東海低孔滲儲層固井壓穩技術應用

宮吉澤，張海山，黃 召，和鵬飛

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

根據東海海域油氣成藏模式，深部低孔滲油氣資源是勘探開發的重點領域。由于低孔滲儲層流阻大，流量小，地層壓力求取較困難，多口井壓力預測不準，實測地層壓力當量密度大于實鉆鉆井液密度，常規的壓穩判別方法又不適合低孔滲儲層，造成固井時不能有效壓穩地層發生氣竄，導致固井質量較差。

國內外大量研究和實踐表明，固井氣竄主要發生在水泥漿候凝過程中。注水泥作業結束后，隨著環空水泥漿的靜膠凝強度不斷增強，水泥漿的靜液柱壓力也隨之降低，當該壓力低于氣層壓力時，氣體便會進入環空發生氣竄。對于候凝期間氣竄的判斷，常用的有潛氣竄因子法（GFP）、綜合因子法（CCGM）和壓穩系數法（PSF）等[1-6]，前兩種方法只評估氣竄風險，而不能用于進行固井防氣竄設計，后一種方法需結合水泥漿臨界失重點來判斷是否壓穩，可以指導壓穩設計。

針對東海低孔滲儲層固井難點，通過水泥漿靜膠凝強度與壓力損失研究來確定壓穩系數的計算方法，根據有無可靠的地層壓力資料來建立低孔滲儲層壓穩判斷新方法，并制定雙凝水泥漿、加重鉆井液和加壓候凝等壓穩技術措施，確保固井壓穩效果，提高固井質量。

1 水泥漿靜膠凝強度與壓力損失分析

1.1 水泥漿靜膠凝強度

在水泥漿由液態向固態轉變的過程中，逐漸會形成一種非固非液的結構，即膠凝狀態的特征，在此階段，水泥漿類似聚合物材料表現出非牛頓流體流變性和屈服值，即靜膠凝強度（單位，Pa），水泥漿膠凝強度可以理解為環空水泥漿在井口壓力作用下存在于井壁邊界的剪切力[7]，其發展過程可以使用靜膠凝強度測試儀器來獲得。

F.L.Sabins等[7]研究認為，水泥漿靜膠凝強度增長的過渡期是固井后發生氣竄危險期。如果環空液柱壓力大于氣層壓力，水泥漿靜膠凝強度在48 Pa之前基本沒有氣竄的風險，增長到240 Pa以后就有足夠的阻力阻止氣體運移。所以研究環空氣竄主要集中在靜膠凝強度在48 Pa到240 Pa的過渡期。

1.2 水泥漿液柱壓力損失分析

引起水泥漿液柱壓力損失有多種因素，如由靜膠凝強度、失水和體積收縮等[8]。隨著固井技術的不斷發展，水泥漿失水和體積縮小等問題已經得到了很好的解決，由它們引起的壓力損失相對較小，因此在分析過程中，只考慮凈膠凝強度。

隨著靜膠凝強度不斷增加，水泥漿液柱壓力也會隨之降低，水泥漿失壓值表達式為[9]：

式中：P1-水泥靜膠凝強度造成的失壓值，MPa；SGS-靜膠凝強度，Pa；L-地層流體頂部尾漿柱長度，m；D-井眼直徑，mm；d-套管外徑，mm。

水泥漿靜液柱殘值表達式為：

式中：Hc1-流體頂部尾漿垂厚，m；Hc2-領漿垂厚，m；Hm-鉆井液垂厚，m；ρm-鉆井液密度，g/cm3；ρc-水泥漿密度，g/cm3。

1.3 壓穩系數計算方法

對于低孔滲地層固井來說，關鍵的措施就是確保壓穩地層，確保在水泥漿稠化失重時不失穩、不氣竄，所以，采用合理的壓穩設計計算方法，對高壓氣井固井后環空的液柱壓力平衡非常關鍵。在固井設計時，本文采用計算壓穩系數的方法進行壓穩計算，以合理優化井內各段漿柱長度和密度，選擇適合的候凝方式。計算壓穩系數采用150 Pa靜膠法，即水泥靜膠凝強度150 Pa時，方法如下：

式中：PPSF－壓穩系數，水泥漿在凈膠凝強度150 Pa的漿柱壓力Pcmk與地層壓力Pf之比；Pcmk-凈膠凝強度150 Pa漿柱的壓力，MPa；Pcm-原始漿柱段的壓力，MPa；Plk-水泥漿在臨界點的失重值，MPa；lc-水泥漿長度，m；Dh、Dp－井眼尺寸和套管尺寸，mm；PPSF≥1，防竄效果好；PPSF＜1，防竄效果差。

通過以上方法設計合理的水泥漿結構可以使最終的壓穩系數達到1，在做壓穩設計時，壓穩系數達到1或略大于1就可以了，也就是說在滿足壓穩的前提下盡量降低水泥漿的密度，減少漏失的可能性。

2 低孔滲儲層固井前壓穩判斷新方法

固井作業的壓穩包括固井前的壓穩、固井過程中的壓穩和候凝過程中水泥漿失重時的壓穩，這些壓穩措施都是基于對于地層孔隙壓力的準確認識，固井作業前獲取地層孔隙壓力途徑主要有地層壓力預測和電測測壓取樣，而對于東海探井而言，地層壓力預測準確度不夠（見表1），低孔低滲地層的測壓取樣成功率不高，因此給固井作業帶來了很大的困難。

表1 東海部分已鉆探井完鉆鉆井液密度與實測壓力Tab.1 Comparison of final mud weight and measured prssure for part of erxploratory wells in east China sea

根據SY/T 10022.2-2000（海洋石油固井設計規范，第2部分固井工藝），常規的氣層壓穩判斷方法為固井前氣測值＜5%。但是由于低孔滲儲層流阻大、流量小，固井前循環氣測值＜5%，不能代表實際鉆井液密度已經壓穩地層，故常規方法不再適用，針對東海海域低孔滲儲層特點，經過大量的現場實踐與研究，提出了固井前的壓穩判斷方法：

（1）對于能夠獲得可靠壓力系數的地層，壓穩密度為實際孔隙壓力附加0.07～0.15。

（2）對于不能獲得可靠壓力系數的地層，壓穩判斷為：短起后效氣與循環時氣全量基本一致為準。

3 低孔滲儲層固井壓穩技術措施

針對東海探井177.8 mm尾管固井過程中欠壓穩和固井溫差較大，高低壓同層等問題，結合上述技術分析，對177.8 mm尾管固井技術進行了以下優化：

（1）合理調整鉆井液及水泥漿密度：固井前根據實鉆獲得的地層壓力和地層承壓試驗數據調整鉆井液密度，確定水泥漿密度，保證壓穩的同時避免將地層壓漏，根據固井前壓穩判斷新方法進行判斷。

（2）針對高壓低滲的特點，選擇防竄能力更強的膠乳聚合物水泥漿體系，采用針對高壓層的雙凝漿柱結構設計。

膠乳具有降失水、防竄能力強、漿體穩定、水泥石韌性好、抗腐蝕等特點。膠乳聚合物水泥漿主要用于對固井質量要求較高的尾管固井、油層固井、氣井、調整井、高溫高壓井固井及有特殊要求的固井作業中等，加入膠乳后水泥石膠結更加致密，防氣竄能力比聚合物水泥漿體系更強[10-13]。

采用針對高壓層的雙凝漿柱結構（見圖1）：速凝水泥漿封固異常壓力層，保證在其靜膠凝強度達到150 Pa的失重的過程中，緩凝水泥漿能起到平衡地層壓力的功效，防止氣侵。

圖1 水泥漿柱結構圖Fig.1 The slurry column chart

（3）水泥漿頂替結束后，在尾管掛以上替入重鉆井液候凝，補償尾漿失重時的靜液柱壓力損失。

為保證壓穩效果，采取固井結束實施加壓候凝，保證在水泥漿失重過程進行壓力補償，防止氣竄。本技術采用替入加重鉆井液的方式進行加壓候凝，主要優點有：①此方式不占用井口，節省鉆臺時間，能在確保壓穩的情況下進行測固井質量等作業；②可循環逐步撤掉壓力，避免因井口突然撤壓造成水泥石與套管間產生嚴重的微裂紋。

4 壓穩技術在T2-3井中的應用

該壓穩技術已在東海探井作業得到了廣泛應用，以T2-3井為例：T2-3井215.9 mm井眼完鉆井深：4 133 m，244.48 mm套管下深3 470 m。在從3 940.99 m開始鉆進時，后效氣61%，氣竄速度43 m/h。215.9 mm井眼3 949.68 m至4 060.85 m鉆進時，氣全量不斷增大，鉆井液密度也由1.18 g/cm3提高至1.50 g/cm3。此時循環氣全量為1.8%～2%，起鉆更換取心鉆具，取心鉆具下到井底后，循環氣全量為1.4%。本井215.9 mm井段在鉆至4 060 m時鉆遇異常壓力，鉆井液密度由1.18 g/cm3加重至1.50 g/cm3，無法準確預測地層孔隙壓力，固井設計按1.55 g/cm3進行壓穩計算（293 m快速尾漿失重時4 060 m頂部壓力損失3.46 MPa，4 230 m壓力損失4.61 MPa），多余水泥漿循環干凈后，215.9 mm套管內替入1 500 m密度1.70 g/cm3加重鉆井液候凝（見表2，表3）。

表2 計算不同井深的靜液柱壓力及井底當量密度Tab.2 The calculation of hydrostatic column pressure and bottom hole equivalent density at different depth

圖2 T2-3井7"套管固井質量圖Fig.2 215.9 mm casing cementing quality figure of T2-3 well

表3 固井油氣層壓穩計算Tab.3 Stability judgment calculation for cementing

由表2，表3可知，壓穩系數為1.012＞1，有效保證了固井期間水泥漿能夠壓穩地層，防止氣竄的發生，固井后測封固質量，封固質量優良（見圖2）。

5 結論

（1）通過水泥漿靜膠凝強度與壓力損失分析，確定了低孔滲儲層固井過程中使用150 Pa靜膠法作為壓穩系數計算方法。

（2）針對低滲儲層流阻大、流量小的特點，建立了固井前壓穩判斷新方法：對于能夠獲得可靠壓力系數的地層，壓穩壓力為實際空隙壓力附加0.07～0.15；對于不能獲得可靠壓力系數的地層，壓穩判斷為短起后效氣與循環時氣全量基本一致為準。

（3）制定了雙凝水泥漿、加重鉆井液等壓穩技術措施，確保固井作業中對地層的有效壓穩。

（4）該壓穩技術在東海探井中得到了成功應用，固井質量優良，有效解決了低孔滲儲層固井易發生氣竄的問題。

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