超深井小間隙安全注水泥技術(shù)研究與應(yīng)用

郭小陽　張　凱　李早元　常洪渠　姚坤全（.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川成都　60500；.西南油氣田公司，四川成都　6004）

超深井小間隙安全注水泥技術(shù)研究與應(yīng)用

郭小陽1張凱1李早元1常洪渠2姚坤全2
（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.西南油氣田公司，四川成都610041）

對于超深井小間隙來講，注水泥施工設(shè)計較為重要，直接影響固井質(zhì)量。由于井眼深、環(huán)空間隙小，在固井施工過程中摩阻大、泵壓高、頂替效率差，易誘發(fā)井漏、污染等諸多實際問題，嚴(yán)重影響注水泥施工安全。針對以上難題開展技術(shù)攻關(guān)，提出了優(yōu)化環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，抗污染先導(dǎo)漿設(shè)計，高效隔離液設(shè)計，防污染實驗設(shè)計，結(jié)合漿體流變性對注替排量參數(shù)的設(shè)計等技術(shù)。該技術(shù)的運(yùn)用，不僅保證了注水泥施工的安全，還提高了超深井小間隙固井質(zhì)量。以雙探1井?127 mm尾管懸掛固井為例介紹了超深井小間隙安全注水泥的技術(shù)措施與實施效果，現(xiàn)場應(yīng)用表明該技術(shù)是適用的，能夠保證注水泥時的施工安全，且固井質(zhì)量合格。

超深井；小間隙；安全；注水泥；固井質(zhì)量

目前超深井普遍存在于我國塔里木、準(zhǔn)噶爾以及四川等盆地，這些盆地均具有儲層埋藏深，地質(zhì)條件復(fù)雜，多套壓力系統(tǒng)并存，易漏易噴，井壁穩(wěn)定性較差等特點，給固井施工帶來較大的難度。在固井作業(yè)過程中，超深井小間隙與常規(guī)井在注水泥施工過程中主要區(qū)別是超深井小間隙井環(huán)空間隙小、井眼較長，易產(chǎn)生過大的環(huán)空循環(huán)摩阻，施工泵壓高，易壓漏地層；井底溫度比較高，鉆井液體系比較復(fù)雜，而且水泥漿稠化時間不好控制；其次，注水泥時的流動形態(tài)難以保持紊流流態(tài)，對頂替效率影響較大［1-2］。如：元壩 11井?146.1 mm尾管下深7 026 m，環(huán)空間隙9.5 mm，封固段6 200～7 026 m，井底靜止溫度高達(dá)157 ℃，由于居中度難以保證，導(dǎo)致頂替效率差，固井質(zhì)量合格率僅54.6%［3］；云安21井完鉆井深達(dá)5 858 mm，?177.8 mm套管下深至5 785 m，裸眼段73 m，注漿量僅5 m3，在注替過程中發(fā)生嚴(yán)重漏失，最大漏失速度達(dá)45 m3/h［4］；龍16井?149.2 mm鉆頭鉆至5 988 m茅口組地層完鉆并進(jìn)行了尾管注水泥施工，由于地層承壓低，鉆井液密度高達(dá)2.34 g/cm3，在注替過程中環(huán)空摩阻達(dá)10～15 MPa，導(dǎo)致泵壓急劇升高，超過地層的承壓能力，發(fā)生嚴(yán)重漏失，累計漏失量45.5 m3［5］。因此，為保證注水泥時的施工安全，筆者針對超深井小間隙實際技術(shù)難題，開展了綜合技術(shù)攻關(guān)，探討出了一套具有針對性的工藝措施，為今后超深井小間隙安全注水泥提供技術(shù)參考。

1　超深井小間隙注水泥技術(shù)難點

1.1環(huán)空間隙小

由于環(huán)空間隙太小，扶正器下入極其困難，甚至不能下入，套管不易居中，容易造成水泥環(huán)薄，施工過程中環(huán)空壓耗大，注水泥漿施工泵壓高，極易壓漏地層，導(dǎo)致頂替效率低等問題，嚴(yán)重影響超深井小間隙的固井質(zhì)量與施工安全。

1.2井底溫度高

與常規(guī)井不同，超深井注水泥井下溫度較高，水泥漿稠化時間不易控制，對水泥漿抗高溫的能力提出更高的要求，特別是在高溫緩凝劑的優(yōu)選上存在較大困難。如：雙探1井，井深7 308 m，井底循環(huán)溫度達(dá)到143 ℃，大大增加了水泥漿性能化驗的難度；元壩11井，井深7 026.28 mm，井底靜止溫度為157 ℃，循環(huán)溫度135 ℃［2］。

1.3頂替效率低

環(huán)空間隙小，注灰量少，加之水泥漿運(yùn)移段長，鉆井液與水泥漿極易發(fā)生污染，且注入的位置特別深，若要把水泥漿頂替到位，操作難度大［6］。如：雙探1井?127 mm尾管懸掛固井，平均環(huán)容6.4 L/m，頂替水泥漿僅5 m3，封固段長807 m ，在運(yùn)行過程中極易摻混，嚴(yán)重影響注水泥時的施工安全。

1.4井眼較長

井深，摩阻高，不能大幅度上提下放活動套管；不能轉(zhuǎn)動套管；深井建立循環(huán)風(fēng)險大，在固井作業(yè)時開泵、停泵、管柱活動下均會引起較大壓力波動，從而引起井塌和井漏的發(fā)生［7］。如：中古263H井二開完鉆井深6 126 m，在固井施工過程中，環(huán)空摩阻較大，發(fā)生嚴(yán)重漏失，最大漏速40.4 m3/h。

針對以上超深井小間隙注水泥技術(shù)難點，主要存在的問題是頂替效率差、防污染難度大、井眼質(zhì)量難以保證。為了更好地解決這些難題，文中從環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗污染先導(dǎo)漿設(shè)計、高效隔離液設(shè)計、防污染實驗設(shè)計以及注替參數(shù)排量設(shè)計方面入手，進(jìn)行深入的分析與研究。

2　超深井小間隙安全注水泥技術(shù)研究

2.1環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

超深井小間隙在固井施工過程中，由于環(huán)空間隙小，井眼較長，注水泥時流體通道變小，環(huán)空摩阻增大，造成常規(guī)沖洗液在驅(qū)替鉆井液過程中，無法保證將全部鉆井液驅(qū)替干凈，井壁周圍殘留的鉆井液一旦與水泥漿發(fā)生摻混，會產(chǎn)生嚴(yán)重的接觸污染，影響注水泥施工時的安全［8］。而先導(dǎo)漿是通過對原鉆井液進(jìn)行稀釋，加入合理的處理劑等一系列的措施，來改變其常規(guī)性能，起到抗污染的能力。常規(guī)隔離液屬于增黏懸浮性漿體，黏度與切力都比較大，流動性較差，導(dǎo)致頂替效率較低，不僅影響界面的膠結(jié)質(zhì)量，還對尾管注水泥施工造成極大的安全隱患，而高效隔離液是針對常規(guī)隔離液的不足，并結(jié)合超深井小間隙的特點，使其在滿足黏切力的條件下，提高其流動性，來保證注水泥過程中有較高的頂替效率。

為了進(jìn)一步提高超深井小間隙的頂替效率，保證注水泥時的施工安全，環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計也應(yīng)滿足平衡壓力注水泥的壓穩(wěn)和不漏原則，在注替過程中環(huán)空液柱產(chǎn)生的動壓力既能壓穩(wěn)地層但又不壓漏地層和防止竄流的發(fā)生。并且要求設(shè)計漿體之間的密度差應(yīng)滿足頂替液的密度大于被頂替液密度，即鉆井液、先導(dǎo)漿、隔離液、水泥漿密度應(yīng)保持梯度遞增，這樣可減輕各流體間相互竄槽，并有利于提高頂替效率，為此，一般要求ρ鉆井液<ρ先導(dǎo)漿<ρ隔離液<ρ水泥漿。環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖中紅色表示先導(dǎo)漿，綠色表示隔離液，藍(lán)色表示水泥漿，灰色表示鉆井液。

圖1　環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)

2.2抗污染先導(dǎo)漿設(shè)計

針對這種特殊的環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要對先導(dǎo)漿做進(jìn)一步的研究與分析，來驗證它是否能在超深井小間隙起到抗污染的作用。按API規(guī)范10進(jìn)行室內(nèi)流動度實驗與污染稠化實驗（143℃×90MPa×60 min）見表1。

表1　室內(nèi)混合漿體污染實驗

當(dāng)水泥漿與鉆井液質(zhì)量比為7∶3時，攪動混合漿體變稠，流動度僅15 cm，漿體70 min稠度達(dá)到100 Bc，表明水泥漿與鉆井液接觸污染比較嚴(yán)重；當(dāng)水泥漿、鉆井液、隔離液的質(zhì)量比為7∶2∶1時，攪動混合漿體比較稠，流動度17.5 cm，漿體220 min稠度達(dá)到100 Bc，表明隔離液在超深井小間隙的井況下，不能有效地解除水泥漿與鉆井液的污染；當(dāng)水泥漿、鉆井液、先導(dǎo)漿的質(zhì)量比為7∶2∶1時，攪動混合漿體，流動度較好為20 cm，漿體經(jīng)430 min稠度才達(dá)到100 Bc，表明先導(dǎo)漿的使用能有效解除水泥漿與鉆井液的接觸污染。

根據(jù)以上的實驗數(shù)據(jù)說明，在超深井小間隙中僅使用隔離液已無法解除鉆井液與水泥漿的污染。因此，針對超深井小間隙的復(fù)雜情況，需要設(shè)計一種特殊的漿體，來保證注水泥時的施工安全。筆者設(shè)計的一種先導(dǎo)漿，具備低黏低切的特點，在注隔離液之前注入先導(dǎo)漿，先導(dǎo)漿在小間隙中易形成紊流流態(tài)，有較高的頂替效率，同時具有較好的抗污染能力，為后面注水泥提供一個安全的流動通道，從而避免鉆井液與水泥漿的混合而發(fā)生污染，保證了注水泥時的施工安全與層間封固質(zhì)量［9］。

針對超深井小間隙的復(fù)雜情況，配制的先導(dǎo)漿應(yīng)滿足以下要求：（1）具有抗污染性能力，低黏、低切的特點，性能應(yīng)該與現(xiàn)場鉆井液接近，密度與現(xiàn)場鉆井液一致。（2）沉降穩(wěn)定性。經(jīng)90 ℃高溫養(yǎng)護(hù)之后，靜止2 h，上下密度差不大于0.02 g/cm3。（3）相容性。要求與鉆井液、水泥漿、隔離液有良好的相容性，按不同比例混合、不影響水泥漿稠化時間。（4）用量設(shè)計。根據(jù)理論計算與現(xiàn)場實踐經(jīng)驗表明，先導(dǎo)漿用量建議按紊流接觸時間7～10 min計算為最佳，為保證注水泥時的安全，建議加大施工用量［10］。

抗污染先導(dǎo)漿配方：鉆井液+10%水+X %抗污染隔離劑A+Y %抗污染隔離劑B+重晶石，基本性能見表2。

表2　抗污染先導(dǎo)漿的基本性能

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出，不同密度的抗污染先導(dǎo)漿在常溫與高溫條件下，都具有較好的黏切力，特別在高溫條件下，先導(dǎo)漿的黏切力更小，漿體的流動性更好，能有效地頂替鉆井液，減少與水泥漿的接觸污染，有利于現(xiàn)場施工。

2.3高效隔離液設(shè)計

為了進(jìn)一步確保注水泥時的施工安全，提高層間封隔質(zhì)量，在使用先導(dǎo)漿的基礎(chǔ)之上，還需設(shè)計高效隔離液。高效隔離液起增黏懸浮的作用，具有較好的流動性，能有效地隔離鉆井液和水泥漿、沖刷井壁和套管壁，并攜帶井壁上的殘留物，保證井眼的清潔質(zhì)量，同時能在井壁形成一層具有一定黏度的薄膜，提高鉆井液頂替效率和改善界面膠結(jié)質(zhì)量。另外，該高效隔離液流變性能容易調(diào)節(jié)，并與鉆井液、水泥漿體系具有很好的流變性相容性能力，對水泥漿的稠化時間無影響，能有效保證注水泥施工時的安全［11］。

針對超深井小間隙的復(fù)雜情況，設(shè)計的高效隔離液應(yīng)滿足以下要求：

（1）密度。應(yīng)考慮平衡壓力固井及井下安全的需要確定所需隔離液密度，隔離液的密度應(yīng)盡可能達(dá)到ρ隔離液=1/2（ρ鉆井液+ρ水泥漿），至少應(yīng)滿足ρ鉆井液<ρ隔離液<ρ水泥漿。

（2）相容性。要求與鉆井液、水泥漿有良好的相容性，按不同比例混合不能影響水泥漿稠化時間。

（3）沉降穩(wěn)定性。經(jīng)90 ℃高溫養(yǎng)護(hù)之后，靜止2h上下密度差不大于0.02 g/cm3。

（4）流變性。為了有效提高環(huán)空頂替效率，環(huán)空流體流變性應(yīng)滿足梯級匹配，環(huán)空流體層層推進(jìn)以有效提高頂替效率。隔離液流變性應(yīng)滿足動塑比：

（5）用量設(shè)計。根據(jù)理論計算與現(xiàn)場經(jīng)驗，高效隔離液用量同樣按紊流接觸時間7～10 min計算，且隔離液用量宜不少于先導(dǎo)漿用量的1.5倍，這樣才能保證隔離液能充分清洗干凈井筒，為保證施工安全，則建議施工的隔離液用量應(yīng)加倍［12］。

高效隔離液配方：現(xiàn)場水+W%GYW-201+Z%GYW-301+重晶石，基本性能見表3。

表3　高效隔離液的基本性能

根據(jù)上表數(shù)據(jù)可以看出，不同密度的高效隔離液在常溫與高溫條件下，高溫時的流動性優(yōu)于常溫，它能改善界面與水泥環(huán)的親合性，提高頂替效率和界面膠結(jié)強(qiáng)度，防止環(huán)空界面微間隙形成，減少環(huán)空氣竄等后續(xù)作業(yè)的安全隱患，滿足了設(shè)計的要求。

2.4防污染實驗設(shè)計

鉆井液與水泥漿只要接觸均存在不同程度的污染，形成一些難以破壞的膠凝結(jié)構(gòu)，不但影響頂替效率，而且危及注水泥時的施工安全，這是導(dǎo)致超深井小間隙固井質(zhì)量低的重要原因和引發(fā)固井工程事故的隱患。目前對于常規(guī)井，為防止井下漿體之間發(fā)生污染，僅針對水泥漿、鉆井液、隔離液三相之間的污染實驗展開了研究，但對于超深井小間隙，該防污染實驗設(shè)計并不適用，因為，在超深井小間隙采用的是水泥漿、鉆井液、先導(dǎo)漿、隔離液的環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)，應(yīng)對它們四相之間展開防污染實驗設(shè)計［13］。為此以西南油氣田雙探1井?127 mm尾管固井為例開展實驗研究，該井鉆井液、先導(dǎo)漿、隔離液、水泥漿密度分別為1.9 g/cm3、1.9 g/cm3、1.92 g/cm3和2.02 g/ cm3。參照API規(guī)范10對漿體進(jìn)行四相污染稠化實驗，現(xiàn)場固井施工安全時間290 min，污染稠化實驗在143 ℃×90 MPa×60 min條件下進(jìn)行，結(jié)果見表4。

表4　雙探1井污染稠化實驗

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)表明，采用水泥漿、鉆井液、隔離液、先導(dǎo)漿四相之間的防污染實驗設(shè)計，不僅能說明在防止水泥漿與鉆井液的污染時，抗污染先導(dǎo)漿和高效隔離液的應(yīng)用起到了較好的效果，而且還表明采用該防污染實驗設(shè)計有效地保證了注水泥施工的安全。

2.5注替參數(shù)排量設(shè)計

通過大量的研究結(jié)果及現(xiàn)場施工經(jīng)驗表明，頂替水泥漿的最佳流態(tài)是紊流，其次是塞流。在常規(guī)井固井中通常采用紊流頂替來提高水泥漿頂替效率，但對于超深井小間隙而言，水泥漿難以達(dá)到紊流頂替的情況，為了提高頂替效率，采用紊流-塞流復(fù)合頂替技術(shù)，即先導(dǎo)漿與隔離液出套管后采用紊流頂替；水泥漿出套管后，采用塞流頂替［14］。

根據(jù)水泥漿臨界排量計算公式［15］

對于塞流，取Rec=100，得

對于紊流，取Rec=3 470-1 370 n，得

對式（2）、（3）分別取對數(shù)相減得

式中，Vc為臨界返速，m/s；Rec為臨界雷諾數(shù)，無因次；n為流性指數(shù)，無因次；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；Dh為井眼直徑，mm；DP為套管外徑，mm；Qw為紊流頂替排量，L/s；Qs為塞流頂替排量L/s；ρ為水泥漿密度，g/cm3。

根據(jù)上述公式，以西南油氣田雙探1井?127 mm尾管固井為例開展研究。已知漿體的流動參數(shù)，可以計算出該井的注替參數(shù)施工排量，見表5。

表5　漿體性能參數(shù)

再根據(jù)上述公式，結(jié)合表5漿體性能參數(shù)，計算出水泥漿、先導(dǎo)漿、隔離液施工排量見表6。

表6　紊流、塞流臨界頂替排量

現(xiàn)場可以根據(jù)理論計算出的參數(shù)作為參考，先導(dǎo)漿與隔離液出套管后采用紊流頂替，即先導(dǎo)漿排量為14.2 L/s，隔離液排量為10.8 L/s，水泥漿出套管后，采用塞流頂替，即排量為1.83 L/s。針對超深井小間隙注水泥，通過合理的設(shè)計注替參數(shù)的施工排量，能有效提高頂替效率，保證注水泥的施工安全。

3　現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果

雙探1井是中石油西南油氣田分公司在四川盆地雙魚石潛伏構(gòu)造上的一口重點預(yù)探井，電測井溫159℃，設(shè)計井深6 940 m，實際完鉆井深7 308.65 m，是川渝地區(qū)垂深最深井。本井五開?127 mm尾管固井下深7 308 m，鉆井液密度1.90g/cm3，由于井眼深，環(huán)空間隙小，頂替難度大，為了保證注水泥時的安全，設(shè)計采用特殊的漿柱結(jié)構(gòu)鉆井液、先導(dǎo)漿、隔離液、水泥漿，先導(dǎo)漿體積用量28.5 m3密度為1.90 g/cm3，隔離液用量20.1 m3密度為1.92 g/cm3，經(jīng)注替參數(shù)臨界排量公式計算，施工排量為10L/s。尾管段理論容積6.6 m3，頂替水泥漿5 m3，尾管段總替漿量6.7 m3，替漿總量為43.4 m3。

從聲幅測井情況顯示，在測井井段總長度999.5 m中，測井結(jié)果顯示優(yōu)的總長度726.6 m占73%，中等的總長度116.9 m占11.7%；顯示差的井段只有152.9 m占15.3%，其中合格率達(dá)到84.7%。表明該井界面反應(yīng)良好，膠結(jié)質(zhì)量好，充分說明采用該安全注水泥的一系列技術(shù)能有效地避免鉆井液與水泥漿的接觸污染，改善了界面膠結(jié)狀態(tài)，提高了層間封隔和界面膠結(jié)質(zhì)量，保證了注水泥時的施工安全。

4　結(jié)論與認(rèn)識

（1）針對超深井小間隙，采用特殊環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)，以及抗污染先導(dǎo)漿與高效隔離液的設(shè)計，不僅解決了超深井小間隙的鉆井液與水泥漿界面接觸污染的問題，而且有效清除了井壁虛濾餅、膠凝鉆井液，尤其是環(huán)空井眼不規(guī)則井眼滯留的膠凝物質(zhì)，提高了層間封固質(zhì)量，保證了超深井小間隙的注水泥時的安全。

（2）防污染實驗的設(shè)計，有效地評價了超深井小間隙水泥漿、鉆井液、先導(dǎo)漿、隔離液四相漿體之間的相容性，并且說明抗污染先導(dǎo)漿與高效隔離液的使用效果是明顯的。

（3）通過對注替參數(shù)施工排量的設(shè)計，指導(dǎo)了水泥漿、先導(dǎo)漿、隔離液的施工排量，不僅能有效提高頂替效率，還保證注水泥時的施工安全。

（4）注水泥風(fēng)險很大，施工前應(yīng)充分做好各個施工環(huán)節(jié)的風(fēng)險分析、應(yīng)急預(yù)案，做好充分的應(yīng)急準(zhǔn)備。該技術(shù)在超深井小間隙雙深1井?127mm尾管固井中的成功應(yīng)用，為今后超深井小間隙的安全注水泥技術(shù)提供了成熟條件。

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（修改稿收到日期2015-01-25）

〔編輯薛改珍〕

Research and application of safe cementing technology in ultra-deep wells of small clearance

GUO Xiaoyang1, ZHANG Kai1, LI Zaoyuan1, CHANG Hongqu2, YAO Kunquan2
（1. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Southwest Oil & Gas Field Company, CNPC, Chengdu 610041, China）

Cementing is a key link in cementing operation, and its success or failure will directly affect the life of oil/gas wells. For small clearance in ultra-deep wells, the design of cementing job is most important, which will directly affect the cementing quality. Due to great well depth and small annular space, the cementing operation involves large friction drag, high pump pressure and poor displacement efficiency during usually induces fluid loss and contamination, which will severely affect the safety of cementing job. In view of the above problems, technical research has been performed and a number of techniques have been presented such as optimizing the design of annular fluid and string structure, the design of anti-contamination prepad fluid, the design of efficient spacer fluid, the design of anti-contamination experiment and the design of cementing and displacement parameters in conjunction with fluid rheology. The application of this technology not only ensures the safety of cementing operation, but also improves the cementing quality in small clearance in ultra-deep wells. The Shuangtan-1 Well cemented with ?127 mm liner was taken as an example, to show the technical measures of safety cementing in small clearance ultra-deep wells and the application effect; field application indicates that this technology is applicable and can ensure safety of cementing operation. The cementing quality is also good.

ultra-deep well; small clearance; safety; cementing; cementing quality

TE256

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0039 – 05

10.13639/j.odpt.2015.02.011

川慶鉆探公司工程技術(shù)研究院資助項目“特殊工藝井固井技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研與分析”（編號：GCC201206010）。

郭小陽，1951年生。西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)”國家重點實驗室，主要從事固井與完井工程及材料體系研究，教授，博士生導(dǎo)師。電話：18583280528。E-mail：guoxiaoyangswpi@126.com。

引用格式：郭小陽，張凱，李早元，等.超深井小間隙安全注水泥技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：39-43.