雷家碛井区固井漏失层分析及固井防漏工艺技术

2021-12-17范志坤夏忠跃解健程

复杂油气藏 2021年3期

范志坤，夏忠跃，冯雷，贾佳，解健程

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

雷家碛井区位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带，该区钻遇地层自上而下依次为新生界；中生界三叠系上统延长组、中统纸坊组、下统和尚沟组和刘家沟组；古生界二叠系上统石千峰组、中统上石盒子组、下石盒子组、下统山西组、太原组，石炭系上统本溪组，奥陶系下统马家沟组。其中，下古生界奥陶系、上古生界二叠系为区内主要的油气勘探层系。根据前期探井测试结果，该区下石盒子组、太原组气层发育，测试产量较高，显示了较高的开发潜力［1］。

该井区固井时漏失状况时有发生，造成水泥浆低返，无法保障固井质量，部分井固井质量无法满足后期压裂增产的需要，严重制约了该区产能的建设进程。因此，形成一套适合雷家碛井区的有效固井防漏工艺技术，对改善固井质量，建设该井区天然气产能具有重要意义。

1 漏失层位分析

为预防雷家碛井区后期作业井固井漏失。通过综合分析已钻井地质参数、钻井参数、测井数据、固井施工数据和固井质量测井数据，判断固井水泥浆漏失层位，通过固井施工参数的反演模拟，计算该层位的漏失压力。

1.1 漏失层位判断

雷家碛井区受构造运动影响，地层破碎严重，地形起伏较大，平面上非均质性较强，纵向上发育多个易漏地层。上部地层纸坊组与和尚沟组呈不整合接触，存在地层缺失现象。且该层段泥砂岩互层严重，胶结性较弱，承压能力较低，固井期间极易发生漏失。多口井在该井段钻井期间发生严重漏失。山西组至本溪组地层发育多组煤层，煤层累积厚度达20 m，且煤层间夹灰色泥岩、碳质泥岩和灰白色中砂岩，层间胶结弱，同样漏失风险较高［2］。

以5D 井为例，该井在固井顶替期间发生漏失，固井质量测井显示，该井井口至538 m 为自由套管段，538～640 m 井段存在多段固井质量不合格井段。根据录井资料、钻井参数及测井数据分析，625～635 m 井段为可疑漏失层。录井资料显示，该井段地层岩性为砂岩、泥岩和砂质泥岩，泥质胶结，地层较为疏松；测井声波时差在该井段明显升高（如图1 所示），且钻井期间该井段钻时加快，同样证明该段地层疏松，存在较高漏失风险。

图1 可疑漏失层段综合测井曲线

1.2 漏失压力计算

固井顶替施工过程中，由于液体的不可压缩性，套管内注入的排量近似等于环空井口返出的排量。当井下发生水泥浆漏失时，环空井口返出的排量减少甚至失返。可以结合低排量不漏失条件下注入参数及立管压力大小，来修正环空摩阻压降系数，从而准确地推导出地层漏失压力［3］。

5D井在固井施工期间，采用双凝双密度水泥浆浆柱设计，低密度水泥浆平均密度1.45 g/cm3，高密度水泥浆平均密度1.85 g/cm3。施工过程中注清水6 m3，排量1 m3/min；隔离液4 m3，排量1 m3/min；注领浆49 m3，排量0.95～0.87 m3/min；尾浆20 m3，排量0.95～0.67 m3/min，替浆28.12 m3，替浆至20 m3时返出量减少，替至21.5 m3时不返，漏失约6.5 m3，碰压15 MPa，稳10 min，压降0 MPa。候凝48 h 测声幅，水泥返高至538 m。替浆过程中，替浆至20 m3时，返出流量小于固井泵排量，证实井下发生漏失。通过对5D 井固井施工过程中可疑漏失层位环空压力当量密度理论模拟分析，在施工过程中，随着水泥浆柱逐渐通过，可疑漏失层环空动态当量密度呈现出“稳定—下降—增加”趋势（见图2）。发生漏失时，入井流体99 m3，排量为0.5 m3/min，此时可疑漏失层段环空动态循环密度当量1.45～1.46 g/cm3。结合早期邻井固井施工过程中漏失发生时该位置动态循环密度当量，该井段地层承压能力介于8.82～9.46 MPa之间（承压密度当量介于1.44～1.52 g/cm3之间）。

图2 可疑漏失层段固井施工过程中循环密度当量

2 固井漏失预防措施

减少固井过程中水泥浆漏失，提高固井质量，需要从井眼准备、钻井液性能调整、水泥浆柱优化设计、固井注替工艺精确控制等多个方面进行综合分析。考虑致密砂岩储层低成本开发的需求，此处未分析分级固井、尾管固井等固井工艺方面的技术措施。

2.1 井眼准备

为保证下套管顺利及裸眼段的封固质量，下套管前要用原钻具严格进行通井，并认真做好遇阻遇卡记录，要求在遇阻卡段进行短起下钻，直至畅通，通井过程中大排量洗井，并进行分段循环，确保井壁稳定。钻具下到井底后要充分循环，要求大循环，通过振动筛上无岩屑返出方可起钻，记录循环排量、压力。

下套管过程中，为防止压力激动，压漏地层，需严格控制下放速度在0.5 m/s 以内，低压易漏层段套管柱下放速度应控制在0.3 m/s 以内。按设计要求安放扶正器，保证套管居中度不低于0.67。下完套管后，先不要坐挂，要循环钻井液至少2 周（循环排量的上返速度不超过通井时的循环排量上返速度），循环期间观察钻井液返出是否漏失、是否有异物，一切正常后，方可坐挂（坐挂前要先清洗两侧翼阀），连续测量钻井液性能，确保井眼稳定，满足固井要求后方可施工。

2.2 钻井液性能调整

雷家碛井区普遍采用二开井身结构对致密砂岩气进行开发，一开钻穿表层黄土层以及未固结的疏松地层，下入套管完井。二开井段自上而下延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组、本溪组、马家沟组，裸眼井段1 800～2 500 m 不等，二开井段裸眼封固井段长，地层跨度大，地层压力系数上下差异最高达到0.14，为保证气井施工安全，钻井液密度上限按照较高的地层压力系数附加安全系数，钻井液密度较高。雷家碛井区上部井段砂泥岩互层严重，且下部井段存在大段煤岩，为保持井眼稳定，同时保证套管下入过程中的井控安全，固井施工前钻井液一般保持较高的塑性粘度和切力，钻井液结构力较大，循环时开泵压力较高，对环空井段造成较高的激动压力，甚至有可能压漏地层［4］。

钻井液性能原则上不进行大的调整，密度需满足压稳地层，防止坍塌和缩径，并尽可能地降低钻井液黏度和切力。固井施工前，调整钻井液黏度不高于50 s，初切力小于2 Pa。

2.3 水泥浆柱结构优化设计

采用低密度水泥浆体系，降低环空浆柱液柱压力，实现近平衡压力固井是解决低压易漏井固井漏失最有效、最简便的方法［5-6］。

雷家碛井区早期普遍采用双凝双密度水泥浆柱结构设计。领浆密度1.40～1.45 g/cm3，尾浆密度1.85～1.90 g/cm3。其中，设计尾浆上返至最上部气层以上200 m。为降低环空浆柱液柱压力，提高水泥浆上返高度，同时避免上部疏松易漏地层漏失，设计3 种浆柱结构（1 级领浆1.35 g/cm3，二级领浆1.45 g/cm3，尾浆1.85 g/cm3），在压稳的前提下，降低井底及上部薄弱层的当量密度。

根据测井解释及录井气测显示，最上部气层1 600 m 左右。水泥浆柱优化设计为隔离液—过渡浆—领浆—尾浆。通过软件模拟计算，水泥浆柱优化后，可疑漏失层段最大环空动态循环密度当量为1.38 g/cm3，明显低于反演计算出的地层漏失压力梯度。见图3。

2.4 水泥浆性能优化

为保证气层封固质量，满足候凝期间失重压稳需求，通过优化水泥浆配方，在过渡浆中加入纤维，对可疑漏失层位进行架桥堵漏，提高可疑漏失层承压当量密度。领浆添加20%减轻剂降低领浆密度，并加入2%早强剂，使水泥凝固后24 h 强度达到7 MPa 以上。领浆配方为：G 级水泥+现场水+0.4%分散剂+1.8%降失水剂+2.0%早强剂+20%减轻剂+0.5%防气窜剂+0.2%消泡剂。尾浆中优选防气窜剂和微膨胀剂，通过防气窜剂增大水泥浆候凝过程气体进入阻力，微膨胀补偿水泥石收缩产生的微裂缝，确保储层及煤层段有效封固。微膨胀防气窜水泥浆体系过渡时间段，接近直角稠化，防气窜效果好。通过加入2%的缓凝剂，确保水泥浆稠化时间达到3 h 以上，保证施工安全。尾浆配方为：G 级水泥+现场水+0.4%分散剂+1.5%防气窜剂+1.5%降失水剂+1.0%早强剂+2.0%缓凝剂+0.2%消泡剂。尾浆稠化曲线见图4。

图4 尾浆稠化曲线

2.5 注替过程精细控制

为精细控制尾浆高密度水泥浆上返高度，通过每米1点的井径数据，精确计算井眼容积量，储层段尾浆不附加，但高密度水泥浆设计返至储层段300 m以上，既确保储层段有效封固，又有效降低井底当量密度以降低大段煤层段漏失风险［7-9］。

为提高顶替效率，前期固井施工过程中在顶替阶段，常采用紊流替浆。但排量过高，容易对环空地层造成较高的附加压力，在承压能力薄弱地带极易压漏地层，造成水泥浆失返。根据软件模拟计算结果，以5D 井为例，在215.9 mm 井眼内下入139.7 mm 套管后，在2.0 m3/min 的排量下，循环摩阻对井底造成的循环当量密度高达0.09 g/cm3；与低排量0.5 m3/min 相比，2.0 m3/min 的排量的循环摩阻造成的循环当量密度高0.05 g/cm3（见图5）。因此，在顶替过程中，采用“紊流+塞流”固井顶替，注前置液、注水泥和替浆前期采用紊流方式施工，井口起压或“U”型管效应结束后，降低顶替排量至常规顶替排量的1/5（即0.15～0.2 m3/min）进行超低速顶替。通过此技术，有效降低对煤层及上部薄弱层的扰动，确保煤层段封固质量且提高水泥浆上返高度。

图5 不同排量下井下ECD

排量的计算方法如下［10］：

式中，Rec为水泥浆紊流临界雷诺数；n为水泥浆流性指数；k为水泥浆稠度系数，Pa•s；Qc为环空紊流临界排量，m3/s；Dw为环空外径，m；De为环空内径，m；ρ为水泥浆密度，kg/m3。

3 现场应用效果

雷家碛井区在后续固井施工过程中，通过井眼准备、钻井液性能调整、水泥浆柱结构优化设计、水泥浆性能优化、注替工艺精确控制等多个方面改进，形成了易漏失井固井配套工艺技术。同井台后续作业邻井4D、6D 等井均按照易漏失井固井配套工艺技术进行了设计和施工，顶替期间漏失量明显减少，声幅测井显示环空空套管井段仅50 m，全井合格率达到90%以上，储层段封固质量优质（如图6），为后期的压裂试工提供了安全保障。截至目前，该技术已在6 个井台20 余口井现场应用，全井段固井质量合格率达到90%以上，目的层段固井质量优质率达到82.4%。