宮吉澤，張海山，黃 召，和鵬飛

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

根據(jù)東海海域油氣成藏模式，深部低孔滲油氣資源是勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。由于低孔滲儲(chǔ)層流阻大，流量小，地層壓力求取較困難，多口井壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，實(shí)測(cè)地層壓力當(dāng)量密度大于實(shí)鉆鉆井液密度，常規(guī)的壓穩(wěn)判別方法又不適合低孔滲儲(chǔ)層，造成固井時(shí)不能有效壓穩(wěn)地層發(fā)生氣竄，導(dǎo)致固井質(zhì)量較差。

國(guó)內(nèi)外大量研究和實(shí)踐表明，固井氣竄主要發(fā)生在水泥漿候凝過(guò)程中。注水泥作業(yè)結(jié)束后，隨著環(huán)空水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，水泥漿的靜液柱壓力也隨之降低，當(dāng)該壓力低于氣層壓力時(shí)，氣體便會(huì)進(jìn)入環(huán)空發(fā)生氣竄。對(duì)于候凝期間氣竄的判斷，常用的有潛氣竄因子法（GFP）、綜合因子法（CCGM）和壓穩(wěn)系數(shù)法（PSF）等[1-6]，前兩種方法只評(píng)估氣竄風(fēng)險(xiǎn)，而不能用于進(jìn)行固井防氣竄設(shè)計(jì)，后一種方法需結(jié)合水泥漿臨界失重點(diǎn)來(lái)判斷是否壓穩(wěn)，可以指導(dǎo)壓穩(wěn)設(shè)計(jì)。

針對(duì)東海低孔滲儲(chǔ)層固井難點(diǎn)，通過(guò)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度與壓力損失研究來(lái)確定壓穩(wěn)系數(shù)的計(jì)算方法，根據(jù)有無(wú)可靠的地層壓力資料來(lái)建立低孔滲儲(chǔ)層壓穩(wěn)判斷新方法，并制定雙凝水泥漿、加重鉆井液和加壓候凝等壓穩(wěn)技術(shù)措施，確保固井壓穩(wěn)效果，提高固井質(zhì)量。

1 水泥漿靜膠凝強(qiáng)度與壓力損失分析

1.1 水泥漿靜膠凝強(qiáng)度

在水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，逐漸會(huì)形成一種非固非液的結(jié)構(gòu)，即膠凝狀態(tài)的特征，在此階段，水泥漿類似聚合物材料表現(xiàn)出非牛頓流體流變性和屈服值，即靜膠凝強(qiáng)度（單位，Pa），水泥漿膠凝強(qiáng)度可以理解為環(huán)空水泥漿在井口壓力作用下存在于井壁邊界的剪切力[7]，其發(fā)展過(guò)程可以使用靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試儀器來(lái)獲得。

F.L.Sabins等[7]研究認(rèn)為，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)渡期是固井后發(fā)生氣竄危險(xiǎn)期。如果環(huán)空液柱壓力大于氣層壓力，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度在48 Pa之前基本沒(méi)有氣竄的風(fēng)險(xiǎn)，增長(zhǎng)到240 Pa以后就有足夠的阻力阻止氣體運(yùn)移。所以研究環(huán)空氣竄主要集中在靜膠凝強(qiáng)度在48 Pa到240 Pa的過(guò)渡期。

1.2 水泥漿液柱壓力損失分析

引起水泥漿液柱壓力損失有多種因素，如由靜膠凝強(qiáng)度、失水和體積收縮等[8]。隨著固井技術(shù)的不斷發(fā)展，水泥漿失水和體積縮小等問(wèn)題已經(jīng)得到了很好的解決，由它們引起的壓力損失相對(duì)較小，因此在分析過(guò)程中，只考慮凈膠凝強(qiáng)度。

隨著靜膠凝強(qiáng)度不斷增加，水泥漿液柱壓力也會(huì)隨之降低，水泥漿失壓值表達(dá)式為[9]：

式中：P1-水泥靜膠凝強(qiáng)度造成的失壓值，MPa；SGS-靜膠凝強(qiáng)度，Pa；L-地層流體頂部尾漿柱長(zhǎng)度，m；D-井眼直徑，mm；d-套管外徑，mm。

水泥漿靜液柱殘值表達(dá)式為：

式中：Hc1-流體頂部尾漿垂厚，m；Hc2-領(lǐng)漿垂厚，m；Hm-鉆井液垂厚，m；ρm-鉆井液密度，g/cm3；ρc-水泥漿密度，g/cm3。

1.3 壓穩(wěn)系數(shù)計(jì)算方法

對(duì)于低孔滲地層固井來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的措施就是確保壓穩(wěn)地層，確保在水泥漿稠化失重時(shí)不失穩(wěn)、不氣竄，所以，采用合理的壓穩(wěn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)高壓氣井固井后環(huán)空的液柱壓力平衡非常關(guān)鍵。在固井設(shè)計(jì)時(shí)，本文采用計(jì)算壓穩(wěn)系數(shù)的方法進(jìn)行壓穩(wěn)計(jì)算，以合理優(yōu)化井內(nèi)各段漿柱長(zhǎng)度和密度，選擇適合的候凝方式。計(jì)算壓穩(wěn)系數(shù)采用150 Pa靜膠法，即水泥靜膠凝強(qiáng)度150 Pa時(shí)，方法如下：

式中：PPSF－壓穩(wěn)系數(shù)，水泥漿在凈膠凝強(qiáng)度150 Pa的漿柱壓力Pcmk與地層壓力Pf之比；Pcmk-凈膠凝強(qiáng)度150 Pa漿柱的壓力，MPa；Pcm-原始漿柱段的壓力，MPa；Plk-水泥漿在臨界點(diǎn)的失重值，MPa；lc-水泥漿長(zhǎng)度，m；Dh、Dp－井眼尺寸和套管尺寸，mm；PPSF≥1，防竄效果好；PPSF＜1，防竄效果差。

通過(guò)以上方法設(shè)計(jì)合理的水泥漿結(jié)構(gòu)可以使最終的壓穩(wěn)系數(shù)達(dá)到1，在做壓穩(wěn)設(shè)計(jì)時(shí)，壓穩(wěn)系數(shù)達(dá)到1或略大于1就可以了，也就是說(shuō)在滿足壓穩(wěn)的前提下盡量降低水泥漿的密度，減少漏失的可能性。

2 低孔滲儲(chǔ)層固井前壓穩(wěn)判斷新方法

固井作業(yè)的壓穩(wěn)包括固井前的壓穩(wěn)、固井過(guò)程中的壓穩(wěn)和候凝過(guò)程中水泥漿失重時(shí)的壓穩(wěn)，這些壓穩(wěn)措施都是基于對(duì)于地層孔隙壓力的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，固井作業(yè)前獲取地層孔隙壓力途徑主要有地層壓力預(yù)測(cè)和電測(cè)測(cè)壓取樣，而對(duì)于東海探井而言，地層壓力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不夠（見(jiàn)表1），低孔低滲地層的測(cè)壓取樣成功率不高，因此給固井作業(yè)帶來(lái)了很大的困難。

表1 東海部分已鉆探井完鉆鉆井液密度與實(shí)測(cè)壓力Tab.1 Comparison of final mud weight and measured prssure for part of erxploratory wells in east China sea

根據(jù)SY/T 10022.2-2000（海洋石油固井設(shè)計(jì)規(guī)范，第2部分固井工藝），常規(guī)的氣層壓穩(wěn)判斷方法為固井前氣測(cè)值＜5%。但是由于低孔滲儲(chǔ)層流阻大、流量小，固井前循環(huán)氣測(cè)值＜5%，不能代表實(shí)際鉆井液密度已經(jīng)壓穩(wěn)地層，故常規(guī)方法不再適用，針對(duì)東海海域低孔滲儲(chǔ)層特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與研究，提出了固井前的壓穩(wěn)判斷方法：

（1）對(duì)于能夠獲得可靠壓力系數(shù)的地層，壓穩(wěn)密度為實(shí)際孔隙壓力附加0.07～0.15。

（2）對(duì)于不能獲得可靠壓力系數(shù)的地層，壓穩(wěn)判斷為：短起后效氣與循環(huán)時(shí)氣全量基本一致為準(zhǔn)。

3 低孔滲儲(chǔ)層固井壓穩(wěn)技術(shù)措施

針對(duì)東海探井177.8 mm尾管固井過(guò)程中欠壓穩(wěn)和固井溫差較大，高低壓同層等問(wèn)題，結(jié)合上述技術(shù)分析，對(duì)177.8 mm尾管固井技術(shù)進(jìn)行了以下優(yōu)化：

（1）合理調(diào)整鉆井液及水泥漿密度：固井前根據(jù)實(shí)鉆獲得的地層壓力和地層承壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整鉆井液密度，確定水泥漿密度，保證壓穩(wěn)的同時(shí)避免將地層壓漏，根據(jù)固井前壓穩(wěn)判斷新方法進(jìn)行判斷。

（2）針對(duì)高壓低滲的特點(diǎn)，選擇防竄能力更強(qiáng)的膠乳聚合物水泥漿體系，采用針對(duì)高壓層的雙凝漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

膠乳具有降失水、防竄能力強(qiáng)、漿體穩(wěn)定、水泥石韌性好、抗腐蝕等特點(diǎn)。膠乳聚合物水泥漿主要用于對(duì)固井質(zhì)量要求較高的尾管固井、油層固井、氣井、調(diào)整井、高溫高壓井固井及有特殊要求的固井作業(yè)中等，加入膠乳后水泥石膠結(jié)更加致密，防氣竄能力比聚合物水泥漿體系更強(qiáng)[10-13]。

采用針對(duì)高壓層的雙凝漿柱結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）：速凝水泥漿封固異常壓力層，保證在其靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到150 Pa的失重的過(guò)程中，緩凝水泥漿能起到平衡地層壓力的功效，防止氣侵。

圖1 水泥漿柱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The slurry column chart

（3）水泥漿頂替結(jié)束后，在尾管掛以上替入重鉆井液候凝，補(bǔ)償尾漿失重時(shí)的靜液柱壓力損失。

為保證壓穩(wěn)效果，采取固井結(jié)束實(shí)施加壓候凝，保證在水泥漿失重過(guò)程進(jìn)行壓力補(bǔ)償，防止氣竄。本技術(shù)采用替入加重鉆井液的方式進(jìn)行加壓候凝，主要優(yōu)點(diǎn)有：①此方式不占用井口，節(jié)省鉆臺(tái)時(shí)間，能在確保壓穩(wěn)的情況下進(jìn)行測(cè)固井質(zhì)量等作業(yè)；②可循環(huán)逐步撤掉壓力，避免因井口突然撤壓造成水泥石與套管間產(chǎn)生嚴(yán)重的微裂紋。

4 壓穩(wěn)技術(shù)在T2-3井中的應(yīng)用

該壓穩(wěn)技術(shù)已在東海探井作業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，以T2-3井為例：T2-3井215.9 mm井眼完鉆井深：4 133 m，244.48 mm套管下深3 470 m。在從3 940.99 m開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，后效氣61%，氣竄速度43 m/h。215.9 mm井眼3 949.68 m至4 060.85 m鉆進(jìn)時(shí)，氣全量不斷增大，鉆井液密度也由1.18 g/cm3提高至1.50 g/cm3。此時(shí)循環(huán)氣全量為1.8%～2%，起鉆更換取心鉆具，取心鉆具下到井底后，循環(huán)氣全量為1.4%。本井215.9 mm井段在鉆至4 060 m時(shí)鉆遇異常壓力，鉆井液密度由1.18 g/cm3加重至1.50 g/cm3，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地層孔隙壓力，固井設(shè)計(jì)按1.55 g/cm3進(jìn)行壓穩(wěn)計(jì)算（293 m快速尾漿失重時(shí)4 060 m頂部壓力損失3.46 MPa，4 230 m壓力損失4.61 MPa），多余水泥漿循環(huán)干凈后，215.9 mm套管內(nèi)替入1 500 m密度1.70 g/cm3加重鉆井液候凝（見(jiàn)表2，表3）。

表2 計(jì)算不同井深的靜液柱壓力及井底當(dāng)量密度Tab.2 The calculation of hydrostatic column pressure and bottom hole equivalent density at different depth

圖2 T2-3井7"套管固井質(zhì)量圖Fig.2 215.9 mm casing cementing quality figure of T2-3 well

表3 固井油氣層壓穩(wěn)計(jì)算Tab.3 Stability judgment calculation for cementing

由表2，表3可知，壓穩(wěn)系數(shù)為1.012＞1，有效保證了固井期間水泥漿能夠壓穩(wěn)地層，防止氣竄的發(fā)生，固井后測(cè)封固質(zhì)量，封固質(zhì)量?jī)?yōu)良（見(jiàn)圖2）。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度與壓力損失分析，確定了低孔滲儲(chǔ)層固井過(guò)程中使用150 Pa靜膠法作為壓穩(wěn)系數(shù)計(jì)算方法。

（2）針對(duì)低滲儲(chǔ)層流阻大、流量小的特點(diǎn)，建立了固井前壓穩(wěn)判斷新方法：對(duì)于能夠獲得可靠壓力系數(shù)的地層，壓穩(wěn)壓力為實(shí)際空隙壓力附加0.07～0.15；對(duì)于不能獲得可靠壓力系數(shù)的地層，壓穩(wěn)判斷為短起后效氣與循環(huán)時(shí)氣全量基本一致為準(zhǔn)。

（3）制定了雙凝水泥漿、加重鉆井液等壓穩(wěn)技術(shù)措施，確保固井作業(yè)中對(duì)地層的有效壓穩(wěn)。

（4）該壓穩(wěn)技術(shù)在東海探井中得到了成功應(yīng)用，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良，有效解決了低孔滲儲(chǔ)層固井易發(fā)生氣竄的問(wèn)題。

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