2提高多压力层系井固井质量的认识与实践.doc

提高多压力层系井固井质量的认识与实践李天群(大庆钻井生产技术服务公司 163358)摘要 大庆油田经过多年的注水开发，目前已进入高含水后期，油层压力系统和储层状况均发生了很大变化，三次加密调整井固井所存在的压稳与防漏的矛盾更加突出，固井难度越来越大。本文围绕地层压差影响固井质量的实验研究成果，就地层压力调整试验及DPDR水泥体系、增韧防漏水泥浆体系、套管外环空加压装置等工艺技术的现场试验效果进行了分析。通过各种配套技术的应用，提高了加密调整井的固井质量，初步总结出各种技术措施的适应性和应用界限。主题词 低渗高压 多压力层系 固井质量 配套技术 现场试验 大庆油田大庆油田经过多年的注水开发，目前已进入高含水后期，油层压力系统和储层状况均发生了很大变化，三次加密调整井固井所存在的压稳与防漏的矛盾更加突出，固井难度越来越大。随着固井技术的提高，大庆油田已形成了一套以“压稳、居中、替净、密封“等为方针的薄隔层固井技术。但随着井网的进一步加密，各层系间压力差别的矛盾日益突出，新投加密井的固井质量尚不理想。例如，2001年杏十二区新钻16口三次加密井，投产后不久有2口井发生了管外喷冒，2002年对其中的4口井进行了硼中子寿命测井，发现窜槽率达到19.2%；2004年杏十二区三次加密先期完钻的79口井经过延时声变检测，固井优质率仅为36.7%。针对这一问题，我们从多压力层系固井难点及基础理论研究入手，开展了试验应用了一系列有利于固井质量的技术措施，在获得较好效果的同时，对单项技术措施的运用条件取得了阶段性的认识，逐步摸索出提高加密调整井固井质量的有效途径。1 地层压差影响固井质量的原因分析由于长期的注水开发，目前大庆油田地下已形成高压层、常压层、低压层等并存的多压力层系。地层压差对固井质量的影响表现在两方面：一是层间压差，即高压层与低压层之间孔隙流体压力的差值；另一个是环空压差，即地层的孔隙压力与浆柱压力的差值。从2004年杏十二区先期完钻的79口三次加密井层间压差与胶结质量的对比分析（见表1）可以看出，层间压差对固井质量造成较大的影响。表1 层间压差与胶结质量对比表层间压差（MPa）55-66-77-88-99-1010-11合计声检井数（口）25101720141179非优质井数（口）014111411950非优质井比例（%）020.040.064.770.078.681.863.3在固井过程中，由于需要应用浆柱来实现压稳高压层，层间压差的变化实质上反映了环空压差的变化。下图1是在CBL测井仪条件下测试的不同环空压差下的A级水泥胶结质量室内模拟实验。0246810声幅（%）10050环空压差（MPa）实验证明，当环空压差介于1-9MPa之间，普通A级水泥胶结质量趋于稳定。当环空压差小于1.0MPa时，水泥浆在凝固过程中将不能阻止地层流体的侵入，地层流体将侵入水泥环，破坏水泥环的胶结质量，引起声幅值的升高。而当环空压差大于9MPa时引起声幅值的升高，我们认为水泥浆失水是主要因素。下表2是A级水泥浆失水对固井质量影响的室内实验数据，从表中数据可以看出，随着环空压差的增大，水泥浆的失水量显著增加，当水泥浆失水量超过水泥浆体积的8%时，水泥环的胶结质量逐渐变差（实验条件为45水浴养护）。表2 水泥浆失水对固井质量的影响实验数据序号上覆压力（MPa）地层压力（MPa）环空压差（MPa）失水量（%）24小时后测井BI值13.52.01.51.0126.02.04.03.0139.02.07.05.00.9410.52.08.58.00.8511.52.09.510.00.6613.02.011.015.00.4经过上述分析研究可以初步得出，要使固井质量得到全面有效的提高，在压稳防窜技术方面需要做以下几方面工作。一是通过钻关地层压力调整，尽量减小地层层间压差，保证环空压差在合理值范围内。二是通过改善水泥浆外加剂的性能，使其具有低失水、速凝、早强的特怀，阻止水泥浆候凝过程中油气水浸入。三是应用特殊工具封隔异常高压层或有效补偿水泥浆静液柱压力损失。2 提高多压力层系固井质量的现场试验2003年，在杏八、九区三次加密和杏八十二区二次加密开展了提高加密调整井固井质量试验，通过钻关地层压力调整，应用套管外封隔器、管外环空加压装置及新研制的DPDR水泥、增韧水泥浆体系等措施，初步见到了较好的效果。2004年，通过全面总结和评价各种技术措施的试验效果，在杏十二区三次加密井及小井距试验区加大了成熟固井工艺技术的应用力度，逐步摸索出提高加密调整井固井质量的有效途径。2.1钻前地层压力调整试验根据压差对固井质量的影响研究结果可以看出，将环空压差控制在1-9MPa内是保证固井质量的前提和基础。通过钻前地层压力调整，尽量缩小层间压差是保证环空压差、提高固井质量的有效手段。杏八十二区的地质特点是一、二次加密调整井网开发的萨、萨组薄差层异常高压，基础井网开发的葡组主力油层欠压，萨异常高压层与葡组欠压层相距为160米左右，固井水泥浆密度按1.90g/cm3计算，固井水泥浆在萨高压层与葡欠压层之间所形成的液柱压力为3MPa左右。因此，根据地层环空压差对固井质量的影响评价实验结果，对于普通A级水泥浆固井，将层间压差控制在6MPa以内将能够有效提高固井质量。2003年，我们针对杏八、九区萨、萨组薄差层异常高压、葡组主力油层欠压的地质特点，对异常高压层和欠压层采取停、调、关等措施。停：即对部分注水井高压层暂停注水，对部分采油井低压层暂停采油；调：即对部分注水井低压层上调注水方案，对部分注水井高压层下调注水方案，对部分高（低）压油井调整生产参数；关：即对部分油水井采取钻关措施，达到减小平面和层间压差的目的。根据杏八、九区地质特点和地层压力分析预测结果，地层压力剖面调整按两个阶段进行：一是生产阶段调整，根据钻井区块地层压力预测和分层测试结果，在实施钻井前较长时间（35）个月对地层压力剖面进行调整。调整的对象与措施如下：对于异常高压层压力系数大于1.70的层，采取注水井停层的方式。对于异常高压层压力系数1.651.70层，采取降低注水量的方式。对于地层压力系数低于0.8的高渗欠压层，采油井停采或调整采油井的产液量，注水井增加注水量的方式。二是钻关调整阶段。根据不同层系注水井降压规律，制定合理的钻关方案。注水井钻关范围一般是距离待钻井450m600m，关井井口剩余压力2MPa3MPa，注水井开井时间是固井后10d15d；采油井关井范围距离新钻井50m之内产液量大于50m3，开井时间是固井后24小时。地层压力调整试验共对三套井网33口油水井钻前采取措施，其中注水井调整方案9口井，采取钻关措施11口井；采油井采取停采措施4口井，调整生产参数9口井。经过对钻后10口井地层压力进行检测，该区块高压层平均压力系数1.346，低压层平均压力系数0.901，平均单井层间压差达3.647MPa（见表3）。其中杏9-D2-3340井经过RFT实测，与压力调整前的首钻摸底井杏9-1-3337井测试成果对比，最高地层压力降低了5.66MPa，层间压差由8.13MPa降低到4.12MPa（见表4），使试验区的压力剖面得到了较好调整。表3 杏八、九区新钻三次加密井地层压力检测成果表序号井号高压层深度（m）层位地层压力（MPa）压力系数低压层深度（m）层位地层压力（MPa）压力系数层间压差（MPa）1X9-D2-33401000.0S710.981.11945.0S106.860.744.122X9-30-3337930.0S613.401.471060.0P410.911.052.493X9-2-3338970.0S1613.121.381055.0P39.790.853.334X9-D3-3340985.0S412.551.301053.0P39.290.903.265X9-D3-3338990.0S613.101.351065.0P39.400.903.70平均13.0321.3469.390.9013.647表4 地层压力剖面调整效果对比表井号地层压力(MPa)最大层间压差MPa检测时间最高层位压力系数最低层位压力系数杏9-D2-334010.98S71.1126.87S100.7414.122003.09.04杏9-1-333716.64S131.7878.51P1210.8508.132003.06.30差值-5.66-0.675-1.64-0.109-4.022.2、DPDR水泥的评价与试验2.2.1DPDR水泥室内实验评价2.2.1.1水泥稠化性能评价A级原浆形成结构的过渡时间（从30Bc到100Bc）为39min，而DPDR水泥浆的稠化曲线接近“直角稠化”，过渡时间只有9min。表明DPDR水泥开始稠化时，其抗阻窜能力增加较快，能在很短时间内补偿由于水泥浆失重而造成的静液柱压力损失，有利于提高固井质量。2.2.1.2水泥低失水和膨胀性能评价实验DPDR水泥在地层压差的作用下、产生失水的同时，在滤失界面形成非渗透薄膜，从而控制了水泥浆体系的失水。通过失水量（386.9MPa）对比实验可知，DPDR水泥30分钟的失水量为50ml，小于A级原浆水泥的失水量，有利防止水泥浆的水化破坏。另外，DPDR水泥还具有较好的膨胀性能，在固井后15天内，膨胀率一直呈上升趋势，有利于提高水泥环界面的封固质量（表5）。表5 DPDR水泥低失水和膨胀性能试验数据表项目A级原浆DPDR水泥失水量（ml/30min）1150502d膨胀率（%）0.0140.0515d膨胀率（%00.0020.072.2.1.3水泥浆抗窜性能评价实验由于DPDR水泥具有快速稠化、低失水和微膨的性能，对于减少高压差下地层水的侵入，防止水窜的发生具有重要意义。从实验中可以得出：A级原浆在7MPa水压条件下存在窜流迹象，而DPDR则没有，与A级水泥原浆相比，DPDR水泥体系具有很好的抗水窜的性能。2.2.1.4水泥增韧性能评价实验下表6是DPDR水泥石与A级原浆水泥石的增韧效果对比实验结果。从表中可以看出，DPDR水泥体系的动态断裂韧性、破碎吸收能、动态弹性模量及射孔验窜效果均优于A级原浆，证明DPDR水泥在凝固后具有较好的抗冲击能力。表6 DPDR水泥体系增韧性能评价试验数据表项目水泥类别动态断裂韧性MPam1/2动态弹性模量Gpa破碎吸收能J10-1/cm3窜槽压力MPa水泥环裂纹描述A级原浆0.08719.7213.72.0弹孔对面有几处长约300mm有裂纹DPDR水泥0.38215.826.312.5射孔后表现无裂纹3.2.2DPDR水泥现场试验效果近两年，我们在杏八、九区三次加密和杏八十二区西部过渡带应用了DPDR水泥20口井。平均高压层压力系数为1.36，平均单井层间压差为4.6MPa，固井优质率达到90%，比试验区常规水泥固井优质率提高了5个百分点；平均单井固井优质段比例达到95.7%，比试验区采取常规水泥固井优质段比例提高了4.5个百分点，取得了较好的效果。2004年，在杏十二区三次加密和小井距试验区单独应用DPDR水泥6口井，平均最高地层压力系数1.62，最低压力系数0.93，层间压差达8.04MPa。经过延时声变测井，固井优质率为61.5%，其中层间压差小于8MPa的10口井固井优质率达到80.0%。由此证明在层间压差小于8MPa的井中单独应用DPDR水泥效果比较好（见表7）。表7 杏十二区三次加密和小井距试验区应用DPDR水泥固井效果统计表序号井号高压层层位高压层压力系数低压层层位低压层压力系数层间压差（MPa）固井质量1杏12-2-斜P3411S51.61P40.977.48合格2杏12-3-斜P3332S41.62P30.987.89优质3杏12-3-斜P3233S41.90P40.927.52优质4杏12-1-丙3221S41.64P30.967.84优质5杏12-4-斜P3313S41.60P30.937.38优质6杏12-3-斜P3333S41.58P40.917.1优质平均1.620.938.04通过DPDR水泥延时声变测井试验证明，应用DPDR水泥固井，不仅可以提高固井质量，而且水泥胶结质量还趋于稳定（见表8）。表8 应用DPDR水泥井延时声变测井效果对比表井号水泥胶结指数时间0.8长度m比例%长度m比例%长度m比例%杏9-丁2-斜3341固井后2天1.80.518.25.432094.1固井后15天0.60.1714.44.2332595.6差值-1.2-0.33-3.8-1.17+5+1.5杏9-丁2-斜3341固井后2天0082.235297.8固井后15天0082.235297.8差值000000另外，我们对应用DPDR水泥固井的4口注水井在试配前进行了封隔器验窜。累计验窜36个层，其中只有杏9-D2-3340井S12-13隔层窜槽，层段窜槽率仅为2.77%，见到了较好的效果（见表9）。 表9 注水井封隔器验窜情况统计表序号井号射开层数验窜层数密封层数固井工艺M1IM22M3小计M1IM22M3小计1X9-D2-3340264611146010DPDR水泥2X9-D3-33382125182518DPDR水泥3X9-D2-33392921032103DPDR水泥4X9-J2-斜3341213651436514DPDR水泥合计97111873611186352.3套管外封隔器现场试验为了防止层间压差较大的井发生窜流，我们应用PYF-140型套管外封隔器，保证套管外环空的密封性，提高固井质量。该封隔器与普通套管外封隔器相比具有如下特点：一是在胶筒的有效密封长度较小的情况下，密封压差可达到20MPa以上，能够安全封隔0.6米以上的薄隔层。二是工具打开压力精度在0.25MPa之间，能够安全实现多卡工艺。三是在多卡实施过程中，封隔器从上至下逐级座封，下级封隔器胶筒内充进的液体压缩密闭的环空液体使其升压，进而提高环空压稳系数。2003年，我们在杏八十二区西部过渡带应用套管外封隔器5口井，平均高压层地层压力系数为1.70，层间压差7.2MPa。其中杏12-21-B252井使用双卡封隔器卡在S与PI之间，其余7口井均使用单卡封隔器卡在SII顶部，经过延时声变测井，固井优质率达到87.5%，平均单井固井优质段比例达到94.9%（见表10），取得了初步好的效果。表10 杏八十二区西部过渡带套管外封隔器井试验效果分析统计表序号井号高压层层位高压层压力系数低压层压位低压层压力系数层间压差（MPa）工具下深（m）固井质量固井优质段比率（%）1杏12-12-水25S51.65P30.876.9983-986优质96.32杏12-11-B24S51.68P30.827.2996-999合格90.13杏12-11-B243S71.80P20.857.6989-992优质93.24杏12-11-B253S51.69P31.305.9979-982优质97.15杏12-21-B252S71.75P20.987.5989.10-991.621078.72-1081.24优质95.7平均1.700.9856.6694.92004年,在杏十二区三次加密先期完钻的22口井中使用了套管外封隔器，该区块平均最高地层压力系数达到1.83，层间压差达到9.72MPa。统计延时声变测井资料，固井优质率仅有31.25%，平均单井优质段比例为69.9%。（见表11）。表11 套管外封隔器分层段使用效果对比表项目封隔器位置井数层段总长（m）胶结指数0.8段长（m）占总长百分比胶结指数0.40.8长（m）占总长百分比胶结指数0.4段长（m）占总长百分比（%）单卡S顶132624169564.680130.531284.84单卡S底479357472.3820425.73151.89双卡S顶、底598780981.9716316.51151.52合计224404307869.9116826.51583.6其中套管外封隔器单卡S顶13口井，平均单井优质段比例为64.6%；封隔器单卡S底4口井，平均单井优质段比例为72.38%；封隔器双卡S顶、底各一级5口井，平均单井优质段比例为81.9%由此可以证明，套管外封隔器单卡在S与PI之间对提高高压层固井质量能起到一定的作用，而在S顶、底各卡一级封隔器效果最好。为此，在杏十二区二次加密加大了双卡套管外封隔器的应用力度。累计应用双卡套管外封隔器102口井，平均最高地层压力系数达到1.73，最高层间压差达到9.2MPa，经过延时声变检测，固井优质率达到75.5%。其中应用套管外封隔器双卡S段80口井，固井优质率达到78.7%；应用套管外封隔器双卡S和S段22口井，固井优质率达到63.6%（见表12）。表12 套管外封隔器双卡使用效果统计表 项目卡段井数平均最高地层压力系数平均最高层间压差（MPa）优质井数固井优质率（%）双卡S段801.729.126378.7双卡S、S段221.769.481463.6合计1021.739.27775.52.4套管外环空加压装置现场试验对于存在异常高压层的常规井固井，通常采取的方法是利用高密度洗井液来实现压稳高压层。应用高密度洗井液对于固井质量存在两个弊端，一是不利于低压油层的固井质量，二是不利于固井泥浆的顶替效率（泥浆与水泥浆的密度差超过0.24g/cm3才具有较好的顶替效率）。套管外环空加压装置是通过液体压缩原理，在需加压的油层部位形成密闭的环形空间后压入一定量的液体，使地层压力升至理想压力，从而起到平衡地层压力作用。该装置能够实现在低密度洗井液固井前提下，有效补偿水泥静液柱压力损失，达到提高水泥环一、二界面胶结强度的目的。根据压差对固井质量的影响评价实验结果，补偿后的环空压差P应满足以下条件：1MPaP9MPa，因此，对选择层间压差小于6MPa的井对萨异常高压层与葡I组欠压层进行整体加压才会取得较好的效果。2003年，我们在杏八十二区西部过渡带应用套管外环空加压装置进行整体加压8口井。平均高压层压力系数达到1.59，层间压差达到5.01MPa，平均单井洗井液密度达到1.60g/cm3,补偿压力2.83MPa,固井优质率达到87.5%,固井优质段比例达到94.6%(见表13).表13 杏八十二区西部过渡带环空加压装置试验效果统计表序号井号高压层位置(m)高压层压力系数洗井液密度(g/cm3)层间压差(MPa)环空压差(MPa)补偿压力(MPa)补偿后压差(MPa)工具下深(m)固井质量固井优质段比率(%)1杏11-21-水23110111.611.624.9-1.402.811.411228.55优质95.82杏12-11-水24210261.761.765.9-1.922.820.901239.90优质96.43杏11-22-水2319831.581.604.7-1.562.761.201206.38优质96.34杏12-21-水262994.861.621.635.5-0.212.882.671221.0优质97.1平均1012.31.591.605.0-1.0982.831.7321225.4394.6表14 杏十二区三次加密井环空加压装置试验效果分析统计表序号井号高压层压力系数洗井液密度（g/cm3）最大层间压差（MPa）加压层加压层间压差（MPa）环空压差（MPa）补偿压力（MPa）补偿后压差（MPa）封隔器下深（m）工具下深（m）一次声检质量延时声检质量1杏12-4-丙42221.681.709.42PI6.95-3.184.631.451053.471163.70优合格2杏12-1-丙30321.671.699.38PI6.69-3.164.631.471050.541160.80优优3杏12-2-水43211.731.749.27PI7.0-2.814.511.71078.111192.66优优4杏12-1-丙42111.721.749.24PI7.47-2.514.672.161058.051168.78优优5杏12-5-水39211.721.739.28PI6.78-3.004.41.41049.841169.6优优6杏12-5-丙42211.711.738.68PI5.06-2.654.611.961061.81174.19优优7杏12-4-丙31121.681.707.59S3、SP、PI4.2-3.483.580.11029.311178.89优合格8杏12-5-丙40111.701.728.18S3、SP、PI4.04-3.113.860.751024.771164.49优优9杏12-2-丙41111.731.749.11S3、SP、PI6.2-2.794.011.221025.461159.31优优10杏12-5-丙30121.751.769.86S3、SP、PI7.84-3.104.050.951053.971184.35优优平均1.711.728.996.2-2.974.291.321048.51171.62004年，我们在杏十二区三次加密井加大了环空加压装置的应用力度。由于该区块地层压力高、层间压差大，为了满足高密度洗井液固井情况下替清水作业的要求，改进了管外加压器内部平衡剪销位置，将压力平衡器内部剪切压力调整到10MPa，克服了工具剪切压力受环空液柱压差的影响。同时，根据该区块SII组油层压力普遍较高的情况，为了满足环空加压装置的使用条件，配合双卡套管外封隔器使用，选择对层间压差相对较低的SIII、SP夹层和PI组油层进行加压。目前在杏十二区三次加密井应用环空加压装置10口井，其中对SIII、SP夹层、PI组加压4口井，单独对PI组加压6口井，平均加压层层间压差6.2MPa，平均单井洗井液密度达到1.72g/cm3，补偿压力4.29MPa，经过一次声变检测，固井优质率达到100%；经过延时声变检测，固井优质率达到80%（见表14）。2.5.DZF1增韧水泥浆体系防漏现场试验2004年，选择杏南油田811区西块易漏区域试验应用11口井，固井质量优质11口，合格2口，在北二区西块应用4口，固井质量优质4口，在中区漏失井应用1口，固井质量优质，质量统计数据见表17。初步达到了预期的试验效果。杏8区15月份共固井49口，未使用DZF1体系的井有40口，其中17口为合格井，23口为优质井，优质率为57.5；使用DZF1增韧水泥浆体系固井9口，其中合格井1口，优质井8口，优质率为88.9。北2区15月份共固井157口，调整井使用原浆固井153口，其中108口合格井，3口不合格井，优质井为42口，优质率为27.5。使用DZF1水泥浆体系固井4口，优质率100。表15 DZF-1防漏增韧水泥浆现场试验数据序号井 号水 泥 浆 配 方实 验 数 据固井质量密 度g/cm3流动度mm稠化时间min 45失 水 ml456.9MPa抗压强度MPa38、24h1杏11-丙5-241A+4.5%DZF+1.8%降+0.4%分散1.902261062714.7合格2杏9-12-水203A+4.5%DZF+1.5%降+0.45%分散1.902321134215.2优质3杏8-40-水20A+4.5%DZF+1.5%降+0.45%分散1.902341204616.6优质4杏8-21-丙193A+4.5%DZF+1.5%降+0.45%分散1.902341245215.9合格5杏8-31-丙223A+4.5%DZF+1.5%降+0.45%分散1.902391173914.7优质6杏8-31-丙211A+4.5%DZF+1.5%降+0.45%分散1.902411264715.4优质7杏8-32-斜水21A+4.5%DZF+1.3%降+0.40%分散1.902441245515.8优质8杏8-31-斜丙21A+4.5%DZF+1.3%降+0.40%分散1.902431185315.9优质9杏8-31-丙22A+4.5%DZF+1.3%降+0.40%分散1.902461045816.5优质10杏8-31-丙222A+4.5%DZF+1.3%降+0.40%分散1.902461045616.5优质11杏8-31-丙231A+4.5%DZF+1.3%降+0.40%分散1.902451015516.7优质现将几组井位相邻的井进行质量对比，对比情况分析如下：实例1 北2342P25井，水泥浆配方：A+4.5DZF1+1.3降失水+0.4分散剂固井施工过程：采用一台CPTY4型水泥车注水泥，注速0.95m3/min；水泥浆密度控制在1.921.96g/cm3范围内，用 一台CPTY4水泥车顶替水泥浆，替速控制在2m3/min，施工正常。 北2342P25井 北2342P30井固井质量情况：850925m范围内属于S0 S1层，从声变检测来看，BI值无小于0.4的井段；10501125m处于葡萄花油层，此段BI值均大于0.4，声变曲线突起少并且狭窄。此井质量综合评价为优质。其邻井北2342P30井使用A级原浆固井质量不好，固井施工情况：在850925m之间出现数段BI值小于0.4之处，胶结饱和度很低，在10501125m之间声变曲线突起部分较多，有多处声变值小于0.4，固井质量不合格。实例2 北236021井，水泥浆配方：A+4.5DZF1+1.3降失水剂+0.4分散剂。固井施工情况：以清水作隔离液，用一台CPTY4水泥车注水泥。注水泥速度控制在0.9m3/min，水泥浆密度1.881.94g/cm3之间；用一台CPTY4水泥车顶替水泥浆，替速2m3/min，施工正常。固井质量情况：从声变检测结果看，高变曲线基本为一条线，胶结饱和度高，全井评价优质。与其相邻的北236024井质量情况对比如下：水泥浆配方：A级原浆固井施工情况：以清水作隔离液，用一台4017型水泥车注水泥。注水泥速度控制在1.1m3/min，水泥浆密度1.921.97g/cm3之间；用一台BJ水泥车顶替水泥浆，顶替速率2m3/min，施