塔里木盆地超深天然氣井全過(guò)程塞流防漏注水泥技術(shù)

李曉春 李 坤 劉 銳 黃 盛 辜 濤 張興國(guó) 郭小陽(yáng)

1. 中國(guó)石油塔里木油田公司 2. “油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”·西南石油大學(xué)

塔里木盆地超深天然氣井全過(guò)程塞流防漏注水泥技術(shù)

李曉春1李 坤1劉 銳1黃 盛2辜 濤2張興國(guó)2郭小陽(yáng)2

1. 中國(guó)石油塔里木油田公司 2. “油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”·西南石油大學(xué)

李曉春等.塔里木盆地超深天然氣井全過(guò)程塞流防漏注水泥技術(shù).天然氣工業(yè)，2016, 36 (10): 102-109.

塔里木盆地庫(kù)車坳陷山前構(gòu)造帶是典型的超深超高壓高溫復(fù)雜天然氣藏，鹽膏層段和儲(chǔ)層鉆井均為多壓力層段，如何保障尾管固井既要壓穩(wěn)產(chǎn)層又要防止水泥漿漏失，成為該區(qū)塊確保氣井水泥環(huán)完整性的關(guān)鍵。為此，提出了全過(guò)程塞流注替水泥漿解決方案，以控制注水泥當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）和水泥漿雷諾數(shù)為核心，建立了裸眼地層承壓能力獲取、塞流注替排量和下套管速度計(jì)算方法；結(jié)合鹽膏層和儲(chǔ)層井段小間隙、偏心、高溫以及塞流注替時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，完成了固井工作液外加劑、外摻料優(yōu)選以及工作液用量設(shè)計(jì)。該區(qū)4井次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，以控制ECD、水泥漿雷諾數(shù)為核心的塞流注替方法能有效防止漏失，隔離液、水泥漿體系能滿足全過(guò)程塞流注替要求。結(jié)論認(rèn)為，該項(xiàng)固井技術(shù)能降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，提高頂替效率，提高尾管固井質(zhì)量，為解決庫(kù)車山前構(gòu)造帶“三超”氣井固井難題提供了新的技術(shù)途徑。

塔里木盆地 庫(kù)車山前構(gòu)造帶 高溫高壓 超深天然氣井 鹽膏層 儲(chǔ)集層 漏失 塞流 頂替 尾管固井

塔里木盆地庫(kù)車坳陷山前構(gòu)造帶是中國(guó)石油塔里木油田公司的主力氣區(qū)，其中的KS等區(qū)塊是國(guó)際公認(rèn)的超深（井深6 000～8 000 m）、超高壓（鉆井液密度超過(guò)2.55 g/cm3）、高溫（大于等于150 ℃）復(fù)雜天然氣藏。2006年四川盆地羅家2井含硫天然氣泄露事件和2010年墨西哥灣“深水地平線”事件均表明，井漏、固井質(zhì)量差造成的水泥環(huán)不連續(xù)、層間封隔不良會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故。而獲得完整的水泥環(huán)，實(shí)現(xiàn)有效層間封隔，則是保證山前構(gòu)造復(fù)雜天然氣井井筒完整性和安全高效開(kāi)發(fā)的基本前提。

在實(shí)際作業(yè)中，由于套管層次有限，難以專層專封。深部鹽膏層和儲(chǔ)層尾管固井作業(yè)常面臨同一裸眼段內(nèi)存在多套壓力系統(tǒng)，防漏和壓穩(wěn)矛盾突出。并伴隨窄間隙（11～19 mm）、套管偏心、高摩阻等地質(zhì)和工程難點(diǎn)。固井過(guò)程中頻繁漏失，導(dǎo)致水泥漿難以一次上返充滿環(huán)空，固井質(zhì)量差，水泥環(huán)不連續(xù)。為此，以控制注水泥當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）和水泥漿雷諾數(shù)為核心，提出全過(guò)程塞流注替思想，建立裸眼地層承壓能力獲取，塞流注替排量和下套管速度計(jì)算方法。通過(guò)隔離液、水泥漿體系優(yōu)化研究與漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成滿足山前構(gòu)造超深復(fù)雜氣井的全過(guò)程塞流固井技術(shù)。

1 地層特點(diǎn)及固井難點(diǎn)

1.1 地層特點(diǎn)與復(fù)雜情況

塔里木盆地庫(kù)車坳陷山前構(gòu)造帶氣井常用五開(kāi)五完井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層套管封固淺表層和上部疏松地層；第二層套管封固上部低壓易漏地層；第三層套管下至鹽層頂部，封固鹽頂以上地層；第四層套管封固鹽膏層；第五層套管封固目的層。

圖1 氣井典型井身結(jié)構(gòu)示意圖

鹽膏層以膏鹽巖、白云巖、膏泥巖為主，夾薄砂巖、軟泥巖，由于膏鹽巖沉積和塑性流動(dòng)的差異，其分布差別很大，鉆井揭示厚度幾十米至幾千米，最厚的超過(guò)3 000 m，且埋深大（最大深度達(dá)7 300 m），處于異常高壓—超高壓系統(tǒng)中，地層壓力系數(shù)介于2.10～2.55，甚至更高[1-2]。目的層以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，夾薄層泥巖，巖石層理和節(jié)理、裂隙發(fā)育。由于地層結(jié)構(gòu)和巖性特點(diǎn)，鹽膏層段與鹽下目的層段地質(zhì)條件復(fù)雜[3-4]，歸納如下。

1）鹽膏層段多為復(fù)合鹽層，地質(zhì)情況的隨機(jī)變化，底層深度預(yù)測(cè)判斷稍有不準(zhǔn)確，就會(huì)造成同一裸眼段出現(xiàn)兩個(gè)以上壓力系統(tǒng)，既存在高壓鹽水層，又存在漏失層。目的層為硬脆性地層，裂縫發(fā)育，天然氣顯示活躍。

2）超深井深部井段難以實(shí)施地層承壓測(cè)試，只能根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)和堵漏作業(yè)資料估計(jì)漏失壓力。

1.2 固井作業(yè)難點(diǎn)及需解決問(wèn)題

該區(qū)尾管固井面臨的3個(gè)主要難點(diǎn)如下。

1）超高壓地層窄密度窗口極易漏失。超高壓系統(tǒng)要求必須采用高密度、超高密度工作液（密度在2.60 g/cm3以上），以保證地層壓力平衡，滿足壓穩(wěn)。但高密度流體流變性調(diào)節(jié)困難，環(huán)空間隙窄，流動(dòng)摩阻高。尤其在尾管懸掛器處，流道的急劇變化會(huì)產(chǎn)生較大局部壓耗，窄密度窗口條件下，環(huán)空壓耗極易超過(guò)地層承壓能力造成漏失。

2）套管串偏心，非均勻環(huán)空頂替效率低。使用非標(biāo)尺寸套管，無(wú)配套扶正器。套管偏心嚴(yán)重。同時(shí)，注替排量受限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)紊流頂替。偏心、排量受限條件下如何實(shí)現(xiàn)較高的頂替效率是關(guān)鍵[5-6]。

3）界面潤(rùn)濕清洗困難。為減少長(zhǎng)鉆井周期中井壁失穩(wěn)帶來(lái)的鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)，基本采用油基鉆井液鉆井。油水不相容特性給固井膠結(jié)質(zhì)量帶來(lái)不良影響。常規(guī)的隔離液用量設(shè)計(jì)難以保證小間隙偏心條件下的高效頂替和界面潤(rùn)濕返轉(zhuǎn)，水基隔離液頂替油基鉆井液的用量設(shè)計(jì)缺少現(xiàn)成依據(jù)。

塞流流態(tài)下流體流速剖面非常平緩，頂替液與被頂替液都進(jìn)行塞流運(yùn)動(dòng)時(shí)，不容易摻混，有利于提高頂替效率。根據(jù)流體力學(xué)原理，塞流狀態(tài)下，頂替界面橫截面上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度相同，運(yùn)動(dòng)方向沿垂直于頂替界面的方向。頂替流體如同“塞子”一樣推動(dòng)被頂替流體。處于塞流流態(tài)下的流體流速較低（小于等于0.46 m/s），能有效降低窄密度窗口地層的漏失風(fēng)險(xiǎn)，但作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，工作液性能要求高，

超深井固井中應(yīng)用很少[7]。針對(duì)該區(qū)氣井超高壓窄密度窗口的特點(diǎn)，采用全過(guò)程塞流固井，在泵注和頂替全過(guò)程中采用塞流流態(tài)注替。但需解決以下問(wèn)題：

1）準(zhǔn)確獲取地層承壓能力。超深井難以開(kāi)展地層承壓試驗(yàn)，不能直接獲得承壓壓力。故準(zhǔn)確獲取地層承壓能力及計(jì)算ECD，是確定安全下套管速度、循環(huán)洗井排量及塞流注替排量設(shè)計(jì)，防止漏失的前提。

2）確定塞流注替的臨界排量。塞流注替臨界排量由水泥漿性能、環(huán)空間隙等決定，嚴(yán)格以雷諾數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。確定臨界排量后還應(yīng)考慮對(duì)應(yīng)排量下的環(huán)空壓耗。

3）根據(jù)全過(guò)程塞流注替特點(diǎn)設(shè)計(jì)隔離液性能和用量。保證低排量、偏心環(huán)空條件下的高效頂替和界面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。

4）根據(jù)確定的塞流注替排量設(shè)計(jì)水泥漿性能。鹽膏層與目的層均高溫、高含鹽、鹽水層、氣層活躍，對(duì)水泥漿抗高溫、抗鹽和防氣竄性能要求高。全程低排量注替作業(yè)要求水泥漿安全可泵時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)具備長(zhǎng)封固大溫差條件下優(yōu)良的頂?shù)讖?qiáng)度發(fā)展和高溫穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)溫度選取偏差、施工作業(yè)密度波動(dòng)造成的水泥漿性能變化，外加劑高溫敏感性都是水泥漿設(shè)計(jì)面臨的難點(diǎn)和需要考慮的因素。

2 全過(guò)程塞流注替工藝設(shè)計(jì)

2.1 地層承壓能力獲取

漏失井無(wú)法進(jìn)行地層承壓試驗(yàn)，通過(guò)鉆井期間的排量、鉆具結(jié)構(gòu)，采用“范寧—達(dá)西”公式[8]根據(jù)漏失前后的排量變化可計(jì)算出臨界排量下的環(huán)空循環(huán)壓耗，以此確定薄弱層的承壓能力，再獲得ECD。計(jì)算如下：

上兩式中Qd表示鉆井時(shí)排量，L/s；Dhi表示環(huán)空內(nèi)徑，mm；Dci表示下入鉆桿或套管外徑，mm；pf表示環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；vi表示環(huán)空返速，m/s；ρm表示環(huán)空流體密度，g/cm3；fi表示摩阻系數(shù)，無(wú)因次，鉆井液摩阻系數(shù)計(jì)算采用賓漢模式；Li表示環(huán)空長(zhǎng)度，m。

2.2 套管下入與井眼準(zhǔn)備

防止固井前下套管和循環(huán)洗井過(guò)程中的漏失是保證固井作業(yè)成功的前提，合理的循環(huán)準(zhǔn)備措施還能為固井提供較好的井眼條件。

2.2.1 下套管速度設(shè)計(jì)

套管下放過(guò)程中鉆井液沿環(huán)空上返，沿程井壁會(huì)產(chǎn)生阻力，形成作用于地層的激動(dòng)壓力[9]。下套管產(chǎn)生的激動(dòng)壓力應(yīng)小于地層承壓能力，激動(dòng)壓力大小與環(huán)空鉆井液上返速度、流變參數(shù)、環(huán)空間隙、環(huán)空長(zhǎng)度等相關(guān)?？紤]不灌漿條件下，根據(jù)堵口管激動(dòng)壓力計(jì)算方法，當(dāng)流變參數(shù)、環(huán)空間隙、環(huán)空長(zhǎng)度一定，已知地層承壓后，按式（3）計(jì)算最大允許下入速度，實(shí)際下放時(shí)，考慮附加安全系數(shù)。

式中vc表示實(shí)際套管下入速度，m/s；vcm表示套管最大允許下入速度，m/s；a表示附加安全系數(shù)，取0.5～0.75；Kc表示黏附系數(shù)，取0.4～0.5。

2.2.2 井眼準(zhǔn)備措施

下套管后，充分的循環(huán)洗井，調(diào)整鉆井液性能有利于改善泥餅質(zhì)量，提高第二界面膠結(jié)質(zhì)量[10-11]，并能降低鉆井液動(dòng)切力、塑性黏度，減小循環(huán)壓耗。該區(qū)氣井鹽膏層、鹽下目的層基本都采用高密度柴油基鉆井液鉆進(jìn)，有較明顯黏溫效應(yīng)，鉆井液塑性黏度與動(dòng)切力隨溫度升高下降明顯（如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液密度為2.30 g/cm3），但在溫度較低條件下，塑性黏度與動(dòng)切力極高。

圖2 油基鉆井液流變參數(shù)與溫度關(guān)系曲線圖

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，不同溫度條件下油基鉆井液流變性對(duì)循環(huán)壓耗影響明顯，溫度達(dá)到55℃以后壓耗才明顯降低。下套管過(guò)程中，井筒內(nèi)溫度較高的鉆井液返出，灌漿時(shí)灌入溫度較低的鉆井液，井筒鉆井液溫度降低，鉆井液黏切高，循環(huán)時(shí)環(huán)空壓耗高，且不利于頂替。但由于柴油導(dǎo)熱系數(shù)較低[0.12～0.13 W/(m·K)，水的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.55～0.70 W/(m·K)]，井筒內(nèi)油基鉆井液溫度升高緩慢，黏切值降低慢。因此，下套管后通過(guò)延長(zhǎng)循環(huán)洗井時(shí)間，增大循環(huán)周，循環(huán)3～4周，提高油基鉆井液出口溫度，并在循環(huán)過(guò)程中通過(guò)循環(huán)滴加柴油的方式，適當(dāng)提高油水比，降低黏切，充分沖刷井壁虛濾餅。

表1 不同溫度下油基鉆井液流變性變化與循環(huán)壓耗關(guān)系表

高密度油基鉆井液在窄環(huán)空中摩阻大，受地層承壓能力限制，通過(guò)控制循環(huán)排量降低循環(huán)壓耗，降低循環(huán)期間漏失風(fēng)險(xiǎn)。尾管下入坐掛后在懸掛器處會(huì)產(chǎn)生較高的局部節(jié)流壓力（pt）。根據(jù)獲取的地層承壓壓力，按式（4）和式（5）可得到下套管后最大允許循環(huán)排量（Qcm）的計(jì)算公式。

式中Qcm表示下套管后最大允許循環(huán)排量，L/s。

在該區(qū)QT-1井?177.8 mm+?182 mm尾管固井作業(yè)中，地層允許承壓7.9 MPa，根據(jù)出口鉆井液性能、環(huán)空間隙按式（5）計(jì)算方法得到下套管后最大循環(huán)排量7.0 L/s。實(shí)際作業(yè)中當(dāng)循環(huán)排量提升至6.9～7.0 L/s時(shí)井漏，漏速為3.6 m3/h，將排量降至6.3 L/s后，漏失停止，初步驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性。

2.3 塞流注替設(shè)計(jì)

固井工作液在環(huán)空流動(dòng)時(shí)有3種流態(tài)：塞流、層流和紊流，當(dāng)流體流態(tài)為紊流或塞流時(shí)能獲得較高的頂替效率。但在小間隙易漏失井中，注替排量受限，若采用紊流注替，環(huán)空壓耗會(huì)超過(guò)地層承壓能力，造成嚴(yán)重漏失。在偏心、不規(guī)則環(huán)空中，紊流注替的效率低于塞流注替的效率[11]。因此，采用塞流注替設(shè)計(jì)尾管注水泥。按塞流定義，選取冪律模式時(shí)，雷諾數(shù)Re＜100[12-14]，根據(jù)注水泥流變學(xué)設(shè)計(jì)原理[8]：

式中vpm表示塞流注替臨界排量下環(huán)空返速，m/s。

式（6）帶入式（1），Re取100，即可計(jì)算出滿足塞流注水泥的臨界排量（Qpm）。

式中Qpm表示塞流注水泥臨界排量，L/s；n表示水泥（領(lǐng)）漿流性指數(shù)，無(wú)因次；k表示水泥（領(lǐng)）漿稠度指數(shù)，Pa·sn。

求得的塞流頂替臨界排量帶入式（2），結(jié)合環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)，計(jì)算出塞流臨界排量條件下的循環(huán)壓耗環(huán)空，并折算成ECD與地層臨界漏失ECD對(duì)比。若大于臨界漏失ECD則應(yīng)降低設(shè)計(jì)排量，滿足ECD不超過(guò)臨界值的要求。按所獲得的塞流注替排量Qp（小于等于Qpm）采用全程塞流注替進(jìn)行作業(yè)。

3 工作液性能設(shè)計(jì)

性能良好的水泥漿、隔離液體系以及合理的漿柱結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)該區(qū)氣井塞流注水泥的關(guān)鍵。高密度水泥漿性能設(shè)計(jì)面臨長(zhǎng)封固段大溫差、塞流低排量頂替時(shí)間長(zhǎng)、防漏和高壓水層壓穩(wěn)防竄等要求，高密度隔離液必須滿足高溫低返速條件下的穩(wěn)定性、潤(rùn)

濕反轉(zhuǎn)和沖洗驅(qū)替能力等性能的要求。

3.1 隔離液高效頂替設(shè)計(jì)

3.1.1 性能設(shè)計(jì)

針對(duì)油基鉆井液條件下塞流注水泥作業(yè)的特點(diǎn)，通過(guò)外摻料和表面活性劑優(yōu)選，著重對(duì)高密度隔離液的高溫穩(wěn)定性，潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)和清洗效率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

塞流注水泥條件下，隔離液在環(huán)空返速低，處于高溫環(huán)境的時(shí)間遠(yuǎn)高于紊流頂替時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下，高密度隔離液的沉降穩(wěn)定性是保證注水泥安全和成功的關(guān)鍵之一。目前，塔里木油田山前高密度隔離液所用加重材料主要是密度4.50 g/cm3的鐵礦粉，并輔以部分密度4.80 g/cm3[5]的Mn3O4加重劑MicroMAX調(diào)節(jié)隔離液流型和穩(wěn)定性。常規(guī)鐵礦粉密度相對(duì)較低，粒徑大（1～100 μm），顆粒不規(guī)則，粒間摩擦力大，高密度條件下?lián)搅看?，隔離液漿體黏度高，流動(dòng)能力差。MicroMAX顆粒粒徑?。?.1～10 μm），呈球形，摩擦力小，能填充到大顆粒間，有助于改善隔離液流變性，并提高高溫下隔離液穩(wěn)定性。依據(jù)GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》對(duì)不同密度的隔離液流變性和沉降穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)（表2）。采用MicroMAX替代部分普通鐵礦粉能明顯提高高密度隔離液在高溫下的沉降穩(wěn)定性和流動(dòng)能力。

油基鉆井液條件下固井，隔離液中必須含有表面活性劑才能實(shí)現(xiàn)一、二界面的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)和對(duì)油基鉆井液的沖洗、驅(qū)替。塞流注水泥過(guò)程中，注替排量小，環(huán)空返速低，隔離液產(chǎn)生的壁面剪切應(yīng)力低，對(duì)井壁沖刷作用弱。需使用性能優(yōu)異的表面活性劑，提高潤(rùn)濕效果和增加接觸時(shí)間來(lái)降低沖刷不足的影響。根據(jù)山前氣井油基鉆井液條件下的塞流注水泥要求，采用接觸角測(cè)試方法評(píng)價(jià)了兩種表面活性劑的潤(rùn)濕性效果：將鋼片在油基鉆井液中浸泡24 h后取出，分別在鋼片表面滴上清水、含表面活性劑A的溶液、含表面活性劑B的溶液，兩種溶液中表面活性劑加量與現(xiàn)場(chǎng)隔離液表面活性劑加量相同。從圖3可以看出，清水滴加在浸油的鋼片上接觸角大（90.6°），鋼片表面親水性差，水滴難以在鋼片表面鋪展；含有表面活性劑的兩組接觸角遠(yuǎn)低于清水組，含表面活性劑A組接觸角21.3°，含表面活性劑B組接觸角16.6°，表面活性劑B潤(rùn)濕效果更優(yōu)。

根據(jù)接觸角評(píng)價(jià)結(jié)果，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法[15]評(píng)價(jià)不同表面活性劑B含量下隔離液的沖洗效率，確定表面活性劑合理的加量，隔離液密度2.30 g/cm3，沖洗時(shí)間20 min。由于塞流條件下環(huán)空返速低（小于等于0.46 m/s）[16]，結(jié)合旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)不同轉(zhuǎn)速與模擬環(huán)空返速的關(guān)系（表3），采用ZNND6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，以200 r/min作實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖4所示，隔離液中表面活性劑B加量大于4%清洗效率超過(guò)了85%。

表2 不同密度加重隔離液沉降穩(wěn)定性（93℃）表

圖3 表面活性劑接觸角測(cè)定圖

表3 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)速與模擬環(huán)空返速關(guān)系表

圖4 不同表面活性劑加量的隔離液沖洗效率圖

3.1.2 用量設(shè)計(jì)

山前鹽膏層與目的層井段無(wú)法加放扶正器導(dǎo)致幾乎全封固段偏心，受地層壓力限制采用塞流注替，原有按隔離液紊流接觸7～10 min的用量設(shè)計(jì)原則無(wú)法滿足塞流條件下對(duì)界面的潤(rùn)濕清洗和對(duì)高密度油基鉆井液的頂替。根據(jù)山前典型井身結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬計(jì)算形成了多倍體積頂替的用量設(shè)計(jì)方法（圖5）：山前鹽膏層和目的層偏心環(huán)空塞流注水泥條件下的隔離液用量要達(dá)到裸眼環(huán)空體積的1.5～2.0倍才能保證較高的頂替效率，套管偏心程度越大，所需要的隔離液用量越大。同時(shí)，塞流注替排量下，增加隔離液與界面沖洗時(shí)間也能提高界面潤(rùn)濕清洗效果。

當(dāng)油基鉆井液與水泥漿出現(xiàn)較嚴(yán)重的接觸污染時(shí)，需在隔離液中加入緩凝劑。但含緩凝劑的隔離液與水泥漿摻混后會(huì)影響水泥石強(qiáng)度發(fā)展和界面膠結(jié)質(zhì)量。對(duì)此，提出了“雙作用隔離液漿柱結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)思想：前一段設(shè)計(jì)為高流變性，加入緩凝劑，保證安全；后一段設(shè)計(jì)為較高黏度，不含緩凝劑，保持與水泥漿、鉆井液密度差（高于鉆井液0.05～0.10 g/cm3），實(shí)現(xiàn)高效頂替和防止水泥漿超緩凝。

3.2 水泥漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)鹽膏層封固段存在高壓鹽水層、漏失層，鹽下目的層封固段存在活躍氣層、易漏層，壓穩(wěn)與防漏矛盾突出，單一水泥漿柱結(jié)構(gòu)難以同時(shí)滿足壓穩(wěn)、防漏和高效頂替的要求，從稠化時(shí)間測(cè)試、流變性能和漿柱結(jié)構(gòu)等方面開(kāi)展了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.1 雙凝雙密度水泥漿柱結(jié)構(gòu)

水泥領(lǐng)漿為高密度，保持與隔離液較大的密度差（0.10～0.20 g/cm3），滿足ρ鉆井液＜ρ隔離液＜ρ領(lǐng)漿，提高塞流注替下水泥漿對(duì)隔離液的驅(qū)替效率；水泥尾漿為低密度，等于或略高于隔離液密度（+0.05 g/cm3）。根據(jù)水泥漿失重規(guī)律和壓力傳遞規(guī)律設(shè)計(jì)兩段水泥漿的長(zhǎng)度與凝結(jié)時(shí)間，保證下部封固氣、水層段的快凝水泥漿出現(xiàn)失重時(shí)，上部井段的緩凝水泥漿仍保持較高的靜液壓力；當(dāng)上部緩凝段降至水柱壓力時(shí)，下部快凝水泥漿已凝固。

3.2.2 流變性能

水泥漿流變模式采用冪律模式，流變參數(shù)按級(jí)差設(shè)計(jì)，滿足n鉆井液＞n隔離液＞n領(lǐng)漿，k鉆井液＜k隔離液＜k領(lǐng)漿要求。領(lǐng)漿段由于設(shè)計(jì)為高密度，n、k值以滿足頂替為前提；尾漿段密度相對(duì)較低，n、k值設(shè)計(jì)結(jié)合塞流注替臨界排量、環(huán)空壓耗和ECD的計(jì)算，盡量降低環(huán)空循環(huán)壓耗。

針對(duì)鹽膏層使用的高密度、超高密度水泥漿，采用超高密度鐵礦粉（GM）（密度為7.20 g/ cm3）作為加重劑，降低水泥漿的固相含量，并摻入MicroMAX作為流變性調(diào)節(jié)和穩(wěn)定漿體，改善水泥漿在窄間隙中的流動(dòng)能力和穩(wěn)定性，降低循環(huán)壓耗，保證作業(yè)安全。

3.2.3 稠化時(shí)間與防竄性能

鹽膏層與鹽下目的層井深大，注替液量大，采用全程塞流注替時(shí)間遠(yuǎn)高于紊流注替時(shí)間，水泥漿升溫時(shí)間與處于高溫環(huán)境中的時(shí)間大大延長(zhǎng)。鹽膏層封固段長(zhǎng)，多數(shù)處于跨溫區(qū)帶，溫差大。高溫緩凝劑在返至尾管懸掛器相對(duì)較低的位置后若緩凝作用不能消除，會(huì)導(dǎo)致頂部水泥漿超緩凝。還需考慮超長(zhǎng)稠化時(shí)間條件下，對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響。因此，安全泵注時(shí)間與強(qiáng)度發(fā)展、防竄要求等矛盾突出。

針對(duì)以上問(wèn)題，選擇了以L-6、HX、FS高溫緩凝劑，配合配套外加劑，形成了3套適用于鹽層與鹽下目的層塞流固井的水泥漿外加劑體系。結(jié)合塞流注水泥特點(diǎn)設(shè)計(jì)了稠化時(shí)間測(cè)試內(nèi)容及時(shí)間要求：①水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)升溫升壓時(shí)間按全程塞流注替排量計(jì)算，除水泥漿領(lǐng)、尾漿常規(guī)稠化時(shí)間外，增加領(lǐng)、尾漿溫度高點(diǎn)（循環(huán)溫度系數(shù)取值比常規(guī)稠化實(shí)驗(yàn)時(shí)提高0.05）、密度高點(diǎn)（水泥漿密度提高0.03 g/cm3），升降溫停機(jī)稠化實(shí)驗(yàn)；②領(lǐng)、尾漿常規(guī)稠化實(shí)驗(yàn)附加一定安全時(shí)間，特殊點(diǎn)稠化時(shí)間按作業(yè)時(shí)間要求。優(yōu)選出的外加劑體系能滿足高溫、跨溫區(qū)、

超長(zhǎng)頂替時(shí)間條件下的稠化時(shí)間，并能保證48 h內(nèi)水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展要求。針對(duì)防竄要求，在體系中加入Flok-2防竄劑提高水泥漿防竄能力，采用水泥漿性能系數(shù)法（SPN值）進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

目前，全過(guò)程塞流固井工藝已在塔里木油田山前KS區(qū)塊進(jìn)行了4個(gè)井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，本文以KS某井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為例進(jìn)行闡述。

4.1 鉆井概況

4.1.1 基本數(shù)據(jù)

KS某井為五開(kāi)五完井身結(jié)構(gòu)，?241.3 mm井眼采用密度2.45～2.58 g/cm3油基鉆井液鉆進(jìn)，鉆至井深7 368.2 m中途完鉆。

4.1.2 復(fù)雜情況

該井段地層以膏質(zhì)泥巖、鹽質(zhì)泥巖、泥巖為主，井段內(nèi)6 975.28 m有高壓鹽水層，7 148 m、7 226 m兩處為漏層。鉆井期間，曾發(fā)生溢流和漏失，采取鉆井液壓井、排鹽水、多次堵漏等措施后，井下情況正常。固井面臨的高溫、高壓、高密度、防漏與壓穩(wěn)矛盾突出、環(huán)空間隙小、施工壓力高等難點(diǎn)。下入的?206.38 mm無(wú)接箍套管，裸眼段無(wú)相應(yīng)扶正器，套管居中度差，水泥漿容易竄槽。

4.2 固井概況

4.2.1 管串結(jié)構(gòu)

?196.85 mm+?206.38 mm技術(shù)尾管下至井深7 368 m懸掛固井，送入鉆具為?139.7mm+?127 mm鉆桿，懸掛器位置在井深6 557 m，上層套管鞋位置在井深6 849 m。裸眼段（井深6 849～7 368 m）下?206.38 mm套管，無(wú)扶正器，重合段（井深6 557～6 849 m）下?196.85 mm套管，每3根安放1只剛性扶正器。

4.2.2 下套管與井眼準(zhǔn)備措施

根據(jù)鉆井階段漏失情況計(jì)算得到的地層承壓壓力折算ECD為2.63 g/cm3。結(jié)合固井前環(huán)空組合，計(jì)算得到下套管速度控制在0.27～0.32 m/s，下套管后循環(huán)洗井排量控制在6.0～7.0 L/s。實(shí)際作業(yè)中，根據(jù)設(shè)計(jì)速度下入套管，下完后以4.0 L/s的排量開(kāi)始循環(huán)，逐步提升至6.5 L/s，循環(huán)鉆井液3～4周。

4.2.3 水泥漿及前置液設(shè)計(jì)

本井設(shè)計(jì)采用2.58 g/cm3緩凝防氣竄水泥漿封固重合段，2.51 g/cm3快凝防氣竄水泥漿封固裸眼段。水泥漿、鉆井液不存在接觸污染，隔離液配方設(shè)計(jì)不加緩凝劑，考慮提高塞流頂替效率，增大流體密度差，隔離液設(shè)計(jì)密度為2.52 g/cm3，設(shè)計(jì)用量為裸眼環(huán)空容積。根據(jù)水泥領(lǐng)漿性能，計(jì)算滿足塞流頂替的臨界排量，得到水泥領(lǐng)漿在裸眼環(huán)空時(shí)Qpm為6.0 L/s，水泥領(lǐng)漿在重合段時(shí)Qpm為6.2 L/s。按臨界排量6.0 L/s計(jì)算得注替到位時(shí)，環(huán)空ECD（2.57 g/ cm3）小于地層承壓壓力折算ECD（2.63 g/cm3）。因此，設(shè)計(jì)最大注替排量不超過(guò)6.0 L/s。

4.2.4 施工結(jié)果

按設(shè)計(jì)固井作業(yè)執(zhí)行，實(shí)際注替排量維持在5.5～6.0 L/s，水泥漿上返至設(shè)計(jì)位置，施工過(guò)程中未發(fā)生井下復(fù)雜事故，正常碰壓斷流，候凝井口壓力正常，開(kāi)井井口不帶壓，固井聲幅測(cè)井合格率為98%，優(yōu)質(zhì)率為38.55%。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）掌握和獲取地層承壓能力，控制作業(yè)ECD是山前氣井塞流注替固井技術(shù)的核心。塞流固井技術(shù)必須與地層特性、材料優(yōu)選、流體性能設(shè)計(jì)、漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井眼準(zhǔn)備措施優(yōu)化等配套結(jié)合，制定合理的管串下入速度、注替參數(shù)和措施，保證作業(yè)成功和固井質(zhì)量。

2）根據(jù)塞流固井作業(yè)的特點(diǎn)，通過(guò)特殊外摻料、高效表面活性劑、高溫緩凝劑及其他配套外加劑優(yōu)選，得到了性能滿足該區(qū)氣井塞流固井要求的高密度水泥漿、隔離液體系。并形成了多倍裸眼體積隔離液用量，雙密度雙作用隔離液、水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)思想。

3）山前構(gòu)造帶地質(zhì)條件復(fù)雜，固井過(guò)程中發(fā)生漏失難以避免。為保證漏失條件下的充滿，應(yīng)有足夠的鉆井液和水泥儲(chǔ)備量作為補(bǔ)充手段，在漏速一定的條件下實(shí)現(xiàn)水泥漿一次上返。

4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，塞流固井能實(shí)現(xiàn)水泥漿有效封固，提高了復(fù)雜地層中的固井質(zhì)量，為解決山前構(gòu)造復(fù)雜深井超深井固井提供了新的技術(shù)途徑。地層承壓計(jì)算、鉆井液性能調(diào)整、水泥漿設(shè)計(jì)等方法也采納為《塔里木固井質(zhì)量控制與綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》推薦做法。

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(修改回稿日期 2016-10-17 編 輯 凌 忠）

Plug flow based full-process leakage-proof cementing technology for ultra-deep gas wells in the Tarim Basin

Li Xiaochun1, Li Kun1, Liu Rui1, Huang Sheng2, Gu Tao2, Zhang Xingguo2, Guo Xiaoyang2
(1. PetroChina Tarim Oilfield Company, Kurle, Xinjiang 841000, China; 2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610059, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.102-109, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The piedmont structural belt of Kuqa depression in the Tarim Basin is a typical ultra-deep complex gas reservoir with extra high pressure and high temperature, and its gypsum salt layer and reservoir is divided into multiple pressure intervals. The key for complete cement sheath of gas wells is to surely stabilize pay zones and prevent slurry loss by means of liner cementing. In this paper, the solution of full-process plug flow injecting and displacing slurry was put forward, and the method to obtain open-hole formation bearing capacity and calculate plug flow injection and displacement rate and casing lowing velocity was developed with cement equivalent circulating density (ECD) and slurry Reynolds number as the core. Then, the additive and blend of cementing fluid were optimized and the working fluid volume was designed with the characteristics of hole sections in gypsum salt layers and reservoirs taken into consideration, such as small gap, eccentricity, high temperature and long plug flow injection and displacement period. This method was tested on site by four well times. It is shown that the plug flow injection and displacement method with ECD and slurry Reynolds number control as the core can prevent leakage effectively, and the spacer fluid and slurry system can satisfy the requirements of full-process plug flow injection and displacement. It is concluded that this cementing technology can reduce leakage risk, increase displacement efficiency and improve liner cementing quality, so it provides a new technical way to solve the cementing difficulty of “Three-Highs” gas wells in the Kuqa piedmont structural belt.

Tarim Basin; Kuqa piedmont structural belt; High temperature and high pressure (HTHP); Ultra-deep gas well; Gypsum salt layer; Reservoir; Leakage; Plug flow; Displacement; Liner cementing

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.013

李曉春，1972年生，高級(jí)工程師；主要從事鉆井與固井工程方面的研究工作。地址：（841000）新疆維吾爾自治區(qū)庫(kù)爾勒市中國(guó)石油塔里木油田公司。電話：（0996）2175622。ORCID: 0000-0001-7056-5515。E-mail: lxc2174189@sina.com

郭小陽(yáng)，1951年生，教授，博士生導(dǎo)師；主要從事固井工程及材料方面的研究工作。E-mail: guoxiaoyangswpi@126.com