官深1井超高密度水泥漿固井技術(shù)

姚 勇，尹宗國(guó)，焦建芳，郭廣平，洪少青

（中國(guó)石化西南石油局固井公司，四川德陽(yáng)618000）

目前國(guó)內(nèi)外室內(nèi)研究的超高密度水泥漿體系的最高密度可達(dá)2.90kg／L，但是還沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用密度大于2.60kg／L的水泥漿的相關(guān)報(bào)道。因此，針對(duì)官深1井的實(shí)際情況，以密度6.8～7.4g／cm3的高純度球形還原鐵粉為加重材料，并結(jié)合常規(guī)加重鐵礦粉的特點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合加重設(shè)計(jì)，研究出一套密度為2.60～2.85kg／L的超高密度水泥漿體系，從水泥運(yùn)輸、試混配、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配套等方面入手精細(xì)策劃，達(dá)到一次配注水泥漿成功，成功封隔住了高壓水層。

1 基本情況

官深1井是部署在貴州省赤水地區(qū)官渡構(gòu)造上的一口重點(diǎn)勘探井，采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），主要目的層為二疊系茅口組縫洞型儲(chǔ)層。該區(qū)塊地層孔隙壓力變化極大，同時(shí)存在正常壓力梯度和異常超高壓壓力梯度的情況，上部蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組地層易發(fā)生井漏；陸相珍珠沖組地層是水敏性易垮塌層，海相嘉陵江組至茅口組地層壓力系數(shù)高達(dá)2.4，存在多套含水氣層，且分布存在非均質(zhì)性。

圖1 官深1井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program of Well Guanshen-1

該井鉆至井深2 955.34m時(shí)，鉆遇高壓鹽水層，鉆井液密度2.81kg／L，鉆至井深3 322.65m發(fā)生井漏，最大漏失速度達(dá)65.95m3／h，判斷為裂隙性漏失，多次靜止堵漏效果不理想，最后調(diào)整鉆井液密度至2.77kg／L，配制堵漏漿堵漏成功。采用2.78kg／L聚磺鉆井液鉆至設(shè)計(jì)井深3 700.00m三開(kāi)完鉆，設(shè)計(jì)下入φ273.1mm技術(shù)套管進(jìn)行固井，要求固井水泥漿密度達(dá)到2.75kg／L以上，才能完全封固該井段中的高壓水層。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)

1）平衡固井要求前置液和水泥漿密度要高，配制性能滿(mǎn)足要求的超高密度水泥漿與前置液困難。

2）水泥干混所需要的外摻料、特別是加重材料的量大，水泥干混均勻困難。

3）由于加重材料密度與水泥密度相差大，在水泥干混完成后的運(yùn)輸過(guò)程中，可能導(dǎo)致加重材料與水泥分層。

4）超高密度水泥漿超出設(shè)備額定工作密度范圍，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作難度大，對(duì)操作人員和設(shè)備要求很高，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

5）鉆井液、隔離液及水泥漿密度高，加重材料含量高，需要解決好兩相或三相的接觸污染問(wèn)題，避免接觸污染破壞水泥漿的穩(wěn)定性，導(dǎo)致水泥漿增稠或者加重材料沉降，造成施工高泵壓或橋堵。

6）由于水泥漿密度低于鉆井液密度、鉆井液流變性差、泥餅厚、含油等因素，固井質(zhì)量無(wú)法保證。

7）井下情況極為復(fù)雜，鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)漏失，地層壓力高，壓穩(wěn)與漏失之間安全窗口窄。

3 技術(shù)措施

1）優(yōu)選水泥漿加重材料和外加劑，采用顆粒級(jí)配原理[1-5］，保證超高密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性、強(qiáng)度、流變性三者之間平衡協(xié)調(diào)，兩相或三相的接觸污染能滿(mǎn)足安全作業(yè)要求。

2）水泥加重材料和外加劑的干混采用“層鋪”方式，以提高混配的均勻性。

3）水泥漿配方完成后，設(shè)計(jì)進(jìn)行地面試運(yùn)輸和試混配試驗(yàn)，確?，F(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)相符。

4）為盡可能保證超高密度水泥漿與室內(nèi)試驗(yàn)相符，現(xiàn)場(chǎng)至少取3個(gè)配樣進(jìn)行密度測(cè)量，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備一個(gè)空罐倒灰用。

5）采用批混方式進(jìn)行水泥漿的配注，確保水泥漿密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，混好后取樣測(cè)試，至少取3個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)加重水泥材料的混配情況。

6）進(jìn)行固井流變學(xué)及平衡壓力固井設(shè)計(jì)，優(yōu)化提高頂替效率的工藝措施，盡可能提高注水泥頂替效率。

7）尾管內(nèi)100m以及送放鉆具內(nèi)下部300m及時(shí)替入密度2.70kg／L的隔離液作為保護(hù)液，防止起鉆時(shí)水泥漿與鉆井液直接接觸造成復(fù)雜情況。

8）做好施工過(guò)程中的鉆井液回收計(jì)量工作，及時(shí)監(jiān)測(cè)井內(nèi)漏失、井涌情況。如果水泥漿密度不能滿(mǎn)足固井設(shè)計(jì)要求，則通過(guò)環(huán)空控壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)替漿和候凝過(guò)程中井筒內(nèi)的壓力平衡。

4 水泥漿設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

4.1 水泥漿配方設(shè)計(jì)

超高密度水泥漿體系中，重點(diǎn)要解決的是加重材料的沉降問(wèn)題以及沉降穩(wěn)定性與流動(dòng)性之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)加重材料、外加劑的合理選擇，研制調(diào)配出了性能穩(wěn)定且密度達(dá)2.65～2.85kg／L的超高密度水泥漿體系。

4.1.1 加重材料優(yōu)選

高密度水泥漿設(shè)計(jì)中加重材料的選擇至關(guān)重要。水泥漿最常用的加重劑是重晶石粉、鈦鐵礦粉、赤鐵礦粉和鐵粉等。資料調(diào)研及試驗(yàn)評(píng)價(jià)測(cè)試表明，對(duì)于超高密度水泥漿，單純使用任何一種加重劑都不能滿(mǎn)足加重需要，采用合理的粒級(jí)級(jí)配，通過(guò)優(yōu)化組合復(fù)配2種或以上加重劑，以達(dá)到超高密度水泥漿體系的加重要求[6-9］。從加重效果、對(duì)流動(dòng)性的影響、細(xì)度可控范圍與穩(wěn)定性要求、貨源及成本等方面綜合考慮，優(yōu)選密度為4.8～5.2g／cm3的赤鐵礦（粒徑小于75μm的占97%，小于45μm 的占85%）與密度為6.8～7.4g／cm3的還原鐵粉（粒徑10～150μm）組合作為超高密度水泥漿的加重材料。

4.1.2 外加劑優(yōu)選

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選出了一種新型預(yù)膠聯(lián)的液態(tài)成膜非滲透防氣竄降失水劑，這種膜對(duì)液體和氣體的滲透率非常小，不僅具有優(yōu)異的降濾失作用，而且有很好的防竄作用。由于封固高壓鹽水層要求與之配套的外加劑具有很好的抗鹽能力，優(yōu)選出一種抗高溫抗鹽聚合物降失水劑，該降失水劑在鹽水中具有優(yōu)異的降失水性能，用欠飽和鹽水、飽和鹽水配制水泥漿體系通過(guò)調(diào)整其加量，失水量一般都可控制在50mL以下。

同時(shí)，優(yōu)選出與之相配套的緩凝劑、分散劑，緩凝劑具有良好的緩凝作用，其加量與稠化時(shí)間具有良好的線性關(guān)系，且不影響水泥石早期強(qiáng)度的發(fā)展。

4.1.3 性能綜合評(píng)價(jià)

采用室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選的配套外加劑來(lái)調(diào)節(jié)水泥漿的綜合性能，優(yōu)選出了適應(yīng)井底循環(huán)溫度90～135℃、密度為2.65～2.85kg／L的抗高溫水泥漿體系配方（見(jiàn)表1）。

表1 超高密度水泥漿配方Table 1 Formula of ultra-high density cement slurry

室內(nèi)優(yōu)選的超高密度水泥漿體系在常溫下具有良好的流變性，在6.9MPa、30min條件下的 API失水量小于50mL；稠化時(shí)間在210～400min間可調(diào)，放置一段時(shí)間后仍具有良好的流動(dòng)度，沒(méi)有觸變現(xiàn)象，流動(dòng)度均大于20cm，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工（見(jiàn)表2）。

表2 超高密度水泥漿性能Table 2 Properties of cement slurry with ultra-high density

利用水泥漿沉降穩(wěn)定儀，測(cè)量循環(huán)溫度下高密度水泥漿的穩(wěn)定性，在120℃×21MPa×48h條件下，2.75～2.85kg／L水泥漿上、下密度差均小于0.03kg／L。

超高密度水泥漿體系形成的水泥石，在90℃、48h條件下的強(qiáng)度大于9MPa，在140℃、48h條件下的強(qiáng)度大于14MPa（見(jiàn)表3）。

4.2 水泥漿的地面混配試驗(yàn)

第一次試驗(yàn)試配了5m3水泥漿的干灰，干灰混配時(shí)采用“層鋪”小批量混合，混灰過(guò)程中及混配完從混配罐吹到儲(chǔ)備罐一切順利；長(zhǎng)途運(yùn)輸50km后，在罐底和罐頂分別取樣后檢驗(yàn)，上下密度差較大；用灰罐車(chē)自帶的壓縮機(jī)提供動(dòng)力氣源，用雙機(jī)雙泵水泥車(chē)混漿，試混配過(guò)程中，下灰管線堵塞，表明下灰困難。

表3 超高密度水泥石強(qiáng)度性能Table 3 Strength of set cement with ultra-high density

根據(jù)第一次地面混配試驗(yàn)情況，對(duì)水泥漿體系進(jìn)行調(diào)整，對(duì)干灰流動(dòng)性能進(jìn)一步完善，并對(duì)地面混配操作施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。采用空壓機(jī)供壓，用0.25，0.27和 0.30MPa供氣壓力依次測(cè)試，觀察供灰氣壓對(duì)下灰速度的影響，確定現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)的供灰壓力、排量等參數(shù)；同時(shí)采用批混的方式進(jìn)行混漿，第二次地面混配試驗(yàn)滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)要求。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)方案的確定

1）根據(jù)完井實(shí)際情況，為了提高頂替效率和保證施工結(jié)束后井筒內(nèi)壓力平衡，按密度為2.80kg／L的水泥漿配方進(jìn)行水泥干灰的準(zhǔn)備。

2）將混配好的灰運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，在罐底和罐頂分別取樣后檢驗(yàn)，罐底及罐頂分別取樣配置水泥漿，要求水泥漿密度差小于0.03kg／L，如檢驗(yàn)達(dá)不到要求，則現(xiàn)場(chǎng)重新倒混均勻。

3）采用雙機(jī)雙泵水泥車(chē)混制水泥漿，水泥漿密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將水泥漿泵送到批混罐，批混罐液面達(dá)到一定高度后，再將批混罐的水泥漿泵送到水泥車(chē)上泵送出去。

4）要求批混罐有大功率的攪拌和噴射裝置，能使超高密度水泥漿混合均勻，減少沉淀，保證水泥漿的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5）采用空壓機(jī)供壓，確保供氣量和供氣壓力穩(wěn)定。

6）根據(jù)實(shí)際入井的水泥漿密度，進(jìn)行壓力平衡計(jì)算，通過(guò)井口憋壓的方式確保候凝期間井內(nèi)壓力平衡，避免發(fā)生高壓氣水竄[10-14］。

4.4 水泥漿大樣檢測(cè)情況

從干混站運(yùn)輸?shù)焦偕?井現(xiàn)場(chǎng)后，從灰罐車(chē)罐頂及吹到立式灰罐后取樣測(cè)其密度，密度差很小，說(shuō)明此次大樣灰?guī)缀鯚o(wú)沉降，現(xiàn)場(chǎng)吹灰流動(dòng)性較好；大樣檢測(cè)時(shí)的主要性能指標(biāo)均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，多點(diǎn)取樣的性能對(duì)比結(jié)果表明，水泥漿性能非常穩(wěn)定，相關(guān)性能指標(biāo)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；隔離液基液提前混配后陳化，采用復(fù)配加重材料加重，隔離液密度達(dá)到2.75kg／L，沉降穩(wěn)定性小于0.03kg／L；與水泥漿、鉆井液相容性良好。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)隔離液、壓塞液及保護(hù)液均為密度2.75kg／L的加重隔離液，固井前用批混罐提前配好，由一臺(tái)雙機(jī)雙泵水泥車(chē)泵注；兩臺(tái)雙機(jī)雙泵水泥車(chē)混配水泥漿，將混好的水泥漿泵入過(guò)渡罐，水泥漿通過(guò)批混罐過(guò)渡后入井，以保證入井水泥漿密度和性能穩(wěn)定，另外還設(shè)有一臺(tái)備用的雙機(jī)雙泵水泥車(chē)。一臺(tái)雙機(jī)雙泵水泥車(chē)接入注水泥流程，配漿及備用水泥車(chē)準(zhǔn)備好管線，隨時(shí)可接入注漿流程。

固井施工中注入排量0.5m3／min，壓力11～13MPa。泵入密度2.75kg／L的隔離液8m3，密度2.79kg／L 的水泥領(lǐng)漿 8m3（作為上塞），密度2.77kg／L的水泥尾漿27m3（封固重疊段及裸眼井段）。水泥漿密度平穩(wěn)，施工連續(xù)，替漿碰壓正常。環(huán)空加壓5MPa候凝。該井固井質(zhì)量?jī)?yōu)良，成功封隔住了高壓水層。在準(zhǔn)備用φ193.7mm套管固井時(shí)，井內(nèi)水泥漿密度降至2.00kg／L，回接筒處未竄，也表明該井的封固質(zhì)量合格。

6 結(jié)論

1）利用顆粒級(jí)配原理，以密度為6.8～7.4g／cm3的高純度球形還原鐵粉作為加重材料，結(jié)合常規(guī)加重鐵礦粉的特點(diǎn)復(fù)合加重設(shè)計(jì)，優(yōu)選合適的外加劑，研制出了密度達(dá)2.65～2.85kg／L且性能穩(wěn)定的超高密度水泥漿體系。

2）水泥加重材料和外加劑的干混采用“層鋪”方式，可以提高混配的均勻性。

3）超高密度水泥漿固井施工作業(yè)時(shí)，要充分考慮干混水泥運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定性，通過(guò)合理的顆粒級(jí)配，能有效降低運(yùn)輸過(guò)程中加重材料的上下分層。

4）合理的氣動(dòng)下灰壓力及供灰速度控制，是超高密度水泥漿順利混配的關(guān)鍵，采用批混的方式進(jìn)行混漿，可使水泥漿密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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