臨興區塊漏失井固井技術研究

陳澤恩，姜磊，江智勛

(1.中聯煤層氣有限責任公司晉西分公司，山西 呂梁 033200；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

臨興區塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，晉西撓褶帶與伊陜斜坡交界處，構造位置地跨鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北段和晉西撓褶帶西北緣。地貌具有典型的黃土塬區地表結構特征，山上黃土厚度較大，巖性縱、橫向變化劇烈。由于長時間的風化侵蝕，地層極易形成裂縫，導致鉆井表層極易漏失[1-3]。為了提高山西臨興區塊漏失井的固井質量，本文通過技術研究形成了一套適合山西臨興區塊漏失井固井綜合技術。

1 鉆井、固井難點分析

1.1 鉆井主要面臨難題

臨興工區表層為新生界第四系沉積，土質疏松，鉆井過程中注意防漏失；二開鉆遇古生界地層井段長、層位多，斷層基本不發育，應注意膠結疏松井段及層間漏失，以及井壁剝落的掉塊造成卡鉆事故；本區石千峰組—上石盒子組泥巖要防止井壁垮塌，需要采取措施保護井壁[4]。

1.2 固井主要面臨難題

臨興工區地質環境復雜，地層易垮塌、在鉆進過程中鉆遇豎直裂縫，導致發生漏失、井徑不規則，頂替效率低；水泥漿返至地面，封固段長，固井過程中容易發生井漏；水泥封固段長，上下溫差大，水泥環頂部凝結時間長，強度發展較慢，上部封固質量難以保障[5-7]。

1.2.1 氣層比較活躍，防竄難度大

天然氣分子比水和油的分子體積要小很多，不但穿透能力極強，并且侵入防竄能力差的泥漿更加容易，對環空封固質量影響較為嚴重。

1.2.2 封固段長，上下溫差大

上部水泥漿凝結時間比較長，強度發展較慢。封固段長上下溫差大，上部水泥漿凝結時間長，水泥面處易出現超緩凝，影響上部封固質量。

1.2.3 封固段長、地層存在豎直裂縫，易發生井漏

常規井封固段長度在2 000 m左右，需要返至地面，在鉆進過程中鉆遇豎直裂縫，導致發生漏失，固井過程中易發生井漏，造成水泥漿低返，會造成漏封油、氣、水層，嚴重影響固井質量并給后續采氣埋下了安全隱患。

2 固井技術研究

2.1 固井前置液技術研究

2.1.1 前置液體系設計

(1)隔離液組成。隔離液組成主要包括：水、懸浮劑、稀釋劑、降失水劑、消泡劑等。

(2)處理劑作用原理。懸浮劑由多種水溶性材料組成，包括穩定劑和增黏劑。穩定劑是層狀結構的黏土礦物，在水介質中高度分散易形成網狀結構，并使大量自由水轉變成束縛水，從而在水中起到一種支撐骨架的結構。增黏劑是高分子聚合物，即使是低濃度也會產生很高的黏度，有較好的增黏作用，使隔離液保持良好的懸浮穩定性。懸浮劑既能在混配和地面泵送過程中形成足夠的黏度來懸浮加重料，又能在井下泵送過程中達到較高溫度時，繼續釋放黏度，保證高溫下加重劑的懸浮。

稀釋劑可以降低隔離液的黏度，改善流體的流變性，有利于現場固井施工。稀釋劑是一種聚合物材料，該材料可以離解出陰陽離子基團。陰離子基團被吸附到加重劑顆粒的表面，這樣就會在加重劑顆粒表面形成一層溶劑化的單分子膜，從而減弱了加重劑顆粒間的凝聚作用，減小了顆粒的摩阻，因而顆粒得以分散，使所配制的隔離液黏度下降，流動性得到改善。在稀釋劑中加入表面活性劑，表面活性劑能夠改變套管和井壁的潤濕性，形成親水環境，提高環空界面的膠結質量，并對隔離液中的加重材料產生分散作用。通過調節體系中懸浮劑和稀釋劑的比例，就可以解決高溫條件下隔離液穩定性和流變性之間的矛盾。

降失水劑是具有良好耐溫性能的多元共聚物型產品，該產品的加入可控制隔離液的濾失，保證該體系具有良好的懸浮穩定性能和抗鹽效果，并與鉆井液、水泥漿更好地相容。

2.1.2 前置液液體系性能評價

采用六速旋轉黏度計進行模擬試驗，結果表明，新型的前置液有比較強的滲透清洗作用，在紊流狀態下能夠有效地沖刷井壁，沖洗效率≥92%。

2.1.3 隔離液性能評價

1.15 g/cm3低密度水泥與鉆井液、隔離液按7∶2∶1比例混合，攪拌混合后，運行稠度27.3 BC，整體運行平穩，350 min拆時未凝固，符合施工要求。

2.2 水泥漿技術研究

2.2.1 低密度水泥漿技術研究

低密度水泥漿中油井水泥和精細漂珠按一定的合理級配，可以使水泥石更加致密。

(1)材料的選擇。選擇優質漂珠作為低密度水泥漿的減輕材料。選擇其有效密度為0.5 g/cm3左右。為了提高水泥漿的綜合性能，需要進行水泥漿的緊密堆積設計，其核心是具有較高反應活性的低密度增強材料。這種微細的顆粒材料填充在水泥和漂珠形成的空隙中，降低水灰比，同時起到滾珠潤滑作用，在水泥水化時參與水泥的水化反應，起到增強作用。

(2)低密度水泥漿性能實驗

①1.25 g/cm3低密度水泥與鉆井液按7∶3比例混合；攪拌混合后漿體比較黏稠，開始運行稠度34.5 BC，5 min后稠度45.7 BC，15 min后升至100 BC，拆完后，漿體沒有凝固。

②1.25 g/cm3密度水泥(樣品)室內實驗數據；

(a)樣品灰(420 g)+水(378 mL)；

水灰比：0.9，水泥漿體積：640 mL，造漿率：1.5,靜置1小時后，密度(上)：

1.25 g/cm3，密度(下)：1.27 g/cm3。析水：無。

(b)樣品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.1%GH-1；

流動度：230 mm；

失水(55 ℃、30 min、6.9 MPa):54 mL；

強度(60 ℃、24 h):9.5 MPa,強度(60 ℃、48 h):9.7 MPa；

稠化時間(55 ℃、25 min、25 MPa):137 min。

③樣品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.15%GH-1；

稠化時間(55 ℃、25 min、25 MPa):192 min。

④樣品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.3%GH-1；

稠化時間(55 ℃、25 min、25 MPa):321 min。

⑤1.25 g/cm3低密度水泥現場灰+現場水檢驗；

稠化時間(55 ℃、25 min、25 MPa):325 min。

2.2.2 防氣竄、防漏水泥漿技術研究

(1)水泥漿性能設計標準

①流動性好，密度控制在1.80±0.02 g/cm3之間。

②稠化時間合適，在保證固井施工安全順利進行后，水泥漿應迅速水化為固態，減少與產層的接觸。要求稠化曲線呈直角效應，這樣水泥漿的阻力增長速度快，防竄能力強，因此所選擇的水泥漿體系30 BC至100 BC的稠化時間越短越好。

③失水量小，在施工及侯凝過程中，水泥漿具有較小的濾失量(小于50 mL)，析水為0，水泥漿處于失重狀態及固化后水泥石滲透性低，地層流體難以侵入水泥環，同時可以充分保證體系的各項性能不受影響。

④抗壓強度高，施工結束后，水泥漿的膠凝強度迅速發展，使之越過臨界膠凝強度，并有長期穩定性。

(2)防氣竄水泥漿防竄性能評價。水泥漿體系能否防止油氣水竄，最關鍵的性能是水化階段該體系對油氣水竄的相對滲透率及內部阻力變化的大小。水泥漿對地層流體不滲透能力形成越快，竄槽的機率就越??；另一個要考慮的因素是水泥漿的失水特性。把水泥漿的滲透性和失水兩項需要考慮的性能歸結為一個參數即水泥漿性能系數SPN。

水泥漿失水量與時間的平方根成近似線性關系，SPN的計算式為：

式中：API失水為水泥漿30 min、6.9 MPa條件下的失水量(mL)；t100為水泥漿達到100 BC的時間(min)；t100為水泥漿達到30 BC的時間(min)。

應用SPN值，可以對水泥漿進行防竄評價。SPN值越小，水泥漿防竄能力越強，評價標準如表1所示。

表1 防竄水泥漿的SPN值

2.3 防氣竄、防漏配套技術研究

(1)建立了壓穩與防漏設計模型，如圖1所示。實現壓穩和防漏的協調統一。

圖1 壓穩與防漏設計模型

(2)準確預測地層壓力剖面、承壓試驗和堵漏。詳細調研附近注水井鉆關降壓最新結果，結合鄰井完井壓力解釋資料，預測待鉆井的地層壓力，合理的設計不同層位的鉆井液密度；在鉆遇易漏層的頂部時，在鉆井液中加入高效承壓堵漏劑，提高地層的承壓能力；鉆井隊固井前做承壓實驗，計算井底泥漿當量密度。

(3)井隊進行堵漏，堵漏成功后篩掉大顆粒的堵漏材料。

(4)完鉆前認真清理泥漿罐及連接管線，及早配足泥漿，調整鉆井液性能，以降低鉆井液的黏度、切力，要求固井前鉆井液黏度不超50 s，初切小于2.0；下套管前要對井眼洗井，確保井眼穩定、不漏、干凈，保證下套管和固井安全。

(5)為保證下套管順利及裸眼段的封固質量，下套管前要用原鉆具嚴格進行通井，并認真做好遇阻遇卡記錄，要求在遇阻卡段進行短起下鉆，直至暢通，下套管前通井開始必須小排量循環，下套管作業必須嚴格控制下放速度并及時灌漿，確保環空液面高度，規避井控風險。

(6)鉆井液性能原則上不做大的調整，不能低于完鉆時密度，必須保證壓穩地層，防止跨塌和縮徑，盡可能降低鉆井液黏度和切力。

(7)井隊要備有足量的鉆井液材料，具備現場隨時配置鉆井液的條件，以確保下套管和循環過程中遇到井漏時有充足的鉆井液補充。

(8)套管居中是保證固井質量的重要措施，扶正器一定要按設計加足；優化套管組合，套管下深距完鉆井深不低于2 m。

(9)優化水泥漿體系做好水泥漿大小樣試驗保證固井質量及施工安全。

(10)下完套管后，先不要座掛，小排量打通，并以0.5 m3/min速度進行循環。循環期間觀察鉆井液返出是否漏失、是否有異物，一切正常后，方可座掛(座掛前要先清洗兩側翼閥)，連續測量鉆井液性能，確保井眼穩定，滿足固井要求后方可施工。

(11)使用合適的水泥漿密度，確保壓穩和防漏。優選注灰排量和替漿排量，采用塞流頂替技術，提高頂替效率。現場根據環空返漿情況及施工壓力變化隨時做出合理調整，如果發生井漏和坍塌，根據稠化時間合理降低排量。

(12)應用高效能注水泥漿設備，確保前置液和水泥漿注入排量和注入量、水泥漿密度和性能、注替排量必須達到設計要求。

3 現場應用情況

現場應用1口井，該井為山西省臨興中區塊的一口漏失井。該井是一口直井，二開結構井。井身結構為：一開采用311.15 mm鉆頭，一開中完井深210.5 m，采用244.5 mm套管固井，套管下深至210 m。二開采用215.9 mm鉆頭，設計完鉆井深2 165 m，采用139.7 mm套管固井，套管下深至2 163 m。在二開鉆進過程中，多個層段發生失返性漏失，井隊采用注水泥漿的方式進行堵漏，然后再鉆開水泥塞進行鉆進。本井共計漏失鉆井液約950 m3，共注水泥堵漏14次，消耗水泥139.3 m3。

鉆井液采用聚合物類型，密度1.13 g/cm3，黏度：58 s。

3.1 承壓實驗情況

(1)下套管前分段承壓：下鉆至1 900 m單凡爾頂通，雙凡爾循環一周，泵入堵漏漿，關半封，單凡爾開泵打壓至3.5 MPa(當量密度1.43 g/cm3)，壓力降至1.5 MPa(當量密度1.32 g/cm3)，穩壓10 min，起鉆至1 600 m單凡爾頂通，泵入堵漏漿，關半封單凡爾打壓最高3.5 MPa(當量密度1.46 g/cm3)，降至1.5 MPa (當量密度1.34)，穩壓10 min，起鉆至1 350 m，單凡爾頂通，泵入堵漏漿，關半封單凡爾打壓最高至3 MPa(當量密度1.46 g/cm3)，壓力降至1.8 MPa(當量密度1.54 g/cm3)，穩壓10 min。共計泵入堵漏漿4.5 m3方；

(2)帶堵漏劑做承壓試驗(1 504 m，承壓2.2 MPa，穩壓10 min)；

(3)起鉆至1 351 m，承壓試驗(1 351 m，承壓2 MPa，穩壓10 min)；

(4)起鉆至1 095 m承壓試驗(1 095 m，承壓2.2 MPa，穩壓10 min)；

(5)起鉆至735 m承壓試驗(735 m，承壓1.5 MPa，穩壓10 min)。

3.2 漿柱設計

首漿1采用防氣竄水泥漿+堵漏劑F27A體系，首漿2和尾漿采用防氣竄水泥漿體系，通過調整各段水泥漿的封固長度和采用合適的水泥漿密度來實現壓穩防漏。首漿1：密度1.15±0.02 g/cm3；首漿2：密度1.25±0.02 g/cm3，封固0～1 416.1 m; 尾漿：密度1.80±0.02 g/cm3，封固1 416.1～2 170.67 m。

水泥漿附加原則：首漿眼段附加15%給首漿1，首漿2為基數，尾漿附加10%。

3.3 替量設計

從壓塞開始，排量降至0.2 m3/min，達到壓力平衡前2 m3，排量再降至0.15 m3/min。

3.4 固井液性能測量及泵入量

3.4.1 前置液在進行固井作業前，需要對配置好的前置液進行性能測試，測試結果如表2所示。

表2 前置液性能測試

3.4.2 首漿1實驗

水泥漿體系：低密度水泥漿+F27A。試驗結果如表3所示。

表3 首1漿化驗條件及試驗結果

3.4.3 首漿2實驗

首漿配方：G級水泥+現場水+20%減輕材料+1.8%降失水劑+0.4%分散劑+2%早強劑+0.5%防氣竄劑+0.2%消泡劑。試驗結果如表4所示，稠化時間如圖2所示。

圖2 首2漿稠化曲線

表4 首2漿化驗條件及試驗結果

3.4.4 尾漿實驗

尾漿配方：G級水泥+現場水+1.5%降失水劑+1%早強劑+0.4%分散劑+2%緩凝劑+0.5%防氣竄劑+0.2%消泡劑。試驗結果如表5所示，稠化曲線如圖3所示。

表5 尾漿化驗條件及試驗結果

圖3 尾漿稠化曲線

首漿1+首漿2實際共注入45.8 m3，設計注入47 m3。

尾漿實際注入20.37 m3，設計注入20.2 m3。

注灰至26 m3，失返。

替量至25 m3，復返，測量返出液密度為1.25 g/cm3，通過觀察和測量，確定為水泥漿。

替量至25.5 m3，碰壓，由9 MPa碰至15 MPa，穩壓15 min，壓力穩定，放壓，回水斷流，固井結束。

3.5 固井質量

固井結束后，經測井結果顯示：井段0～136.5 m的固井質量為自有套管；井段136.5～1 755.95 m的固井質量為合格；井段1 755.95～1 772.11 m的固井質量為不合格；井段1 772.11～1 803.58 m的固井質量為合格；井段1 803.58～1815.77 m的固井質量為優；井段1 815.77～1 833.52 m的固井質量為合格；井段1 833.52～2 140.61 m的固井質量為優。

4 結語

漏失井固井是未來幾年臨興中區塊面臨主要問題之一，新技術的成功應用，不僅可以有效地提高山西臨興中區塊地區固井質量，延長氣井的安全生產周期，減少后期的修井及其他補救費用，為油田創造可觀的經濟效益，同時也為整個油田的后續開發提供了可靠的技術支撐。通過現場應用得出結論：(1)先期預堵漏，做好地層承壓試驗等防漏技術措施的應用是保證施工安全、提高固井質量的前提。(2)良好的井眼準備、合理的沖洗液和隔離液設計、優良的水泥漿體系等提高頂替效率技術的應用，是提高固井質量的關鍵。(3)防氣竄、防漏水泥漿體系具有失水少、沉降穩定性好、稠化過渡時間短防竄性能強等優點。