提高黄湾区块水平井固井封固率技术研究

钟 凯，李佳佳，张永福，张 东，来鹏飞

（中国石油川庆钻探有限公司长庆固井公司，陕西西安 710016）

1 研究背景

黄湾区块是某采油厂的主力开发区，其主力油层为延长组长7，埋藏深度2 100～2 400 m。该区块水平井主要采用二开井身结构，完钻井深3 100～4 500 m，水平段长600～2 050 m。区块钻进期间复杂情况较多，钻至目的层后，漏失现象普遍，施工前循环期间井筒普遍渗漏严重，固完井时发生严重漏失。

2021 年黄湾区块共施工水平井21 口，钻进至目的层全部发生漏失，其中10 口井钻进至水平段发生过井漏失返，固井施工全部发生漏失，漏失量在10.0～50.0 m3不等，平均单井漏失量25.0 m3。候凝期间水泥浆持续向地层渗漏[1]，导致水泥浆低返。已测井声幅显示正注返高普遍在1 100～2 100 m，4 口井封固率不足80.00%，封固率偏低。另有11 口井油水层段封固质量不达标，不符合中石油集团公司固井质量五条红线第二条，其中上部延安组油水层段固井质量问题尤为突出，主要原因为正注与顶部补救不能有效衔接，导致上部油水层漏封（表1）。

表1 黄湾区块水平井2021 年施工概况

统计分析施工情况，计算黄湾区块水平井漏失当量密度（表2）。

表2 黄湾区块水平井漏失当量密度统计表

由表2 可以看出，区块目的层长7 承压能力极低，普遍漏失当量密度在1.30 g/cm3以下，部分井漏失当量密度低至1.20 g/cm3左右，极大限制了低密度体系可选择的范围，固井漏失风险极大。区块油水层跨度长，一旦发生漏失，易造成上部油水层封固质量不达标。

从上面施工情况可以看出，黄湾区块水平井主要施工难点为：

（1）地层承压能力低，施工极易发生漏失；

（2）封固段长，施工水泥浆摩阻较大；

（3）油水层跨度长，一旦漏失，上部油水层易漏封，固井质量差。

针对以上难点，考虑解决黄湾区块固井漏失严重问题的方向如下：

（1）合理设计浆柱结构，降低整体液柱压力；

（2）优选减轻材料，改善体系流变性能，提高体系耐压性能，降低环空摩阻；

（3）优化施工参数，降低环空压耗，提高正注返高，一次性封固延安组至井底的油水层。

2 水泥浆配方室内优化调试

2.1 低摩阻配方室内调试及性能评价

2021 年施工，为降低液柱压力，减少漏失，使用1.18～1.35 g/cm3低密度水泥浆体系。体系密度低，强度满足施工要求，可显著降低液柱压力，但由于体系珍珠岩含量较高，经高压后破碎摩阻变大，无法较好解决区块漏失问题。因此，考虑从降低体系摩阻及提高耐压性能方面入手，进一步降低环空压耗，减少漏失。

2.1.1 玻璃微珠水泥浆体系 室内优选以Y6000 型空心玻璃微珠为减轻材料，玻璃微珠具有耐压强度高（承压能力达41.0 MPa 以上）、晶体稳定的特点，且本身呈圆珠状，具有润滑作用，进入环空后可进一步降低环空摩阻。通过与粉煤灰、水泥、微硅等材料进行复配，形成密度为1.16～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系[2]，体系基本性能见表3。

表3 玻璃微珠水泥浆体系基本性能表

2.1.2 耐压低摩阻水泥浆体系 通过以次纳米硅为主要减轻材料调试耐压低摩阻水泥浆体系，该体系具有摩阻低、耐压性能强的特点，有效改善了常用珍珠岩体系低密度经高压后增密增稠的特性（表4）。

表4 耐压低摩阻水泥浆体系基本性能表

2022 年新调试的系列低摩阻水泥浆体系与2021年常用的低密度水泥浆体系流变性能对比见表5。

表5 低摩阻水泥浆体系与常用低密度水泥浆体系流变性能对比表

由表5 可以看出，玻璃微珠水泥浆体系流动性能明显优于2021 年使用的复合低密度及轻珠体系，摩阻系数同比下降20%以上，可显著降低施工摩阻，减少漏失。

同时，为验证黄湾区块井底承压对水泥浆性能的影响，将2021 年与2022 年常用的低密度水泥浆体系耐压性能进行对比，见表6[3-4]。

表6 常用低密度水泥浆体系耐压性能测试表

由表6 可以看出，耐压低摩阻水泥浆体系经过加压后性能保持稳定，同时玻璃微珠水泥浆体系经过加压后性能变化也明显优于1.18 g/cm3复合低密度及1.35 g/cm3轻珠体系，可以适应黄湾区块井底承压30.0～35.0 MPa 的地层条件。

2.2 浆柱结构设计

为降低液柱压力，减少漏失，2022 年，黄湾区块水平井浆柱结构设计为1.15～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系+1.36 g/cm3耐压低摩阻水泥浆体系+1.90 g/cm3高强韧性水泥浆体系，正注返高设计至一开井深以下200 m。同时，为进一步降低液柱压力，将1.90 g/cm3高强韧性水泥浆体系封固段在原基础上进一步缩短200 m。在黄湾区块施工的某井中，该井钻至2 231、2 785 m（长7）多次严重渗漏，后期钻进时水平段存在多处漏失，随钻堵漏，下套管前堵漏不彻底，施工前循环仍有渗漏3～5 m3/h，长7 层位漏失当量密度1.29 g/cm3。对该井薄弱地层关注点分别按2021 年方案（浆柱结构1）及2022 年方案（浆柱结构2）施工进行模拟计算，见图1。

图1 浆柱结构1 关注点承压计算

经模拟计算，该井注入体积106.7 m3，即替量余23.2 m3时，该井关注点动态当量密度已达漏失压力当量密度，此时已有较大漏失风险，施工漏失量达20.0 m3以上；通过将体系调整为玻璃微珠及耐压低摩阻水泥浆体系后，井底动态当量密度计算对比见图2。

图2 浆柱结构2 关注点承压计算

此时，经模拟计算，该井注入体积120.6 m3，替量余9.3 m3时，关注点承压达到漏失压力当量密度，因此，经过浆柱调整后，固井施工最大动态当量密度显著降低，当量密度达到漏失压力当量密度的时间有所推迟，可显著缓解施工漏失情况。

3 现场试验及应用效果

3.1 随钻堵漏

加强与项目组和钻井队沟通，及时跟踪钻进情况，要求钻失漏失井及时采取堵漏浆堵漏及水泥浆堵漏工作，漏失严重井堵漏后进行承压堵漏，确保堵漏成功后才进行后续作业，保证下套管前井况正常，2022 年已施工井地层承压漏失当量密度计算见表7。

表7 2022 年施工井漏失当量密度统计表

由表7 可以看出，经过随钻堵漏以后，区块水平井承压能力有了一定程度提高，为提高水泥返高提供有利条件。但整体地层承压能力仍然偏低，仍需进一步加强随钻堵漏工作，提高泥浆暂堵能力，并在完钻后进行承压堵漏试验，提高地层承压能力，为固井施工设计提供准确数据支撑。

3.2 提高套管居中度

施工前收集电测数据，进行居中度模拟，同时，水平段及斜井段使用整体式偏弓扶正器及滚珠扶正器交替加放原则，确保套管顺利下入，增加过流面积，降低憋堵风险，提高顶替效率[5-6]。

3.3 流变顶替设计

精细化设计施工方案，施工前提前关注薄弱地层，前置液及领浆进入环空初期时，此时环空液柱压力较低，漏失风险小，适当增加顶替排量以提高冲洗顶替效率，水泥上返至薄弱地层时，提前降低施工排量，降低漏失风险[7]，将优化后与优化前的顶替效率及井底压力模拟对比，见图3、图4。

图3 关注点当量密度曲线（优化前）

图4 关注点当量密度曲线（优化后）

由图3、图4 可以看出，通过排量优化，控制施工排量，可进一步降低关注点动态当量密度，关注点达到漏失压力当量密度时的注入体积从119.9 m3增加至121.5 m3，进一步降低环空压耗，减少漏失量。

3.4 现场应用效果

截至目前，2022 年共在黄湾区块开展现场试验3口井，施工领浆均采用1.20～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系+1.36 g/cm3耐压低摩阻水泥浆体系，施工压力及漏失量较2021 年同区块施工均有显著降低，应用情况统计见表8。

表8 2022 年黄湾区块水平井施工概况表

在体系测量密度差异较小的情况下（浆柱结构由1.18/1.35/1.90 g/cm3调至1.20～1.25/1.36/1.90 g/cm3），经过体系优选及施工参数优化后，区块平均漏失量下降至12.3 m3（其中A 平33-27 井试验水泥上返至井口，正注灰量较大导致漏失量偏大），且施工压力也有了显著下降，正注返高达到600～800 m，水泥浆低返问题有了较大改善。

以A 平32-28 井为例，该井采用二开井身结构，一开φ311 mm×394 m+φ244.5 mm×394 m，二开φ215.9 mm×3 602 m+φ139.7 mm×3 601.85 m。该井钻进至长6 层发生失返性漏失，随钻堵漏后钻进至长7 层持续渗漏，施工前循环有轻微漏失。该井使用1.20 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系21.0 m3，现场施工平均密度1.22 g/cm3，使用1.36 g/cm3耐压低摩阻水泥浆体系24.0 m3，现场施工平均密度1.37 g/cm3，替量期间控制排量，水泥上返至漏失关注点时采用塞流顶替方式，顶替排量0.5～0.7 m3/min，施工正常，起压10.0 MPa，漏失量为10.0 m3，候凝12 h 后顶部补救。48 h 后测直井段固井显示，直井段固井质量合格，封固率98.64%，上部油水层段固井质量全部合格。

同时在相邻区块探井开展现场试验，该区块目的层长7 漏失当量密度低于1.35 g/cm3，为防止漏失，通常采用双级固井工艺。2022 年，依据钻采方案，区块采用体积压裂开发工艺，要求采用一次上返固井工艺。为确保固井质量，区块2 口探井试验1.16 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系，施工正常，固井质量合格，试验情况见表9。

表9 2022 年1.16 g/cm3 玻璃微珠水泥浆体系试验情况表

但由于玻璃微珠材料本身价格较高，每立方米的1.16～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系成本为1.35 g/cm3珍珠岩低密度水泥浆体系的3～5 倍，受限于水泥浆成本限制及钻井工程设计对水泥浆浆柱结构要求等因素，区块漏失问题未能彻底解决。因此，需从钻进前期随钻堵漏方面做更多的工作，提高地层承压能力。同时，建议将井身结构改为三开后，二开封固延安以上薄弱地层，可进一步减少一次封固段长，漏失现象将进一步改善。

4 结论与建议

（1）室内调试的1.15～1.25 g/cm3玻璃微珠水泥浆体系及1.36 g/cm3耐压低摩阻水泥浆体系，流动性好及耐压性能好，现场试验表明可显著降低施工摩阻，防止漏失。

（2）通过合理设计施工参数，可在兼顾顶替效率的同时减缓漏失风险。

（3）加强与钻井队沟通，钻井期间严格做好随钻堵漏，在各漏点开展承压堵漏试验，进一步提高地层承压能力，有助于进一步减少施工漏失，提高正注返高。

（4）建议黄湾区块改为三开井身结构，封固上部薄弱地层及非开发油水层，减少水泥一次封固段长，解决区块漏失问题。