雁木西油田层间封固技术的研究与应用

刘虎，王军，王学成，刘学智

1.中国石油吐哈油田分公司监督中心（新疆鄯善838200）

2.中国石油西部钻探钻井工程技术研究院（新疆鄯善838202）

雁木西油田层间封固技术的研究与应用

刘虎1，王军2，王学成2，刘学智1

1.中国石油吐哈油田分公司监督中心（新疆鄯善838200）

2.中国石油西部钻探钻井工程技术研究院（新疆鄯善838202）

吐哈盆地雁木西油田部分井固井质量优质，但是投产后环空出现窜流通道、产液含水率高的问题，后期挤水泥产生了高额补救费用。环空窜流的原因是射孔破坏隔层水泥环，界面胶结强度低。提出了使用动态振动固井技术提高顶替效率，管外封隔器隔开油水层，并且使用抗盐增韧水泥浆体系提高水泥石抗冲击性能等新技术方案，在现场成功应用。

层间窜流；抗盐水泥浆；固井技术；管外封隔器

吐哈盆地雁木西油田主要目的层为第三系鄯善群（Esh）和白垩系三十里大墩组（K1s），经过多年注水开发，形成了多套压力体系，且层间压差大、隔层薄，固井质量保证难度大；N1t上部、Esh下部地层含有盐膏层，又进一步增大了固井难度和风险。2013-2014年通过实施停注泄压、严格控制井身质量、油层使用抗盐早强水泥浆体系等措施，固井质量有了明显提高，共完井10口，固井质量一次合格率达到100%，优质率达到80%。但是新井投产过程中出现了严重问题，固井质量优质井投产后环空存在层间窜流，产出液体高含水，后期补救产生了高额费用［1］。2014年共完井6口，其中3口井投产后挤水泥补救，补救费用高达238.2万元，如何保证层间封固效果已成为继续开发雁木西油田亟待解决的难题。

1 层间窜流原因分析

1.1 隔层薄，射孔易造成水泥环损坏

雁木西油田调整井地层压力系统复杂、隔层薄，厚度最小至1m，层间压差高。以2014年8月完井的雁668井为例，发生层间窜流的两个层位K1S2-1（1 824.8～1 831.1m）与K1S2-2（1 832.9～1 834.0m），隔层厚度仅为1.8m。若水泥石韧性差，射孔很可能损坏水泥环，形成微裂隙，造成投产后环空窜。

1.2 界面胶结强度低

雁木西油田油藏平均孔隙度20.4%，平均渗透率228.8×10-3μm2，为中孔中渗储层，地层孔隙连通性好，钻井液易向地层失水，在目的层段形成较厚的虚泥饼。从已钻井井径曲线来看，油层段普遍缩径，部分井径明显小于钻头直径，井壁附着的虚泥饼较厚［2］。固井过程中虚泥饼很难被清理干净，导致界面胶结强度低，投产后在第二界面形成层间窜流通道。

2 技术对策

2.1 增强水泥石韧性，提高抗冲击能力

优选新型水泥浆体系，在满足抗盐性能的前提下，增强水泥石的韧性，提高水泥石抗冲击能力，防止射孔冲击水泥石产生微裂隙。

2.2 提高顶替效率，改善界面胶结效果

调研清除井壁虚泥饼的有效技术措施，提高顶替效率，改善界面胶结强度。

2.3 试验应用管外封隔器

在油水层之间下入管外封隔器，形成水泥环和管外封隔器两重密封，保证层间封隔效果。

3 抗盐增韧水泥浆体系

3.1 增韧防窜水泥浆体系性能特点

3.1.1 水泥石韧性

普通水泥是一种多相、非均质体系，内部结构上存在着大量的空隙和微孔道，宏观表现为脆性，极限应变较小、抗冲击性能差。增韧防窜剂BCG-300S外观为白色或淡黄色粉末，核心成分为热塑性高分子柔性聚合物，具有一定的弹性和伸缩性，弹性模量比水泥低，掺入水泥浆中可使水泥石弹性模量有一定程度的降低［3］。另一方面，BCG-300S掺入到水泥浆中后，可以均匀分散于水泥浆中，并形成连续的薄膜，附着在水泥水化物表面，当受到外部冲击时可以分散一定的应力，增加了水泥石的变形能力，从而改善了水泥石的韧性，是一种理想的水泥浆增韧材料。

1）水泥石韧性评价。实验结果表明：随着增韧材料掺量增加，弹性模量不断降低，水泥石韧性增强（表1）。

表1 水泥韧性评价结果

通过研究可以看出：增韧材料掺量大于4.5%后，水泥石明显表现出弹性水泥石的特征。

2）水泥石抗冲击性能评价。实验结果表明：随着增韧材料掺量增加，水泥石抗冲击功不断增大，抗冲击能力增强（表2）。

表2 水泥韧性评价结果

3.1.2 防窜性能

水泥水化期间，增韧防窜剂BCG-300S一方面在水泥机制中絮凝、聚结，形成抑制渗透的聚合物薄膜，防止流体、气体侵入水泥浆柱中；另一方面，可以形成聚合物网状结构，缩短静胶凝强度48～240Pa内的过渡时间，减少气窜发生的几率（表3）。

表3 防窜试验结果

在水泥水化过程中，BCG-300S吸水，形成聚合物膜附着在水泥水化颗粒上，具有一定的保水性，增强了水泥浆的内聚力，在一定程度上防止水分蒸发，减少了水泥浆内部由于水分蒸发所产生的微裂缝和粗孔，使得水泥石表现出一定的微膨胀，达到防窜目的［4-5］。

根据膨胀试验结果加入BCG-300S后，水泥表现出微膨胀性，克服了自身缺陷，有利于界面胶结。

综合防窜试验结果，温度55℃条件下BCG-300S加量大于3.0%能够保证较好的防窜性能（表4）。

表4 水泥浆膨胀试验结果

3.2 抗盐增韧水泥浆体系评价

BCG-300S的配伍降失水剂为BCF-200S或BXF-200L，两种产品均为抗盐型聚合物降失水剂。BXF-200L是液体，与目前使用的天山G级水泥配伍性好，在吐哈油田抗盐固井领域成功使用多年。BCF-200S是BXF-200L的粉剂，降失水性能优于BXF-200L，可与水泥及其他外掺料干混。在产品满足抗盐性能要求的前提下，综合考虑现场施工因素选用BCF-200S作为降失水剂。

通过一系列评价试验优选出抗盐增韧水泥浆体系配方为：100g天山G级水泥+44g水+3g降失水剂BCF-200S+3g增韧防窜剂BCG-300S+1.5g早强剂TW600S+0.7g分散剂。

1）水泥浆流变性能和滤失量。该体系水泥浆流变性能优越，滤失量小，能够满足现场施工需求。

2）水泥浆抗污染性能。使用现场抗盐聚磺钻井液做污染试验，体积比为水泥浆：钻井液=70：30，实验条件55℃、32MPa，40BC稠化时间113min，能够保证施工安全。

3）水泥浆稠化时间。在52℃、32MPa条件下，稠化时间可调，能够满足现场施工要求，直角稠化，有利于提高固井质量。

4 动态震动固井技术

4.1 技术原理

将激振器与固井胶塞合二为一，加工成激振胶塞（图1），在替浆过程和到达井底后开始振动，激发套管串形成阻尼共振响应，实现替浆、侯凝全过程振动。通过大量的实验研究发现，振动固井技术主要通过以下几方面改善固井质量，防止固井后环空窜流。

图1 激振胶塞

1）通过振动降低液体的黏度，有利于清除套管外壁的钻井液膜和井壁上的虚泥饼，使顶替效率得到极大的提高。

2）振动使水泥浆得到充分水化，且密度均匀，有利于在油水井套管环空中形成坚硬而完整的水泥环。研究表明振动后水泥浆固化的强度能提高约20%。

3）振动可以加快水泥浆的充分水化，且使密度均匀，因而使水泥浆的稠化过渡时间缩短，易于早强，同时使水泥的防窜性能提高。

4）振动水泥浆有助于破坏其颗粒间的黏结，加剧了水与固相颗粒间的相对运动，减小或消除了水泥浆的静切力，使环空水泥浆在凝固过程中，由于体积收缩和静切力增大而造成的静液柱压力损失得以补偿，在水泥环第一、第二界面形成较高的径向应力，提高了两个界面的胶结强度，有效地阻止了地层流体窜入。

4.2 施工工艺

因动态振动固井设计的激振器与固井胶塞是一体的，所以动态振动固井施工工艺与常规固井工艺兼容性较强，无需增加和改造现有的设备及工艺即可实现。激振器的状态控制通过无线电子遥控，固井施工之前按照施工工艺的流程提前设置振动程序。施工工艺流程如图2所示：①将激振胶塞（固井胶塞）安装入固井水泥头，通过无线电子遥控器设置振动延迟时间和振动持续时间，准备固井施工；②按照正常固井施工流程，试压、打前置液、注水泥，激振器按照预置程序开始振动，在井口检测振动状态；③压胶塞，激振胶塞谐振替浆下行，自上而下振动梳理套管串，激活套管、水泥及井壁的界面，下行至浮箍处小排量碰压自锁激振，检测回流，侯凝过程中自动调整振频，实现阻尼共振效果，水泥凝固前共振完成，施工结束。

图2 振动固井工艺流程

5 管外封隔器技术

图3 E-Z Frac140封隔器

该工具胶筒采用进口HNBR原料经模压加工而成，材料优异的抗挤压、抗撕扯强度以及耐温性能确保了该工具的长期密封可靠，通过调整剪切销钉数量可灵活调整工具启动压力。

性能参数：压力级别70MPa；温度级别150℃；启动压力16～19MPa（可调）；适用215.9mm（8.5″）井眼尺寸。

6 现场应用实例

6.1 雁673井基本情况

该井为采油直井，设计井深1 880m，实际井深为1 888m，主力油层位于白垩系三十里大墩组（1 817～1 846m）。二开钻头尺寸为216mm，套管尺寸139.7mm。油层显示段为1 597～1 662m、1 817～1 846m，油水隔层为1 844～1 846m，厚度为2m，油水同层段为1 846～1 861m。设计封固段为1 200～1 888m，封固段长688m。

6.2 现场施工情况

该井使用抗盐增韧水泥浆，40BC稠化时间为128min。封隔器下入位置1 844.2～1 845.32m，现场施工过程如下。

1）套管及其附件按设计和作业指令下到位后，确认水泥头与固井管线和替泥浆管线等的联结符合施工要求。

2）套管下到底后，先灌满泥浆，再接循环接头，小排量顶通，然后逐步增大泵的排量到正常打钻排量，调整泵的参数，循环排量要达到32L/min，并连续循环两周。

图4a显示大陆高压正在入海,苏南和长江口有温度锋区;图4b合成场显示,江苏沿海等高线与等温线稀疏,处于槽后脊前的稳定状态,有弱锋区在长江口及长江南侧。与副热带系统相比较,西风带系统势力仍较强,这与Ⅰ型海风锋环流背景中副高强盛显著不同。另一方面西风带系统移动较快,因此Ⅱ型海风锋是处于短时稳定形势下,这也与Ⅰ型海风锋不同。进一步地,斜压锋区的存在,营造了局地对流系统的活动空间,为海风锋相遇强对流系统,并发生相互作用,激发强对流天气过程提供了机遇。

3）水泥车到井后，开始处理钻井液性能，降低黏切，停泵，接水泥头。接好管线、水泥头做好施工准备工作后，压入激振胶塞，遥控设置振动延迟时间为30min，振动持续时间为40min，并上紧水泥头盖子，时间5min。

4）冲洗管线，通过排污管线出口观察管线冲洗情况，并按设计要求试压30MPa，水泥车按设计注入前置液6.0m3，排量1.20m3/min，时间5min。

5）水泥车注入常规水泥浆25.0m3，领浆密度控制范围1.80～1.85g/cm3，尾浆密度控制范围在1.88～1.92g/cm3，排量1.00m3/min，时间25min，激振胶塞开始振动并检测。

6）打开胶塞挡销，注入压塞液1.0m3，泵替钻井液20m3，排量2.0m3/s，水泥车以0.50m3/min的排量替浆1.2m3求碰压，碰压压力控制在16MPa，时间15.0min。

7）稳压5.0min，判断浮箍浮鞋密封良好，继续憋压至28MPa，充分涨封管外封隔器，稳压2min。

8）拆卸水泥头与固井替浆管线，关封井器，环容憋压3MPa，侯凝24h，检查固井水泥胶结质量。

该井动态振动固井技术现场施工成功，注水泥浆20min后激振胶塞开始振动，替浆过程激振胶塞自上而下动态振动，激发套管高频振动，碰压后继续振动20min自动停止。激振胶塞的安装、振动控制都在设计范围内，整个过程连续，泵压正常。

6.3 应用效果分析

侯凝24h后，通过VBL、CDL测井检验固井质量，固井质量优质，水泥实际返高1 120m。2015年6月8日该井顺利投产，日产液12.1m3，日产油6.1t，含水38%，证明油层、水层隔离效果良好。

7 结论与建议

1）抗盐增韧水泥浆体系、动态振动固井技术、管外封隔器3项技术同时使用，保证了油水层封隔效果。

2）管外封隔器涨封压力高，导致施工压力过高，现场施工风险较大，下一步应继续优化设计，降低涨封压力。

［1］齐兴国，郑佳奎，袁胜学.雁木西油田有效储层划分方法［J］.石油天然气学报，2012，40（2）：39-41.

［2］马金兰，乔继红.雁木西区块自喷流压下限时地层压力保持水平研究［J］.中国化工贸易，2013（4）：8-9.

［3］韩崇福，田锡君.振动固井技术在辽河油田的试验应用［J］.石油钻采工艺，1999，21（4）：24-29.

［4］樊天朝，丁团峰，王靓，等.雁木西盐膏层调整井固井技术探讨［J］.价值工程，2012，31（30）：94-96.

［5］田军，王恩合，秦静，等.吐哈油田抗盐水泥浆固井技术研究与应用［J］.钻井液与完井液，2006，23（5）：25-27.

A part of wells in Yanmuxi oilfield of Turpan Hami Basin have good well cementing quality，but there is channeling in annu⁃lar space and high water cut in produced liquid water after production，and therefore high remediation cost was produced in late cement squeezing.The cause leading to the channeling in annular space is that perforating destroys interlayer cement sheath to reduce interfa⁃cial bond strength.To solve this problem，some new techniques such as to use dynamic vibration cementing technology for improving the displacement efficiency，to use an outer packer for separating oil layer with water layer，to use salt-resistant and toughened cement slur⁃ry system for Improving the impact resistance of cement paste，etc.are proposed，and they are applied successfully in field.

interlayer channeling；salt-resistant cement slurry；cementing technology；outer casing packer

左学敏

2016-06-30

刘虎（1985-），男，工程师，主要从事油田固井监督工作。