**1-H*复杂井“正注、反挤、中间分流”固井技术

2020-09-18党冬红郭文猛李利军李冬沈磊马倩芸陈大沧

钻井液与完井液 2020年3期

党冬红，郭文猛，李利军，李冬，沈磊，马倩芸，陈大沧

（1.渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552；2.渤海钻探工程技术研究院，河北任丘 062552）

**1-H*井为水平井四开井身结构，二开中途完钻井深5363 m，下入φ244.5 mm 套管坐入古近系E2-3s 顶部2.47 m 的泥岩隔板层，封固新近系吉迪克组N1j 下部膏泥岩高压层及上部砂砾岩、泥岩地层，为三开钻穿古近系E2-3s 低压层创造条件。该井新近系吉迪克组N1j 膏泥岩段夹杂砂岩、白云岩的高压盐水层和漏层，地层呈“零”压力窗口状态，井下出现又漏又溢的复杂情况，边压井、边堵漏完成二开进尺，下入φ244.5 mm 技术套管，复杂的井下条件给固井带来较高难度。通过采用抗侵防窜、防漏、高韧性、抗盐水泥浆体系及“正注、反挤、中间分流”固井工艺技术，并结合使用低黏度低切力先导钻井液、冲洗型固井前置液和中间分流三凝双密度浆体结构等系列工艺措施[1]，实现该层套管环空水泥环完整封固。

1 工程概况

1.1 井身结构及地质概况

**1-H*井φ339.7 mm 表层套管下深800 m，二开φ244.5 mm 技术套管下深5363 m，坐入E2-3s顶部2.47 m 的泥岩隔板层固井，封固新近系吉迪克组N1j 高压盐水层，为三开低压层钻进创造条件。二开库车组N2k 上段为砂砾岩、粉细砂岩、泥岩互层，压力系数为1.15；库车组N2k 下段、康村组N1-2k、吉迪克组N1j 上段为泥岩、粉砂岩层，吉迪克组N1j 层下段为泥岩、砂岩、膏泥岩互层，5065～5360.53 m井段存在多套高压盐水层和漏层，压力系数为1.50；井底静止温度为113.7 ℃。

1.2 钻井液体系及性能

使用KCl 聚磺钻井液体系，完钻钻井液密度为1.51 g/cm3，表观黏度为38.5 mPa·s，塑性黏度为23 mPa·s，动切力为5.5 Pa，静切力为1.0/6.5 Pa/Pa，高温高压滤失量为2.6 mL，泥饼为0.5 mm，摩擦系数为0.08，固相含量为20%，含油量为1%，含砂量为0.3%，pH 值为8.5，Cl-含量为82 172 mg/L，Ca2+含量为320 mg/L。

1.3 井下复杂情况

1）溢流层与压稳。二开钻井液密度为1.50 g/cm3，钻至井深5313 m，Cl-含量由47 260 mg/L 上升到66 960 mg/L，电导率由4.38 上升至4.84 S/m。准备地质测井，通井过程中发生井口溢流，循环排出13.2 m3密度为1.40 g/cm3混浆，Cl-含量为94 568 mg/L，钻井液密度提至1.51 g/cm3循环压井，测井完再次水侵溢流，循环压井排出31.8 m3密度为1.18～1.38 g/cm3混浆，Cl-含量为181 105 mg/L。

2）失返性井漏、堵漏与水侵。使用密度为1.51 g/cm3的钻井液，钻至井深5324.51 m 发生钻井液失返性漏失，注入40 m3配方为5%膨润土+1%NaOH+15%SMP-3+15%YA-2+3%FT-1A+0.5%THJN 堵漏液，堵漏恢复钻进，钻井过程中每趟钻均发生严重后效水侵，循环排出47.3～62.0 m3密度为1.17～1.38 g/cm3的盐水混浆。

在压井、堵漏中二开中途完钻，下入φ244.5 mm 技术套管至井深5363 m，坐入古近系E2-3s 顶部泥岩隔板层2.47 m，分级箍深度为3003.53 m。低排量开泵井下失返性漏失，间断性小排量向井底注入40 m3配方为0.5%NaOH+10%SMP-3+10%YA-2+1%THJN 堵漏胶液，并向环空吊灌密度为1.51 g/cm3的钻井液，以平衡地层压力，防井喷事故发生。封堵漏层后小排量循环，排出62.4 m3低密度混浆，混浆全部出井后，井下再次出现有进无出的失返性漏失。依据混浆密度、排出量和井下静止时间，计算地层水侵速度为0.6 m3/min，环空上窜速度为452 m/h。

2 施工技术难点

1）井底隔板层固井质量的重要性。二开吉迪克组N1j 高压层与三开古近系E2-3s 低压层之间仅有2.47 m 的泥岩隔层，膏泥岩蠕动缩径及井斜变化易造成下套管遇阻，若套管不能坐入井底隔板层，或隔板层环空水泥封固质量差，三开钻具对套管敲击会使水泥环破碎，环空封隔失效，吉迪克组N1j层的高压水窜入三开古近系E2-3s低压层井眼内，将造成地下井喷。

2）井漏对固井的影响。地层承压能力低，漏点多，钻进过程中频繁发生失返性漏失，套管到底开泵失返未能建立循环。水泥封固段长，施工动、静液柱压力高，施工存在井漏、水泥低返、地层漏封风险。

3）窄压力窗口对压稳防窜、防喷的影响。井下存在高压盐水层，地层孔隙压力高，水层活跃，环空水泥浆失重后，易发生水窜；压力窗口窄，施工过程中一旦井漏，不仅影响固井质量，且环空压力失衡诱发井喷。

4）水侵对封固质量的影响。施工过程中地层水侵入环空，盐水影响水泥浆性能，缩短水泥浆稠化时间，造成施工风险；井漏环空液柱压力降低，大量地层水快速侵入和上窜，环空水泥被盐水稀释、置换，造成水泥强度降低或大段环空无水泥，地层漏封；水泥浆失重过程中，高压地层水沿环空持续上窜形成水带和窜流通道。

4)由于核磁共振仪器成本和维护费用较高，一定程度上限制了该技术在植物科学上的应用。今后我们需要提高核磁共振仪器性能，加强技术人员的培训，以降低仪器成本，并且争取实现仪器共享，必将促进核磁共振技术在植物研究方面的进一步提高。

5）顶替效率对固井质量的影响。φ244.5 mm套管环空间隙大，套管居中度低，且井下漏失严重，固井不宜采用大排量作业，顶替效率低；施工前井下老化的钻井液和堵漏浆得不到循环处理和顶替出井，滞留井内的高黏稠钻井液及井壁虚泥饼难以驱替、清除，水泥不能与井壁或致密层泥饼良好胶结；钻井液条带和虚厚泥饼形成水泥界面窜流通道，影响环空封固质量。

3 固井技术方案

3.1 确保套管坐入井底2.47 m的泥岩隔层

下套管前，采用φ311.15 mm 钻头+630*NC560变扣接头+φ203.2 mm 钻铤×1 根+φ311.15 mm扶正器+φ203.2 mm 钻铤×1 根+φ311.15 mm 扶正器+φ203.2 mm 钻铤×10 根+NC56 公*520+φ139.7 mm WHDP×15 根+φ139.7 mm DP 的双扶钻具结构通井到底，修整井壁，并计算钻铤与φ244.5 mm 套管的刚度比，刚度比大于1 即可保证套管顺利下至井底。该井计算刚度比为1.8，套管能够顺利下至隔板层底部。

3.2 提高套管居中度

正注水泥浆封固段，每1 根套管安放扶正器1 只，并用固定环锁定扶正器位置，特别是第一根套管扶正器锁固在近浮鞋位置；其他裸眼井段每2根套管安放扶正器1 只；套管重叠封固段每3～5根套管安放扶正器1 只，确保套管居中度不小于75%，为提高顶替效率创造条件。

3.3 优化固井液结构设计

1）正注固井。施工前注入占环空段长1500 m左右的密度为1.50 g/cm3低黏度低切力先导钻井液；注入环空冲洗段长350 m 密度为1.53 g/cm3的冲洗型加重隔离液；注入密度为1.88 和1.90 g/cm3高韧性双凝防窜水泥领、尾浆，领浆返至井深5324.51 m 漏层以上200 m，尾浆封固漏层以下38.49 m 的盐水层和泥岩隔板层[2-3]。

2）分流固井。采用冲洗液+三凝双密度水泥浆的固井液结构。即：正注施工结束，打开分级箍，以低排量、低泵压将正注水泥领浆缓慢推入漏层，水泥领浆与隔离液、钻井液在漏道内混合，形成低强度水泥混浆，对漏道适度封堵，使漏层保持低承压能力，井口环空敞压状态下，建立低排量循环条件。

从分级箍注入密度为1.02 g/cm3、环空冲洗段长300 m 的冲洗液；注入井深1600 m～分级箍的1400 m 环空段长、容积量2 倍的1.55 g/cm3低密度水泥浆；注入分级箍至井底环空容积量各占一半的1.88 g/cm3快凝和缓凝水泥封固浆；实施压塞替浆作业，当1.55 g/cm3低密度水泥浆出分级箍一半，即返至井深1600 m 砂砾岩易漏层时，关闭井口环空，压漏井深5324.51 m 处漏层，使另一半密度为1.55 g/cm3的水泥浆从分级箍位置分流，做为先导浆和隔离液，最终进入井深5324.51 m 漏层，密度为1.88 g/cm3水泥两凝封固浆与正注水泥封固段对接，替浆结束，碰压关闭分级箍。三凝双密度水泥浆的液柱结构，快凝水泥浆失重状态下，既能压稳高压盐水层，又降低了环空液柱压力，控制水泥浆漏失量[4]。

3）井口反挤水泥。待分流固井密度为1.55 g/cm3的水泥胶结强度不小于7 MPa 后，从井口环空试挤，压漏水泥顶部砂砾岩地层，求取试挤排量和压力参数。向环空挤注冲洗段长300 m 密度为1.02 g/cm3的冲洗液和双密度水泥浆。水泥浆封固段1600～1000 m 井段为1.55 g/cm3的低密度水泥浆，以降低水泥浆液柱压力，控制水泥浆漏失量；1000 m～地面井段为密度1.88 g/cm3的水泥浆，以保证井口和上部井段高强度封固。当密度为1.55 g/cm3低密度水泥与分流固井水泥面对接后，停泵观察30 min，再间歇式挤注不小于20 m3密度为1.88 g/cm3的水泥浆，以确保环空水泥充满封实。

3.4 优化水泥浆体系

4 固井液体系

4.1 前置液及水泥浆配方

固井前置液和水泥浆配方如下。

1#（隔离液）淡水+4%悬浮剂BCS-040S+2%稀释剂BCS-021+30%冲洗剂BCS-110L+0.5%消泡剂+重晶石，密度为1.53 g/cm3

2#（分流固井冲洗液）淡水+4%BCS-040S+2%BCS-021+30%BCS-110L+0.5%消泡剂，密度为1.02 g/cm3

3#（正注水泥领浆） G 级水泥+35%硅粉+4%防窜剂降失水剂BCG-200L+3%减阻剂BCD-210L+0.9%缓凝剂BXR-200L+0.5%消泡剂G603+纤维ALF-1

4#（正注水泥尾浆） G 级水泥+35% 硅粉+4%BCG-200L+3%BCD-210L+0.4%BXR-200L+0.5%G603+纤维ALF-1

5#（中间分流固井低密度水泥浆） G 级水泥+17% 互力漂珠+4%BCG-200L+3%BCD-210L+8%微硅+0.9%BXR-200L+0.5%G603+ALF-1

6#（快凝水泥浆） G 级水泥+35% 硅粉+4%BCG-200L+3%BCD-210L+0.7%BXR-200L+0.5%G603+ALF-1

7#（缓凝水泥浆） G 级水泥+35%硅粉+4%BCG-200L+3%BCD-210L+0.3%BXR-200L+0.5%G603+ALF-1

8#（井口环空反挤低密度水泥浆） G 级水泥+17% 互力漂珠+4%BCG-200L+3%BCD-210L+8%微硅+0.4%BXR-200L+0.5%G603+ALF-1

9#（井口环空反挤高密度水泥浆） G 级水泥+4%BCG-200L+3%BCD-210L+0.1%BXR-200L+0.5%G603+ALF-1

4.2 浆体性能及评价

正注固井隔离液流动度为21 cm，稳定性为0.01 g/cm3。水泥浆性能见表1，正注固井水泥浆领浆和尾浆稠化曲线见图1。浆体流变性见表2。水泥浆与钻井液相容性见表3。

图1 3#、4#正注水泥浆领浆和尾浆的稠化曲线

表1 水泥浆性能

依据SY/T 5504.5—2010 标准室内检测，在2.1 MPa、80 ℃下，实验过程中的流体侵入量为0。见图2。

图2 BCG-200L 水泥浆防窜性能实验曲线

表2 浆体流变性能

从表1 和图2 中看出，浆体中的抗侵防窜降失水剂BCG-200L 具有良好的耐温抗盐降失水作用，其分子链微交联形成空间网络结构，产生较强的触变性，当浆体泵送到位由动态转为静态后，基体内迅速形成较强的黏滞力，静胶凝强度迅速增大，提高了水泥浆内部结构阻力，从而实现防止地层流体侵入的作用。

表3 相容性实验

从表3 可以看出，抗盐水泥浆体系与钻井液具有良好的相容性，确保了水泥浆不被地层盐水污染，保持施工过程中的浆体性能稳定。

1）正注固井。①施工前注入1500 m 段长的低黏度、低切力先导钻井液，充分稀释、置换高黏度堵漏胶液和滞留井下的老化钻井液，改善环空钻井液流动性；②冲洗型加重隔离液中高浓度的活性冲洗剂，充分溶解剥蚀、驱替井壁虚泥饼和可压缩层泥饼，改善环空清洁条件；③缓凝水泥领浆与隔离液及先导钻井液混合，进入5324.51 m 处漏道内，胶结形成低强度水泥石，以满足中间分流固井水泥浆上返过程中的承压能力；④利用ρ先导浆＜ρ隔离液＜ρ水泥领浆的密度差的浮力效应，液体间黏度、胶凝强度差的拖曳和推移机理及有效接触时间，提高环空顶替效率；⑤正注快凝水泥尾浆以“穿鞋”方式，封固井深5324.51 m 漏层以下高压水层和套管鞋处2.47 m 的泥岩隔板层，确保吉迪克组N1j 和古近系E2-3s 等2 个不同压力体系地层有效封隔[5-6]。

2）分流固井。①分级箍分流注水泥及井口环空反挤水泥固井的冲洗液，在环空紊流状态下的布朗运动，对井壁产生强力的冲刷、清洗、稀释作用；其活性剂与井壁冲撞和有效接触时，分解、溶蚀、剥离井壁虚泥饼，改善界面胶结条件。②密度为1.55 g/cm3的水泥浆返至分级箍以上1400 m 段长，封固井深1600 m～分级箍环空，降低环空液柱压力，利于井下防漏、堵漏；分流到分级箍以下的密度为1.55 g/cm3低密度水泥浆作为1.88 g/cm3封固浆的先导浆和隔离液，起到良好的驱替、隔离钻井液的作用。③由粒径0.043 mm 油井水泥、粒径为0.100～0.125 mm 漂珠和微硅等固相材料配制的密度为1.55 g/cm3水泥浆，发挥了浆体颗粒级配作用，作为上段封固浆实现了浆体的稳定性和致密性；分流到分级箍以下作为先导浆和隔离液，其大粒径漂珠对井壁虚泥饼起到了冲刷清除作用；利用粒径差在漏道内架桥堆积、水泥浆在漏道内产生较高的胶凝强度，从而胶结封堵漏层，确保密度为1.88 g/cm3的水泥封固浆与正注固井水泥对接，实现环空替净封实。④1600～5324.51 m 井段的双密度三凝水泥浆液柱结构，在水泥浆自下而上逐级稠化失重过程中，井下活跃水层始终处于压稳状态，阻止地层水向环空侵入上窜。⑤井口环空反挤密度为1.55 和1.88 g/cm3水泥浆并与分流固井水泥对接。低密度水泥浆降低环空液柱压力，减少漏失量；密度为1.88 g/cm3水泥浆强度高，良好封固套管重叠段环空。

水泥浆中的纤维网联胶织，改善水泥石韧性，提高水泥石抗冲击能力，防止钻具对水泥环鞭打震击产生裂纹，避免环空水泥环密封失效；纤维随水泥浆流动过程中对井壁起到挠动、拖曳作用，利于清除井壁虚泥饼，改善清洁井壁；纤维的网联和水泥浆胶凝作用阻止高压水层向环空侵入，减少地层水对浆体的侵入和稀释污染，避免水泥浆密度降低，强度下降；纤维随水泥浆进入漏层，发挥胶联堵漏作用，降低漏失速度，提高地层承压能力[7-8]。

5 固井施工参数及质量检测

5.1 正注水泥固井

施工前注入60 m3密度为1.50 g/cm3、黏度为37 s 的先导钻井液；施工注入14 m3密度为1.53 g/cm3的隔离液；6.5 m3密度为1.88 g/cm3的水泥领浆；12 m3密度为1.90 g/cm3的水泥尾浆；4 m3密度为1.53 g/cm3的后置液压胶塞；顶替196 m3密度为1.51 g/cm3的钻井液；碰压突增3 MPa；泄压释放二级塞开孔；关闭井口环空，反挤30 m3密度为1.51 g/cm3的钻井液，排量为7 L/s，套管压力变化0 ↗4.4 ↘0 MPa 漏道畅通，关井候凝8 h，期间每60 min 从套管内小排量正挤2～3 m3密度为1.51 g/cm3钻井液，泵压逐渐升高，开启井口环空，循环井下不漏，满足二级固井要求。

5.2 分流注水泥固井

注入10 m3密度为1.02 g/cm3的冲洗液；注81 m3密度为1.55 g/cm3的水泥浆，45 m3密度为1.88 g/cm3的快凝水泥浆，45 m3密度为1.88 g/cm3的缓凝水泥浆；用4.3 m3密度为1.88 g/cm3的水泥浆压胶塞；注4 m3密度为1.02 g/cm3的后置液；替浆8 m3时密度为1.55 g/cm3的水泥浆返至井深1600 m，关闭井口环空，继续替浆至碰压5.1 ↗22 MPa，稳压10 min 关闭分级箍。