磨溪-高石梯構(gòu)造超深定向井固井水泥漿技術(shù)①

李成全 何世明 張平

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”·西南石油大學(xué)2.中國(guó)石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部 3.四川工業(yè)科技學(xué)院

自2011年7月風(fēng)險(xiǎn)探井高石1井在震旦系獲得102×104m3/d的高產(chǎn)工業(yè)氣流后[1]，揭開了高石梯-磨溪震旦-寒武系儲(chǔ)量規(guī)模超萬(wàn)億立方米特大型氣田評(píng)價(jià)勘探的序幕，取得了四川盆地47年來(lái)古隆起勘探的重大戰(zhàn)略突破[2-3]。為了加快該高溫高壓高產(chǎn)氣藏的開發(fā)進(jìn)度，在最后兩個(gè)開次大都采用尾管固井的方式。因尾管封固井段長(zhǎng)、地層溫度壓力高、上下溫差大和氣層發(fā)育等多因素引發(fā)的固井質(zhì)量低的問(wèn)題[4-7]，一直是制約龍王廟氣藏安全經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)的技術(shù)瓶頸之一，亟待解決。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)深井高溫尾管固井做了一些研究，ARCO石油天然氣公司和Wester公司使用一種非滲透性水泥體系在美國(guó)和墨西哥等地高溫深井進(jìn)行了多次的套管和尾管固井，取得了較好的應(yīng)用效果[8]。張峰等針對(duì)塔里木油田庫(kù)車山前溫度高(120～180 ℃)、窄環(huán)空間隙難點(diǎn)問(wèn)題，優(yōu)選抗高溫高強(qiáng)度水泥漿體系、抗高溫沖洗隔離液體系，配套固井工藝，解決高溫深井窄間隙小尾管固井難題[9]。羅翰等針對(duì)川深1井四開固井超高溫高壓地層長(zhǎng)效密封的問(wèn)題，通過(guò)增大硅粉加量和合理匹配硅粉粒徑抑制水泥石強(qiáng)度衰退，優(yōu)選合適的水泥漿，解決了高溫高壓地層的技術(shù)難點(diǎn)[10]。秦克明針對(duì)元壩7井超高溫高壓、油氣活躍、地層易漏、尾管環(huán)空間隙小、頂替效率難以保證等諸多固井難點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化固井方案和優(yōu)選抗高溫防氣竄加重膠粒水泥漿體系和沖洗型加重隔離液體系，解決固井過(guò)程氣竄、漏失等問(wèn)題[11]。吳江等為解決鶯歌海盆地東方13-1氣田小井眼尾管固井時(shí)存在的氣竄和CO2腐蝕問(wèn)題，研發(fā)了高密度高效清洗液和新型抗高溫高密度水泥漿，并采用旋轉(zhuǎn)尾管固井工藝，形成了高溫高壓氣井尾管固井技術(shù)[12]。何樹山等針對(duì)歧深1井尾管裸眼封固段油氣活躍、溫度高、環(huán)空間隙小等問(wèn)題,提出了采用套管居中、井眼清潔及界面清洗、隔離液、防竄水泥漿及動(dòng)態(tài)壓力平衡固井技術(shù)等綜合技術(shù)體系，有效地解決了尾管固井質(zhì)量差的問(wèn)題[13]。筆者分析總結(jié)了磨溪-高石梯構(gòu)造超深定向井尾管固井難點(diǎn)，優(yōu)選適用于高溫高壓大溫差且氣層發(fā)育條件下的寬溫帶緩凝劑和高溫降失水劑，同時(shí)優(yōu)選適用于高溫高壓大溫差條件下的防竄水泥漿體系，以此為基礎(chǔ)來(lái)指導(dǎo)磨溪-高石梯工區(qū)的尾管固井施工作業(yè)，為龍王廟氣田的安全經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供保障。

1 川西地區(qū)固井面臨的重點(diǎn)難點(diǎn)

2013年以前，針對(duì)磨溪龍王廟構(gòu)造的開發(fā)井，按照直井固井模式，完成5井次的大斜度井、水平井固井作業(yè)，其中3井次的177.8 mm尾管固井作業(yè)固井質(zhì)量?jī)H一口井合格，其中磨溪008-H1井合格率僅為5.2%，優(yōu)質(zhì)率僅為0.2%(圖1)。2井次的127 mm尾管固井作業(yè)固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率相對(duì)不高。其中，磨溪009-X1井優(yōu)質(zhì)率僅為19.4%，磨溪16-C1優(yōu)質(zhì)率為76.3%。

通過(guò)磨溪-高石梯構(gòu)造前期固井結(jié)果分析，影響工區(qū)超深大斜度井、水平井尾管(177.8 mm和127 mm)固井質(zhì)量的主要原因有：

(1) 大斜度、水平井封固段長(zhǎng)，環(huán)空間隙小(最小11～12 mm)，頂替效率不高，嚴(yán)重影響尾管段固井質(zhì)量。

(2) 高密度大溫差水泥漿體系防竄性能效果差，早期強(qiáng)度發(fā)育不完全，導(dǎo)致固井候凝過(guò)程中出現(xiàn)氣竄。尾管封固段長(zhǎng)最長(zhǎng)超2 000 m，最高溫度超140 ℃，封固段上下最大溫差超60 ℃。磨溪008-X2井177.8 mm尾管水泥漿在80 ℃條件下養(yǎng)護(hù)48 h后的水泥石強(qiáng)度僅為7.0 MPa。

(3) 鉆井液、隔離液和水泥漿的密度及流變性能匹配性差，影響固井頂替效率的提高。磨溪008-H1井177.8 mm尾管固井井段的鉆井液密度2.15 g/cm3，隔離液和水泥漿的密度均為2.25 g/cm3，鉆井液、隔離液和水泥漿的動(dòng)切力幾乎相同，分別為9 Pa、10 Pa和10 Pa，難以實(shí)現(xiàn)高效頂替。

(4) 油氣層顯示多，尤其是上部井段油氣水活躍，固井候凝過(guò)程中由于水泥漿失重導(dǎo)致井筒液柱壓力降低，使得油氣水竄，影響固井質(zhì)量。磨溪009-X1井177.8 mm尾管固井井段有8個(gè)層段油氣顯示活躍，龍?zhí)?、飛仙關(guān)、嘉陵江地層全烴最高超過(guò)90%，嚴(yán)重影響候凝后的固井質(zhì)量。

為解決該地區(qū)固井面臨的難點(diǎn)，將從水泥漿技術(shù)開展研究，通過(guò)優(yōu)化高密度大溫差水泥漿和高溫防竄水泥漿，來(lái)提高大斜度、水平井頂替效率和防竄能力。

2 高密度大溫差水泥漿外加劑優(yōu)選

在前期開發(fā)形成的大溫差水泥漿體系(嘉華G級(jí))的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)選高溫緩凝劑、降失水劑，進(jìn)一步優(yōu)化高密度大溫差防竄水泥漿體系早期強(qiáng)度及防竄性能。

2.1 寬溫帶緩凝劑優(yōu)選

由于地層封固段長(zhǎng)，地層縱向溫度變化大(60～135 ℃)，要求緩凝劑不僅在中溫和高溫具有優(yōu)良的緩凝效果，同時(shí)在低溫下也要具有較好的凝結(jié)性能，需對(duì)緩凝劑進(jìn)行優(yōu)選。SD210緩凝劑由含磺酸基和含有高電荷羰基、酰胺基團(tuán)的單體加成聚合而成[14]。一方面，緩凝劑雙羧基的磺酸基通過(guò)鰲合作用，在水泥顆粒表面形成不溶性薄層優(yōu)先吸附C3A，鋁酸鹽組分水化速度首先被抑制，表現(xiàn)出很強(qiáng)的緩凝作用，而對(duì)C3S表現(xiàn)較弱的吸附性能，起減緩水化的作用，隨著水化過(guò)程的進(jìn)行，晶核長(zhǎng)大，屏障結(jié)構(gòu)被逐漸破壞，保證水泥石后期強(qiáng)度。另一方面，共聚物分子在高溫下呈伸展?fàn)顟B(tài)，活性基團(tuán)排列在分子側(cè)面而暴露，對(duì)Ca2+、Al3+充分螫合，全包裹吸附晶格中抑制正常水化；低溫時(shí)分子鏈蜷縮，使部分羧基被包在內(nèi)側(cè)，其鰲合分散受限，緩凝能力降低[14]。即緩凝劑隨溫度的升高而伸展，達(dá)到井底高溫時(shí)處于打開的狀態(tài)，與水泥顆粒作用發(fā)揮緩凝作用；而當(dāng)水泥漿返到環(huán)空一定位置時(shí)，該緩凝劑也隨溫度的降低而收縮，由完全吸附狀態(tài)過(guò)渡為部分吸附狀態(tài)。以水泥石強(qiáng)度為指標(biāo)，對(duì)SD210緩凝劑進(jìn)行了高溫寬溫帶適應(yīng)性考察，見表1。

表1 SD210寬溫帶適應(yīng)性試驗(yàn)循環(huán)溫度/℃稠化時(shí)間/min24 h強(qiáng)度/MPa(養(yǎng)護(hù)溫度)水泥頂面強(qiáng)度/MPa(養(yǎng)護(hù)溫度×?xí)r間)11534025.0(135 ℃)14.0(65 ℃×24 h)13531226.3(150 ℃)14.5(75 ℃×24 h)15030529.5(165 ℃)16.2(75 ℃×36 h)

由表1可知：在滿足施工稠化時(shí)間要求的前提下，SD210水泥石強(qiáng)度發(fā)育高，水泥漿體系在115 ℃條件下稠化時(shí)間340 min、135 ℃條件下稠化時(shí)間312 min、150 ℃條件下稠化時(shí)間305 min，模擬注水泥過(guò)程攪拌以后，在24 h內(nèi)養(yǎng)護(hù)凝固分別達(dá)到25.0 MPa、26.3 MPa和29.5 MPa。同時(shí)，其水泥漿柱頂部溫度較低時(shí)，最低強(qiáng)度可達(dá)14.0 MPa，其強(qiáng)度也能夠較快發(fā)展，克服了大溫差效應(yīng)對(duì)高溫水泥漿體系帶來(lái)的超緩凝問(wèn)題。

2.2 高溫降失水劑優(yōu)選

水泥漿失水量過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生一系列的嚴(yán)重后果：使水泥漿密度顯著升高，流變性變差，水泥漿發(fā)生閃凝現(xiàn)象或橋堵，導(dǎo)致注水泥失??；水泥漿濾液浸入地層引起地層損害；水泥漿發(fā)生失水失重引起層間竄通，降低封固質(zhì)量。采用AM、AMPS等[15]為主要原料合成的共聚物SD130高溫降失水劑為黏稠狀的透明液體，直接混入水中使用，其加量一般為水泥質(zhì)量的2%～5%，漿體穩(wěn)定性好，無(wú)自由水，隨著其加量增加，漿體稍微增稠，加入適量分散劑配合使用可保證水泥漿具有良好的流變性。圖2(a)為SD130聚合物降失水劑在120 ℃條件下的API失水評(píng)價(jià)結(jié)果。由圖2(a)可看出，隨著SD130加量增加，失水量逐漸降低，當(dāng)其加量超過(guò)3%(w)以后，能夠控制水泥漿的失水量在100 mL以內(nèi)，隨著其加量的進(jìn)一步增加，失水量的降低幅度變小。圖2(b)為該降失水劑在加量4%(w)時(shí)，失水量隨溫度的變化情況。圖2(b)表明，降失水劑有很寬的溫度適應(yīng)性，在135 ℃時(shí)，仍然能夠有效地發(fā)揮其降失水的性能。

由于該聚合物分子結(jié)構(gòu)引入AMPS基團(tuán)，起到了抑制丙稀酰胺-CONH2基團(tuán)水解的作用，提高了共聚物的穩(wěn)定性，相對(duì)減弱了降失水劑的緩凝作用。圖3為溫度110 ℃時(shí)不同密度條件下水泥漿的API失水量測(cè)試結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)水泥漿密度在2.10～2.50 g/cm3范圍內(nèi)變化時(shí)，相同加量的SD130降失水劑的API失水量幾乎保持不變，能有效滿足工程作業(yè)需求。

3 高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，形成了以SD210、SD130、SD35與加重劑為主體，密度2.00～2.50 g/cm3、溫度60～135 ℃的水泥漿體系配方，具體的配方如表2所示。

表2 高密度大溫差防竄水泥漿配方密度/(g·cm-3)溫度/℃G級(jí)/gw(鐵礦粉)/%w(硅粉)/%w(SD130)/%w(SD210)/%w(SD35)/%液固比2.001151002031.60.50.362.001351002042.40.50.362.10115100502031.60.50.342.10135100502042.40.50.342.20115100502031.610.322.20135100502042.410.322.301151001302031.610.312.301351001302042.410.312.401151001302031.610.282.401351001302042.410.282.501151001802031.610.252.501351001802042.410.25

3.1 水泥漿工程性能評(píng)價(jià)

(1) 沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系以磁鐵礦粉為加重劑，穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在水泥漿上、下密度的差異。為考察水泥漿沉降穩(wěn)定性，將部分配方水泥漿靜置觀察后，測(cè)量其上下密度差，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，該水泥漿體系有較好的穩(wěn)定性，頂部和下部密度差均小于0.020 g/cm3，良好的沉降穩(wěn)定性防止了上部水泥環(huán)膠結(jié)疏松，強(qiáng)度下降，有助于提高固井質(zhì)量。

(2) 水泥漿常規(guī)性能評(píng)價(jià)。在室內(nèi)按照API操作規(guī)范對(duì)以上配方進(jìn)行了水泥漿常規(guī)性能測(cè)試，得到高密度大溫差水泥漿體系常規(guī)性能，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：水泥漿體系兼顧了穩(wěn)定性與流變性，黏度切力低，流動(dòng)度均在20～23 cm，游離液較小，穩(wěn)定性良好；水泥漿體系能有效控制失水。115 ℃和135 ℃條件下API失水量均小于70 mL，有利于保護(hù)油氣層。

(3) 水泥漿稠化時(shí)間與抗壓強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)。稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度是高密度大溫差水泥漿體系的主要矛盾，是大溫差最本質(zhì)的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了這兩方面的性能，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：水泥石在高溫(135 ℃和110 ℃)條件下養(yǎng)護(hù)48 h的強(qiáng)度均大于14.0 MPa，低溫下(75 ℃)養(yǎng)護(hù)48 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了8.0 MPa以上；當(dāng)循環(huán)溫度為135 ℃時(shí)保持400 min左右，能夠有效解決水泥石頂部出現(xiàn)超緩凝的問(wèn)題。

表3給出了水泥石經(jīng)高溫過(guò)渡到低溫后的強(qiáng)度結(jié)果。由表3可知：優(yōu)選出的緩凝劑對(duì)水泥石的強(qiáng)度發(fā)展無(wú)不良影響，24 h強(qiáng)度高，能夠滿足工程的要求；在稠化時(shí)間滿足施工要求的前提下，水泥漿柱頂部溫度較低時(shí)，其強(qiáng)度也能夠較快發(fā)展，克服了大溫差效應(yīng)對(duì)高溫水泥漿體系帶來(lái)的超緩凝的問(wèn)題，可以解決長(zhǎng)封固段頂部水泥漿長(zhǎng)期不凝的固井質(zhì)量難題。

表3 由高溫過(guò)渡到低溫后的水泥石強(qiáng)度循環(huán)溫度/℃稠化時(shí)間/min底部強(qiáng)度/MPa頂部強(qiáng)度/MPa11044326.5(133 ℃×24 h)20(70 ℃×24 h)13036832.4(154 ℃×24 h)20(75 ℃×45 h)15034835.2(175 ℃×24 h)20(80 ℃×24 h)

3.2 水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)

大量的生產(chǎn)實(shí)踐及研究表明，造成油、氣、水竄的主要原因是水泥漿在凝結(jié)過(guò)程中，其液柱壓力不斷降低(即水泥漿失重)。當(dāng)作用于井筒內(nèi)的漿柱(泥漿和水泥漿)壓力逐漸降到低于油、氣、水層壓力的某一時(shí)刻，油、氣、水就會(huì)侵入環(huán)形空間，造成油、氣、水的竄流和井口冒油、冒氣。

根據(jù)水泥漿失重規(guī)律，對(duì)2.30 g/cm3水泥漿，當(dāng)漿柱壓力當(dāng)量密度降至1.90、1.45、1.00時(shí)，分別進(jìn)行氣侵實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)得到正常密度和水泥漿氣侵?jǐn)?shù)據(jù)，表4是將水泥漿氣侵?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為壓力當(dāng)量密度進(jìn)行抗氣侵的能力比較。

分析表4可知：

(1) 大溫差防竄水泥漿體系都有較強(qiáng)的防竄能力。在保證水泥漿膠結(jié)良好的情況下，地層壓力梯度小于2.0，不會(huì)發(fā)生氣竄。

(2) 大溫差防竄水泥漿體系在不同的靜置時(shí)刻，其氣侵壓力當(dāng)量密度都大于漿柱的原始?jí)毫Ξ?dāng)量密度，并且隨著水泥漿的膠凝強(qiáng)度的發(fā)展，氣侵壓力當(dāng)量密度明顯增大，說(shuō)明水泥漿的膠凝強(qiáng)度愈大，抗氣侵能力也愈大。

(3) 不同配方的水泥漿抗氣侵能力是不相同的，當(dāng)水泥漿柱壓力降至水柱高度壓力時(shí)，其抗氣侵的強(qiáng)弱與水泥漿稠度從40 BC變化至100 BC的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，稠度變化快，其抗氣侵能力相對(duì)較強(qiáng)，反之則較弱。由此說(shuō)明，水泥漿稠度從40 BC變化至100 BC的時(shí)間長(zhǎng)短也可反映水泥漿的膠凝強(qiáng)度發(fā)展快慢。

表4 不同溫度下的水泥漿柱在不同壓力當(dāng)量密度時(shí)刻的氣侵壓力當(dāng)量密度和稠化時(shí)間氣侵時(shí)刻數(shù)據(jù)水泥漿大溫差防竄水泥漿體系/MPa不同溫度氣侵壓力當(dāng)量密度樣品1樣品2樣品395 ℃108 ℃120 ℃漿柱當(dāng)量密度1.90p10.033 00.032 50.032 0p20.022 00.023 00.023 0Δp0.011 00.009 50.009 0p30.018 60.018 60.018 63.303.253.20漿柱當(dāng)量密度1.45p10.037 50.036 00.034 5p20.023 00.022 50.022 0Δp0.014 50.013 50.012 5p30.014 20.014 20.014 23.753.603.45漿柱當(dāng)量密度1.0p10.072 00.068 00.062 0p20.034 50.035 00.032 0Δp0.037 50.033 00.030 0p30.100 00.100 00.100 07.206.806.2040～100 BC稠化時(shí)間/min212629

(4) 氣侵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，大溫差防竄水泥漿體系穩(wěn)定性較好，不存在自由水分離而形成氣侵的通道。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用該研究成果在磨溪-高石梯工區(qū)的大斜度井、水平井中的177.8 mm尾管和127 mm的尾管固井中開展了11口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。表5給出了試驗(yàn)井的基本情況，圖7給出了試驗(yàn)井的聲幅測(cè)井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表5 試驗(yàn)井情況簡(jiǎn)表井號(hào)套管/mm深度/m溫度/℃水泥漿密度/(g·cm-3)磨溪009-X2127.05 4251421.90磨溪009-3-X1127.05 4701351.90磨溪009-X6127.05 2001411.90磨溪008-X16177.84 9681302.25磨溪008-11-X1127.05 6501351.90高石001-H2177.85 1881392.25磨溪008-20-H2177.85 8301352.35高石001-X1177.85 1051382.25磨溪008-7-X2177.84 8151312.30磨溪008-18-X1177.84 7781272.32磨溪009-4-X2177.84 8551292.40

由表5和圖7分析可知：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中固井最深5 188 m，最長(zhǎng)尾管封固段長(zhǎng)2 823 m，最高井底溫度達(dá)到142 ℃，最高水泥漿密度達(dá)到2.40 g/cm3；聲幅測(cè)井質(zhì)量平均合格率83.7 %，平均優(yōu)質(zhì)率48.9%；與應(yīng)用前相比，固井質(zhì)量評(píng)價(jià)優(yōu)良率提高約30%，評(píng)價(jià)合格率提高超過(guò)50%；固井后無(wú)一口井發(fā)生喇叭口氣竄或氣測(cè)異?！，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系能夠顯著提高磨溪-高石梯工區(qū)的尾管封固質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1) 在前期開發(fā)形成的大溫差水泥漿體系基礎(chǔ)上，以水泥石強(qiáng)度為指標(biāo)，對(duì)SD210緩凝劑進(jìn)行了高溫寬溫帶適應(yīng)性考察；研究共聚物高溫降失水劑SD130的加量和隨溫度的變化情況，優(yōu)化高密度大溫差防竄水泥漿體系早期強(qiáng)度及防竄性能。

(2) SD210水泥漿體系在高溫165 ℃養(yǎng)護(hù)24 h和低溫65 ℃養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到29.5 MPa和14.0 MPa以上，克服了大溫差效應(yīng)對(duì)高溫水泥漿體系帶來(lái)的超緩凝的問(wèn)題；SD130降失水劑具有很寬的溫度和密度適應(yīng)性，加量(w)超過(guò)3%以后，能夠控制水泥漿的失水量在100 mL以內(nèi)；在大溫差下水泥漿體系在保證水泥漿膠結(jié)良好的情況下(地層壓力梯度小于2.0)，能有效防止氣竄發(fā)生，具有良好的抗溫穩(wěn)定性和防竄性能。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用高溫大溫差防氣竄水泥漿體系后，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率提高約30%，評(píng)價(jià)合格率提高超過(guò)50%，固井后無(wú)一口井發(fā)生氣竄或氣測(cè)異常。高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系能夠顯著提高磨溪-高石梯工區(qū)的尾管封固質(zhì)量，為龍王廟氣田的安全經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供保障。