东海防气窜固井技术研究与应用

2021-03-16雷磊李乾黄佩黄召

石油工业技术监督 2021年3期

雷磊，李乾，黄佩，黄召

1.中海石油（中国）有限公司上海分公司（上海200335）

2.中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司（上海 200120）

东海海域主要油气藏特点表现为储层埋藏深、物性低孔低渗，属于非常规油气藏范畴，随着该海域勘探开发力度的不断加大，该类非常规油气藏将成为未来主攻领域。为了更好地完成试井取资料任务，需要良好的固井质量做为基础保障，但由于储层低孔低渗特点，流阻大、流量小，钻前地层压力预测准确度低，实际地层压力求取较困难，常规的固井手段易造成固井时不能有效压稳地层而发生气窜，从而导致固井质量不合格或环空带压等复杂情况的发生，不能满足后续完井测试要求和影响油气井产能等。因此开展东海低孔低渗储层防气窜固井技术的研究非常有必要，能够有效指导今后东海的固井作业。

1 防气窜参数表征

1.1 水泥浆静胶凝强度研究

水泥浆失重是指水泥浆在凝结过程中对下部或者地层所作用的压力逐渐降低，好像失去了一部分重量。当水泥浆浆柱压力由于失重而低于地层压力后，地层中的流体就会侵入环空形成窜流，如流体为气体则即为气侵。有很多种原因可能导致水泥浆浆柱压力的降低，如水泥浆失水、体积收缩、桥堵等[1-4]。近些年，随着水泥浆体系的不断完善，已基本解决了由于水泥浆失水和水化导致体积减小而引起的水泥浆失重问题。因此，主要研究由静胶凝强度变化引起的水泥浆液柱压力损失。

国内外相关学者研究表明[5-10]，在水泥浆候凝过程中最容易发生气窜。在水泥浆柱顶替到位后，环空中水泥浆的静胶凝强度将不断增加，逐渐形成具有一定胶凝强度的空间网架结构，使水泥浆柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，难以有效向下传递，导致水泥浆的静液柱压力随之降低。当水泥浆柱压力低于地层压力时，地层中气体便会进入环空，沿浆柱向上运动形成气窜，原理如图1所示。有研究表明，静胶凝强度达到150 Pa之后，水泥浆柱就有足够的阻力来阻止气窜，因此选取静胶凝强度150 Pa作为临界值，设计防气窜水泥浆柱。

图1 固井气窜原理示意图

1.2 压稳判断标准

在实施固井作业前，需要确保井内液柱压力与地层压力相平衡，保证压稳地层。对于探井而言，地层压力预测难以做到准确可靠，而在低孔低渗地层中进行测压取样的成功率又难以保证，导致无法准确认识地层孔隙压力，给固井水泥浆柱压稳设计带来了很大挑战。根据东海长期的作业经验总结，以常规气层压稳判断标准，即固井前气测值＜5%，推演出高压低渗气层压稳判断标准：①有可靠地层孔隙压力数据，则在实际地层压力基础上附加0.07～0.15 g/cm3；②无可靠地层孔隙压力数据，则根据短起下测得的后效气气全量与循环时的气全量进行对比，两者接近则判断为压稳。

1.3 水泥浆防气窜系数

水泥浆由液态向固态转化时间的长短与水泥浆液柱压力降低的快慢直接影响到水泥浆的防气窜性能。其中，水泥浆由液态向固态转化的过程，可以用稠化时间来描述，水泥浆柱压力降低的主要原因是失水，所以水泥浆液柱压力降低的快慢可以用失水量来描述。用水泥浆稠化时间与失水量来衡量水泥浆的防气窜性能，用如下计算公式计算水泥浆的防气窜系数，固井施工作业中以该系数指导水泥浆设计[11]：

式中：SPN为水泥浆防气窜系数，无因次；FLAPI为水泥浆API失水量，mL；t100BC，t30BC分别为水泥浆稠度为100 BC和30 BC的时间，min。

水泥浆防气窜系数能够客观评价水泥浆的防气窜性能，按如下标准进行评价：

1）SPN＜3时，防气窜性能良好。

2）SPN为3～6时，防气窜性能一般。

3）SPN＞6时，防气窜性能较差。

1.4 水泥浆压稳系数

固井成功的关键是如何压稳地层，确保水泥浆在稠化失重时不发生气窜。采用合适的压稳设计计算方法，保证设计的水泥浆柱在整个稠化过程中能够有效平衡地层压力。压稳系数法是结合水泥浆临界失重点来判断是否压稳，该方法选取静胶凝强度150 Pa作为临界失重点，用水泥浆静胶凝强度达到150 Pa时的液柱压力与原始地层压力相比作为压稳系数，以此来优化设计水泥浆密度与浆柱长度，具体计算方法如下[12]：

式中：PPSF为水泥浆压稳系数，无因次；Pcmk为水泥浆失重后的压力，MPa；Pcm为原始浆柱段的压力，MPa；PIk为水泥浆在临界点的失重值，MPa；Pf为地层压力，MPa；Ic为水泥浆长度，m；Dh为井眼尺寸，mm；Dp为套管尺寸，mm。

水泥浆压稳系数能够客观评价水泥浆压稳地层的能力，按如下标准进行评价：

1）PPSF≥1，水泥浆压稳能力满足要求。

2）PPSF＜1，水泥浆压稳能力不满足要求。

2 配套防气窜工艺技术

2.1 防气窜水泥浆体系

防气窜水泥浆体系主要从缩短稠化时间、静胶凝过渡时间、降低失水、提高膨胀性等方面进行设计，增加气体在水泥浆中的气侵阻力，改善综合防气窜能力。

加入由高分子聚合物、交联剂组成的非渗透防气窜剂，在水泥浆碱性条件下发生络合反应，相互连接形成连续的胶凝结构单元，在近井壁和内部形成均匀稳定的不渗透膜。加入超细硅粉，增强对目的层井壁泥饼的物理冲刷，提高胶结质量。加入晶格膨胀剂，保证水泥浆在塑形体、硬化体状态下的双膨胀效果。加入防窜增强剂无定形SiO2（亚微米级颗粒0.15μm），增强对目的层井壁泥饼的物理冲刷，提高胶结质量。另外，由于其具有火山灰活性，通过物理充填、与水化产物Ca(OH)2反应生成二次凝胶，增加水泥石晶体结构和胶结程度，并且生成更多的水化产物（如水化硅酸钙），从而使水泥浆整体具备防气窜能力强、强度高、抗温性好等特点。图2为常规水泥浆与防气窜水泥浆晶体微观结构对比。

图2 两种水泥浆晶体微观结构对比

2.2 双凝水泥浆柱

双凝水泥浆柱采用速凝水泥浆与缓凝水泥浆相结合。其中，速凝水泥浆封固异常压力层，稠化时间较短，确保在其静胶凝强度达到150 Pa的失重过程中，地层中气体尽可能少的侵入环空。缓凝水泥浆具有相对较长的稠化时间，水泥浆液柱压力降低速率缓慢且压力传递能力强，能起到平衡地层压力的作用，防止地层气侵。

2.3 环空流变学设计

技术套管、油气层套管固井应进行环空流变学设计（井斜大于30°的井应采用偏心环空流变学计算），包括根据流变学参数确定流变模式，计算冲洗液、隔离液、领浆和尾浆的塞流与紊流临界排量。考虑冲洗液和隔离液采用紊流顶替，隔离液和水泥浆采用塞流顶替的复合顶替方式，减小窜槽影响，有效提高固井质量。

2.4 钻井液加重帽

此技术主要针对尾管固井作业中确保压稳效果。通常情况下，固井作业结束后采取井口加压候凝的方式，保证水泥浆稠化失重的初凝阶段的压力补偿。为了进一步提高固井质量，现场可替入加重钻井液进行加压候凝，不需要额外进行井口加压，这样做的主要优点是：井口无需持续加压，钻台可以进行其他作业，有效提高作业效率；通过循环可以逐步降低压力，避免因井口压力突然降低导致套管与井壁环空间水泥环受力突变，水泥石中产生微裂缝，影响固井质量。

3 现场应用

东海X1井为预探井，完钻井深4 760 m，三开次井身结构（图3）。预测某套地层下部存在高压气层，压力系数1.50以上，因此244.5 mm套管固井需要考虑防气窜固井技术。

图3 东海X1井井身结构示意图

3.1 水泥浆设计

采用单级双封固井，领浆封固至上层套管鞋上250 m，管鞋以下300 m；尾浆封固最上部油气层顶部200～3 500 m。采用聚合物防气窜水泥浆体系，双凝水泥浆柱结构设计，首浆密度为1.90 g/cm3，封固段为正常压力井段，稠化时间为384 min；尾浆密度为1.90 g/cm3，封固段为下部异常压力井段；稠化时间为216 min。

3.2 技术措施

3.2.1 固井前准备工作

1）地层测井结束后通井作业，根据测井曲线对于缩径及阻挂井段进行划眼，充分循环，保证返出干净，起钻无阻挂现象为下套管提供良好的基础。

2）套管下到位后充分循环井眼，根据钻进时钻铤环空返速来确定固井作业前的最大循环排量，井眼稳定的情况下尽可能提高到流变学计算排量，循环泥浆至少两周以上。

3）循环过程中，在保证井眼安全的情况下适当降低泥浆黏度及切力，保证泥浆进出口比重均匀，黏度最好控制在50 s以内。

4）注意观察振动筛的岩屑返出情况及录井气测值的监控，确保井眼干净气测值降低到1%以下，有条件的井眼内最好替入低黏低切泥浆，降低顶替压耗。

3.2.2 流变学计算

分别计算了冲洗液、隔离液、领浆和尾浆的塞流与紊流临界排量，见表1。设计了“冲洗液、隔离液紊流+隔离液、水泥浆塞流”的复合顶替。

3.2.3 防气窜设计

1）由公式（1）计算得防气窜系数SPN=1.82＜3，说明水泥浆防气窜性能良好。

2）尾浆失重是气窜危险阶段，根据公式（2）计算水泥浆压稳系数来评价设计浆柱结构在候凝阶段的压稳能力，计算结果见表2。

水泥浆失重后的压力Pcmk=60.27 MPa，折算当量密度1.41 g/cm3，大于孔隙压力1.30 g/cm3。压稳系数PPSF=1.085＞1，说明水泥浆静胶凝强度150 Pa的压稳能力满足要求，气窜危险程度小。

3.3 效果评价

X1井在通过对水泥浆体系的优化、压稳系数的校核和优选、环空流变参数的优化和水泥浆柱结构和稠化时间的优化，在固井候凝24 h后对244.5 mm套管固井段进行了SBT测固井质量，根据测量结果显示，BR指数＞0.6，全井段固井质量优良，满足后续主要目的层测试作业对封固质量的要求，避免了测试作业过程中射孔后出现高、低压窜层的风险。图4为X1井测得固井质量结果。