雷家磧井區(qū)固井漏失層分析及固井防漏工藝技術(shù)

范志坤，夏忠躍，馮 雷，賈 佳，解健程

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

雷家磧井區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶，該區(qū)鉆遇地層自上而下依次為新生界；中生界三疊系上統(tǒng)延長組、中統(tǒng)紙坊組、下統(tǒng)和尚溝組和劉家溝組；古生界二疊系上統(tǒng)石千峰組、中統(tǒng)上石盒子組、下石盒子組、下統(tǒng)山西組、太原組，石炭系上統(tǒng)本溪組，奧陶系下統(tǒng)馬家溝組。其中，下古生界奧陶系、上古生界二疊系為區(qū)內(nèi)主要的油氣勘探層系。根據(jù)前期探井測試結(jié)果，該區(qū)下石盒子組、太原組氣層發(fā)育，測試產(chǎn)量較高，顯示了較高的開發(fā)潛力［1］。

該井區(qū)固井時(shí)漏失狀況時(shí)有發(fā)生，造成水泥漿低返，無法保障固井質(zhì)量，部分井固井質(zhì)量無法滿足后期壓裂增產(chǎn)的需要，嚴(yán)重制約了該區(qū)產(chǎn)能的建設(shè)進(jìn)程。因此，形成一套適合雷家磧井區(qū)的有效固井防漏工藝技術(shù)，對改善固井質(zhì)量，建設(shè)該井區(qū)天然氣產(chǎn)能具有重要意義。

1 漏失層位分析

為預(yù)防雷家磧井區(qū)后期作業(yè)井固井漏失。通過綜合分析已鉆井地質(zhì)參數(shù)、鉆井參數(shù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、固井施工數(shù)據(jù)和固井質(zhì)量測井?dāng)?shù)據(jù)，判斷固井水泥漿漏失層位，通過固井施工參數(shù)的反演模擬，計(jì)算該層位的漏失壓力。

1.1 漏失層位判斷

雷家磧井區(qū)受構(gòu)造運(yùn)動影響，地層破碎嚴(yán)重，地形起伏較大，平面上非均質(zhì)性較強(qiáng)，縱向上發(fā)育多個(gè)易漏地層。上部地層紙坊組與和尚溝組呈不整合接觸，存在地層缺失現(xiàn)象。且該層段泥砂巖互層嚴(yán)重，膠結(jié)性較弱，承壓能力較低，固井期間極易發(fā)生漏失。多口井在該井段鉆井期間發(fā)生嚴(yán)重漏失。山西組至本溪組地層發(fā)育多組煤層，煤層累積厚度達(dá)20 m，且煤層間夾灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖和灰白色中砂巖，層間膠結(jié)弱，同樣漏失風(fēng)險(xiǎn)較高［2］。

以5D 井為例，該井在固井頂替期間發(fā)生漏失，固井質(zhì)量測井顯示，該井井口至538 m 為自由套管段，538～640 m 井段存在多段固井質(zhì)量不合格井段。根據(jù)錄井資料、鉆井參數(shù)及測井?dāng)?shù)據(jù)分析，625～635 m 井段為可疑漏失層。錄井資料顯示，該井段地層巖性為砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，地層較為疏松；測井聲波時(shí)差在該井段明顯升高（如圖1 所示），且鉆井期間該井段鉆時(shí)加快，同樣證明該段地層疏松，存在較高漏失風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 可疑漏失層段綜合測井曲線

1.2 漏失壓力計(jì)算

固井頂替施工過程中，由于液體的不可壓縮性，套管內(nèi)注入的排量近似等于環(huán)空井口返出的排量。當(dāng)井下發(fā)生水泥漿漏失時(shí)，環(huán)空井口返出的排量減少甚至失返。可以結(jié)合低排量不漏失條件下注入?yún)?shù)及立管壓力大小，來修正環(huán)空摩阻壓降系數(shù)，從而準(zhǔn)確地推導(dǎo)出地層漏失壓力［3］。

5D井在固井施工期間，采用雙凝雙密度水泥漿漿柱設(shè)計(jì)，低密度水泥漿平均密度1.45 g/cm3，高密度水泥漿平均密度1.85 g/cm3。施工過程中注清水6 m3，排量1 m3/min；隔離液4 m3，排量1 m3/min；注領(lǐng)漿49 m3，排量0.95～0.87 m3/min；尾漿20 m3，排量0.95～0.67 m3/min，替漿28.12 m3，替漿至20 m3時(shí)返出量減少，替至21.5 m3時(shí)不返，漏失約6.5 m3，碰壓15 MPa，穩(wěn)10 min，壓降0 MPa。候凝48 h 測聲幅，水泥返高至538 m。替漿過程中，替漿至20 m3時(shí)，返出流量小于固井泵排量，證實(shí)井下發(fā)生漏失。通過對5D 井固井施工過程中可疑漏失層位環(huán)空壓力當(dāng)量密度理論模擬分析，在施工過程中，隨著水泥漿柱逐漸通過，可疑漏失層環(huán)空動態(tài)當(dāng)量密度呈現(xiàn)出“穩(wěn)定—下降—增加”趨勢（見圖2）。發(fā)生漏失時(shí)，入井流體99 m3，排量為0.5 m3/min，此時(shí)可疑漏失層段環(huán)空動態(tài)循環(huán)密度當(dāng)量1.45～1.46 g/cm3。結(jié)合早期鄰井固井施工過程中漏失發(fā)生時(shí)該位置動態(tài)循環(huán)密度當(dāng)量，該井段地層承壓能力介于8.82～9.46 MPa之間（承壓密度當(dāng)量介于1.44～1.52 g/cm3之間）。

圖2 可疑漏失層段固井施工過程中循環(huán)密度當(dāng)量

2 固井漏失預(yù)防措施

減少固井過程中水泥漿漏失，提高固井質(zhì)量，需要從井眼準(zhǔn)備、鉆井液性能調(diào)整、水泥漿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)、固井注替工藝精確控制等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析。考慮致密砂巖儲層低成本開發(fā)的需求，此處未分析分級固井、尾管固井等固井工藝方面的技術(shù)措施。

2.1 井眼準(zhǔn)備

為保證下套管順利及裸眼段的封固質(zhì)量，下套管前要用原鉆具嚴(yán)格進(jìn)行通井，并認(rèn)真做好遇阻遇卡記錄，要求在遇阻卡段進(jìn)行短起下鉆，直至?xí)惩ǎň^程中大排量洗井，并進(jìn)行分段循環(huán)，確保井壁穩(wěn)定。鉆具下到井底后要充分循環(huán)，要求大循環(huán)，通過振動篩上無巖屑返出方可起鉆，記錄循環(huán)排量、壓力。

下套管過程中，為防止壓力激動，壓漏地層，需嚴(yán)格控制下放速度在0.5 m/s 以內(nèi)，低壓易漏層段套管柱下放速度應(yīng)控制在0.3 m/s 以內(nèi)。按設(shè)計(jì)要求安放扶正器，保證套管居中度不低于0.67。下完套管后，先不要坐掛，要循環(huán)鉆井液至少2 周（循環(huán)排量的上返速度不超過通井時(shí)的循環(huán)排量上返速度），循環(huán)期間觀察鉆井液返出是否漏失、是否有異物，一切正常后，方可坐掛（坐掛前要先清洗兩側(cè)翼閥），連續(xù)測量鉆井液性能，確保井眼穩(wěn)定，滿足固井要求后方可施工。

2.2 鉆井液性能調(diào)整

雷家磧井區(qū)普遍采用二開井身結(jié)構(gòu)對致密砂巖氣進(jìn)行開發(fā)，一開鉆穿表層黃土層以及未固結(jié)的疏松地層，下入套管完井。二開井段自上而下延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組，裸眼井段1 800～2 500 m 不等，二開井段裸眼封固井段長，地層跨度大，地層壓力系數(shù)上下差異最高達(dá)到0.14，為保證氣井施工安全，鉆井液密度上限按照較高的地層壓力系數(shù)附加安全系數(shù)，鉆井液密度較高。雷家磧井區(qū)上部井段砂泥巖互層嚴(yán)重，且下部井段存在大段煤巖，為保持井眼穩(wěn)定，同時(shí)保證套管下入過程中的井控安全，固井施工前鉆井液一般保持較高的塑性粘度和切力，鉆井液結(jié)構(gòu)力較大，循環(huán)時(shí)開泵壓力較高，對環(huán)空井段造成較高的激動壓力，甚至有可能壓漏地層［4］。

鉆井液性能原則上不進(jìn)行大的調(diào)整，密度需滿足壓穩(wěn)地層，防止坍塌和縮徑，并盡可能地降低鉆井液黏度和切力。固井施工前，調(diào)整鉆井液黏度不高于50 s，初切力小于2 Pa。

2.3 水泥漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用低密度水泥漿體系，降低環(huán)空漿柱液柱壓力，實(shí)現(xiàn)近平衡壓力固井是解決低壓易漏井固井漏失最有效、最簡便的方法［5-6］。

雷家磧井區(qū)早期普遍采用雙凝雙密度水泥漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。領(lǐng)漿密度1.40～1.45 g/cm3，尾漿密度1.85～1.90 g/cm3。其中，設(shè)計(jì)尾漿上返至最上部氣層以上200 m。為降低環(huán)空漿柱液柱壓力，提高水泥漿上返高度，同時(shí)避免上部疏松易漏地層漏失，設(shè)計(jì)3 種漿柱結(jié)構(gòu)（1 級領(lǐng)漿1.35 g/cm3，二級領(lǐng)漿1.45 g/cm3，尾漿1.85 g/cm3），在壓穩(wěn)的前提下，降低井底及上部薄弱層的當(dāng)量密度。

根據(jù)測井解釋及錄井氣測顯示，最上部氣層1 600 m 左右。水泥漿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)為隔離液—過渡漿—領(lǐng)漿—尾漿。通過軟件模擬計(jì)算，水泥漿柱優(yōu)化后，可疑漏失層段最大環(huán)空動態(tài)循環(huán)密度當(dāng)量為1.38 g/cm3，明顯低于反演計(jì)算出的地層漏失壓力梯度。見圖3。

2.4 水泥漿性能優(yōu)化

為保證氣層封固質(zhì)量，滿足候凝期間失重壓穩(wěn)需求，通過優(yōu)化水泥漿配方，在過渡漿中加入纖維，對可疑漏失層位進(jìn)行架橋堵漏，提高可疑漏失層承壓當(dāng)量密度。領(lǐng)漿添加20%減輕劑降低領(lǐng)漿密度，并加入2%早強(qiáng)劑，使水泥凝固后24 h 強(qiáng)度達(dá)到7 MPa 以上。領(lǐng)漿配方為：G 級水泥+現(xiàn)場水+0.4%分散劑+1.8%降失水劑+2.0%早強(qiáng)劑+20%減輕劑+0.5%防氣竄劑+0.2%消泡劑。尾漿中優(yōu)選防氣竄劑和微膨脹劑，通過防氣竄劑增大水泥漿候凝過程氣體進(jìn)入阻力，微膨脹補(bǔ)償水泥石收縮產(chǎn)生的微裂縫，確保儲層及煤層段有效封固。微膨脹防氣竄水泥漿體系過渡時(shí)間段，接近直角稠化，防氣竄效果好。通過加入2%的緩凝劑，確保水泥漿稠化時(shí)間達(dá)到3 h 以上，保證施工安全。尾漿配方為：G 級水泥+現(xiàn)場水+0.4%分散劑+1.5%防氣竄劑+1.5%降失水劑+1.0%早強(qiáng)劑+2.0%緩凝劑+0.2%消泡劑。尾漿稠化曲線見圖4。

圖4 尾漿稠化曲線

2.5 注替過程精細(xì)控制

為精細(xì)控制尾漿高密度水泥漿上返高度，通過每米1點(diǎn)的井徑數(shù)據(jù)，精確計(jì)算井眼容積量，儲層段尾漿不附加，但高密度水泥漿設(shè)計(jì)返至儲層段300 m以上，既確保儲層段有效封固，又有效降低井底當(dāng)量密度以降低大段煤層段漏失風(fēng)險(xiǎn)［7-9］。

為提高頂替效率，前期固井施工過程中在頂替階段，常采用紊流替漿。但排量過高，容易對環(huán)空地層造成較高的附加壓力，在承壓能力薄弱地帶極易壓漏地層，造成水泥漿失返。根據(jù)軟件模擬計(jì)算結(jié)果，以5D 井為例，在215.9 mm 井眼內(nèi)下入139.7 mm 套管后，在2.0 m3/min 的排量下，循環(huán)摩阻對井底造成的循環(huán)當(dāng)量密度高達(dá)0.09 g/cm3；與低排量0.5 m3/min 相比，2.0 m3/min 的排量的循環(huán)摩阻造成的循環(huán)當(dāng)量密度高0.05 g/cm3（見圖5）。因此，在頂替過程中，采用“紊流+塞流”固井頂替，注前置液、注水泥和替漿前期采用紊流方式施工，井口起壓或“U”型管效應(yīng)結(jié)束后，降低頂替排量至常規(guī)頂替排量的1/5（即0.15～0.2 m3/min）進(jìn)行超低速頂替。通過此技術(shù)，有效降低對煤層及上部薄弱層的擾動，確保煤層段封固質(zhì)量且提高水泥漿上返高度。

圖5 不同排量下井下ECD

排量的計(jì)算方法如下［10］：

式中，Rec為水泥漿紊流臨界雷諾數(shù)；n為水泥漿流性指數(shù)；k為水泥漿稠度系數(shù)，Pa?s；Qc為環(huán)空紊流臨界排量，m3/s；Dw為環(huán)空外徑，m；De為環(huán)空內(nèi)徑，m；ρ為水泥漿密度，kg/m3。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

雷家磧井區(qū)在后續(xù)固井施工過程中，通過井眼準(zhǔn)備、鉆井液性能調(diào)整、水泥漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、水泥漿性能優(yōu)化、注替工藝精確控制等多個(gè)方面改進(jìn)，形成了易漏失井固井配套工藝技術(shù)。同井臺后續(xù)作業(yè)鄰井4D、6D 等井均按照易漏失井固井配套工藝技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和施工，頂替期間漏失量明顯減少，聲幅測井顯示環(huán)空空套管井段僅50 m，全井合格率達(dá)到90%以上，儲層段封固質(zhì)量優(yōu)質(zhì)（如圖6），為后期的壓裂試工提供了安全保障。截至目前，該技術(shù)已在6 個(gè)井臺20 余口井現(xiàn)場應(yīng)用，全井段固井質(zhì)量合格率達(dá)到90%以上，目的層段固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到82.4%。

圖6 儲層段固井質(zhì)量檢測曲線

4 結(jié)論

（1）通過對已鉆井地質(zhì)、鉆井、測井、固井等施工數(shù)據(jù)和參數(shù)及固井質(zhì)量數(shù)據(jù)的綜合分析，判斷雷家磧井區(qū)上部層段紙坊組地層與和尚溝組地層交界面附近地層膠結(jié)疏松，承壓能力低，是主要的可疑漏失風(fēng)險(xiǎn)層。通過多口井固井過程反演模擬計(jì)算，認(rèn)為該段地層承壓密度當(dāng)量在1.44～1.52 g/cm3之間。

（2）通過水泥漿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小頂替階段施工排量，可以降低井底及上部薄弱層環(huán)空的當(dāng)量密度，減小上部疏松易漏地層漏失風(fēng)險(xiǎn)。

（3）現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，雷家磧井區(qū)通過井眼準(zhǔn)備、鉆井液性能調(diào)整、水泥漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、水泥漿性能優(yōu)化、注替工藝精確控制等多個(gè)方面改進(jìn)，形成了易漏失井固井配套工藝技術(shù)，可以提高水泥漿上返高度，改善固井質(zhì)量。