皮山北区块超深井高密度固井技术

2019-04-25赫英状王翔宇胡鳕茹赵爱芳

钻采工艺 2019年2期

赫英状，李斐，王翔宇，胡鳕茹，赵爱芳

(1中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院 2渤海钻探第二固井分公司 3玉门油田分公司老君庙采油厂)

皮山北区块构造位置位于塔里木盆地塔克拉玛干沙漠西南部，钻探目的为评价古生界白垩系油藏规模，埋深7 000 m左右，主要技术难题为克孜洛依组至阿尔塔什组均发育不同压力系统的高压盐水层，齐姆根组和阿尔塔什组发育膏岩层。首次部署皮山北1井，三开在克孜洛依组5 283.25 m，巴什布拉克组5 554 m、6 312 m、6 449 m、乌拉根组6 473 m、卡拉塔尔组6 483 m、阿尔塔什组6 531.07 m发生高压盐水侵，钻井液密度分别提高至1.75 g/cm3、1.82 g/cm3、1.87 g/cm3、1.89 g/cm3和2.35 g/cm3，钻至井深6 929 m后因高压盐水层上部克孜洛依组压差卡钻处理复杂弃井，钻井周期393.69 d。

表1 昆仑101井身结构和封固地层简表

平距2 km处重新部署皮山北新1井，井身结构调整为二开封固克孜洛依组盐水层，下部高压盐水层和膏岩层同开次揭示，实钻过程中钻井液密度提至2.35 g/cm3漏失后降至2.30 g/cm3，三开井径扩大率小(3.65%)，膏岩层存在缩颈，下Ø177.8 mm+Ø184.15 mm复合套管至6 864.9 m遇阻就地固井，口袋35.1 m，后期下入Ø142.88 mm直连扣套管固井补救，高密度固井质量不理想，完钻后测试储层为油水同层。为了确定白垩系油藏特征，评价储层水来源，平距2 km处再次部署昆仑101井(表1)。高压盐水层严重影响了该区勘探进程，因此，昆仑101井重点为保障三开高压盐层高密度固井质量，封隔高压水层，有效评价储层[1]。

一、固井难题

(1)发育多套高压盐水层和膏岩层。三开井段5 500～6 985 m发育多套高压盐水层，钻井液密度由1.85 g/cm3逐渐提至2.30 g/cm3压稳盐水层。实钻井段6 647.5～6 977 m为白色膏岩层，中完静止24 h井径对比测井，蠕变速度最大位于井深6 956 m，蠕变速率0.76 mm/h。

(2)漏失风险大。高密度钻井液条件下漏失风险大，漏失缝形成后封堵难度增加。皮山北新1井2.35 g/cm3钻至井深6 884 m发生井漏，降密度至2.30 g/cm3恢复钻进。漏失风险造成固井压力窗口窄，水泥浆顶替密度差低，影响顶替效率[2]。

(3)为了有效封固高压盐水层，选用高钢级Ø184.15 mm套管固井，套管等同于Ø158.8 mm钻铤，增加套管下入难度。实钻井径扩大率6.9%，环空间隙窄，水泥环薄，影响封隔高压盐水层质量。

(4)井底温度高，静止温度160℃，为了防止水泥石发生高温强度衰退，需设计加入35%～40%硅粉，硅粉密度偏低2.60 g/cm3，增加了高密度水泥浆体系调配难度。

(5)封隔高压盐水层需选用抗盐外加剂，造成外加剂加量增加，高密度沉降稳定性和流变性矛盾，同时填充剂加量多，水泥有效成分少，水泥石抗压强度低等造成抗高温高密度水泥浆体系调配难度大[3]。

(6)管鞋以下为低压储层，前期探井测试储层含水，水源来历不清，对管鞋固井质量要求高，必须有效封隔上部高压盐水层，保障储层准确测试评价。

二、固井措施

1.管柱结构设计

实钻古近系盐水层地层压力当量密度2.25 g/cm3，齐姆根组和阿尔塔什组膏岩层蠕变，埋藏深，对套管抗外挤要求高，现有标准套管难以满足封固要求，通过采用高钢级和外加厚Ø184.15 mm套管(接箍Ø196 mm)与Ø177.8 mm套管组合，保障套管柱抗外挤能力(表2、表3)。为确保套管串顺利到位和中途循环不受影响，现场将悬挂器卡瓦部分拆除，套管串坐底倒扣固井。

表2 套管强度数据表

注：Ø177.8 mm套管扣型为TPCQ,Ø184.2 mm套管扣型为TP-NF。

表3 套管柱强度校核

注：膏岩层井段抗外挤按全掏空设计，上覆地层压力系数为2.45。

2.扩孔

针对膏岩层缩颈难题，对膏岩层及井底共200 m采用威德福RipTide 扩眼器扩孔至251 mm，保障套管顺利下放到位，增加管鞋之上水泥环厚度，利于水泥环对上部高压盐水层的有效封隔。

3.动态承压及通井

(1)钻井液密度高，地层漏失风险大，若地层诱导缝产生后，进一步降低承压能力和增加封堵难度，为了验证井筒的承压能力，同时预防压漏地层，采用动态承压方式，泵入2.50 g/cm3钻井液50 m3，逐步提高排量至1.8 m3/min，循环一周，井底循环当量密度达2.50 g/cm3，为固井施工参数和防漏提供了技术验证。

(2)双扶正器+Ø165.1 mm钻铤通井，采用Ø215.9 mm牙轮钻头+Ø165 mm钻铤2根+Ø213 mm扶正器+Ø165 mm钻铤1根+Ø210 mm扶正器+Ø165 mm钻铤9根通井，通井钻铤与Ø184.15 mm套管刚度比>1.18，验证了套管下放到位可行性。

4.浆柱结构设计

高密度钻井液流动性较差，影响水泥浆顶替效率。通过优化隔离液流变性，低于1.5 m3/min排量下达到紊流顶替，同时为了保障紊流时间≥10 min，加大隔离液用量至16 m3。设计4 m3隔离液作为保护液，在钻具、尾管内分别占高200 m和100 m，避免中心管拔出后水泥浆与钻井液直接接触污染导致复杂情况[4]。

5.紊流-塞流复合顶替

高密度水泥浆流变性较差，难以实现紊流顶替[5]，通过隔离液大于10 min的紊流顶替提高顶替效率，管鞋200 m扩孔至251 mm，为了预防管鞋存在钻井液滞留，最后6 m3水泥浆降排量至0.5 m3/min，使水泥浆塞流驱替，提高管鞋大环空井段驱替效率。

6.优化扶正器设计

采用树脂旋流刚性扶正器[6]，降低下套管对井壁刮削破坏作用，提高水泥浆驱替扰动效益。通过Landmark软件模拟，井段678～6 982 m、6 322～6 542 m和6 102～6 190 m三处套管居中度低，针对性实施每根套管加一个扶正器。

7.水泥浆试打作业

冬季施工气温低，高密度水泥浆固相含量高，下灰难度大，现场水泥泵车能否顺利混配至设计密度存在不确定性，通过地面配浆试打作业，验证高密度水泥浆混配方案。试打混配中，水泥泵车内成功将水泥浆密度从2.30 g/cm3逐渐上升到2.55 g/cm3，流动性良好，试打水泥浆与实验室小样性能一致，确定了该体系现场应用的可行性，为水泥浆新体系现场应用垫底了基础。根据水泥浆试打情况，确定固井采用双泵施工，一台双级泵混配水泥浆，泵入第二台双级泵二次搅拌后入井。

三、抗高温高密度盐水水泥浆体系

1.隔离液设计

采用MS-R隔离液体系[7]，具有水力、物理和化学三种冲洗作用，API失水较小，同时具有一定的成膜作用。使用重晶石加重，配置2.40 g/cm3高密度盐水隔离液体系，流变性良好，在低排量下(1.2 m3/min±)可实现紊流顶替，沉降稳定性≤0.02 g/cm3，与钻井液、水泥浆相容性好，起到了提高顶替效率的主要作用。

配方：水+5%隔离剂MS+1%隔离剂MS-R+1%降失水剂DZJ-Y+350%重晶石+2%缓凝剂DZH-2+0.5%消泡剂DZX+15%盐。

2.水泥浆设计

(1)优选还原铁粉、铁矿粉和微锰复合加重。优选加重材料时考虑的主要因素:一是加重剂粒度分布与水泥相匹配,颗粒太粗易使水泥浆产生离析,颗粒太细又容易增加水泥浆的稠度；二是用水量少；三是加重剂在水化过程中呈化学惰性，不影响水泥水化进程,与其它添加剂有良好的相容性[8]。根据常规水泥加重剂的特征，选用粒径18～47 μm的还原铁粉，密度7.2 g/cm3，显著提高加重效率；微锰粒径小、表面光滑、需水量小，可起加重、充填、滚珠、悬浮及增强效应，利于改善高密度水泥浆沉降稳定性和流动性[9]；再复配赤铁矿粉加重，降低综合成本。组合还原铁粉、微锰和赤铁矿复合加重剂，实现单位体积内水泥有效成分多，保障水泥石强度发育，同时水泥浆流变性良好。

(2)三级粒径级配优化水泥浆体系，以硅粉、水泥、还原铁粉、铁矿粉、微锰和微硅，形成粗细粒径以1 ∶0.4 ∶0.07比例[10]的三级粒径级配，形成紧密堆积固井高密度水泥浆体系。

(3)复配SiO2颗粒[11]，为了预防高温水泥石强度衰退，复配硅粉和微硅组合，加量大于40%，保障160℃高温条件下水泥石强度稳定。

(4)优选抗高温抗盐外加剂，选用具有吸附和络合双作用的抗高温缓凝剂DZH-2[12]和引入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)合成的多元聚合物降失水剂DZJ-Y，同时复配膨胀剂DZP-2和分散剂DZS，加入10%盐，优化出抗高温高密度盐水水泥浆体系。

3.水泥浆性能

室内优化出耐温160℃～180℃(静止温度)抗高温高密度水泥浆体系，常规性能见表4。水泥浆体系稠化时间与温度、缓凝剂加量呈良好的线性关系，水泥浆呈直角稠化，过渡时间短，SPN小于1.1，防窜能力强；水泥浆体系失水控制能力强，循环温度131℃～153℃条件下API失水<50 mL；160℃高温强度稳定，抗压强度大于26 MPa。水泥浆沉降稳定性≤0.02 g/cm3，析水接近0 mL，综合性能良好，满足超深井高温固井要求。

配方1：AG+35%硅粉+9%微硅+100%铁矿粉+81%铁粉+25%锰粉+3%DZP-2+9%DZJ-Y+ 1.8%DZS+1.6%DZH-2+10%盐+70%水。

配方2：AG+42%硅粉+10%微硅+112%铁矿粉+92%铁粉+30%锰粉+3%DZP-2+10%DZJ-Y +2.2%DZS+4%DZH-2+10%盐+70%水。

表4 抗高温高密度盐水水泥浆体系常规性能

四、现场施工

昆仑101井Ø177.8 mm+Ø184.15 mm复合尾管下深6 985 m，因钻井液密度2.30 g/cm3井筒稳定，水泥浆密度调整为2.45 g/cm3，入井2.40 g/cm3隔离液16 m3，平均密度2.43 g/cm3水泥浆领浆24 m3，入井平均密度2.45 g/cm3尾浆18 m3，2.40 g/cm3保护液4 m3，替浆量78.6 m3，注入保护液后47.6 m3替浆排量1.13 m3/min，泵压12～17.8 MPa，随后6 m3替浆排量降至0.5 m3/min，碰压8.4↑11.1 MPa，起钻25柱反循环2 h，起钻5柱关井憋压4.7 MPa候凝26.5 h后开井候凝，上塞430.8 m，下塞185 m。井筒内钻井液密度1.93 g/cm3和降密度至1.23 g/cm3，分别两次测声幅，井筒压力变化达48 MPa，两次测井对比，第二次声幅由于水泥石强度持续发展，固井质量较第一略好，声幅小于30%井段达76%。