摘要
川南区块深层页岩气井技术套管井深在2600~2900 m，通过前期11井次的技术套管固井施工，发现该区块技术套管固井主要难题为发育多套气层，浅层气活跃，同时茅口组易漏失，固井过程中压稳与防漏矛盾突出。本文系统分析了川南区块页岩气技术套管固井面临的主要难题，通过开展易漏地层堵漏后承压能力研究，水泥浆及浆柱结构设计，注替排量设计，压稳辅助技术研究，形成了一套适合川南区块页岩气技术套管多套气层固井压稳防漏的工艺技术，现场应用效果显著。
川南是中国页岩气资源最丰富、最具有开发价值的地区，主要包括长宁区块、威远区块和泸州区块。川南区块三开钻进钻遇主要气层为须家河组、嘉陵江组、飞仙关组、龙潭组、茅口组，同时茅口组易漏失，钻井中极易出现由漏转喷的井控问题，处理难度大。目前钻井压稳措施主要依靠提高钻井液密度，防漏堵漏措施主要为桥浆堵漏和水泥浆堵漏。固井主要依靠优化水泥浆性能、水泥浆浆柱结构及注替排量等措施来达到压稳防漏的目的，但是存在水泥浆性能、浆柱结构设计不合理，缺少对地层的承压能力及压稳当量密度的理论计算分析等问题，技术套管固井依然存在漏失频发，环空带压等问题。
川南区块上部发育多套浅层气地层，结合该区块前期打钻异常情况，发现该区块浅层气活跃，固井候凝过程中易发生气窜，导致环空带压。前期有4口井技术套管固井结束后发生环空带压（如
| 序号 | 井号 | 井深/m | 带压值/MPa |
|---|---|---|---|
| 1 | 阳101H3-8 | 2656 | 5 |
| 2 | 泸203H59-1 | 2980 | 4 |
| 3 | 泸203H59-2 | 2850 | 12 |
| 4 | 泸203H59-4 | 2991 | 4 |
川南区块技术套管钻进过程中漏失主要集中在茅口组，茅口组岩性特征主要为灰岩夹杂灰黑色碳质泥页岩，地震剖面显示裂缝发育，漏失类型主要为裂缝性漏失（见
| 序号 | 井号 | 漏失井段/m | 层位 | 漏失量/m³ |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 泸205 | 2883.17 | 茅口组 | 29.91 |
| 2 | 泸203H56-3 | 2515.73 | 茅口组 | 44.00 |
| 3 | 泸203H59-2 | 2830.28 | 茅口组 | 20.01 |
| 4 | 泸203H59-3 | 2761.30 | 茅口组 | 535.00 |
| 5 | 泸203H59-4 | 2537.80 | 龙潭组 | 188.40 |
川南区块技术套管钻进漏失主要集中在茅口组，漏失类型主要为裂缝性漏失。结合钻井资料，茅口组漏失当量密度可能<1.55 g/cm³。为了压稳，进入茅口组后钻井液密度提高至2.05 g/cm³左右，固井水泥浆密度为2.10~2.15 g/cm³，单独研究茅口组地层漏失压力对指导固井没有意义，应分析茅口组在经过漏失堵漏后的地层承压能力，为固井防漏提供依据和参考。本文以固井前地层漏失压力动态测试方法为指导，通过计算经过堵漏后漏失地层的承压能力和固井施工过程中作用在漏层的最大动液柱压力，分析固井过程中是否存在漏失的可能性，以此指导注替排量的设
为了便于研究，做如下假设：（1）环空通畅，不存在明显憋堵井段；（2）钻井液满足宾汉流变模式；（3）充分循环后，井内钻井液性能一致；（4）套管串上的浮箍、浮鞋水眼直径较大，节流效应较小，井口立压主要是套管、环空的循环摩阻叠加。固井前循环钻井液，充分降粘切，逐步提高排量，钻井液在环空内的流态变为紊流。套管和环空流动摩阻计算公式如
| 套管内流体平均流速：V=40Q/（） | （1） |
环空内流体平均流速：
| V=] | （2） |
| 套管内雷诺数： | （3） |
| 环空雷诺数: | （4） |
| 紊流时的范宁摩阻系数： | （5） |
塞流与层流时环空范宁摩阻系数：
| / | （6） |
| 套管内摩阻： | （7） |
| 环空内摩阻： | （8） |
式中：——钻井液塑性粘度，；——套管内径，mm；——井眼内径，mm；——套管外径，mm；——钻井液密度，g/cm³；——循环排量，L/s；L——井深，m。
根据摩阻“线性分布”和“可叠加”特征，计算不同层位处承受的动摩阻，进而计算此排量循环时的动液柱压
长度 /m | 井径 /mm | 套管直径/mm | 摩阻 系数 | 摩阻/MPa | |
|---|---|---|---|---|---|
| 环空摩阻 | 1126 | 317.32 | 244.5（外径） | 0.4045 | 4.605 |
| 1865 | 342.30 | 244.5（外径） | 0.4081 | 2.904 | |
| 套管内摩阻 | 2991 | 220.52（内径） | 0.3353 | 2.364 |
根据
川南区块技术套管固井压稳与防漏矛盾突出，要求水泥浆具有良好的防窜性能和良好的流动性。根据这一现状，研发了一套单密多凝防气窜水泥浆体
| 项 目 | 密度/ （g·c | 流动度/mm | 失水量/［mL·（6.9MPa | 水泥浆沉降稳定性/(g·c | 自由液/ % | 48 h抗压 强度/MPa | 初始稠 度/Bc | 100Bc稠化时间/min |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 领浆 | 2.10 | 225 | 35 | 0.02 | 0 | 18.5 | 12.0 | 249 |
| 中浆 | 2.10 | 225 | 35 | 0.02 | 0 | 18.5 | 13.5 | 207 |
| 尾浆 | 2.10 | 225 | 26 | 0.02 | 0 | 18.3 | 15 | 161 |
图1 领浆稠化曲线
Fig.1 Collar slurry thickening curve
图2 尾浆稠化曲线
Fig.2 Tail slurry thickening curve
由
优化前浆柱结构为领浆+尾浆，尾浆封固井底—飞仙关组底井段，领浆封固飞仙关组底—井口井段。该区块飞仙关组全烃值大，气层活跃，领浆稠化过程中逐渐失重，无法压稳浅层气，且领浆稠化时间较长，不利于防气窜，易发生环空带压。根据前期固井情况，本文从浆柱结构、浆体密度两方面进行优化，将原先的单密两凝水泥浆体系改成单密三凝水泥浆体系，尾浆封固井底—最上部主力气层以上200 m井段，中浆封固尾浆顶—表套鞋井段，领浆封固中浆顶—井口井段。同时缩短中浆的稠化时间，稠化时间在尾浆基础上附加30 min左右，对承压实验满足要求的井适当提高水泥浆密度至2.13 g/cm³。优化后的固井浆柱结构以入井顺序依次为前置液（冲洗液+隔离液）、领浆、中浆和尾浆。
隔离液作用是分隔钻井液与保证顶替界面稳态，用量设计为：占环空高度300 m；密度设计为：钻井液<隔离液<水泥浆；流变性应满
优化后的浆柱结构尾浆封固所有主力气层，中浆封固气测异常层，将原来的领浆替换为中浆，中浆稠化时上部领浆还未稠化，依然能保证压稳。同时尾浆稠化时间控制在施工结束后30 min，中浆稠化时间控制在施工结束后60 min，既能满足施工需要，又能达到“以快制气”的目的。
相比于层流顶替与塞流顶替，紊流顶替效率最大。根据
| （9） |
| （10） |
式中：——井径，；De——套管外径，cm；Qc——环空紊流临界排量，L/s；Qw——环空塞流临界排量，L/s；Rec——浆体紊流临界雷诺数；K——稠度系数，Pa·s；n——流性指数。
以泸203H59-4井为例，该井技术套管固井隔离液密度为2.08 g/cm³，水泥浆密度为2.10 g/cm³，根据承压实验结果，结合环空摩阻计算方法反推施工最大排量。
假设隔离液全部返出后仍然以最大排量替浆，此时环空均为密度2.1 g/cm³的水泥浆，最大值假设有助于为施工预留安全空间。此时要求作用在漏层2537.8 m处的最大摩阻≯5.64 MPa，结合式（
| (11) |
式中：ηp——水泥浆塑性粘度，mPa·s；Pf——环空摩阻，MPa；Dw——井眼内径，mm；De——套管外径，mm；L——井深，m。
水泥浆塑性粘度为52 mPa.s，计算出V=0.84 m/s，利用
区块浅层气发育，固井候凝过程中容易发生气窜，造成环空带压，针对这一情况，固井结束后采取环空加压的方
2423 m处循环时最大动液柱压力当量密度为2.329 g/cm³，此时进出口密度一致，说明该循环排量下的动液柱压力能压稳气层，固井结束后该处的静液柱压力当量密度为2.10 g/cm³，需要加压值为5.45 MPa；2991 m循环时最大动液柱压力当量密度为2.306 g/cm³，尾浆失重前需要加压值为6.05 MPa，尾浆失重后需要加压值为10.83 MPa。
7个浅层气最为活跃的点的计算结果见
| 井深/m | 加压值（失重前/失重后）/MPa |
|---|---|
| 1179 | 4.11 |
| 1650 | 4.54 |
| 2423 | 5.45 |
| 2588 | 5.61/6.01 |
| 2655 | 5.68/6.81 |
| 2805 | 5.83/8.58 |
| 2991 | 6.05/10.83 |
泸203H56-4井技术套管井深为2616 m，采用常规单级固井，使用单密多凝微膨胀防气窜水泥浆体系，密度为2.10 g/cm³的领浆封固0~960 m井段，中浆封固960~2000 m井段，尾浆封固2000~2616 m井段；采用密度为2.05 g/cm³的泥浆替浆+环空预应力固井。本井共注入密度2.08 g/cm³隔离液15 m³，密度1.02 g/cm³冲洗液5 m³，密度2.10 g/cm³领浆30 m³，密度2.10 g/cm³中浆48 m³，密度2.10 g/cm³尾浆31 m³，替密度1.02 g/cm³压塞液4 m³，替密度2.05 g/cm³钻井液96 m³。施工结束后立刻组织进行环空加压，环空加压采用阶梯式加压，最终加压至12 MPa，加压持续时间为12 h，固井质量如
| 序号 | 标准/% | 厚度/m | 比例/% | 解释结论 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.00~20.0 | 1720.0 | 66.1 | 优 |
| 2 | 20.0~40.0 | 621.9 | 23.9 | 中等 |
| 3 | 40.0~-100.0 | 261.7 | 10.1 | 差 |
（1）川南区块深层页岩气技术套管易漏地层为茅口组和龙潭组，主要漏失层位为茅口组，可以通过地层漏失压力动态测试方法求出漏层经过堵漏后的承压能力，根据易漏地层承压能力反推注替最大排量，保障固井过程中不发生漏失。
（2）经过优化后技术套管固井浆柱结构为：尾浆封固井段为井底—最上部主力气层以上200 m井段，中浆封固井段为尾浆顶—表层套管鞋井段，领浆封固井段为中浆顶—井口，同时缩短水泥浆稠化时间，实现“以快制气”。
（3）技术套管固井结束后采取环空加压，保证压稳，加压过程采取阶梯式加压，防止加压过快压漏地层。
（4）应进一步加强川南区块井筒承压能力，为提高水泥浆密度，增加环空加压值等提升环空压稳系数等技术措施提供可行条件，进一步降低环空带压情况的发生。
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