姬塬区块侧钻井固井水侵问题探讨及对策

张永福，李佳佳，钟 凯，童晓炬

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司 长庆固井公司，陕西 西安 710018)

姬塬区块从2005年开始投产至今，地质储量采出程度较低，剩余油富集。为了提高储量控制程度，提高单井产量和区块采收率，该区块通过老井开窗侧钻改造，进行产能挖潜。但区块内的洛河、直罗层位水系发育，水质矿化度高，水层跨度长。尤以洛河水层水量最大，腐蚀性最强[1]，因此固井时水侵问题严重，水泥石胶结质量差，套管抗腐蚀能力弱，井筒生命周期完整性遭到严重破坏，亟需解决。

1 区块概况

姬塬油田姬塬区块主要含油层系为延长组长1油层组，储层非均质性强。自2018年开始，为提高油田开发水平，实现降本增效，该区块采用开窗侧钻技术进行产能挖潜，滚动增储。通过对近5年区块内部署的侧钻井固井质量统计发现，上部水层及水层以上 30 m 内，胶结质量差井占比57.89%。不合格井段大部分位于洛河、直罗层位，不合格段长6～38 m 不等.随着后期开发程度的加快，不合格井段套管的腐蚀严重，井筒生命周期完整性面临着重大挑战。

2 固井技术难点

分析发现，该区块内侧钻井水层固井质量差的根本原因是水泥浆在地层条件下抗分散能力弱，受水侵后性能发生改变；而地层水、地层温度、地层承压能力等因素受限于地层本身，被动决定着入井水泥浆的性能。本文分析这些间接因素对固井质量的具体影响，优化水泥浆性能，改善固井工艺，形成针对性技术方案。

2.1 地层水影响

姬塬区块内洛河、直罗层位水系活跃，矿化度为4700～6900 mg/L，单一水层跨度最高达 150 m。固井施工期间，水泥浆经过地层窜流点，或上返至水层活跃处，受水侵，结构被破坏，性能发生变化，形成水泥石后胶结强度低；固井候凝阶段，环空水泥浆静液柱压力下降，高压地层水不断侵蚀水泥浆体，液相中的 Ca2+、OH-、Mg2+等离子被带走或反应交换，氢氧化钙晶体析出减少[2]，未凝固成型的水泥浆被稀释、分散、解体，破坏了原有的胶凝结构，形成局部小段或大段窜槽，测井后水侵段显示弱胶结或无胶结的空白。

2.2 地层温度影响

姬塬区块洛河、直罗层平均埋深在900～1700 m 之间，上部水层段地层静止温度为25～40 ℃，水泥浆水化反应缓慢，形成网状结构的时间延长[3]，抗地层流体干扰能力差，早期强度发展慢；同时，由于井眼间隙小，防漏设计所要求的慢替工艺(顶替排量在3～4 L/s)和施工安全双重因素影响，低温井段水泥浆受地层水冲刷时间长，防窜性能要求更高。

2.3 地层压力影响

姬塬区块自2005年开始投产至今，长期的开采导致地层压力亏空，后期注水开发、压裂增产等措施导致地层压力体系紊乱，层间窜流形成局部高压或局部低压。低压区域，水泥浆上返过程中发生漏失，井筒内液柱压力降低导致水层无法实现压稳；高压区域地层出水窜流，注入水泥浆被稀释，性能发生改变。

2.4 固井工具影响

区块内侧钻井传统的尾管悬挂固井工艺，悬挂器类型以液压封隔式尾管悬挂器为主。该类型悬挂器具有可悬挂、封隔牢靠的特点，但由于施工结束后需进行封隔器胀封，关闭环空流体传输通道，导致候凝期间井筒内上部液柱压力无法向下传递，上部活跃水层段难以压稳，形成窜流。

3 固井方案优化

受长庆油田低成本开发战略和开发模式限制，侧钻井固井方式有限，单一的尾管悬挂固井工艺要满足固井过程中防漏和压稳等一系列固井难题。同时，由于滤饼、井眼缩颈等客观因素的存在，环空实际间隙有时甚至会低于 6 mm，固井施工作业时水泥浆上返摩阻大，环空压耗增加，井内安全压力窗口窄，动态当量密度设计困难。综合分析，解决该区块水侵问题重点从以下两方面入手：

1)固井开始至侯凝期间，井筒内液柱结构能够达到水层“压稳防窜”；2)水泥浆具有不分散特性，进入地层后不易受地层水侵扰改变原有性能；低温条件下，强度发展满足防水侵和施工安全两方面要求。

3.1 顶替排量优化

施工排量选择是窄间隙固井防漏技术的核心内容。固井施工时，井底所受压力暨井筒内当量密度，除钻井液、前置液、水泥浆本身影响外，还受施工排量大小的影响。即使静态条件下液柱压力与漏失压力平衡，施工排量的增加也会导致环空压耗增大，最终导致环空循环摩阻当量密度增加，在顶替过程中压漏地层，导致水泥浆低返[4]。

通过固井软件模拟计算出施工排量对于摩阻以及顶替效率的影响如表1。

表1 排量对摩阻及顶替效率的影响

姬塬油田老井开窗侧钻井传统固井工艺，循环排量范围为5.0～7.0 L/s，施工排量范围为3.8～4.2 L/s。通过软件模拟计算出不同施工排量对于摩阻、顶替效率以及施工要的影响。若保证95%以上顶替效率，环空返速应大于 1.0 m/s，即施工排量高于 300 L/min，但高环空返速同时会带来循环摩阻当量密度的增加，从而导致固井过程中的漏失。因此合理的排量在排量超过 207 L/min(3.4 L/s)时顶替效率也能超过90%，在保证防漏的同时也能带来较高的顶替效率。

3.2 固井工具优化

按照固井前期至侯凝期间“压稳防窜”的要求，优选直连式尾管悬挂器。该工具减少了以往封隔式尾管悬挂器的环空胀封构件，精简了卡瓦和液缸结构，规避了卡瓦挂蹭套管、提前座挂、硬卡套管，以及开泵循环时液缸提前打开的风险，因此安全性高，可实现无限循环。管串采用强制复位式+浮球式浮箍的单流结构组合，保证断流效果；密封短节、套管胶塞唇边采用一体硫化橡胶结构，密封承压(50 MPa)可靠；钻杆胶塞、套管胶塞上设计有卡簧，在进入碰压位置后，锁紧密封效果良好，连接可靠。

3.3 水泥浆柱结构优化

由于侧钻井环空间隙小，姬塬区块侧钻井眼裸眼段实际环容不足 6 m3，因此施工过程控制对于固井质量显得尤为重要。在保证井筒内水泥浆柱结构达到平衡压力设计的前提下，井筒内水泥浆类型越少，施工过程一致性和连续性越强，因此，姬塬区块内侧钻井水泥浆柱结构可设计为两凝体系。常规密度水泥浆选择 1.90 g/cm3早强微膨胀水泥浆体系，封固目的层长1及上部延安组活跃水层。低密度水泥浆以满足地层压稳防漏要求密度设计如下：

通过查阅分析，该区块已完钻数据，平均垂深 2000 m，裸眼段封固段长在600～800 m，套管重合段长为 100 m，完钻泥浆密度在1.14～1.16 g/cm3，目的层长1漏失当量密度约 1.43 g/cm3，局部高压区最高压井泥浆比重 1.23 g/cm3，常规密度水泥浆封固段长度根据油层和上部延安组水层分布位置设计为 350 m，前置液按照7～9 min 接触时间设计段长 250 m。

要求目的层长1动态当量密度ECD满足：

ECD漏失>ECD>ECD泥浆

式中：ECD为长1层位固井施工时动态当量密度，g/cm3；ECD泥浆为井筒内最高泥浆当量密度，g/cm3；ECD漏失为长1层位漏失当量密度，g/cm3。

经过计算和固井软件模拟等数据分析可得，姬塬区块内侧钻井固井时动态当量密度ECD介于1.23～1.43 g/cm3，计算可得即领浆设计密度区间为1.23～1.60 g/cm3。

因此，姬塬区块内侧钻井水泥浆柱结构设计两凝水泥浆体系，产层段选择 1.90 g/cm3早强微膨胀水泥浆体系，封固目的层长1及上部延安组活跃水层；填充段水泥浆选择密度在1.23～1.60 g/cm3之间的低密度水泥浆。

3.4 水泥浆性能优化

3.4.1 抗分散絮凝剂BCY-100S的作用机理

提高水泥浆抗水侵性能的直接方法是通过加入少量外加剂，优选油井水泥用抗分散絮凝剂多元共聚物BCY-100S[5]调试水泥浆配方。其能够通过电中及和双电层压缩作用，降低水泥颗粒间的排斥能，使得排斥能和吸引能相加而产生的相互作用力以引力为主，从而减小了水泥颗粒间的距离。此外，抗分散絮凝剂分子链上带有的羟基与拌合水分子形成氢键[6]，与水分子亲和力增加。随着抗分散絮凝剂掺量的加大，长分子链间相互吸引，并相互缠联形成网状结构，将水泥颗粒以及拌合水包裹起来，使之不易收到外界水分子的冲洗而分散，从而达到一定的絮凝效果，形成的水泥浆在低温水中不离析不分散，具有良好的抗水侵作用。

3.4.2 产层段常规密度水泥浆体系优化

姬塬区块长1层位油藏的埋深较浅，井筒内目的层泥浆循环温度在40～50 ℃。常规密度水泥浆封固产层，性能需达到早强、快凝，过渡时间短的特点，避免浅层油藏油水同层在侯凝期间水侵而影响目的层固井质量。以现有的早强水泥浆为基浆加入适量的BCY-100S，得到性能满足固井要求的抗分散水泥浆体系。如表2。

表2 不同BCY-100S加量下低温早强水泥浆性能对比

由表2看出，加入BCY-100S后，低温早强水泥浆稠化时间稍有延长，但水干扰试验下水泥损失量明显低于基浆，且对原水泥浆体系抗压强度和失水性能影响较小；但在低温条件下，BCY-100S加量越多，会导致稠化时间延长。当BCY-100S加量调整为2%时，在40～50 ℃ 的地层温度下，水泥浆稠化时间60～80 min，能够满足施工要求。此时水泥浆达到较好的分散效果且不影响原有的早强、快凝性能。

3.4.3 填充段低密度水泥浆优化

低密度水泥浆在井筒中上返时经过多段水层，受水侵时间长，性能影响较大。根据浆柱结构设计结果，从浆体流动性、早期强度等多方面因素考虑，优选 1.55 g/cm3的粉煤灰低密度水泥浆体系作为基本试验体系。通过加入BCY-100S和早强剂GJ-F，提高低密度水泥浆抗分散特性，缩短稠化时间，增加早期强度从而得到适宜于该区块侧钻井水层封固的低密度水泥浆体系。如表3。

表3 不同BCY-100S加量下低密度水泥浆性能对比

由表3可知，当BCY-100S加量为1.5%时，水泥浆抗分散性能较差，水泥损失量较大，且水干扰实验，水泥浆入水即分散(图1)；当BCY-100S加量为2.5%时，水泥浆抗分散性能得到明显改善，水泥损失量略小，水泥浆入水分散不明显(图2)；当BCY-100S加量为3.5%时，水泥浆抗分散性能良好，水泥浆损失量较小，水泥浆入水保持连贯性，几乎没有分散(图3)，但稠化时间开始缩短，说明BCY-100S加量有一定的饱和度。

(a) (b) (c)图1 1.5% BCY-100S水泥浆 图2 2.5%BCY-100S水泥浆 图3 3.5%BCY-100S水泥浆

而BCY-100S比例从1.5%增加至3.5%时，低密度水泥浆稠化时间呈现出先增长后降低的趋势，说明过饱和的BCY-100S无法参与水化反应，从而达不到应有的抗分散效果和延缓稠化作用，但早期强度基本无明显区别。从经济，性能多角度综合考虑，BCY-100S在低密度水泥浆比例中优选为2.5%。

根据表4发现，当GJ-F加量调整至2%时，早期强度明显提升，可泵时间 156 min 左右，过渡时间短，早期强度高；当GJ-F加量继续提高时，稠化时间缩短但早期强度变化不明显。综合考虑，以GJ-F加量为2.0%时为优选。

表4 不同GJ-F加量下低密度水泥浆性能对比

一系列的室内优化试验表明，BCY-100S2%+1.90 g/cm3低温早强水泥浆能达到较好的抗分散效果，且不影响原有的早强、快凝性能；BCY-100S2.5%+GJ-F2%+1.55 g/cm3低密度水泥浆抗分散性能良好，早期强度高，优化后的两凝不分散水泥浆体系能够满足该区块侧钻井固井质量要求。

4 应用效果

后期以两凝不分散水泥浆体系和直连式尾管悬挂器应用为工艺核心，在姬塬区块侧钻井开展现场试验5口井，施工正常，全井段平均封固率99.80%，平均优质率97.30%，水层段平均封固率100%，水层段平均优质率98.07%(见表5)，同比前期固井质量提高明显，试验效果良好。

表5 试验井固井质量统计

应用举例如下：

X侧40～42井，完钻层位长1，大段水层位于直罗组1660～1760 m，设计 1.90 g/cm3早强不分散常规密度水泥浆返高至 1750 m，1.55 g/cm3不分散低密度水泥浆返至 1280 m，施工排量 206 l/min，现场施工正常，测井固井质量合格(见图4)，全井段合格率99.77%，优质率99.31%。

图4 X侧40-42井水层段固井质量

通过5口井现场试验效果看出，以两凝不分散水泥浆体系和直连式悬挂器为技术核心的固井工艺对于解决姬塬区块侧钻井水侵问题效果良好，水层及以上固井质量明显提高，推广应用后对延长该区块侧钻井生命周期有着重大意义。

5 结论

1)姬塬区块内洛河、直罗水系发育，地层温度低、层间压力异常是导致侧钻井固井水侵的根本原因。

2)依靠抗分散絮凝剂BCY-100S优化水泥浆体系，优选直连式悬挂器应用能够有效解决区块内固井水侵问题。

3)两凝不分散水泥浆体系和直连式悬挂器为技术核心的固井工艺在姬塬区块现场试验5口井，试验效果良好，固井质量明显提升。