高壓窄密度窗口油基鉆井液固井技術(shù)

趙寶祥陳江華任國琛鄭浩鵬童岳

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司；2.中海油田服務(wù)股份有限公司湛江分公司；3.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)湛江分公司

高壓窄密度窗口油基鉆井液固井技術(shù)

趙寶祥1陳江華1任國琛2鄭浩鵬1童岳3

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司；2.中海油田服務(wù)股份有限公司湛江分公司；3.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)湛江分公司

海上油田固井作業(yè)面臨著高壓窄密度窗口易發(fā)生漏失和氣竄，油基鉆井液環(huán)境下固井井壁濾餅清洗困難，大斜度定向井固井頂替效率低等諸多挑戰(zhàn)。在分析相關(guān)固井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用高密度沖洗液提高對油基鉆井液套管壁及井壁濾餅的清洗質(zhì)量；選用聚合物增強(qiáng)水泥漿體系，在固井壓耗動態(tài)計算及壓穩(wěn)計算的基礎(chǔ)上優(yōu)化雙凝水泥漿柱設(shè)計，實(shí)現(xiàn)防漏及壓穩(wěn)儲層；采用旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)實(shí)現(xiàn)固井過程中尾管旋轉(zhuǎn)，提高沖洗液的洗井質(zhì)量及水泥漿頂替效率。上述技術(shù)措施在潿洲油田壓力系數(shù)高達(dá)1.61 g/cm3、高氣油比達(dá)358 m3/m3、密度窗口僅0.12 g/cm3的油基鉆井液固井施工中成功應(yīng)用，固井質(zhì)量評價優(yōu)良，表明該套海上油田固井技術(shù)能夠滿足高壓窄密度窗口油基鉆井液的固井需求。

高壓；窄密度窗口；油基鉆井液；固井；頂替效率

潿洲12油田開發(fā)的古近系流沙港組中低孔滲儲層井段發(fā)育為易垮塌的泥頁巖，而且儲層壓力系數(shù)高、氣油比高，開發(fā)井在產(chǎn)層段鉆遇裂縫性泥巖地層，導(dǎo)致該井段地層承壓能力低，鉆井中發(fā)生漏失，堵漏后提高地層承壓能力有限，鉆井液安全密度窗口窄。施工中兼顧井壁穩(wěn)定與儲層保護(hù)而采用了強(qiáng)封堵型油基鉆井液。油基鉆井液的使用保證了鉆井工作的順利實(shí)施，但由于油基鉆井液黏切高、與水基固井液之間相容性差，且開發(fā)井以定向井為主，井壁清洗困難，對后續(xù)的固井工作帶來極大挑戰(zhàn)［1］。針對該油田固井存在的難題，通過優(yōu)選沖洗液、合理設(shè)計水泥漿柱結(jié)構(gòu)及配套旋轉(zhuǎn)尾管固井工藝措施，形成了高壓窄密度窗口油基鉆井液固井技術(shù)。

1 潿洲12油田固井技術(shù)難題

Technical difficulties of well cementation in Weizhou 12 Oil Field

（1）產(chǎn)層壓力高、密度窗口窄。該油田儲層受地層快速沉積的影響，壓力系數(shù)高達(dá)1.61 g/cm3，開發(fā)井在產(chǎn)層段鉆遇裂縫性泥巖，油基鉆井液堵漏效果差，采用擠水泥堵漏，地層承壓能力僅提高至1.73 g/cm3；鉆井液安全密度窗口窄，鉆井液黏度高、切力大、流動摩阻大；開發(fā)井儲層采用?215.9 mm井眼下入?177 mm尾管，環(huán)空間隙窄，固井施工環(huán)空壓耗高。這些因素導(dǎo)致固井時水泥漿密度、頂替排量受到很大制約，采用常規(guī)固井工藝極易發(fā)生井漏，影響注水泥安全及封固質(zhì)量。

（2）儲層氣油比高，固井后易發(fā)生環(huán)空氣竄。測試氣油比高達(dá)358 m3/m3，由于氣體壓縮性強(qiáng)、易膨脹，而該井段密度窗口窄，制約了注水泥及候凝過程中的壓穩(wěn)措施，導(dǎo)致控制氣竄困難。同時由于水泥漿封固段長，計算其潛氣竄因子GFR達(dá)3～4，屬于固井后環(huán)空存在中等程度氣竄風(fēng)險［1］。這將影響水泥環(huán)的封隔效果，嚴(yán)重時造成環(huán)空帶壓。

（3）油基鉆井液井壁和套管壁清洗困難，濾餅難以清除。高密度的強(qiáng)封堵型油基鉆井液特性：鉆井液黏度高、黏附力強(qiáng)；鉆井液中的乳化劑和潤濕劑使井壁巖石表面反轉(zhuǎn)為親油性，水泥環(huán)難以與井壁形成良好膠結(jié)［2］。因此，油基鉆井液解決了井壁失穩(wěn)與儲層保護(hù)的問題，但造成固井井壁和套管壁清洗困難，難以有效清除濾餅，從而降低水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量，影響儲層封固質(zhì)量。

（4）油基鉆井液頂替難度大。油包水鉆井液在靜止或低剪切速率下會形成具有一定強(qiáng)度的凝膠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致高密度油基鉆井液流動摩阻大、驅(qū)替困難。大斜度定向井中，固井前置液與水泥漿易發(fā)生“竄高邊”，致使井壁低邊鉆井液頂替效果差。同時由于鉆井液安全密度窗口窄，采用常規(guī)固井工藝施工難以提高水泥漿頂替效率，水泥漿封固質(zhì)量難以保證。

2 固井技術(shù)對策

Cementing technology countermeasures 2.1 高密度油基鉆井液清洗技術(shù)

Cleanout technology of high specific gravity oil based drilling fluid

針對鉆井液安全密度窗口窄，大排量清洗存在井漏的風(fēng)險，對沖洗液開展實(shí)驗(yàn)評價。將壁面剪切應(yīng)力理論借鑒至沖洗液的研究，在W21L沖洗液基礎(chǔ)上對加重劑進(jìn)行改良，采用不同粒徑的鐵礦粉復(fù)配加重，利用W21L良好的破乳效果、鐵礦粉顆粒對泥漿及濾餅的碰撞、沖刷，調(diào)整合適的額流變性，提高沖洗液與井壁的泥漿及濾餅的壁面剪切應(yīng)力［3］。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M，改進(jìn)型高密度沖洗液在?215.9 mm井眼中?177 mm尾管頂替排量達(dá)到12 L/s即可實(shí)現(xiàn)良好的沖洗效果。利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計對沖洗效果進(jìn)行評價，在200 r/min轉(zhuǎn)速條件下沖洗7 min，沖洗效率達(dá)到93.8%［4-5］。

針對油基鉆井液固井，為了保障水泥漿與第二界面的膠結(jié)質(zhì)量，前置液必須具有良好的潤濕性能。為此對W21L沖洗液進(jìn)行潤濕性能評價實(shí)驗(yàn)。由于油基泥漿的導(dǎo)電率極低，通過向油基泥漿中混入沖洗液對其進(jìn)行破乳，實(shí)現(xiàn)對油膜的清除及潤濕反轉(zhuǎn)，而油基泥漿破乳后電導(dǎo)率增大，可以利用測量不同比例混合液導(dǎo)電電壓的大小評價沖洗液對油基鉆井液的驅(qū)除效果，當(dāng)其破乳后實(shí)現(xiàn)電傳導(dǎo)的沖洗液比例通常稱為潤濕點(diǎn)［6］。通過數(shù)組實(shí)驗(yàn)測試出該沖洗液的潤濕點(diǎn)為58%，具有良好的潤濕性能。

2.2 聚合物增強(qiáng)水泥漿體系

Polymer reinforced cement slurry system

油田儲層壓力系數(shù)高、氣油比高、封固段長、安全密度窗口窄，而水泥漿在膠凝過程中失重導(dǎo)致環(huán)空靜液柱壓力降低，需要適合的水泥漿體系防止氣竄。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，水泥漿在靜膠凝強(qiáng)度48 Pa時，不同類型的水泥漿體系表現(xiàn)出的啟動壓力不同；當(dāng)靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到240 Pa后，啟動壓力大幅增加，沒有明顯差異。因此水泥漿靜膠凝強(qiáng)度由48 Pa發(fā)展到240 Pa的時間越短，說明該體系防氣竄能力越強(qiáng)［7］。通過對防氣竄劑的篩選，實(shí)驗(yàn)評價優(yōu)選出聚合物增強(qiáng)水泥漿體系。該體系具有良好的流變性及沉降穩(wěn)定性，加入納米硅防竄劑GS13L后，使水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展更快。用多功能水泥強(qiáng)度分析儀對該體系的靜膠凝強(qiáng)度進(jìn)行測定。

測定實(shí)驗(yàn)中，聚合物水泥漿水化時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且呈直角稠化，靜膠凝強(qiáng)度快速發(fā)展，過渡時間短，低失水、水泥石致密且早期強(qiáng)度高。因此該體系具有良好的防氣竄性能，有利于提高高壓、高氣油比井的固井質(zhì)量［8］。

2.3 壓穩(wěn)和防漏設(shè)計

Design on pressure stability and circulation loss control

固井水泥漿候凝過程中隨著水泥靜膠強(qiáng)度的發(fā)展，環(huán)空液柱壓力不斷降低，在靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到阻止氣竄發(fā)生前，壓穩(wěn)是防止氣竄的有效措施。而安全鉆井液密度窗口窄，壓穩(wěn)與防止井下漏失必須兼顧。固井封固段長、存在一定的溫差，不同深度的水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展不同，產(chǎn)生的壓力損失不同。針對此問題，采用雙凝水泥漿柱設(shè)計，對進(jìn)入環(huán)空的水泥漿分段分析，根據(jù)不同段水泥漿的失水狀態(tài)，考慮靜膠凝強(qiáng)度對失重的影響，依據(jù)膠凝失水系數(shù)法計算環(huán)空液柱對氣層的壓穩(wěn)系數(shù)，進(jìn)行固井壓穩(wěn)校核［2］。

在壓穩(wěn)校核的基礎(chǔ)上，通過固井軟件CEMSAIDSU模擬注水泥施工過程，按照環(huán)空漿體的密度及排量進(jìn)行動態(tài)模擬，計算出環(huán)空的壓力分布，保證環(huán)空當(dāng)量密度小于地層漏失壓力，并確定合適的固井排量。通過對固井壓穩(wěn)校核及注水泥的動態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)與防漏的統(tǒng)籌兼顧，保障固井施工的安全。

2.4 旋轉(zhuǎn)尾管固井技術(shù)

Rotating liner cementing technology

油基鉆井液黏度高、切力大，窄安全鉆井液密度窗口下固井頂替效率低、井壁清洗質(zhì)量差。在固井洗井與注水泥過程中旋轉(zhuǎn)尾管可以在管外環(huán)空產(chǎn)生拖拽力，從尾管四周拽引前置液及水泥漿頂替鉆井液，從而提高洗井質(zhì)量及水泥漿頂替效率［9］（如圖1所示）。

圖1 旋轉(zhuǎn)套管對于頂替效果的模擬Fig.1 Simulated displacement effect of rotating casing

根據(jù)旋轉(zhuǎn)尾管速度模型，在?215.9 mm的井眼、?177.8 mm的尾管狀態(tài)下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)11 r/ min時，就可以帶動環(huán)空大部分鉆井液產(chǎn)生速度大于0.05 m/s的徑向運(yùn)動，形成有利的環(huán)空擾動［10］。而大斜度井摩阻大，為此優(yōu)選樹酯螺旋減阻套管扶正器，其抗壓強(qiáng)度高、耐高溫耐腐蝕性強(qiáng)，與常規(guī)合金扶正器相比摩擦系數(shù)小，啟動扭矩可降低15%［11］。在井眼處理順暢前提下，經(jīng)過對扶正器的優(yōu)選等綜合減阻措施，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)尾管固井。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

Field application

潿洲油田使用油基鉆井液解決井壁垮塌問題后，在潿12油田針對高壓窄密度窗口尾管固井的技術(shù)難題，采用上述綜合固井技術(shù)措施，油田開發(fā)井全部實(shí)現(xiàn)尾管固井安全施工，且測井評價固井質(zhì)量均達(dá)到優(yōu)質(zhì)。

（1）固井前置液采用1.65 g/cm3沖洗液+1.82 g/cm3隔離液的結(jié)構(gòu)，提高井壁清洗質(zhì)量，并保障固井過程中的壓穩(wěn)。100 ℃沖洗液配方為：水+消泡劑+25%W21L+0.8%隔離劑+鐵礦粉（加重劑，1200目與250目鐵礦粉復(fù)配）；100 ℃隔離液配方為：水+消泡劑+15%W21L+2.5% 隔離劑+重晶石。兩種液體的主要性能參數(shù)見表1。

表1 沖洗液配方和隔離液配方主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of flushing fluid and spacer fluid

（2）聚合物增強(qiáng)水泥漿采用雙凝首尾漿柱結(jié)構(gòu)，首尾漿密度均1.92 g/cm3，通過緩凝劑調(diào)節(jié)首尾漿的稠化時間，實(shí)現(xiàn)候凝過程中的壓穩(wěn)，校核壓穩(wěn)系數(shù)均大于1.02。水泥漿配方：首漿配方為嘉華G+35%硅粉+0.4%消泡劑+1.2%分散劑+3.5%降失水劑+0.5%納米硅+6%液硅+0.4%緩凝劑+1.5%膨脹劑+45.8%配漿水；尾漿配方為嘉華G+35%硅粉+0.4%消泡劑+1.2%分散劑+3.5%降失水劑+0.5%納米硅+6%液硅+0.3%緩凝劑+1.5%膨脹劑+45.9%配漿水。不同配方的水泥漿性能參數(shù)見表2。

表2 水泥漿性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of cement slurry

（3）旋轉(zhuǎn)尾管固井。該油田采用國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器，通過選擇高扭矩紋螺的套管、優(yōu)選樹脂螺旋套管扶正器等綜合減阻措施，實(shí)現(xiàn)了全過程的旋轉(zhuǎn)尾管固井。潿洲12油田各典型井的固井施工數(shù)據(jù)見表3。

表3 典型井旋轉(zhuǎn)尾管固井施工數(shù)據(jù)Table 3 Rotating liner cementing data of typical wells in Weizhou 12 Oil Field

（4）施工效果。在對環(huán)空壓力動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上選擇合適排量進(jìn)行固井施工，注水泥過程未發(fā)生漏失。候凝后均采用CBL-VDL水泥膠結(jié)測井方式對各井固井質(zhì)量進(jìn)行了評價，測井結(jié)果顯示各井裸眼井段封固合格率100%，平均優(yōu)質(zhì)率達(dá)87%。質(zhì)量檢測結(jié)果見表4。

表4 A10井?177 mm尾管固井測井質(zhì)量檢測結(jié)果Table 4 Logging quality detection table of ?177 mm liner cementing in Well A10

4 結(jié)論

Conclusions

（1）優(yōu)化后的加重沖洗液壁面剪貼應(yīng)力高，在較低排量下能夠提高油基鉆井液的井壁清洗效果；同時其潤濕反轉(zhuǎn)性能良好，有助于提高第二界面的水泥膠結(jié)強(qiáng)度。

（2）聚合物增強(qiáng)水泥漿體系具有低失水、直角稠化的特點(diǎn)，水泥石致密、早期強(qiáng)度高，表現(xiàn)出良好的防氣竄性能。

（3）改進(jìn)型的國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器坐掛后環(huán)空流道基本不減小，保障了窄密度窗口下固井施工排量，同時旋轉(zhuǎn)尾管固井可以大幅提高固井質(zhì)量。

References:

［1］丁士東.固井后環(huán)空氣竄預(yù)測新方法［J］.鉆井液與完井液，2003，20（6）：30-33.DING Shidong.New predicating method of annular channeling after cementing ［J］.Drilling Fluid and Completion Fluld,2003,20（6）:30-33.

［2］童杰，李明，魏周勝，辜濤，劉小利，郭小陽.油基鉆井液鉆井的固井技術(shù)難點(diǎn)與對策分析［J］.鉆采工藝，2014，37（6）：17-20.TONG Jie,LI Ming,WEI Zhousheng,GU Tao,LIU Xiaoli,GUO Xiaoyang.Difficulties and countermeasures of cementing technology in oil-base drilling fluid drilling［J］.Drilling &Production Technology,2014,37（6）:17-20.

［3］王廣雷，吳迪，姜增東，諶德寶.固井沖洗效率評價方法探討［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（2）：77-80.WANG Guanglei,WU Di,JIANG Zengdong,CHEN Debao.Discussion of evaluation method of cementing flushing efficency ［J］.Petroleum Drilling Techniques,2011,39（2）:77-80.

［4］李韶利，姚志翔，李志明，黃永鑫.基于油基鉆井液下前置液的研究及應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2014，31（3）：57-60.LI Shaoli,YAO Zhixiang,LI Zhiming,HUANG Yongxin.Research and application of cementing ahead fluid in wells drilled with oil-base drilling fluid ［J］.Drilling Fluid and Completion Fluid,2014,31（3）:57-60.

［5］王翀，謝飛燕，劉愛萍，席方柱.油基鉆井液用沖洗液BCS-020L研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2013，35（6）：36-39.WANG Chong,XIE Feiyan,LIU Aiping,XI Fangzhu.Research and application of flushing fliud BCS-020L for oil-based drilling fluid cleaning［J］.Oil Drilling &Production Technology,2013,35（6）:36-39.

［6］姚勇，焦建芳，鄧天安.川西地區(qū)頁巖氣井高密度前置液固井技術(shù)［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2014，37（4）：86-89.YAO Yong,JIAO Jianfang,DENG Tianan.Cementing technology of high-density pad fluid for shale-gas wells in Western Sichuan Basin ［J］.Natural Gas Exploration andDevelopment,2014,37（4）:86-89.

［7］牛新民，張克堅(jiān)，丁士東，陳志峰.川東北地區(qū)高壓防氣竄固井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36（3）：10-15.NIU Xinmin,ZHANG Kejian,DING Shidong,CHEN Zhifeng.Gas migration prevention cementing technologies in northeast Sichuan area［J］.Petroleum Drilling Techniques,2008,36（3）:10-15.

［8］宋健，金衍，陳勉，柳貢慧.緬甸D區(qū)塊Y-1井高壓防氣竄固井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2011，33（4）：109-112.SONG Jian,JIN Yan,CHEN Mian,LIU Gonghui.High pressure and gas migration control cementing techniques for Well Y-1 in Block D of Myanmar［J］.Oil Drilling &ProductionTechnology,2011,33（4）:109-112.

［9］趙素文，邵詩軍，段澤輝，陳江華，婁來柱，徐一龍.南海西部北部灣盆地大斜度長裸眼定向井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：27-31.ZHAO Suwen,SHAO Shijun,DUAN Zehui,CHEN Jianghua,Lou Laizhu,XU Yilong.The drilling technology of big inclination long open hole directional well in the Beibu Gulf Basin of the South China Sea ［J］.Oil Drilling &Production Technology,2011,33（1）:27-31.

［10］丁士東，高德利，于東.不同套管-井眼組合下旋轉(zhuǎn)套管速度分析研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（6）：33-35.DING Shidong,GAO Deli,YU Dong.Velocity analysis of rotating casing under different casing-borehole combination ［J］.Petroleum Drilling Techniques,2006,34（6）:33-35.

［11］張?jiān)?，鄒傳元.樹脂螺旋減阻扶正器在大位移井固井中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2012，24（4）：75-77.ZHANG Yuanxing,ZOU Chuanyuan.The application of resin screw drag reduction stabilizer in the cementing of extended reach wells ［J］.West-China Exploration Engineering,2012,24（4）:75-77.

（修改稿收到日期 2016-09-16）

〔編輯 李春燕〕

Cementing technology in the environment of oil based drilling fluid with high-pressure narrow-density window

ZHAO Baoxiang1,CHEN Jianghua1,REN Guochen2,ZHENG Haopeng1,TONG Yue3
1.CNOOC China Limited Zhanjiang Branch,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;
2.Zhanjiang Branch,China Oilfield Serνices Limited,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;
3.Zhanjiang Branch,CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,Zhanjiang 524057,Guangdong,China

The cementing operation in offshore oil fields is faced with many challenges.For example,circulation loss and gas channeling tend to happen at high-pressure narrow-density windows.When oil based drilling fluid is used,the filter cakes on the cementing wall can’t be removed easily.And the cementing displacement efficiency of highly-deviated directional wells is low.There are some technical measures to solve these problems.First,high-density flushing fluid was adopted to improve the cleaning quality of filter cakes on casing walls and borehole walls in the environment of oil based drilling fluid,after the technical difficulties related with well cementation were analyzed.Second,the polymer reinforced slurry system was adopted and bi-setting slurry column design was optimized based on the dynamic cementing pressure loss calculation and the pressure stability calculation,so that the circulation loss was prevented and the pressure stability of reservoir was realized.And third,the rotating liner cementing technology was adopted to rotate the liner in the process of well cementation so as to improve the cleanout quality of flushing fluid and the displacement efficiency of cement slurry.These technical measures were successfully applied in Weizhou Oil Field for the cementing operation of oil based drilling fluid with high pressure coefficient (1.61 g/cm3),high gas/oil ratio (358 m3/m3) and narrow density window (0.12 g/cm3).And the cementing quality was evaluated as good level.

high pressure;narrow density window;oil based drilling fluid;well cementation;displacement efficiency

趙寶祥，陳江華，任國琛，鄭浩鵬，童岳.高壓窄密度窗口油基鉆井液固井技術(shù) ［J］ .石油鉆采工藝，2016，38（6）：808-812.

TE525

B

1000-7393（ 2016 ） 06-0808-05

10.13639/j.odpt.2016.06.019

:ZHAO Baoxiang,CHEN Jianghua,REN Guochen,ZHENG Haopeng,TONG Yue.Cementing technology in the environment of oil based drilling fluid with high-pressure narrow-density window［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):808-812.

趙寶祥（1981-），2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程，現(xiàn)主要從事海洋鉆井工藝技術(shù)研究工作。通訊地址：（524057）廣東省湛江市坡頭區(qū)南調(diào)路22號。電話：0759-3911492。E-mail:zhaobx@cnooc.com.cn