抑制油井層間水竄的固井技術探析

王云川

中國石化勝利油田魯明油氣勘探開發有限公司

0 引言

新疆油田中拐區塊位于準噶爾盆地西北緣，具有廣闊的油氣勘探前景和悠久的開采歷史。該區塊屬典型的火山巖油氣藏，探區內地質條件復雜，地層結構多變。由于目的層石炭系地層裂縫發育、油水層交錯且受邊底水及注水井等因素的影響，油井完井投產后無水采油期短、油井含水率上升快。油井存在油水互層時，油層和水層間具有良好的封隔效果是延長油井見水期的方法之一[1-2]。

通?？梢酝ㄟ^優化井身結構及管串組合、改善常規水泥漿體系性能等方法提高固井質量來減緩層間竄流的問題，但由于射孔及壓裂等完井工藝會對水泥環產生極強的沖擊力及拉伸、擠壓效應，常規水泥漿體系形成的水泥石在受到不同方向上的作用力時會與套管之間形成微環空、水泥石破裂等問題。因此，如何確保油井完井投產后仍具有良好的固井質量和層間封隔性，是提高該類油井生產周期和產量的主要方法之一[3-10]。中拐區塊使用過大量改善油層固井質量的方法，如采用領漿1.50 g/cm3、尾漿1.90 g/cm3的雙密度雙凝水泥漿體系，在不壓漏地層的情況下，提高尾漿密度增強目的層的固井質量；通過優化井身結構及管串組合，縮短目的層水泥漿柱高度，降低尾漿稠化時間提高固井質量等，仍然無法解決油井完井后水竄等問題。文章以已施工4口井中的X井為例，通過優化水泥漿體系和水泥石力學性能，并結合壓裂施工后的投產情況說明如何解決此類油井投產問題，為同類油井提供一定的借鑒意義。

1 X井井況概述

X井位于位于準噶爾盆地西部隆起中拐，目的層為石炭系，層厚98 m，鉆深3 000 m。一開采用直徑444.5 mm鉆頭鉆至500 m，表層套管直徑339.7 mm；二開采用直徑311.1 mm鉆頭鉆至2 580 m，技術套管直徑為244.5 mm；三開采用直徑215.9 mm鉆頭鉆至3 000 m，油層套管直徑為139.7 mm。在管鞋處進行地層破裂壓力測試可知，地層破裂壓力當量密度為1.73 g/cm3。井底靜止溫度66 ℃，循環溫度56 ℃，溫度梯度2.2 ℃/100 m，目的層采用1.32 g/cm3鉀鈣基聚磺鉆井液體系。最大井斜角13.7 °，井底水平位移30.97 m，垂深2 998 m。油層套管設計水泥漿返高面位于2 380 m，即封固井段為2 380～3 000 m。

2 固井難點分析與解決方案

通過分析8口探井的歷史數據可知，該區塊固井主要存在以下難點及問題：

(1)采用鉀鈣基聚磺鉆井液體系，影響水泥漿膠結及水泥漿與井壁第一膠結面質量。

(2)受邊底水流體影響，目的層固井質量較差。主要表現在水層固井質量差，油層、水層之間無法形成有效的封隔。

(3)射孔及壓裂后，造成水泥環與套管之間形成微環空、水泥石破裂，形成水竄通道。已封隔水層與油層再次聯通，油井投產后，地層水沿著微環空及水泥石破裂縫流通至井筒。

三種因素綜合，造成油井投產后油井含水率上升快，產油量迅速下降和無水采油期縮短。

針對上述中固井存在的主要問題，擬采用以下措施：

(1)優化施工參數。確保井眼干凈、穩定、不漏、不涌、無阻卡，提高施工時的頂替效率。

(2)采用1.03 g/cm3沖洗液與1.50 g/cm3隔離液相結合，對井內鉆井液及井壁濾餅進行有效的稀釋與沖洗清除，同時隔離液可對水泥漿與鉆井液形成隔離效果，降低水泥漿受污染程度。

(3)水泥漿固相采用顆粒級配原理。與常規水泥漿體系相比，新型水泥漿體系采用大、中、小顆粒按照一定體積比例進行混配，在相同密度1.80 g/cm3條件下，水泥漿體系固相含量高達54.8%，而常規水泥漿固相含量為36%～40%左右。顆粒級配理論下水泥漿體系依然具有良好的流動性，固相含量的增加有效降低水泥漿體系的孔隙度和滲透率，提高水泥漿體系的防竄性能，同時凝固后的水泥石機械性能增強，有效應對射孔、壓裂等完井作業造成的水泥石破壞。

(4)顆粒級配中的大顆粒材料采用韌性材料。優選具有高抗壓強度的韌性材料，抗壓強度達到45 MPa，粒徑范圍為100～800 μm，密度0.90 g/cm3。韌性材料可有效降低、改善水泥石楊氏模量和泊松比，與常規水泥石相比在同等應力作用下，具有更好的延展性，緩解應力破壞作用。

(5)水泥漿體系中加入膨脹劑。水泥漿凝固后具有一定的膨脹性能，解決套管收縮、地層蠕動等造成微環空問題；通過水泥環線性膨脹率測試裝置測定油層溫度條件下的線性膨脹率。膨脹率的具體計算公式為[3-6]:

P=(L2-L1)/L

(1)

式中:P—水泥石膨脹率，%；L—膨脹環的周長，mm；L1和L2—分別為水泥漿倒入試模后和水泥漿養護到期齡后測得的膨脹環間距，mm。

試驗結果表明，加入5%水泥重量的膨脹劑，在確保水泥石強度范圍內的條件下，水泥漿凝固后的膨脹率達到1.14%，有效解決微環空或微間隙問題,如圖1所示，同時水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫，而且會增大水泥環與界面的膠結強度，增大壁面抗水壓滲透能力，阻止流體在環空中竄移。

圖1 水泥環線性膨脹率隨時間變化曲線

(6)針對水竄問題，使用中高溫膠乳體系。膠乳體系為微小聚合物顆粒材料，具有良好的分散性，可均勻分布于水泥漿體系中，有效降低水泥漿體系的孔隙度和滲透率。同時膠乳體系具有觸變性，可增強靜止水泥漿體系的防竄性能。

3 韌性膨脹防竄水泥漿體系優化

3.1 水泥漿體系的防竄性能測試與力學性能優化

3.1.1 水侵后水泥漿失水量測試

室內實驗分別將10%、15%比例地層水與水泥漿體系均勻混合，垂直放置于恒溫水浴鍋至水泥漿凝固。將水泥柱均勻切割成四段，測定從上到下水泥柱密度。研究水泥漿受地層水侵入后的穩定性及密度變化幅度，如表1所示，水泥漿在受到15%以內不同程度水侵后，水泥石密度下降但變化值范圍為0.008～0.044 g/cm3，且上下密度均勻，穩定性不受影響。

表1 不同水侵條件下的1.80 g/cm3水泥漿密度與穩定性測試結果表

3.1.2 水侵后水泥石抗壓強度測試

室內將地層水按照5%、10%、15%不同比例與水泥漿體系均勻混合，倒入模塊并在油層條件下(66 ℃、38 MPa)養護48 h，使用抗壓強度試驗機進行破裂強度測試。如表2所示，加入不同比例地層水后，水泥石強度雖然呈下降趨勢，但是其強度完整性仍然能得到保證，變化范圍在13.27～18.29 MPa之間。

表2 不同水侵條件下水泥石抗壓強度測試結果表

3.1.3 水侵后水泥漿API失水量測試

室內將地層水按照5%、10%、15%不同比例與水泥漿體系均勻混合，放入高溫高壓稠化儀進行養護30 min，取出樣品放置于高溫高壓API失水測定儀上進行失水量測試。試驗結果如表3所示，受不同比例地層水水侵后，水泥漿API失水量小于15 mL/30 min，避免失水量過多造成的水泥漿不穩定等問題。

表3 不同水侵條件下水泥漿API失水量測試結果表

3.1.4 水泥漿體系靜膠凝值時間測試

中高溫防竄膠乳體系，降低水泥漿體系的滲透率和孔隙度，具有極強的防竄、防侵能力。室內試驗結果表明水泥漿在井內失重環境下，靜膠凝值從48 Pa上升到240 Pa時間小于45 min，防竄、防侵能力強,如圖2所示。

圖2 水泥漿靜膠凝防竄性能測試曲線

3.2 水泥石力學性能測試與優化

(1)改變大、中、小顆粒配比，優化水泥石的韌性與強度并用力學軟件模擬水泥石在受到拉伸、擠壓等不同作用力情況下的力學完整性。通過CemSTRESS軟件模擬獲取的結果可知，溫差從0～45℃、壓差從0～50 MPa變化時，常規水泥漿體系形成的水泥石抗壓性能完好無損，但最大拉應力5.30 MPa時會產生抗拉破壞，且在環空寬邊形成25.6 μm的微環空；韌性膨脹膠乳水泥漿體系形成的水泥石在受壓、受拉均不會破裂，且在酸壓后不會產生微環空，水泥石保持完好。

(2)實驗室測定油層、套管和水泥石三者的楊氏模量和泊松比，對比分析三者在受同等作用力下優先破壞程度。水泥石抗壓強度38.6 MPa，抗拉強度4.25 MPa，彈性模量3 616.0 MPa，泊松比0.37。對比三種不同介質楊氏模量和泊松比可知，在受到同等應力作用下，水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比，展現出良好的彈性和韌性，水泥石受到保護。

4 固井與壓裂后生產質量評價

4.1 固井效果評價

根據CBL/VDL測井評價解釋結果,X井全井段均合格，平均優質段達90%以上。其中,油水同層、氣水同層發育段固井質量優；三開目的層固井質量優，目的層石炭系2 910～2 972 m內一界面、二界面水泥膠結優。聲波幅度成像反映井周膠結均勻，水泥充填密度1.75～1.82 g/cm3之間，CBL聲幅值均小于20%。

4.2 壓裂效果評價

采用SDP-89/60°型射孔彈，孔密16 孔/m，每段厚度8.00 m，采用2500型壓裂車進行壓裂作業。壓裂施工結束后，安裝油嘴試產，油壓17.8～20.0 MPa，套壓16.0～19.0 MPa，日產油23.51 m3，日產氣0.766×104m3，累計產油778.00 m3,井口未見水。該水泥漿體系滿足固井質量及壓裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。

5 結論與認識

(1)韌性膨脹膠乳水泥漿體系相對于常規水泥漿體系具有固相含量高、防竄性能高、機械性能優質的特性，可有效的對油層和水層進行封隔。

(2)該水泥漿體系較低的楊氏模量、較大的泊松比和一定的微膨脹特性，可確保射孔、壓裂等完井作業時水泥石完整性，預防射孔及壓裂后，造成水泥環與套管之間形成微環空、水泥石破裂。

(3)X井固井作業的成功，表明優化后的水泥漿體系具有良好的防竄性能，強防竄、防侵能力。

(4)室內實驗結果表明水泥漿在井內失重環境下，靜膠凝值從48 Pa上升到240 Pa所用時間小于45 min，同時泊松比、楊氏模量等力學性能測試結果展現出良好的彈性和韌性，水泥石受到保護，固井后壓裂投產后基本不產水。