鄂尔多斯杭锦旗区块低漏失压力井固井工艺技术

吴天乾，李明忠，蒋新立，李德红，李 季，宋文宇

(中国石化华北石油工程有限公司技术服务公司 河南 郑州 450006)

杭锦旗区块位于鄂尔多斯盆地边缘，属于低压、低渗、低孔储层，天然气资源储量丰富，是鄂尔多斯盆地天然气资源开发的接替新区。但受地层承压能力、井身结构和钻井液性能等因素影响，固井质量较差，普遍存在固井漏失、低密度段固井质量差等问题。分析影响杭锦旗区块固井质量的主要因素，重点从井眼准备、浆柱结构优化、水泥浆性能调整、“正注反挤”固井技术等方面进行研究，系统总结出一套适合该区块的固井配套技术措施。

1 杭锦旗区块固井技术难点分析

1.1 固井漏失问题严重

固井漏失造成水泥返高难以达到设计要求，控排量顶替致使顶替效率低，“反挤”过程水泥浆易与钻井液发生混浆，且因漏点多难以保证环空有效“衔接”。导致杭锦旗区块固井易漏失原因主要有：

(1)地质构造与地层承压能力因素：受多次地壳运动影响，平面上构造复杂、断裂发育、易漏层纵向分布，垂向各层均发生过不同程度的井漏，主要漏失层位为刘家沟、石千峰组和下石盒子组。钻、固井资料表明，部分井区刘家沟组地层承压能力仅为1.10 g/cm3。2016年，固井失返率达95.2%。

(2)环空间隙小，一次封固段长，循环摩阻较大。大多采用222.2 mm钻头与177.8 mm套管的井身结构，裸眼一次封固段长不小于3 500 m。

(3)杭锦旗区块井段上部采用1.30～1.33 g/cm3低密度水泥浆封固，在易漏失层位上产生的静液柱压力已大于地层承压能力。若采用更低密度的泡沫水泥浆或高强度漂珠低密度水泥浆，成本显著增加。

1.2 大斜度段、水平井段顶替效率低

出于石千峰组、石盒子组防塌考虑以及保证套管顺利下入的需要，钻井液的粘度与切力普遍较大，坂土含量高；部分井因漏失在固井前无法建立循环，原钻井液滞留井内；环保设备不能及时清除固相、调整钻井液性能，也致使井壁与套管壁上泥饼厚度增大。大斜度井段和水平井段的套管偏心、流变性级差不匹配、井内稠浆、厚泥饼、岩屑床滞留等原因，导致顶替效率低，较低的地层承压能力限制了全程大排量的紊流顶替。

2 固井技术措施

2.1 总体技术对策

(1)固井前能够建立正常循环的井，采用正常程序与正常浆量固井，全力满足提高顶替效率要求；部分井区按照地层承压能力所能保证的水泥返高，适当附加10%～15%设计正注水泥浆量；

(2)固井前无法建立正常循环的井，采用“正注”与“反挤”固井；“正注”水泥浆量返至漏层位置，不附加，采用工程措施保证“正注”段顶替效率；

(3)正常固井发生漏失但水泥返高不够，或采用“正注”与“反挤”的井，应以充分破坏上部井段环空内钻井液结构力、促进井壁与套管壁泥饼冲刷、减少钻井液与水泥浆混掺为目的，进行“反挤”设计。

2.2 工程措施

2.2.1 固井浆体性能优化

为防止固井漏失和压稳活跃气层，采用三凝水泥浆体系固井。

(1)低密度水泥浆性能优化。

初期主要采取提高水灰比、降低水泥浆密度方法进行防漏固井，但由于水泥浆与钻井液之间的流变性差异不匹配，混浆严重甚至发生窜槽，防井漏及提高水泥返高效果不明显，水泥封固段质量较差。因此，基于颗粒级配原理，在原有人工漂珠减轻低密度水泥浆(密度1.33 g/cm3)体系基础上，优化调整微硅加量及水灰比，开发了密度1.25 g/cm3的低密度水泥浆。该体系具有较好的塑性粘度，动塑比大于钻井液动塑比，流动性较差，满足提高顶替效率的流变性级差要求；70℃/48 h条件下的抗压强度大于6 MPa，增强了水泥环测井声幅响应；适当提高水泥浆初始稠度(10～15Bc)，直角稠化特征明显，过渡时间小于15 min。

(2)过渡浆性能优化。

过渡浆是通过由1.25 g/cm3低密度水泥浆降低水灰比获得，便于施工。过渡浆段长根据主要漏失层位的斜长设计，密度为1.40～1.45 g/cm3。过渡浆中的漂珠组分、较差的流动性和较短的稠化过渡时间，有利于封固漏层，减少漏层以上环空水泥浆漏失，并提高压稳系数。

(3)尾浆性能优化。

尾浆封固大斜度段与水平段，密度1.88 g/cm3；初始稠度15～20 Bc；直角稠化，稠化过渡时间小于10 min，可泵时间满足固井碰压后即可稠化，减少气窜与地层漏失带来的不利影响；膨胀剂的加入使水泥石具有一定的膨胀特性。低密度领浆与尾浆稠化时间分别如图1所示。

图1 水泥浆在70℃×40 MPa×35 min条件下的稠化曲线

2.2.2 固井浆柱结构设计

以提高顶替效率为主，兼顾固井防漏需要，优化后的固井浆柱结构见图2。

冲洗液作用是稀释钻井液与冲刷井壁，隔离液作用是分隔钻井液与保证顶替界面稳态。

图2 优化后的固井浆柱结构

相关设计：

(1)用量：冲洗液对目的层紊流冲刷时间大于8 min；隔离液(浆)用量以冲洗液的1.0～1.5倍为宜；

(2)密度：设计钻井液密度最低，隔离液密度不高于领浆，或取钻井液与领浆的平均密度；冲洗液密度不作特殊要求；若采用隔离水泥浆作为隔离液，并封固上部井段，其与领浆混浆后，不会造成水泥石强度降低。设计隔离水泥浆密度至少比钻井液密度高0.15 g/cm3；

(3)流变性：流体流变性应满足梯级匹配，层层推进，以有效提高顶替效率[3]。隔离液流变性应满足动塑比[4]：(τ0/η)隔离液(浆)>(τ0/η)钻井液或φ100隔离液(浆)>φ100钻井液；

2.2.3 防漏与提高顶替效率的注替设计

固井注、替浆排量，需在满足地层承压能力和提高顶替效率要求的约束下，根据环空动液柱压力随施工时效变化进行实时调整。根据固井浆体流变性设计结果，以实现环空内冲洗液的紊流顶替与隔离液塞流顶替为基本要求。注、替浆排量控制原则与方法：

(1)注、替浆排量不能超过固井前钻井液循环排量；

(2)提高冲洗液出套管后环空上返速度，改善冲洗液紊流冲刷环空壁面与稀释钻井液的效果。尤其是二级结构水平井由于水平段长、水泥浆量大，在注浆期间需保持或适当提高排量；

(3)替浆期间，“U”型管效应结束前，以不超过固井前钻井液循环排量的原则，使用泥浆泵灌浆；井口起压或“U”型管效应结束后，停泥浆泵，以水泥车替浆，保证冲洗液紊流顶替；泵、车平稳转换，避免激动压力压漏地层；

(4)随着井口压力升高，以隔离液(浆)塞流顶替直至碰压。

常规固井通常采用紊流或塞流顶替来提高顶替效率，但兼顾杭锦旗区块固井防漏需要，设计流动性较差的隔离液(浆)，提高塞流顶替临界排量；设计流动性好的冲洗液，降低紊流临界排量，尽可能同时实现冲洗液的紊流冲刷与隔离液(浆)塞流顶替[5]。紊流与塞流顶替的设计方法[6-7]为：

隔离液(浆)的塞流顶替，取临界雷诺数100：

(1)

冲洗液的紊流冲刷，取临界雷诺数Rec=3 470-1 370n，得

(2)

式中De为套管外径，mm；Dw为井眼平均井径，mm；Qw为冲洗液的紊流临界排量，L/s；Qs为隔离液(浆)塞流临界排量，L/s；ρ为对应的浆体密度，g/cm3；K为对应的稠度系数，Pa·sn；n为对应的流性指数。

六速粘度计测定隔离浆与冲洗液的流变参数，并计算临界排量。以222.2 mm钻头×177.8 mm套管为例，考虑井壁扩大率10%。利用六速粘度计各转速下测得的数值，通过计算，冲洗液紊流临界排量为734 L/min，隔离液(浆)塞流临界排量为433 L/min(见表1)。

表1 冲洗液与隔离浆的流变参数与临界排量

2.2.4 固井前钻井液性能调整

根据井眼不同状况制定针对性的钻井液性能调整策略。固井前钻井液性能调整主要采取以下措施：

(1)下套管时分段循环，破除钻井液结构力，降低套管入井产生的激动压力，同时避免开泵憋漏地层。分段循环要求：薄弱地层以上井段每500 m循环；进入薄弱地层前，薄弱层以上井段井内钻井液全部置换；进入薄弱地层后，每200 m井段循环。分段循环时，均缓慢顶通，压力稳定后，逐渐提高排量。

(2)套管下入设计井深后，缓慢顶通井内钻井液，泥浆泵单凡尔小排量将井内封闭浆全部循环出井，根据井口返浆情况，逐渐提高循环排量，当环空返速不低于1.2 m/s后，定排量循环至少两周，有效清除一、二界面上虚泥饼，降低钻井液粘度与切力。钻井液密度根据实际井况调整，马氏漏斗粘度小于45 s。

(3)若下完套管后，出现井漏、井内大斜度段与水平段封闭浆无法循环出井等情况，则正注钻井液，根据井口压力，控制注浆排量，将套管内与漏点以下环空内的封闭浆推挤至地层，清除泥饼，并且避免恶化漏失情况。钻井液用量为该段容积的1.5～2倍。漏点以上适当推挤一定钻井液，以破坏环空内钻井液结构力，保证环空畅通。

2.2.5 “正注反挤”固井技术

上述措施应用后能在一定程度上保证水泥返高。但对下套管、钻井液循环过程中发生漏失，或精确评估的地层实际承压能力不能保证水泥浆返高至设计井深，固井宜采用“正注反挤”技术；对正常固井过程中发生漏失造成水泥返高不够情况，需采用“反挤”补救技术。

“正注”水泥浆封固至漏层底部位置或地层承压所保证的水泥返高，由实测井径扩大率核算水泥浆用量。若封固至漏层底部，不附加；封固至地层承压所允许的水泥返高，附加10%～15%。“正注”前，首先注入胶液或新配钻井液，充分破坏井内钻井液结构力，有效冲刷井壁泥饼，然后依次注入冲洗液(可适当提高用量)、水泥浆，提高替浆排量，但不能超钻井液循环的排量，提高目的层段固井质量。

为避免水泥浆强度不能有效封固薄弱地层而造成“反挤”压漏地层，同时减少“反挤”时井内钻井液对“正注”段上部水泥浆的污染，一般施工等待时间不小于12 h。“反挤”水泥浆量参考“正注”时的碰压压力、漏失量设计反挤水泥浆量，适当附加。施工中提高冲洗液用量，以实现破坏钻井液在井内长时间静止所形成的结构力，冲洗液后依次注入200 m隔离液和设计水泥浆量。试挤后，在压力许可范围内，提高“反挤”排量。随着打开漏点、钻井液结构力破坏以及水泥浆注入，井口压力逐渐下降。当部分冲洗液进入漏点后，由于冲洗液在漏层孔、隙介质中的指进，井内压力最小，当隔离液与水泥浆进入漏层，与钻井液相近或更差的流变性导致指进现象消失，井口压力开始上升。

2.2.6 其它工程技术措施

(1)保证套管居中。

利用软件模拟扶正器安置方式与套管居中度、套管下入摩阻之间的关系，保证套管居中度不低于0.67[8]：井底三根套管每根安置1个，保证套管“抬头”；水平段每两根安置一个；在造斜段，井斜角大于45°的井段每3根套管安置一个树脂旋流刚性扶正器，井斜角小于45°则每5根安置一个；直井段每8根安置一个弹性扶正器。

(2)地层承压能力评估。

采用静态承压或动态承压方法。静态承压时关闭环形防喷器，通过光杆或原钻杆向井内缓慢泵入钻井液，在井口补偿一定压力；补偿压力根据固井后环空增加的液柱压力(与环空钻井液液柱压力相比)和循环摩阻计算。动态承压即通过逐步提高循环排量，利用钻井液在环空产生的循环摩阻，对易漏失层位的地层承压能力进行评价。动态承压方法较适用于低漏失压力井的地层承压能力测试。

(3)控制下套管速度。

下套管过程需防止下放速度太快而产生过大的激动压力压漏地层。以易漏失层位承压能力为依据，采用稳态波动理论模拟套管下放过程中产生的激动压力，确定套管下放的临界速度。根据杭锦旗区块地层承压能力，套管下放速度的控制标准为：直井段每根套管下放时间不低于45 s，易漏失层位以上500 m处开始，每根套管下放时间不低110 s。

3 现场应用分析

杭锦旗区块应用该固井配套工艺技术系列后，固井质量显著提高。2017年，固井优质率61.9%，优良率93.6%，较2016年同比提升35.2%和22%；正注返高提高至1 300 m左右，基本达到反挤目标层位延安组，对接成功23口井，区块内统计空套管段长100～550 m范围，空套管段长及未全封井占比显著降低。

JPH-3X井技术套管下套管未发生漏失，固井前钻井液环空返速达到1.2 m/s，有效降低了其粘度与切力。按照上述思路进行固井设计与施工，水泥浆顺利返出地面，全井优质率接近100%。

JPH-3Y井技术套管下套管时发生漏失，经堵漏后固井前钻井液循环正常。按照全井段一次封固进行固井设计与施工，替浆过程时发生漏失，根据漏失量与碰压压力，推算水泥返高1 500 m；候凝12 h后，“反挤”水泥浆30 m3。声幅测井显示环空未衔接井段仅70 m，1 500 m以下固井质量优质，井口至井深800 m“反挤”井段优质，其余井段除70 m空套管外，低密度封固段质量达到良好。

JPH-3Z井下完套管后，由于严重漏失不能建立循环，井内稠浆无法循环出井，该井被迫采用“正注反挤”施工。“正注”封固至漏层底部，水泥浆不附加；正注12 h后，依次反挤冲洗液、隔离浆和低密度水泥浆。根据井口压力显示，反挤部分水泥浆后，压力缓慢降至最低后显著上升，反挤水泥浆进入上部漏点。为避免上部漏层漏失情况恶化，并促使水泥浆继续下行，降低反挤排量至设计量后附加15%。后期声幅测井曲线表明存在两点漏点，上部漏点以上至井口固井质量优质，两个漏点之间井段由于注浆速度降低，存在一定混浆，固井质量达到合格，部分井段达到良好，“正注”下部井段固井质量优质。

4 结论

(1)针对鄂尔多斯杭锦旗区块固井漏失和顶替效率低的问题，制定了以提高顶替效率为前提，采用钻、固井工程措施防漏，以正注反挤技术解决返高不足的技术对策，现场应用取得一定效果。

(2)固井前钻井液性能调整、冲洗液低返速紊流顶替、隔离液(浆)高返速塞流顶替、提高领浆初始稠度和动塑比，以及扶正器保证套管居中等技术措施的实施，提高了杭锦旗区块水平井和大斜度井的顶替效率。

(3)在下套管、钻井液循环和固井过程中，控制下套管速度、钻井液分段循环、调整水泥浆密度、过渡浆堵漏、注替浆排量控制等措施，对固井防漏具有明显效果；通过完善“正注反挤”固井技术，有效解决固井漏失造成的水泥返高不足问题，提高了反挤段固井质量。