低密度水泥浆在吉林油田低压易漏地层固井中应用.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 6基金项目:“水泥浆一次返地面及防窜固井技术研究低成本防漏防窜固井技术”,项目编号:2 0 2 2 J S 2 0 2 2-G-2 8-J Z-1 3-3 3。作者简介:杨振科(1 9 7 9-),男,河南南阳人,2 0 0 7年毕业于西南石油大学油气井工程专业,硕士研究生,主要从事钻井工程技术方面的研究工作,现任吉林油田公司钻井工艺研究院副院长。低密度水泥浆在吉林油田低压易漏地层固井中应用杨振科1,何 军1,张 清1,贾聚全1,郭雪利2,张 弛2(1.吉林油田公司,吉林 松原 1 3 8 0 0 0;2.中国石油集团 工程技术研究院有限公司,北京 1 0 2 2 0 0)摘要:吉林油田部分地区钻遇地层由于天然裂缝比较发育、长期开采地层压力较低,在固井过程中易出现水泥浆漏失,造成环空水泥浆无法返至设计井深,对固井质量产生很大影响,制约了后续正常生产。针对吉林油田低压易漏地区,开展浆柱结构和顶替效率影响分析,提出保证环空一次上返的技术要求,根据现场实际井工况,开展注替过程水泥浆密度对井底当量密度影响分析、套管居中度和施工排量对环空顶替效率影响分析。结果表明:合理设计环空水泥浆浆柱结构能够保证环空水泥浆不漏失,提升环空一次上返成功率,为环空有效封固提供保障;在保证环空不漏的条件下,增加注替排量能够显著提升环空顶替效率,提高套管居中度能够在一定程度上提升环空顶替效率。通过现场固井施工注替过程模拟,对水泥浆密度、施工参数进行优化设计,保证了环空一次上返成功,为吉林油田低压易漏层的有效封固提供了技术保障。关键词:低密度水泥浆;低压易漏;当量密度;顶替效率;一次上返;居中度中图分类号:T E 2 6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 6-0 0 9 7-0 5 随着吉林油田乾安、红岗、扶余等地区钻井工作量不断加大,集团公司对固井质量提出更高的要求。2 0 2 1年上报井中不合格井3 6口,原因主要包括水泥返高不够、管鞋处及油气水层段及其以上2 5 m不合格、合格段低于7 0%,表明漏失和油气水窜是影响目前固井质量的主要难点。针对吉林油田漏失问题比较突出的地区,如乾安海坨子地区所钻遇的姚家组、青山口组、泉头组,这些地层天然裂缝比较发育,同时由于长期开采地层压力较低,在固井过程中易出现水泥浆漏失1,造成环空水泥浆无法返至设计井深,对固井质量产生很大影响,制约了后续正常生产2。为了有效解决低压易漏地层固井水泥浆漏失问题,国内外学者通过加水3、充填空心微珠4、充填泡沫5等方式,研发了不同性能的低密度水泥浆体系,在现场也取得了一定的成效6。但是固井施工过程中,由于低密度水泥浆浆柱结构设计、施工参数设计缺乏科学的模拟手段,使得注替过程中水泥浆漏失问题没有得到有效解决。本文针对吉林油田低压易漏地区,对影响固井的难点进行分析,厘清产生固井质量不高的原因。在此基础之上,开展水泥浆浆柱结构和顶替效率影响分析,提出保证环空一次上返的技术要求。根据现场实际井的工况,开展水泥浆密度对注替过程井底当量密度影响分析、套管居中度和施工排量对环空顶替效率影响分析,并指导水泥浆密度、施工参数优选,环空一次上返成功,为低压易漏层的有效封固提供了技术保障。1 固井技术难点吉林油田乾安、红岗、伊通等地区由于封固段长、地层承压能力低等原因导致水泥返地面难度大、环空水泥浆易漏失。对于低压易漏失层,合理设计水泥浆柱结构是保证固井施工顺利的重要基础。前期主要根据油层分布情况,设计油层固井领浆封固0油顶以上3 0 0 m(斜深),采用密度1.5 51.6 5 g/c m3的水泥浆体系,尾浆封固油顶以上3 0 0 m(斜深)井底,采用常规密度1.9 01.9 2 g/c m3水泥浆体系。油层套管固井结束后候凝4 8 h,随后采用常规密度1.8 71.9 2 g/c m3纯水泥浆体系,在油层套管和表层套管之间挤注,实现环空的有效封固。在实际应用中取得了一定的效果,但是增加了79 2 0 2 3年第6期内蒙古石油化工每口井的施工作业成本,随着低密度水泥浆体系研发成功,在油层套管环空上部采用低密度水泥浆体系,结合下部常规密度水泥浆体系,以期实现环空一次性上返,保证固井施工后环空的有效封固。图1 环空一次返至地面固井工艺 对于一次上返地面固井工艺,由于所采用的水泥浆密度较低,在环空注替过程中,顶替效率不高,易造成固井质量不好。2 0 1 9-2 0 2 0年开展了水泥浆返地面试验,各地区存在不同程度低返(如图2所示)。一次返地面井多采用双凝双密度,上部低密度水泥浆在环空的顶替效率不高,同时地层温度低,易造成固井界面胶结不好。图2 一次上返情况统计2 固井技术分析2.1 浆柱结构分析在实际固井施工中,合理设计低密度领浆密度值,是保证环空一次上返成功的关键。如果水泥浆密度选取不当,在固井注替过程中,很容易引发漏失,造成环空水泥浆无法返至地面,导致固井质量不合格,影响后续正常生产。因此,需要对领浆水泥浆密度进行分析,保证固井施工过程不压漏地层。2.2 环空顶替效率分析顶替效率是固井质量的基本保障,也是影响测井检测质量效果的主要原因。再好的水泥浆/石性能,顶替不到位,就不可能保障密封完整性。影响顶替效率的主控因素有三个:一是套管居中与井眼规则;二是驱替能量,包括环空浆柱密度差、切力差、顶替排量(动量)、顶替接触时间、浆体的流变特性等;三是环空冲洗力。其中套管居中和顶替排量是最重要的影响因素。顶替效率的准确模拟,需要建立精准的顶替模型,目前顶替效率模型已经由一维发展为二维及三维数值模型。一维模型为平板流模型,计算结果不够准确,三维数值模拟运算速度太慢,不利于现场施工;二维综合考虑了多种因素,成为应用较多的主流模型。二维模型是本世纪初,哥伦比亚大学与斯伦贝谢合作建立,该模型在H e l e-S h a w模型的偏心环空注水泥动态顶替界面描述的基础之上,考虑了流体在环空轴向与周向方向的二维流动,通过速度场和浓度场的耦合求解,能够追踪顶替界面的变化情况以及接触流体间的质量掺混。该模型适用于各种井型、考虑流体间质量掺混、考虑顶替界面随时间的变化、计算速度快、适合工程应用计算。3 影响因素分析为了分析浆柱结构和施工参数对固井效果影响,针对一口现场开发井,该井一开采用 3 4 6 mm钻头钻至3 0 4 m,下入 2 7 3.0 5 mm表层套管封隔上部浅层地层,二开采用 2 1 5.9 mm钻头钻至27 3 5 m完井,下 入 1 3 9.7 mm套 管 封 固 含 水 层 和 油 层井段。3.1 领浆密度影响分析为了分析不同领浆密度对注替过程井底当量密度影响,领浆采用1.5 g/c m3、1.4 g/c m3、1.3 g/c m3密度水泥浆,尾浆采用1.9 0g/c m3常规密度水泥浆,领尾浆分界面在20 2 0 m,注替排量取1.8 m3/m i n。根据地质资料可知,地层漏失当量密度约为1.6 0g/c m3左右。在此基础之上,分别考察注替过程中不同领浆密度条件下井底当量密度变化情况,计算结果如图3所示。(a)1.5 0 g/c m3密度领浆,1.8 m3/m i n注替排量(井底当量密度1.2 4 61.7 0 8g/c m3)89 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期(b)1.4 0 g/c m3密度领浆,1.8 m3/m i n注替排量(井底当量密度1.2 4 31.6 3 1g/c m3)(c)1.3 0 g/c m3密度领浆,1.8 m3/m i n注替排量(井底当量密度1.2 5 21.5 7 9g/c m3)图3 注替过程井底当量密度变化 由图3可知,当领浆水泥浆密度为1.5 0 g/c m3和1.4 0 g/c m3时,注替过程中井底当量密度分别为1.2 4 61.7 0 8g/c m3和1.2 4 31.6 3 1g/c m3。因此,在水泥浆注替结束时,井底当量密度超过漏失当量密度,此时水泥浆很容易出现漏失,继而降低环空上返高度,影响固井施工作业效果。当领浆水泥浆密度为1.3 0 g/c m3时,注替过程中井底当量密度为1.2 5 21.5 7 9g/c m3,其中最大当量密度小于井底漏失当量密度,说明在固井注替过程中不会压漏地层,能够保证环空水泥浆上返至地面,提升环空一次上返成功率,为环空有效封固提供保障。3.2 套管居中度对顶替效率影响分析在井眼中,如果套管偏心,窄间隙钻井液难以流动,易造成钻井液滞留,形成不均匀顶替。为了分析居中度对环空顶替效率影响规律,采用1.6 m3/m i n排量进行注替,分别考察套管居中度为6 0%、7 0%和8 0%条件下环空顶替效率,计算结果如图4所示。(a)1.6 m3/m i n注替排量,6 0%居中度,顶替效率9 4.2 5%(b)1.6 m3/m i n注替排量,7 0%居中度,顶替效率9 6.6 8%(c)1.6 m3/m i n注替排量,8 0%居中度,顶替效率9 7.5 5%图4 不同居中度下环空顶替效率 由图4可知,采用1.6 m3/m i n的注替排量时,随着套管居中度的增加,环空顶替效率有一定程度增加。由此可见,套管居中是提高顶替效率的重要条件,需要采取技术措施,保证套管居中度满足现场固井需求。为了更加准确的计算套管居中度,可以在刚性梁模型的基础上,引入柔性梁模型,实现套管居中度的精确计算。除此之外,优化扶正器类型与安放位置,选用旋流扶正器改善环空顶替流场、选用变径扶正器提高扩眼井径套管居中度,改善套管居中条件与环空流动形态,从而实现钻井液的高效驱替。3.3 顶替排量对顶替效率影响分析固井过程中,注替排量对环空顶替效率具有重要影响,为了分析其对顶替效率影响,取套管居中度为7 0%,分别考察不同注替排量下环空顶替效率,计算结果如图5所示。(a)1.0 m3/m i n注替排量,顶替效率8 0.5%,混浆段,8 2 3 m99 2 0 2 3年第6期杨振科等 低密度水泥浆在吉林油田低压易漏地层固井中应用(b)1.2 m3/m i n注替排量,顶替效率9 2.3 5%,混浆段7 6 3 m(c)1.4 m3/m i n注替排量,顶替效率9 5.6 7%,混浆段1 3 6 m图5 不同排量下环空顶替效率 由图5可知,随着注替排量增加,环空顶替效率明显增加,同时混浆段也大幅降低。由此可见,顶替排量的增加能够显著提升环空顶替效率。因此可以根据固井安全密度窗口,采用大排量顶替,增强顶替液对钻井液的冲蚀、扰动、携带的作用,有利于对钻井液的顶替。在现有条件下,通过调整环空液柱压力,能够保证排量最大化,继而实现顶替效率最大化。4 现场应用黑X井是位于吉林松辽盆地南部大情字井油田一口开发井,井身结构如图6所示。该井固井过程水泥浆封固段长27 1 3 m,液柱压力大,易发生漏失。4.1 浆柱结构设计通过固井注替过程模拟,对水泥浆柱结构进行优化,领浆采用1.3 0 g/c m3超低密度水泥浆,4 8小时强度超1 0 MP a,稠化时间满足施工需求。尾浆为1.9 0 g/c m3常规密度水泥浆,领尾浆界面为20 2 0 m。同时,采用2 0 m3注入量、1.0 g/c m3密度的前置液,保证顶替过程能够有效冲洗环空壁面,改善水泥浆在界面处的胶结环境,提升胶结强度。4.2 施工参数优化通过 扶 正 器 居 中 度 模 拟,选 用 2 1 6 mm 1 4 0 mm扶正器,设计井口到油层顶部每2根套管安放一只扶正器,油层顶部到井底每1根套管安放一只扶正器,保证套管居中度超过8 0%。图6 黑X井井身结构 采用变排量注替设计,前置液采用1.2m3/m i n排量泵注,领浆和尾浆采用1.6m3/m i n排量泵注,后置液、顶替液和压塞液均采用1.2m3/m i n排量泵注,在保证注替过程环空不漏失的条件下,实现环空顶替效率的最优化。4.3 施工前准备完井电测结束后采用完钻钻具下钻通井,通井到底后,利用稠浆裹沙,充分循环钻井液,利用净化设备(如振动筛、除砂器等)清除井底沉砂及井壁吸附物,起钻前通井排量需达到1.82.0 m3/m i n,至少循环一周至两周以上,保证井眼通畅、井壁稳定,为套管顺利下入井底奠定基础。4.4 应用效果黑X井固井连续施工,碰压正常,未出现漏失,返出水泥浆约8 m3,泄压后回流约3 0 0 m L后断流。该井固井的顺利实施,为后续生产施工提供了良好的井筒条件,为今后该区块固井返地面方案优化提供了借鉴,为满足集团公司红线评价提供了技术保障。5 结论与建议本文针对吉林油田低压易漏地区,开展浆柱结构和顶替效率影响分析,根据现场实际井的工况,开展注替过程水泥浆密度对井底当量密度影响分001 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 析、套管居中度和施工排量对环空顶替效率影响分析。结果表明:(1)合理设计环空水泥浆浆柱结构能够保证环空水泥浆上返至地面,提升环空一次上返成功率,为环空有效封固提供保障。(2)在保证环空不漏的条件下,增加注替排量能够显著提升环空顶替效率,提高套管居中度能够在一定程度上提升环空顶替效率。(3)通过注替模拟,对现场固井施工进行优化,指导水泥浆密度、施工参数优选,实现了环空一次上返成功,为低压易漏层的有效封固提供了技术保障。参考文献1 侯兵.吉林油田海坨子地区防漏固井技术D.东北石油大学,2 0 1 5.2 杨锐.吉林油田海坨子地区防漏堵漏固井技术D.东北石油大学,2 0 1 2.3 齐奉忠,王顺利,毛敬勋,等.吉林油田双坨子地区气井固井技术J.石油钻采工艺,2 0 0 7(1):9 5-9 7+1 2 4.4 李广华,冷雪,步云鹏,等.吉林油田低密度水泥浆体系的研究与应用J.钻井液与完井液,2 0 0 5(S 1):8 7-8 8+9 2-1 2 7.5 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