窄密度窗口正注反挤低密度水泥浆固井技术

2019-03-18丁志伟李嘉奇赵靖影张明辉殷昌盛何理

钻井液与完井液 2019年6期

丁志伟，李嘉奇，赵靖影，张明辉，殷昌盛，何理

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；2.西南油气田分公司勘探事业部，成都 610000；3.西南油气田分公司开发事业部，成都 610021；4.中国石油天然气股份公司塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；5.渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552；6.川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都 610052）

蓥北1井是西南油气田分公司在四川盆地川东地区华蓥山北段曾家山西潜伏构造布置的一口预探井，为探索下古生界震旦系灯四段、寒武系龙王庙组，兼探洗象池组地层含气性，对寻找后备气藏，拓展资源战略空间具有重要意义。

1 地质工程概况

蓥北1井采用φ333.4 mm钻头钻至井深3660 m中途完钻，拟下入φ273.05 mm套管固井，封固上部相对低压地层，为下步钻进创造条件。该井在本开钻井期间漏层分布广，在993.00～3308.98 m井段均有分布，在长兴组、龙潭组、茅口组、韩家店组、小河坝组、洗象池组、高台组累计有20个漏层，最大漏速82 m3/h，中途完钻钻井液密度为1.20 g/cm3，通过软件模拟推算地层ECD值为1.24 g/cm3，固井施工井漏风险大；油气显示活跃，在钻井过程中，龙潭组、茅口组、梁山组、龙马溪组、十字铺组、桐梓组、洗象池组、高台组、长兴组存在22个油气显示，其中桐梓组（2365.50～2367.00 m）全烃峰值高达95.6497%，井漏和气窜共存，安全密度窗口窄（1.20～1.24 g/cm3），固井防窜防漏的浆柱结构设计难度大，固井施工过程兼顾压稳和防漏风险大；环空间隙大，井眼不规则，混浆严重，影响顶替效率和固井质量；低温低密度水泥浆强度低及发展慢，候凝时间长，窜气风险大。

针对该井存在的上述固井技术难点，采用正注反挤固井施工方案，正注水泥浆封固2400～3660 m，采用密度为1.23 g/cm3低密度高强度韧性防气窜水泥浆体系封固2400～3000 m井段，密度为1.90 g/cm3常规密度韧性防窜水泥浆体系封固3000～3660 m井段；反挤裸眼段490～2400 m井段，采用密度为1.23 g/cm3低密度高强度韧性防气窜水泥浆体系；反挤重合段0～490 m井段，采用密度为1.90 g/cm3常规密度韧性防窜水泥浆体系。

2 低密度高强度韧性防窜水泥浆体系开发

低密度高强度韧性防窜水泥浆体系采用玻璃微珠为减轻材料，配合微硅、悬浮稳定剂DRK-3S、增强材料DRB-1S、早强剂DRA-1S，确保了低密度水泥浆体系的沉降稳定性，水泥石强度发展快；结合具有火山灰活性的膨胀增韧材料DRE-300S[1]，促进了水泥水化反应速率，提高了水泥浆的强度，缩短了水泥浆稠化过渡时间，水泥浆SPN值均小于3，具有良好的防气窜性能[2-5]。

膨胀增韧材料DRE-3S与水泥水化产物反应生成具有晶格膨胀的晶体物质，使水泥石表现出微膨胀特性。另外利用膨胀增韧材料DRE-300S中的增韧材料自身的低弹性模量实现了水泥石的低弹性模量，保障了水泥石的结构完整性[6-9]，防止后期作业因井筒温度压力变化，引发环空微间隙，导致环空带压。低温下，早强剂DRA-1S促进增强材料DRB-1S中的超细水泥水化反应，超细水泥水化产物通过颗粒级配提高堆积密实度，从而提高水泥石低温下的抗压强度[10-13]。

水泥浆中掺入中低温缓凝剂DRH-1L和抗盐降失水剂DRF-1S，使其稠化时间可调，保障了施工安全。因此，低密度高强度韧性防窜水泥浆体系具有沉降稳定性好、零析水、稠化时间可调等良好的综合性能，且水泥石弹性模量小于7 GPa，具有微膨胀特性，领浆顶部30 ℃下48 h强度为9.5 MPa，循环温度62 ℃下24 h强度为14.5 MPa，62 ℃下静胶凝强度7.5 h起强度，正注和反挤水泥浆性能均满足固井施工要求。实验数据见表1，水泥浆配方如下。

1#（正注水泥浆领浆）四川嘉华G级水泥+50%玻璃微珠+15%DRB-1S+8%DRE-3S+4%防窜增韧材料DRT-1S+4%DRA-1S+5%微硅+1.3%分散剂DRS-1S+1.1%稳定剂DRK-3S+3.5%DRF-1S+0.8% DRH-1L+0.5%消泡剂DRX-1L+0.5%抑泡剂DRX-2L+105%现场水，密度为1.23 g/cm3

2#（正注水泥浆尾浆）四川嘉华G级水泥+6%增韧材料DRE-1S+4%DRT-1S+0.8%DRS-1S+2.5%DRF-1S+5%微硅+0.5%DRH-1L+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+46%现场水，密度为1.90 g/cm3

3#（反挤水泥浆领浆）四川嘉华G级水泥+15%DRB-1S+8%DRE-3S+4%DRT-1S+50% 玻璃微珠+4%DRA-1S+1.3%DRS-1S+1.1%DRK-3S+5%微硅+3.5%DRF-1S+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+105.8%现场水，密度为1.23 g/cm3

表1 正注和反挤水泥浆性能

4#（反挤水泥浆尾浆）四川嘉华G级水泥+6%DRE-1S+4%DRT-1S+0.8%DRS-1S+5%微硅+2.5%DRF-1S+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+46.5%现场水，密度为1.90 g/cm3

配套开发了抗污染冲洗隔离液，该隔离液具有抗污染、冲洗、隔离一体化的三重特性，其中使用高温悬浮剂DRY-S1、DRY-S3可提高体系沉降稳定性；冲洗液DRY-1L、DRY-2L为亲油表面活性剂、亲水表面活性剂，配合使用具有良好的润湿反转作用，提高界面亲水性，增强了二界面与水泥浆基体的胶结作用力；棱形材料DRW-2S为棱形颗粒，强化井壁的物理冲刷作用力，提高冲洗效率；抗污染剂DRP-1L是通过螯合、络合、同种电荷排斥等作用降低了絮凝结构内聚力，提高水泥浆与钻井液的相容性和污染浆体的流动性，保障固井施工安全。该抗污染冲洗隔离液密度为1.12 g/cm3，漏斗黏度为36 s，62 ℃沉降稳定性为0.01 g/cm3。其配方如下。

抗污染冲洗隔离液现场水+3%DRY-S1+3%DRY-S3+6%DRY-1L+3%DRY-2L+25%DRW-2S+0.5%DRX-1L+6%DRP-1L

实验使用清水和该抗污染冲洗隔离液分别冲洗钻井液，旋转黏度计以100 r/min的转速冲洗干净转子的时间分别为40、30 s，使用清水冲洗后转筒表面有轻微油水膜，而使用该抗污染冲洗隔离液冲洗的转筒表面无油水膜，冲洗干净，说明该抗污染冲洗隔离液冲洗效果良好，可保障固井施工安全。

对该抗污染冲洗隔离液进行了污染实验，结果见表2。由污染实验结果可知，由于抗污染隔离液的间隔作用，水泥浆与钻井液7∶3混浆初始稠度由24 Bc降低至水泥浆与隔离液混浆的13 Bc，混浆流动性明显改善，避免了水泥浆与钻井液直接接触增稠，降低井漏风险及井下复杂情况。

表2 抗污染冲洗隔离液污染实验

3 现场工艺技术措施

1）钻井期间漏失严重，漏层分布广，累计20个漏层，最大漏速为82 m3/h，推算井底ECD为1.24 g/cm3，固井施工井漏风险大。针对井漏风险，采取如下配套工艺技术措施：①优化浆柱结构，设计正注低密度水泥浆封固2400～3000 m井段，常规密度水泥浆封固3000～3660 m井段，兼顾压稳和防漏，为反挤施工创造条件；②设计抗污染冲洗隔离液密度为1.12 g/cm3，具有抗污染、冲洗、隔离、降低注替过程环空液柱压力四重特性；③设计入井清水10 m3，领浆配浆水20 m3，密度为1.0 g/cm3，进一步降低注替过程环空液柱压力，从而降低施工井漏风险。

2）油气显示活跃，在钻井过程中，存在22个油气显示，全烃峰值高达95.65%，兼顾压稳和防漏浆柱结构设计困难，固井施工过程井漏风险大。针对压稳，采取如下配套工艺技术措施：①创新采用正注（低密度+常规密度）和反挤（低密度+常规密度）施工工序，较单纯采用常规密度正注反挤更能确保水泥浆返高，同时能兼顾压稳和防漏；②采用常规密度防窜水泥浆体系，稠化时间短、强度发展快的尾浆封隔井底活跃的层位，为反挤施工创造条件；③固井施工前，充分循环洗井一个循环周以上，消除后效，降低窜气风险。

3）井底温度低，低温条件下低密度水泥浆体系顶部强度发展慢。优化水泥浆配方：①掺入早强剂DRA-1S，提高低密度水泥浆顶部强度发展及早期强度；②采用玻璃微珠、增强材料DRB-1S、微硅、水泥颗粒级配，提高水泥浆的致密性，实现紧密堆积；③掺入悬浮稳定剂DRK-3S，提高低密度水泥浆体系沉降稳定性。

4）环空大，井眼不规则（1700～1900 m井段存在“大肚子”），套管居中度不易保证，顶替效率不易保障，影响固井质量。采取如下配套工艺技术措施：①适当增加扶正器，重合段3根套管一只φ320 mm普通刚性扶正器，裸眼井段2根套管一只φ320 mm螺旋倒角刚性扶正器，保证套管居中度，有利于提高冲洗顶替效率；②注替施工排量为1.8～2.4 m3/min，实现紊流顶替，提高冲洗顶替效率；③采用软件模拟计算冲洗顶替效率，为施工参数设计提供依据。

5）其他配套工艺措施。

①通井技术措施。对阻卡井段进行反复划眼，确保井眼畅通、无阻卡、无沉砂，确保套管顺利下到设计井深。通井钻具组合如下：第一次通井：φ333.4 mm钻头+双母接头+φ330 mm扶正器1只+φ228.6 mm钻铤3根+原钻具组合；第二次通井：φ333.4 mm钻头+双母接头+φ330 mm扶正器1只+φ228.6 mm钻铤1根+φ325 mm扶正器1只+φ228.6 mm钻铤1根+φ325 mm扶正器1只+φ228.6 mm钻铤1根+原钻具组合。

通井必须注意吨位变化，不能猛提猛放，以防阻卡；每次遇阻吨位不能超过5 t，对挂卡、遇阻及全角变化率大的井段必须加强划眼，通井到位后坚持短程起下钻并大排量循环钻井液不少于2个循环周，使井眼干净、无垮塌、无沉砂、无后效。

②管串组合。引鞋+管鞋+套管（φ273.05 mm×TP110TS×13.84 mm×TPCQ）×5根+浮箍+套管（φ273.05 mm ×TP110TS×13.84 mm×TPCQ）×5根+浮箍+套管（φ273.05 mm×TP110TS×13.84 mm×TPCQ）×323根+双公短节+套管挂+联入。

套管下入井深3658 m；口袋长度为2 m；设计碰压位置为井深3558 m；下水泥塞100 m。

4 软件优化模拟施工参数

4.1 套管强度校核

1）套管强度。套管尺寸×钢级×壁厚×扣型为φ273.05 mm×TP110TS×13.84 mm×TPCQ，质量为90.33 kg/m，抗拉强度为8549 kN，抗挤强度为49.7 MPa，抗内压强度为67.3 MPa。

2）套管强度校核条件。强度校核方法为三轴应力校核，地层水密度为1.05 g/cm3，储层类型为气层，下开最大钻井液密度为2.10 g/cm3，套管类型为技术套管，下开最小钻井液密度为1.47 g/cm3，未考虑弯曲，天然气相对密度为0.55 g/cm3，掏空系数取100%。

3）套管强度校核结果。套管位置为0～3658 m井段，段长为3658 m；套管累计质量为330.42 t；套管抗拉强度安全系数为3.12；套管抗挤安全系数为1.15；套管抗内压安全系数为1.22。

4）套管强度校核曲线。采用三轴应力强度校核方法对管柱进行抗拉、抗挤、抗内压强度校核，校核曲线如图1套管强度校核曲线所示。由图1可以看出，三轴抗拉强度随井深的增加而降低，井口最后1根套管所受的抗拉载荷最高，为管柱的浮重；管柱按100%掏空系数校核，抗挤强度随井深的增加而增大，井底套管所受抗挤强度最大，为管外液柱压力；抗内压强度由于管柱底部有液柱压力的挤压作用，抗内压强度随井深的增加而降低。

4.2 套管居中度模拟

1）扶正器安放原则。重合段为0～490 m井段，每3根套管安放1只外径为φ320 mm的普通钢性扶正器，一共需要15个；裸眼井段为490～3658 m井段，每2根套管安放1只外径为φ320 mm的螺旋倒角钢性扶正器，一共需要144个。

2）套管居中度计算结果。套管居中度模拟结果图2所示。由图2可知，重合段套管居中度为72.99%，裸眼段套管居中度为62.31%，平均值为67.6%，满足固井规范中的大于67%的要求。良好的套管居中有利于提高冲洗顶替效率，保障水泥环均匀性，提高固井质量。

图1 套管强度校核曲线

图2 套管居中度模拟

4.3 固井施工中井口压力模拟

模拟注替过程，井口压力为2～10 MPa，如图3所示。由图3可知，固井施工前期入井隔离液、清水密度比钻井液低，泵压逐渐升高，当密度为1.90 g/cm3的尾浆入井量达到一定量时，管内压力与管外液柱压力和环空摩阻达到平衡，泵压显示为0。随着替浆清水逐渐增加，管内液柱压力降低，同时入井隔离液、冲洗液逐渐返出环空，管外液柱压力也逐渐降低，管内压力与管外液柱压力和环空摩阻达到平衡时，泵压显示为0；替浆后期，水泥浆返出环空后，泵压逐渐增加。

图3 固井施工中井口压力模拟

4.4 模拟注替施工过程

井底（3660 m）、关注点（显示段3390.00～3391.00 m）、关注点（漏层高台组3308.50～3308.98 m井段）ECD如图4所示。

图4 模拟注替施工过程井底、关注点ECD

由图4可以看出，模拟注替过程，井底ECD为1.18～1.29 g/cm3；高台组显示段3390.00～3391.00 m当量密度为1.17～1.25 g/cm3，顶替到位可以压稳气层；漏层高台组3308.50～3308.98 m井段当量密度为1.17～1.25 g/cm3，注替施工过程井漏风险小。

4.5 顶替效率模拟

钻井过程中排量为50 L/s，φ228.6 mm钻铤处钻井液流速为0.85 m/s，按φ273.05 mm套管外返速0.85 m/s设计施工排量为35 L/s；综合井下实际情况和顶替效率，设计固井施工排量为30～40 L/s。根据固井施工浆柱结构、固井施工参数，模拟不同注替排量下全井顶替效率，模拟结果如图5～图7所示。

图5 钻井液注替排量为30 L/s时顶替效率模拟

图6 钻井液注替排量为35 L/s时顶替效率模拟

由图5～图7可知，模拟注替排量为30 L/s，全井平均顶替效率为93.15%；拟注替排量为35 L/s，全井平均顶替效率为95.27%；拟注替排量为40 L/s，全井平均顶替效率为96.68%，注替排量为35 L/s与40 L/s顶替效率相差不大，综合考虑顶替效率和井下复杂情况等因素，固井施工注替排量取35 L/s。

图7 钻井液注替排量为40 L/s时顶替效率模拟

5 现场应用情况及效果

根据蓥北1井φ273.05 mm套管固井存在的技术难点，采用低密度高强度韧性防窜水泥浆技术、抗污染冲洗隔离液一体化技术、软件模拟、优化浆柱结构、正注反挤等配套技术，顺利完成了该井的固井施工。测井解释结果为，固井质量合格率为85%，优质率为65%，保证了固井施工安全和固井质量，实现了对套管鞋、井口段、主要显示地层进行了良好封固，为蓥北1井下步钻进创造条件。