安201 区块溢流井固井技术研究与应用

2022-09-22来鹏飞李晓阳马学如张战臣

石油化工应用 2022年8期

来鹏飞，钟凯，李晓阳，马学如，张战臣

（川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安 710016）

1 安201 区块特性及前期固井施工情况分析

安201 区块位于定边县砖井镇，2019 年主要部署井型为短水平段水平井、大斜度井，目的层长6，完钻井深2 215～2 377 m，垂深约1 950 m。该区块以加密井、调整井居多[1-2]，超前注水严重，钻进至目的层，存在不同程度的溢流，溢流量为15～25 m3/h，且上部地层洛河组存在渗透性漏失。2019-2020 年该区块固完井22口，其中18 口井发生溢流。为确保压稳目的层，完钻泥浆密度调至1.35～1.58 g/cm3。

2019 年安201 区块水泥浆浆柱采用“三凝”水泥浆体系，即轻珠（密度1.33 g/cm3）、粉煤灰（1.55 g/cm3）、常规密度水泥浆（1.90 g/cm3）和“两凝”水泥浆体系，即粉煤灰、常规密度水泥浆。固井施工注水泥浆顺序依次为轻珠、粉煤灰、常规密度水泥浆，2019 年该区块平均封固率为71.38%。填充段和目的层段存在固井二界面胶结质量差、胶结中等、胶结好相间分布的情况，说明固井施工初期以及候凝阶段，未压稳目的层，环空水泥浆遭受地层水侵蚀，破坏了水泥浆性能，导致固井质量差。

2 水侵对水泥浆性能的影响

地层水侵入环空会导致水泥浆浆体变稀、稠化时间延长、滤失量增加、稳定性变差等。同时，水泥石本体的抗压强度明显降低，固井二界面的抗剪切强度显著下降，层间封隔能力变差[3-5]。2019 年该区块固井现场施工主要有三种水泥浆体系，即1.33 g/cm3增强轻珠体系、1.55 g/cm3粉煤灰体系、1.90 g/cm3早强触变性水泥浆体系。为研究地层水侵入环空后对水泥石抗压强度和水泥浆稳定性的影响，分别将不同密度水泥浆与一定比例的地层水混合，养护后测试抗压强度、稳定性，结果（见表1、表2）。

由表1、表2 可以看出，在混入一定量的地层水后，水泥石的抗压强度大幅减小，稳定性变差，尤其是常规密度水泥浆的稳定性影响最大。因此，确保注水泥、候凝过程中压稳地层，防止水窜，是保证区块固井质量的关键。

表1 地层流体对水泥浆强度影响表

表2 地层流体对水泥浆稳定性影响表

3 安201 区块固井难点分析及解决思路

（1）经过长期注水开采，安201 区块目的层地层压力高，溢流严重，固井施工替量过程中，由于前置液密度低，当前置液进入环空，会降低环空液柱压力，导致地层水侵入环空，影响低密度水泥浆的性能。基于此，借鉴相关文献的成功施工经验[6]，在前置液后面注入加重水泥浆来补偿环空压降。

（2）2019 年固井施工均采用正常水泥浆浆柱结构，即注入水泥浆密度由低到高，未充分考虑固井施工中压稳问题，低密度水泥浆进入地层后，环空液柱压力增长较慢，领浆性能易受地层水影响。因此，通过调整水泥浆浆柱结构，改变水泥浆的注入顺序，即先注入粉煤灰水泥浆，再注入一定量的轻珠水泥浆，加快注水泥浆过程中环空液柱压力增长速度。

（3）常规密度水泥浆采用一种体系，封固段较长，稠化时间间隔不长，候凝过程中常规密度水泥浆全部失重，导致液柱压力急剧下降，地层水侵入环空，影响水泥浆性能和固井二界面胶结强度。通过采用两种不同稠化时间的常规密度水泥浆来补偿水泥浆失重时的环空液柱压力。

（4）目的层水泥浆防窜性能要求高。根据文献研究表明[7-10]，常规密度水泥浆防水侵性能主要设计原则为“早强、高触变、快凝”，通过增加早强触变剂加量，提高水泥浆的早期强度和触变性能。通过优化材料配比，提高常规密度水泥浆的稳定性、流变性。

4 固井工艺选择

4.1 施工期间的防水侵工艺

安201 区块上部地层洛河组存在渗透性漏失，为避免漏失，根据完钻钻井液密度和钻进情况合理选择浆柱结构，使用一定量具有堵漏效果的增强轻珠水泥浆体系封固洛河组上部，全井段采用轻珠+粉煤灰+早强触变1+早强触变2“四凝”水泥浆体系。

完钻钻井液密度超过轻珠水泥浆密度时，正常情况下（先注轻珠，后注粉煤灰），轻珠水泥浆进入环空时，环空液柱压力降低，轻珠水泥浆会受到地层流体侵蚀，影响轻珠水泥浆性能，进而影响封固质量。因此，考虑使用倒浆柱体系（先注粉煤灰，后注轻珠）。假设安平X 井垂深1 950 m，目的层长6，完钻钻井液密度1.45 g/cm3，各水泥浆体系设计封固段长度相同，不同浆柱结构施工期间环空液柱当量密度变化情况（见图1）（为隔离钻井液与水泥浆，清洗井壁和套管壁的泥饼，提高二界面抗剪切强度，注水泥前均注入占环空200 m 的冲洗液，密度1.02 g/cm3）。

从图1 可知，倒浆柱结构的环空液柱压力当量密度和增长速度明显高于正常顺序下的浆柱结构，更高的环空当量密度意味着地层流体侵蚀水泥浆的阻力变大，水泥浆性能受地层水影响较小。因此，选择倒浆柱结构更有利于保证安201 区块固井质量。但是，由于前期注入低密度冲洗前置液，环空液柱压力明显降低，即使采用倒浆柱的情况下，也只能改善环空液柱压力降低的程度。因此，需要采取改进措施。主要有以下两种措施：

图1 不同浆柱结构环空液柱当量密度变化

（1）采取精细控压固井技术，前期液柱压力不足时，通过井口加回压提高井底压力，确保压稳。然而，长庆区域大部分井队钻井设备简陋，不能满足精确控压的条件。若加压较高，易造成憋堵，增加固井施工风险。

（2）通过计算前置液降低的液柱压力，在注领浆段前，注入一段密度高于钻井液密度的水泥浆作为先导水泥浆，并将该段水泥浆全部返出井筒，以此来保障全井段的固井水泥浆不受水侵影响，先导浆段长为：

H前（ρ泥-ρ前）g=H先（ρ先-ρ泥）g

式中：ρ泥-水泥浆密度，g/cm3；ρ前-前置液密度，g/cm3；ρ先-先导浆密度，g/cm3；H先-先导浆所占环空高度，m；H前-前置液所占环空高度，m。

从上式可得，H先与ρ先成反比，即先导浆密度越小，所需先导浆段长越长。因此，综合考虑，选取密度1.90 g/cm3的缓凝水泥浆作为先导浆。计算可得，所需先导浆占环空高度约为200 m，则在采用先导浆情况下，施工期间的环空液柱当量密度变化（见图2）（a 点为先导浆全部进入环空）。由图2 可知，在先导浆进入环空后，环空液柱当量密度可以恢复到1.45 g/cm3以上，且直到施工结束，环空液柱当量密度始终保持在1.45 g/cm3以上，可以确保水泥浆不受地层流体影响。

图2 不同浆柱结构环空液柱当量密度变化

4.2 提高水泥浆失重时的过平衡压差

水泥浆失重受井斜、套管偏心度、环空间隙以及水泥浆稳定性等因素的影响[11-12]，水泥浆失重过程中，影响环空水泥浆浆柱传压能力，降低环空液柱压力，若不能压稳地层流体，会导致地层流体侵入环空，影响环空水泥浆性能，降低水泥石本体强度和固井Ⅰ、Ⅱ界面抗剪切强度，破坏井筒的完整性，甚至形成窜流通道，严重影响固井质量和后续开采。

在水泥浆抗窜阻力一定的情况下，优化水泥浆浆柱结构，采用“四凝”浆柱结构，即轻珠（密度1.33 g/cm3）、粉煤灰（密度1.55 g/cm3）、尾浆1（密度1.90 g/cm3）、尾浆2（密度1.90 g/cm3），提高目的层液柱压力，确保当尾浆2 在候凝期间失重时，环空过平衡压差当量密度保持在约0.1 g/cm3，来防止目的层水泥浆遭受地层水影响。同时，为避免洛河组发生漏失，洛河组环空液柱当量密度保持在完井时钻井液密度。完井钻井液密度为1.45 g/cm3，设计水泥浆浆柱结构（见表3）。

根据相关文献研究和固井施工经验，在做好防漏的情况下，合理提高过平衡压差是保证目的层固井质量的有效手段。根据表3 的浆柱结构，计算可知，洛河组液柱当量密度为1.46 g/cm3，在尾浆2 失重时，目的层的液柱当量密度为1.56 g/cm3，环空过平衡压差为2.10 MPa。现场固井设计可根据钻进情况和溢流情况，对尾浆2 失重时的当量密度进行调整，环空过平衡压差保持在2.0 MPa 左右。

表3 设计水泥浆浆柱结构

4.3 优选常规密度抗水侵水泥浆

通过对2019 年尾浆性能进行分析，结合固井声幅图，对尾浆配方进行调整。2020 年该区块尾浆使用“两凝”水泥浆体系。尾浆2 主要封固水平段和溢流层位，尾浆1 主要封固上部目的层。按照水泥浆防窜性能要求，由于缓凝剂不利于水泥浆早期强度的发展，因此去掉缓凝剂。同时，降低尾浆2 中降失水剂加量，增加早强触变剂加量来提高早期强度和水泥浆的触变性。2020 年安201 区块尾浆性能（见表4）。由表4 可知，在体系同时满足区块施工基本需求的情况下，早强触变尾浆比增强尾浆过渡时间短，早期强度较高的特点。尾浆1 具有较长的稠化时间，确保尾浆2 失重后，能有效传递液柱压力，压稳储层和溢流层位。

表4 尾浆基本性能表

水泥浆的触变性是指水泥浆搅拌后变稀，静止后变稠的特性，即水泥浆静置一定时间重新恢复流动性的阻力大小。现用静置一定时间的流动度和稠度变化来评价水泥浆的触变性（见表5）。从表5 可知，早强触变尾浆相较于增强尾浆，具有较好的触变性，早期强度更高，适合封固储层和溢流层位。

表5 尾浆2 触变性对比表

5 现场应用

经过调整水泥浆浆柱结构、优化水泥浆体系、改变固井工艺后，2020 年安201 区块的常规密度水泥浆使用“双凝”体系，目的层水泥浆选用早强触变水泥浆体系，固井全部采用倒浆柱方式，现场应用12 口水平井，全井段平均封固率提高到88.14%，较2019 年平均封固率提高了16.76%。目的层平均封固率从80.67%提高到95.54%，提高了14.87%（见表6）。