庫車山前固井質(zhì)量風(fēng)險評價研究

袁中濤， 楊謀， 艾正青， 汪瑤， 張昌鐸， 張鑫

庫車山前的氣藏埋深約為7 000 m，一般采用五開井身結(jié)構(gòu)完井，其中四開固井封固庫姆格列木群組的膏鹽巖、白云巖及膏泥巖層段，五開固井封固白堊系目的層。進入四開后主要使用油基鉆井液鉆進，在減少鉆井復(fù)雜的同時，也帶來了新的固井難題[1]。油基鉆井液的密度、屈服值以及膠凝鉆井液的強度均較水基鉆井液大大降低，井徑規(guī)則程度比水基鉆井液鉆井有所提高，因此應(yīng)用油基鉆井液鉆井有利于提高固井頂替效率。不利的影響主要為：在井壁和套管壁上黏附著一層油膜，使水泥環(huán)與第一、二界面的膠結(jié)性能變差[2-5]；油基鉆井液的有效漏失壓力遠小于水基鉆井液，固井漏失問題仍然突出。另外，套管扶正器安放在超深井中仍然存在一定的困難，提高頂替效率仍是超深井固井研究的重要方向。圍繞庫車山前2口已完成井的固井施工方案，著重開展了隔離液的潤濕反轉(zhuǎn)能力評價、減小漏失風(fēng)險的頂替措施研究、套管居中度分析及井筒內(nèi)流體性能對提高頂替效率的適應(yīng)性能評價，為進一步做好庫車山前固井技術(shù)工作提供參考。

1 影響固井質(zhì)量潛在風(fēng)險評價與分析

1.1 隔離液潤濕反轉(zhuǎn)能力

在油基鉆井液條件下，考察前置液對井壁的潤濕反轉(zhuǎn)作用，有助于提高水泥環(huán)與井壁和套管之間的膠結(jié)質(zhì)量[5]。

1）實驗設(shè)備。采用德國KRUSS DSA30S界面參數(shù)一體測量系統(tǒng)，潤濕接觸角測量范圍0～180°，精度為±0.1°，分辨率為±0.01°。

2）實驗方法。①配液：配制不同濃度的表面活性劑溶液；②樣品處理：用普通硬水將金屬片與經(jīng)拋光處理的巖心片沖洗5 min，放入烘箱烘干；③把烘干后的巖心片放入四氯化碳中浸泡30 min后烘干，再用乙醇浸泡30 min后烘干；④放在蒸餾水中浸泡2 h后烘干，制得親水樣品（23.2°/金屬片，26.7°/巖心片）；⑤將步驟③中樣品放入柴油中浸泡2 h后烘干，制得親油試樣（69.57°/金屬片，77.3°/巖心片），以模擬固井前套管壁與井壁表面的親油狀態(tài)。

3）將親油金屬片放在不同濃度表面活性劑溶液中浸泡8 min，烘干后進行潤濕接觸角測試。

4）潤濕接觸角測試。①親油能力測試：使用潤濕角測定儀的微量注射器，將不同濃度的表面活性劑滴在經(jīng)步驟2）處理后的樣品上，待液滴形狀不發(fā)生變化后，記錄測量結(jié)果，取3次測量平均值；②潤濕反轉(zhuǎn)能力測試：在步驟2）和3）中的樣品上注入一滴蒸餾水，待穩(wěn)定后測試其潤濕接觸角，取3次測量平均值。測量結(jié)果見表1。

表1 不同濃度表面活性劑在不同載體上的潤濕性能（室溫）

由表1可知，隨著表面活性劑濃度增加，親油金屬片/巖心片與表面活性劑接觸角，以及經(jīng)表面活性劑處理后的金屬片/巖心片與水的接觸角都逐漸減小，但在不同條件下，巖心的接觸角要大于金屬片的接觸角。這主要是由于巖心具有滲透性與粗糙度，巖心在柴油中浸泡時，有較多的油滲入其孔隙空間，引起部分柴油難以清除干凈；還因為巖心表面較為粗糙，表面活性劑或水難以在表面鋪展。此外，由表1還可以看出，當(dāng)表面活性劑濃度達到30%～35%后，2種條件下的接觸角變化趨于穩(wěn)定，接觸角在30°左右分布已達到很好的親水效果（親水樣品的潤濕接觸角為23.2°/金屬片，26.7°/巖心片）?？梢哉J為在實驗條件下，表面活性劑濃度為30%～35%時，可實現(xiàn)最理想的潤濕反轉(zhuǎn)效果。

在用隔離液配方為：0.8%隔離劑+55%加重劑（微錳）+164%加重劑（普鐵粉）+5%緩凝劑A+5%緩凝劑B+5%分散劑+50%沖洗液+水（以水質(zhì)量計算）。經(jīng)測試表明，其中表面活性劑濃度為50%，遠高于30%～35%。因此，該隔離液配方體系能滿足潤濕反轉(zhuǎn)的要求，即固井過程中注入的隔離液體系能很好地改變井壁和套管壁的潤濕性，有助于提高界面膠結(jié)質(zhì)量。

1.2 減小漏失風(fēng)險的頂替措施

A 井在四開（6 548～6 762 m）鉆進排量為 15 L/s時發(fā)生漏失失返、五開（6 762～7 026 m）鉆進排量為14 L/s時漏失漿體24 m3；B井鉆進至井深 6 860.95 m 時發(fā)現(xiàn)井漏，排量由 20 L/s下降至15 L/s，漏速為 3.1 m3/h ；鉆進至井深 6 865 m 時，漏速為4.84 m3/h。在替漿過程中A井四開、五開排量分別為 15 和 12 L/s；B 井四開（6 157～7 181 m）和五開（7 181～7 417 m）排量為 15 和 12 L/s。從環(huán)空間隙大小分布可知，注水泥套管外壁與井壁間環(huán)空間隙要小于鉆桿外壁與井壁。在相同排量下，環(huán)空間隙減小易形成更大的環(huán)空摩阻，增加漏失風(fēng)險，引起頂替排量降低與水泥漿返高難以達到要求。

固井施工過程中漏失包括自然型漏失與裂縫擴展型漏失[6-9]。針對自然漏失壓力（Ppl），可通過地層孔隙壓力（Pp）和鉆井液在地層中流動產(chǎn)生的摩阻壓降（Ps） 來計算，即為：

此外，為了提高頂替效率，固井作業(yè)中井筒漿體密度以及漿體產(chǎn)生的摩阻壓降，要大于鉆井過程中井筒當(dāng)量液柱壓力，這導(dǎo)致井周應(yīng)力重新分布。若鉆井液進入裂縫系統(tǒng)會進一步改變井周裂縫附近的應(yīng)力場，使得裂縫面有效應(yīng)力降低，裂縫寬度增加，造成漏失的發(fā)生。為此，裂縫擴展型的漏失壓力（Pcl）為[8]：

式中：σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；w0為無井筒正壓差時的裂縫寬度，mm；wc為裂縫產(chǎn)生寬度，mm；A、a為無因次系數(shù)。

結(jié)合式（2），防止注水泥漏失條件下的臨界循環(huán)摩阻為：

式中：Pf為環(huán)空循環(huán)摩阻，MPa；Pl為漏失壓力，MPa；△h為井深計算步長，m；i為井深節(jié)點個數(shù)i=h/△h；ρn為井筒漿體的密度，g/cm3。

賓漢流體和冪律流體的流體摩阻壓降可依據(jù)井眼尺寸、套管外徑、流體性能以及施工排量獲得。進而易求得防止井漏發(fā)生的最大施工排量。

結(jié)合式（3）可知，在井筒漿體屬性確定的條件下，為了避免固井中漏失現(xiàn)象的發(fā)生，最直接且有效的方法為降低循環(huán)摩阻，而循環(huán)摩阻受施工排量的確定。那么在防止漏失條件下確定的施工排量能否滿足頂替效率的要求。為此，借用Fluent軟件模擬分析不同排量（7、12 L/s）對頂替效果的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可知，排量增加，頂替界面高度隨之增加，混合段長度也增長。但水泥漿頂替鉆井液流經(jīng)長度段的頂替效率幾乎相等（如圖中藍色表示），即在套管居中條件下排量的大小對頂替效率影響不大[10]。因此，在注水泥實踐過程中從塞流、層流及紊流均可以實現(xiàn)較好的頂替效率。如在庫車山前A井和B井之后施工的克深603井、克深10井固井深度分別為 5 891 m 和 6 160 m，均采用小排量注替防漏固井技術(shù)，達到良好的固井效果。為此，針對于A井與B井易漏工況條件下固井作業(yè)，建議采用小排量施工。在漿體性能滿足要求前提下，采用塞流頂替技術(shù)，不僅防止在注水泥過程中較高的漿體密度與摩阻壓降引起的漏失，還能確保將井筒中的鉆井液替凈，進而提高固井質(zhì)量。

圖1 不同排量下水泥漿頂替鉆井液數(shù)值模擬結(jié)果

1.3 提高頂替效率研究

1.3.1 套管居中度分布

該工區(qū)四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至庫姆格列木群組，下入φ201.7 mm套管封隔膏鹽巖、白云巖及膏泥巖層段；五開采用φ168.28 mm鉆頭鉆開主要目的層巴西改組，下入φ139.7 mm套管作為產(chǎn)層套管。以工區(qū)A井四開平均井眼尺寸為φ213.36 mm、套管尺寸φ201.7 mm、井斜角為2.4°、方位角為313°、鉆井液密度為2.3 g/cm3為數(shù)據(jù)計算?；谛袠I(yè)標準SY/T 5334—1996和文獻修正的套管居中度計算方法[11-12]，則可獲得該參數(shù)條件下剛-剛性扶正器組合、剛-彈性扶正器組合以及彈-彈性扶正器組合安放間距與影響因素，見圖2和圖3。由圖2可知，在保證套管居中度為0.67的條件下，各扶正器安放間距依次為：彈性扶正器＞剛-彈性扶正器＞剛性扶正器（彈性扶正器與剛性扶正器外徑均為211 mm）。間距分別為29、27及25 m。由圖3可知，隨著井斜角變化率的增加，扶正器安放間距逐漸減小，依次為28.0、25.5、23.5 m及22.0 m。因此，在該井眼環(huán)境條件下，每2個套管安裝一只扶正器可以確保居中度大于67%。

圖2 不同扶正器組合條件下套管居中度隨間距分布情況

圖3 不同井斜角下套管居中度與彈性扶正器間距分布

不同井徑擴大率條件下，套管居中度與剛性和彈性扶正器間距分布情況見圖4和圖5。由圖4可知，隨著井徑擴大率的增加，在保障套管居中的條件下，剛性扶正器間距顯著減小，當(dāng)井徑擴大率為4%時，剛性扶正器安放間距為17 m，比未發(fā)生井徑擴大率的井段扶正器的間距減小了7.5 m。因此，當(dāng)井徑擴大率大時，剛性扶正器很難保障套管居中度。由圖5可知，對彈性扶正器而言，井徑擴大率的變化對扶正器安放間距影響較小，影響間距不超過1 m。主要由于彈性扶正器具有較高的復(fù)位力，在井眼擴大井段可以提高套管居中程度。

通過井史資料調(diào)研與上述分析結(jié)果可知，庫車山前A井在6 456～6 750 m井段每4根套管安裝一個彈性扶正器，難以保障套管居中；B井在6 488～6 858 m井段每2根套管安裝一個彈性扶正器，套管居中度為71.2%。

此外，基于上述分析可知，井斜角與方位角變化較大的井段，可使用剛性扶正器和彈性扶正器混加的方式進行安裝。即剛性扶正器安裝在井徑小的井段，彈性扶正器安裝在井徑較大的井段；在上部井斜角較小的井段安裝彈性扶正器，在井斜角較大的井段和水平段安裝剛性扶正器。

圖4 不同井徑擴大率下套管居中度與剛性扶正器間距分布

圖5 不同井徑擴大率下套管居中度與彈性扶正器間距分布

1.3.2 井筒內(nèi)流體性能的適應(yīng)性評價

在注水泥過程中，為了提高頂替效果，鉆井液、隔離液及水泥漿3者的匹配性能尤為重要。常規(guī)設(shè)計要求認為鉆井液密度＜隔離液液密度＜水泥漿密度，且相鄰2種流體密度差大于0.2 g/cm3；漿體流變性要求鉆井液流性指數(shù)＞隔離液流性指數(shù)＞水泥漿流性指數(shù)、鉆井液稠度系數(shù)＜隔離液稠度系數(shù)＜水泥漿稠度系數(shù)。然而在實際頂替過程中，對于被頂替流體而言，受到驅(qū)替壓力、壁面流動阻力、流體密度差產(chǎn)生的浮力，需要頂替流體產(chǎn)生的合力大于被頂替流體滯留阻力，方可避免被頂替流體滯留在套管壁和井壁周圍。為此，基于力學(xué)平衡關(guān)系，可獲得頂替流體與被頂替流體為冪律流體條件下，兩流體間流變性能滿足頂替要求的表達式（4）：式中，nm和ns為被頂替流體和頂替流體的流性指數(shù)；Km和Ks為被頂替流體與頂替流體的稠度系數(shù)，Pa×sn；ρm和ρs為被頂替流體與頂替流體的密度，kg/m3；R和r為井眼半徑與套管外半徑，m；V為流體流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

為此，若式（4）左端小于右端，則表明漿體性能匹配較好；否則較差。表2和表3為A井和B井漿體流變性能參數(shù)與密度。由表2和表3數(shù)據(jù)結(jié)合漿體匹配評價模型，可獲得A井和B井在四開與五開漿體匹配性，計算結(jié)果見表4。

表2 A井四開與五開漿體流變性及密度測試結(jié)果（93 ℃）

表3 B井四開與五開漿體流變性及密度測試結(jié)果（93 ℃）

表4 A井和B井四開與五開井段漿體匹配性計算結(jié)果

由表4可知，A井四開和五開漿體匹配性能較好；B井四開漿體匹配性能較好，五開水泥漿與隔離液性能匹配較好，而隔離液與鉆井液漿體匹配性能較差，不利于頂替。為此，針對于B井在固井施工前，鉆井液流變性能需要進行調(diào)配，以提高頂替效率。

2 固井質(zhì)量分析

將2口井聲波幅度測井?dāng)?shù)據(jù)進行處理，可獲得固井質(zhì)量與井深關(guān)系，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 A井四開與五開固井質(zhì)量隨井深分布圖

圖7 B井四開與五開固井質(zhì)量隨井深分布圖

從A井和B井四開、五開固井質(zhì)量結(jié)果分析可知，A井在6 478～6 778 m井段固井質(zhì)量不合格，在 6 778～6 928 m 井段固井質(zhì)量優(yōu)秀 ；B 井在6 100～6 700 m 井段固井質(zhì)量良好，在 6 700～7 200 m井段固井質(zhì)量較差。結(jié)合前述分析可知，A井四開與五開井筒漿體匹配性較好，但在6 456～6 750 m 井段每 4 根套管安裝一個彈性扶正器，難以保障套管居中，使得在頂替過程中，寬間隙的鉆井液可能已被先頂替走，窄間隙的鉆井液卻仍然滯留在井壁/套管壁，一方面造成水泥漿竄槽，另一方面使得寬窄間隙水泥漿返高差異大；此外，該井段漿體間密度差較小，鉆井液與水泥漿密度差為0.01 g/cm3（表2），使得鉆井液在水泥漿中受到的浮力較小，不利于頂替。因此，2方面因素導(dǎo)致A井在四開井段固井質(zhì)量較差。A井五開每根套管安放一只扶正器，居中度較好，漿體間性能匹配好，且鉆井液、隔離液及水泥漿間的密度差達到了0.05 g/cm3（表2），高于四開漿體密度差，基本可以實現(xiàn)良好的頂替效果，使得在該井段的固井質(zhì)量優(yōu)秀。

B井在四開與五開套管居中度較好，四開井段井筒漿體匹配性較好，五開井段隔離液與鉆井液漿體性能匹配效果不佳，且四開漿體間密度差大于五開漿體間密度差。因此，四開固井質(zhì)量要優(yōu)于五開。

3 結(jié)論

1.庫車山前所采用的隔離液體系中，表面活性劑濃度大于30%條件下，可使在油基鉆井液環(huán)境中井壁/套管壁產(chǎn)生潤濕反轉(zhuǎn)作用，導(dǎo)致井壁/套管壁處于親水狀態(tài)，有助于提高界面膠結(jié)能力。

2.依據(jù)庫車山前四開井眼狀況與井筒流體性能，每2根套管安放一個扶正器可確保套管居中度大于67%；此外，在井眼擴大處安放彈性扶正器要優(yōu)于剛性扶正器、井斜角變化較大井段安裝剛性扶正器要優(yōu)于彈性扶正器。

3.針對于漏失地層，在井筒流體性質(zhì)一定條件下，井筒流體排量引起的循環(huán)摩阻應(yīng)小于漏失壓力與靜液柱壓力的差值。

4.在套管居中度前提下，控制井筒漿體正密度差與流變性是影響固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素，井筒流態(tài)為塞流，以上均可確保鉆井液替凈。

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