窄密度窗口及小間隙超深井尾管固井技術

張華， 丁志偉， 肖振華， 于永金， 郭玉超， 楊棋翔， 程大偉

（1.天津大學化工學院，天津300350；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京102206；3.中國石油西南油氣田公司勘探事業部，成都610041；4. 渤海鉆探第一固井分公司，河北任丘062552；5.渤海鉆探國際鉆采物資供應分公司，天津300457）

0 引言

五探1井是西南油氣田分公司在達州-開江古隆起檀木場潛伏構造高點上的一口風險探井，該井采用φ190.5 mm鉆頭鉆至井深7 288.00 m中途完鉆。上層φ219.08 mm套管鞋井深為6 599.47 m，上層φ273.05 mm套管鞋井深為5 331.00 m，擬采用φ168.3 mm懸掛尾管封固5 180.00～7 288.00 m井段，封固段長2 108.00 m，固井前鉆井液密度為1.55 g/cm3，裸眼段井徑擴大率為5.4%。

該井固井存在以下技術難題：該井在高臺組、龍王廟組、滄浪鋪組鉆進過程中均發生過井漏，下完套管后固井施工前鉆井液密度為1.55 g/cm3仍存在持續井漏（漏速為0.4 m3/h），漿柱結構設計難度大；重合段環空間隙窄（12.69 mm），環空摩阻大，增加井漏風險；高溫低密度水泥漿體系沉降穩定性、水泥石高溫強度防衰退等設計難度大；油基鉆井液與水泥漿污染嚴重影響界面膠結質量等。采用兩凝低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿技術、抗污染油基沖洗隔離液一體化技術、平衡壓力固井等配套技術措施，解決了以上難題，保證了固井施工安全，確保了φ168.3 mm懸掛尾管固井質量，固井質量合格率為100%，優質率為99.8%，實現了對韓家店組至燈影組多個復雜地層的完整封固，保證了井身結構具備更高抗內壓強度，為五探1井下步順利完井打下了良好基礎，并創下了川渝地區φ168.3 mm非標套管懸掛固井最深記錄。

1 兩凝低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿

1.1 水泥漿體系設計要求

高溫深井低密度固井給水泥漿體系設計帶來了許多挑戰：井底溫度高，水泥漿體系沉降穩定性不易保障，并且高溫水泥石強度易衰退；井底壓力高達110 MPa，減輕材料篩選困難；重合段環空間隙窄（12.69 mm），環空摩阻大，進一步增加了井漏風險；后期作業井筒溫度壓力變化影響水泥環密封完整性，增加了環空帶壓風險；為了更好地封固裸眼段地層，設計兩凝水泥漿體系，兩凝界面在6 400 m，即尾漿封固整個裸眼段和部分重合段，利用尾漿稠化時間短，強度發展快，有效封隔地層流體。領漿、尾漿密度均為1.57 g/cm3、一個“灰”兩個“藥水”便于現場施工，采用進口3M玻璃微珠、高溫穩定劑DRK-3S、高溫增強材料DRB-2S、高溫抗鹽外加劑、膨脹增韌材料DRE-300S等材料。開發出了滿足井底溫度160 ℃，水泥漿穩定性好、水泥石彈性模量小于7 GPa、高溫水泥石強度無衰退等要求的低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿，為保障固井質量提供了有力技術支撐。

1.2 水泥漿綜合性能

如表1所示，低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿采用3M玻璃微珠減輕材料，配合微硅、高溫穩定劑DRK-3S、高溫增強材料DRB-2S，實現了低密度水泥漿體系高溫穩定性好、高承壓能力（110 MPa）、水泥石強度高；結合具有火山灰活性的膨脹增韌材料DRE-300S[1]，促進了水泥水化反應速率，提高了水泥漿的強度，縮短了水泥漿稠化過渡時間，提高了水泥漿的防竄能力，水泥漿SPN值均小于3，具有良好的防氣竄性能[2-4]；膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產物反應生成具有晶格膨脹的晶體物質，使水泥石表現出微膨脹特性；另外利用膨脹增韌材料DRE-300S中的增韌材料自身的低彈性模量實現了水泥石的低彈性模量，保障了水泥石的結構完整性[5-6]，防止后期作業因井筒溫度壓力變化，引發環空微間隙，導致環空帶壓；高溫條件下，高溫增強材料DRB-2S與水泥水化產物發生反應生成高溫下具有膠結相的高強度晶體物質，防止了水泥石的高溫強度衰退[7-9]；高溫抗鹽緩凝劑DRH-200L和抗鹽降失水劑DRF-120L的摻入，防止了膏鹽層對水泥漿性能的影響，保障了施工安全，因此低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿體系具有沉降穩定性好、零析水、稠化時間可調等良好的綜合性能，且水泥石彈性模量小于7 GPa，具有微膨脹特性，110 ℃領漿48 h強度大于10 MPa，160 ℃尾漿168 h強度28.4 MPa，滿足固井施工對水泥漿性能的要求。

表1 低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿綜合性能

水泥漿基礎配方如下。

基礎配方 嘉華G級水泥+20%高溫增強材料DRB-2S+8%膨脹增韌材料DRE-300S+ 15%3M玻璃微珠+1%分散劑DRS-1S+1.2%穩定劑DRK-3S+8%微硅+4.5%抗鹽降失水劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L（配方中加量均為質量分數，下同）

領漿 基礎配方+5%抗鹽緩凝劑DRH-200L+60%現場水（密度為1.57 g/cm3）。

尾漿 基礎配方+3%DRH-200L+62%現場水（密度為1.57 g/cm3）

2 抗污染沖洗隔離液技術

如表2所示，抗污染沖洗隔離液技術具有抗污染、沖洗、隔離三重特性。通過油基沖洗液DRY-200L實現了對二界面上的油性物質潤濕反轉作用，并提高了界面的親水性和沖洗頂替效率，抗污染沖洗隔離液的沖洗效率較清水提高近1倍，清水、抗污染沖洗隔離液沖洗油基鉆井液的時間（旋轉黏度計以200 r/min轉速沖洗干凈轉子的時間）分別為95、50 s，增強了二界面與水泥漿基體的膠結作用力，保障了固井質量。抗污染劑DRP-1L是通過螯合、同種電荷排斥等作用降低了絮凝結構內聚力，提高了污染漿體的流動性（見表2），為固井施工安全提供了可靠的技術保障[10]。

表2 抗污染沖洗隔離液的抗污染實驗

高溫懸浮劑DRY-S1、DRY-S2提高體系高溫下的沉降穩定性；油基鉆井液沖洗液DRY-200L為親油表面活性劑、親水表面活性劑配合使用，具有良好的潤濕反轉作用，提高界面親水性；DRW-2S為棱形顆粒，能夠強化井壁的物理沖刷作用力，提高頂替效率；用加重材料重晶石來調節體系密度；抗污染劑DRP-1L通過螯合、絡合等作用，提高水泥漿與油基鉆井液的相容性，保障固井施工安全。抗污染沖洗隔離液配方如下。

水+3%DRY-S1+3%DRY-S2+10%DRY-200L+62%重晶石+25%DRW-2S+0.5%消泡劑DRX-1L+6%DRP-1L。

該抗污染沖洗隔離液密度為1.45 g/cm3，漏斗黏度為48 s，132 ℃沉降穩定性為0.01 g/cm3。

3 配套工藝

3.1 配套工藝技術措施

根據現場實際工況條件，結合固井技術難點，提出了針對性的配套工藝技術措施，完善了固井技術方案，保證了固井施工安全和質量。

1）現場鉆井、完鉆期間漏失嚴重，固井施工井漏風險大，為了防止固井施工過程漏失，以控制井底動態當量密度與鉆進時井底動態當量密度相當，且低于漏失時井底動態當量密度為優化原則：①優化漿柱結構，設計水泥漿密度為1.57 g/cm3，與鉆井液密度相當；②隔離液密度為1.45 g/cm3，低于鉆井液密度0.10 g/cm3；③通過軟件模擬與現場比對，確定井底最大動態當量密度為1.65 g/cm3。

2）針對井底溫度高，低密度水泥漿沉降穩定性差、強度易衰退問題，首先采用高溫穩定劑、微硅、水泥顆粒級配，提高水泥漿在高溫下的沉降穩定性；然后采用高溫增強材料防止水泥石高溫強度衰退。

3）滄浪鋪組、筇竹寺組、燈四段均存在油氣顯示，頂替到位靜液柱壓力低于鉆井液液柱壓力，壓穩地層難度大問題。施工時，提高兩凝界面到上層套管鞋以上200 m，利用稠化時間短、強度發展快的尾漿封隔油氣顯示活躍的層位；固井施工前，充分循環洗井一個循環周以上，消除后效，降低竄氣風險；固井施工結束后，憋壓候凝（1.5 MPa），補償因水泥漿失重而降低的靜液柱壓力。

4）井徑擴大率為5.4%，環空間隙小，頂替施工壓力高，存在井漏風險。固井施工前，采用固井施工排量模擬循環壓耗，當水泥漿返至上層套管鞋后，降低頂替排量，從而降低井漏風險。

5）針對井深、井底壓力高、套管居中度不易保證，減輕材料高壓下易破碎，水泥漿密度會增高的問題，設計水泥漿多返10 m3，保證凈水泥漿充填封固段，防止井漏水泥漿低返；優化鉆井液性能，漏斗黏度不大于50 s，高溫高壓失水量不大于10 mL；抗污染沖洗隔離液用量20 m3，保證接觸時間大于10 min；扶正器安放：重合段為4根套管一只φ185 mm剛性螺旋扶正器；裸眼井段為2根套管一只φ185 mm剛性螺旋扶正器，保證套管居中度，有利于提高沖洗頂替效率；施工注替排量0.4～0.6 m3/min，提高沖洗頂替效率。軟件模擬計算沖洗頂替效率，為施工參數設計提供依據。

6）鉆井液與水泥漿污染嚴重，影響固井施工安全，使用抗污染沖洗隔離液有效隔離鉆井液與水泥漿；喇叭口位置處：抗污染沖洗隔離液鉆桿內5 m3，套管內2 m3作為間隔隔離液，防止懸掛器中心管拔出時，鉆井液與水泥漿污染；喇叭口處懸掛器中心管拔出瞬間，管外靜液柱壓力略大于管內，降低鉆井液與水泥漿的接觸機會。

3.2 軟件優化模擬施工參數

1） 優化漿柱結構。在施工排量為0.6 m3/min時，優化了7種漿柱結構，見表3。為了防止固井施工過程漏失，以控制井底動態當量密度與鉆進時井底動態當量密度相當，且低于漏失時井底動態當量密度為優化原則，因此設計思路是抗污染沖洗隔離液密度低于鉆井液密度，且增加其用量；同時設計水泥漿密度與鉆井液密度相當。故通過降低環空靜液柱壓力來提高施工安全性，因此方案7作為本次固井的環空漿柱結構。

表3 漿柱結構優化及動態當量密度

2）固井施工中井口壓力模擬。如圖1所示，注替漿時排量為0.6 m3/min，當水泥漿返到上層套管鞋后，降低排量為0.4 m3/min，模擬注替井口壓力為3～12 MPa。

3）固井施工中井底壓力模擬。如圖2所示，模擬固井施工過程，井底最大動態當量密度為1.65 g/cm3，軟件模擬有效指導現場固井施工。

4）關注點壓力（井深7 016.30 m）模擬。圖3為注替過程中滄浪鋪組（井深7 016.30 m）的動態當量密度情況模擬，頂替水泥漿到位后，該點的最大動態當量密度為1.65 g/cm3，能有效壓穩氣層。

圖1 固井施工中井口壓力模擬

圖2 固井施工中井底壓力模擬

圖3 注替過程中滄浪鋪組（7 016.30 m）的動態當量密度情況模擬

5）施工過程壓穩計算。如圖4所示，模擬注替漿過程，環空動態當量密度在地層孔隙壓力與地層破裂壓力之間，能有效壓穩地層，同時又避免了壓漏漏失地層，保障了固井施工安全和固井質量。

6）頂替效率模擬。根據固井施工漿柱結構、固井施工參數等，采用頂替效率頂替軟件模擬注替排量為0.4 m3/min，環空頂替效率為91.54%，模擬注替排量為0.6 m3/min，環空頂替效率為93.81%，如圖5所示。

3.3 現場應用情況及效果

根據五探1井φ168.3 mm尾管懸掛固井存在的技術難點，通過優化漿柱結構、設計水泥漿體系、采用抗污染沖洗隔離液技術、軟件模擬等配套工藝技術措施，成功完成了低速漏失井一次性上返固井，其CBL/VDL的綜合解釋結果為固井質量合格率達100%，優質率99.8%。

圖4 固井施工過程壓穩計算

圖5 頂替效率模擬

4 結論與建議

1.低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿具有良好的綜合性能，可滿足高溫高壓固井施工對水泥漿性能的要求，領漿稠化時間480 min，領漿頂部強度11.2 MPa/（110 ℃×48 h）；尾漿稠化時間260 min，168 h 強度 28.4 MPa/（160 ℃ ×168 h），水泥石彈性模量小于7 GPa。

2.抗污染沖洗隔離液體系具有抗污染、沖洗、隔離三重作用，解決了水泥漿與油基鉆井液的污染增稠問題，沖洗效率較清水提高了近1倍，保證了施工安全，保障了固井質量。

3.低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿、抗污染沖洗隔離液技術、軟件模擬等配套工藝技術措施，有效保證了五探1井φ168.3 mm尾管懸掛固井順利施工，固井質量合格率100%，優質率達99.8%。

4.建議進一步完善低密度高強度韌性微膨脹防竄水泥漿體系，為西南油氣田風險探井窄密度窗口固井提供了重要的技術儲備。