哥倫比亞VS-6、VS-8井固井問題分析及其對策

黎紅勝，溫慧蕓，文良凡，鄭振國，陳玉平

1.中化石油勘探開發有限公司（北京 100031）2.中海油研究總院有限責任公司（北京 100028）3.中國石油技術開發有限公司 非洲分公司（北京 100028）

Vigia Sur油田是中化石油在哥倫比亞的一個主力油田，主要產層是Une、Gacheta、Guadalupe和Mirador砂巖油藏，埋藏深度2 956～3 657 m，為邊底水驅動的常溫常壓砂巖油藏，油田處于高含水開發中后期。VS-6、VS-8井均是兩開井身結構，Φ444.5 mm井眼鉆至548 m，下Φ339.72 mm表層套管固井，Φ241 mm井眼鉆穿儲層至3 352.8 m，下Φ177.8 mm生產套管固井，兩口井均為定向井，直-增-穩二維三段制井身剖面，井斜在45°左右。二開鉆井液為KPAM-AP泥漿體系，密度1.13 kg/m3，漏斗黏度50 s，塑性黏度12 mPa·s，動切力18 Pa，10"/10'/30'靜切力分別為7/14/19 Pa。固井作業除VS-6井中途檢修水泥車管路外未發生其他異常情況，候凝48 h測聲幅，聲幅顯示封固段絕大部分聲幅值超過30%，出現嚴重固井質量問題，導致VS-6井無法投產，VS-8勉強投產，但穩定生產15 d后，突然100%出水，被迫關停。

1 固井施工概述

1）VS-6地層剖面情況見表1，實際井深3 525.9 m，生產套管下深3 524 m，需要封隔Une、Gacheta、Guadalupe、Mirador 4個產層。采用領漿尾漿雙膠塞固井，領漿密度1.5 kg/m3，封固304.8 m（2 548～2 852.9 m），尾漿密度設計為1.9 kg/m3，塑性黏度180 mPa·s，封固673 m(2 582.9～3 526 m)，封至Mirador頂層以上304.8 m。井徑儀測得平均井徑Φ267.97 mm，扶正器用量83只。沖洗液隔離液用量19.08 m3，注入排量0.954 m3/min，接觸時間20 min。按照50%井徑擴大率設計的領漿量9.54 m3，尾漿用量21.6 m3，替漿量67.4 m3，清水頂替。循環洗井后，下放下膠塞#1，注入清洗液隔離液19.08 m3，下放下膠塞#2注入領漿9.54 m3，尾漿20.19 m3，排量均為0.79 m3/min。下放上膠塞，清水頂替47.7 m3，排量1.19 m3/min下9.54 m3，排量0.95 m3/min下6.36 m3，排量0.24 m3/min下4.13 m3，沒有碰壓，卸壓后返回水0.64 m3，用水泥車頂替，地面壓力限制在10.68 MPa，折算ECD為1.36 kg/m3。設計施工時間4 h，稠化時間7.5 h。固井施工中領漿混配因處理管線堵塞問題中斷1 h，泵入尾漿時再次處理管線堵塞問題中斷0.5 h，泥漿返出正常。因扭矩較大，注水泥期間沒有轉動套管，固井施工曲線如圖1所示。

表1 VS-6井地層剖面

圖1 VS-6井固井施工曲線

2）VS-8地層情況見表2，實際井深3 377 m，生產套管下深3 375 m，封隔Une、Gacheta、Guadalupe、Mirador 4個產層。采用領漿尾漿雙膠塞固井，領漿密度1.64 kg/m3，封固304.8 m(2 547～2 852 m)，尾漿密度為1.73 kg/m3，塑性黏度224 mPa·s，封固525 m(2 852～3 377 m)，封至Mirador頂層以上152 m。測得平均井徑Φ268 mm，扶正器用量73只。沖洗液隔離液設計為19.08 m3，注入排量0.95 m3/min，接觸時間20 min。按照20%井徑擴大率計算的領漿量14.63 m3，尾漿用量17.17 m3。替漿量65.03 m3，清水頂替。循環洗井后，下放下膠塞#1，注入清洗液隔離液22.26 m3，下放下膠塞#2注入領漿14.63 m3，尾漿17.17 m3，排量均為0.79 m3/min。下放上膠塞，清水頂替47.7 m3，排量0.79 m3/min，7.95 m3排量0.47 m3/min，6.36 m3排量0.48 m3/min，3.5 m3排量0.24 m3/min，碰壓至16.2 MPa，卸壓后返回水0.56 m3。用水泥車頂替，排量0.95 m3/min，地面壓力限制在10.68 MPa，ECD設計為1.36 kg/m3。施工時間4 h，稠化時間7.5 h。除下套管遇阻較多以外，注水泥施工正常，期間沒有轉動套管，固井施工曲線如圖2所示。

圖2 VS-8井固井施工曲線

表2 VS-8井地層剖面

2 固井質量檢測結果

圖3分別為VS-8、VS-6儲層和返高部位CBLUSIT測井圖。

圖3 VS-8、VS-6固井質量測井

聲幅（CBL）檢查一界面水泥環質量。聲幅相對值≤15%，膠結良好（優）；聲幅相對值≤30%，膠結中等（合格）；聲幅相對值≥30%，膠結差（不合格）。變密度（VDL）檢查一、二界面水泥環質量。套管波弱或者無，地層波清晰，第一、第二界面膠結良好；套管波較弱，地層波弱或者不清晰，第一界面部分膠結，第二界面膠結差；套管波強，地層波弱或者無，第一、第二界面膠結差。VS-6、VS-8兩口井從聲波測井曲線CBL和VDL判斷，絕大部分為差或不合格，只有少量井段固井質量合格，看不出返高位置。VS-8部分井段稍好一些。但因不合格井段太多，均無法實現層間封隔。

3 質量問題原因分析

影響頂替效率的主要因素有：水泥漿流變性、前置液流變性及用量、注替排量、套管居中度、注水泥過程中發生漏失和溢流、固井施工出現異常情況等[1-6]。

3.1 水泥漿流變性

圖4、圖5分別是VS-6、VS-8兩口井水泥漿流變性測試結果，顯示水泥漿流變性曲線符合冪律模式。采用冪律模式[7]：

圖4 VS-6井水泥漿流變性實驗結果和流變曲線

圖5 VS-8井水泥漿流變性實驗結果和流變曲線

分別計算VS-6和VS-8兩口井流性指數和稠度系數，計算結果為：n6=0.63,k6=3.01；n8=0.67,k8=2.30。兩口井均為高黏度高切力水泥漿。k6、k8分別為VS-6井和VS-8井稠度系數；n為流性指數，無因次；n＜1，n6、n8分別為VS-6井和VS-8井流性指數；Φ100、Φ300分別為黏度計轉速為100、300 r/min時對應的讀數。

上臨界雷諾數：RePL2=4 150-1 150n，分別算得：

環空臨界流速由環空流窄縫近似法計算：

分別算得：

分別算得：

實際環空返速：

分別算得：

兩口井實際返速和雷諾數均小于臨界返速和臨界雷諾數，判定為層流。

壁面剪應力：

對于層流：

分別算得壁面剪應力：

式中：n為流性指數；K為稠度系數，Pa·sn；RePL2為上臨界雷諾數；D0為環空內徑，m；Dh為環空外徑，m；Vc為臨界流速，m/s；RePL為實際雷諾數；KRePL為計算系數，公制單位取1；τw為壁面剪應力，Pa；ΔP為水泥漿流動摩阻，Pa；L為水泥漿流動作用的井眼，m；f為摩阻系數；ρ為水泥漿密度，kg/cm3；V為水泥漿環空流速，m/s。

從流變參數看，上述水泥漿屬于高黏高切，環空流動產生的是層流流動，低速流動產生的是尖峰層流（圖6），若壁面剪應力不超過鉆井液膠凝強度，必然引起竄槽。VS-6和VS-8兩口井使用的是聚合物鉆井液體系，膠凝強度較高，且靜置時間越長膠凝強度越大。VS-6比VS-8固井質量更差的原因一方面是由于VS-6井眼情況差，另一方面是固井中途停泵，泥漿膠凝強度進一步發展，導致驅替效果更差，竄槽更嚴重[8-11]。

圖6 層流驅替環空流態

3.2 頂替泵速

VS-6替漿排量1.19 m3/min，VS-8井僅有0.79 m3/min，用上述注替計算的環空返速見表3。

表3 不同對應的環空返速

考慮實際測出的擴徑情況，水泥漿頂替泥漿過程中的返速在0.43～0.6.4 m/s，無法實現高速層流頂替，是典型的低速層流驅替。舌形尖峰層流以及寬邊流速高于窄邊流速，產生不對稱的壁面剪應力低于鉆井液的膠凝強度，無法實現對鉆井液的有效驅替，從而引起大量的竄槽。

3.3 前置液與井壁接觸時間

由表4可見，前置液與井壁接觸時間達到了20 min以上，滿足清洗井壁、提高頂替效率的要求。

表4 前置液用量和接觸時間

3.4 套管居中度

一般要求套管居中度達到70%，兩井扶正器用量接近80只，模擬計算若井徑Φ293.24 mm，居中度可達到88%；若井徑Φ266.7 mm，居中度可以達到70%。這兩口井扶正器用量比以前的井都多，扶正效果較好，不是導致嚴重竄槽的原因。

3.5 溢流與井漏

該地區屬于正常壓力地層，已鉆井沒有發生過溢流，個別井發生過小級別井漏。上述兩口井無論是鉆井還是固井都沒有發生過溢流和井漏，因此，溢流和井漏也不是導致固井質量差的原因。

3.6 固井施工

VS-6井固井施工中途停泵1.5 h，沒有碰壓，返回水正常。VS-8井固井施工正常，碰壓正常。

綜上所述，兩口井固井嚴重竄槽排除以下幾種情況：①不是候凝階段水泥漿漏失造成。因為漏失只造成返高不夠，是兩個界面一起漏，不可能一界面漏，二界面不漏，況且注水泥階段沒有發生漏失。②不存在沒有壓穩油層或水層導致溢流竄出問題。③不可能是中途停泵前置液混入水泥漿，前置液和水泥漿，水泥漿和泥漿之間有膠塞隔離。因此，可以判定是由于水泥漿性能設計和注替參數不匹配造成的。兩口井均屬于低速層流頂替，產生的壁面剪應力無法超過泥漿的膠凝強度，導致泥漿和水泥漿互竄。

4 改進措施

為提高頂替效率，需要提高水泥漿驅動泥漿的壁面剪應力。根據上述壁面剪應力的計算公式，提高頂替效率的措施歸納為：①提高環空返速；②提高水泥漿密度；③提高水泥漿黏切。

因此對新井固井提出改進措施：①采用高黏高切水泥漿，環空返速要大于1 m/s，高速層流流態注水泥；②對于Φ177.8 mm套管，Φ241.3 mm井眼替漿要達到1.91 m3/min以上，Φ215.9 mm井眼替漿要達到1.27 m3/min以上；③實現上述，要用鉆井泵頂替，接近結束時也可以換水泥車頂替并碰壓；④根據井下情況低速轉動套管，形成擾流流動可以破壞鉆井液膠凝結構。

5 實施效果評價

上述改進措施體現在VS-7和VS-9井的固井實踐中，頂替時采用了高速層流驅替。兩口井水泥漿流變性測試結果見表5，旋轉黏度計測量結果與VS-6和VS-8井差別不大，流變參數計算結果比較接近，和VS-6、VS-8兩口井一樣是層流流態，是典型的高速層流驅替。4口井固井參數對比見表6，變化比較大的有：替漿排量提到了2.23 m3/min，用20～30 r/min轉速轉動套管，取消了領漿，縮短了施工時間和稠化時間。根據該地區實測情況，井眼一般在Φ266.7 mm，2.23 m3/min的替漿排量算出環空返速達到了1.2 m/s，壁面剪應力達到了89 Pa，高于一般鉆井液的膠凝強度，頂替效率大幅提高，測井顯示封固段水泥環密實，水泥返深界面清晰。

表5 VS-7和VS-9井旋轉黏度計測量結果

表6 四口井技術參數對比

6 結論

1）VS-6、VS-8兩口井環空竄槽是由于替漿排量設計不合理造成的。低速層流頂替產生的壁面剪應力無法超過泥漿的膠凝強度，導致泥漿和水泥漿互竄。

2）壁面剪應力影響因素有返速、黏度、密度。層流狀態下與返速的n次方成正比，紊流狀態下與返速的（1.4+0.3n）（n為流型指數，n＜1，取紊流摩阻系數計算的中位數）次方成正比，與水泥漿黏度和密度均成正比。不管哪種流態提高環空返速均能增大壁面剪應力，從而獲得好的驅替效果。

3）VS-7、VS-9兩口井固井實踐證明，水泥漿返速超過1.2 m/s，黏度超過240 mPa·s固井質量優質，即使水泥漿黏度達到220m Pa·s，若返速低于0.64 m/s，固井質量也不合格。因此，替漿返速要求超過1.2 m/s以上。

4）注水泥時轉動套管有利于形成擾流，提高驅替效率，依據井下情況盡可能轉動套管。

5）在保證井壁穩定的情況下盡可能增加前置液和井壁的接觸時間，固井要連續不能中斷，這些均有利于提高頂替效率。