皮山北區塊超深井高密度固井技術

赫英狀， 李 斐， 王翔宇， 胡鱈茹， 趙愛芳

(1中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院 2渤海鉆探第二固井分公司 3玉門油田分公司老君廟采油廠)

皮山北區塊構造位置位于塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠西南部，鉆探目的為評價古生界白堊系油藏規模，埋深7 000 m左右，主要技術難題為克孜洛依組至阿爾塔什組均發育不同壓力系統的高壓鹽水層，齊姆根組和阿爾塔什組發育膏巖層。首次部署皮山北1井，三開在克孜洛依組5 283.25 m，巴什布拉克組5 554 m、6 312 m、6 449 m、烏拉根組6 473 m、卡拉塔爾組6 483 m、阿爾塔什組6 531.07 m發生高壓鹽水侵，鉆井液密度分別提高至1.75 g/cm3、1.82 g/cm3、1.87 g/cm3、1.89 g/cm3和2.35 g/cm3，鉆至井深6 929 m后因高壓鹽水層上部克孜洛依組壓差卡鉆處理復雜棄井，鉆井周期393.69 d。

表1 昆侖101井身結構和封固地層簡表

平距2 km處重新部署皮山北新1井，井身結構調整為二開封固克孜洛依組鹽水層，下部高壓鹽水層和膏巖層同開次揭示，實鉆過程中鉆井液密度提至2.35 g/cm3漏失后降至2.30 g/cm3，三開井徑擴大率小(3.65%)，膏巖層存在縮頸，下?177.8 mm+?184.15 mm復合套管至6 864.9 m遇阻就地固井，口袋35.1 m，后期下入?142.88 mm直連扣套管固井補救，高密度固井質量不理想，完鉆后測試儲層為油水同層。為了確定白堊系油藏特征，評價儲層水來源，平距2 km處再次部署昆侖101井(表1)。高壓鹽水層嚴重影響了該區勘探進程，因此，昆侖101井重點為保障三開高壓鹽層高密度固井質量，封隔高壓水層，有效評價儲層[1]。

一、固井難題

(1)發育多套高壓鹽水層和膏巖層。三開井段5 500～6 985 m發育多套高壓鹽水層，鉆井液密度由1.85 g/cm3逐漸提至2.30 g/cm3壓穩鹽水層。實鉆井段6 647.5～6 977 m為白色膏巖層，中完靜止24 h井徑對比測井，蠕變速度最大位于井深6 956 m，蠕變速率0.76 mm/h。

(2)漏失風險大。高密度鉆井液條件下漏失風險大，漏失縫形成后封堵難度增加。皮山北新1井2.35 g/cm3鉆至井深6 884 m發生井漏，降密度至2.30 g/cm3恢復鉆進。漏失風險造成固井壓力窗口窄，水泥漿頂替密度差低，影響頂替效率[2]。

(3)為了有效封固高壓鹽水層，選用高鋼級?184.15 mm套管固井，套管等同于?158.8 mm鉆鋌，增加套管下入難度。實鉆井徑擴大率6.9%，環空間隙窄，水泥環薄，影響封隔高壓鹽水層質量。

(4)井底溫度高，靜止溫度160℃，為了防止水泥石發生高溫強度衰退，需設計加入35%～40%硅粉，硅粉密度偏低2.60 g/cm3，增加了高密度水泥漿體系調配難度。

(5)封隔高壓鹽水層需選用抗鹽外加劑，造成外加劑加量增加，高密度沉降穩定性和流變性矛盾，同時填充劑加量多，水泥有效成分少，水泥石抗壓強度低等造成抗高溫高密度水泥漿體系調配難度大[3]。

(6)管鞋以下為低壓儲層，前期探井測試儲層含水，水源來歷不清，對管鞋固井質量要求高，必須有效封隔上部高壓鹽水層，保障儲層準確測試評價。

二、固井措施

1.管柱結構設計

實鉆古近系鹽水層地層壓力當量密度2.25 g/cm3，齊姆根組和阿爾塔什組膏巖層蠕變，埋藏深，對套管抗外擠要求高，現有標準套管難以滿足封固要求，通過采用高鋼級和外加厚?184.15 mm套管(接箍?196 mm)與?177.8 mm套管組合，保障套管柱抗外擠能力(表2、表3)。為確保套管串順利到位和中途循環不受影響，現場將懸掛器卡瓦部分拆除，套管串坐底倒扣固井。

表2 套管強度數據表

注：?177.8 mm套管扣型為TPCQ,?184.2 mm套管扣型為TP-NF。

表3 套管柱強度校核

注：膏巖層井段抗外擠按全掏空設計，上覆地層壓力系數為2.45。

2.擴孔

針對膏巖層縮頸難題，對膏巖層及井底共200 m采用威德福RipTide 擴眼器擴孔至251 mm，保障套管順利下放到位，增加管鞋之上水泥環厚度，利于水泥環對上部高壓鹽水層的有效封隔。

3.動態承壓及通井

(1)鉆井液密度高，地層漏失風險大，若地層誘導縫產生后，進一步降低承壓能力和增加封堵難度，為了驗證井筒的承壓能力，同時預防壓漏地層，采用動態承壓方式，泵入2.50 g/cm3鉆井液50 m3，逐步提高排量至1.8 m3/min，循環一周，井底循環當量密度達2.50 g/cm3，為固井施工參數和防漏提供了技術驗證。

(2)雙扶正器+?165.1 mm鉆鋌通井，采用?215.9 mm牙輪鉆頭+?165 mm鉆鋌2根+?213 mm扶正器+?165 mm鉆鋌1根+?210 mm扶正器+?165 mm鉆鋌9根通井，通井鉆鋌與?184.15 mm套管剛度比>1.18，驗證了套管下放到位可行性。

4.漿柱結構設計

高密度鉆井液流動性較差，影響水泥漿頂替效率。通過優化隔離液流變性，低于1.5 m3/min排量下達到紊流頂替，同時為了保障紊流時間≥10 min，加大隔離液用量至16 m3。設計4 m3隔離液作為保護液，在鉆具、尾管內分別占高200 m和100 m，避免中心管拔出后水泥漿與鉆井液直接接觸污染導致復雜情況[4]。

5.紊流-塞流復合頂替

高密度水泥漿流變性較差，難以實現紊流頂替[5]，通過隔離液大于10 min的紊流頂替提高頂替效率，管鞋200 m擴孔至251 mm，為了預防管鞋存在鉆井液滯留，最后6 m3水泥漿降排量至0.5 m3/min，使水泥漿塞流驅替，提高管鞋大環空井段驅替效率。

6.優化扶正器設計

采用樹脂旋流剛性扶正器[6]，降低下套管對井壁刮削破壞作用，提高水泥漿驅替擾動效益。通過Landmark軟件模擬，井段678～6 982 m、6 322～6 542 m和6 102～6 190 m三處套管居中度低，針對性實施每根套管加一個扶正器。

7.水泥漿試打作業

冬季施工氣溫低，高密度水泥漿固相含量高，下灰難度大，現場水泥泵車能否順利混配至設計密度存在不確定性，通過地面配漿試打作業，驗證高密度水泥漿混配方案。試打混配中，水泥泵車內成功將水泥漿密度從2.30 g/cm3逐漸上升到2.55 g/cm3，流動性良好，試打水泥漿與實驗室小樣性能一致，確定了該體系現場應用的可行性，為水泥漿新體系現場應用墊底了基礎。根據水泥漿試打情況，確定固井采用雙泵施工，一臺雙級泵混配水泥漿，泵入第二臺雙級泵二次攪拌后入井。

三、抗高溫高密度鹽水水泥漿體系

1.隔離液設計

采用MS-R隔離液體系[7]，具有水力、物理和化學三種沖洗作用，API失水較小，同時具有一定的成膜作用。使用重晶石加重，配置2.40 g/cm3高密度鹽水隔離液體系，流變性良好，在低排量下(1.2 m3/min±)可實現紊流頂替，沉降穩定性≤0.02 g/cm3，與鉆井液、水泥漿相容性好，起到了提高頂替效率的主要作用。

配方：水+5%隔離劑MS+1%隔離劑MS-R+1%降失水劑DZJ-Y+350%重晶石+2%緩凝劑DZH-2+0.5%消泡劑DZX+15%鹽。

2.水泥漿設計

(1)優選還原鐵粉、鐵礦粉和微錳復合加重。優選加重材料時考慮的主要因素:一是加重劑粒度分布與水泥相匹配,顆粒太粗易使水泥漿產生離析,顆粒太細又容易增加水泥漿的稠度；二是用水量少；三是加重劑在水化過程中呈化學惰性，不影響水泥水化進程,與其它添加劑有良好的相容性[8]。根據常規水泥加重劑的特征，選用粒徑18～47 μm的還原鐵粉，密度7.2 g/cm3，顯著提高加重效率；微錳粒徑小、表面光滑、需水量小，可起加重、充填、滾珠、懸浮及增強效應，利于改善高密度水泥漿沉降穩定性和流動性[9]；再復配赤鐵礦粉加重，降低綜合成本。組合還原鐵粉、微錳和赤鐵礦復合加重劑，實現單位體積內水泥有效成分多，保障水泥石強度發育，同時水泥漿流變性良好。

(2)三級粒徑級配優化水泥漿體系，以硅粉、水泥、還原鐵粉、鐵礦粉、微錳和微硅，形成粗細粒徑以1 ∶0.4 ∶0.07比例[10]的三級粒徑級配，形成緊密堆積固井高密度水泥漿體系。

(3)復配SiO2顆粒[11]，為了預防高溫水泥石強度衰退，復配硅粉和微硅組合，加量大于40%，保障160℃高溫條件下水泥石強度穩定。

(4)優選抗高溫抗鹽外加劑，選用具有吸附和絡合雙作用的抗高溫緩凝劑DZH-2[12]和引入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)合成的多元聚合物降失水劑DZJ-Y，同時復配膨脹劑DZP-2和分散劑DZS，加入10%鹽，優化出抗高溫高密度鹽水水泥漿體系。

3.水泥漿性能

室內優化出耐溫160℃～180℃(靜止溫度)抗高溫高密度水泥漿體系，常規性能見表4。水泥漿體系稠化時間與溫度、緩凝劑加量呈良好的線性關系，水泥漿呈直角稠化，過渡時間短，SPN小于1.1，防竄能力強；水泥漿體系失水控制能力強，循環溫度131℃～153℃條件下API失水<50 mL；160℃高溫強度穩定，抗壓強度大于26 MPa。水泥漿沉降穩定性≤0.02 g/cm3，析水接近0 mL，綜合性能良好，滿足超深井高溫固井要求。

配方1：AG+35%硅粉+9%微硅+100%鐵礦粉+81%鐵粉+25%錳粉+3%DZP-2+9%DZJ-Y+ 1.8%DZS+1.6%DZH-2+10%鹽+70%水。

配方2：AG+42%硅粉+10%微硅+112%鐵礦粉+92%鐵粉+30%錳粉+3%DZP-2+10%DZJ-Y +2.2%DZS+4%DZH-2+10%鹽+70%水。

表4 抗高溫高密度鹽水水泥漿體系常規性能

四、現場施工

昆侖101井?177.8 mm+?184.15 mm復合尾管下深6 985 m，因鉆井液密度2.30 g/cm3井筒穩定，水泥漿密度調整為2.45 g/cm3，入井2.40 g/cm3隔離液16 m3，平均密度2.43 g/cm3水泥漿領漿24 m3，入井平均密度2.45 g/cm3尾漿18 m3，2.40 g/cm3保護液4 m3，替漿量78.6 m3，注入保護液后47.6 m3替漿排量1.13 m3/min，泵壓12～17.8 MPa，隨后6 m3替漿排量降至0.5 m3/min，碰壓8.4↑11.1 MPa，起鉆25柱反循環2 h，起鉆5柱關井憋壓4.7 MPa候凝26.5 h后開井候凝，上塞430.8 m，下塞185 m。井筒內鉆井液密度1.93 g/cm3和降密度至1.23 g/cm3，分別兩次測聲幅，井筒壓力變化達48 MPa，兩次測井對比，第二次聲幅由于水泥石強度持續發展，固井質量較第一略好，聲幅小于30%井段達76%。

五、結論

(1)皮山北區塊采用?177.8 mm+?184.15 mm高鋼級套管有效封隔高壓鹽水層和膏巖層，通過去掉懸掛器卡瓦坐底固井和采用樹脂旋流剛性扶正器，降低了套管下放難度。

(2)通過膏巖層擴孔，降低套管遇阻風險和提高了管鞋水泥環封固質量，同時采用動態承壓方式，有效驗證了地層承壓能力和避免了常規承壓壓漏地層、形成新裂縫的風險。

(3)采用還原鐵粉、微錳、鐵礦粉組合加重和三級顆粒級配，并采用粗細硅粉組合和10%鹽加量，優化出2.55 g/cm3抗高溫高密度鹽水水泥漿體系，綜合性能良好，為皮山北區塊超深井高壓鹽水層固井提高水泥漿技術支撐。