神木区块天然气探井一次上返固井技术

胡富源，付雄涛，周兴春，冯宇思，张　弛

（1.长庆油田公司工程技术管理部，陕西西安710021；2.川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安710021；3.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

神木区块天然气探井一次上返固井技术

胡富源*1，付雄涛2，周兴春2，冯宇思3，张弛3

（1.长庆油田公司工程技术管理部，陕西西安710021；2.川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安710021；3.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

一次上返固井能缩短建井周期，提高套管的气密性及耐压性，但由于封固段长、施工压力高，容易因漏失而导致水泥返高不够。针对神木区块气层段跨度大、刘家沟组承压能力低等特点，选用轻珠水泥、降失水水泥、泡沫水泥三凝水泥浆体系，密度分别为1.35g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能够压稳气层同时不压漏地层。气层段采用泡沫水泥浆封固，效果优于膨胀水泥浆。通过对水泥浆流变性和井径数据计算，确定紊流顶替临界排量为1.57m3/min，同时在水泥浆返至200m左右时应采用塞流顶替。通过现场应用，正确控制施工参数，能够实现全井段封固，保证固井质量。

神木区块；天然气探井；水泥浆固井

神木区块位于长庆气田东部，目前主要以天然气预探井为主。为了延长气井开采寿命，通常要求全井段封固，减少后期固井补救措施。一次上返固井工艺能够简化井身结构，提高套管的气密性及耐压性，缩短建井周期，降低投资成本[1]。但同时受限于灰量大、施工时间长、对水泥浆性能要求高、施工压力高等因素，固井成功率相对较低。通过对水泥浆技术及固井工艺等方面研究，实现全井段封固，提高固井质量，为油气增储上产提供强有力的工程技术支撑。

1　地质及工程简况

1.1地质特征

神木气田构造位置属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，钻经地层依次为：新生界第四系；中生界侏罗系下统延安组，三叠系上统延长组、中统纸坊组、下统和尚沟组和刘家沟组；上古生界二叠系上统石千峰组、中统石盒子组、下统山西组和太原组，石炭系上统本溪组；下古生界奥陶系下统马家沟组(多数井未穿)。储层主要分布在1600～2400m不等，包括本溪组、太原组、山西组、石盒子组、石千峰组。储层属于低压砂岩气藏，资料显示地层最小压力梯度为0.0084MPa/m，最大为0.0102MPa/m，平均为0.0092MPa/m。通过压裂数据推算，地层破裂压力梯度在0.017～0.0198MPa/m之间，地层破裂压力最低点在刘家沟组，通过承压能力试验，其破裂压力当量密度在1.38g/cm3左右。

1.2工程简况

神木气田井深一般在2200～2500m，一开采用Ø311.2mm钻头钻过稳定地层，表层采用Ø244.5mm的套管，下深一般在500m左右。二开采用Ø215.9mm钻头钻至设计井深，Ø139.7mm生产套管下至距井底3～5m位置。多数井完井方式为套管射孔完井，要求全井段封固，固井质量满足射孔压裂等后续作业要求。

2　固井难点及技术对策

2.1固井难点

（1）地质条件复杂，坍塌、漏失问题突出。本溪组、太原组、山西组煤层发育，单层厚1～10m，易坍塌；部地层刘家沟承压能力低，固井中易漏失，造成水泥返高不够。

（2）固井作业、候凝过程中易发生气窜。目的层气藏埋藏浅、跨度较大，易发生气窜；当井下发生漏失，造成静液柱压力降低，存在未压稳地层而导致气窜的危险。特别是长封固段固井施工，水泥浆体系失重更为严重。

（3）一次上返施工作业风险大。固井用灰量大，作业时间长。现场施工压力高，顶替过程中易出现复杂情况。部分井井径极不规则，顶替效率不仅无法保证，而且容易造成水泥浆与前置液（甚至钻井液）以及不同体系水泥浆之间窜流，导致固井质量不理想。

2.2技术对策

2.2.1水泥浆体系研究

（1）气层段泡沫水泥浆体系评价。在天然气井固井中，气层段固井质量的好坏对固井的成败起着决定性的作用。气层段水泥浆要具有较高的水泥石强度，能满足压裂酸化的要求，同时要求防气窜性能优越。神木区块所用的水泥浆为泡沫水泥浆体系，利用化学发气剂发生反应生成气体，在稳泡剂的作用下，形成一种体系稳定，气泡均匀分布的泡沫水泥浆。泡沫在高压下几乎不可压缩，随着水泥水化的进行，静液柱压力随之减少，作用于地层的孔隙压力会快速下降，此时泡沫水泥浆中的气体可有效地补偿地层孔隙压力的下降，从而压稳气层。泡沫水泥浆表现出的这种“弹性”能够使水泥浆在整个凝结硬化过程中保持足够的孔隙压力。另外，由于泡沫水泥浆中含有一定的稳泡剂，即使发气量不够，不能产生足够的气体压稳气层，发生气侵现象，但侵入的气体通过稳泡剂的乳化作用，将生成微小的气泡，稳定的存在于泡沫水泥浆中，与泡沫水泥形成一体，直至压力平衡[3]。

①1.90g/cm3泡沫水泥浆体系常规性能评价：

1#G级水泥+2%发气剂+0.25%缓凝剂+1.5%降失水剂+2.5%稳泡剂+水；

2#G级水泥+2%发气剂+0.3%缓凝剂+1.8%降失水剂+2.5%稳泡剂+水；

3#G级水泥+2%发气剂+0.6%缓凝剂+1.5%降失水剂+2.5%稳泡剂+水；

4#G级水泥+2%发气剂+0.8%缓凝剂+1.8%降失水剂+2.5%稳泡剂+水。

表1　常规密度水泥浆综合性能

从表1可以看出，1.90g/cm3泡沫水泥浆体系综合性能良好，水泥浆的流动性好；API失水量可以控制在50mL以内；水泥浆稠化时间可调；24h抗压强度高；满足固井施工要求。

②1.90g/cm3泡沫水泥浆体系流变性评价：该区块所用泡沫水泥浆配方为：G级水泥+2%发气剂+0.6%缓凝剂+1.5%降失水剂+2.5%稳泡剂+水，在65℃、常压下，水泥浆流变性能如表2所示。

表2　泡沫水泥浆流变性能参数

由F值可知，该水泥浆符合幂律流变模式，流变方程为：

式中：n——流性指数，无量纲；

k——稠度系数，Pa·sn。

由式（1）、（2）可知，该泡沫水泥浆流性指数n= 0.399，稠度系数k=0.587Pa·s0.399。

（2）填充段水泥浆体系评价。对于非目的层段的填充，一般根据地层承压能力和水泥浆性能等确定[4]。通过综合分析，选用密度为1.35g/cm3微珠水泥浆体系作为领浆，密度为1.75g/cm3的降失水水泥作为中间浆。

①水泥浆体系常规性能评价：

1#G级水泥+50%微珠+50%粉煤灰+1.2%缓凝剂+ 3.5%降失水剂+水；

2#G级水泥+50%微珠+50%粉煤灰+1.6%缓凝剂+ 4.0%降失水剂+水；

3#G级水泥+2%降失水剂+0.4%缓凝剂+水；

4#G级水泥+2.5%降失水剂+0.6%缓凝剂+水。

表3　填充段水泥浆综合性能

从表3可以看出，填充段2种水泥浆体系综合性能良好，水泥浆的流动性好；API失水量可以控制在100mL以内；水泥浆稠化时间可调；24h抗压强度高；满足固井施工要求。

②填充段水泥浆体系流变性评价：在65℃、常压下，水泥浆流变性能如表4、表5所示。

表4　微珠水泥浆流变性能参数

表5　降失水水泥浆流变性能参数

由表4、表5可知，F值均不在0.5±0.03范围内，故选用幂律流变模式，轻珠水泥浆n=1.054，k=0.032Pa·s1.054；降失水水泥浆n=0.798，k=0.203Pa·s0.798。

2.2.2现场施工技术措施

根据神木区块电测资料，二开Ø215.9mm井眼的平均井径扩大率约为10%，即237.5mm。平均环容28.97L/m。井深按2400m计算，一般尾浆量为24m3，封固段长700m；中间浆10m3，封固段长300m；领浆50m3，封固段长1400m。为防止漏失，保证固井质量，必须准确控制施工参数。

（1）压力计算。根据地质资料及钻井设计要求，综合考虑气层位置、地层压力、地层破裂压力、刘家沟组承压能力及水泥浆性能，选用三凝水泥浆体系。水泥浆柱设计[5]如下:

尾浆段：密度为1.90g/cm3，封固长度为600～800m；

中间浆段：密度为1.75g/cm3，封固长度为300～400m；

领浆段：密度为1.35g/cm3，封固长度为1300～1700m，返至井口；

气层段地层压力：0.0092MPa/m×2400m= 22.08MPa；

气层段地层破裂压力：0.017MPa/m×2400m= 40.80MPa；

气层段水泥浆液柱压力：（1.35g/cm3×1400m+ 1.75g/cm3×300m+1.90g/cm3×700m）×9.8N/kg×10-3= 36.70MPa；水泥浆“失重”时当量密度[6]取1.07g/cm3，气层段水泥浆液柱压力：（1.35g/cm3×1400m+1.75g/cm3× 300m+1.07g/cm3×700m）×9.8N/kg×10-3=31.01MPa；

气层段水泥浆液柱压力36.70MPa小于气层段地层破裂压力40.80MPa所以不会压漏气层；水泥浆“失重”时气层段液柱压力31.01MPa大于气层段地层压力22.08MPa，所以能压稳气层。

地层破裂压力最低点为刘家沟组，其底界一般在1400m左右，该层位位于领浆封固段，领浆密度为1.35g/cm3，小于地层破裂当量密度1.38g/cm3，因此不会压漏。

（2）顶替排量设计。流体有塞流、层流和紊流3种状态[7]，一般认为紊流和塞流的顶替效率最高。在较高的流速下容易达到紊流顶替，但摩阻压力相对较高，尤其在顶替后期，容易造成井漏；塞流状态下顶替，流速很低，摩阻压力下，但受水泥浆稠化时间的限制，不可能一直采取塞流顶替。因此在实际施工在采用紊流和塞流相结合的方式顶替。通常采用雷诺数Re作为判断流体流态的标准[8]。水泥浆在套管外，处于环形空间内流动，而且Da/Db(Da/Db分别为环空的内径和外径)为0.59，大于0.3，故选用窄缝近似法计算[9]。选用的水泥浆符合幂律流变模式，因此选用幂律流变模式下的计算公式。

管流：

环空流：

在紊流状态下，摩阻系数f满足：

式中：V——流体流速，m/s；

f——摩阻系数，无量纲；

ΔP/L——摩阻梯度，Pa/m；

Di——套管内径，m；

ρ——流体密度，kg/m3；

KRe、KP——单位系数1，无量纲。

当Re≥4150-1150×n时，流体为紊流状态。

①紊流顶替。在顶替过程中，如果顶替效率不够，会造成不同流体之间窜流。尤其是领浆与前置液及钻井液之间窜流严重后，可能直接导致填充段固井质量不合格。通过计算，求出不同水泥浆在套管内的临界流速，如表6所示。

表6　水泥浆在套管内的临界流量

在顶替前期，领浆处在环空，临界流速下雷诺数Re为2938，由式（5）可知：

临界流速：V=0.902m/s；

临界排量：Q=（0.902×28.97×60）m3/min=1.57m3/min。

由于领浆环空流的临界流速大于各种水泥浆的管流临界流速，因此当顶替排量达到1.57m3/min，即可实现顶替前期各种流体均处于紊流状态，现场施工可以把排量控制在1.6 m3/min。

②塞流顶替。在顶替后期，随着环空水泥浆液面的升高，环空液柱压力越来越大。如果不降低排量减小摩阻压力，很容易导致薄弱地层刘家沟漏失，所以应该采用塞流顶替。由于刘家沟底界一般在1400m左右，该层位以上全是领浆封固，因此主要计算领浆的环流摩阻压力。

由式（7）可知，领浆在临界流速下，环流摩阻系数f=0.0407；

摩阻梯度ΔP/L=[2×1350×0.9022×0.0407/（0.23749-0.1397）]Pa/m=914Pa/m。

前置液密度为1.0g/cm3，钻井液密度1.1g/cm3左右，由于顶替后期钻井液基本快全部被顶替完全，因此计算时领浆上部流体密度取1.0g/cm3，同时忽略其摩阻压力。通过计算，当领浆返高到200m处，刘家沟处压力恰好达到破裂压力。此时应改为塞流顶替，一般排量不超过0.5m3/min。

2.2.3其它技术措施

（1）如果井下正常，可适当加大前置液量，减小顶替后期的液柱压力，避免施工压力过高，同时降低漏失的风险；

（2）按设计要求混配水泥浆，保证密度均匀，密度波动范围控制在±0.03g/cm3；

（3）保证施工连续，避免中停后再次起动造成的压力激动，导致井漏；

（4）为了避免出现假水泥塞，影响电测三样，使用专门配制的压塞液压胶塞，数量为1～1.5m3，压胶塞时排量控制在0.5m3/min；

（5）固井过程中发生井漏，适当降低顶替排量，避免漏失加重，同时密切关注井口返出情况；

（6）碰压后在施工压力上附加2MPa关井候凝，关井时间一般为2h，不可长时间关井；

（7）钻井过程中发生漏失的井采用正注反挤工艺施工，正注段返高至700m。

3　现场应用成果

在完成固井施工的13口“神”字号天然气井中，采用泡沫水泥、降失水水泥、微珠水泥三凝水泥体系施工的有9口井。除一口井因漏失导致上部出现250m的自由井段，其余井水泥均返至地面，固井质量全部合格。

通过现场应用可看出，该区块一次上返固井采用三凝水泥浆体系，正确控制施工参数，基本可以避免漏失，满足固井要求。

4　结论与建议

（1）在神木区块天然气探井一次上返固井施工中，采用三凝水泥浆体系，对应密度分别为1.35g/cm3、1.75g/cm3、1.90g/cm3，能压稳气层同时不压漏地层，满足固井要求；

（2）用泡沫水泥浆封固气层段，效果优于膨胀水泥浆；

（3）顶替前期，采用紊流顶替，临界排量为1.57m3/min，现场施工可以控制排量在1.6m3/min，达到紊流顶替；

（4）顶替后期，防止刘家沟漏失，一般在水泥返至200m左右时改为塞流顶替，排量不超过0.5m3/min；

（5）正确采取对应的方案和措施，能够成功实现一次上返，固井合格率100%；

（6）由于不同井、不同批次固井材料，存在一定差异，具体到某一口井，要对水泥浆化验和施工参数计算进行详细地设计，确保施工顺利。

[1]魏周胜,周兵,李波，等.一次上返固井技术在天然气井中的应用[J].天然气工业,2007,27(8):69-71.

[2]刘崇建.油气井注水泥理论与应用[M].北京:石油工业出版社,2001:270-271.

[3]贾芝,胡富源,郭卫军，等.用于封固气层的泡沫水泥浆固井技术[J].钻井液与完井液,2003,20(2):23.

[4]刘顺治,刘刚,王延东.一次上返全封固固井技术在延长气田中的应用[J].中国石油和化工标准与质量,2009,14(3):60.

TE256

B

1004-5716(2015)07-0055-05

2014-07-25

2014-07-30

胡富源（1964-），男（汉族），陕西西安人，工程师，现从事固井技术研究及管理工作。