松科2井超高溫水泥漿固井技術(shù)

李韶利，　宋韶光

（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽457000）

松科2井設(shè)計(jì)井深為6 400 m，是迄今為止中國最深的大陸科學(xué)探井，也是國際上在沉積巖環(huán)境中實(shí)施最深的大陸科學(xué)探井。與國內(nèi)外已竣工的各類深部科學(xué)鉆井工程相比，其工程固井實(shí)施存在的難點(diǎn)為施鉆區(qū)域大于4 000 m井深時平均地溫梯度達(dá)3.9 ℃，該井6 000 m以深的井溫將超過230℃，完鉆之前可能超過260 ℃（距該井6 000 m處的古龍一井于井深6 300 m營城組完井時的井溫即達(dá)226 ℃），井溫環(huán)境要求固井技術(shù)上有大的突破。水泥漿超高溫下穩(wěn)定性不易保證，水泥漿“熱稀釋”現(xiàn)象嚴(yán)重，表現(xiàn)為水泥漿失水量大、穩(wěn)定性差、析水量大，而且水泥石超過110 ℃易發(fā)生衰減，上部水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢等；尾管固井，環(huán)空間隙小，要滿足安全提取鉆具的需要，要求水泥漿在提鉆時間內(nèi)保持良好的性能，因此超高溫水泥漿設(shè)計(jì)是一大技術(shù)難題[1]。中原固井研究人員通過對超高溫緩凝劑和降失水劑的研究，優(yōu)化石英砂細(xì)度及比例，加入纖維增韌防竄材料，設(shè)計(jì)了耐260 ℃（井底靜止溫度）的超高溫水泥漿體系，通過評價其在松科2井四開尾管中的應(yīng)用，水泥漿各項(xiàng)性能均滿足松科2井固井要求，創(chuàng)下超高溫固井新記錄。

1　超高溫水泥漿設(shè)計(jì)

1.1　超高溫緩凝劑及降失水劑的優(yōu)選

根據(jù)資料研究[2-10]，采用“四元”共聚抗高溫降失水劑和三元共聚復(fù)合膦酸鹽類緩凝劑，提高耐溫穩(wěn)定性，避免了“熱稀釋”現(xiàn)象帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)選2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酸（AA）、 丙烯酰胺（AM）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）合成的四元共聚物降失水劑JSJ-Ⅱ。N-乙烯基吡咯烷酮（NVP），分子結(jié)構(gòu)中的內(nèi)酰胺基極性較大，具有親水和親核性基團(tuán)的能力，而其分子環(huán)上及形成的聚合物長鏈中，又具有非極性的亞甲基和次亞甲基，使其具一定的疏水性，因此含有NVP單體的聚合物具有部分疏水締合聚合物的特性。該四元聚合物降失水劑的分解溫度為370 ℃左右，比一般的聚合物降失水劑要高，主要是因?yàn)樵诟叻肿渔溕弦肓藙傂缘幕撬峄蛢?nèi)酰胺基，提高了分子鏈的剛性，分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻增大，使得分子鏈的熱運(yùn)動困難，從而提高了聚合物的耐溫性能。

優(yōu)選的緩凝劑是由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、富馬酸（FA）和衣康酸（IA）三元共聚物PAC與乙二胺四亞甲基膦酸鈉（EDP）復(fù)配的一種抗高溫緩凝劑HNJ-Ⅱ。該緩凝劑抗溫達(dá)180 ℃，與降失水劑配合，抗溫可達(dá)250 ℃，對水泥漿有一定的分散作用，加量在0.8%～2.0%時對抗壓強(qiáng)度無不良影響，30～180 ℃下加量呈線性關(guān)系，溫度在140～180 ℃范圍內(nèi)，稠化時間變化很小，在此溫度區(qū)間內(nèi)性能穩(wěn)定。

1.2　硅砂的優(yōu)選

選擇合理的硅砂細(xì)度及加量，使硅鈣比接近于1，以防止水泥石后期強(qiáng)度的衰退。普通硅酸鹽油井水泥在大于110 ℃的高溫下，強(qiáng)度驟然下降，水泥石滲透率急劇增大，為防止水泥石高溫強(qiáng)度衰退，必須在水泥中添加高溫穩(wěn)定劑——硅砂（SiO2）。當(dāng)水泥中加入SiO2后，SiO2一方面吸收水泥水化時析出的Ca（OH）2，降低液相中的Ca2+濃度，打破了C2SH2或C2SH（A）等高鈣水化硅酸鹽的水化平衡，同時與水泥中的α-C2SH起反應(yīng)，生成一種低硅鈣酸鹽——托勃莫來石（C5S6H）和硬硅鈣石（C6S6H），這2種單體的強(qiáng)度可達(dá)到32 MPa以上，因此提高了硅酸鹽水泥在高溫下的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。硅砂（石英砂）是高含SiO2材料，所以提高了整個混合物中的硅和鈣的物質(zhì)的量的比，使物質(zhì)的量的比更接近于1，這樣有利于阻止高溫非滲透水泥漿滲透率下降，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高了水泥石抗壓強(qiáng)度，防止了水泥石后期強(qiáng)度的衰退。

為保持水泥漿的穩(wěn)定性，提高水泥石的致密度，根據(jù)顆粒匹配及緊密堆積原理，對硅砂的粒徑和加量進(jìn)行篩選，結(jié)果見表1。根據(jù)表1粒徑組合實(shí)驗(yàn)確定了硅粉粒徑組合為30% 80目（0.180 mm）+30% 120 目（0.125 mm）+37% 200 目（0.076 mm）+3% 270目（0.056 mm）。

根據(jù)表2硅砂不同加量下水泥石的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，可以看出，60%硅砂加量基礎(chǔ)強(qiáng)度值低于14 MPa，加量為40%、50%硅砂的水泥石均無強(qiáng)度衰退，且加量50%時強(qiáng)度增加的更多，由此確定硅砂的最佳加量為50%。

表1　硅砂粒徑組合的優(yōu)選

表2　硅砂不同加量下水泥石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

1.3　優(yōu)選彈塑劑

固井水泥石是一種先天帶有一定缺陷和微裂縫的脆性材料，在射孔、高溫高壓注氣、注水、酸化壓裂等過程中會受到損傷，引起膠結(jié)面破壞或使水泥環(huán)產(chǎn)生徑向破裂，地下流體對套管和水泥環(huán)的腐蝕加劇，套損率上升，引起油氣井產(chǎn)量大幅度降低。為了提高水泥環(huán)的彈韌性，降低水泥環(huán)的脆性，通過在水泥漿中添加適當(dāng)?shù)脑鲰g材料，來提高水泥石的性能。彈塑性材料顆粒充填于水泥石內(nèi)部的孔隙中，與水泥的結(jié)晶體形成能夠束縛微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展、吸收應(yīng)變能的變形結(jié)構(gòu)中心，彈性材料產(chǎn)生的柔性膨脹補(bǔ)充水泥石體積收縮，改善水泥石的脆性，提高水泥石的變形能力。對普通水泥石和彈韌水泥石進(jìn)行了三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

優(yōu)選的新型彈韌性材料TR-G，由顆粒和纖維共同組成，改變了纖維單一材料塑性擴(kuò)展區(qū)大的缺陷，提高水泥石的彈韌性；同時該彈塑劑可使纖維表面粗糙，提高與水泥石的摩擦力；親和性強(qiáng)，提高了與水泥石的黏結(jié)力，而且在水泥漿中分散性好，不易結(jié)團(tuán)。水泥石在大型壓裂作用下不發(fā)生破裂，保持了水泥環(huán)的完整性，減少氣竄發(fā)生。經(jīng)測試，在70 MPa下彈韌水泥石的變形量大于φ177.8 mm套管的變形量。

圖1　水泥石三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)（圍壓為30 MPa，溫度為90 ℃）

2　超高密度水泥漿性能評價

通過優(yōu)選抗高溫外加劑材料，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，研究出了抗180～240 ℃的超高溫水泥漿體系，即G級油井水泥+ 50%砂+（7%～10%）降失水劑JSJ-Ⅱ+ （3.0%～7.0%）緩凝劑HNJ-Ⅱ+（2.0%～3.0%）彈性劑TR-G，對其基本性能進(jìn)行了評價。

2.1　水泥漿性能

2.1.1沉降穩(wěn)定性

配制超高溫水泥漿，在增壓稠化儀中分別在180、 210、 240 ℃及 90 MPa下養(yǎng)護(hù) 1 h后，拆出倒入500 mL量筒，靜置2 h，測水泥漿上中下密度差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超高溫水泥漿體密度差不大于0.03 g/cm3，漿體穩(wěn)定性好。

表3　超高溫水泥漿沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

2.1.2稠化性、失水量及流變性

實(shí)驗(yàn)測定了超高溫水泥漿的基本性能，結(jié)果見表4。由表4可以看出，該水泥漿可抗240 ℃高溫，漿體流動性好，稠化時間可調(diào)，具有直角稠化的特點(diǎn)，其失水量可控制在100 mL之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)水泥漿配方如下。

1#G級油井水泥+7%降失水劑JSJ-Ⅱ+50%砂+ 3.0% 緩凝劑HNJ-Ⅱ+2.0%TR-G

2#1#+3%JSJ-Ⅱ+2.5%HNJ-Ⅱ+0.5%TR-G

3#2#+1.5%HNJ-Ⅱ

表4　超高溫水泥漿基本性能

2.2　水泥石強(qiáng)度性能

根據(jù)松科2井固井設(shè)計(jì)要求，評價了頂部160℃和180 ℃及底部靜止溫度260 ℃的抗壓強(qiáng)度。

表5　超高溫水泥石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

由表5可知，該超高溫水泥漿體系形成的水泥石飽滿無收縮，壓裂過程中保持了模塊的完整性，有一定的韌性，最大的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，超高溫下后期強(qiáng)度無衰退，48 h強(qiáng)度大于14 MPa，21 d強(qiáng)度大于30 MPa。

3　固井工藝及技術(shù)措施

松科2井四開設(shè)計(jì)井深為5 800 m，φ177.8 mm套管下入深度為5 798 m，采用尾管懸掛方式固井，尾管懸掛于井深4 370 m處，采用尾管固井工藝，具有井深、尾管懸掛段長、環(huán)空間隙小，套管扶正居中困難，水泥漿在環(huán)空容易發(fā)生偏流，造成混漿帶竄槽，井底液柱壓力高，下套管及固井過程中漏失風(fēng)險(xiǎn)大。深井尾管懸掛固井，施工工藝流程相對復(fù)雜，對固井工具、附件的抗高溫和安全可靠性能要求高，井底溫度高，對水泥漿的抗高溫、高壓等性能要求高，封固段內(nèi)水泥漿頂、底溫差大，頂部水泥漿凝結(jié)時間長等難點(diǎn)。為確保本次固井施工成功，制定了以下技術(shù)措施。

1）所有入井的套管工具、附件必須滿足抗溫260 ℃以上的要求，浮鞋采用帶側(cè)循環(huán)孔的加長浮鞋，浮鞋上部使用2個彈浮式浮箍，生產(chǎn)廠家要在地面進(jìn)行浮力裝置的模擬實(shí)驗(yàn)，確保浮力設(shè)備關(guān)閉可靠。

2）懸掛器位置為井深4 369.13～4 374.17 m，固井采用密度為1.90 g/cm3的雙凝抗高溫水泥漿體系，雙凝界面5 200 m，水泥漿返至井深4 269.13 m，懸掛器上部留水泥塞100 m。

3）為保證套管下到設(shè)計(jì)井深，測完井后采用本次完鉆時鉆具結(jié)構(gòu)加雙扶正器通井（通井鉆具的剛性不低于套管的剛性)，對起鉆遇阻、卡井段做短程起下鉆和劃眼，確保井眼暢通，對下入懸掛器處150 m進(jìn)行刮壁作業(yè)，通井到底后大排量（排量不能低于鉆進(jìn)時最大排量）循環(huán)鉆井液，確保井底無沉砂后，裸眼段打封閉液全封，為套管順利地下入做好準(zhǔn)備，對封閉液做抗老化實(shí)驗(yàn)。

4）下套管灌漿要求根根灌漿，每10根套管灌滿漿1次，鉆桿每5柱灌滿1次，灌滿后才能繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)，下完全部套管后直接接上循環(huán)短接進(jìn)行循環(huán)1周，破壞鉆井液結(jié)構(gòu)，當(dāng)接上懸掛器后要鎖死轉(zhuǎn)盤，防止倒扣。下入下部附件時，與附件相聯(lián)接的套管要涂強(qiáng)力密封膠，其他套管絲扣要涂好螺紋密封脂。

5）固井時采用高效耐高溫沖洗隔離液，有效沖洗固井界面，隔離鉆井液與水泥漿，提高漿體的頂替效率。

6）為防止井漏，要求做好以下4個方面： ①下尾管前對漏失井段進(jìn)行堵漏，做好地層承壓實(shí)驗(yàn)（井口加壓為14.2 MPa），全井當(dāng)量鉆井液密度為1.54 g/cm3，上層套管鞋當(dāng)量密度為1.61 g/cm3，與施工結(jié)束后環(huán)空當(dāng)量密度相差0.16 g/cm3，如果壓力無法穩(wěn)住，則從井底向上進(jìn)行分段加壓實(shí)驗(yàn)，查找漏點(diǎn)，在鉆井液中加入堵漏劑，進(jìn)行分段循環(huán)堵漏； ②嚴(yán)格控制套管下放速度，下放速度控制在0.46 m/s保持勻速下放，禁止猛提猛放，防止引起壓力激蕩壓漏地層，并在返出口安排專人觀察返漿情況；③套管下完后先單凡爾小排量頂通，將井底鉆井液循環(huán)至上層套管后，再根據(jù)現(xiàn)場泵壓及井下情況逐步增大循環(huán)排量至正常排量（15～25 L/s），循環(huán)洗井2周，泵壓無異常，振動篩處無明顯巖屑，固井前調(diào)整好鉆井液的性能；④根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，適當(dāng)降低鉆井液的黏度和切力；優(yōu)選注灰排量和替漿排量，理論上返速度為0.8～1.0 m/s，現(xiàn)場根據(jù)環(huán)空返漿的情況及施工壓力的變化，隨時做出合理地調(diào)整。

7）地層壓漏校核。沖洗液和隔離液各占環(huán)空高度400 m（在上層套管內(nèi)共占630 m），對井深5 600 m處進(jìn)行壓漏校核，模擬頂替壓力，井底環(huán)空壓耗按6.0 MPa計(jì)算。

懸掛器下深為4 369.13 m，水泥漿返至井深4 269.13 m，4 270～5 912 m井段的水泥漿密度為1.90 g/cm3。計(jì)算當(dāng)量密度如下。

ρ當(dāng)=[600+630×1.05+（5600-4269.13）× 1.90+（4269.13-630）×1.34]÷5600=1.54 g/cm3

因此要求井口破試壓力達(dá)到14.2 MPa，才能保證固井過程中井底不發(fā)生漏失。

此時上層套管鞋處鉆井液當(dāng)量密度為1.54+14.2/4269.13=1.61 g/cm3。

8）為了降低施工時的替漿壓力，保證施工安全，同時防止浮箍浮鞋失效導(dǎo)致水泥漿倒返回尾管，要求井隊(duì)準(zhǔn)備密度為1.90 g/cm3的加重頂替液35 m3，保證入井24 m3（套管內(nèi)體積為27.45 m3）。

9）替漿大小膠塞重合時降低替漿排量，前后4 m3要根據(jù)廠家要求降低排量，以確保大小膠塞重合。

10）替漿采用流量計(jì)、鉆井液罐液面人工計(jì)量、累計(jì)泵沖3方面共同計(jì)量，確保替漿到位，若替漿量到位后仍不碰壓可以允許比理論計(jì)算替量附加1 m3后停止替漿，不強(qiáng)行碰壓。

11）固井施工結(jié)束后迅速起出鉆具4柱，以25～30 L/s的排量循環(huán)洗出多余水泥漿。然后再循環(huán)洗井6 h以上，補(bǔ)充水泥漿失重減少的壓力，保證水泥漿封固質(zhì)量，然后起鉆至井口候凝，起鉆過程中做到邊起邊灌，確保井筒灌滿鉆井液（如果地層有后效，循環(huán)結(jié)束后，再起10柱鉆具，現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況加回壓）。

12） 候凝大于72 h后（最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況而定），方可鉆開尾管懸掛器處水泥塞，測聲幅前不得改變井內(nèi)介質(zhì)密度，禁止進(jìn)行套管試壓等作業(yè)，起鉆完后及時灌滿鉆井液，等待測聲幅。

13）固井前做好水泥漿化驗(yàn)及水泥漿混漿實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場做好水泥漿復(fù)試實(shí)驗(yàn)后方可進(jìn)行下套管作業(yè)。

14）為保證套管居中度，裸眼井段加1只彈性扶正器/2根套管，套管重疊段加1只彈性扶正器/3根套管，懸掛器附近3根套管1只剛性扶正器/1根套管。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)，松科2井四開設(shè)計(jì)井深為5 800 m，底部靜止溫度為260 ℃，循環(huán)溫度為210 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力90 MPa。要求水泥漿在超高溫下有良好的穩(wěn)定性、相容性，稠化時間可調(diào)，強(qiáng)度不衰退等特性，為了保證套管串安全，特別要求在140 min時停機(jī)40 min，水泥漿性能仍能滿足施工要求。表6為松科2井四開尾管超高溫水泥漿性能實(shí)驗(yàn)，表7為混漿性能實(shí)驗(yàn)。水泥漿配方如下。

領(lǐng)漿G級油井水泥+50%砂+10%JSJ-Ⅱ+5.0% HNJ-Ⅱ+2.5%TR-G

尾漿G級油井水泥+50%砂+10%JSJ-Ⅱ+4.2% HNJ-Ⅱ+2.5%TR-G

表6　松科2井四開尾管超高溫水泥漿性能（210 ℃）

表7　松科2井四開混漿性能

水泥漿各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)制定的施工控制措施進(jìn)行施工，現(xiàn)場施工順利，固井質(zhì)量良好，順利取心，得到甲方的高度贊揚(yáng)。

5　結(jié)論

1.通過對抗高溫緩凝劑及降失水劑等材料的優(yōu)選，研制了抗260 ℃（井底靜止溫度）的超高溫水泥漿體系，漿體穩(wěn)定性好，稠化時間可調(diào)，失水量小，水泥石抗壓強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度無衰退，保證了松科2井的固井質(zhì)量。

2.合理選配石英砂的細(xì)度及加量，在高溫體系中不但能防止水泥石強(qiáng)度衰退，還能保證水泥漿的懸浮穩(wěn)定性。

3.增韌材料的加入，改善了超高溫體系水泥石的脆性缺陷，防止氣竄。

4.采用尾管懸掛固井工藝，確保工具附件的耐溫性，嚴(yán)格控制循環(huán)當(dāng)量密度，確保不壓漏地層，同時采用耐高溫高效沖洗隔離液，提高頂替效率，保證了固井施工順利。

5.超高溫水泥漿體系在松科2井井深5 800 m處的成功應(yīng)用得到了中國大陸科學(xué)研究院的高度認(rèn)可，為下一步最終井深6 400 m的固井奠定了基礎(chǔ)。