埕海地区防气窜固井技术

王春才

(天津中油渤星工程科技有限公司 天津300451)

WANG Chuncai

(CNPC Tianjin Boxing Science & Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

1 埕海地区气窜风险分析

埕海区块属于大港油田，为张东断层下降盘鼻状构造。本区域目的层埋藏较深，在 3,900～4,300,m左右，井底循环温度 90～110,℃，完井钻井液密度1.30～1.44,g/cm3，主力油层位于沙河街，油气异常活跃。由潜气窜因子法(GFR)计算该区域的潜气窜因子，了解该地区的气窜危害程度。

水泥浆液柱压力损失(失重)与水泥浆静胶凝强度发展引起的关系为：

式中，MPR为水泥浆静胶凝强度发展引起的压力损失，MPa；SGS为水泥浆静胶凝强度，MPa；L为环空水泥浆长度，m；Dh为井眼直径，mm；Dc为套管直径，mm。

水泥浆静胶凝强度达到 240,Pa时，水泥浆就有足够的强度阻止气窜，可能引起水泥浆气窜的最大压力损失为：

水泥浆顶替到位后初始过平衡压力(OBR)为：

式中，PST为初始静液柱压力，MPa；PG为气层压力，MPa；OBR为初始过平衡压力，MPa。

GFR值为 1～3，发生环空气窜的潜在危险程度为轻度，GFR值3～8为中等，GFR值大于8为严重。

埕海区块均采用 139.7,mm油层套管固井，分别将各井数据代入以上公式，可得该区域井位的 GFR，可见该区块各井均存在不同程度的气窜风险，如表1所示。

表1 埕海区块气窜潜在危险程度Tab.1 The potential gas migration hazard level

2 埕海地区气窜原因分析

①据埕海区块地质资料显示，油层段长、油气活跃、油顶较高，导致水泥浆尾浆封固段长，水泥浆顶部温差大，顶部强度发展缓慢，特别是在水泥浆失水得不到控制的情况下，水泥浆在环空中向有渗透性的地层失水形成“桥堵”，水泥浆逐步失去传递液柱压力的能力，阻碍液柱压力向下传递，导致候凝阶段失重后难以压稳油气层，使环空水泥浆液柱压力小于气层压力而发生气窜。这是埕海区块气窜风险的主要因素。②地层复杂，部分井段存在漏失与掉块双重矛盾，说明裸眼段存在薄弱地层，固井防气窜以压稳地层为前提，但固井时存在漏失，会降低液柱压力，导致失稳。井壁掉块造成井眼不规则，影响顶替效率，泥浆顶替不充分，粘附在井壁上的泥饼和套管外壁上的泥浆在此胶凝、脱水、收缩后，扩大微间隙，造成水泥浆窜槽。这是埕海区块气窜发生的次要因素。③裸眼段长，固井过程中水泥浆流程长，易受到井筒剩余钻井液污染，导致水泥质量出现问题，在环空中胶结质量差，造成环缝隙。④泥浆凝固过程中的体积缩小会导致在水泥环与井壁、水泥环与套管之间出现微环隙地层气体通过这些微环隙形成窜流，水泥石与套管及水泥石与地层之间存在微环隙。

3 埕海地区防气窜综合固井技术研究

3.1 固井施工准备

①井身质量。由于部分井段钻井过程中出现了井壁坍塌掉块现象，导致“糖葫芦”井段和“大肚子”井段现象出现，完井后采取充分循环钻井液，直至振动筛上无岩屑返出时再起钻。起钻过程如出现阻卡段，则采用倒划眼、短起下等措施疏通井筒，并循环钻井液，确保井眼畅通，保证套管顺利下入。

②下套管。下套管前在场地严格检查浮鞋、浮箍状态，下完浮鞋、浮箍再下2根套管，检查浮鞋、浮箍打开及关闭情况；每下 10根套管灌满一次钻井液，注意校对悬重，验证钻井液液面位置，根据实测井径数据合理加放扶正器，在保证套管居中度的前提下确保套管安全下入；在大井径段合理加放旋流发生器，确保套管居中度提高顶替效率。

③钻井液性能调整。下套管前要求准确测定油气上窜速度，如果上窜速度大于 15,m/h，应加重钻井液，以保证固井安全和质量。套管下至设计深度后，首先将套管内灌满钻井液，先以小排量(泵排量＜0.5,m3/min)打通并建立循环；缓慢提高泵排量至循环畅通，确定没有漏失或溢流等复杂情况，返出正常；逐步将泵排量提高至 1.8,m3/min，循环值至固井作业。固井前循环不少于 2周，以井眼干净为原则，确保井筒清洁。在井眼安全的前提下，要求低粘、低屈服值、低切力，以降低替浆时所需的驱动力，提高顶替效率。

3.2 水泥浆性能实验研究

3.2.1 水泥浆固井施工性能评价

根据埕海地区高温、高压、压力窗口窄、油气活跃等地质特点及防窜水泥浆体系应该具备的压稳油气层、直角稠化等特点，优选具备防气窜性能固井外加剂，反复试验筛选出胶乳和常规两套防气窜水泥浆体系，并针对该地区不同井温进行了细化分解，如表2、3所示。

表2 主要水泥外加剂配方Tab.2 The main formulation of cement additives

表3 防气窜水泥浆体系主要性能Tab.3 The main performance of anti-gas migration cementing system

由表 3可见，该体系具备较好的直角稠化性能，缩短水泥浆从液态转为固态的过渡阶段，降低地层流体从环空窜流的风险。其中胶乳水泥浆体系中含有高分子聚合物材料，能在水泥浆中形成高分子凝胶膜，降低水泥浆因“桥堵失重”和失水体积缩小而发生气窜的可能性。但胶乳体系配浆水回收处理相对困难，在海洋作业中受到一些限制，因此选择哪种水泥浆体系要结合现场的实际情况。

3.2.2 水泥浆防气窜性能评价

水泥浆防气窜性能主要取决于水泥浆在顶替到位后，由液态转化为固态过渡时间的长短以及水泥浆孔隙压力下降速率的大小，可以用稠化过渡时间、稠度变化速率来描述。水泥浆孔隙压力下降的主要原因是水泥浆向地层失水，水泥浆孔隙压力下降速率的大小可用水泥浆滤失速率来描述。因此，过渡时间与水泥浆滤失速率综合考虑为水泥浆性能系数(SPN)。具体表达式为：

式中，SPN为水泥浆性能系数，无因次；FLAPI为水泥浆 API失水，mL；t100Bc、t30Bc分别为水泥浆稠度为100 BC和30 BC的时间，min。

SPN值评价标准为：0≤SPN≤3，防气窜效果好；3＜SPN≤6，防气窜效果中等；SPN＞6，防气窜效果差。

将 4种体系性能带入公式得到 SPN1＝2.83；SPN2＝3.2；SPN3＝2.24；SPN4＝4.1。可见，此 4种水泥浆体系具备有效的防气窜性能。

3.2.3 防气窜配套固井工艺技术

①优化前置液结构。前置液采用加重钻井液+常规钻井液+BCS-010L型冲洗液＋堵漏隔离液＋领浆结构。由于该区块油顶位置靠上，已接近上层套管鞋，造成水泥浆柱结构设计中领浆段短，尾浆段长，且在钻进和 MDT测试以及下套管前油气上窜都较为活跃。泵注加重钻井液，补偿液柱压力损失；并顶替 5,m3钻进时的钻井液，隔离了加重钻井液和冲洗液的直接接触，避免了冲洗液对加重钻井液的稀释作用，造成加重材料的沉积，进而增加发生砂堵的可能性。注入紊流接触时间达到 7～10,min的冲洗液BCS-010L能高效冲刷不规则的井壁，充分清除井壁和套管上的胶凝物质虚泥饼，使井壁清洁，提高水泥与套管和地层的胶结质量。密度介于钻井液和水泥浆之间的由堵漏纤维、悬浮剂、稀释剂等组成的堵漏隔离液能充分隔离钻井液和水泥浆，消除钻井液对水泥浆的污染，同时具有防漏作用，能在水泥浆到达薄弱地层前就对其进行一定的预堵漏，提高薄弱地层的承压能力，降低固井施工过程中的漏失风险。为了保证施工安全，在注入冲洗液后额外注入低于设计水泥浆密度 0.1～0.2,g/cm3的稀水泥浆作为领浆，使水泥浆与地层和套管壁之间达到足够的接触时间，能够大幅度提高顶替效率和固井质量。采用固井橇注入2,m3药品水压上胶塞，防止套管壁残留水泥浆与钻井液发生稠化，影响替浆安全和后续电测仪器的下入。

②采用双凝水泥浆柱结构。由于裸眼段较长，为避免整段水泥浆凝结失重，导致液柱压力降低，难以压稳地层，采用双凝水泥浆柱结构，通过固井设计软件反复模拟分析固井过程中薄弱地层位置处当量密度变化和对油气层的压稳情况，筛选出最优的浆柱组合，使水泥浆从下到上逐渐凝固，下部封固产层段的速凝水泥浆出现失重，直至降至水柱压力时，上部井段的缓凝水泥浆仍保持较高的静液压力，当上部缓凝段降至水柱压力时，下部速凝段水泥已经凝固。一般情况下，缓凝和速凝水泥的封固长度之比为 1.5～2，稠化时间差值为1～2.5,h。

③分级固井技术。由于埕海区块多采用全井下套管固井，地层复杂，漏失和掉块双重矛盾出现，为了减少水泥浆胶凝失重造成的环空液柱压力损失，避免固井过程出现漏失，采用分级固井技术。因分级固井技术需要下入特殊附件，无形中增加固井风险，因此建议在封固段超过 3,000,m以上或单级固井无法实现时采用此技术。

④变排量顶替技术。通过软件模拟替浆状况确定合理的顶替排量，控制浇注水泥密度和排量，施工时根据井口返出情况及时调整施工参数；起初水泥浆受“U”型管效应影响，下落速度较快，替浆采用高速追赶顶替；当追上水泥浆后，根据泵压以及施工的情况，适当降低排量，在保证施工安全、防止漏失的前提下提高顶替效率。

⑤环空加压技术。环空加压技术是指在注水泥作业结束后，通过在环空加一定的压力，现场加压的值一般为 2～3,MPa，保证环空中的液柱压力大于气层压力，达到防气窜的目的。通过软件对候凝期间失重情况进行模拟，计算水泥浆失重导致的压力损失，确定合适的加压值。但因其存在着较大局限性，越来越多地作为防气窜辅助技术。

⑥加装管外封隔器。管外封隔器技术是指在相临的气层之间加套管外封隔器，在注水泥结束后膨胀套管封隔器，强制各开发层位分隔开。建议在油气活跃、气窜速度较高的井中采用此设备以提高防气窜的效果。外封隔器技术一般是在常规的化学方法无法奏效的情况下才使用，且只适合于气层数量较少的井，造价高。

4 现场应用情况

在防气窜综合技术的应用中，埕海 39、41井采用胶乳防气窜体系，埕海 34、37、38、40井采用常规防气窜体系，均采用优选前置液+双凝水泥浆浆柱结构，应用变排量顶替和环空加压技术，最终声幅测井显示埕海34、37、38、39、40、41井油层段声幅值基本在 10%,以内，其他井段稍有波动，固井质量综合评定均为优质，取得较好的效果。

5 结 论

通过在井眼准备、水泥浆体系、固井工艺等方面采取防气窜综合措施，有效防止了环空气窜的发生，提高了埕海地区固井质量。防气窜水泥浆体系性能满足埕海区块安全施工条件，具备良好的防窜性能。埕海区块油顶较高，尾浆封固段长，水泥浆失重引发气窜风险较大，建议今后在埕海区块固井施工时采用防气窜措施。探索形成了埕海区块防气窜综合配套固井技术，针对性和操作性强，解决了埕海区块防气窜固井难题，为今后固井施工奠定了基础。

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