安岳氣田磨溪009-4-X2井尾管固井技術

張華，王大權，胡霖

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206；2.中國石油集團川慶鉆探長慶固井公司，西安710018；3. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦工程技術與監(jiān)督部，四川遂寧629000）

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安岳氣田磨溪009-4-X2井尾管固井技術

張華1，王大權2，胡霖3

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206；2.中國石油集團川慶鉆探長慶固井公司，西安710018；3. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦工程技術與監(jiān)督部，四川遂寧629000）

張華等.安岳氣田磨溪009-4-X2井尾管固井技術[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：84-88.

摘要針對磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井存在的井底溫度高、封固段長、油氣顯示活躍且跨度長、鉆井液密度高且污染嚴重、下開鉆井液密度降低等難題，通過開展加重材料進行優(yōu)選、對膨脹增韌機理、污染機理、優(yōu)化工藝參數等研究，形成了高強高密度韌性防竄水泥漿體系、高效抗污染/沖洗隔離液體系及配套工藝技術等措施，解決了頂部水泥漿強度發(fā)展慢、高密度水泥石韌性改造難度大、水泥漿與鉆井液污染嚴重、界面膠結質量差等問題，保證了固井施工安全，固井質量合格率為94.5%，優(yōu)質率為74.8%，解決了固井質量差的難題，為該區(qū)塊整體固井質量的提高提供技術支撐，為安岳氣田高壓深井的安全高效開發(fā)提供保障。

關鍵詞尾管固井；長封固段；高密度水泥漿；大溫差；防竄

安岳氣田是迄今中國發(fā)現的單體規(guī)模最大的海相碳酸鹽巖整裝氣藏。高石梯-磨溪區(qū)塊資源豐富，但由于該區(qū)塊氣井的油、 氣、 水同層現象較為普遍，開采難度大，安全風險高。固井技術是保障安岳氣田高壓深井后續(xù)鉆完井及增產的核心技術。高石梯-磨溪區(qū)塊整體固井質量較好，但φ177.8 mm尾管固井質量較差，主要原因是下部深井尾管段的地質條件復雜。為提高φ177.8 mm尾管固井質量，前期采取了增加抗污染及沖洗隔離液用量、優(yōu)化水泥漿配方，縮短稠化過渡時間、懸掛器頂部帶封隔器等技術措施，使固井質量有所提高，2014年平均固井質量合格率達41.9%，優(yōu)質率達20.5%。由于水泥漿稠化實驗溫度系數取值過高，且領漿尾漿稠化時間附加90～120 min，附加時間長，不利于水泥漿強度發(fā)展；高密度水泥漿加重材料密度低（5.05 g/cm3），惰性材料加量大，活性材料加量小，影響體系強度發(fā)展，降低了防竄能力；水泥漿與鉆井液污染嚴重，通過加入大量酸性物質如高溫緩凝劑到抗污染隔離液（酸性物質處理完鉆鉆井液）中，延長污染稠化時間，影響了界面膠結質量，嚴重制約了固井質量的提高，因此仍未達到φ177.8 mm尾管固井質量合格率70%、 優(yōu)質率40%的要求。磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井存在的難點包括以下幾點：井底溫度高（130 ℃），上下溫差大（50 ℃）； 氣水層同層，分布范圍廣（3 200～4 200 m） ，顯示活躍，后效嚴重；井徑擴大率達3.8%，環(huán)空間隙小；裸眼段長2 010 m；大斜度（75°），鉆井液密度高，達2.32 g/cm3，沖洗頂替效率難以保證；鉆井液與水泥漿污染嚴重等。針對這些難點，通過對加重材料進行優(yōu)選、對膨脹增韌機理、污染機理、優(yōu)化工藝參數等進行研究，形成了高強高密度韌性防竄水泥漿體系、高效抗污染/沖洗隔離液體系及配套工藝技術等措施，解決了高密度水泥漿強度發(fā)展慢及防竄能力差、水泥漿與鉆井液污染嚴重、界面膠結質量差等問題。磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井質量合格率達94.5%，優(yōu)質率達74.8%，為區(qū)塊整體固井質量提升奠定技術基礎，為后續(xù)鉆完井及增產提供保障。

1　高強高密度韌性防竄水泥漿體系

1.1膨脹增韌機理

膨脹增韌材料DRE-300S加量對水泥石力學性能的影響見表1。由表1可知，隨著DRE-300S加量增加，水泥石彈性模量逐漸降低，抗壓強度先升高后降低，當加量為10%時，韌性改造水泥石抗壓強度達到峰值，且體系中摻入膨脹增韌材料也可有效防止水泥石的體積收縮。DRE-300S是一種具有火山灰活性、低彈性模量的膨脹增韌材料，其與水泥水化產物反應可生成具有纖維狀、晶格膨脹效應的物質（見圖1）；該物質具有阻裂、增韌作用，提高水泥石韌性，且自身的低彈性模量特性也可降低水泥石彈性模量，實現雙重韌性改造水泥石[1-2]；晶格膨脹效應使水泥石具有微膨脹特性；而膨脹增韌材料DRE-300S的火山灰活性促進了其與水泥水化反應速率，有利于提高體系的早期強度發(fā)展，從而使摻有膨脹增韌材料DRE-300S的水泥漿具有膨脹、韌性、早強特性。

表1　膨脹增韌材料DRE-300S加量對水泥石力學性能的影響

圖1　摻有膨脹增韌材料DRE-300S的水泥石

1.2水泥漿綜合性能

對水泥漿進行溫度高點的停機實驗，從室溫開始升溫升壓到106 ℃、110 MPa、50 min，恒溫恒壓30 min后停馬達30 min，重新打開馬達，進行稠化實驗到水泥漿硬化，水泥漿稠度達到100 Bc的時間記為t稠化′。進行升降溫實驗，從室溫開始升溫升壓到101℃、110 MPa、50 min，恒溫恒壓30 min后降到90 ℃、110 MPa、20 min，進行稠化實驗到水泥漿硬化，水泥漿稠度達到100 Bc的時間記為t稠化″。結果見表2。水泥漿配方如下。

領漿 四川夾江G級水泥+110%鐵粉（密度為7.20 g/cm3）+20%高溫增強材料DRB-2S+1.5%微硅+10%膨脹增韌材料DRE-300S+1.1%分散劑DRS-1S+1.3%穩(wěn)定劑DRK-3S+3.2%降失水劑DRF-120L+2.2%緩凝劑DRH-200L+0.5%消泡劑DRX-1L+ 0.5%抑泡劑DRX-2L+69%井場水，密度為2.40 g/cm3

1#尾漿 四川夾江G級水泥+110%鐵粉（密度為7.20 g/cm3）+20%DRB-2S+1.5%微硅+10% DRE-300S+1.1%DRS-1S+1.3%DRK-3S+3.2%DRF-120L+0.55%DRH-200L+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+ 70%井場水，密度為2.40 g/cm3

2#尾漿 四川夾江G級水泥+125%鐵粉（密度6.05 g/cm3）+20%DRB-2S+1.5%微硅+10%DRE-300S+1.1%DRS-1S+1.3%DRK-3S+3.2%DRF-120L+ 0.55%DRH-200L+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+71%井場水（密度2.40 g/cm3）。

表2　高強高密度韌性防竄水泥漿的綜合性能

據表2可知，2.40 g/cm3高強高密度韌性防竄水泥漿體系具有良好的綜合性能，可滿足上下溫差50 ℃，井底溫度達130 ℃的施工要求；具有良好的防竄能力；溫度高點的停機稠化時間、升降溫稠化時間均滿足固井施工要求。

在同等條件下，用密度為7.20 g/cm3鐵礦粉加重比用密度為6.05 g/cm3鐵礦粉加重水泥漿的早期強度發(fā)展時間快1.3 h。這是因為密度高的加重材料摻入到高密度水泥漿中，大大降低了高密度水泥漿中惰性材料的含量，間接增加了高密度水泥漿中膠凝材料的含量，有效促進了水泥水化速率，縮短了體系的水化誘導期時間，提高了水泥石的早期強度。

具有火山灰活性的膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產生的堿性物質如片狀的Ca（OH）2（見圖2（a）常規(guī)密度純水泥石中含有片狀Ca（OH）2）發(fā)生反應消耗掉了水泥中的堿性物質（圖2（b）高強高密度韌性防竄水泥石中未發(fā)現明顯的片狀Ca（OH）2），從而生成了膠凝材料，促進了水泥漿的強度發(fā)展，縮短了水泥漿稠化過渡時間并增大了水泥漿對地層流體的黏滯性，水泥漿性能防竄系數SPN值均小于3，證明具有良好的防氣竄性能[3]。同時，膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產物反應生成的纖維類物質具有晶格膨脹效應，使水泥石呈現出微膨脹特性。

圖2　2種水泥石的SEM照片

1.3水泥石力學性能

由于井底溫度高，水泥石高溫長期強度易衰退；下開鉆井液密度降低易引起環(huán)空微間隙，影響層間封隔能力，而常規(guī)高溫高密度水泥石脆性大，長期強度難以保證，無法滿足工程需求。為了提高水泥石的高溫結構完整性，摻入高溫增強材料DRB-2S，其高溫下與水泥水化產物發(fā)生反應，生成高溫下有膠結能力的晶相，減少甚至消除無膠結相，有效提高了水泥石的高溫穩(wěn)定性；而其材料粒徑與水泥漿體系中其他材料粒徑形成顆粒級配，提高單位體積水泥漿體系的堆積率，降低水泥石的孔隙度和滲透率，從而保證了水泥石強度，因此在135 ℃和150℃下，水泥石抗壓強度仍超過50 MPa，見表3，且高溫長期強度無衰退。為了實現高溫水泥石的韌性改造，采用膨脹增韌材料DRE-300S的低彈性模量特性降低水泥石的彈性模量小于7 GPa，見表3；同時，膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產物反應生成的纖維類物質具有阻裂、增韌作用（如圖2（b）所示，纖維類生成物均勻分散在水泥石中），進一步改善了水泥石韌性。

因此，通過高溫增強材料DRB-2S、膨脹增韌材料DRE-300S復合改性水泥石，使水泥石呈現出“高強度、低彈性模量”的特性，通過低彈性模量降低外界作用力在水泥石中的傳遞系數，減小了外界作用力的作用強度；高強度抵御外界作用力對水泥石基體的破壞，有效保證了水泥石的力學結構完整性，保障了封隔質量。

表3　水泥石力學性能

2　高密度抗污染/沖洗隔離液體系

2.1高密度沖洗隔離液體系

沖洗、隔離一體化的高密度沖洗隔離液體系由懸浮劑DRY-S1、高溫懸浮劑DRY-S2、油基鉆井液沖洗液DRY-100L、棱形加重材料DRW-2S、重晶石組成。2種懸浮劑有效保證了體系的沉降穩(wěn)定性；油基鉆井液沖洗液DRY-100L對鉆井液中油性物質起到潤濕反轉作用，將鉆井液中的油性物質“溶解”出來，有效增強界面親水性；配合棱形加重材料DRW-2S對壁面的物理沖刷作用，進一步提高了界面清潔度，使沖洗效率較清水提高1倍，增強了界面與水泥石基體的膠結作用力，為二界面膠結質量的提高創(chuàng)造良好條件[4]。

沖洗隔離液配方為：水+3.0%DRY-S1+3.0% DRY-S2+10.0%DRY-100L+310%重晶石+30%DRW-2S+0.5%DRX-1L。其密度為2.32 g/cm3，漏斗黏度為55 s，130 ℃沉降穩(wěn)定性小于0.03 g/cm3。

2.2高密度抗污染隔離液體系

鉀鹽聚磺鉆井液常用添加劑中的磺甲基酚醛樹脂SMP-1、防塌劑聚丙烯酰胺鉀鹽KPAM、生物增黏劑等材料對水泥漿的污染增稠、稠化時間縮短現象明顯，其污染機理主要表現為大分子吸附、電荷作用等引起水泥異常膠凝、促進水泥水化縮短污染稠化時間[5-7]。由于鉀鹽聚磺鉆井液與水泥漿污染嚴重，直接影響到固井施工安全。而抗污染隔離液技術是保證固井施工安全的重要技術措施之一。但是要處理好污染問題，必須從污染機理出發(fā)，鉀鹽聚磺鉆井液與水泥漿的污染增稠主要屬于大分子吸附、電荷作用，而抗污染劑DRP-1L是有機鹽和復合鹽的混合物，主要通過螯合作用、同種電荷排斥的分散作用來降低污染漿的絮凝結構內聚力，提高污染漿的流動性，防止污染漿異常膠凝及稠化時間縮短。如表4所示，不同污染比例的抗污染稠化實驗240 min均未稠，滿足固井施工要求，證明抗污染劑DRP-1L具有良好的抗污染處理效果。

抗污染隔離液配方為：水+3.0%DRY-S1+3.0% DRY-S2+6.0%抗污染劑DRP-1L+330%重晶石+ 0.5%DRX-1L。其密度為2.32 g/cm3，漏斗黏度為52 s，130 ℃沉降穩(wěn)定性小于0.03 g/cm3。

鉀鹽聚磺鉆井液來自于磨溪009-4-X2井，密度為2.32 g/cm3。

表4　抗污染隔離液體系的抗污染效果

3　配套工藝技術

1）稠化實驗溫度系數由0.85降至0.78，縮短實驗溫差；降低稠化附加時間（領漿稠化時間附加60～100 min，尾漿稠化時間附加40～60 min）；有效減少緩凝劑加量；優(yōu)化配方，促進水泥水化，提高頂部水泥石強度。

2）固井施工前，大排量循環(huán)洗井1個循環(huán)周以上，消除后效，防止水泥漿凝固前出現地層流體竄流現象；憋壓候凝，補償因水泥漿水化失重而降低的靜液柱壓力；平衡壓力固井，堅持固井“三壓穩(wěn)”方針。

3）固井施工前，采用固井施工的大排量模擬，防止固井過程中出現井漏，為后續(xù)作業(yè)做好保障。

4）設計水泥漿多返5 m3，保證凈水泥漿充填封固段；優(yōu)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；沖洗隔離液用量為25 m3，保證接觸時間大于10 min。扶正器安放位置：裸眼造斜段為1根套管一只φ208 mm剛性螺旋扶正器；裸眼直井段為2根套管一只φ208 mm剛性螺旋扶正器；重合段為3根套管一只φ210 mm普通剛性扶正器，保證了套管居中度；施工注替排量為1.2～1.4 m3/min，提高沖洗頂替效率。

5）抗污染隔離液用量至少15 m3，有效隔離鉆井液與水泥漿；喇叭口位置處抗污染隔離液鉆桿內7 m3，套管內3 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。

4　現場應用情況及效果

根據磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井的特點，合理優(yōu)化設計固井工藝流程，入井水泥漿平均密度為2.40 g/cm3，入井抗污染及沖洗隔離液密度為2.32 g/cm3，泵注施工排量為1.2～1.40 m3/min，水泥漿頂替到位后，泄壓、檢查無回流、拆水泥頭，環(huán)空憋壓10 MPa，上提下壓中心管座封懸掛器頂部封隔器，起鉆10柱后，正循環(huán)洗井1周，再上提1柱后，關井候凝72 h。其CBL/VDL的綜合解釋結果為固井質量合格率達94.5%，優(yōu)質率達74.8%。

5　結論與建議

1.高強高密度韌性防竄水泥漿體系具有良好的綜合性能，可滿足上下溫差50 ℃，其水泥石24 h抗壓強度大于14 MPa，彈性模量小于7 GPa；135℃和150 ℃的高溫長期強度均大于50 MPa，無衰退現象；實現了水泥石的早期強度發(fā)展快、“高強度低彈性模量”特性，防止了環(huán)空微間隙。

2.高密度抗污染與沖洗隔離液體系具有良好的綜合性能，解決了鉆井液與水泥漿的污染問題，保證了固井施工安全；提高了界面的清潔程度，為界面膠結質量的提高創(chuàng)造良好條件。

3.形成了以高密度抗污染/沖洗隔離液技術、高強高密度韌性防竄水泥漿技術、配套工藝技術等為核心的配套技術措施，成功應用于磨溪009-4-X2 井φ177.8 mm尾管固井中，保證了固井施工安全，固井取得新突破，固井質量合格率為94.5%，優(yōu)質率達74.8%，促進了安岳氣田整體固井質量的提高，并為高壓深井后續(xù)鉆完井及增產提供技術保障，具有重要的推廣價值。

4.建議進一步降低溫度系數至0.75，有利于提高頂部水泥漿強度發(fā)展，并通過升降溫稠化實驗模擬水泥漿現場施工的溫度變化情況，為固井施工安全提供技術支撐。

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Liner Cementing Technology for Well Moxi009-4-X2 in Block Anyue

ZHANG Hua1, WANG Daquan2, HU Lin3
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206;2. CCDC Changqing Cementing Company, Xi’an, Shaanxi 710018; 3. Chuanzhong Oil and Gas Engineering Technology and Supervision Department, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Suining, Sichuan 629000)

AbstractIn running the φ177.8 mm liner string in well Moxi009-4-x2, many difficulties have been expected to be encountered, such as high bottom hole temperature, long cementing section, long and active oil and gas shows, drilling fluid of high density that are severely contaminated, and decreased mud density in the next interval, etc. To deal with these difficulties, a high strength high density anti-gas-migration cement slurry and a high performance contamination-resistant spacer fluid have been developed based on the choice of weighting materials and studies on these issues such as the mechanisms of enhancing the toughness of set cement through expansion, the mechanism of cement slurry contamination, and the optimization of cementing techniques. With the cement slurry, the spacer, and the corresponding techniques, the development of the strength of the top cement slurry has been accelerated, and the toughness of the high density set cement has been improved. The contamination of cement slurry and drilling fluid has been minimized, and the bond strengths of set cement with casing string and borehole wall have been enhanced. 94.5% of the liner string cemented has been up to the standard, and the merit factor of cementing job has reached 74.8%. This cementing technology provides a support for the improvement of the quality of well cementing in the area, and a guarantee for the safe and efficient development of the deep high pressure wells in Anyue gas field.

Key wordsLiner cementing; Long section of well cementing; High density cement slurry; Big temperature difference; Anti- migration

中圖分類號：TE256.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0084-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.017

基金項目：國家重大專項課題（2011ZX05021004）；中國石油集團公司項目“安岳深層優(yōu)快鉆完井與儲層改造技術現場試驗?！保?014F-1801）。

第一作者簡介：張華，工程師，男，1984年生，2012年碩士研究生畢業(yè)于西南石油大學，主要從事固井工作液體系與工藝研究。E-mail：zhanghuadr@cnpc.com.cn。

收稿日期（2015-10-9；HGF=1506M7；編輯馬倩蕓）