神木區(qū)塊天然氣探井一次上返固井技術

胡富源，付雄濤，周興春

1.中國石油長慶油田分公司工程技術管理部（陜西西安710021）

2.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司（陜西西安710021）

神木區(qū)塊天然氣探井一次上返固井技術

胡富源1，付雄濤2，周興春2

1.中國石油長慶油田分公司工程技術管理部（陜西西安710021）

2.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司（陜西西安710021）

一次上返固井能縮短建井周期，提高套管的氣密性及耐壓性，但容易因漏失而導致水泥返高不夠。針對神木區(qū)塊氣層段特點，選用輕珠水泥、降失水水泥、泡沫水泥三凝水泥漿體系，能夠壓穩(wěn)氣層同時不壓漏地層。通過對水泥漿流變性和井徑數(shù)據(jù)計算，確定紊流頂替臨界排量，同時在水泥漿返至200m左右時應采用塞流頂替。通過現(xiàn)場應用，能夠實現(xiàn)全井段封固，保證固井質量。

神木區(qū)塊；天然氣探井；一次上返固井；頂替排量；水泥漿

神木區(qū)塊位于中國石油長慶油田分公司氣田東部，目前主要以天然氣預探井為主。為延長氣井開采壽命，通常要求全井段封固，減少后期固井補救措施。一次上返固井工藝能夠簡化井身結構，提高套管的氣密性及耐壓性，縮短建井周期，降低投資成本。但同時受限于灰量大、施工時間長、對水泥漿性能要求高、施工壓力高等因素，固井成功率相對較低。通過對水泥漿技術及固井工藝等方面研究，實現(xiàn)全井段封固，提高固井質量，為油氣增儲上產(chǎn)提供強有力的工程技術支撐。

1 地質及工程簡況

神木氣田構造位置屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，鉆經(jīng)地層依次為：新生界第四系；中生界侏羅系下統(tǒng)延安組，三疊系上統(tǒng)延長組、中統(tǒng)紙坊組、下統(tǒng)和尚溝組和劉家溝組；上古生界二疊系上統(tǒng)石千峰組、中統(tǒng)石盒子組、下統(tǒng)山西組和太原組，石炭系上統(tǒng)本溪組；下古生界奧陶系下統(tǒng)馬家溝組（多數(shù)井未穿）。儲層主要分布在1 600~2 400m不等，包括本溪組、太原組、山西組、石盒子組、石千峰組。儲層屬于低壓砂巖氣藏，資料顯示地層最小壓力梯度為0.008 4MPa/m,最大為0.010 2MPa/m,平均為0.009 2 MPa/m。通過壓裂數(shù)據(jù)推算，地層破裂壓力梯度在0.017~0.019 8MPa/m之間，地層破裂壓力最低點在劉家溝組，通過承壓能力試驗，其破裂壓力當量密度在1.38g/cm3左右。

神木氣田井深一般在2 200~2 500m，一開采用Φ311.2mm鉆頭鉆過穩(wěn)定地層，表層采用Φ244.5mm的套管,下深一般在500m左右。二開采用215.9mm鉆頭鉆至設計井深，Φ139.7mm生產(chǎn)套管下至距井底3~5m位置。多數(shù)井完井方式為套管射孔完井，要求全井段封固，固井質量滿足射孔壓裂等后續(xù)作業(yè)要求。

2 固井難點及技術對策

2.1 固井難點

1）本溪組、太原組、山西組煤層發(fā)育，單層厚1～10m，易坍塌；劉家溝組承壓能力低，固井中易漏失，造成水泥返高不夠。

2）目的層氣藏埋藏淺、跨度較大，易發(fā)生氣竄；當井下發(fā)生漏失，造成靜液柱壓力降低，存在未壓穩(wěn)地層而導致氣竄的危險。特別是長封固段固井施工，水泥漿體系失重更為嚴重。

3）固井用灰量大，作業(yè)時間長。現(xiàn)場施工壓力高，頂替過程中易出現(xiàn)復雜情況。部分井井徑極不規(guī)則，頂替效率不僅無法保證，而且容易造成水泥漿與前置液（甚至鉆井液）以及不同體系水泥漿之間竄流，導致固井質量不理想。

2.2 技術對策

2.2.1 水泥漿體系研究

1）在天然氣井固井中，氣層段固井質量的好壞對固井的成敗起著決定性的作用。氣層段水泥漿要具有較高的水泥固井強度，能滿足壓裂酸化的要求，同時要求防氣竄性能優(yōu)越。神木區(qū)塊所用的水泥漿為泡沫水泥漿體系，利用化學發(fā)氣劑發(fā)生反應生成氣體，在穩(wěn)泡劑的作用下，形成一種體系穩(wěn)定，氣泡均勻分布的泡沫水泥漿。泡沫在高壓下幾乎不可壓縮，隨著水泥水化的進行，靜液柱壓力隨之減少，作用于地層的孔隙壓力會快速下降，此時泡沫水泥漿中的氣體可有效的補償?shù)貙涌紫秹毫Φ南陆担瑥亩鴫悍€(wěn)氣層。泡沫水泥漿表現(xiàn)出的這種彈性能夠使水泥漿在整個凝結硬化過程中保持足夠的孔隙壓力。另外，由于泡沫水泥漿中含有一定的穩(wěn)泡劑，即使發(fā)氣量不夠，不能產(chǎn)生足夠的氣體壓穩(wěn)氣層，發(fā)生氣侵現(xiàn)象，但侵入的氣體通過穩(wěn)泡劑的乳化作用，將生成微小的氣泡，穩(wěn)定的存在于泡沫水泥漿中，與泡沫水泥形成一體，直至壓力平衡。

①1.90g/cm3泡沫水泥漿體系常規(guī)性能評價，其體系為：1#G級水泥+2%發(fā)氣劑+0.25%緩凝劑+ 1.5%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水；2#G級水泥+2%發(fā)氣劑+0.3%緩凝劑+1.8%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水；3#G級水泥+2%發(fā)氣劑+0.6%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水；4#G級水泥+2%發(fā)氣劑+0.8%緩凝劑+1.8%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水。從表1可以看出，1.90g/cm3泡沫水泥漿體系綜合性能良好，水泥漿的流動性好；API失水量可以控制在50mL以內(nèi)；水泥漿稠化時間可調；24h抗壓強度高；滿足固井施工要求。②1.90g/cm3泡沫水泥漿體系流變性評價。該區(qū)塊所用泡沫水泥漿配方為：G級水泥+2%發(fā)氣劑+0.6%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩(wěn)泡劑+水，在65℃、常壓下，水泥漿流變性能如表2所示。由F值可知，該水泥漿符合冪律流變模式，流變方程為：

式中：n為流性指數(shù)，無量綱；k為稠度系數(shù)，Pa·s。

由式（1）、（2）可知，該泡沫水泥漿流性指數(shù)n= 0.399，稠度系數(shù)k=0.587Pa·s。

2）對于非目的層段的填充，一般根據(jù)地層承壓能力和水泥漿性能等確定。通過綜合分析，選用密度為1.35g/cm3輕珠水泥漿體系作為領漿，密度為1.75g/cm3的降失水水泥作為中間漿。水泥漿體系常規(guī)性能評價結果如表3所示。

從表3可以看出，填充段兩種水泥漿體系綜合性能良好，水泥漿的流動性好；API失水量可以控制在100mL以內(nèi)；水泥漿稠化時間可調；24h抗壓強度高；滿足固井施工要求。在65℃和常壓下，水泥漿流變性能評價結果如表4、表5所示。

由表4、表5可知，F(xiàn)值均不在0.5±0.03范圍內(nèi)，故選用冪律流變模式，輕珠水泥漿n=1.054，k= 0.032Pa·s；降失水水泥漿n=0.798，k=0.203Pa·s。

2.2.2 現(xiàn)場施工技術措施

根據(jù)神木區(qū)塊電測資料，二開Φ215.9mm井眼的平均井徑擴大率約為10%，即237.5mm。平均環(huán)容28.97L/m。井深按2 400m計算，一般尾漿量為24m3，封固段長700m；中間漿10m3，封固段長300m；領漿50m3，封固段長1 400m。為防止漏失，保證固井質量，必須準確控制施工參數(shù)。

表1 常規(guī)密度水泥漿綜合性能

表2 泡沫水泥漿流變性能參數(shù)

表3 填充段水泥漿綜合性能

表4 輕珠水泥漿流變性能參數(shù)

表5 降失水水泥漿流變性能參數(shù)

1）根據(jù)地質資料及鉆井設計要求，綜合考慮氣層位置、地層壓力、地層破裂壓力、劉家溝組承壓能力及水泥漿性能，選用三凝水泥漿體系。水泥漿柱設計如下:尾漿段：密度為1.90g/cm3，封固長度為600~ 800m；中間漿段：密度為1.75g/cm3，封固長度為300~ 400m；領漿段：密度1.35g/cm3，封固長度為1 300~1 700m，返至井口；氣層地層壓力：0.009 2 MPa/m×2 400m=22.08MPa；氣層段地層破裂壓力：0.017MPa/m×2 400m=40.80MPa；氣層段水泥漿液柱壓力:(1.35g/cm3×1 400m+1.75g/cm3×300m+1.90 g/cm3×700m)×9.8N/kg×10-3=36.70MPa；水泥漿失重時當量密度取1.07g/cm3，氣層段水泥漿液柱壓力：（1.35g/cm3×1 400m+1.75g/cm3×300m+1.07g/cm3× 700m）×9.8N/kg×10-3=31.01MPa；氣層段水泥漿液柱壓力36.70MPa小于氣層段地層破裂壓力40.80MPa所以不會壓漏氣層；水泥漿失重時氣層段液柱壓力31.01MPa大于氣層段地層壓力22.08MPa，所以能壓穩(wěn)氣層。

地層破裂壓力最低點為劉家溝組，其底界一般在1 400m左右，該層位位于領漿封固段，領漿密度為1.35g/cm3，小于地層破裂當量密度1.38g/cm3，因此不會壓漏。

2）流體有塞流、層流和紊流3種狀態(tài)，一般認為紊流和塞流的頂替效率最高。在較高的流速下容易達到紊流頂替，但摩阻壓力相對較高，尤其在頂替后期，容易造成井漏；塞流狀態(tài)下頂替，流速很低，摩阻壓力下，但受水泥漿稠化時間的限制，不可能一直采取塞流頂替。因此在實際施工中采用紊流和塞流相結合的方式頂替。通常采用雷諾數(shù)Re作為判斷流體流態(tài)的標準。水泥漿在套管外，處于環(huán)形空間內(nèi)流動，而且環(huán)空的內(nèi)徑和外徑比為0.59，大于0.3，故選用窄縫近似法計算。選用的水泥漿符合冪律流變模式，因此選用冪律流變模式下的計算公式。

管流：

環(huán)空流：

在紊流狀態(tài)下，摩阻系數(shù)f滿足：

式（3）~（7）中,V為流體流速，m/s；f為摩阻系數(shù),無量綱；ΔP/L為摩阻梯度，Pa/m；Di為套管內(nèi)徑，m；ρ為流體密度，Kg/m3；KRe、KP為單位系數(shù)1，無量綱。

當Re≥4 150～1 150×n時，流體為紊流狀態(tài)。

在頂替過程中，如果頂替效率不夠，會造成不同流體之間竄流。尤其是領漿與前置液及鉆井液之間竄流嚴重后，可能直接導致填充段固井質量不合格。通過計算，求出不同水泥漿在套管內(nèi)的臨界流速，如表6所示。

表6 水泥漿在套管內(nèi)的臨界流量

在頂替前期，領漿處在環(huán)空，臨界流速下雷諾數(shù)Re為2 938，由式（5）可知：臨界流速：V=0.902m/s；臨界排量：Q=（0.902×28.97×60）m3/min=1.57m3/min。

在頂替后期，隨著環(huán)空水泥漿液面的升高，環(huán)空液柱壓力越來越大。如果不降低排量減小摩阻壓力，很容易導致薄弱地層劉家溝組漏失，所以應該采用塞流頂替。由于劉家溝組底界一般在1 400m左右，該層位以上全是領漿封固，因此主要計算領漿的環(huán)流摩阻壓力。

由式（7）可知，領漿在臨界流速下，環(huán)流摩阻系數(shù)f=0.040 7；摩阻梯度ΔP/L=[2×1 350×0.902 2× 0.040 7/（0.237 49-0.139 7）]Pa/m=914Pa/m。

前置液密度為1.0g/cm3，鉆井液密度1.1g/cm3左右，由于頂替后期鉆井液基本快全部被頂替完全，因此計算時領漿上部流體密度取1.0g/cm3，同時忽略其摩阻壓力。通過計算，當領漿返高到200m處，劉家溝處壓力恰好達到破裂壓力。此時應改為塞流頂替，一般排量不超過0.5m3/min。

2.2.3 其他技術措施

①如果井下正常，可適當加大前置液量，減小頂替后期的液柱壓力，避免施工壓力過高，同時降低漏失的風險；②按設計要求混配水泥漿，保證密度均勻，密度波動范圍控制在±0.03g/cm3；③保證施工連續(xù)，避免中停后再次起動造成的壓力激動，導致井漏；④為避免出現(xiàn)假水泥塞，影響電測三樣，使用專門配制的壓塞液壓膠塞，數(shù)量為1~1.5m3，壓膠塞時排量控制在0.5m3/min；⑤固井過程中發(fā)生井漏，適當降低頂替排量，避免漏失加重，同時密切關注井口返出情況；⑥碰壓后在施工壓力上附加2MPa關井候凝，關井時間一般為2h，不可長時間關井；⑦鉆井過程中發(fā)生漏失的井采用正注反擠工藝施工，正注段返高至700m。

3 現(xiàn)場應用成果

在完成固井施工的13口神字號天然氣井中，采用泡沫水泥、降失水水泥、輕珠水泥三凝水泥體系施工的有9口井。除1口井因漏失導致上部出現(xiàn)250m的自由井段，其余井水泥均返至地面，固井質量全部合格。

通過現(xiàn)場應用可看出，該區(qū)塊一次上返固井采用三凝水泥漿體系，正確控制施工參數(shù)，基本可以避免漏失，滿足固井要求。

4 結論與建議

1）在神木區(qū)塊天然氣探井一次上返固井施工中，采用三凝水泥漿體系，對應密度分別為1.35 g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能壓穩(wěn)氣層同時不壓漏地層，滿足固井要求。

2）用泡沫水泥漿封固氣層段，效果優(yōu)于膨脹水泥漿。

3）頂替前期,采用紊流頂替,臨界排量為1.57 m3/min，現(xiàn)場施工可以控制排量在1.6m3/min，達到紊流頂替。

4）頂替后期，防止劉家溝組漏失，一般在水泥返至200m左右時改為塞流頂替，排量不超過0.5 m3/min。

5）正確采取對應的方案和措施，能夠成功實現(xiàn)一次上返，固井合格率100%。

6）由于不同井、不同批次固井材料，存在一定差異，具體到某一口井，要對水泥漿化驗和施工參數(shù)計算進行詳細地設計，確保施工順利。

[1]魏周勝，周兵，李波，等.一次上返固井技術在天然氣井中的應用[J].天然氣工業(yè)，2007,27(8):69-71.

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[3]賈芝,胡富源,郭衛(wèi)軍,等.用于封固氣層的泡沫水泥漿固井技術[J].鉆井液與完井液，2003,20(2):23.

[4]劉順治,劉剛,王延東.一次上返全封固固井技術在延長氣田中的應用[J].中國石油和化工標準與質量,2009,14(3):60.

[5]魏周勝，周兵，李波，等.一次上反固井技術在天然氣井中的應用[J].天然氣工業(yè)，2007,27(8):69-71.

One-time up-return cementing can shorten well construction period,improve the air tightness and the pressure resistance of casing,but it easily cause insufficient cement up-return due to the leakage of the cement.According to the characteristics of gas reservoir in Shenmu block,the cement slurry system composing of light bead cement,reducing fluid loss cement and foam cement is used,and it is capable of stabilizing gas reservoir but does not cause the leakage of formation.The critical displacement for turbulent replacement is determined according to the rheology of cement slurry and well diameter,and the plug flow replacement is used when cement slurry returns to about 200m.The field applications show that the cementing technology can realize cementing in whole hole and ensure the cementing quality.

Shenmu block;natural gas exploration well;one-time up-return cementing;replacing displacement；cement slurry

尉立崗

2015-07-19

胡富源（1964-），男，現(xiàn)主要從事固井技術工作。