雁木西油田層間封固技術的研究與應用

劉虎，王軍，王學成，劉學智

1.中國石油吐哈油田分公司監督中心（新疆鄯善838200）

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院（新疆鄯善838202）

雁木西油田層間封固技術的研究與應用

劉虎1，王軍2，王學成2，劉學智1

1.中國石油吐哈油田分公司監督中心（新疆鄯善838200）

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院（新疆鄯善838202）

吐哈盆地雁木西油田部分井固井質量優質，但是投產后環空出現竄流通道、產液含水率高的問題，后期擠水泥產生了高額補救費用。環空竄流的原因是射孔破壞隔層水泥環，界面膠結強度低。提出了使用動態振動固井技術提高頂替效率，管外封隔器隔開油水層，并且使用抗鹽增韌水泥漿體系提高水泥石抗沖擊性能等新技術方案，在現場成功應用。

層間竄流；抗鹽水泥漿；固井技術；管外封隔器

吐哈盆地雁木西油田主要目的層為第三系鄯善群（Esh）和白堊系三十里大墩組（K1s），經過多年注水開發，形成了多套壓力體系，且層間壓差大、隔層薄，固井質量保證難度大；N1t上部、Esh下部地層含有鹽膏層，又進一步增大了固井難度和風險。2013-2014年通過實施停注泄壓、嚴格控制井身質量、油層使用抗鹽早強水泥漿體系等措施，固井質量有了明顯提高，共完井10口，固井質量一次合格率達到100%，優質率達到80%。但是新井投產過程中出現了嚴重問題，固井質量優質井投產后環空存在層間竄流，產出液體高含水，后期補救產生了高額費用［1］。2014年共完井6口，其中3口井投產后擠水泥補救，補救費用高達238.2萬元，如何保證層間封固效果已成為繼續開發雁木西油田亟待解決的難題。

1 層間竄流原因分析

1.1 隔層薄，射孔易造成水泥環損壞

雁木西油田調整井地層壓力系統復雜、隔層薄，厚度最小至1m，層間壓差高。以2014年8月完井的雁668井為例，發生層間竄流的兩個層位K1S2-1（1 824.8～1 831.1m）與K1S2-2（1 832.9～1 834.0m），隔層厚度僅為1.8m。若水泥石韌性差，射孔很可能損壞水泥環，形成微裂隙，造成投產后環空竄。

1.2 界面膠結強度低

雁木西油田油藏平均孔隙度20.4%，平均滲透率228.8×10-3μm2，為中孔中滲儲層，地層孔隙連通性好，鉆井液易向地層失水，在目的層段形成較厚的虛泥餅。從已鉆井井徑曲線來看，油層段普遍縮徑，部分井徑明顯小于鉆頭直徑，井壁附著的虛泥餅較厚［2］。固井過程中虛泥餅很難被清理干凈，導致界面膠結強度低，投產后在第二界面形成層間竄流通道。

2 技術對策

2.1 增強水泥石韌性，提高抗沖擊能力

優選新型水泥漿體系，在滿足抗鹽性能的前提下，增強水泥石的韌性，提高水泥石抗沖擊能力，防止射孔沖擊水泥石產生微裂隙。

2.2 提高頂替效率，改善界面膠結效果

調研清除井壁虛泥餅的有效技術措施，提高頂替效率，改善界面膠結強度。

2.3 試驗應用管外封隔器

在油水層之間下入管外封隔器，形成水泥環和管外封隔器兩重密封，保證層間封隔效果。

3 抗鹽增韌水泥漿體系

3.1 增韌防竄水泥漿體系性能特點

3.1.1 水泥石韌性

普通水泥是一種多相、非均質體系，內部結構上存在著大量的空隙和微孔道，宏觀表現為脆性，極限應變較小、抗沖擊性能差。增韌防竄劑BCG-300S外觀為白色或淡黃色粉末，核心成分為熱塑性高分子柔性聚合物，具有一定的彈性和伸縮性，彈性模量比水泥低，摻入水泥漿中可使水泥石彈性模量有一定程度的降低［3］。另一方面，BCG-300S摻入到水泥漿中后，可以均勻分散于水泥漿中，并形成連續的薄膜，附著在水泥水化物表面，當受到外部沖擊時可以分散一定的應力，增加了水泥石的變形能力，從而改善了水泥石的韌性，是一種理想的水泥漿增韌材料。

1）水泥石韌性評價。實驗結果表明：隨著增韌材料摻量增加，彈性模量不斷降低，水泥石韌性增強（表1）。

表1 水泥韌性評價結果

通過研究可以看出：增韌材料摻量大于4.5%后，水泥石明顯表現出彈性水泥石的特征。

2）水泥石抗沖擊性能評價。實驗結果表明：隨著增韌材料摻量增加，水泥石抗沖擊功不斷增大，抗沖擊能力增強（表2）。

表2 水泥韌性評價結果

3.1.2 防竄性能

水泥水化期間，增韌防竄劑BCG-300S一方面在水泥機制中絮凝、聚結，形成抑制滲透的聚合物薄膜，防止流體、氣體侵入水泥漿柱中；另一方面，可以形成聚合物網狀結構，縮短靜膠凝強度48～240Pa內的過渡時間，減少氣竄發生的幾率（表3）。

表3 防竄試驗結果

在水泥水化過程中，BCG-300S吸水，形成聚合物膜附著在水泥水化顆粒上，具有一定的保水性，增強了水泥漿的內聚力，在一定程度上防止水分蒸發，減少了水泥漿內部由于水分蒸發所產生的微裂縫和粗孔，使得水泥石表現出一定的微膨脹，達到防竄目的［4-5］。

根據膨脹試驗結果加入BCG-300S后，水泥表現出微膨脹性，克服了自身缺陷，有利于界面膠結。

綜合防竄試驗結果，溫度55℃條件下BCG-300S加量大于3.0%能夠保證較好的防竄性能（表4）。

表4 水泥漿膨脹試驗結果

3.2 抗鹽增韌水泥漿體系評價

BCG-300S的配伍降失水劑為BCF-200S或BXF-200L，兩種產品均為抗鹽型聚合物降失水劑。BXF-200L是液體，與目前使用的天山G級水泥配伍性好，在吐哈油田抗鹽固井領域成功使用多年。BCF-200S是BXF-200L的粉劑，降失水性能優于BXF-200L，可與水泥及其他外摻料干混。在產品滿足抗鹽性能要求的前提下，綜合考慮現場施工因素選用BCF-200S作為降失水劑。

通過一系列評價試驗優選出抗鹽增韌水泥漿體系配方為：100g天山G級水泥+44g水+3g降失水劑BCF-200S+3g增韌防竄劑BCG-300S+1.5g早強劑TW600S+0.7g分散劑。

1）水泥漿流變性能和濾失量。該體系水泥漿流變性能優越，濾失量小，能夠滿足現場施工需求。

2）水泥漿抗污染性能。使用現場抗鹽聚磺鉆井液做污染試驗，體積比為水泥漿：鉆井液=70：30，實驗條件55℃、32MPa，40BC稠化時間113min，能夠保證施工安全。

3）水泥漿稠化時間。在52℃、32MPa條件下，稠化時間可調，能夠滿足現場施工要求，直角稠化，有利于提高固井質量。

4 動態震動固井技術

4.1 技術原理

將激振器與固井膠塞合二為一，加工成激振膠塞（圖1），在替漿過程和到達井底后開始振動，激發套管串形成阻尼共振響應，實現替漿、侯凝全過程振動。通過大量的實驗研究發現，振動固井技術主要通過以下幾方面改善固井質量，防止固井后環空竄流。

圖1 激振膠塞

1）通過振動降低液體的黏度，有利于清除套管外壁的鉆井液膜和井壁上的虛泥餅，使頂替效率得到極大的提高。

2）振動使水泥漿得到充分水化，且密度均勻，有利于在油水井套管環空中形成堅硬而完整的水泥環。研究表明振動后水泥漿固化的強度能提高約20%。

3）振動可以加快水泥漿的充分水化，且使密度均勻，因而使水泥漿的稠化過渡時間縮短，易于早強，同時使水泥的防竄性能提高。

4）振動水泥漿有助于破壞其顆粒間的黏結，加劇了水與固相顆粒間的相對運動，減小或消除了水泥漿的靜切力，使環空水泥漿在凝固過程中，由于體積收縮和靜切力增大而造成的靜液柱壓力損失得以補償，在水泥環第一、第二界面形成較高的徑向應力，提高了兩個界面的膠結強度，有效地阻止了地層流體竄入。

4.2 施工工藝

因動態振動固井設計的激振器與固井膠塞是一體的，所以動態振動固井施工工藝與常規固井工藝兼容性較強，無需增加和改造現有的設備及工藝即可實現。激振器的狀態控制通過無線電子遙控，固井施工之前按照施工工藝的流程提前設置振動程序。施工工藝流程如圖2所示：①將激振膠塞（固井膠塞）安裝入固井水泥頭，通過無線電子遙控器設置振動延遲時間和振動持續時間，準備固井施工；②按照正常固井施工流程，試壓、打前置液、注水泥，激振器按照預置程序開始振動，在井口檢測振動狀態；③壓膠塞，激振膠塞諧振替漿下行，自上而下振動梳理套管串，激活套管、水泥及井壁的界面，下行至浮箍處小排量碰壓自鎖激振，檢測回流，侯凝過程中自動調整振頻，實現阻尼共振效果，水泥凝固前共振完成，施工結束。

圖2 振動固井工藝流程

5 管外封隔器技術

圖3 E-Z Frac140封隔器

該工具膠筒采用進口HNBR原料經模壓加工而成，材料優異的抗擠壓、抗撕扯強度以及耐溫性能確保了該工具的長期密封可靠，通過調整剪切銷釘數量可靈活調整工具啟動壓力。

性能參數：壓力級別70MPa；溫度級別150℃；啟動壓力16～19MPa（可調）；適用215.9mm（8.5″）井眼尺寸。

6 現場應用實例

6.1 雁673井基本情況

該井為采油直井，設計井深1 880m，實際井深為1 888m，主力油層位于白堊系三十里大墩組（1 817～1 846m）。二開鉆頭尺寸為216mm，套管尺寸139.7mm。油層顯示段為1 597～1 662m、1 817～1 846m，油水隔層為1 844～1 846m，厚度為2m，油水同層段為1 846～1 861m。設計封固段為1 200～1 888m，封固段長688m。

6.2 現場施工情況

該井使用抗鹽增韌水泥漿，40BC稠化時間為128min。封隔器下入位置1 844.2～1 845.32m，現場施工過程如下。

1）套管及其附件按設計和作業指令下到位后，確認水泥頭與固井管線和替泥漿管線等的聯結符合施工要求。

2）套管下到底后，先灌滿泥漿，再接循環接頭，小排量頂通，然后逐步增大泵的排量到正常打鉆排量，調整泵的參數，循環排量要達到32L/min，并連續循環兩周。

圖4a顯示大陸高壓正在入海,蘇南和長江口有溫度鋒區;圖4b合成場顯示,江蘇沿海等高線與等溫線稀疏,處于槽后脊前的穩定狀態,有弱鋒區在長江口及長江南側。與副熱帶系統相比較,西風帶系統勢力仍較強,這與Ⅰ型海風鋒環流背景中副高強盛顯著不同。另一方面西風帶系統移動較快,因此Ⅱ型海風鋒是處于短時穩定形勢下,這也與Ⅰ型海風鋒不同。進一步地,斜壓鋒區的存在,營造了局地對流系統的活動空間,為海風鋒相遇強對流系統,并發生相互作用,激發強對流天氣過程提供了機遇。

3）水泥車到井后，開始處理鉆井液性能，降低黏切，停泵，接水泥頭。接好管線、水泥頭做好施工準備工作后，壓入激振膠塞，遙控設置振動延遲時間為30min，振動持續時間為40min，并上緊水泥頭蓋子，時間5min。

4）沖洗管線，通過排污管線出口觀察管線沖洗情況，并按設計要求試壓30MPa，水泥車按設計注入前置液6.0m3，排量1.20m3/min，時間5min。

5）水泥車注入常規水泥漿25.0m3，領漿密度控制范圍1.80～1.85g/cm3，尾漿密度控制范圍在1.88～1.92g/cm3，排量1.00m3/min，時間25min，激振膠塞開始振動并檢測。

6）打開膠塞擋銷，注入壓塞液1.0m3，泵替鉆井液20m3，排量2.0m3/s，水泥車以0.50m3/min的排量替漿1.2m3求碰壓，碰壓壓力控制在16MPa，時間15.0min。

7）穩壓5.0min，判斷浮箍浮鞋密封良好，繼續憋壓至28MPa，充分漲封管外封隔器，穩壓2min。

8）拆卸水泥頭與固井替漿管線，關封井器，環容憋壓3MPa，侯凝24h，檢查固井水泥膠結質量。

該井動態振動固井技術現場施工成功，注水泥漿20min后激振膠塞開始振動，替漿過程激振膠塞自上而下動態振動，激發套管高頻振動，碰壓后繼續振動20min自動停止。激振膠塞的安裝、振動控制都在設計范圍內，整個過程連續，泵壓正常。

6.3 應用效果分析

侯凝24h后，通過VBL、CDL測井檢驗固井質量，固井質量優質，水泥實際返高1 120m。2015年6月8日該井順利投產，日產液12.1m3，日產油6.1t，含水38%，證明油層、水層隔離效果良好。

7 結論與建議

1）抗鹽增韌水泥漿體系、動態振動固井技術、管外封隔器3項技術同時使用，保證了油水層封隔效果。

2）管外封隔器漲封壓力高，導致施工壓力過高，現場施工風險較大，下一步應繼續優化設計，降低漲封壓力。

［1］齊興國，鄭佳奎，袁勝學.雁木西油田有效儲層劃分方法［J］.石油天然氣學報，2012，40（2）：39-41.

［2］馬金蘭，喬繼紅.雁木西區塊自噴流壓下限時地層壓力保持水平研究［J］.中國化工貿易，2013（4）：8-9.

［3］韓崇福，田錫君.振動固井技術在遼河油田的試驗應用［J］.石油鉆采工藝，1999，21（4）：24-29.

［4］樊天朝，丁團峰，王靚，等.雁木西鹽膏層調整井固井技術探討［J］.價值工程，2012，31（30）：94-96.

［5］田軍，王恩合，秦靜，等.吐哈油田抗鹽水泥漿固井技術研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2006，23（5）：25-27.

A part of wells in Yanmuxi oilfield of Turpan Hami Basin have good well cementing quality，but there is channeling in annu?lar space and high water cut in produced liquid water after production，and therefore high remediation cost was produced in late cement squeezing.The cause leading to the channeling in annular space is that perforating destroys interlayer cement sheath to reduce interfa?cial bond strength.To solve this problem，some new techniques such as to use dynamic vibration cementing technology for improving the displacement efficiency，to use an outer packer for separating oil layer with water layer，to use salt-resistant and toughened cement slur?ry system for Improving the impact resistance of cement paste，etc.are proposed，and they are applied successfully in field.

interlayer channeling；salt-resistant cement slurry；cementing technology；outer casing packer

左學敏

2016-06-30

劉虎（1985-），男，工程師，主要從事油田固井監督工作。