临兴区块漏失井固井技术研究

陈泽恩，姜磊，江智勋

(1.中联煤层气有限责任公司晋西分公司，山西 吕梁 033200；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

临兴区块位于鄂尔多斯盆地东北缘，晋西挠褶带与伊陕斜坡交界处，构造位置地跨鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北段和晋西挠褶带西北缘。地貌具有典型的黄土塬区地表结构特征，山上黄土厚度较大，岩性纵、横向变化剧烈。由于长时间的风化侵蚀，地层极易形成裂缝，导致钻井表层极易漏失[1-3]。为了提高山西临兴区块漏失井的固井质量，本文通过技术研究形成了一套适合山西临兴区块漏失井固井综合技术。

1 钻井、固井难点分析

1.1 钻井主要面临难题

临兴工区表层为新生界第四系沉积，土质疏松，钻井过程中注意防漏失；二开钻遇古生界地层井段长、层位多，断层基本不发育，应注意胶结疏松井段及层间漏失，以及井壁剥落的掉块造成卡钻事故；本区石千峰组—上石盒子组泥岩要防止井壁垮塌，需要采取措施保护井壁[4]。

1.2 固井主要面临难题

临兴工区地质环境复杂，地层易垮塌、在钻进过程中钻遇竖直裂缝，导致发生漏失、井径不规则，顶替效率低；水泥浆返至地面，封固段长，固井过程中容易发生井漏；水泥封固段长，上下温差大，水泥环顶部凝结时间长，强度发展较慢，上部封固质量难以保障[5-7]。

1.2.1 气层比较活跃，防窜难度大

天然气分子比水和油的分子体积要小很多，不但穿透能力极强，并且侵入防窜能力差的泥浆更加容易，对环空封固质量影响较为严重。

1.2.2 封固段长，上下温差大

上部水泥浆凝结时间比较长，强度发展较慢。封固段长上下温差大，上部水泥浆凝结时间长，水泥面处易出现超缓凝，影响上部封固质量。

1.2.3 封固段长、地层存在竖直裂缝，易发生井漏

常规井封固段长度在2 000 m左右，需要返至地面，在钻进过程中钻遇竖直裂缝，导致发生漏失，固井过程中易发生井漏，造成水泥浆低返，会造成漏封油、气、水层，严重影响固井质量并给后续采气埋下了安全隐患。

2 固井技术研究

2.1 固井前置液技术研究

2.1.1 前置液体系设计

(1)隔离液组成。隔离液组成主要包括：水、悬浮剂、稀释剂、降失水剂、消泡剂等。

(2)处理剂作用原理。悬浮剂由多种水溶性材料组成，包括稳定剂和增黏剂。稳定剂是层状结构的黏土矿物，在水介质中高度分散易形成网状结构，并使大量自由水转变成束缚水，从而在水中起到一种支撑骨架的结构。增黏剂是高分子聚合物，即使是低浓度也会产生很高的黏度，有较好的增黏作用，使隔离液保持良好的悬浮稳定性。悬浮剂既能在混配和地面泵送过程中形成足够的黏度来悬浮加重料，又能在井下泵送过程中达到较高温度时，继续释放黏度，保证高温下加重剂的悬浮。

稀释剂可以降低隔离液的黏度，改善流体的流变性，有利于现场固井施工。稀释剂是一种聚合物材料，该材料可以离解出阴阳离子基团。阴离子基团被吸附到加重剂颗粒的表面，这样就会在加重剂颗粒表面形成一层溶剂化的单分子膜，从而减弱了加重剂颗粒间的凝聚作用，减小了颗粒的摩阻，因而颗粒得以分散，使所配制的隔离液黏度下降，流动性得到改善。在稀释剂中加入表面活性剂，表面活性剂能够改变套管和井壁的润湿性，形成亲水环境，提高环空界面的胶结质量，并对隔离液中的加重材料产生分散作用。通过调节体系中悬浮剂和稀释剂的比例，就可以解决高温条件下隔离液稳定性和流变性之间的矛盾。

降失水剂是具有良好耐温性能的多元共聚物型产品，该产品的加入可控制隔离液的滤失，保证该体系具有良好的悬浮稳定性能和抗盐效果，并与钻井液、水泥浆更好地相容。

2.1.2 前置液液体系性能评价

采用六速旋转黏度计进行模拟试验，结果表明，新型的前置液有比较强的渗透清洗作用，在紊流状态下能够有效地冲刷井壁，冲洗效率≥92%。

2.1.3 隔离液性能评价

1.15 g/cm3低密度水泥与钻井液、隔离液按7∶2∶1比例混合，搅拌混合后，运行稠度27.3 BC，整体运行平稳，350 min拆时未凝固，符合施工要求。

2.2 水泥浆技术研究

2.2.1 低密度水泥浆技术研究

低密度水泥浆中油井水泥和精细漂珠按一定的合理级配，可以使水泥石更加致密。

(1)材料的选择。选择优质漂珠作为低密度水泥浆的减轻材料。选择其有效密度为0.5 g/cm3左右。为了提高水泥浆的综合性能，需要进行水泥浆的紧密堆积设计，其核心是具有较高反应活性的低密度增强材料。这种微细的颗粒材料填充在水泥和漂珠形成的空隙中，降低水灰比，同时起到滚珠润滑作用，在水泥水化时参与水泥的水化反应，起到增强作用。

(2)低密度水泥浆性能实验

①1.25 g/cm3低密度水泥与钻井液按7∶3比例混合；搅拌混合后浆体比较黏稠，开始运行稠度34.5 BC，5 min后稠度45.7 BC，15 min后升至100 BC，拆完后，浆体没有凝固。

②1.25 g/cm3密度水泥(样品)室内实验数据；

(a)样品灰(420 g)+水(378 mL)；

水灰比：0.9，水泥浆体积：640 mL，造浆率：1.5,静置1小时后，密度(上)：

1.25 g/cm3，密度(下)：1.27 g/cm3。析水：无。

(b)样品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.1%GH-1；

流动度：230 mm；

失水(55 ℃、30 min、6.9 MPa):54 mL；

强度(60 ℃、24 h):9.5 MPa,强度(60 ℃、48 h):9.7 MPa；

稠化时间(55 ℃、25 min、25 MPa):137 min。

③样品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.15%GH-1；

稠化时间(55 ℃、25 min、25 MPa):192 min。

④样品灰(420 g)+水(378 mL)+1.5%DS323+2%DS132+0.3%GH-1；

稠化时间(55 ℃、25 min、25 MPa):321 min。

⑤1.25 g/cm3低密度水泥现场灰+现场水检验；

稠化时间(55 ℃、25 min、25 MPa):325 min。

2.2.2 防气窜、防漏水泥浆技术研究

(1)水泥浆性能设计标准

①流动性好，密度控制在1.80±0.02 g/cm3之间。

②稠化时间合适，在保证固井施工安全顺利进行后，水泥浆应迅速水化为固态，减少与产层的接触。要求稠化曲线呈直角效应，这样水泥浆的阻力增长速度快，防窜能力强，因此所选择的水泥浆体系30 BC至100 BC的稠化时间越短越好。

③失水量小，在施工及侯凝过程中，水泥浆具有较小的滤失量(小于50 mL)，析水为0，水泥浆处于失重状态及固化后水泥石渗透性低，地层流体难以侵入水泥环，同时可以充分保证体系的各项性能不受影响。

④抗压强度高，施工结束后，水泥浆的胶凝强度迅速发展，使之越过临界胶凝强度，并有长期稳定性。

(2)防气窜水泥浆防窜性能评价。水泥浆体系能否防止油气水窜，最关键的性能是水化阶段该体系对油气水窜的相对渗透率及内部阻力变化的大小。水泥浆对地层流体不渗透能力形成越快，窜槽的机率就越小；另一个要考虑的因素是水泥浆的失水特性。把水泥浆的渗透性和失水两项需要考虑的性能归结为一个参数即水泥浆性能系数SPN。

水泥浆失水量与时间的平方根成近似线性关系，SPN的计算式为：

式中：API失水为水泥浆30 min、6.9 MPa条件下的失水量(mL)；t100为水泥浆达到100 BC的时间(min)；t100为水泥浆达到30 BC的时间(min)。

应用SPN值，可以对水泥浆进行防窜评价。SPN值越小，水泥浆防窜能力越强，评价标准如表1所示。

表1 防窜水泥浆的SPN值

2.3 防气窜、防漏配套技术研究

(1)建立了压稳与防漏设计模型，如图1所示。实现压稳和防漏的协调统一。

图1 压稳与防漏设计模型

(2)准确预测地层压力剖面、承压试验和堵漏。详细调研附近注水井钻关降压最新结果，结合邻井完井压力解释资料，预测待钻井的地层压力，合理的设计不同层位的钻井液密度；在钻遇易漏层的顶部时，在钻井液中加入高效承压堵漏剂，提高地层的承压能力；钻井队固井前做承压实验，计算井底泥浆当量密度。

(3)井队进行堵漏，堵漏成功后筛掉大颗粒的堵漏材料。

(4)完钻前认真清理泥浆罐及连接管线，及早配足泥浆，调整钻井液性能，以降低钻井液的黏度、切力，要求固井前钻井液黏度不超50 s，初切小于2.0；下套管前要对井眼洗井，确保井眼稳定、不漏、干净，保证下套管和固井安全。

(5)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，下套管前通井开始必须小排量循环，下套管作业必须严格控制下放速度并及时灌浆，确保环空液面高度，规避井控风险。

(6)钻井液性能原则上不做大的调整，不能低于完钻时密度，必须保证压稳地层，防止跨塌和缩径，尽可能降低钻井液黏度和切力。

(7)井队要备有足量的钻井液材料，具备现场随时配置钻井液的条件，以确保下套管和循环过程中遇到井漏时有充足的钻井液补充。

(8)套管居中是保证固井质量的重要措施，扶正器一定要按设计加足；优化套管组合，套管下深距完钻井深不低于2 m。

(9)优化水泥浆体系做好水泥浆大小样试验保证固井质量及施工安全。

(10)下完套管后，先不要座挂，小排量打通，并以0.5 m3/min速度进行循环。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，方可座挂(座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。

(11)使用合适的水泥浆密度，确保压稳和防漏。优选注灰排量和替浆排量，采用塞流顶替技术，提高顶替效率。现场根据环空返浆情况及施工压力变化随时做出合理调整，如果发生井漏和坍塌，根据稠化时间合理降低排量。

(12)应用高效能注水泥浆设备，确保前置液和水泥浆注入排量和注入量、水泥浆密度和性能、注替排量必须达到设计要求。

3 现场应用情况

现场应用1口井，该井为山西省临兴中区块的一口漏失井。该井是一口直井，二开结构井。井身结构为：一开采用311.15 mm钻头，一开中完井深210.5 m，采用244.5 mm套管固井，套管下深至210 m。二开采用215.9 mm钻头，设计完钻井深2 165 m，采用139.7 mm套管固井，套管下深至2 163 m。在二开钻进过程中，多个层段发生失返性漏失，井队采用注水泥浆的方式进行堵漏，然后再钻开水泥塞进行钻进。本井共计漏失钻井液约950 m3，共注水泥堵漏14次，消耗水泥139.3 m3。

钻井液采用聚合物类型，密度1.13 g/cm3，黏度：58 s。

3.1 承压实验情况

(1)下套管前分段承压：下钻至1 900 m单凡尔顶通，双凡尔循环一周，泵入堵漏浆，关半封，单凡尔开泵打压至3.5 MPa(当量密度1.43 g/cm3)，压力降至1.5 MPa(当量密度1.32 g/cm3)，稳压10 min，起钻至1 600 m单凡尔顶通，泵入堵漏浆，关半封单凡尔打压最高3.5 MPa(当量密度1.46 g/cm3)，降至1.5 MPa (当量密度1.34)，稳压10 min，起钻至1 350 m，单凡尔顶通，泵入堵漏浆，关半封单凡尔打压最高至3 MPa(当量密度1.46 g/cm3)，压力降至1.8 MPa(当量密度1.54 g/cm3)，稳压10 min。共计泵入堵漏浆4.5 m3方；

(2)带堵漏剂做承压试验(1 504 m，承压2.2 MPa，稳压10 min)；

(3)起钻至1 351 m，承压试验(1 351 m，承压2 MPa，稳压10 min)；

(4)起钻至1 095 m承压试验(1 095 m，承压2.2 MPa，稳压10 min)；

(5)起钻至735 m承压试验(735 m，承压1.5 MPa，稳压10 min)。

3.2 浆柱设计

首浆1采用防气窜水泥浆+堵漏剂F27A体系，首浆2和尾浆采用防气窜水泥浆体系，通过调整各段水泥浆的封固长度和采用合适的水泥浆密度来实现压稳防漏。首浆1：密度1.15±0.02 g/cm3；首浆2：密度1.25±0.02 g/cm3，封固0～1 416.1 m; 尾浆：密度1.80±0.02 g/cm3，封固1 416.1～2 170.67 m。

水泥浆附加原则：首浆眼段附加15%给首浆1，首浆2为基数，尾浆附加10%。

3.3 替量设计

从压塞开始，排量降至0.2 m3/min，达到压力平衡前2 m3，排量再降至0.15 m3/min。

3.4 固井液性能测量及泵入量

3.4.1 前置液在进行固井作业前，需要对配置好的前置液进行性能测试，测试结果如表2所示。

表2 前置液性能测试

3.4.2 首浆1实验

水泥浆体系：低密度水泥浆+F27A。试验结果如表3所示。

表3 首1浆化验条件及试验结果

3.4.3 首浆2实验

首浆配方：G级水泥+现场水+20%减轻材料+1.8%降失水剂+0.4%分散剂+2%早强剂+0.5%防气窜剂+0.2%消泡剂。试验结果如表4所示，稠化时间如图2所示。

图2 首2浆稠化曲线

表4 首2浆化验条件及试验结果

3.4.4 尾浆实验

尾浆配方：G级水泥+现场水+1.5%降失水剂+1%早强剂+0.4%分散剂+2%缓凝剂+0.5%防气窜剂+0.2%消泡剂。试验结果如表5所示，稠化曲线如图3所示。

表5 尾浆化验条件及试验结果

图3 尾浆稠化曲线

首浆1+首浆2实际共注入45.8 m3，设计注入47 m3。

尾浆实际注入20.37 m3，设计注入20.2 m3。

注灰至26 m3，失返。

替量至25 m3，复返，测量返出液密度为1.25 g/cm3，通过观察和测量，确定为水泥浆。

替量至25.5 m3，碰压，由9 MPa碰至15 MPa，稳压15 min，压力稳定，放压，回水断流，固井结束。

3.5 固井质量

固井结束后，经测井结果显示：井段0～136.5 m的固井质量为自有套管；井段136.5～1 755.95 m的固井质量为合格；井段1 755.95～1 772.11 m的固井质量为不合格；井段1 772.11～1 803.58 m的固井质量为合格；井段1 803.58～1815.77 m的固井质量为优；井段1 815.77～1 833.52 m的固井质量为合格；井段1 833.52～2 140.61 m的固井质量为优。

4 结语

漏失井固井是未来几年临兴中区块面临主要问题之一，新技术的成功应用，不仅可以有效地提高山西临兴中区块地区固井质量，延长气井的安全生产周期，减少后期的修井及其他补救费用，为油田创造可观的经济效益，同时也为整个油田的后续开发提供了可靠的技术支撑。通过现场应用得出结论：(1)先期预堵漏，做好地层承压试验等防漏技术措施的应用是保证施工安全、提高固井质量的前提。(2)良好的井眼准备、合理的冲洗液和隔离液设计、优良的水泥浆体系等提高顶替效率技术的应用，是提高固井质量的关键。(3)防气窜、防漏水泥浆体系具有失水少、沉降稳定性好、稠化过渡时间短防窜性能强等优点。