雷磊，李乾，黃佩，黃召

1.中海石油（中國）有限公司 上海分公司（上海200335）

2.中國石油化工股份有限公司 上海海洋油氣分公司（上海 200120）

東海海域主要油氣藏特點表現為儲層埋藏深、物性低孔低滲，屬于非常規(guī)油氣藏范疇，隨著該海域勘探開發(fā)力度的不斷加大，該類非常規(guī)油氣藏將成為未來主攻領域。為了更好地完成試井取資料任務，需要良好的固井質量做為基礎保障，但由于儲層低孔低滲特點，流阻大、流量小，鉆前地層壓力預測準確度低，實際地層壓力求取較困難，常規(guī)的固井手段易造成固井時不能有效壓穩(wěn)地層而發(fā)生氣竄，從而導致固井質量不合格或環(huán)空帶壓等復雜情況的發(fā)生，不能滿足后續(xù)完井測試要求和影響油氣井產能等。因此開展東海低孔低滲儲層防氣竄固井技術的研究非常有必要，能夠有效指導今后東海的固井作業(yè)。

1 防氣竄參數表征

1.1 水泥漿靜膠凝強度研究

水泥漿失重是指水泥漿在凝結過程中對下部或者地層所作用的壓力逐漸降低，好像失去了一部分重量。當水泥漿漿柱壓力由于失重而低于地層壓力后，地層中的流體就會侵入環(huán)空形成竄流，如流體為氣體則即為氣侵。有很多種原因可能導致水泥漿漿柱壓力的降低，如水泥漿失水、體積收縮、橋堵等[1-4]。近些年，隨著水泥漿體系的不斷完善，已基本解決了由于水泥漿失水和水化導致體積減小而引起的水泥漿失重問題。因此，主要研究由靜膠凝強度變化引起的水泥漿液柱壓力損失。

國內外相關學者研究表明[5-10]，在水泥漿候凝過程中最容易發(fā)生氣竄。在水泥漿柱頂替到位后，環(huán)空中水泥漿的靜膠凝強度將不斷增加，逐漸形成具有一定膠凝強度的空間網架結構，使水泥漿柱的一部分重量懸掛在井壁和套管上，難以有效向下傳遞，導致水泥漿的靜液柱壓力隨之降低。當水泥漿柱壓力低于地層壓力時，地層中氣體便會進入環(huán)空，沿漿柱向上運動形成氣竄，原理如圖1所示。有研究表明，靜膠凝強度達到150 Pa之后，水泥漿柱就有足夠的阻力來阻止氣竄，因此選取靜膠凝強度150 Pa作為臨界值，設計防氣竄水泥漿柱。

圖1 固井氣竄原理示意圖

1.2 壓穩(wěn)判斷標準

在實施固井作業(yè)前，需要確保井內液柱壓力與地層壓力相平衡，保證壓穩(wěn)地層。對于探井而言，地層壓力預測難以做到準確可靠，而在低孔低滲地層中進行測壓取樣的成功率又難以保證，導致無法準確認識地層孔隙壓力，給固井水泥漿柱壓穩(wěn)設計帶來了很大挑戰(zhàn)。根據東海長期的作業(yè)經驗總結，以常規(guī)氣層壓穩(wěn)判斷標準，即固井前氣測值＜5%，推演出高壓低滲氣層壓穩(wěn)判斷標準：①有可靠地層孔隙壓力數據，則在實際地層壓力基礎上附加0.07～0.15 g/cm3；②無可靠地層孔隙壓力數據，則根據短起下測得的后效氣氣全量與循環(huán)時的氣全量進行對比，兩者接近則判斷為壓穩(wěn)。

1.3 水泥漿防氣竄系數

水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉化時間的長短與水泥漿液柱壓力降低的快慢直接影響到水泥漿的防氣竄性能。其中，水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉化的過程，可以用稠化時間來描述，水泥漿柱壓力降低的主要原因是失水，所以水泥漿液柱壓力降低的快慢可以用失水量來描述。用水泥漿稠化時間與失水量來衡量水泥漿的防氣竄性能，用如下計算公式計算水泥漿的防氣竄系數，固井施工作業(yè)中以該系數指導水泥漿設計[11]：

式中：SPN為水泥漿防氣竄系數，無因次；FLAPI為水泥漿API失水量，mL；t100BC，t30BC分別為水泥漿稠度為100 BC和30 BC的時間，min。

水泥漿防氣竄系數能夠客觀評價水泥漿的防氣竄性能，按如下標準進行評價：

1）SPN＜3時，防氣竄性能良好。

2）SPN為3～6時，防氣竄性能一般。

3）SPN＞6時，防氣竄性能較差。

1.4 水泥漿壓穩(wěn)系數

固井成功的關鍵是如何壓穩(wěn)地層，確保水泥漿在稠化失重時不發(fā)生氣竄。采用合適的壓穩(wěn)設計計算方法，保證設計的水泥漿柱在整個稠化過程中能夠有效平衡地層壓力。壓穩(wěn)系數法是結合水泥漿臨界失重點來判斷是否壓穩(wěn)，該方法選取靜膠凝強度150 Pa作為臨界失重點，用水泥漿靜膠凝強度達到150 Pa時的液柱壓力與原始地層壓力相比作為壓穩(wěn)系數，以此來優(yōu)化設計水泥漿密度與漿柱長度，具體計算方法如下[12]：

式中：PPSF為水泥漿壓穩(wěn)系數，無因次；Pcmk為水泥漿失重后的壓力，MPa；Pcm為原始漿柱段的壓力，MPa；PIk為水泥漿在臨界點的失重值，MPa；Pf為地層壓力，MPa；Ic為水泥漿長度，m；Dh為井眼尺寸，mm；Dp為套管尺寸，mm。

水泥漿壓穩(wěn)系數能夠客觀評價水泥漿壓穩(wěn)地層的能力，按如下標準進行評價：

1）PPSF≥1，水泥漿壓穩(wěn)能力滿足要求。

2）PPSF＜1，水泥漿壓穩(wěn)能力不滿足要求。

2 配套防氣竄工藝技術

2.1 防氣竄水泥漿體系

防氣竄水泥漿體系主要從縮短稠化時間、靜膠凝過渡時間、降低失水、提高膨脹性等方面進行設計，增加氣體在水泥漿中的氣侵阻力，改善綜合防氣竄能力。

加入由高分子聚合物、交聯劑組成的非滲透防氣竄劑，在水泥漿堿性條件下發(fā)生絡合反應，相互連接形成連續(xù)的膠凝結構單元，在近井壁和內部形成均勻穩(wěn)定的不滲透膜。加入超細硅粉，增強對目的層井壁泥餅的物理沖刷，提高膠結質量。加入晶格膨脹劑，保證水泥漿在塑形體、硬化體狀態(tài)下的雙膨脹效果。加入防竄增強劑無定形SiO2（亞微米級顆粒0.15μm），增強對目的層井壁泥餅的物理沖刷，提高膠結質量。另外，由于其具有火山灰活性，通過物理充填、與水化產物Ca(OH)2反應生成二次凝膠，增加水泥石晶體結構和膠結程度，并且生成更多的水化產物（如水化硅酸鈣），從而使水泥漿整體具備防氣竄能力強、強度高、抗溫性好等特點。圖2為常規(guī)水泥漿與防氣竄水泥漿晶體微觀結構對比。

圖2 兩種水泥漿晶體微觀結構對比

2.2 雙凝水泥漿柱

雙凝水泥漿柱采用速凝水泥漿與緩凝水泥漿相結合。其中，速凝水泥漿封固異常壓力層，稠化時間較短，確保在其靜膠凝強度達到150 Pa的失重過程中，地層中氣體盡可能少的侵入環(huán)空。緩凝水泥漿具有相對較長的稠化時間，水泥漿液柱壓力降低速率緩慢且壓力傳遞能力強，能起到平衡地層壓力的作用，防止地層氣侵。

2.3 環(huán)空流變學設計

技術套管、油氣層套管固井應進行環(huán)空流變學設計（井斜大于30°的井應采用偏心環(huán)空流變學計算），包括根據流變學參數確定流變模式，計算沖洗液、隔離液、領漿和尾漿的塞流與紊流臨界排量?？紤]沖洗液和隔離液采用紊流頂替，隔離液和水泥漿采用塞流頂替的復合頂替方式，減小竄槽影響，有效提高固井質量。

2.4 鉆井液加重帽

此技術主要針對尾管固井作業(yè)中確保壓穩(wěn)效果。通常情況下，固井作業(yè)結束后采取井口加壓候凝的方式，保證水泥漿稠化失重的初凝階段的壓力補償。為了進一步提高固井質量，現場可替入加重鉆井液進行加壓候凝，不需要額外進行井口加壓，這樣做的主要優(yōu)點是：井口無需持續(xù)加壓，鉆臺可以進行其他作業(yè)，有效提高作業(yè)效率；通過循環(huán)可以逐步降低壓力，避免因井口壓力突然降低導致套管與井壁環(huán)空間水泥環(huán)受力突變，水泥石中產生微裂縫，影響固井質量。

3 現場應用

東海X1井為預探井，完鉆井深4 760 m，三開次井身結構（圖3）。預測某套地層下部存在高壓氣層，壓力系數1.50以上，因此244.5 mm套管固井需要考慮防氣竄固井技術。

圖3 東海X1井井身結構示意圖

3.1 水泥漿設計

采用單級雙封固井，領漿封固至上層套管鞋上250 m，管鞋以下300 m；尾漿封固最上部油氣層頂部200～3 500 m。采用聚合物防氣竄水泥漿體系，雙凝水泥漿柱結構設計，首漿密度為1.90 g/cm3，封固段為正常壓力井段，稠化時間為384 min；尾漿密度為1.90 g/cm3，封固段為下部異常壓力井段；稠化時間為216 min。

3.2 技術措施

3.2.1 固井前準備工作

1）地層測井結束后通井作業(yè)，根據測井曲線對于縮徑及阻掛井段進行劃眼，充分循環(huán)，保證返出干凈，起鉆無阻掛現象為下套管提供良好的基礎。

2）套管下到位后充分循環(huán)井眼，根據鉆進時鉆鋌環(huán)空返速來確定固井作業(yè)前的最大循環(huán)排量，井眼穩(wěn)定的情況下盡可能提高到流變學計算排量，循環(huán)泥漿至少兩周以上。

3）循環(huán)過程中，在保證井眼安全的情況下適當降低泥漿黏度及切力，保證泥漿進出口比重均勻，黏度最好控制在50 s以內。

4）注意觀察振動篩的巖屑返出情況及錄井氣測值的監(jiān)控，確保井眼干凈氣測值降低到1%以下，有條件的井眼內最好替入低黏低切泥漿，降低頂替壓耗。

3.2.2 流變學計算

分別計算了沖洗液、隔離液、領漿和尾漿的塞流與紊流臨界排量，見表1。設計了“沖洗液、隔離液紊流+隔離液、水泥漿塞流”的復合頂替。

3.2.3 防氣竄設計

1）由公式（1）計算得防氣竄系數SPN=1.82＜3，說明水泥漿防氣竄性能良好。

2）尾漿失重是氣竄危險階段，根據公式（2）計算水泥漿壓穩(wěn)系數來評價設計漿柱結構在候凝階段的壓穩(wěn)能力，計算結果見表2。

水泥漿失重后的壓力Pcmk=60.27 MPa，折算當量密度1.41 g/cm3，大于孔隙壓力1.30 g/cm3。壓穩(wěn)系數PPSF=1.085＞1，說明水泥漿靜膠凝強度150 Pa的壓穩(wěn)能力滿足要求，氣竄危險程度小。

3.3 效果評價

X1井在通過對水泥漿體系的優(yōu)化、壓穩(wěn)系數的校核和優(yōu)選、環(huán)空流變參數的優(yōu)化和水泥漿柱結構和稠化時間的優(yōu)化，在固井候凝24 h后對244.5 mm套管固井段進行了SBT測固井質量，根據測量結果顯示，BR指數＞0.6，全井段固井質量優(yōu)良，滿足后續(xù)主要目的層測試作業(yè)對封固質量的要求，避免了測試作業(yè)過程中射孔后出現高、低壓竄層的風險。圖4為X1井測得固井質量結果。

表1 244.5 mm套管固井替漿排量設計

表2 244.5 mm套管固井替漿排量設計

圖4 244.5 mm套管固井質量測量結果

4 結論

1）通過對東海固井作業(yè)實踐進行總結，用水泥漿稠化時間與失水量來衡量防氣竄性能，建立了水泥漿防氣竄系數。

2）通過對水泥漿靜膠凝強度分析，選取靜膠凝強度150 Pa作為臨界失重點，得到了水泥漿壓穩(wěn)系數的計算方法。

3）雙凝水泥漿、鉆井液加重帽等防氣竄固井技術措施，可以有效防止氣竄的發(fā)生。

4）防氣竄固井技術在東海X1井中得到了成功應用，固井質量優(yōu)良，固井合格率100%，有效解決了固井氣竄問題。