工安全的需要，固井水泥漿密度原則上應(yīng)同時(shí)滿足式(1)和(2)

ρ坍塌<ρ水泥漿<ρ漏失

(1)

ρ水泥漿>ρ地層壓力+κ

(2)

式中，ρ坍塌為坍塌壓力的最小值，g/cm3；ρ水泥漿為水泥漿密度值，g/cm3；ρ漏失為易漏失地層的漏失壓力系數(shù)最小值，g/cm3；ρ地層壓力為地層壓力系數(shù)的最大值，g/cm3；κ為安全系數(shù)，取(0.07～0.15) g/cm3。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：杭錦旗地區(qū)地層壓力系數(shù)1.05 g/cm3，劉家溝組地層漏失壓力系數(shù)介于1.06～1.28 g/cm3之間，其中錦72井區(qū)的承壓能力最高，漏失壓力系數(shù)介于1.20～1.28 g/cm3之間。易坍塌的石千峰組、石盒子組地層坍塌壓力介于1.08～1.18 g/cm3之間，考慮井斜角影響，取1.15 g/cm3。本井完井通井、電測(cè)期間鉆井液密度1.20 g/cm3，發(fā)生了不同程度的漏失。綜合漏失情況、坍塌壓力和地層壓力，本井非目的層井段的水泥漿密度確定為1.15 g/cm3。

2.2 超低密度水泥漿體系開發(fā)

超低密度水泥漿體系開發(fā)難點(diǎn)在于沉降穩(wěn)定性和水泥石強(qiáng)度發(fā)展[4]。優(yōu)選合適的超低密度水泥漿體系，水泥漿綜合性能不僅能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，更利于降低作業(yè)成本。基于此，選擇以顆粒級(jí)配技術(shù)為基礎(chǔ)的低密度復(fù)合減輕劑HBJQ-1，制備1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系，水泥漿綜合性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，該1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系具有成本較低、漿體穩(wěn)定性好、流變性能良好、稠化時(shí)間可控、早期強(qiáng)度升高快等特點(diǎn)。

表2 1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系綜合性能參數(shù)

2.3 綜合成本評(píng)價(jià)

杭錦旗地區(qū)推行低成本運(yùn)行戰(zhàn)略，故而超低密度水泥漿成本高低成為決定水泥漿體系能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。以1.15 g/cm3玻璃微珠水泥漿體系為參考，成本對(duì)比如表3。從表3可以看出，HBJQ-1超低密度水泥漿體系成本相比玻璃微珠體系成本降低37.3%。降本效果明顯，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

表3 超低密度水泥漿體系成本評(píng)價(jià)

3 工藝技術(shù)措施

3.1 套管安全下放技術(shù)措施

套管安全下放到位是保障固井質(zhì)量的先決條件[5]。杭錦旗地區(qū)地層漏失壓力低，下套管過程的激動(dòng)壓力、套管下放到位后頂通循環(huán)均可能造成井漏。下套管過程嚴(yán)格控制下放速度，減小激動(dòng)壓力；套管下放過程中分段循環(huán)，充分破壞鉆井液結(jié)構(gòu)力，避免套管下放到位開泵憋漏地層。下套下放至易漏失地層井段，套管下放速度不小于100 s/根，直至套管下放至設(shè)計(jì)位置。

套管下放過程中，分井段循環(huán)頂通，置換井內(nèi)鉆井液，破壞鉆井液結(jié)構(gòu)力，降低循環(huán)摩阻。具體做法是：套管下放至井深1 000、1 500、2 100、2 700、3 300 m時(shí)開泵循環(huán)，循環(huán)時(shí)間不少于1個(gè)遲到時(shí)間。套管下放到位后，以不高于10 L/s的排量循環(huán)1個(gè)遲到時(shí)間后，逐步提高循環(huán)排量至固井要求排量。

3.2 漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是壓穩(wěn)防漏的關(guān)鍵[6]。JG2PA9H井漏失壓力低、坍塌壓力低，漿柱結(jié)構(gòu)既要滿足壓穩(wěn)防漏需求，更要預(yù)防固井施工的井壁失穩(wěn)。參考本井漏失壓力、坍塌壓力和地層壓力，本井水泥漿采用三凝水泥漿體系，具體設(shè)計(jì)如下：1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系封固井口至劉家溝組底部；過渡漿封固劉家溝組底部至井壁易失穩(wěn)的石千峰組地層，常規(guī)密度水泥漿封固下部目的層井段，漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.3 低紊流排量的前置液設(shè)計(jì)

考慮本井實(shí)際情況，防漏是重中之重，而固井過程防漏的主要手段之一是降低施工排量。降低施工排量必然影響頂替效率的提高，故而設(shè)計(jì)低紊流排量的前置液體系對(duì)于提高固井質(zhì)量意義很大。前置液的紊流沖刷，取臨界雷諾數(shù)ReC=3 470-1 370n[7]，得

(3)

式中，De為套管外徑，mm；Dw為井眼平均井徑，mm；Qw為沖洗液紊流臨界排量，L/s；ρ為漿體密度，g/cm3；n為流性指數(shù)；K為稠度系數(shù)，Pa·sn。

以六速黏度儀測(cè)定沖洗液的流變參數(shù)計(jì)算臨界排量，數(shù)據(jù)如表4所示。計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，該井選用的前置液體系可以在16.5 L/s的排量下實(shí)現(xiàn)紊流頂替，為提高頂替效率創(chuàng)造良好條件，前置液注入量以紊流接觸時(shí)間不少于7 min計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁充分沖洗，清潔井眼，提高頂替效率。

表4 JG2PA9H井前置液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 提高頂替效率的注替漿技術(shù)

該井水泥漿量遠(yuǎn)大于頂替量，注漿結(jié)束后，水泥漿已上返至2 300 m左右，此時(shí)考慮紊流頂替對(duì)于提高固井質(zhì)量意義不大[8]。故注漿至前置液準(zhǔn)備出套管時(shí)，提高注漿排量至1.5 m3/min，實(shí)現(xiàn)前置液紊流上返，實(shí)現(xiàn)對(duì)下部井段井壁的高效沖刷，沖洗時(shí)間不少于7 min。當(dāng)前置液上返至劉家溝組易漏失地層時(shí)，通過降低注漿排量的方式，降低環(huán)空流動(dòng)摩阻，減小作用在劉家溝組易漏失地層的當(dāng)量密度，實(shí)現(xiàn)防漏作用。當(dāng)井口壓力增加至固井前循環(huán)壓力時(shí)，降低施工排量，低密度水泥漿塞流頂替。下部目的層井段采用前置液紊流頂替，上部非目的層井段采用低密度水泥漿塞流頂替，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全井段頂替效率提高。對(duì)整個(gè)注、替漿過程利用固井軟件模擬壓力、當(dāng)量密度的動(dòng)態(tài)變化，為固井防漏提供理論指導(dǎo)，模擬情況如圖3、圖4所示。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

JG2PA9H井固井注入前置液10.0 m3，1.15 g/cm3超低密度水泥漿78.0 m3，過渡水泥漿8.0 m3，常規(guī)密度水泥漿40.0 m3。固井過程無漏失，水泥漿返出地面，碰壓壓力15 MPa升至20 MPa。測(cè)井顯示：固井質(zhì)量良好，目的層封固質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，聲幅值<10%；非目的層井段采用超低密度水泥漿體系封固良好。

5 結(jié)論

1)基于緊密堆積理論開發(fā)的復(fù)合減輕劑HBJQ-1，輔以油井水泥外加劑，開發(fā)的1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系具有成本較低、漿體穩(wěn)定性好、流變性能良好、稠化時(shí)間可控、早期強(qiáng)度升高快等特點(diǎn)，具有現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用價(jià)值。

2)采用超低密度水泥漿封固上部非目的層井段，實(shí)現(xiàn)了一次上返全井封固，固井質(zhì)量良好，滿足后期開發(fā)需求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。該體系可用于解決低漏失壓力井固井易漏失、水泥漿無法返至地面的難題。

3)低漏失壓力、安全壓力窗口窄的低漏失壓力井固井水泥漿密度可結(jié)合地層漏失壓力、坍塌壓力和地層壓力確定。

4)低紊流排量的前置液體系對(duì)于低漏失壓力井固井提高頂替效率具有積極意義。