延長氣田易漏失井不規則井眼固井技術

曾艷軍 姚平均 陳道元 茍 明 蔣洪順 楊代明

（1.中原石油勘探局固井工程處，河南濮陽 457331；2.西南鉆井公司，四川南充 637000）

延長氣田氣層埋深一般在3 000～4 000 m，在鉆達目的層的過程中，裸眼井段中含有大量的砂巖、泥巖、砳石、煤和巖鹽層，相互交錯存在，地層中裂縫發育較好，孔隙度高。鉆井過程中極易發生嚴重井漏、井塌、地層掉塊、地層出水等現象。復雜的地質條件和井眼狀況嚴重威脅著固井施工安全，影響著固井質量。過去曾使用過分級注水泥工藝，但由于措施不妥，未能很好地解決固井過程井漏問題，固井優良率僅為16%，嚴重制約了氣田的勘探開發步伐。

1 固井技術難點

1.1 大溫差對水泥漿低溫凝結影響較大

氣層埋藏深度一般在3 000～4 000 m 范圍內，上部地層洛河組、延長組的地層水中含有大量的腐蝕性物質（硫酸鹽、碳酸鹽），而表層套管均未下過洛河組、延長組地層，為防止地層水對套管的腐蝕，要求水泥漿返過洛河組并封固好該地層；另外，出于安全的考慮要求水泥漿返出地面，因而形成超長封固段，井底與井口最大溫差可達105 ℃，如此大的溫差，水泥漿性能滿足高溫后在低溫下難以正常凝固形成足夠的強度。

1.2 極易發生井漏和氣竄

封固段內取出的巖心表明：延長組、劉家溝組、石千峰組地層中有垂直裂縫存在，鉆井過程中經常發生漏失。如試32 井鉆井過程中在劉家溝組發生4 次漏失，每次漏失量50 m3以上，而在石千峰組漏失鉆井液達140 m3以上，漏失時鉆井液密度一般在1.2～1.25 g/cm3，固井過程中即使使用低密度水泥漿，如果工藝不當也極易發生井漏。石盒子組和馬家溝組地層氣層和水層交互存在，累加段長600 m 以上，水泥漿的防竄問題比油井更難做到。

1.3 井眼情況復雜，頂替效率難以保證

表層套管下深500～600 m，二開裸眼段長達 2 200～3 400 m，裸眼段中和尚溝組、劉家溝組、石千峰組含有大段泥巖，山西組、太原組和本溪組含有部分煤層，這些地層化學穩定性差，遇鉆井液濾液浸泡后坍塌、掉塊現象嚴重；奧陶系白云巖中含有鹽膏夾層，厚度達50～60 m，遇水易溶解。泥巖、煤層、鹽膏層的不均勻分布形成典型的“糖葫蘆”井眼，全井井徑平均擴大率可達到25%，使井眼中的鉆井液被頂替干凈變得異常困難。

2 水泥漿配方優選

2.1 優選原則

（1）嚴格控制水泥漿濾失水量，低密度水泥漿失水量控制在100 mL 以下，高密度水泥漿封固氣層段，失水量控制在30 mL以下。一方面有利于防止氣竄［1］，另一方面可以防止因失水量過大而造成井壁失穩，發生垮塌和鹽膏層的溶蝕。

（2）根據地層壓力和完井鉆井液密度測算，低密度水泥漿密度適用范圍應在1.30～1.40 g/cm3，應具有很好的堵漏效果。

（3）由于地層承壓能力較低，又無中間套管（技術套管），目的層段水泥漿失重后所需的補償壓力無法從上部水泥漿液柱壓力和加回壓措施獲得，只能依靠水泥漿自身能力來達到防竄，因此，目的層段水泥漿應具有很強的防竄能力。

2.2 性能評價

根據以上要求對高、低密度水泥漿體系進行了優選，并分別進行了性能評價。

（1）低密度水泥漿綜合性能評價，見表1。水泥漿配方如下。

1#：G 級油井水泥+45%漂珠+12%填充劑+3%降濾失劑+4%早強劑+0.8%分散劑+0.7%緩凝劑+3%強度增長劑。

2#：G 級油井水泥+40%漂珠+12%填充劑+3%降濾失劑+4%早強劑+1.0%分散劑+1.0%緩凝劑+3%強度增長劑。

表1 低密度水泥漿性能

從表1 可以看出，水泥漿濾失量小，相對而言對泥巖、鹽膏層溶蝕量小，不易造成井壁垮塌；水泥漿沉降穩定性好，最大值不超過0.04 g/cm3，遠小于油氣井注水泥技術推薦標準不大于0.08 g/cm3的要求，有效防止了水泥漿中低密度材料的漂浮分離；水泥石抗壓強度高，低溫下也能達到API 標準規定的14.0 MPa 的要求［2］。高強度低密度水泥石的獲得是由于水泥漿中加入了填充劑，它由多種比水泥顆粒粒徑小的材料組成，根據緊密堆積理論，充分充填于水泥顆粒之間，從而使水泥石滲透率下降，變得致密，強度升高；另一方面，水泥漿中加入的強度增長劑在水泥凝固硬化期才與水泥水化生成的產物發生反應，促使水泥石強度進一步的提高，同時這一過程還不影響水泥漿的稠化時間，克服了大多數強度增長劑縮短稠化時間的弊病。

（2）高密度水泥漿綜合性能評價，見表2。水泥漿配方如下。

3#：G 級油井水泥+2%降濾失劑+2%防竄劑Ⅰ+2%防竄劑Ⅱ+0.5%分散劑+1.0%緩凝劑+4%沉降穩定劑+3%早強劑。

4#：G 級油井水泥+2%降濾失劑+2%防竄劑Ⅰ+2.5%防竄劑Ⅱ+0.5%分散劑+1.3%緩凝劑+4%沉降穩定劑+3%早強劑。

表2 高密度水泥漿性能

從表2可知，水泥漿稠化時間可調，濾失水量小，流變性好，易形成紊流。水泥漿中加入的兩種防竄劑（氣鎖、晶格膨脹防竄劑）具有較好的防竄能力，其中氣鎖防竄劑能解決水泥漿失重造成的氣竄問題，而晶格膨脹防竄劑在水泥石凝固硬化過程中繼續保持一定的膨脹，修復了普通水泥漿凝結過程中體積收縮，解決了微間隙造成的氣體竄槽問題，實現了水泥漿變成水泥石各階段有效防氣竄。

3 固井技術措施

3.1 防漏技術

（1）做好堵漏工作，提高地層承壓能力。鉆入漏失層頂部在鉆井液中加入堵漏材料，如狄塞爾、復合纖維、纖維水泥等進行堵漏，為固井防漏創造條件。

（2）做好地層承壓試驗，為固井防漏設計提供依據。由于沒有中間套管存在，常規的井口加壓地層承壓試驗方法不能實施。為了獲取地層承壓數據，在井底一定高度注入重鉆井液，然后將鉆具起到一定的高度進行循環，循環排量一般大于鉆進時1.2倍，通過計算可以獲取地層承壓能力。這種方法可以避免全井大排量循環造成井漏。

（3）設計合理的漿柱結構，防止井漏。進行平衡壓力固井設計，既保證不壓漏地層，又不發生油氣水竄。非目的層段使用低密度水泥漿，目的層段采用高密度水泥漿，對于漏失嚴重的井適當延長低密度水泥漿封固段長度，可以延長到目的層段，同時控制替漿排量進一步達到防漏的目的。

（4）使用分級注水泥技術，防止壓漏地層。延長氣井固井過去曾采用過分級注水泥工藝，但是仍然存在較多的漏失現象，有的漏失還發生在第二級固井過程之中。分析原因，一是二級注水泥施工時間掌握不當，二是分級注水泥器安放位置不合理。二級注水泥應該是在一級水泥漿初凝后進行，而不是水泥漿稠化時進行，這是因為水泥漿稠化只代表水泥漿失去流動性，水泥漿并沒有強度，一旦上部壓力過大將產生漏失。對于分級注水泥器安放位置，根據慣性思維，一般認為應該安放在鉆井過程中漏失最嚴重的地方，因此，過去往往將分級箍放置于漏失層劉家溝組頂部以上100 m，但是，實際使用效果并不理想，漏失現象仍然很嚴重。實際分級箍安放位置應根據地層孔隙壓力、巖石密度、鉆速、壓力剖面幾方面結合起來確定較為薄弱的地層，把分級箍放置于該地層位置以上100 m，通過實際應用，防漏效果較好。

3.2 正注反擠工藝

部分井漏失嚴重，地層承壓能力很低，即使進行堵漏、采用低密度水泥漿、分級注水泥工藝也難以保證固井過程中不發生漏失。對于這類井采用正注反擠工藝，即首先進行正注水泥漿，然后從井口環空注入水泥漿。在正注過程中根據漏失情況判斷漏層位置，正注結束后立即從環空擠入水泥漿，一方面保證環空液柱壓力足夠，防止下部氣竄，另一方面將返過漏層的部分水泥漿擠入地層，為井口環空注水泥漿提供通道。反注水泥漿關鍵技術是水泥漿定位，防止水泥漿無限地漏入地層。根據漏層位置、漏速、施工排量確定好水泥漿密度、稠化或初凝時間，并在水泥漿中加入堵漏材料，使先期到達漏層的水泥漿在漏層中快速駐留、凝結，從而達到防漏目的。

3.3 提高頂替效率

由于地質疏松，巖性穩定性差，形成了不規則的“糖葫蘆”井眼，為將大井眼中鉆井液驅替干凈采取了以下措施。

（1）安裝不同類型的扶正器。根據電測井徑曲線，規則井眼段使用普通弓形扶正器，“糖葫蘆”井眼段使用旋流扶正器，利用旋流片改變環空液流方向，流體在環空中呈螺旋上升，其擾動作用將大井眼滯留的鉆井液驅替出來，使水泥漿完全充填。

（2）采用活性強的沖洗隔離液。在沖洗隔離液中加入適量的表面活性劑，當沖洗隔離液與鉆井液接觸時表面活性劑可以很好地稀釋鉆井液，使鉆井液流動性變好，從而避免了滯留鉆井液的存在，最終提高頂替效率。

4 現場應用

2010 年以來在延長氣井中應用上述技術固井93 口，固井施工成功率100%，固井優良率由過去的16%提高到93.54%，漏失率由88%下降到2.15%，充分保證了氣井固井質量。

延488 井為預探井，?215.9 mm 鉆頭完鉆井深4 107 m，?139.7 mm 套管下深4 060.32 m，完鉆鉆井液密度1.25 g/cm3，鉆井過程中井眼內多處發生漏失，上部地層承壓能力差，漏失相當嚴重。本井考慮氣層封固的重要性，以固好下部氣、水層為設計重點，實行分級注水泥作業，將分級箍安放在2 292.59～2 293.66 m，一級、二級分別設計密度1.90 g/cm3和1.40 g/cm3的水泥漿，同時考慮上部地層漏層多，承壓能力差等特性，考慮二級注水泥一旦漏失進行反擠水泥作業的設計方案。該井共下入弓形和旋流扶正器115 只，現場施工第一級1.39 g/cm3低密度水泥漿46 m3，注入1.89 g/cm3高度水泥漿29 m3，打開分級箍循環正常。一級水泥漿凝固好后進行第二級注水泥作業，第二級固井注入1.35 g/cm3低密度水泥漿42 m3，注入1.89 g/cm3高度水泥漿17 m3，替漿后期發生井漏。候凝10 h 后從環空注入20 m3密度1.90 g/cm3高度水泥漿，最終候凝48 h 測井解釋固井質量優質。

5 結論

（1）先期預堵漏，動靜結合做好地層承壓試驗，提供良好的井眼條件是保證施工安全、提高固井質量的前提條件。

（2）優選水泥漿體系，使用氣鎖、晶格雙膨脹劑，合理設計漿柱結構，保證在窄安全密度窗口條件下達到既能防漏，又能防竄的目的。

（3）大溫差下使用強度增長劑，僅在水泥凝固過程中發生作用，不影響水泥漿稠化時間，解決了低溫下水泥漿不能正常凝固、水泥石強度發展低的技術難題。

（4）依據測井得到的孔隙壓力、巖石密度、鉆速、壓力剖面等資料結合起來確定較為薄弱的地層，由此選擇分級箍安放位置的方法更為合理。

（5）正注反擠是解決嚴重漏失、實現全井水泥有效封固行之有效的方法之一。

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