神木區塊天然氣探井一次上返固井技術

胡富源，付雄濤，周興春，馮宇思，張　弛

（1.長慶油田公司工程技術管理部，陜西西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安710021；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）

神木區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，馮宇思3，張弛3

（1.長慶油田公司工程技術管理部，陜西西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安710021；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）

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，但由于封固段長、施工壓力高，容易因漏失而導致水泥返高不夠。針對神木區塊氣層段跨度大、劉家溝組承壓能力低等特點，選用輕珠水泥、降失水水泥、泡沫水泥三凝水泥漿體系，密度分別為1.35g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能夠壓穩氣層同時不壓漏地層。氣層段采用泡沫水泥漿封固，效果優于膨脹水泥漿。通過對水泥漿流變性和井徑數據計算，確定紊流頂替臨界排量為1.57m3/min，同時在水泥漿返至200m左右時應采用塞流頂替。通過現場應用，正確控制施工參數，能夠實現全井段封固，保證固井質量。

神木區塊；天然氣探井；水泥漿固井

神木區塊位于長慶氣田東部，目前主要以天然氣預探井為主。為了延長氣井開采壽命，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[1]。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，實現全井段封固，提高固井質量，為油氣增儲上產提供強有力的工程技術支撐。

1　地質及工程簡況

1.1地質特征

神木氣田構造位置屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，鉆經地層依次為：新生界第四系；中生界侏羅系下統延安組，三疊系上統延長組、中統紙坊組、下統和尚溝組和劉家溝組；上古生界二疊系上統石千峰組、中統石盒子組、下統山西組和太原組，石炭系上統本溪組；下古生界奧陶系下統馬家溝組(多數井未穿)。儲層主要分布在1600～2400m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0.0084MPa/m，最大為0.0102MPa/m，平均為0.0092MPa/m。通過壓裂數據推算，地層破裂壓力梯度在0.017～0.0198MPa/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。

1.2工程簡況

神木氣田井深一般在2200～2500m，一開采用?311.2mm鉆頭鉆過穩定地層，表層采用?244.5mm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，?139.7mm生產套管下至距井底3～5m位置。多數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作業要求。

2　固井難點及技術對策

2.1固井難點

（1）地質條件復雜，坍塌、漏失問題突出。本溪組、太原組、山西組煤層發育，單層厚1～10m，易坍塌；部地層劉家溝承壓能力低，固井中易漏失，造成水泥返高不夠。

（2）固井作業、候凝過程中易發生氣竄。目的層氣藏埋藏淺、跨度較大，易發生氣竄；當井下發生漏失，造成靜液柱壓力降低，存在未壓穩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）一次上返施工作業風險大。固井用灰量大，作業時間長?，F場施工壓力高，頂替過程中易出現復雜情況。部分井井徑極不規則，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）氣層段泡沫水泥漿體系評價。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石強度，能滿足壓裂酸化的要求，同時要求防氣竄性能優越。神木區塊所用的水泥漿為泡沫水泥漿體系，利用化學發氣劑發生反應生成氣體，在穩泡劑的作用下，形成一種體系穩定，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地補償地層孔隙壓力的下降，從而壓穩氣層。泡沫水泥漿表現出的這種“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泡劑，即使發氣量不夠，不能產生足夠的氣體壓穩氣層，發生氣侵現象，但侵入的氣體通過穩泡劑的乳化作用，將生成微小的氣泡，穩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[3]。

①1.90g/cm3泡沫水泥漿體系常規性能評價：

1#G級水泥+2%發氣劑+0.25%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩泡劑+水；

2#G級水泥+2%發氣劑+0.3%緩凝劑+1.8%降失水劑+2.5%穩泡劑+水；

3#G級水泥+2%發氣劑+0.6%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩泡劑+水；

4#G級水泥+2%發氣劑+0.8%緩凝劑+1.8%降失水劑+2.5%穩泡劑+水。

表1　常規密度水泥漿綜合性能

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；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：該區塊所用泡沫水泥漿配方為：G級水泥+2%發氣劑+0.6%緩凝劑+1.5%降失水劑+2.5%穩泡劑+水，在65℃、常壓下，水泥漿流變性能如表2所示。

表2　泡沫水泥漿流變性能參數

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——流性指數，無量綱；

k——稠度系數，Pa·sn。

由式（1）、（2）可知，該泡沫水泥漿流性指數n= 0.399，稠度系數k=0.587Pa·s0.399。

（2）填充段水泥漿體系評價。對于非目的層段的填充，一般根據地層承壓能力和水泥漿性能等確定[4]。通過綜合分析，選用密度為1.35g/cm3微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。

①水泥漿體系常規性能評價：

1#G級水泥+50%微珠+50%粉煤灰+1.2%緩凝劑+ 3.5%降失水劑+水；

2#G級水泥+50%微珠+50%粉煤灰+1.6%緩凝劑+ 4.0%降失水劑+水；

3#G級水泥+2%降失水劑+0.4%緩凝劑+水；

4#G級水泥+2.5%降失水劑+0.6%緩凝劑+水。

表3　填充段水泥漿綜合性能

從表3可以看出，填充段2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；水泥漿稠化時間可調；24h抗壓強度高；滿足固井施工要求。

②填充段水泥漿體系流變性評價：在65℃、常壓下，水泥漿流變性能如表4、表5所示。

表4　微珠水泥漿流變性能參數

表5　降失水水泥漿流變性能參數

由表4、表5可知，F值均不在0.5±0.03范圍內，故選用冪律流變模式，輕珠水泥漿n=1.054，k=0.032Pa·s1.054；降失水水泥漿n=0.798，k=0.203Pa·s0.798。

2.2.2現場施工技術措施

根據神木區塊電測資料，二開?215.9mm井眼的平均井徑擴大率約為10%，即237.5mm。平均環容28.97L/m。井深按2400m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1400m。為防止漏失，保證固井質量，必須準確控制施工參數。

（1）壓力計算。根據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[5]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：密度為1.35g/cm3，封固長度為1300～1700m，返至井口；

氣層段地層壓力：0.0092MPa/m×2400m= 22.08MPa；

氣層段地層破裂壓力：0.017MPa/m×2400m= 40.80MPa；

氣層段水泥漿液柱壓力：（1.35g/cm3×1400m+ 1.75g/cm3×300m+1.90g/cm3×700m）×9.8N/kg×10-3= 36.70MPa；水泥漿“失重”時當量密度[6]取1.07g/cm3，氣層段水泥漿液柱壓力：（1.35g/cm3×1400m+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，所以能壓穩氣層。

地層破裂壓力最低點為劉家溝組，其底界一般在1400m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）頂替排量設計。流體有塞流、層流和紊流3種狀態[7]，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。因此在實際施工在采用紊流和塞流相結合的方式頂替。通常采用雷諾數Re作為判斷流體流態的標準[8]。水泥漿在套管外，處于環形空間內流動，而且Da/Db(Da/Db分別為環空的內徑和外徑)為0.59，大于0.3，故選用窄縫近似法計算[9]。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：

環空流：

在紊流狀態下，摩阻系數f滿足：

式中：V——流體流速，m/s；

f——摩阻系數，無量綱；

ΔP/L——摩阻梯度，Pa/m；

Di——套管內徑，m；

ρ——流體密度，kg/m3；

KRe、KP——單位系數1，無量綱。

當Re≥4150-1150×n時，流體為紊流狀態。

①紊流頂替。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的臨界流速，如表6所示。

表6　水泥漿在套管內的臨界流量

在頂替前期，領漿處在環空，臨界流速下雷諾數Re為2938，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。

由于領漿環空流的臨界流速大于各種水泥漿的管流臨界流速，因此當頂替排量達到1.57m3/min，即可實現頂替前期各種流體均處于紊流狀態，現場施工可以把排量控制在1.6 m3/min。

②塞流頂替。在頂替后期，隨著環空水泥漿液面的升高，環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漏失，所以應該采用塞流頂替。由于劉家溝底界一般在1400m左右，該層位以上全是領漿封固，因此主要計算領漿的環流摩阻壓力。

由式（7）可知，領漿在臨界流速下，環流摩阻系數f=0.0407；

摩阻梯度ΔP/L=[2×1350×0.9022×0.0407/（0.23749-0.1397）]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其它技術措施

（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，避免中停后再次起動造成的壓力激動，導致井漏；

（4）為了避免出現假水泥塞，影響電測三樣，使用專門配制的壓塞液壓膠塞，數量為1～1.5m3，壓膠塞時排量控制在0.5m3/min；

（5）固井過程中發生井漏，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）鉆井過程中發生漏失的井采用正注反擠工藝施工，正注段返高至700m。

3　現場應用成果

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、微珠水泥三凝水泥體系施工的有9口井。除一口井因漏失導致上部出現250m的自由井段，其余井水泥均返至地面，固井質量全部合格。

通過現場應用可看出，該區塊一次上返固井采用三凝水泥漿體系，正確控制施工參數，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1.35g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能壓穩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，效果優于膨脹水泥漿；

（3）頂替前期，采用紊流頂替，臨界排量為1.57m3/min，現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0.5m3/min；

（5）正確采取對應的方案和措施，能夠成功實現一次上返，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,2007,27(8):69-71.

[2]劉崇建.油氣井注水泥理論與應用[M].北京:石油工業出版社,2001:270-271.

[3]賈芝,胡富源,郭衛軍，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.

TE256

B

1004-5716(2015)07-0055-05

2014-07-25

2014-07-30

胡富源（1964-），男（漢族），陜西西安人，工程師，現從事固井技術研究及管理工作。