吳天乾，李明忠，李建新，李德紅，張軍義，何斌斌

1中國(guó)石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司鉆完井中心2中國(guó)石化石油工程造價(jià)管理中心

1 研究背景

地層承壓能力低造成的固井漏失和難以全井封固，是固井工程面臨的常規(guī)性技術(shù)難題。在鄂爾多斯盆地的杭錦旗地區(qū)，劉家溝組的地層承壓能力不足1.15 g/cm3［1］。超低密度水泥漿和雙級(jí)固井是固井防漏的主要技術(shù)措施［2］，應(yīng)用由玻璃微珠或3M漂珠開發(fā)的超低密度水泥漿成本高［3］。在基漿中注入氣體并將密度降至1.15 g/cm3以下時(shí)的充氣量大，由于氣泡體積隨液柱壓力變化劇烈［4］，水泥漿穩(wěn)定性較差，氣體滑脫上升聚集形成段塞，配套的發(fā)泡和混配設(shè)備同樣會(huì)增加成本。當(dāng)存在多個(gè)漏失層位時(shí)，分級(jí)箍安放位置難以兼顧一、二級(jí)防漏需要，且分級(jí)箍限制了壓裂工藝優(yōu)選，其密封性直接影響后期作業(yè)［5］。因此，固井漏失后反擠補(bǔ)救或正注反擠技術(shù)廣泛應(yīng)用。

關(guān)于常規(guī)固井的基本原理、設(shè)計(jì)方法及配套工藝技術(shù)研究較多，但對(duì)于反擠固井缺乏系統(tǒng)研究，反擠固井設(shè)計(jì)和過(guò)程控制缺乏參考和依據(jù)，導(dǎo)致反擠作業(yè)過(guò)程不可控、固井質(zhì)量不穩(wěn)定［6-7］。通過(guò)開展反擠頂替機(jī)理和井口壓力變化規(guī)律研究，明確提高頂替效率的技術(shù)對(duì)策，形成精細(xì)過(guò)程控制措施，保證反擠水泥漿到達(dá)指定目標(biāo)層，實(shí)現(xiàn)正注和反擠的有效銜接，并提高固井質(zhì)量。

2 反擠頂替機(jī)理數(shù)值模擬研究

常規(guī)固井時(shí)沖洗液和水泥漿由井底進(jìn)入環(huán)空驅(qū)替鉆井液，頂替方向與流體受力方向相反；基于固井頂替機(jī)理研究成果，形成了提高頂替效率的系列技術(shù)措施。但反擠時(shí)沖洗液和水泥漿由井口進(jìn)入環(huán)空、由上而下驅(qū)替鉆井液，頂替方向與流體受力方向一致。與正注相比，各因素對(duì)頂替效率的影響規(guī)律及影響程度均存在一定差異，但尚未開展系統(tǒng)研究。

Gambit構(gòu)建了環(huán)空模型、定義邊界類型和網(wǎng)格生成，建立了直井三維環(huán)空模型，設(shè)置套管偏心度0、0.3，環(huán)空模型外徑為222.3 mm，內(nèi)徑為177.8 mm，計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度為100 m，網(wǎng)格均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將模型導(dǎo)入Fluent求解器，以三維非定常N-S方程作為控制方程，流體體積法（VOF）對(duì)頂替界面追蹤與定位。水泥漿直接接觸反擠、層流頂替鉆井液，賓漢模式描述流變特性，鉆井液、水泥漿的塑性黏度分別為15、30 mPa·s，動(dòng)切力分別為4、6 Pa，密度1.20、1.30 g/cm3。入口為速度邊界，頂替速度0.5 m/s，出口為壓力邊界，環(huán)空壁面按無(wú)滑移邊界條件處理。單精度有限體積方法進(jìn)行數(shù)值方程離散，時(shí)間上采用隱格式，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)有限元離散格式，利用壓力隱式分裂算子（PISO）方法進(jìn)行壓力速度場(chǎng)耦合，時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s［8-10］。

對(duì)比正注與反擠時(shí)的頂替機(jī)理差異，分析反擠時(shí)鉆井液和水泥漿性能參數(shù)對(duì)頂替效率影響規(guī)律。

（1）與正注相比，套管偏心對(duì)反擠頂替效率和界面長(zhǎng)度影響作用更突出，混漿更易發(fā)生，如圖1所示。為提高反擠固井質(zhì)量，反擠段套管偏心應(yīng)不超過(guò)0.2。由于反擠時(shí)流體重力與頂替方向一致，偏心度越大，環(huán)空寬間隙與窄間隙的速度差異越大［11-12］。采用正注反擠固井的施工井，上部反擠段加放扶正器，保證套管偏心度小于0.2。

圖1 不同偏心度時(shí)正注、反擠時(shí)的頂替效率

（2）水泥漿和鉆井液性能參數(shù)對(duì)頂替效率均有一定影響。動(dòng)切力體現(xiàn)流體結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱，塑性黏度體現(xiàn)流體內(nèi)摩擦力。隨著鉆井液塑性黏度或動(dòng)切力增大，不利于鉆井液流動(dòng)，反擠頂替效率降低，見圖2、圖3。

圖2 鉆井液屈服應(yīng)力對(duì)頂替效率影響

圖3 鉆井液塑性黏度對(duì)頂替效率影響

隨著水泥漿塑性黏度或動(dòng)切力增大，增大了水泥漿對(duì)鉆井液的接觸拖曳力，反擠頂替效率增大。在直井正常頂替時(shí)，浮力隨著密度差增大而增大，促進(jìn)環(huán)空各間隙鉆井液的驅(qū)替；但在反擠時(shí)隨著密度差增大，環(huán)空寬、窄間隙處的頂替速度差異越大，頂替效率越低［11-12］，見圖4。反擠水泥漿前，泵入沖洗液充分降低鉆井液的動(dòng)切力和塑性黏度，反擠漿密度盡量接近井漿密度。

圖4 水泥漿與鉆井液密度差對(duì)頂替效率影響

3 反擠井口套壓變化規(guī)律分析

反擠時(shí)井口壓力是施工過(guò)程唯一的標(biāo)志參數(shù)，但目前對(duì)反擠井口壓力的變化規(guī)律研究較少，導(dǎo)致施工過(guò)程參數(shù)調(diào)整和控制缺乏依據(jù)和針對(duì)性。借助水驅(qū)油指進(jìn)機(jī)理，定性分析了反擠時(shí)的井口壓力變化規(guī)律。當(dāng)作用在反擠目標(biāo)層的動(dòng)液柱壓力大于漏失壓力時(shí)，流體進(jìn)入地層。反擠井口壓力p0有：

p0＝pL-p液柱+pf（1）式中：pL—返擠通道的漏失壓力；p液柱—環(huán)空液柱壓力；pf—環(huán)空循環(huán)摩阻。

為便于分析和施工控制，首先采用小排量試擠，后提高至設(shè)計(jì)排量保持不變，直至施工結(jié)束前適當(dāng)降低排量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)記錄，反擠井口壓力變化存在如下規(guī)律：關(guān)井、小排量試擠，將漏層擠通，試擠井口壓力p試擠；注入沖洗液，在壓力允許的條件下適當(dāng)提高注入排量，井口壓力p0增大。沖洗液注入過(guò)程中，液柱壓力和循環(huán)摩阻逐漸降低，井口壓力呈現(xiàn)波動(dòng)。隨著水泥漿注入，液柱壓力逐漸增大，井口壓力下降；當(dāng)井口壓力下降至某一值后開始上升。如圖5所示。

圖5 反擠時(shí)井口壓力變化示意圖

4 提高正注反擠固井質(zhì)量的配套措施

為提高正注反擠施工的固井質(zhì)量，在反擠頂替機(jī)理和井口壓力變化規(guī)律分析基礎(chǔ)上，形成了較為系統(tǒng)的正注反擠固井配套措施。

（1）正注反擠固井設(shè)計(jì)。固井前若井內(nèi)難以建立正常循環(huán)，正注與反擠在劉家溝組對(duì)接，設(shè)計(jì)正注水泥漿返至劉家溝組底部，不附加；等待正注水泥漿稠化后即可反擠，反擠水泥漿封固井口至劉家溝組井段。若固井前井內(nèi)以鉆井排量循環(huán)而鉆井液無(wú)漏失，正注與反擠在延長(zhǎng)組對(duì)接，設(shè)計(jì)正注水泥漿返至延長(zhǎng)組頂部，反擠水泥漿封固井口至延長(zhǎng)組頂部井段。正注與反擠時(shí)間間隔不少于12 h，保證封固劉家溝組的水泥漿形成足夠強(qiáng)度。

（2）水泥漿設(shè)計(jì)。若正注封固至劉家溝組底部時(shí)，微膨脹低失水防竄水泥漿封固劉家溝組底以下井段；反擠時(shí)1.40 g/cm3的高早強(qiáng)低密度水泥漿封固劉家溝組，1.30 g/cm3的高早強(qiáng)低密度水泥漿封固上部井段，微硅加量不少于10%，提高塑性黏度和動(dòng)切力，保證反擠頂替效率；縮短稠化時(shí)間、過(guò)渡時(shí)間小于30 min、強(qiáng)度發(fā)展快，減少反擠候凝期間的漏失，提高水泥石抗壓強(qiáng)度、增強(qiáng)測(cè)井聲幅響應(yīng)。若正注封固至延長(zhǎng)組頂部時(shí)，封固劉家溝組底以下井段的水泥漿為微膨脹低失水防竄體系，封固劉家溝組的水泥漿為密度1.40 g/cm3的高早強(qiáng)低密度體系，劉家溝組頂至延長(zhǎng)組井段水泥漿為1.25～1.30 g/cm3的高強(qiáng)低密度體系；反擠水泥漿采用1.30 g/cm3的高早強(qiáng)低密度體系。

（3）提高反擠頂替效率設(shè)計(jì)。安放雙弓彈性扶正器，反擠井段套管偏心度不大于0.2，斜井段套管偏心度不大于0.3；正注時(shí)向井內(nèi)依次注入20 m3新配鉆井液或膠液，將下套管時(shí)注入的封閉漿充分稀釋、擠入劉家溝組；反擠時(shí)由井口向環(huán)空泵入不少于10 m3沖洗液，破壞反擠等待期間鉆井液形成的膠凝結(jié)構(gòu)，沖刷井壁和套管壁。

（4）施工過(guò)程控制。正注時(shí)以不超過(guò)鉆井時(shí)的最大排量依次注漿和替漿；反擠試擠后，將排量提高至1 m3/min保持不變，記錄井口壓力。當(dāng)井口壓力最小值對(duì)應(yīng)的反擠水泥漿量與設(shè)計(jì)值相近，則說(shuō)明水泥漿已反擠至目標(biāo)漏層，降低排量至300 L/min以促進(jìn)裂縫閉合，附加水泥漿5 m3后結(jié)束施工。若井口壓力最小值對(duì)應(yīng)的反擠水泥漿量小于設(shè)計(jì)值，表明水泥漿進(jìn)入上部漏層，應(yīng)降低排量減小上部漏層張開程度，促使水泥漿繼續(xù)下行。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該工藝在杭錦旗地區(qū)累計(jì)應(yīng)用145口井，固井優(yōu)質(zhì)率提高38.2%、優(yōu)良率提高45%；環(huán)空內(nèi)正注與反擠有效對(duì)接及全井封固率由15.2%提高至62.5%。

5.1 JPH-3XY井

JPH-3XY井為三開井身結(jié)構(gòu)，一開?311.2 mm井眼下?244.5 mm表層套管，二開?222.2 mm井眼下?177.8 mm技術(shù)套管，劉家溝組、延長(zhǎng)組等易漏失層位分布在二開井段，三開裸眼完井。該井二開鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生井漏，經(jīng)堵漏后固井前鉆井液循環(huán)正常，井內(nèi)鉆井液密度1.20 g/cm3。延長(zhǎng)組頂部（井深1 455 m）為正注和反擠對(duì)接位置，正注依次注入沖洗液6 m3、1.30 g/cm3高強(qiáng)低密度水泥漿20 m3、1.40 g/cm3高早強(qiáng)低密度水泥漿4 m3和1.88 g/cm3微膨脹低失水防竄水泥漿10 m3；正注12 h后反擠，依次注入沖洗液10 m3、1.30 g/cm3高早強(qiáng)低密度水泥漿35 m3。反擠至水泥漿26 m3時(shí)井口壓力由6 MPa降至2 MPa后逐漸升高，判斷水泥漿反擠至延安組。聲幅測(cè)井顯示環(huán)空未銜接井段僅70 m，正注與反擠基本實(shí)現(xiàn)對(duì)接；1 500 m以下井段固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，井口至井深800 m反擠井段優(yōu)質(zhì)，其余井段除70 m空套管外固井質(zhì)量良好。

5.2 JPH-3ZQ井

JPH-3ZQ井井身結(jié)構(gòu)與JPH-3XY 井相同。?177.8 mm技術(shù)套管入井后，劉家溝組（井深2 397～2 551 m）存在嚴(yán)重漏失不能建立循環(huán)，井內(nèi)封閉漿無(wú)法循環(huán)出井，井內(nèi)鉆井液密度1.22 g/cm3。正注時(shí)依次注入膠液20 m3、沖洗液10 m3和1.88 g/cm3微膨脹低失水防竄水泥漿12 m3，封固至劉家溝組底部，水泥漿不附加。等待正注水泥漿稠化后即刻反擠，注入反擠沖洗液10 m3、1.40 g/cm3高早強(qiáng)低密度水泥漿4 m3和1.30 g/cm3的低密度水泥漿52 m3。井口壓力顯示，在反擠水泥漿28 m3后，壓力緩慢降至最小后顯著上升，顯示水泥漿進(jìn)入上部延安、延長(zhǎng)組。降低施工排量至500 L/min，促使水泥漿下行，反擠漿量由設(shè)計(jì)的52 m3增至60 m3。聲幅測(cè)井曲線顯示，正注和反擠在劉家溝組實(shí)現(xiàn)對(duì)接，空套管段長(zhǎng)為0；正注段固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)；延長(zhǎng)組以上井段固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)；但由于在延長(zhǎng)組分流，反擠排量降低，造成延長(zhǎng)組與劉家溝組之間井段固井質(zhì)量?jī)H合格。

6 結(jié)論

（1）降低鉆井液塑性黏度、動(dòng)切力，增大水泥漿塑性黏度、動(dòng)切力以及降低水泥漿與鉆井液密度差，有利于提高反擠頂替效率；鉆井液塑性黏度和密度差對(duì)反擠頂替效率影響較大。

（2）在固定反擠排量前提下，當(dāng)井口壓力達(dá)到最小值時(shí)水泥漿進(jìn)入漏層。井口壓力最小值可作為水泥漿進(jìn)入漏層標(biāo)志，或根據(jù)井口壓力最小值對(duì)應(yīng)的水泥漿注入量作為是否返擠至目標(biāo)漏層的判斷依據(jù)。

（3）在杭錦旗地區(qū)應(yīng)用取得顯著效果，固井優(yōu)質(zhì)率提高了38.2%、優(yōu)良率提高了45%，全井封固率由15.2%提高至62.5%。