超低密度水泥漿固井技術的應用——以百泉1井為例

張偉 魏瑞華 楊洪 劉佩軒 牛罡

中國石油新疆油田公司勘探公司

超低密度水泥漿固井技術的應用
——以百泉1井為例

張偉 魏瑞華 楊洪 劉佩軒 牛罡

中國石油新疆油田公司勘探公司

在對壓力系數低、易漏地層，特別是裂縫型地層的固井作業中，采用常規密度的水泥漿進行固井極易引起井漏，造成固井失敗或質量不合格。為此，根據準噶爾盆地西部隆起克百斷裂帶百口泉鼻隆構造上的百泉1井鉆井復雜情況和地層情況，采用了2種超低密度水泥漿柱結構，以確保固井時上部防漏下部壓穩，該井固井過程中無漏失，測井結果表明，低密度水泥漿固井質量合格。結論認為：①在壓力系數低和有易漏地層存在的情況下，從固井設計到施工都應采用以“高效頂替、整體壓力平衡”為核心的平衡壓力固井工藝技術，控制環空形成的動液柱壓力約大于地層壓力和小于地層破裂壓力；②正確選用和合理搭配固井施工壓力、水泥漿密度和施工排量這3個參數，分析前期技術難點并制訂合理的應對措施是保證固井成功的關鍵；③由于采用了超低密度水泥漿，降低了環空液柱壓力與地層壓力之間的正壓差，減小了水泥漿的失水量，有利于保護油氣層。

準噶爾盆地 百口泉地區 固井 超低密度 水泥漿 技術措施 固井質量

百泉1井構造位置處于準噶爾盆地西部隆起克百斷裂帶百口泉鼻隆之上。該井設計鉆探多個圈閉：百口泉二疊系風城組斷鼻、百56井二疊系風城組風三段扇體、百烏1井風三段斷層巖性圈閉和百58井東風一段地層圈閉。設計井深4 640 m，目的層為風城組（P1f），實際鉆深4 998 m，技術套管 244.5 mm× 3 065.62 m，第三次開鉆（以下簡稱三開） 215.9 mm ×4 998 m，完井采用 177.8 mm＋ 139.7 mm復合油層套管下至井深4 996 m，采用復合膠塞單級有控固井工藝，水泥漿設計返至井深2 900 m，其中 177.8 mm套管回接下至井深3 000 m左右，尾管懸掛器設計在井深2 980 m。三開以后井漏情況較多，為保護油氣層，采用充氮氣欠平衡鉆井，鉆井液密度1.09 g／cm3，漏斗黏度介于43～52 s。

1 主要技術難點與對策

1.1 技術難點

1）漏失層段多。雖鉆進時用隨鉆堵漏劑和復合堵漏劑堵漏成功，但在下套管過程中因套管刮削井壁和增加激動壓力，可能破壞井壁的穩定性，造成下部裸眼段漏失，給注水泥施工帶來困難。

2）水泥漿體系難于選擇。井底溫度達到99℃，為高溫井固井，封固段頂部與底部的溫差過大，達到38℃，封固段頂部的水泥漿強度發展將受到較大影響。

3）封固段長，環空間隙小，井深、環空間隙小，泵壓高，水泥漿頂替效率低，影響水泥石與界面的膠結質量；套管內外液柱壓差大，施工時間長、壓力高，容易壓漏地層，對水泥漿體系、設備性能要求高。

4）地層承壓能力低。本次固井井深為4 998 m，屬深井固井作業，水泥封固段地層破裂壓力最低只有1.13 g／cm3，固井時易發生井漏，并造成水泥漿低返。

5）封固段中地層破裂壓力與鉆井液密度的安全窗口只有0.06 g／cm3，要保證施工中井下安全，必須嚴格控制環空返速，減小環空流動阻力。

1.2 技術對策

1）要求井隊提供良好的井眼條件，下套管前用原鉆具通井，對縮徑段劃眼，并進行大排量循環洗井，確保井眼干凈、穩定、不漏、不涌、無阻卡和穩定，滿足固井施工要求；根據正常鉆進時的環空返速，控制管柱的下放速度，以免激動壓力壓漏地層。

2）設計水泥漿性能，進行高溫下水泥漿外加劑體系性能試驗，保證施工安全合理；做頂部水泥漿強度檢驗，能夠承受溫差對水泥漿強度的影響。

3）采用低密度水泥漿固井，保證良好的鉆井液性能及稠漿性能，在保證井眼安全的條件下，盡可能降低鉆井液黏度和切力，消除鉆井液在井壁上的滯留范圍，提高水泥漿頂替效率。

4）地層承壓能力低，采用柴油作為平衡液，以平衡施工時的環空阻力和靜壓力；由于上漏下溢，采用超低密度水泥漿體系，并使用2種密度的水泥漿漿柱結構，以確保固井時上部防漏下部壓穩，并嚴格按設計要求進行水泥漿室內實驗，確保水泥漿各項性能滿足設計要求。

5）為控制循環阻力，整個施工過程（包括下套管洗井）控制注替排量在0.5～0.8 m3／min，整個固井注替全過程由水泥車組完成，用固井過渡罐計量，同時固井施工中觀察井口返出情況，記錄發生的漏失量，作為反擠的依據。

2 水泥漿體系

2.1 隔離液配方及用量

選用柴油作為平衡液，密度0.85 g／cm3，設計長度為400 m，總混合用量為12.80 m3；清水加入2%表面活性劑為沖洗液，其密度為1.02 g／cm3，設計長度為400 m，總混合用量為12.80 m3。

2.2 水泥漿性能要求

1）水泥漿密度應與地層承壓能力相適應，防止發生井漏。

2）水泥漿體系在井下高溫高壓條件下要有足夠長的可泵時間。

3）長封固段頂部水泥石應有盡可能快的強度發展。

4）針對重復段環空間隙窄小、封固段長、壓力低、易漏的情況，水泥漿應具有良好的流變性能、觸變性能和早期強度。

5）嚴格控制水泥漿的濾失量，一般要求在50 m L以內。

6）在確保施工安全的前提下，盡可能縮短稠化時間。

2.3 超低密度水泥漿配方、性能及用量

井深超過4 500 m使用密度為1.10 g／cm3水泥漿，井深不超過4 500 m使用密度為1.30 g／cm3的水泥漿，組成超低雙密度水泥漿柱結構，以確保固井時上部防漏下部壓穩。選用微珠和微硅作為復合減輕材料，既要達到超低密度，又要使凝固水泥石強度大于14 MPa，以確保壓裂后試油作業的順利進行。水泥漿加入降失水劑ST900L以降低水泥漿的游離水和濾失量，用分散劑SXY－2來調節水泥漿的流變性能，添加ST200R緩凝劑調節水泥漿的稠化時間，用早強劑SW－1A提高水泥漿的水化速度，促成體系形成凝膠結構。通過反復實驗（表1），得到2種具體配方如下：

1）TH.G級水泥＋60%微珠＋35%微硅＋8%早強劑SW－1A＋4%SNP＋（6%降失水劑ST900L＋1.5%分散劑SXY－2＋0.4%緩凝劑ST200R）＋83%液固比。

2）TH.G級水泥＋24%微珠＋11%微硅＋4%早強劑SW－1A＋4%SNP＋（4%降失水劑ST900L＋1.1%分散劑SXY－2＋0.5%緩凝劑ST200R）＋67%液固比。表1是2種水泥漿的性能。

表1 水泥漿性能表

超低密度水泥領漿返高2 900 m，段長1 600 m，水泥漿用量為54.46 m3；將水泥塞的體積算進尾漿內，尾漿返深4 500 m，段長496 m，水泥漿用量為13.4 m3。

通過相關參數計算［1－10］，采用以上組合漿柱結構注水泥能夠控制環空動液柱壓力約大于地層壓力和小于地層破裂壓力，實現平衡壓力注水泥的要求。

3 施工工藝過程與結果

下送尾管至預計井深后，開泵循環，先小排量，以后逐漸大排量；投球憋壓坐掛，壓力升至20 MPa，坐掛倒扣成功；注前置液12.8 m3，密度為0.85 g／cm3；注入12.8 m3的沖洗液，密度為1.02 g／cm3；注先導漿9.5 m3，密度為1.10 g／cm3；領漿44.5 m3；注尾漿14 m3，密度為1.30 g／cm3；注后置液2 m3，壓膠塞；替鉆井液48.56 m3，密度為1.09 g／cm3；碰壓，放回水檢查浮箍工作情況，拔出中心管，坐封封隔器，繼續上提，抽出中心桿，開泵循環洗出多余的水泥漿，施工過程正常順利，泵壓平穩，未發現漏失現象，提出全部鉆具，候凝。

固井施工結果：

1）管內替成清水，測聲幅，水泥返高2 890 m，固井質量合格（圖1）。

圖1 百泉1井試油井段固井質量檢測圖

3）由于采用了超低密度水泥漿，降低了環空液柱壓力與地層壓力之間的正壓差，減小了水泥漿的失水量，有利于保護油氣層。

4）需進一步改進該水泥漿體系，以滿足油氣層開采需要的強度、韌性及提高第二界面的膠結質量的要求。

2）測聲幅前，管內試壓10 MPa，30 min未降，合格。

百泉1井在使用低密度水泥漿固井過程中，未發生漏失，水泥膠結質量較好，而其鄰井克百1井、風城011井在固井過程中均水泥漿漏失發生；同時該井壓裂后試油作業正常，表明超低雙密度水泥漿柱組合結構的強度能夠滿足要求。

4 認識與建議

1）在壓力系數低和有易漏地層存在的情況下，從固井設計到施工，應采用“高效頂替、整體壓力平衡”為核心的平衡壓力固井工藝技術，控制環空形成的動液柱壓力約大于地層壓力和小于地層破裂壓力。

2）正確選用和合理搭配固井施工壓力、水泥漿的密度和施工排量這3個參數，分析前期技術難點并制訂合理的應對措施是保證百泉1井固井成功的關鍵。

［1］屈建省，許樹謙，郭小陽.特殊井固井技術［M］.北京：石油工業出版社，2006.

［2］劉世彬，徐峰，曾凡坤.平衡壓力固井施工三參數的正確設計及合理搭配［J］.鉆采工藝，2007，30（6）：119－120.

［3］鐘福海，陳光，鄧艷華，等.長封固段低密度水泥漿固井技術［J］.鉆井液與完井液，2005，22（增刊1）：93－95.

［4］李桂平.深井低密度水泥漿體系的設計與應用［J］.西安石油大學學報：自然科學版，2009，4（22）：42－45.

［5］劉崇建，黃柏宗，徐同臺，等.油氣井注水泥理論與應用［M］.北京：石油工業出版社，2001.

［6］李雨威，王樂，王勝林，等.低壓漏失井固井水泥漿體系的研究［J］.石油與天然氣化工，2009，38（1）：69－91.

［7］張彥平，王學良，田軍，等.低密度高強度水泥漿固井技術在吐哈油田的應用［J］.鉆井液與完井液，2005，22（1）：41－43.

［8］黃海強，李洪波，龔朝海，等.中原油田漏失井固井工藝技術及應用［J］.石油天然氣學報，2005，27（4）：644－646.

［9］黃李榮.塔河油田T737超深井超低密度固井技術［J］.鉆采工藝，2004，27（3）：17－19.

［10］黃李榮，納爾遜，劉大為.現代固井技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1994：160－278.

Application of cement slurry with ultra－low density：A case study from Well Baiquan 1，Junggar Basin
Zhang Wei，Wei Ruihua，Yang Hong，Liu Peixuan，Niu Gang
（Exploration Division of Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang 834000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.69－71，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

For the formations with low pressure coefficient and easy lost circulations，and especially for fractured formations，the conventional density slurry will usually lead to lost circulations，resulting in cementing failure or poor cementing quality.Through the study on the downhole drilling events and formation conditions in Well Baiquan 1 on the Baikouquan structure located at uplifted Kebai fracture belt in the west Junggar Basin，two cement slurry systems with ultra－low density are proposed and applied，to ensure no lost circulation in upper cementing and low kicks from the lower cementing.The final logging data shows that the cementing quality is good.The following conclusions are drawn.（1）For low－pressure thief zones，a balanced cementing technology，which has the core principle of high－efficiency displacement and overall pressure balance，can be applied during the cementing planning and operation to keep the dynamic hydraulic pressure in the annulus slightly above formation pressure and below the formation breakdown pressure.（2）Proper combination of operating pressure，slurry density and pump rate，and correct pre－job analysis and planning of countermeasures are critical for the success in cementing operation.（3）The application of ultra－low－density slurry will lower the positive pressure differential between the annulus hydraulic pressure and the formation pressure，reduce the water loss of the cement slurry，and be helpful for reservoir protection.

Junggar Basin，Baikouquan area，cementing，ultra－low density，cement slurry，technical measures，cementing quality

張偉等.超低密度水泥漿固井技術的應用——以百泉1井為例.天然氣工業，2012，32（4）：69－71.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.017

張偉，1967年生，高級工程師；1988年畢業于原江漢石油學院；現任中國石油新疆油田公司勘探公司副經理，主要從事石油地質研究與勘探現場管理工作。地址：（834000）新疆維吾爾自治區克拉瑪依市天山路110號。電話：（0990）6887259。E－mail：zhangw＿xj＠petrochina.com.cn

2011－09－30 編輯 居維清）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.017

Zhang Wei，senior engineer，born in 1967，graduated from the Jianghan Petroleum Institute in 1988.He is now vice manager of the Exploration Company of PetroChina Xinjiang Oilfield Company，doing geologic research and well site operation management.

Add：No.110，Tianshan Rd.，Karamay，Xinjiang 834000，P.R.China

Tel：＋86－990－6887 259 E－mail：zhangw＿xj＠petrochina.com.cn