長慶油田小套管二次固井工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

閔江本，向 蓉，陳 博

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710018；3.長慶油田公司第二采油廠，甘肅慶城745100；4.長慶油田公司第六采油廠，陜西定邊718699）

0 引言

隨著長慶油田不斷勘探開發(fā)深入，由地質(zhì)、工程、地層水腐蝕等因素等造成的油水井套損問題越來越嚴(yán)重，套損井?dāng)?shù)量不斷增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年新增套損井350～500 口，目前套損井防治總需求達(dá)2000余口。套損導(dǎo)致油井含水率上升、減產(chǎn)甚至關(guān)停，注水井水驅(qū)動(dòng)用程度低，注采井網(wǎng)失調(diào)，嚴(yán)重影響著油田的開發(fā)效果及油藏動(dòng)用程度，對長慶油田6000 萬t 持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)帶來了極大考驗(yàn)，亟須對套損井進(jìn)行增產(chǎn)復(fù)產(chǎn)治理。

為提高原油產(chǎn)量、恢復(fù)單井產(chǎn)能，長慶油田公司套損井治理項(xiàng)目組近年來針對套損井分別開展了套管補(bǔ)貼［1］、化學(xué)擠封［2］等治理措施，現(xiàn)場試驗(yàn)表明：套管補(bǔ)貼存在施工周期長、作業(yè)成本高、造成井筒縮徑等問題，窄環(huán)空間隙貼堵液封堵質(zhì)量難以有效保證，部分井因貼補(bǔ)效果差導(dǎo)致井筒改造效果不佳且無后續(xù)補(bǔ)救措施，直至棄井或封井［3-7］；化學(xué)擠封存在擠封成功率低、措施有效期短等問題，同時(shí)也無法滿足大段套損井治理要求。

本研究針對長慶油田套損井改造技術(shù)特點(diǎn)，在全井段套損嚴(yán)重、LEP 隔采失效且仍具有較大潛在產(chǎn)能的部分油井中，開展小套管二次固井先導(dǎo)性試驗(yàn)，改進(jìn)優(yōu)化水泥漿體系、工具和固井工藝技術(shù)，在原來的?139.7 mm 生產(chǎn)套管中下?88.9 mm 小套管進(jìn)行二次固井，固井結(jié)束后利用深穿透的射孔彈重新射開目的層，形成新的油流通道，恢復(fù)套損井的正常生產(chǎn)，增產(chǎn)效果顯著。

1 小套管二次固井技術(shù)難點(diǎn)

（1）環(huán)空間隙小，施工摩阻大，固井壓力高。小尺寸套管撓度大，套管居中困難，影響頂替效率；套管下放速度受到限制，稍微失控，激動(dòng)壓力增大，壓漏地層；窄環(huán)空施工摩阻壓耗高，導(dǎo)致固井過程中泵壓升高，甚至引發(fā)憋泵等重大事故。

（2）井眼條件差、固井二界面膠結(jié)環(huán)境差。所選下小套管二次固井的井，存在不同程度的錯(cuò)斷、變形或破裂，下入小套管前必須進(jìn)行打通井眼通道處理，確保井筒處理干凈；同時(shí)油層套管經(jīng)過長年腐蝕破壞，套管內(nèi)壁附著大量腐蝕結(jié)垢物及油膜等，嚴(yán)重影響二界面水泥優(yōu)質(zhì)膠結(jié)。

（3）對水泥漿流動(dòng)性、通過性要求高。小套管接箍外徑為108 mm，環(huán)空接箍處間隙僅為8 mm，目前使用的膨脹珍珠巖減輕材料顆粒大，耐壓性差，容易受壓破碎發(fā)生聚集堵塞，增加施工摩阻壓耗。

（4）水泥環(huán)密封性、完整性問題突出。環(huán)空間隙小導(dǎo)致水泥環(huán)薄，水泥環(huán)密封完整性挑戰(zhàn)難度大。常規(guī)硅酸鹽水泥是一種易收縮的脆性材料，力學(xué)性能差，在井下作業(yè)壓力條件下易產(chǎn)生微裂縫，環(huán)空密封性失效產(chǎn)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象，后期補(bǔ)救措施手段少。

（5）對固井工具及附件要求嚴(yán)格。必須使用性能優(yōu)異的固井工具及附件，防止替空或留水泥塞問題，以免造成補(bǔ)救難度大甚至報(bào)廢。

2 小套管二次固井工作液體系研究

2.1 低摩阻耐壓防漏水泥漿體系

2.1.1 水泥漿配方設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)性能

根據(jù)前面小套管二次固井水泥漿性能要求分析，結(jié)合長慶油田低壓易漏特點(diǎn)，按照緊密堆積原理，合理控制顆粒級配，小套管二次固井低摩阻耐壓防漏水泥漿設(shè)計(jì)方法主要考慮以下3 個(gè)方面［8］：

（1）防止固井漏失，有效降低領(lǐng)漿水泥漿密度，按照平衡壓力固井原理，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場需求，設(shè)計(jì)低密度水泥漿密度控制在1.20～1.45 g/cm3，滿足低壓易漏地層一次上返固井需要。

（2）目前油田常規(guī)使用的減輕材料為膨脹珍珠巖，該材料顆粒大、耐壓性差，易受壓破碎發(fā)生聚集堵塞，增加施工泵壓；室內(nèi)優(yōu)選一種空心玻璃微珠作為主要減輕劑，空心玻璃微珠是一種密閉中空的玻璃球體，具有堅(jiān)硬的外殼，抗壓能力強(qiáng)，當(dāng)靜壓強(qiáng)度達(dá)到 60 MPa 時(shí)，球體破碎率＜10%［9］。

（3）形成的低密度水泥漿必須具備良好的流動(dòng)性和通過性，有效降低施工摩阻壓耗，保證現(xiàn)場施工安全。低摩阻耐壓防漏水泥漿基礎(chǔ)配方是由G 級水泥、Y6000 型空心玻璃微珠、粉煤灰、微硅、超細(xì)水泥、增強(qiáng)材料及相關(guān)外加劑在一定的比例下配制而成，經(jīng)過室內(nèi)研究，形成低摩阻耐壓防漏水泥漿配方，基礎(chǔ)性能見表1。

由表1 可知，低摩阻耐壓防漏水泥漿（配方2）相比同等密度條件的膨脹珍珠巖水泥漿體系（配方1），具有體系穩(wěn)定、流動(dòng)性好、抗壓強(qiáng)度高、顆粒粒徑更小、通過性更高等特點(diǎn)，可滿足長慶油田低壓易漏地層小套管二次固井需要。

表1 低密度水泥漿配方基礎(chǔ)性能Table 1 Basic properties of the low density cement slurry formula

2.1.2 水泥漿摩阻壓耗計(jì)算

小套管二次固井環(huán)空間隙小，受小井眼小間隙限制，注水泥作業(yè)排量較小，處于由層流到紊流的過渡帶的機(jī)會較大，故對小套管二次固井水泥漿摩阻壓耗按紊流頂替進(jìn)行計(jì)算［10-12］。計(jì)算小套管二次固井低密度水泥漿摩阻壓耗，不考慮管內(nèi)摩阻。假定人工井底2000 m，原油層套管外徑139.7 mm，現(xiàn)下入小套管外徑88.9 mm，低密度封固段長1500 m，設(shè)定低摩阻耐壓防漏水泥漿和膨脹珍珠巖水泥漿密度均為1.25 g/cm3，分別計(jì)算2 種流體的摩阻壓耗，計(jì)算結(jié)果見表2 和表3。

表2 水泥漿在環(huán)空的臨界排量及臨界流速計(jì)算Table 2 Calculation of critical displacement and critical velocity of cement slurry in annulus

由表2 和表3 可知，膨脹珍珠巖水泥漿體系由于主要減輕材料顆粒粒徑大，漿體稠度高，在窄環(huán)空間隙內(nèi)通過性差，造成環(huán)空摩阻壓耗高，而低摩阻耐壓防漏水泥漿具有較低的環(huán)空摩阻壓耗，排量控制在0.65 m3/min 即能實(shí)現(xiàn)紊流頂替，更適用于在小套管二次固井。

表3 水泥漿摩阻壓耗計(jì)算Table 3 Friction and pressure loss calculation of cement slurry

2.2 熱固性樹脂水泥漿體系

為解決硅酸鹽水泥脆性大、易收縮、力學(xué)性能差等問題，提升小套管二次固井薄水泥環(huán)耐沖擊性能，提高水泥封固效果、延長封堵有效期，室內(nèi)優(yōu)選一種熱固性樹脂水泥漿體系封固小套管二次固井產(chǎn)層段。該體系主要組分為G 級水泥和環(huán)氧樹脂，通過樹脂固化劑的加入，將環(huán)氧樹脂交聯(lián)形成了三維立體結(jié)構(gòu)，從而賦予了環(huán)氧樹脂水泥漿體系優(yōu)異的力學(xué)性能。熱固性樹脂水泥漿在30～120 ℃條件下穩(wěn)定性好、稠化時(shí)間可調(diào)、流動(dòng)性好，形成的水泥石具有“高強(qiáng)低彈?！钡奶攸c(diǎn)，能有效提高小套管二次固井固井膠結(jié)質(zhì)量和環(huán)空密封性。表4 為優(yōu)選的熱固性樹脂水泥漿體系基本性能，圖1、圖2 為常規(guī)水泥漿體系及熱固性樹脂水泥漿體系的掃描電鏡圖。

圖1 常規(guī)水泥石電鏡掃描圖(5000 倍)Fig.1 Scanning electron microscope of conventional set cement (5000 times)

圖2 熱固性樹脂水泥固化體電鏡掃描圖(5000 倍)Fig.2 Scanning electron microscope of cured thermosetting resin cement (5000 times)

表4 熱固性樹脂水泥漿體系基本性能Table 4 Basic properties of the thermosetting resin cement slurry system

根據(jù)表4 和圖1、圖2 可以看出，熱固性樹脂水泥漿與常規(guī)水泥漿相比，具有更好的流變性能和力學(xué)性能。將常規(guī)水泥石與熱固性樹脂水泥固化體在掃描電子顯微鏡下放大5000 倍，發(fā)現(xiàn)常規(guī)水泥石微觀結(jié)構(gòu)呈球狀、管狀、網(wǎng)絡(luò)狀粒子或纖維狀粒子，粒子間相互膠結(jié)而形成一個(gè)間斷的、疏松多孔的骨架網(wǎng)狀體系，說明常規(guī)水泥石中存在大量的粒間孔隙，致密性差，結(jié)構(gòu)松散，無法長期有效抵抗地層油氣水侵。熱固性樹脂水泥漿固化體顆粒包圍緊密，提高水泥密實(shí)性及完整性，環(huán)氧樹脂的加入改善了油井水泥石力學(xué)性能，賦予油井水泥石韌性，減輕水泥環(huán)在受沖擊力作用后的應(yīng)力集中造成的破碎傷害程度，提高套損井治理開發(fā)壽命［13］。

2.3 前置液和后置液體系

2.3.1 前置液體系

小套管二次固井前置液體系為自主研發(fā)的界面增強(qiáng)型酸性沖洗液CXY-1，其基本性能見表5，CXY-1 沖洗液具有沖洗、稀釋、緩沖、隔離功效，能夠有效清洗?139.7 mm 生產(chǎn)套管內(nèi)壁的腐蝕結(jié)垢物和油膜，提高固井頂替效率及一、二界面膠結(jié)質(zhì)量［14-16］。CXY-1 沖洗液與鉆井液混合物的相容性試驗(yàn)結(jié)果表明，固井沖洗液對完井泥漿、水泥漿未造成增稠絮凝現(xiàn)象。且隨著沖洗液比例增大，流體的塑性粘度和屈服值降低，表明該前置液可改善流動(dòng)性，在較低臨界流速下達(dá)到紊流頂替。CXY-1 沖洗液與鉆井液混合物的相容性試驗(yàn)性能見表6。

表5 CXY-1 沖洗液基本性能Table 5 Basic properties of CXY-1 flushing fluid

表6 CXY-1 沖洗液與鉆井液混合物的相容性性能測試Table 6 Compatibility test of CXY-1 flushing fluid with drilling fluid mixture

CXY-1 沖洗液內(nèi)含機(jī)硅酸鹽溶液，表現(xiàn)為弱酸性，可提高水泥特別是低密度水泥的早期膠結(jié)強(qiáng)度。其作用原理是在井壁與水泥漿接觸后，反應(yīng)生成一種結(jié)構(gòu)性凝膠，在水泥漿稠化早期阻止地層流體竄流，加快固井界面膠結(jié)過程。表7 為不同CXY-1 加量對界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦CXY-1 的加量為7.5%。

表7 CXY-1 沖洗液加量對界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響Table 7 Effect of CXY-1 addition amount on boundary cementation strength

2.3.2 后置液體系

配制0.5 m3自主研發(fā)的PSY 防塞劑作為壓塞后置液，PSY 防塞劑基本性能見表8，該體系具備良好的懸浮、分散、稀釋及抗高溫性能，對滯留在套管內(nèi)的水泥漿起到溶釋、緩凝、分散的效果，預(yù)防留水泥塞事故的發(fā)生。

表8 PSY 防塞劑基本性能Table 8 Basic performance of PSY antiplug agent

3 小套管二次固井主要工藝技術(shù)措施

3.1 固井前井筒處理

受地質(zhì)、工程、腐蝕等因素影響，原?139.7 mm生產(chǎn)套管均存在不同程度的變形、錯(cuò)斷、套破穿孔等，因此，在下入?88.9 mm 小套管前必須處理井眼，打通井眼通道，保證套管順利下入。

（1）針對套管發(fā)生嚴(yán)重腐蝕套破穿孔的井，對套損段首先應(yīng)進(jìn)行封堵加固處理，一般采用水泥漿堵漏，施工方式采用套管內(nèi)平推注水泥，待水泥凝固后，下入?116 mm 蹄形磨鞋+螺桿鉆+?73 mm 工具油管，進(jìn)行井眼通道打通施工。

（2）發(fā)生套管變形或錯(cuò)斷的井，先采取磨銑、整形、扶正等措施，必要時(shí)采用水泥封堵對套損段進(jìn)行加固，然后再下入磨銑工具打通井眼。

（3）全井段必須多次刮削，徹底清除原生產(chǎn)套管內(nèi)部的泥垢。隨后采用高效沖洗液+清水大排量沖洗井壁原油；針對部分結(jié)蠟嚴(yán)重井則可采用高溫蒸汽反循環(huán)洗井予以清除。

3.2 保證套管居中度

小套管固井環(huán)空間隙小，小尺寸套管柔性大、剛度小、容易彎曲、偏心和貼壁，下入套管居中度難以保證。套管不居中會導(dǎo)致環(huán)空流動(dòng)區(qū)域均勻性差，水泥漿產(chǎn)生擾流或竄流形成滯留混漿帶，影響固井頂替效率。

在全井段選擇設(shè)計(jì)安放無焊接、抗擠毀能力強(qiáng)的整體式彈簧扶正器，油層段每根套管安放一個(gè)扶正器，保證套管居中度＞67%，能夠有效減小窄環(huán)空小套管下入阻力，使流體進(jìn)入環(huán)空后有足夠的均勻通道。

3.3 控制施工排量

控制頂替排量，保證替速均勻，是提高固井頂替效率的關(guān)鍵［4］。根據(jù)流變學(xué)理論，結(jié)合下完套管后的實(shí)際循環(huán)摩阻，確定小套管二次固井的頂替排量，現(xiàn)場施工以500～600 L/min 排量進(jìn)行頂替，起壓后降低頂替排量，以300～400 L/min 排量進(jìn)行頂替，保證頂替過程中壓力變化平穩(wěn)。

3.4 選用性能良好的固井工具及附件

（1）為提高放回壓成功率，使用“強(qiáng)制復(fù)位式浮箍+浮球式浮箍”雙浮箍結(jié)構(gòu)，防止因回壓閥失效、水泥漿發(fā)生倒流導(dǎo)致的固井事故。

（2）小套管二次固井使用“進(jìn)口加長膠塞+膠塞碰壓鎖緊裝置”進(jìn)行碰壓頂替，解決套管內(nèi)水泥漿刮剃不干凈、留水泥塞以及膠塞上浮等問題。

（3）必須保證井口聯(lián)頂節(jié)和水泥頭、高壓管線、短節(jié)、轉(zhuǎn)換接頭等絲扣完整、密封性好，防止固井施工時(shí)發(fā)生壓力泄露或壓力竄出傷人事故。

3.5 其它措施及要求

（1）小井眼環(huán)空間隙小，施工壓力高，對水泥漿流動(dòng)性及通過性要求高，固井灰罐車裝灰必須使用雜物捕捉器，水泥漿中不得含有大顆?；虼髩K異物。

（2）固井前使用?118 mm×1500 mm 通徑規(guī)進(jìn)行充分通井，每根套管下入井底之前必須使用?73 mm 通徑規(guī)進(jìn)行通徑，確保井眼穩(wěn)定及套管內(nèi)暢通。

（3）下套管應(yīng)按照套管廠家推薦最佳扭矩值上扣，應(yīng)先引扣，防止錯(cuò)扣，余扣大于2 扣的套管嚴(yán)禁入井，預(yù)防下套管過程中井筒及套管內(nèi)落物，每下25～30 根套管灌漿一次。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

以環(huán)24-**井為例進(jìn)行應(yīng)用分析。該井完鉆井深2095 m，原?139.7 mm 套管下深2094.99 m，完井日 期 2013 年 6 月 6 日 。2019 年 9 月 工 程 測 井 ，采 用LEP 封隔器隔采，座封位置2021 m。工程測井資料顯示：該井在1960.40～1982.15 m 處存在明顯穿孔。自套破后先后隔采4 次，治理頻繁且有效期短，周圍油井產(chǎn)量較高，認(rèn)為該井潛力較大，為了延長治理有效期，減少產(chǎn)能損失，計(jì)劃先進(jìn)行水泥漿封堵套破段，處理井筒后實(shí)施小套管二次固井。

處理井筒結(jié)束后人工井底2081.5 m，?88.9 mm套管下深2081 m，小套管二次固井采用一次上返工藝，固井車管線試壓25 MPa，穩(wěn)壓20 min 壓力未降，循環(huán)井筒至?xí)惩?。注前置?.5 m3，排量500 L/min，泵壓5 MPa。注密度為1.25 g/cm3低摩阻耐壓防漏水泥漿9 m3，排量400 L/min，泵壓3 MPa。注密度為1.88 g/cm3熱固性樹脂水泥漿4 m3，排量400 L/min，泵壓0 MPa。投固井膠塞，替壓塞液0.5 m3，清水 9 m3，排量 350 L/min，泵壓 0-19-25 MPa，穩(wěn)壓不降。卸井口無回流，環(huán)空返出水泥漿約1.0 m3，關(guān)井候凝48 h。測井顯示固井質(zhì)量良好。

環(huán)24-**井套破前日產(chǎn)液4.0 m3，日產(chǎn)油0.43 t，含水87.9%。調(diào)整工作制度后含水未得到有效控制，前期判斷見地層水，躺井后停井，2019 年10 月29 日隔采失效后重新隔采無效果。小套管固井措施后，日產(chǎn)液11.62 m3，日產(chǎn)油5.97 t，含水48.62%。與套破前相比，措施后日產(chǎn)液明顯上升，日產(chǎn)油上升，含水下降。

5 結(jié)論

（1）小套管二次固井環(huán)空間隙小、施工壓力大、施工風(fēng)險(xiǎn)高，對水泥漿流動(dòng)性、通過性及摩阻壓耗要求高，固井工具附件要可靠，必須嚴(yán)格控制施工過程，確保施工正常連續(xù)。

（2）研制的小套管二次固井低摩阻耐壓防漏水泥漿體系具有體系穩(wěn)定、流動(dòng)性好、抗壓強(qiáng)度高、顆粒粒徑更小、通過性更高等特點(diǎn)，滿足長慶油田低壓易漏地層小套管二次固井需要。熱固性樹脂水泥漿在30～120 ℃溫度條件下，穩(wěn)定性好，稠化時(shí)間可調(diào)，流動(dòng)性好，形成的水泥石具有“高強(qiáng)低彈?！钡奶攸c(diǎn)，能有效提高小套管二次固井固井膠結(jié)質(zhì)量和環(huán)空密封性。

（3）低摩阻耐壓防漏水泥漿、熱固性樹脂水泥漿、界面增強(qiáng)型酸性沖洗液和壓塞液等固井工作液體系及相關(guān)工藝技術(shù)措施已在長慶油田小套管二次固井廣泛應(yīng)用10 口井，固井質(zhì)量大幅提升，解決了小井眼窄間隙二次固井技術(shù)難題，為長慶油田套損井治理及老井挖潛增效開辟新的技術(shù)思路。