順北一區超深井窄間隙小尾管固井技術研究

鄒書強， 張紅衛， 伊爾齊木， 李 翔

（中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011）

西北油田順北一區超深井井深約為7 300.00～7 700.00 m，平均溫度梯度約1.93 ℃/100m，尾管固井施工存在環空間隙小、超深和超高壓等特點[1-3]。前期施工的順北1-4H井、順北1-5H井和順北1-6H井均在三開井段鉆遇高壓水層，小尾管固井結束后，四開鉆進及后期完井作業過程中均發生了鹽水侵，表明三開尾管未能對高壓水層實現有效封隔。因此，亟需解決該問題，以保證四開井段的鉆井安全。但目前國內外相同井深、溫度和壓力下窄間隙小尾管固井施工可借鑒的經驗不多。為此，筆者分析總結了順北一區超深井窄間隙小尾管固井技術難點，完善了井眼準備措施，優化了抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿配方，研究了其水泥石力學性能，進行了固井流變學設計及壓穩防氣竄工藝優化，形成了順北一區超深井窄間隙小尾管固井技術。3井次的現場應用結果表明，該技術能實現高壓水層的有效封隔。

1 固井技術難點

順北一區桑塔木組地層發育輝綠巖侵入體，且含高壓鹽水層，超深井通常設計為四級井身結構，其中三開采用φ165.1 mm鉆頭鉆進，下入φ139.7 mm尾管專封桑塔木組輝綠巖侵入體，理論環空間隙僅12.7 mm。為了滿足成像測井錄取資料以及施工效率的需要，對井身結構進行了優化，得到了新四級井身結構，其三開采用φ190.5 mm鉆頭鉆進，進入奧陶系一間房組頂界4.00 m中完，下入φ168.3 mm尾管專封桑塔木組輝綠巖侵入體。典型的新四級井身結構（以順北1-11井為例）如圖1所示。

圖1 順北一區典型的新四級井身結構示意Fig. 1 Schematic of typical new four-level casing program in No. 1 District of Shunbei Block

在新四級井身結構中，三開井段的理論環空間隙由12.7 mm減小至11.1 mm，由此帶來了一系列固井技術挑戰，主要包括：1）環空間隙小，下套管遇阻卡和井漏風險大，對井眼準備要求和套管下放速度控制要求高；2）三開井深6 500.00～7 800.00 m，井底靜止溫度高（150～160 ℃），對水泥漿抗高溫性能要求高；3）水泥環薄，后期鉆井、完井和采油作業時間長，且井筒壓力變化幅度大，對水泥石密封完整性要求高；4）循環摩阻大，施工壓力高，排量受限，難以實現紊流頂替，頂替效率低；5）封固段含厚度5.00～50.00 m的輝綠巖侵入體，伴隨發育高壓鹽水層，壓力系數達1.47左右，難以壓穩，易發生鹽水侵。

2 井眼準備及下套管技術

2.1 井眼準備技術

順北一區φ168.3 mm尾管固井時，由于環空間隙小、封固段灰綠巖易掉塊，下套管前需加強井眼準備工作，確保尾管順利到位、開泵正常。在通井時應優化通井鉆具組合，確保通井鉆具剛性大于套管剛性，并結合實測井徑對縮徑、遇阻井段進行通井和短起下鉆，保證井眼順暢。通井鉆具組合的剛性一般用剛性比來表示，其計算公式為：

式中：M為剛性比；Dc為鉆鋌外徑，mm；dc為鉆鋌內徑，mm；Do為套管外徑，mm；di為套管內徑，mm。

在選擇通井鉆具組合時，應確保通井鉆具組合剛性與套管剛性之比不小于1.0。例如，順北1-14井使用的通井鉆具組合為φ190.5 mm牙輪鉆頭+φ139.7 mm 鉆鋌×2根+φ185.0 mm 穩定器+φ139.7 mm鉆鋌×8根+φ127.0 mm鉆桿，該鉆具組合與φ168.3 mm套管的剛性比為1.1，且鉆具組合中增加了φ185.0 mm穩定器，說明鉆具組合剛性能模擬套管剛性，滿足通井要求。為確保井眼清潔，應通井到底，并大排量循環洗井不少于2個循環周，期間確保地面固控設備運轉正常，以清除有害固相，并使用“高黏稠漿+超細纖維”清潔井眼；起鉆前調整鉆井液的防塌、護壁、潤滑等性能，對于輝綠巖易掉塊地層注入防塌封閉漿，進行針對性處理。

2.2 套管下放速度設計

順北一區新四級井身結構中，二開井段的套管下深比原井身結構淺，因此三開封固段地層承壓能力比原井身結構小，φ168.3 mm尾管封固地層破裂當量密度為1.73～1.75 kg/L。由于環空間隙小，套管下入過快極易產生較大激動壓力，因此需嚴格控制套管下放速度以免壓漏地層。目前主要采用等環空返速法進行計算套管下放速度，計算公式為：

式中：vx為套管下放速度，m/s；vs為環空安全上返速度，m/s；qw為每米套管外容積，L/m；qh為每米套管環容積，L/m。

以順北1-14井為例，根據實測井徑和鉆進時的循環參數，若安全系數取1.0，套管下放速度應小于0.4 m/s，若安全系數取2.0，套管下放速度應小于0.2 m/s。套管出裸眼后，考慮激動壓力影響，安全系數取值應不小于2，需嚴格控制套管下放速度，通過平穩操作延長套管下放時間，防止壓漏地層。

3 抗高溫防氣竄水泥漿優化及評價

3.1 水泥漿體系優化

順北一區早期超深井小尾管固井主要采用常規抗高溫水泥漿，其主要配方為G級水泥+35.0%硅粉+3.0%膨脹劑+4.5%降濾失劑+1.2%緩凝劑+1.0%分散劑++42.0%水，密度為1.92 kg/L，93 ℃×20 min條件下的六速黏度計讀數為286，159，112，62，7和 4，API濾失量為 40 mL，自由液為 0 mL，流動度為20 cm。

135 ℃、48 h和0.1 MPa試驗條件下，該水泥漿形成的水泥石其強度和彈性模量分別為30.2 MPa和12.6 GPa。該水泥漿先后在順北一區5口井進行了應用。其中，順北1-4H井、順北1-5H井和順北1-6H井在三開井段均鉆遇高壓水層，固井施工正常，且聲幅測井顯示固井質量均在合格以上，但3口井在后期降密度鉆進作業和完井作業時環空均發生了不同程度的鹽水侵，分析認為小尾管固井中采用常規抗高溫水泥漿難以封隔高壓水層。

目前，彈韌性水泥漿已廣泛應用于儲氣庫、頁巖氣井固井[4-6]，其水泥石具有彈性模量低、抗壓強度高、抗沖擊及疲勞破壞能力強等特點，可提高水泥環的長效密封能力，但其施工溫度、壓力等與順北一區井況有別。因此，需要針對順北一區超深、超高溫和小尾管固井的特點，評價、優選抗高溫彈性材料和增韌材料，形成適合該區塊的抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿體系。

彈性材料可以降低水泥石彈性模量，增強水泥環抗交變載荷和疲勞破壞的能力，但會在一定程度上削弱水泥石的抗壓強度，因此需要優化彈性材料的加量。以某彈性材料為例進行了試驗分析。試驗條件為90 ℃、48 h和0.1 MPa；基漿配方為G級水泥+35.0%硅粉+2.5%膨脹劑+3.5%降濾失劑+42.0%水。試驗方法為：向基漿中加入彈性材料，測試該試驗條件下不同加量彈性材料所對應水泥石的抗壓強度和彈性模量，試驗結果如圖2所示。

圖2 水泥石抗壓強度、彈性模量與彈性材料加量的關系Fig. 2 Relationship between the compressive strength,elastic modulus and the elastic material dosage of cement stone

由圖2可知，彈性材料加量從0逐漸增加到8%時，水泥石的抗壓強度從33.2 MPa降至15.3 MPa，彈性模量由12.6 GPa減至5.3 GPa，即水泥石的抗壓強度和彈性模量隨彈性材料加量增加而逐漸降低。綜合考慮后期作業對水泥石強度的要求，保證水泥石彈性模量小于7 GPa，抗壓強度高于20 MPa，彈性材料的最優加量應為4%～6%。

為進一步增強水泥石韌性，提高抗折強度，防止形成微裂隙，需要復配一定量的增韌材料（3～5 mm長有機纖維）。以某有機纖維為例進行了加量優化試驗，試驗條件及基漿同上，試驗結果如圖3所示。

圖3 有機纖維加量與水泥石抗折強度的關系Fig. 3 Relationship between the organic fiber dosage and bending strength of cement stone

由圖3可知，有機纖維加量越大，水泥石抗折強度越高。但分析認為，加入纖維過多會影響水泥漿的流變性。綜合考慮水泥漿性能，有機纖維加量在0.1%～0.2%較為合適。

在優化彈性材料與增韌材料加量的基礎上，根據顆粒級配和緊密堆積理論復配硅粉，以減小水泥石高溫下的強度衰退幅度；同時，可采用納米液硅、膠乳等防氣竄劑形成聚合物膜或濾餅并填充水泥空隙，降低水泥石的滲透率，提高水泥石的防氣竄性能。據此形成了抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿配方：G級水泥+40.0%硅粉+4.0%降濾失劑+10.0%膠乳+4.0%彈性材料+1.5%緩凝劑+0.6%消泡劑+0.2%有機纖維+38.0%水，主要性能為：密度1.91 kg/L，93 ℃、20 min條件下六速黏度計讀數＞300，195，128，73，6和 4，API濾失量 40 mL，自由液 0 mL，流動度20.5 cm。在135 ℃、48 h、0.1 MPa條件下測試了其水泥石的抗壓強度和彈性模量，結果分別為21.5 MPa和 7.1 GPa。

3.2 水泥石密封完整性評價

順北1-4H井和順北1-6H井φ139.7 mm尾管固井施工正常，CBL聲幅顯示固井質量分別為良好和優秀，但在后續鉆井作業中降鉆井液密度之后（順北1-6H井由1.81 kg/L降至1.25 kg/L，順北1-4H井由1.76 kg/L降至1.27 kg/L）卻發生了鹽水侵，說明水泥環未能封隔高壓水層。為充分模擬后續鉆井作業對水泥石密封完整性的影響，設計水泥環密封完整性評價裝置（見圖4），模擬順北一區原四級井身結構井用φ165.1 mm鉆頭鉆進、φ139.7 mm尾管裸眼固井、水泥環厚度12.7 mm條件，進行了水泥石密封完整性評價試驗。

圖4 水泥環密封完整性評價裝置示意Fig. 4 Schematic of the evaluation device of cement sheath seal integrity

根據順北1-6H井實測水層壓力系數1.47，鹽水層之上水泥環長度按100 m計算，可以得到每米水泥環所受水驅壓力約0.15 MPa；根據順北一區小尾管固井結束后，鉆井作業時井筒壓差變化情況，在0～60 MPa用4次交變壓力模擬井下工況。設置的模擬參數：溫度90 ℃（考慮裝置耐溫能力和試驗安全，低于實際井下溫度），注水壓力大于0.15 MPa。

試驗步驟：1）將待測水泥漿攪拌后倒入環空，養護；2）養護完成后，用1.5 MPa氮氣測試初始狀態下的密封情況，若密封良好，開始水驅測試；3）采用自來水驅替，驅替壓力控制在0.15 MPa以上；4）用壓力泵調節套管內壓，根據實際工況條件調節套管內壓變化周期（不短于10 min）；5）根據達西定律，試驗目標函數采用環空滲流能力進行表征。

環空滲流能力的計算公式為：

順北一區前期使用的常規抗高溫水泥漿和抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿的水泥環密封試驗結果，分別見圖5和圖6。

圖5 常規抗高溫水泥漿水泥環密封試驗結果Fig. 5 Test results of the sealing performance of cement sheath formed by conventional high temperature resistant cement slurry

圖6 抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿水泥環密封試驗結果Fig. 6 Test results of the sealing performance of cement sheath formed by high temperature/gas channelingproof elastic toughness cement slurry

由圖5、圖6可知，常規抗高溫水泥漿在經過2次25 MPa壓力交變后，環空出現輕微滲流，說明水泥環密封已經劣化，再經過1次40 MPa內壓交變后滲流明顯，折算環空當量滲透率大于500 mD，說明環空密封已經完全失效；而抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿的水泥環在0～60 MPa經過5次交變壓力后，無明顯滲流，折算環空當量滲透率為0.1 mD，水泥環密封性能良好。

4 固井流變學設計及壓穩防氣竄工藝優化

4.1 流變學設計

根據水泥漿流變學設計相關規范標準，采用賓漢模式和冪律模式來描述水泥漿的流變特性，流變模式的具體選用應根據水泥漿的剪切速率和剪切應力對應2個模式的吻合程度來確定。流變模式的判別公式為：

式中：F為流變模式判別系數；θ300，θ200和θ100分別為黏度計轉速達到300，200和100 r/min時的黏度計讀數。

當F=0.5±0.3時，可選用賓漢模式；反之選用冪律模式。根據不同模式的環空流臨界雷諾數公式、臨界流速公式等計算水泥漿的對應紊流、塞流臨界流速，從而根據井徑計算出紊流、塞流臨界排量。

以抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿在93 ℃溫度下養護后的六速黏度計讀數（145，67，45，28，5和 3）為例，平均井徑擴大率按5%計算，則井徑為200.03 mm，套管直徑為168.3 mm，通過流變學設計軟件計算得到固井時水泥漿所需紊流臨界排量為1.8 m3/min、塞流臨界排量為0.17 m3/min。順北區塊超深井小尾管固井時，套管到位后的循環排量和壓力分別在0.6～0.8 m3/min和16～22 MPa，受循環泵壓限制，很難達到紊流所需排量；由于順北區塊鉆井作業均使用鉆深能力達7 000 m以上的電動鉆機，塞流排量較易實現。因此，順北一區小尾管固井施工，在替漿過程中水泥漿出管鞋時宜降排量采用塞流頂替方式，以提高頂替效率，確保固井質量。

4.2 壓穩防氣竄工藝優化

油氣井注水泥后，由于環形空間液柱壓力與地層壓力不平衡關系的變化，地層中的流體進入環形空間后產生縱向流動，這種縱向流動稱為環空竄流[7-11]。水泥漿失重是造成環空竄流的主要原因之一。水泥漿失重后，漿柱壓力的最小值為水柱壓力，故水泥漿失重造成的最大壓力差可表示為：

式中：Δpmax為水泥漿失重造成的最大壓力差，MPa；ρs為水泥漿密度，kg/L；h為水泥漿封固段長度，m。

以順北1-14井為例，通過地層破裂試驗可知，其三開地層破裂壓力當量密度1.73 kg/L，三開中完井深7 580.00 m，7 135.00 ～7 152.00 m井段存在鹽水層，中完鉆井液密度為1.65 kg/L。全井筒為鉆井液時，井底靜液柱壓力為122.69 MPa，井深7 152.00 m處（水層）靜液柱壓力為118 MPa。φ168.3 mm尾管固井漿柱結構設計結果見表1。速凝水泥漿設計封固至水層以上，水泥漿替漿到位后靜液柱壓力當量密度為1.67 kg/L，小于地層破裂壓力當量密度。

表 1 順北1-14井小尾管固井漿柱結構設計結果Table 1 Structural design results of cement slurry column in Wells 1-14 cemented with slim liner in Shunbei Block

若按中完鉆井液密度1.65 kg/L計算水泥漿失重前后的壓差，水泥漿尾漿失重時，井深7 152.00 m處靜液柱壓力為117.33 MPa，此時環空需補壓0.67 MPa；水泥漿領漿、尾漿均失重時，井深7 152.00 m處靜液柱壓力為110.72 MPa，此時環空需補壓7.28 MPa。若按順北1-6H井實測水層壓力系數1.47進行計算，領漿、尾漿均失重時，井深7 152.00 m處靜液柱壓力為110.72 MPa，大于水層壓力105.13 MPa，理論上仍能壓穩水層。

順北一區5口井三開所用鉆井液密度及出水情況見表2。

從表2可以看出，5口井三開所用鉆井液密度均高于順北1-6H井實測水層壓力系數1.47，理論上已壓穩水層。5口井在實際三開鉆進過程中依然出水，但出水時池液面并無發現明顯上升，循環期間出口鉆井液密度卻明顯降低，分析認為出水原因主要為井筒內鉆井液與水層之間存在置換現象。

表 2 順北一區5口井三開所用鉆井液密度及出水情況Table 2 Drilling fluid density and water production in the third spud of 5 wells in No.1 District of Shunbei Block

因此，對于三開小尾管固井，快速封固水層減少水泥漿和地層水置換是關鍵，在設計漿柱結構時宜用速凝水泥漿封固至水層以上。為確保候凝期間能壓穩水層，小尾管固井結束后應及時起鉆循環洗井并關井憋壓候凝，憋壓值應高于水泥漿失重后水層位置減少的壓差值（采用中完鉆井液密度值計算比較），但環空加壓后井底靜液柱壓力當量密度不宜超過地層破裂壓力當量密度，防止壓漏地層。

5 現場應用

5.1 基本數據

抗高溫防竄彈韌性水泥漿先后在順北一區順北1-11井、順北1-13井、順北1-14井等3口新四級結構井φ168.3 mm尾管固井中進行了應用。以順北1-14井為例介紹現場施工情況。

1）水泥漿基礎配方：G級水泥+40.0%硅粉+4.0%降濾失劑+10.0%膠乳+4.0%彈性材料+0.5%～1.5%緩凝劑+0.6%消泡劑+0.2%纖維+38.0%水。

2）水泥漿性能要求（試驗條件為140 ℃×120 MPa）見表3。

表 3 水泥漿性能要求Table 3 The performance of the cement slurry

3）φ168.3 mm尾管串結構：加長浮鞋+3根套管+1#浮箍+3根套管+2#浮箍+6根套管+球座+套管串(每3～5根套管按裝1支扶正短節)+尾管懸掛器（重疊段約200 m）+送放鉆具。

4）順北1-14井φ168.3 mm尾管固井施工簡況：套管到位循環，期間排鹽水及混漿36.0 m3，純鹽水24.9 m3；注密度1.75 kg/L的加重隔離液16.0 m3；注水泥漿24.0 m3，其中領漿14.0 m3，尾漿10.0 m3；替漿41.6 m3碰壓，放回水斷流，回壓閥正常，起鉆7柱，反循環洗井，關井憋壓候凝。

5.2 應用效果評價

順北1-11井、順北1-13井和順北1-14井φ168.3 mm尾管固井質量聲幅測井曲線見圖7。從圖7可以看出，3口井套管鞋以淺100 m及懸掛器以深100 m的封固質量聲幅值均在15%左右，水層段的封固質量聲幅值均在25%左右，施工結束后掃塞期間鉆井液密度從1.65 kg/L降至1.26 kg/L，井筒未發生鹽水侵，直至后期完井作業均未發生鹽水侵，表明水層封隔良好。

6 結 論

1）順北一區超深井小尾管固井時環空間隙小，為確保套管順利到位需加強井眼準備工作，強化通井措施，優化調整鉆井液性能；送放套管時，應嚴格控制套管下放速度，防止壓漏地層。

圖7 應用抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿的3口井的聲幅測井曲線Fig.7 Acoustic logging curve of 3 wells adopting high temperature/gas channeling-proof elastic toughness cement slurry system

2）通過加入彈性材料、增韌材料和防氣竄材料形成的抗高溫防氣竄彈韌性水泥漿，可有效改善窄間隙水泥石力學性能，提高水泥環的密封完整性。

3）為了壓穩和快速封固水層，設計速凝水泥漿，速凝水泥漿宜封固至水層以上，施工結束后及時起鉆循環洗井之后關井憋壓候凝，憋壓值應不小于水泥漿失重后水層位置減小的壓差值。

4）順北一區3口井應用了改進后的抗高溫防竄彈塑性水泥漿體系，后期施工作業過程中均未發生鹽水侵，實現了對高壓水層的有效封隔。