杭锦旗地区正注反挤固井技术研究

2021-07-16吴天乾李明忠李建新李德红张军义何斌斌

钻采工艺 2021年3期

吴天乾，李明忠，李建新，李德红，张军义，何斌斌

1中国石化华北石油工程有限公司技术服务公司钻完井中心2中国石化石油工程造价管理中心

1 研究背景

地层承压能力低造成的固井漏失和难以全井封固，是固井工程面临的常规性技术难题。在鄂尔多斯盆地的杭锦旗地区，刘家沟组的地层承压能力不足1.15 g/cm3［1］。超低密度水泥浆和双级固井是固井防漏的主要技术措施［2］，应用由玻璃微珠或3M漂珠开发的超低密度水泥浆成本高［3］。在基浆中注入气体并将密度降至1.15 g/cm3以下时的充气量大，由于气泡体积随液柱压力变化剧烈［4］，水泥浆稳定性较差，气体滑脱上升聚集形成段塞，配套的发泡和混配设备同样会增加成本。当存在多个漏失层位时，分级箍安放位置难以兼顾一、二级防漏需要，且分级箍限制了压裂工艺优选，其密封性直接影响后期作业［5］。因此，固井漏失后反挤补救或正注反挤技术广泛应用。

关于常规固井的基本原理、设计方法及配套工艺技术研究较多，但对于反挤固井缺乏系统研究，反挤固井设计和过程控制缺乏参考和依据，导致反挤作业过程不可控、固井质量不稳定［6-7］。通过开展反挤顶替机理和井口压力变化规律研究，明确提高顶替效率的技术对策，形成精细过程控制措施，保证反挤水泥浆到达指定目标层，实现正注和反挤的有效衔接，并提高固井质量。

2 反挤顶替机理数值模拟研究

常规固井时冲洗液和水泥浆由井底进入环空驱替钻井液，顶替方向与流体受力方向相反；基于固井顶替机理研究成果，形成了提高顶替效率的系列技术措施。但反挤时冲洗液和水泥浆由井口进入环空、由上而下驱替钻井液，顶替方向与流体受力方向一致。与正注相比，各因素对顶替效率的影响规律及影响程度均存在一定差异，但尚未开展系统研究。

Gambit构建了环空模型、定义边界类型和网格生成，建立了直井三维环空模型，设置套管偏心度0、0.3，环空模型外径为222.3 mm，内径为177.8 mm，计算区域长度为100 m，网格均采用六面体结构化网格。将模型导入Fluent求解器，以三维非定常N-S方程作为控制方程，流体体积法（VOF）对顶替界面追踪与定位。水泥浆直接接触反挤、层流顶替钻井液，宾汉模式描述流变特性，钻井液、水泥浆的塑性黏度分别为15、30 mPa·s，动切力分别为4、6 Pa，密度1.20、1.30 g/cm3。入口为速度边界，顶替速度0.5 m/s，出口为压力边界，环空壁面按无滑移边界条件处理。单精度有限体积方法进行数值方程离散，时间上采用隐格式，对流项采用一阶迎风有限元离散格式，利用压力隐式分裂算子（PISO）方法进行压力速度场耦合，时间步长为0.005 s［8-10］。

对比正注与反挤时的顶替机理差异，分析反挤时钻井液和水泥浆性能参数对顶替效率影响规律。

（1）与正注相比，套管偏心对反挤顶替效率和界面长度影响作用更突出，混浆更易发生，如图1所示。为提高反挤固井质量，反挤段套管偏心应不超过0.2。由于反挤时流体重力与顶替方向一致，偏心度越大，环空宽间隙与窄间隙的速度差异越大［11-12］。采用正注反挤固井的施工井，上部反挤段加放扶正器，保证套管偏心度小于0.2。

图1 不同偏心度时正注、反挤时的顶替效率

（2）水泥浆和钻井液性能参数对顶替效率均有一定影响。动切力体现流体结构强弱，塑性黏度体现流体内摩擦力。随着钻井液塑性黏度或动切力增大，不利于钻井液流动，反挤顶替效率降低，见图2、图3。

图2 钻井液屈服应力对顶替效率影响

图3 钻井液塑性黏度对顶替效率影响

随着水泥浆塑性黏度或动切力增大，增大了水泥浆对钻井液的接触拖曳力，反挤顶替效率增大。在直井正常顶替时，浮力随着密度差增大而增大，促进环空各间隙钻井液的驱替；但在反挤时随着密度差增大，环空宽、窄间隙处的顶替速度差异越大，顶替效率越低［11-12］，见图4。反挤水泥浆前，泵入冲洗液充分降低钻井液的动切力和塑性黏度，反挤浆密度尽量接近井浆密度。

图4 水泥浆与钻井液密度差对顶替效率影响

3 反挤井口套压变化规律分析

反挤时井口压力是施工过程唯一的标志参数，但目前对反挤井口压力的变化规律研究较少，导致施工过程参数调整和控制缺乏依据和针对性。借助水驱油指进机理，定性分析了反挤时的井口压力变化规律。当作用在反挤目标层的动液柱压力大于漏失压力时，流体进入地层。反挤井口压力p0有：

p0＝pL-p液柱+pf（1）式中：pL—返挤通道的漏失压力；p液柱—环空液柱压力；pf—环空循环摩阻。

为便于分析和施工控制，首先采用小排量试挤，后提高至设计排量保持不变，直至施工结束前适当降低排量。根据现场施工数据记录，反挤井口压力变化存在如下规律：关井、小排量试挤，将漏层挤通，试挤井口压力p试挤；注入冲洗液，在压力允许的条件下适当提高注入排量，井口压力p0增大。冲洗液注入过程中，液柱压力和循环摩阻逐渐降低，井口压力呈现波动。随着水泥浆注入，液柱压力逐渐增大，井口压力下降；当井口压力下降至某一值后开始上升。如图5所示。

图5 反挤时井口压力变化示意图

4 提高正注反挤固井质量的配套措施

为提高正注反挤施工的固井质量，在反挤顶替机理和井口压力变化规律分析基础上，形成了较为系统的正注反挤固井配套措施。

（1）正注反挤固井设计。固井前若井内难以建立正常循环，正注与反挤在刘家沟组对接，设计正注水泥浆返至刘家沟组底部，不附加；等待正注水泥浆稠化后即可反挤，反挤水泥浆封固井口至刘家沟组井段。若固井前井内以钻井排量循环而钻井液无漏失，正注与反挤在延长组对接，设计正注水泥浆返至延长组顶部，反挤水泥浆封固井口至延长组顶部井段。正注与反挤时间间隔不少于12 h，保证封固刘家沟组的水泥浆形成足够强度。

（2）水泥浆设计。若正注封固至刘家沟组底部时，微膨胀低失水防窜水泥浆封固刘家沟组底以下井段；反挤时1.40 g/cm3的高早强低密度水泥浆封固刘家沟组，1.30 g/cm3的高早强低密度水泥浆封固上部井段，微硅加量不少于10%，提高塑性黏度和动切力，保证反挤顶替效率；缩短稠化时间、过渡时间小于30 min、强度发展快，减少反挤候凝期间的漏失，提高水泥石抗压强度、增强测井声幅响应。若正注封固至延长组顶部时，封固刘家沟组底以下井段的水泥浆为微膨胀低失水防窜体系，封固刘家沟组的水泥浆为密度1.40 g/cm3的高早强低密度体系，刘家沟组顶至延长组井段水泥浆为1.25～1.30 g/cm3的高强低密度体系；反挤水泥浆采用1.30 g/cm3的高早强低密度体系。

（3）提高反挤顶替效率设计。安放双弓弹性扶正器，反挤井段套管偏心度不大于0.2，斜井段套管偏心度不大于0.3；正注时向井内依次注入20 m3新配钻井液或胶液，将下套管时注入的封闭浆充分稀释、挤入刘家沟组；反挤时由井口向环空泵入不少于10 m3冲洗液，破坏反挤等待期间钻井液形成的胶凝结构，冲刷井壁和套管壁。

（4）施工过程控制。正注时以不超过钻井时的最大排量依次注浆和替浆；反挤试挤后，将排量提高至1 m3/min保持不变，记录井口压力。当井口压力最小值对应的反挤水泥浆量与设计值相近，则说明水泥浆已反挤至目标漏层，降低排量至300 L/min以促进裂缝闭合，附加水泥浆5 m3后结束施工。若井口压力最小值对应的反挤水泥浆量小于设计值，表明水泥浆进入上部漏层，应降低排量减小上部漏层张开程度，促使水泥浆继续下行。

5 现场应用

该工艺在杭锦旗地区累计应用145口井，固井优质率提高38.2%、优良率提高45%；环空内正注与反挤有效对接及全井封固率由15.2%提高至62.5%。

5.1 JPH-3XY井

JPH-3XY井为三开井身结构，一开Ø311.2 mm井眼下Ø244.5 mm表层套管，二开Ø222.2 mm井眼下Ø177.8 mm技术套管，刘家沟组、延长组等易漏失层位分布在二开井段，三开裸眼完井。该井二开钻进时发生井漏，经堵漏后固井前钻井液循环正常，井内钻井液密度1.20 g/cm3。延长组顶部（井深1 455 m）为正注和反挤对接位置，正注依次注入冲洗液6 m3、1.30 g/cm3高强低密度水泥浆20 m3、1.40 g/cm3高早强低密度水泥浆4 m3和1.88 g/cm3微膨胀低失水防窜水泥浆10 m3；正注12 h后反挤，依次注入冲洗液10 m3、1.30 g/cm3高早强低密度水泥浆35 m3。反挤至水泥浆26 m3时井口压力由6 MPa降至2 MPa后逐渐升高，判断水泥浆反挤至延安组。声幅测井显示环空未衔接井段仅70 m，正注与反挤基本实现对接；1 500 m以下井段固井质量优质，井口至井深800 m反挤井段优质，其余井段除70 m空套管外固井质量良好。

5.2 JPH-3ZQ井

JPH-3ZQ井井身结构与JPH-3XY 井相同。Ø177.8 mm技术套管入井后，刘家沟组（井深2 397～2 551 m）存在严重漏失不能建立循环，井内封闭浆无法循环出井，井内钻井液密度1.22 g/cm3。正注时依次注入胶液20 m3、冲洗液10 m3和1.88 g/cm3微膨胀低失水防窜水泥浆12 m3，封固至刘家沟组底部，水泥浆不附加。等待正注水泥浆稠化后即刻反挤，注入反挤冲洗液10 m3、1.40 g/cm3高早强低密度水泥浆4 m3和1.30 g/cm3的低密度水泥浆52 m3。井口压力显示，在反挤水泥浆28 m3后，压力缓慢降至最小后显著上升，显示水泥浆进入上部延安、延长组。降低施工排量至500 L/min，促使水泥浆下行，反挤浆量由设计的52 m3增至60 m3。声幅测井曲线显示，正注和反挤在刘家沟组实现对接，空套管段长为0；正注段固井质量优质；延长组以上井段固井质量优质；但由于在延长组分流，反挤排量降低，造成延长组与刘家沟组之间井段固井质量仅合格。