塔中碎屑巖井自愈合水泥漿固井技術(shù)

田寶振， 李清潔， 覃 毅， 孫萬興， 沈 磊， 陳大滄， 張 亮， 周 堅

（渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘062552）

塔中碎屑巖井自愈合水泥漿固井技術(shù)

田寶振， 李清潔， 覃 毅， 孫萬興， 沈 磊， 陳大滄， 張 亮， 周 堅

（渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘062552）

田寶振等.塔中碎屑巖井自愈合水泥漿固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（6）：84-90.

塔里木油田塔中區(qū)塊碎屑巖地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成巖性差、韌性小、脆性高，鉆井施工過程中井壁易垮塌、剝落，導(dǎo)致形成 “大肚子”、“糖葫蘆”等不規(guī)則井眼；生產(chǎn)套管固井存在二疊系承壓能力較低、易漏，地層油水同層、砂泥互層、砂層薄含油層多、油層水層相隔很近，油水互竄，難壓穩(wěn)，固井質(zhì)量要求高等難點。針對這些難點，通過水泥漿氣竄機理研究，采用硅粉、減輕增強材料BCE-610S、中溫緩凝劑BXR-200L、減阻劑BCD-210L、自愈合劑BCY-200S、防竄降失水劑BCG-200L，研究出了密度為1.35 g/cm3的領(lǐng)漿與密度1.88 g/cm3的尾漿。該水泥漿體系具有穩(wěn)定性好、流動性好、零析水，失水量低（小于50 mL）、彈性模量接近于7 GPa，抗壓強度高，防竄能力強等特點。同時優(yōu)化水泥漿柱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平衡壓力固井，應(yīng)用固井軟件模擬提高頂替效率，形成了一套適合塔中碎屑巖井固井的自愈合水泥漿固井技術(shù)。塔中4口井固井結(jié)果顯示，4口井全井封固質(zhì)量合格，主力油氣層段封固優(yōu)質(zhì)，有效解決了塔里木碎屑巖固井施工難題。

碎屑巖井；自愈合水泥漿；平衡壓力固井；現(xiàn)場應(yīng)用

近年來，隨著油田產(chǎn)量壓力的增大及老油田產(chǎn)能的遞減，塔里木油田在老油區(qū)中部部署了部分加密井及調(diào)整井，以增加產(chǎn)能。在塔里木盆地，目前在碎屑巖中發(fā)現(xiàn)的油氣藏個數(shù)大約占整個油氣藏的82%，其探明儲量占全部儲量的99.7%，碎屑巖儲層主要分布于石炭系、三疊系、侏羅系、白堊系、下第三系、上第三系, 其中前3者是當前油氣的主力儲層[1]。

在輪南、輪古、桑塔木、解放及塔中中古區(qū)塊，大部分目的層是碎屑巖地層。碎屑巖固井主要是封固產(chǎn)層，產(chǎn)層生產(chǎn)套管固井質(zhì)量的好壞直接影響到一口井能否順利交井及后期開采。

塔中石炭系巴楚組存在生屑灰?guī)r段，易形成不規(guī)則“大肚子”、“糖葫蘆”井眼；地層油水同層、油層水層相隔很近，油水易互竄，難壓穩(wěn)；同時二疊系易井漏，難以保證水泥漿返高；該地區(qū)采用常規(guī)固井施工結(jié)束后，CBL測井檢測固井質(zhì)量很好，但射孔壓裂時地層出水，驗竄地層間封隔不好，還需要進行擠水泥補救，嚴重影響完井周期。采用自愈合水泥漿固井技術(shù)可以封固產(chǎn)層，滿足完井試油要求。

1 固井技術(shù)難點

①井眼條件差。塔中石炭系巴楚組存在生屑灰?guī)r段，由于碎屑巖地層成巖性差，韌性小、脆性高，鉆進過程中易垮塌、剝落，形成“大肚子”、“糖葫蘆”等不規(guī)則井眼，且井徑擴大率大（一般在15%～50%之間），易造成竄槽、環(huán)空憋堵及鉆井液不能被水泥漿替凈等問題[2-3]。②地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。塔里木塔中區(qū)塊碎屑巖井套管下至設(shè)計井深后，若井下條件不能滿足大排量循環(huán)洗井要求，施工中水泥漿進入環(huán)空后易造成環(huán)空憋堵，導(dǎo)致現(xiàn)場施工復(fù)雜。加上下完套管后先坐掛后固井，井口循環(huán)通道減小，造成固井施工壓力增大，增加了井漏風險。③固井水泥漿。水泥漿量大，封固段長，上下溫差大，對水泥漿漿體整體性能要求高，尤其是目的層對水泥漿防氣竄能力提出了更高的要求。④頂替效率差。二疊系滲漏率和孔隙度大，施工壓力高，下套管及固井期間易發(fā)生漏失，水泥漿一次性上返難度較大，固井施工排量受限，影響固井頂替效率。⑤工具附件。下套管時間長，套管下完后循環(huán)時間長，對回壓凡爾沖擊較大，易引起回壓凡爾失靈，致使固井施工結(jié)束后，容易出現(xiàn)水泥漿倒流現(xiàn)象，對固井工具附件提出高的要求。⑥固井質(zhì)量要求高。石炭系目的層具有地層油水同層、砂泥互層、砂層薄含油層多、油層水層相隔很近，油水互竄，難壓穩(wěn)等特點，水泥漿在凝固過程中失重易被油氣水侵，影響固井膠結(jié)質(zhì)量。

2 自愈合水泥漿固井技術(shù)

自愈合水泥是以BCY-200S自愈合劑為主劑，對水泥環(huán)內(nèi)部微縫隙或微間隙具有自動封堵作用，保證水泥環(huán)封隔性能。BCY-200S自愈合劑由多種乙烯類單體通過特殊共聚工藝制得，具有遇油氣自愈合能力和高溫下膨脹特性；它能夠愈合水泥石中微裂縫或界面微環(huán)隙，防止環(huán)空竄流；還可以改善水泥石力學性能，使水泥石具有部分彈性水泥特性。水泥漿中同時加入防竄降失水劑，其具有低失水、微觸變、高“內(nèi)聚力”等特點。共聚物中主要單體具有良好的耐溫性，分子鏈經(jīng)過微交聯(lián)處理后，具備一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以提供觸變性能[4-6]。用自愈合劑和防竄降失水劑制備的水泥漿失水量小，具有中等稠度和一定的觸變性，泵送到位后由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過渡期內(nèi)，膠凝強度迅速增大，提高了水泥漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力，降低了滲漏發(fā)生的概率，從而達到防止氣竄的目的。

2.1 自愈合劑性能評價

2.1.1自愈合劑基本物理特性

自愈合劑的平均粒徑為110 μm，其粒徑分布見圖1，電鏡掃描圖片如圖2所示。

圖1 自愈合劑粒徑分布圖

圖2 自愈合劑粒徑掃描電鏡圖

在溫度0～420 ℃范圍內(nèi)不分解， 超過420 ℃自愈合劑才開始分解，表明自愈合劑具有良好的耐溫性能，熱失重曲線見圖3。

圖3 自愈合劑熱失重曲線圖

2.1.2自愈合劑膨脹性能

對自愈合劑在不同介質(zhì)中進行膨脹測試，結(jié)果見表1。由表1可以看出，自愈合劑在不同介質(zhì)中均具有膨脹性能。自愈合水泥環(huán)出現(xiàn)微裂縫后，滲入的油氣會激活結(jié)晶成分，生成結(jié)晶體堵塞微裂縫，阻止了微裂縫的繼續(xù)發(fā)育，降低了水泥石滲透率，維持了水泥環(huán)的封固性[7]。

表1 自愈合劑在不同介質(zhì)中膨脹測試

利用TAW-1000深水孔隙壓力伺候?qū)嶒炏到y(tǒng)，如圖4所示。在單軸條件下對水泥柱加載，當加載到水泥柱出現(xiàn)宏觀裂縫時停止加載，然后再將卸載后的水泥柱放入高壓釜內(nèi)并施加3 MPa的圍壓，水泥柱的一端加2 MPa的孔壓，另一端與大氣壓相連，測量孔隙流體分別為水和原油時通過水泥柱的流體流量。

圖4 TAW-1000深水孔隙壓力伺候?qū)嶒炏到y(tǒng)

將自愈合水泥石試件人工制造微裂縫后測定滲流變化， 見圖5～圖7。從圖5～圖7可以看出，加入自愈合劑能夠降低水泥石的滲透；隨著自愈合劑BCY-200S摻入量的增加，原油在水泥石中的滲流時間隨之縮短。

圖5 空白水泥石滲流變化情況

圖6 摻有5%BCY-200S的水泥石滲流變化情況

圖7 摻有10%BCY-200S的水泥石滲流變化情況

2.1.3自愈合劑力學性能

加入不同含量自愈合劑BCY-200S的水泥石力學性能如表2所示。由表2可以看出，摻入自愈合劑后，水泥石抗壓強度和彈性模量均有所降低，泊松比有較大幅度提高，具有彈性水泥的性質(zhì)，有利于保持密封完整性[8]。

表2 自愈合水泥石力學性能數(shù)據(jù)

2.2 水泥漿體系綜合性能

實驗水泥漿配方如下，水泥漿稠化曲線見圖8～圖10。

前置領(lǐng)漿 阿克蘇G級油井水泥+5%硅粉+ 75%減輕增強材料BCE-610S+7.8%防竄降失水劑BCG-200L+0.52%中溫緩凝劑BXR-200L+1.95%減阻劑BCD-210L+0.26%消泡劑G603+79%水（密度為1.30 g/cm3）

領(lǐng)漿 阿克蘇G級油井水泥+5%硅粉+75%減輕增強材料BCE-610S+6%防竄降失水劑BCG-200L+0.5%中溫緩凝劑BXR-200L+2%減阻劑BCD-210L+0.2%消泡劑G603+62%水（密度為1.35 g/cm3）

尾漿 阿克蘇G級油井水泥+5%自愈合劑BCY-200S+6%防竄降失水劑BCG-200L+0.05%中溫緩凝劑BXR-200L+0.1%消泡劑G603+45%水（密度為1.88 g/cm3）

圖8 自愈合水泥漿前置領(lǐng)漿稠化曲線

圖9 自愈合水泥漿領(lǐng)漿稠化曲線

圖10 自愈合水泥漿尾漿稠化曲線

由圖8～圖10可知，領(lǐng)漿和尾漿的稠化曲線過渡時間短，均在15 min 以內(nèi)，對防止地層流體竄流具有良好作用。水泥漿性能見表3。

表3 水泥漿性能

由表3可以看出，自愈合水泥漿體系流變性能好，抗壓強度高，稠化時間可調(diào)，失水量低，滲流率低，SPN值小于3，防氣竄效果好，綜合性能好，水泥漿混配時，產(chǎn)生的氣泡較少，滿足碎屑巖固井要求。

為保證施工安全，進行了領(lǐng)漿停機實驗（防止停注倒閘門及不可預(yù)見的停注），水泥漿溫度高點（防止電測溫度不準確）、密度高點（實際注水泥漿時密度波動）的稠化實驗和污染實驗，結(jié)果均在固井設(shè)計的安全范圍之內(nèi)。

3 平衡壓力固井

以塔中區(qū)塊TZ405-S4井為例，該井為側(cè)鉆井，一開使用φ244.5 mm表層套管下至井深為800 m；二開φ215.9 mm井眼，完鉆井深為3 949 m，裸眼段長度為3 149 m，側(cè)鉆點位于2 150 m；井底垂深為3 748 m，下入φ177.8 mm 套管至井底，單級固井水泥漿一次返至地面，實現(xiàn)全井封固。油層底3 931 m/3 732 m（斜深/垂深），油層頂3 531/3 368 m（斜深/垂深）；二疊系底部3 369/3 242 m（斜深/垂深）。使用氯化鉀聚磺鉆井液體系， 完鉆鉆井液密度為1.28 g/cm3；實測井底靜止溫度為106 ℃。

3.1 地層承壓計算

考慮易漏層位在二疊系，按施工排量25 L/s計算承壓值如下：二疊系以上環(huán)空增加液柱壓力+二疊系以上環(huán)空循環(huán)摩阻+坐掛后增加節(jié)流壓力= 2.2+10.62+ 1=13.82 MPa。考慮該區(qū)塊地層特點，按鉆井設(shè)計要求，在鉆過二疊系后對地層做5 MPa承壓。

3.2 壓穩(wěn)設(shè)計

1）以平衡壓力固井技術(shù)作為指導(dǎo)[9-14]，優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，采用雙凝水泥漿體系，且使隔離液、領(lǐng)漿、尾漿形成密度梯度，漿柱結(jié)構(gòu)：1.03 g/cm3沖洗型隔離液（300 m/6 m3）+1.30 g/cm3前置領(lǐng)漿（500 m/10 m3）+1.35 g/cm3領(lǐng)漿（0～3 369 m）+1.88 g/cm3尾漿（3 369～3 949 m）。前置領(lǐng)漿可以充分隔離水泥漿與鉆井液的接觸，并且前置領(lǐng)漿能夠充分稀釋鉆井液，有效地沖刷井壁上的虛泥餅；領(lǐng)漿封固二疊系底至井口，尾漿封固井底至二疊系底，降低了管外靜液柱壓力，同時避免了水泥漿失重壓不穩(wěn)地層現(xiàn)象，實現(xiàn)了防漏防竄，保證目的層的封固質(zhì)量。

2）壓穩(wěn)計算（油層底以上，按垂深計算）：油層底（斜深3 932 m）以上原液柱壓力為：P=0.00981×1.28×3732=46.9 MPa。①若水泥漿返至地面，尾漿失重后油層底以上管外液柱壓力：0.00981×[(3732-3242)×1.07+3242×1.35)]=48.1 MPa，大于施工前油層底位置壓力1.2 MPa，能夠壓穩(wěn)目的層。②若固井期間發(fā)生井漏，假設(shè)漏層為表層套管鞋處（800 m），重合段環(huán)空為鉆井液，則尾漿失重后管外液柱壓力：0.00981×{（3732-3242）×1.07+（3242-800）×1.35+800×1.28}=47.5 MPa，大于施工前油層底位置壓力0.6 MPa，能夠壓穩(wěn)目的層。③若固井期間發(fā)生井漏，假設(shè)漏層為二疊系底（斜深為3 369 m），二疊系以上流體考慮為鉆井液，則尾漿失重后管外液柱壓力：0.00981×{（3732-3242）× 1.07+3242×1.28}=45.9 MPa，小于施工前油底位置壓力1 MPa，不能壓穩(wěn)目的層，施工結(jié)束后憋壓候凝。

3）利用固井設(shè)計軟件對井底動態(tài)壓力進行模擬。由圖11～圖13可以看出，環(huán)空壓力分布介于地層壓力和破裂壓力之間，既能壓穩(wěn)地層又不壓漏地層；井底3 949 m處靜態(tài)當量密度1.42 g/cm3，動態(tài)當量密度1.54 g/cm3；二疊系底部3 369 m處靜態(tài)當量密度1.35 g/cm3，動態(tài)當量密度1.44 g/cm3。

圖11 環(huán)空壓力分布圖

圖12 井底壓力當量密度變化圖

圖13 二疊系底壓力當量密度變化圖

3.3 頂替效率設(shè)計

1）施工壓力排量控制。采用變排量頂替方案，安全控制施工壓力防止漏失，施工過程排量與壓力變化曲線如圖14，前置液、領(lǐng)漿過儲層段采用大排量頂替，環(huán)空上返速度不低于1.2 m/s，保證頂替效率，尾漿出套管鞋后降低頂替排量，控制井底動態(tài)當量密度不大于井底破裂壓力，即不大于1.48 g/cm3；在替漿后期5 m3，降低施工排量采用塞流頂替，控制在快干漿接近稠化時間時施工結(jié)束。

圖14 施工排量變化圖

2）利用固井設(shè)計軟件模擬頂替效率。如圖15所示，根據(jù)電測井徑數(shù)據(jù)，優(yōu)化套管扶正器加放位置，利用固井軟件進行模擬，保證套管居中度不小于67%，從而提高頂替效率。

領(lǐng)漿過尾漿段（3 369～3 949 m）時排量為1.5 m3/min，上返速度為0.87 m/s（計算值），保證了頂替效率大于60%。

施工中以確保儲層段固井質(zhì)量為核心，盡可能一次上返；二疊系防漏是關(guān)鍵，排量控制尤為重要，施工需兼顧防漏與排量的矛盾。

4 現(xiàn)場應(yīng)用案例

TZ405-S4井位于塔里木盆地塔中4油田塔中405區(qū)塊，目的層為CⅢ油組兼探CⅠ油組，設(shè)計完鉆層位為石炭系。該井為側(cè)鉆井，鉆遇地層自上而下為新生界，中生界侏羅系、三疊系，古生界二疊系、石炭系；下入φ177.8 mm 套管至井底，單級固井水泥漿一次返至地面。采用1.03 g/cm3沖洗型前隔離液，密度為1.30 g/cm3前置領(lǐng)漿、密度為1.34～1.36 g/cm3注低密度水泥漿、 高密度水泥漿1.86～1.90 g/cm3以及密度為1.03 g/cm3的沖洗后隔離液的漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。前置液用量6 m3，前置領(lǐng)漿用量10 m3，領(lǐng)漿用量90 m3，尾漿用量17 m3，尾漿設(shè)計返高到二疊系底部3 369 m。固井施工順利碰壓，壓力由12 MPa升高至15 MPa，水泥漿返出地面，泄壓無回流，固井施工結(jié)束。候凝72 h 后進行固井質(zhì)量聲波變密度聲幅檢測，結(jié)果顯示，全井固井封固質(zhì)量合格率100%，主力油氣層段封固優(yōu)質(zhì)率100%。

截至2015年12月，該自愈合防氣竄水泥漿技術(shù)已在塔里木油田塔中區(qū)塊成功地應(yīng)用了4口井，分別為TZ405-S4、塔中412,、塔中167和TZ16-29，4口井固井質(zhì)量均優(yōu)質(zhì)，有效封固了產(chǎn)層，滿足完井射孔需求，合格率100%，取得了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論與討論

1.自愈合防氣竄水泥漿體系穩(wěn)定、流動性好、析水量為零，API失水量小于50 mL，稠化時間可調(diào)，強度發(fā)展快，抗壓強度高，防竄效果好，滿足了塔里木塔中區(qū)塊碎屑巖井固井技術(shù)難題。

圖15 頂替效率模擬

2.自愈合防氣竄水泥漿技術(shù)可以減少地下流體（油、氣、水）層間竄流，增強水泥環(huán)的封隔作用，提高固井質(zhì)量，從而可以減少層間竄，避免補救情況發(fā)生，可以大幅度減少完井周期，提高油井壽命，經(jīng)濟效益巨大。

3.碎屑巖固井的核心問題是防竄與壓穩(wěn)，通過提高地層承壓能力和采用平衡壓力固井在塔里木塔中區(qū)塊碎屑巖井使用取得了良好的效果，測井結(jié)果表明，采用該固井技術(shù)的井，固井質(zhì)量均良好，解決了碎屑巖固井質(zhì)量問題。

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Cementing Wells Penetrating Clastic Rocks with Self-healing Cement in Block Tazhong

TIAN Baozhen, LI Qingjie, QIN Yi, SUN Wanxing, SHEN Lei, CHEN Dacang, ZHANG Liang, ZHOU Jian
(The First Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Renqiu,Hebei062552)

The clastic formations in the Block Tazhong have complex structures, poor lithological characters and toughness, and high brittleness. During drilling operation, wells penetrating the clastic formation have experienced borehole collapse and sloughing, and borehole of irregular sizes was formed. Cementing of the production casing string has long been facing with difficulties such as low formation pressure and mud losses in the Permian system, coexistence of oil and water in the same zone, interbedding of sandstone and shale, thin sandstones and hence multiple pay zones, short distance between a pay zone and a water zone, and inter-channeling of oil and water, etc. Based on the study on the mechanism of gas-channeling in cement slurry, a leading slurry with density of 1.35 g/cm3, and a tail slurry with density of 1.88 g/cm3were formulated with several additives, such as silica powder, lightweight material BCE-610S, medium temperature retarder BXR-200L, drag reducer BCD-210L, self-healing agent BCY-200S and anti-channeling filter loss reducer BCG-200L. This cement slurry had good stability, mobility, zero free water, low filtration rate (filter loss < 50 mL), elastic modulus near 7 GPa, high compressive strength, and ability of anti-channeling. By optimizing the composition of the cement slurry column in hole, pressure balancing during well cementing was realized. Using well cementing software, the displacing efficiency was improved. As a set of self-healing cementing technology, it has been used in 4 wells in Tazhong, all cementing jobs successful, especially the main pay zones which were cemented with excellent job quality, effectively solved the difficulties in well cementing in clastic rock formations.

Well penetrating clastic rocks; Self-healing cement slurry; Well cementing under balanced pressure; Field application

TE256

A

1001-5620（2016）06-0084-07

2016-8-10；HGF=1605M10；編輯 馬倩蕓）

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.015

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司局級項目“塔里木臺盆區(qū)碎屑巖固井技術(shù)研究與試驗”（2015ZD12Y-2）部分研究成果。

田寶振，1987年生，工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學（華東）并獲得碩士學位，現(xiàn)從事固井技術(shù)研究及現(xiàn)場施工工作。電話 15716851252；E-mail： 1410281226@qq.com。