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提高窄安全密度窗口地層固井質量的力學機制研究

文檔作者：沈海超胡曉慶王希玲文檔來源： 1．中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司 2．中海石油研究總院，北京)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月31日
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第28卷第5期
20l1年9月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID &amp;amp; C0M PLET10N FLUID
Vol_28 No．5
Sept．2011
文章編號：1001—5620(201 1)05—0044—03
提高窄安全密度窗口地層固井質量的力學機制研究
沈海超 ， 胡曉慶 ， 王希玲
(1．中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京；2．中海石油研究總院，北京)
摘要窄安全密度窗口地層固井壓穩(wěn)和防漏矛盾突出，固井質量不高一直是困擾該類地層的難題之一。從固
井施工過程力學分析出發(fā)，研究了固井防竄、防漏的力學機理，并在此基礎上提出了一套壓穩(wěn)、防漏的環(huán)空壓力
控制方案。介紹了緬甸某窄安全密度窗口地層固井失敗案例，指出了該井固井設計、施工的不足之處并提出了針
對性改進方案，為窄安全鉆井液密度窗口等復雜條件下固井設計與施工提供參考借鑒。
關鍵詞 窄安全密度窗口；固井；固井質量；竄槽；漏失；力學機制；實例研究
中圖分類號：TE256．9 文獻標識碼：A
窄安全密度窗口地層固井質量不高一直是困擾
該類地層的難題之一[1-3]。近些年來，國內外進行了
大量有關防竄、低密度、高強度、增韌水泥漿的研制
以及防竄固井工具的開發(fā)等方面的工作[4-111，為提
高易竄、易漏井段的固井質量提供了有效手段。然
而，有關固井施工力學分析的研究逐漸被工程人員
忽視，雖然新型水泥漿以及固井工具不斷被推廣應
用，但固井發(fā)生竄槽、漏失的情況并未得到有效控
制。因此，從固井施工過程力學分析出發(fā)，研究了
固井防竄防漏的力學機理，提出了壓穩(wěn)、防漏的井
底壓力控制方案，并結合緬甸窄安全鉆井液密度窗
口固井失敗案例，分析了提高固井質量的力學機制。
1 固井施工壓穩(wěn)與防漏的力學機制
1．1 平衡壓力固井
要獲得良好的固井質量，必須保證注水泥施工
及水泥漿候凝期間的環(huán)空液柱壓力大于地層孔隙壓
力，小于地層漏失壓力。即：
Pd< P < P1 (1)
式中：P、尸d、P1分別為注水泥施工及水泥漿候凝
期間的環(huán)空液柱壓力、地層孔隙壓力、地層破裂壓
力，MPa。
注水泥施工期問，環(huán)空液柱壓力處于動態(tài)變化，
注水泥結束瞬間，環(huán)空液柱壓力達到最大值Pt．；水
泥漿候凝期間，環(huán)空液柱壓力為 ：
P P P P Pt 2)
l=尸lm+ + h (3)
式中： 、P。、 、尸r、尸c 分別為環(huán)空鉆井液液柱壓力、
環(huán)空隔離液液柱壓力、環(huán)空水泥漿柱壓力、循環(huán)壓
降、候凝期間環(huán)空水泥漿柱壓力，MPa。
固井壓穩(wěn)設計一般依據(jù)式(1)和式(3)進行，
防漏設計一般依據(jù)式(1)和式(2)進行。
1．2 水泥漿候凝失重與環(huán)空竄流分析
水泥漿膠凝失重及水泥石體積收縮是固井環(huán)空
竄流的主要原因[12]o
1．2．1 水泥漿膠凝失重
Sabins等人建立的水泥漿凝結失重模型[12-141表
達式如下：
AP=4 ／(J[)H—DP) (4)
水泥漿凝結失重后，作用在井底的壓力為：
Pwl=P。gL。×10～一AP (5)
式中：AP、r 分別為水泥漿在不同時刻膠凝強度
所對應的失重值、水泥漿膠凝強度，MPa；L 、D
分別為水泥漿柱長度、井徑、套管外徑，m；Pw
第一作者簡介：沈海超，1982年生，2009年獲中國石油大學(華東)油氣z_~Jj學專業(yè)博士學位，現(xiàn)在從事巖石力學
及鉆井工程方面的研究工作。地址：北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈513室胡曉慶(收)；郵政編碼100027；電話
1 50 1 0435972；E—mail：hcshen@sipc．ca。
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第28卷第5期 沈海超等：提高窄安全密度窗口地層固井質量的力學機制研究 45
為水泥漿凝結失重時井底壓力，MPa；P 為水泥漿
密度，kg／m ；g為重力加速度，m／s 。
實際井眼條件下，水泥漿失重后，漿柱壓力最
小值為水柱壓力。此時環(huán)空任意點處的壓力降達到
最大值，發(fā)生油氣水竄的可能性最大。
1．2．2 水泥石收縮引起的失重
根據(jù)水泥漿不同時刻的收縮大小和壓縮系數(shù)，
可以求出水泥漿失重值AP 。
APl=(A +△ )／CF (6)
其中：△ =7c(D 一D ) ／4 (7)
△ 兀DH t L。 (8)
式中：AP。為水泥漿失重值，MPa；△ 和△ 分
別為某時刻水泥漿水化引起的總體積收縮量和失水
引起的體積收縮，m ；Sh 為某時刻水泥漿水化引起的
總收縮率，％ ； 為按API標準測量有泥餅時的水泥
漿平均流速，m／min； 為水泥漿凝固某時刻的時間，
min；Cr為水泥漿壓縮系數(shù)，m ／MPa；D 為井眼直
徑，m；三 為水泥面到封固段中任一計算點的長度，m。
2 井底壓力控制方案
窄安全密度窗口固井應以安全密度窗口研究、
固井環(huán)空循環(huán)壓降分析、水泥漿失重規(guī)律研究為基
礎，優(yōu)化設計環(huán)空漿柱結構、漿體性能及固井頂替
工藝，合理設計固井施工前后井底壓力，從力學角
度實現(xiàn)壓穩(wěn)、防漏目的，并在此基礎上提高水泥漿
體系的防竄、防漏能力，提高固井質量。窄安全密
度窗口固井的環(huán)空壓力控制方案見圖1所示。
綜合破裂壓力預測、地破
試驗以及實鉆鉆井液性能，
確定保證地層不漏的還空
壓力當量密度ECD。
卅、口1’U廠口J-lYa／~ ，J ／ J J lJ 、)
鉆鉆井液性能以及關井求取
的地層壓力，確定壓穩(wěn)地層
所需環(huán)空壓力當量密度EC1)
汁算紊流頂替時環(huán)空壓降ECD
計算塞流頂替時環(huán)空壓降ECD
二=二墨
采用塞流頂替，環(huán)空壓力設計
環(huán)空壓力上限：ECDl-ECDp
環(huán)空壓力下限：ECD
二二=
采用紊流頂替，環(huán)空壓力設計
環(huán)空壓力上限：ECD~-ECD,
環(huán)空壓力下限：EcD^
圖1 窄安全密度窗口固井環(huán)空壓力控制方案
3 現(xiàn)場應用
以緬甸P．1X井西177．8 mm尾管固井為例，分
析了基于井底壓力控制方案的現(xiàn)場應用情況。
3．1 P一1X井基本情況及固井難點
P一1X井為緬甸某區(qū)塊的定向井， 該井三開
4,31 1．2 mm井眼中途完鉆井深為2 745．24 rn，4)244．5
mm套管下深為2 743．80 m，水泥漿返至地表。四
開用 215．9 mm鉆頭鉆至井深3 152 m完鉆，井
斜角為30?！?0。；設計使用 177．8 mm尾管下人
3 151～2 542．67 m井段。
該井四開地層壓力當量密度為1．92 g／cm ，破
裂壓力當量密度為2．0 g／cm 。固井前鉆井液密度為
1．82 g／cm ，鉆井液中堵漏劑含量較高，環(huán)空壓降當
量密度為0．15 g／cm ，開泵時過平衡，停泵時欠平衡，
井壁坍塌嚴重。四開鉆進過程中，在多處井段發(fā)現(xiàn)
有良好氣測顯示，但地層承壓能力低，多處發(fā)生漏
失，安全鉆井液密度窗口窄，壓穩(wěn)與防竄矛盾突出。
井漏限制了施工排量，定向井段套管不易居中，鉆
井液中堵漏材料含量較高，井壁上虛泥餅較多，水
泥漿頂替效率不高， 西177．8 mm尾管固井難度大。
3．2 技術措施
①采用兩凝水泥漿體結構，兩凝界面位于井
深2 850 m處，下部尾漿失重過程中，領漿未凝固，
保持合適的環(huán)空壓力以壓穩(wěn)地層。②使用非滲透防
氣竄水泥漿體系，嚴格控制水泥漿失水量，縮短水
泥漿稠化時間。③ 優(yōu)化注替排量，控制好施工壓力；
采用紊流一塞流變排量頂替技術，提高水泥漿頂替
效率，降低漏失風險。④套管下至設計深度后循環(huán)
處理鉆井液，降低黏度和動切力，提高頂替效率。
盡管 177．8 inirl尾管固井制定了詳細的防漏、
防竄技術措施，但是同井過程仍出現(xiàn)氣竄，套管試
壓也不合格；現(xiàn)場采取擠水泥補救措施，才使套管
試壓成功，固井失敗的原因值得深人分析與總結。
3．3 氣竄原因分析
P一1X井四開井段安全密度窗口窄，漿體結構
及性能設計未滿足壓穩(wěn)高壓氣層的條件，導致固井
氣竄。該井固井替漿及水泥漿失重時井底壓力見表1。
注水泥漿、替漿時，由于固井前鉆井液環(huán)空壓
降當量密度由0．15 g／cm 降至0．06 g／cm ，井底壓力
當量密度為1．89 g／cm ，低于地層壓力， 因此，注
水泥漿過程沒有壓穩(wěn)氣層。
替漿到位后，環(huán)空靜液柱壓力當量密度為1．83
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鉆 井 液 與 完 井 液 2011年9月
g／cm (見表1)；由表1不難看出，該井固井施工替
漿到位以及尾漿候凝失重期間也沒有壓穩(wěn)氣層。
表l 替漿、水泥漿失重時井底壓力
流體
一
。
井深 垂深
一
，
一
P
．
2／
一
P
．
3／
Wcm m m g／cm g／cm 一 Wcm
注：P 、P：、P 分別為替漿到位時、失重時、以排量為
20 L／s循環(huán)時的井底壓力當量密度。
綜上所述，該井的固井施工過程壓力欠平衡，
氣層沒有壓穩(wěn)，在這種情況下，即使采用防竄水泥
漿，也達不到預期作用，這是固井氣竄的根本原因。
3．4 固井方案
對P一1X井破裂壓力預測、地層破裂試驗以及
實鉆鉆井液性能進行分析，確定該井四開地層不漏
的環(huán)空壓力當量密度為1．97 g／cm 。由水力學分析可
得，該井固井施工紊流頂替環(huán)空壓降為0．06 g／cm ，
塞流頂替環(huán)空壓降為0．02 g／cm 。
欲實現(xiàn)壓穩(wěn)防漏的目的，固井過程中環(huán)空壓力
應小于漏失壓力，大于地層壓力，故安全密度窗口
僅為0．05 g／cm ；依據(jù)窄安全密度窗口固井井底壓
力控制方案，考慮到紊流及塞流頂替的環(huán)空壓降可
知，盡管紊流頂替、塞流紊流交替頂替方式有助于
提高水泥漿頂替效率，但該井若采用紊流頂替，壓
穩(wěn)與防漏無法兼顧，因此只能采用塞流頂替(環(huán)空
壓降為0．02 g／cm。)，替漿過程中環(huán)空漿體靜液柱壓
力當量密度控制在1．90～1．95 g／cm ，確保注水泥
漿過程中壓穩(wěn)但不壓漏地層，在此基礎上環(huán)空漿體
結構及性能可做進一步優(yōu)化，盡可能提高頂替效率；
替漿到位后，采用循環(huán)候凝方法，循環(huán)排量需做優(yōu)
化，確保環(huán)空水泥漿失重期間壓穩(wěn)但不壓漏地層。
4 結論
1．發(fā)生固井竄槽及漏失問題的本質是環(huán)空內壓
力與地層壓力、地層漏失壓力的力學平衡問題，提
高固井質量的力學機制研究始終是固井壓穩(wěn)防漏工
作的基礎，也是各種新型防竄、防漏固井水泥漿體
系及固井工具得以有效實施的前提，這一點需引起
固井工程人員重視。
2．提出了一套窄安全密度窗口固井環(huán)空壓力控
制方案，依據(jù)該方案對環(huán)空漿體結構、漿體性能以
及頂替方式進行合理設計，同時做好固井施工過程
井底壓力計算與校核，保證空內壓力始終高于地層
壓力，低于地層漏失壓力，實現(xiàn)壓穩(wěn)防漏的目的，
提高窄安全密度窗口固井質量。
3．為提高頂替效率，現(xiàn)場固井前鉆井液黏度、
切力等性能一般作相應調整，固井施工壓力分析時
要考慮鉆井液性能調整對循環(huán)壓降的影響，做好壓
穩(wěn)設計及環(huán)空壓力校核工作。
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(收稿日期2011—2—10；HGF=I105M5；編輯馬倩蕓)
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