窄密度窗口及小間隙超深井尾管固井技術(shù)

張華， 丁志偉， 肖振華， 于永金， 郭玉超， 楊棋翔， 程大偉

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300350；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206；3.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，成都610041；4. 渤海鉆探第一固井分公司，河北任丘062552；5.渤海鉆探國(guó)際鉆采物資供應(yīng)分公司，天津300457）

0 引言

五探1井是西南油氣田分公司在達(dá)州-開江古隆起檀木場(chǎng)潛伏構(gòu)造高點(diǎn)上的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，該井采用φ190.5 mm鉆頭鉆至井深7 288.00 m中途完鉆。上層φ219.08 mm套管鞋井深為6 599.47 m，上層φ273.05 mm套管鞋井深為5 331.00 m，擬采用φ168.3 mm懸掛尾管封固5 180.00～7 288.00 m井段，封固段長(zhǎng)2 108.00 m，固井前鉆井液密度為1.55 g/cm3，裸眼段井徑擴(kuò)大率為5.4%。

該井固井存在以下技術(shù)難題：該井在高臺(tái)組、龍王廟組、滄浪鋪組鉆進(jìn)過程中均發(fā)生過井漏，下完套管后固井施工前鉆井液密度為1.55 g/cm3仍存在持續(xù)井漏（漏速為0.4 m3/h），漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大；重合段環(huán)空間隙窄（12.69 mm），環(huán)空摩阻大，增加井漏風(fēng)險(xiǎn)；高溫低密度水泥漿體系沉降穩(wěn)定性、水泥石高溫強(qiáng)度防衰退等設(shè)計(jì)難度大；油基鉆井液與水泥漿污染嚴(yán)重影響界面膠結(jié)質(zhì)量等。采用兩凝低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿技術(shù)、抗污染油基沖洗隔離液一體化技術(shù)、平衡壓力固井等配套技術(shù)措施，解決了以上難題，保證了固井施工安全，確保了φ168.3 mm懸掛尾管固井質(zhì)量，固井質(zhì)量合格率為100%，優(yōu)質(zhì)率為99.8%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)韓家店組至燈影組多個(gè)復(fù)雜地層的完整封固，保證了井身結(jié)構(gòu)具備更高抗內(nèi)壓強(qiáng)度，為五探1井下步順利完井打下了良好基礎(chǔ)，并創(chuàng)下了川渝地區(qū)φ168.3 mm非標(biāo)套管懸掛固井最深記錄。

1 兩凝低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿

1.1 水泥漿體系設(shè)計(jì)要求

高溫深井低密度固井給水泥漿體系設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)：井底溫度高，水泥漿體系沉降穩(wěn)定性不易保障，并且高溫水泥石強(qiáng)度易衰退；井底壓力高達(dá)110 MPa，減輕材料篩選困難；重合段環(huán)空間隙窄（12.69 mm），環(huán)空摩阻大，進(jìn)一步增加了井漏風(fēng)險(xiǎn)；后期作業(yè)井筒溫度壓力變化影響水泥環(huán)密封完整性，增加了環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)；為了更好地封固裸眼段地層，設(shè)計(jì)兩凝水泥漿體系，兩凝界面在6 400 m，即尾漿封固整個(gè)裸眼段和部分重合段，利用尾漿稠化時(shí)間短，強(qiáng)度發(fā)展快，有效封隔地層流體。領(lǐng)漿、尾漿密度均為1.57 g/cm3、一個(gè)“灰”兩個(gè)“藥水”便于現(xiàn)場(chǎng)施工，采用進(jìn)口3M玻璃微珠、高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、高溫增強(qiáng)材料DRB-2S、高溫抗鹽外加劑、膨脹增韌材料DRE-300S等材料。開發(fā)出了滿足井底溫度160 ℃，水泥漿穩(wěn)定性好、水泥石彈性模量小于7 GPa、高溫水泥石強(qiáng)度無(wú)衰退等要求的低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿，為保障固井質(zhì)量提供了有力技術(shù)支撐。

1.2 水泥漿綜合性能

如表1所示，低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿采用3M玻璃微珠減輕材料，配合微硅、高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、高溫增強(qiáng)材料DRB-2S，實(shí)現(xiàn)了低密度水泥漿體系高溫穩(wěn)定性好、高承壓能力（110 MPa）、水泥石強(qiáng)度高；結(jié)合具有火山灰活性的膨脹增韌材料DRE-300S[1]，促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)速率，提高了水泥漿的強(qiáng)度，縮短了水泥漿稠化過渡時(shí)間，提高了水泥漿的防竄能力，水泥漿SPN值均小于3，具有良好的防氣竄性能[2-4]；膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成具有晶格膨脹的晶體物質(zhì)，使水泥石表現(xiàn)出微膨脹特性；另外利用膨脹增韌材料DRE-300S中的增韌材料自身的低彈性模量實(shí)現(xiàn)了水泥石的低彈性模量，保障了水泥石的結(jié)構(gòu)完整性[5-6]，防止后期作業(yè)因井筒溫度壓力變化，引發(fā)環(huán)空微間隙，導(dǎo)致環(huán)空帶壓；高溫條件下，高溫增強(qiáng)材料DRB-2S與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成高溫下具有膠結(jié)相的高強(qiáng)度晶體物質(zhì)，防止了水泥石的高溫強(qiáng)度衰退[7-9]；高溫抗鹽緩凝劑DRH-200L和抗鹽降失水劑DRF-120L的摻入，防止了膏鹽層對(duì)水泥漿性能的影響，保障了施工安全，因此低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿體系具有沉降穩(wěn)定性好、零析水、稠化時(shí)間可調(diào)等良好的綜合性能，且水泥石彈性模量小于7 GPa，具有微膨脹特性，110 ℃領(lǐng)漿48 h強(qiáng)度大于10 MPa，160 ℃尾漿168 h強(qiáng)度28.4 MPa，滿足固井施工對(duì)水泥漿性能的要求。

表1 低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿綜合性能

水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

基礎(chǔ)配方 嘉華G級(jí)水泥+20%高溫增強(qiáng)材料DRB-2S+8%膨脹增韌材料DRE-300S+ 15%3M玻璃微珠+1%分散劑DRS-1S+1.2%穩(wěn)定劑DRK-3S+8%微硅+4.5%抗鹽降失水劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L（配方中加量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）

領(lǐng)漿 基礎(chǔ)配方+5%抗鹽緩凝劑DRH-200L+60%現(xiàn)場(chǎng)水（密度為1.57 g/cm3）。

尾漿 基礎(chǔ)配方+3%DRH-200L+62%現(xiàn)場(chǎng)水（密度為1.57 g/cm3）

2 抗污染沖洗隔離液技術(shù)

如表2所示，抗污染沖洗隔離液技術(shù)具有抗污染、沖洗、隔離三重特性。通過油基沖洗液DRY-200L實(shí)現(xiàn)了對(duì)二界面上的油性物質(zhì)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用，并提高了界面的親水性和沖洗頂替效率，抗污染沖洗隔離液的沖洗效率較清水提高近1倍，清水、抗污染沖洗隔離液沖洗油基鉆井液的時(shí)間（旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)以200 r/min轉(zhuǎn)速?zèng)_洗干凈轉(zhuǎn)子的時(shí)間）分別為95、50 s，增強(qiáng)了二界面與水泥漿基體的膠結(jié)作用力，保障了固井質(zhì)量?？刮廴緞〥RP-1L是通過螯合、同種電荷排斥等作用降低了絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)聚力，提高了污染漿體的流動(dòng)性（見表2），為固井施工安全提供了可靠的技術(shù)保障[10]。

表2 抗污染沖洗隔離液的抗污染實(shí)驗(yàn)

高溫懸浮劑DRY-S1、DRY-S2提高體系高溫下的沉降穩(wěn)定性；油基鉆井液沖洗液DRY-200L為親油表面活性劑、親水表面活性劑配合使用，具有良好的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用，提高界面親水性；DRW-2S為棱形顆粒，能夠強(qiáng)化井壁的物理沖刷作用力，提高頂替效率；用加重材料重晶石來(lái)調(diào)節(jié)體系密度；抗污染劑DRP-1L通過螯合、絡(luò)合等作用，提高水泥漿與油基鉆井液的相容性，保障固井施工安全?？刮廴緵_洗隔離液配方如下。

水+3%DRY-S1+3%DRY-S2+10%DRY-200L+62%重晶石+25%DRW-2S+0.5%消泡劑DRX-1L+6%DRP-1L。

該抗污染沖洗隔離液密度為1.45 g/cm3，漏斗黏度為48 s，132 ℃沉降穩(wěn)定性為0.01 g/cm3。

3 配套工藝

3.1 配套工藝技術(shù)措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況條件，結(jié)合固井技術(shù)難點(diǎn)，提出了針對(duì)性的配套工藝技術(shù)措施，完善了固井技術(shù)方案，保證了固井施工安全和質(zhì)量。

1）現(xiàn)場(chǎng)鉆井、完鉆期間漏失嚴(yán)重，固井施工井漏風(fēng)險(xiǎn)大，為了防止固井施工過程漏失，以控制井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度與鉆進(jìn)時(shí)井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度相當(dāng)，且低于漏失時(shí)井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度為優(yōu)化原則：①優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水泥漿密度為1.57 g/cm3，與鉆井液密度相當(dāng)；②隔離液密度為1.45 g/cm3，低于鉆井液密度0.10 g/cm3；③通過軟件模擬與現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，確定井底最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度為1.65 g/cm3。

2）針對(duì)井底溫度高，低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性差、強(qiáng)度易衰退問題，首先采用高溫穩(wěn)定劑、微硅、水泥顆粒級(jí)配，提高水泥漿在高溫下的沉降穩(wěn)定性；然后采用高溫增強(qiáng)材料防止水泥石高溫強(qiáng)度衰退。

3）滄浪鋪組、筇竹寺組、燈四段均存在油氣顯示，頂替到位靜液柱壓力低于鉆井液液柱壓力，壓穩(wěn)地層難度大問題。施工時(shí)，提高兩凝界面到上層套管鞋以上200 m，利用稠化時(shí)間短、強(qiáng)度發(fā)展快的尾漿封隔油氣顯示活躍的層位；固井施工前，充分循環(huán)洗井一個(gè)循環(huán)周以上，消除后效，降低竄氣風(fēng)險(xiǎn)；固井施工結(jié)束后，憋壓候凝（1.5 MPa），補(bǔ)償因水泥漿失重而降低的靜液柱壓力。

4）井徑擴(kuò)大率為5.4%，環(huán)空間隙小，頂替施工壓力高，存在井漏風(fēng)險(xiǎn)。固井施工前，采用固井施工排量模擬循環(huán)壓耗，當(dāng)水泥漿返至上層套管鞋后，降低頂替排量，從而降低井漏風(fēng)險(xiǎn)。

5）針對(duì)井深、井底壓力高、套管居中度不易保證，減輕材料高壓下易破碎，水泥漿密度會(huì)增高的問題，設(shè)計(jì)水泥漿多返10 m3，保證凈水泥漿充填封固段，防止井漏水泥漿低返；優(yōu)化鉆井液性能，漏斗黏度不大于50 s，高溫高壓失水量不大于10 mL；抗污染沖洗隔離液用量20 m3，保證接觸時(shí)間大于10 min；扶正器安放：重合段為4根套管一只φ185 mm剛性螺旋扶正器；裸眼井段為2根套管一只φ185 mm剛性螺旋扶正器，保證套管居中度，有利于提高沖洗頂替效率；施工注替排量0.4～0.6 m3/min，提高沖洗頂替效率。軟件模擬計(jì)算沖洗頂替效率，為施工參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

6）鉆井液與水泥漿污染嚴(yán)重，影響固井施工安全，使用抗污染沖洗隔離液有效隔離鉆井液與水泥漿；喇叭口位置處：抗污染沖洗隔離液鉆桿內(nèi)5 m3，套管內(nèi)2 m3作為間隔隔離液，防止懸掛器中心管拔出時(shí)，鉆井液與水泥漿污染；喇叭口處懸掛器中心管拔出瞬間，管外靜液柱壓力略大于管內(nèi)，降低鉆井液與水泥漿的接觸機(jī)會(huì)。

3.2 軟件優(yōu)化模擬施工參數(shù)

1） 優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)。在施工排量為0.6 m3/min時(shí)，優(yōu)化了7種漿柱結(jié)構(gòu)，見表3。為了防止固井施工過程漏失，以控制井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度與鉆進(jìn)時(shí)井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度相當(dāng)，且低于漏失時(shí)井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度為優(yōu)化原則，因此設(shè)計(jì)思路是抗污染沖洗隔離液密度低于鉆井液密度，且增加其用量；同時(shí)設(shè)計(jì)水泥漿密度與鉆井液密度相當(dāng)。故通過降低環(huán)空靜液柱壓力來(lái)提高施工安全性，因此方案7作為本次固井的環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)。

表3 漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度

2）固井施工中井口壓力模擬。如圖1所示，注替漿時(shí)排量為0.6 m3/min，當(dāng)水泥漿返到上層套管鞋后，降低排量為0.4 m3/min，模擬注替井口壓力為3～12 MPa。

3）固井施工中井底壓力模擬。如圖2所示，模擬固井施工過程，井底最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度為1.65 g/cm3，軟件模擬有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)固井施工。

4）關(guān)注點(diǎn)壓力（井深7 016.30 m）模擬。圖3為注替過程中滄浪鋪組（井深7 016.30 m）的動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度情況模擬，頂替水泥漿到位后，該點(diǎn)的最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度為1.65 g/cm3，能有效壓穩(wěn)氣層。

圖1 固井施工中井口壓力模擬

圖2 固井施工中井底壓力模擬

圖3 注替過程中滄浪鋪組（7 016.30 m）的動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度情況模擬

5）施工過程壓穩(wěn)計(jì)算。如圖4所示，模擬注替漿過程，環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度在地層孔隙壓力與地層破裂壓力之間，能有效壓穩(wěn)地層，同時(shí)又避免了壓漏漏失地層，保障了固井施工安全和固井質(zhì)量。

6）頂替效率模擬。根據(jù)固井施工漿柱結(jié)構(gòu)、固井施工參數(shù)等，采用頂替效率頂替軟件模擬注替排量為0.4 m3/min，環(huán)空頂替效率為91.54%，模擬注替排量為0.6 m3/min，環(huán)空頂替效率為93.81%，如圖5所示。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果

根據(jù)五探1井φ168.3 mm尾管懸掛固井存在的技術(shù)難點(diǎn)，通過優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)水泥漿體系、采用抗污染沖洗隔離液技術(shù)、軟件模擬等配套工藝技術(shù)措施，成功完成了低速漏失井一次性上返固井，其CBL/VDL的綜合解釋結(jié)果為固井質(zhì)量合格率達(dá)100%，優(yōu)質(zhì)率99.8%。

圖4 固井施工過程壓穩(wěn)計(jì)算

圖5 頂替效率模擬

4 結(jié)論與建議

1.低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿具有良好的綜合性能，可滿足高溫高壓固井施工對(duì)水泥漿性能的要求，領(lǐng)漿稠化時(shí)間480 min，領(lǐng)漿頂部強(qiáng)度11.2 MPa/（110 ℃×48 h）；尾漿稠化時(shí)間260 min，168 h 強(qiáng)度 28.4 MPa/（160 ℃ ×168 h），水泥石彈性模量小于7 GPa。

2.抗污染沖洗隔離液體系具有抗污染、沖洗、隔離三重作用，解決了水泥漿與油基鉆井液的污染增稠問題，沖洗效率較清水提高了近1倍，保證了施工安全，保障了固井質(zhì)量。

3.低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿、抗污染沖洗隔離液技術(shù)、軟件模擬等配套工藝技術(shù)措施，有效保證了五探1井φ168.3 mm尾管懸掛固井順利施工，固井質(zhì)量合格率100%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)99.8%。

4.建議進(jìn)一步完善低密度高強(qiáng)度韌性微膨脹防竄水泥漿體系，為西南油氣田風(fēng)險(xiǎn)探井窄密度窗口固井提供了重要的技術(shù)儲(chǔ)備。