塔里木山前中完防漏固井技术的研究

刘 鑫，张小建，郭文猛，覃 毅，田宝振，詹 驰

(渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552)

山前区块二开及三开中完作业裸眼段长度可达4 000 m以上，山前多为高压、超高压气井和区域探井，为满足后续井控安全的要求，必须增加封固段长，水泥浆尽可能返至井口，裸眼段中经常还夹杂盐膏岩层[1]、白云岩层等复杂地层，中完作业漏失情况严重。据统计，近年来山前区块在中完作业过程中发生漏失的井次占到总井次的40%，严重影响固井质量。以前所运用的防漏水泥浆体系未对不同类型的漏失进行分类研究，对纤维的选用和加量也是固定的，不能起到有效的堵漏作用，本文选用不同长度、不同加量的聚丙烯纤维，对不同类型的漏失情况进行类比分析，制定了一套适用于山前区块的有效固井防漏工艺技术，对改善山前区块的固井质量具有重要意义[2]。

1 山前区块固井技术难点分析

1.1 地质岩性特殊，存在多套压力系统

山前构造古近系库姆格列木群组岩性变化相对复杂，压力体系不均匀，大段盐层地层破裂压力高，地层应力大，需要高密度泥浆来抑制；非盐层破裂压力低，泥浆密度低，由于地层压力系统的不同，导致施压力窗口较窄，固井易发生井漏，只要一发生漏失，就可能造成环空静液柱压力不能有效地抑制盐层蠕变。目的层又存在大段细砂岩、粉砂岩，承压能力低，漏失风险大，固井质量差可能直接影响到后期开采。

1.2 防漏水泥浆体系单一

防漏水泥浆的应用是有效降低漏失风险的手段之一，所以防漏水泥浆体系的设计是固井过程中预防地层漏失的重点。但是目前山前区块所用的防漏失水泥浆体系过于单一，没有针对不同井型井况进行区别分析，防漏外掺料的选用也没有进行过实验研究，尤其是纤维的大小与加量都是特定唯一的，不能有效降低漏失风险[3]。

1.3 中完作业过程中的漏失风险大

中完作业过程中的漏失风险主要包括：①由于裸眼段长，下钻通井过程在小井眼处产生的激动压力较大，容易压漏地层[4]。②泥浆密度高，固相含量较高，屈服值相应增加，所以在泥浆循环过程中产生的激动压力可能压漏地层。③下套管在下放过程中会使泥浆在环空中上返，从而对井壁产生附加的激动压力；套管下到位后循环过程中由于井底存在沉砂、掉块等固相颗粒，循环过程中可能压力较高导致憋漏地层[5]。

2 山前区块防漏技术措施

2.1 优选防漏水泥浆体系

山前区块目前主要采用纤维防漏水泥浆体系，其作用原理是在湿混配方中加入聚丙烯纤维，利用纤维对载荷的传递，使水泥石内部欠缺的力相对减少，纤维之间形成结构提高地层的承压能力，对类似砂岩地层的渗透性漏失，或由于压力梯度不同造成的系统性漏失起到堵漏作用[6]。不同尺寸大小的纤维对不同情况的漏层有着不同的堵漏效果，山前区块目前使用的纤维防漏水泥浆体系均使用一种尺寸的纤维进行封堵，加量也比较固定，不能对不同漏失情况进行有效封堵[7]。

山前区块地层漏失主要分为孔隙性漏失和裂缝性漏失，本文分别模拟堵漏不同孔径(1 mm、2 mm)的孔隙性漏失和不同宽度(1 mm、2 mm)的裂缝性漏失，对聚丙烯纤维体系水泥浆的防漏、堵漏能力进行综合评价[8]。

图1 水泥浆评价装置

堵漏缝板实验：选用3种不同长度(3 mm、6 mm、9 mm)的聚丙烯纤维对缝板进行堵漏实验，实验结果如下：

图2 聚丙烯纤维

对于1 mm的裂缝性漏失，原浆+0.8%3 mm纤维水泥浆可以成功封堵。

对于2 mm的裂缝性漏失，原浆+2.0%3 mm纤维可以成功封堵。

对于2 mm的裂缝性漏失堵漏，加量为2.0%6 mm纤维和1.5%9 mm纤维均不能成功封堵，这或许是由于纤维太长不利于在缝上面均匀而稳定“搭接”的原因。

堵漏孔板实验：选用3种不同长度(3 mm、6 mm、9 mm)的聚丙烯纤维对孔板进行堵漏实验，实验结果如下：

对于1 mm的孔隙性漏失，原浆+0.3%3 mm纤维可以成功封堵。

对于2 mm的孔隙性漏失，从图表中可以看出，随着纤维长度的增加，其加量逐渐减小，室内得出3种单一纤维长度的水泥浆配方如下：原浆+1%3 mm纤维，原浆+0.8%6 mm纤维，原浆+0.6%9 mm纤维可以成功封堵。

表1 聚丙烯纤维对缝板堵漏结果

表2 聚丙烯纤维对孔板堵漏结果

在加量为0.8%3 mm纤维水泥浆内加入5%玻璃微珠，其堵漏效果明显，这是由于纤维搭桥成功后，玻璃微珠和水泥颗粒可以充填其间而更好地实现堵漏。

从聚丙烯纤维实验结果看，针对山前区块不同类型的漏层选取合适种类、大小的纤维能更有效地封堵漏失地层，从而提高固井质量[9]。

2.2 中完井眼防漏固井工艺的优化

中完井眼的准备情况是固井防漏的前提，一个优质的井眼能大幅降低固井漏失风险，主要从通井措施、地层承压能力、泥浆性能3个方面对井眼进行优化[10]。

2.2.1 通井措施的优化

对于中完前已经漏失的井，应进行堵漏，确保井下正常后再进行通井作业；通井钻具组合建议第一次先采用原钻具通井，降低刚度比，如果未发生漏失，再进行双扶或者三扶钻具组合通井。对于以下情况的井段应进行重点扩划眼：电测井径小于钻头直径井段、起下钻遇卡、遇阻井段、全角变化率应超过设计规定的井段，扩眼时应注意划眼时应控制钻具下放速度以免产生过大的激动压力；通井到底后循环出井内沉砂，降低井底憋压的可能性，大排量清洗井眼不少于2周，彻底清除通井时刮削的假滤饼和井底岩屑。

2.2.2 提高地层承压能力

在下套管、循环及注水泥期间将对地层产生激动压力，为了防止过大的激动压力造成井漏，需要模拟地层能承受固井施工中产生的最大压力[11]。承压能力值是防漏失设计的基础，中完期间各阶段的防漏措施都将基于地层实际承压能力进行计算。地层应达到的承压能力值为：p=替浆后管内外静液柱压差+环空压耗+悬挂器节流压力(尾管)+安全附加值。

对于存在漏失风险的井，必须满足地层承压实验要求后才可进行下套管作业。

2.2.3 中完泥浆性能的优化

中完泥浆性能的优化主要是对泥浆屈服值和塑性黏度两个参数的优化。泥浆要流动起来，必须要克服其本身带有的屈服值，克服此值就需相应的压力，循环开泵、下钻通井或下套管开始瞬间所产生的激动压力，主要是泥浆屈服值引起的[12-13]。随着泥浆屈服值的降低，开泵使泥浆流动产生的激动压力也随之降低，因此降低泥浆屈服值可以减小井漏风险。

当钻井液密度低于1.30 g/cm3时，屈服值应小于5 Pa；密度在1.30～1.80 g/cm3范围内时，屈服值应小于8 Pa；密度高于1.80 g/cm3时，屈服值应小于10 Pa。

当通井下钻速度一定时，泥浆的塑性黏度将影响激动压力的大小[14]。

图3 塑性黏度与激动压力关系

通过研究发现，在上层套管内，当下钻速度稳定在0.5 m/s时，产生的激动压力随着泥浆塑性黏度的降低而降低，因此在通井前降低泥浆的塑性黏度可降低井漏风险。钻井液密度低于1.30 g/cm3时，塑性黏度在10～30 mPa·s之间；密度在1.30～1.80 g/cm3范围内时，塑性黏度应在22～30 mPa·s之间；密度高于1.80 g/cm3时，塑性黏度应在40～75 mPa·s之间[15-16]。

2.3 注替参数防漏失研究

注水泥注替参数是否合理直接关系到固井质量的好坏。目前大部分井都要求大排量紊流顶替来提高顶替效率，但是对于易漏失井，排量越大环空摩阻越大，增加了漏失风险[17]。

现场通过实验模拟研究不同排量下泥浆、隔离液、水泥浆进入环空后的环空摩阻变化如下：

图4 注替排量与环空摩阻关系

研究模拟发现，隔离液和水泥浆进入环空后，在同样的排量下，比隔离液未进入环空前的环空摩阻增加，并且随着排量的增加，环空摩阻相应的增加，所以适当降低环空摩阻可以减小漏失风险[18]。

降低水泥浆进入环空后的环空摩阻对于降低固井漏失风险起着关键作用。本文对如何降低水泥浆进入环空以后的摩阻进行了实验，通过对水泥浆性能的研究发现，减小水泥浆的流动指数和稠度系数可以有效降低环空摩阻，从而降低漏失风险[19]。

3 结论与认识

(1)纤维水泥浆体系可以有效解决山前区块的防漏问题。针对山前区块漏失的多样性，对1 mm、2 mm裂缝性漏失分别加入0.8%3 mm、3%3 mm聚丙烯能达到良好堵漏效果；针对1 mm孔隙性漏失，也可加入0.3%3 mm聚丙烯纤维堵漏；而对于2 mm孔隙性漏失，选用3 mm、6 mm、9 mm聚丙烯纤维配合不同加量均能起到良好的封堵效果[20]。现场施工可根据实际漏失情况选取适合的纤维配比，从而降低漏失风险，增加固井质量。

(2)中完井眼的准备情况是固井施工防漏的前提，建议下套管前进行激动压力的计算，控制合理的下放速度，要求井底激动压力小于3 MPa；同时建议做地层承压试验，验证地层承压能力后再进行下套管作业；充分调整泥浆性能，山前区块密度大多在1.30～1.80 g/cm3范围内，通过实验研究要求泥浆屈服值应小于8 MPa，塑性黏度应在22～30 mPa·s之间。

(3)通过对注替参数的研究得知，排量与环空摩阻成正比关系，即排量越大漏失风险越高，在保证环空返速不小于1 m/s紊流固井的同时，尽可能控制施工排量，降低漏失风险，对于高漏失风险井可采取环空返速低于0.4 m/s的塞流固井工艺。