風(fēng)化店油田二次開(kāi)發(fā)固井技術(shù)

唐世忠，王海濱，王賀強(qiáng)，林志輝，王曉彬

(1.中國(guó)石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280；2. 中國(guó)石油大港油田公司第三采油廠 ；3.中國(guó)石油渤海鉆探第二固井公司)

風(fēng)化店油田二次開(kāi)發(fā)固井技術(shù)

唐世忠1，王海濱2，王賀強(qiáng)2，林志輝3，王曉彬1

(1.中國(guó)石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280；2. 中國(guó)石油大港油田公司第三采油廠 ；3.中國(guó)石油渤海鉆探第二固井公司)

風(fēng)化店油田采出程度高、綜合含水高、油層間隔小、層間矛盾突出，給老油田二次開(kāi)發(fā)工程中的固井質(zhì)量提出了更高的要求。針對(duì)固井難點(diǎn)問(wèn)題，從壓穩(wěn)、承壓、防竄、膨脹等方面入手，摸索出了加重隔離液、變排量頂替等調(diào)整環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，形成了以固體降失水、組合膨脹水泥漿體系為核心的固井配套工藝技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)有效解決了層間固井封隔質(zhì)量差的難題，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施5口井，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率較以往提高了37.2個(gè)百分點(diǎn)，滿足了油田二次開(kāi)發(fā)對(duì)固井質(zhì)量的要求。

風(fēng)化店油田；固井技術(shù)；二次開(kāi)發(fā)；膨脹水泥漿

隨著地下油氣資源的不斷開(kāi)采，老油田開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越大，但已開(kāi)發(fā)油田剩余可采儲(chǔ)量依然相當(dāng)可觀，因此，老油田“二次開(kāi)發(fā)”必將成為油田今后穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)[1]。

風(fēng)化店油田目前采收率僅為20.30%，預(yù)計(jì)“二次開(kāi)發(fā)”工程實(shí)施后，采收率可提高6.22個(gè)百分點(diǎn)。但該油田含油井段長(zhǎng)、層間隔層薄、層間物性差異大，由于長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)，平面上、縱向上的壓力紊亂，層間矛盾突出，要確保在同一區(qū)塊內(nèi)建立不同層系的開(kāi)發(fā)井網(wǎng)，就要求新井鉆遇油層的層間固井封隔質(zhì)量達(dá)到優(yōu)質(zhì)。為此，開(kāi)展了壓穩(wěn)水竄層、井筒承壓、防竄水泥漿、組合膨脹、變排量頂替等一系列研究與實(shí)踐工作，形成了二次開(kāi)發(fā)固井配套技術(shù)，有效解決了層間固井封隔質(zhì)量差的問(wèn)題。

1 開(kāi)發(fā)特征及固井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 開(kāi)發(fā)特征

(1)構(gòu)造破碎、斷層多、斷塊小。油田內(nèi)共有90多條斷層，形成88個(gè)自然斷塊、956個(gè)油砂體，油砂體面積大部分都小于0.1 km2。

(2)含油井段長(zhǎng)、層間間隔小。平均含油井段750 m，劃分為44個(gè)小層、79個(gè)單砂層，平均層間間隔僅為3～5 m。

(3)油田整體進(jìn)入“雙高”開(kāi)采階段。目前油田綜合含水89.3%，可采儲(chǔ)量采出程度87.45%；縱向儲(chǔ)層物性差異大，油層動(dòng)用程度逐年降低，部分儲(chǔ)層長(zhǎng)期注水沖刷，存在大孔道。油田開(kāi)發(fā)矛盾突出。

1.2 固井技術(shù)難點(diǎn)

(1)長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不明層位的高壓水層，在固井候凝過(guò)程中，高壓水層容易對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生沖蝕、繞流，在二界面形成微環(huán)隙。

(2)主力生產(chǎn)層長(zhǎng)期開(kāi)采，滲透率較原始狀態(tài)增大5～10倍，形成了低壓高滲層，在水泥漿候凝過(guò)程中，此井段大量失水，會(huì)造成水泥石的收縮程度增大，產(chǎn)生微環(huán)隙。

(3)受層間間隔小、油氣侵、水侵水竄、低壓滲漏等諸多因素的影響，層間二界面固井質(zhì)量達(dá)到優(yōu)質(zhì)的難度大。

(4)針對(duì)水侵水竄嚴(yán)重、高低壓共存的特點(diǎn)，水泥漿應(yīng)具有快凝、早強(qiáng)的防水竄特性，還要具備一定的膨脹性，而目前主體采用的液降水泥漿體系難以滿足要求。

2 固井技術(shù)措施

2.1 井眼準(zhǔn)備

(1)鉆井過(guò)程中的壓穩(wěn)。鉆井過(guò)程中的壓穩(wěn)既是安全鉆井的需要，也是確保固井質(zhì)量的需要。若未實(shí)現(xiàn)有效的壓穩(wěn)，一是發(fā)生油氣侵，在井壁上形成了不易被沖洗掉的油膜，從而阻礙了水泥與井壁的緊密膠結(jié)，造成固井質(zhì)量差[2]；二是發(fā)生水竄、水侵，則會(huì)在候凝過(guò)程中對(duì)水泥漿進(jìn)行沖蝕或繞流，產(chǎn)生微環(huán)隙，影響固井質(zhì)量。為此，在下套管前的通井過(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)井壁與鉆桿之間環(huán)空中的油氣上竄速度和鉆井液密度變化的結(jié)果，循環(huán)調(diào)整鉆井液密度，使油氣上竄速度小于10 m/h，且對(duì)應(yīng)油氣層段的鉆井液密度不降低、失水不下降；否則，應(yīng)繼續(xù)調(diào)整鉆井液密度，直至滿足前述要求，確保鉆井過(guò)程中的壓穩(wěn)，為平衡壓力固井設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)井筒堵漏承壓。在同一裸眼段內(nèi)，本身就存在著低壓高滲透、生物灰?guī)r等易漏失地層，加之為壓穩(wěn)水竄、水侵層，提高了鉆井液密度，從而加大了鉆井及固井過(guò)程中漏失的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液加入碳酸鈣纖維(BZ-DSA)、膠凝纖維(BZ-SPA)等隨鉆堵漏材料。在固井前，根據(jù)固井環(huán)空漿柱壓力計(jì)算結(jié)果，對(duì)井筒實(shí)施堵漏承壓試驗(yàn)，使其承壓能力滿足固井過(guò)程循環(huán)頂替到位時(shí)不發(fā)生漏失的要求。具體做法為：配制含有改性植物纖維(FD-1)、復(fù)合堵漏劑、剛性楔入堵漏劑(BZ-RAP)的堵漏漿，并將堵漏漿替至易漏失井段，在其上部施加壓力，使堵漏材料進(jìn)入地層孔隙及裂縫，從而提高井壁的承壓能力。

2.2 水泥漿體系

2.2.1 優(yōu)選降失水劑

降失水劑是水泥漿體系中的主要處理劑，目前水泥漿體系采用的是液體降失水劑(YXF-200L)，其失水、強(qiáng)度等均能滿足設(shè)計(jì)要求，但固井質(zhì)量欠佳，因此，依據(jù)工藝適應(yīng)性分析，優(yōu)選了固體降失水劑(YXF-200S)，并開(kāi)展相關(guān)性能的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

(1)降失水劑對(duì)水泥漿失水的控制。將不同量的液體降失水劑、固體降失水劑摻入油井水泥漿中，測(cè)試水泥漿的失水量的變化(見(jiàn)表1、表2)，以表征降失水劑的控制失水量的能力。

表1 液體降失水劑對(duì)失水量的影響情況

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，液體降失水劑能夠有效地控制水泥漿的失水量，隨著液體降失水劑加量的提升，水泥漿的失水量逐漸降低。從表2看出，固體降失水劑控制水泥漿的失水量有一個(gè)明顯的門(mén)限值，當(dāng)加量為1.5%時(shí)，固井水泥漿的失水量為127 mL，當(dāng)加量提高到1.8%時(shí)，固井水泥漿配方的失水量降低到42 mL，若繼續(xù)提高降失水劑的加量，水泥漿的濾失量緩慢降低。由此證明固體降失水劑在水泥漿中能夠起到明顯的作用。

表2 固體降失水劑對(duì)失水量的影響情況

(2)失水劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響。將不同量的液體降失水劑、固體降失水劑摻入油井水泥漿中，測(cè)試水泥漿稠化時(shí)間的變化(見(jiàn)表3、表4)，由表3可見(jiàn)，在相同條件下，隨著液體降失水劑加量的增加，水泥漿的稠化時(shí)間明顯增加，液體降失水劑具有明顯的緩凝作用。通過(guò)表4發(fā)現(xiàn)，隨著固體降失水劑加量的增加，水泥漿稠化時(shí)間沒(méi)有明顯的變化，由此證明固體降失水劑不會(huì)對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響。

表3 液體降失水劑對(duì)稠化時(shí)間的影響情況

表4 固體降失水劑對(duì)失水量的影響情況

(3)不同類型降失水劑水泥漿體系性能的對(duì)比。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，優(yōu)化形成了固體降水泥漿體系配方：華銀G級(jí)水泥+1.8%固體降失水劑(YXF-200S)+早強(qiáng)劑(HLC-1)+分散劑(GF-1)+膨脹劑+促凝劑(CaCL2)，在條件為76 ℃、26 MPa條件下，對(duì)固體降水泥漿和液體降水泥漿進(jìn)行了靜膠凝強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度發(fā)展速率的測(cè)試(見(jiàn)表5)。

從表5可知，固體降水泥漿在43.5 min時(shí)，水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到了48 Pa，此后水泥漿快速水化，在104 min時(shí)達(dá)到水泥漿的抗壓強(qiáng)度。相比于液體降水泥漿體系而言，固體降水泥漿具有早強(qiáng)的特性。

表5 不同類型降失水劑水泥漿體系強(qiáng)度測(cè)試對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，開(kāi)展了水泥漿的水化放熱速率和水化放熱量的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)(如圖1、圖2所示)。圖1中固體降水泥漿的水化放熱速率明顯先于液體降水泥漿；從圖2可以看出：固體降水泥漿在配漿后兩小時(shí)左右，其放熱量明顯加快。而水泥顆粒的水化反應(yīng)是一個(gè)放熱的過(guò)程，同等條件、相同質(zhì)量的水泥漿，放熱速率快、放熱量大說(shuō)明了水泥漿在該條件下能夠快速水化、硬化，從而證明了固體降水泥漿體系具有快凝、早強(qiáng)的特性。

圖1 不同水泥漿體系單位放熱速率對(duì)比

圖2 不同水泥漿體系單位放熱量對(duì)比

2.2.2 優(yōu)選膨脹劑

對(duì)于封固段存在高、低壓層共存的井，為實(shí)現(xiàn)高壓水層的壓穩(wěn)，使環(huán)空漿柱壓力遠(yuǎn)大于低壓層的孔隙壓力，開(kāi)展了水泥漿失水受壓差、時(shí)間影響的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)(圖3)，并測(cè)量了失水后水泥石的密度(表6)，由圖3可知，水泥漿失水量隨壓差增大、時(shí)間延長(zhǎng)而增加；從表6可以看出，隨著失水量的增大，水泥漿凝固后形成的水泥石的密度增大、體積收縮；依據(jù)能量最小原理，水泥石體積收縮一方面導(dǎo)致有效液柱壓力降低，另一方面由于凝膠懸掛作用阻止?jié){體回落，水泥石會(huì)發(fā)生指向套管的徑向體積收縮，此時(shí)二界面會(huì)出現(xiàn)微環(huán)隙[3]。

圖3 不同壓差下水泥漿失水量變化曲線

失水時(shí)間/min3075加壓1．5MPa水泥石密度/(g·cm-3)1．9782．086加壓3．5MPa水泥石密度/(g·cm-3)2．0752．120加壓6．9MPa水泥石密度/(g·cm-3)2．1302．135

為此，開(kāi)展了不同類型膨脹劑的水泥漿收縮評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)(圖4)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶格膨脹劑(YXPZ-1)和發(fā)氣膨脹劑(QJ-625)組合方式的收縮率最小，其原因?yàn)椋喊l(fā)氣膨脹劑可在水泥漿水化初期產(chǎn)生氣體，使水泥石體積增大，但氣體在高壓下壓縮，水化反應(yīng)后期收縮嚴(yán)重；晶格膨脹劑與水泥反應(yīng)，使水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生晶格膨脹，在水化反應(yīng)的后期整體體積增大。因此，發(fā)氣膨脹劑與晶格膨脹劑組合使用，使水泥漿在水化的前期和后期均產(chǎn)生膨脹，收縮率明顯降低，有利于提高水泥石與井壁的膠結(jié)密封性[4-6]。

圖4 不同膨脹劑的水泥石收縮率情況

2.3 優(yōu)化固井工藝

(1)優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)。在固井施工以及候凝過(guò)程中，井壁與油層套管之間環(huán)空的漿柱對(duì)油氣層產(chǎn)生的最小壓力是在速凝水泥漿失重時(shí)，為確保壓穩(wěn)油氣層，在速凝水泥漿、緩凝水泥漿、沖洗液、鉆井液的環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)不能壓穩(wěn)油氣層的情況下，漿柱中可增加使用加重隔離液、增加緩凝水泥漿的密度、在固井環(huán)空閘門(mén)處加壓等，使速凝水泥漿失重時(shí)漿柱對(duì)油氣層的產(chǎn)生壓力大于通井時(shí)鉆井液液柱對(duì)油氣層產(chǎn)生的壓力，并考慮壓穩(wěn)附加值(一般為0.02 g/cm3)，確保壓穩(wěn)油氣層[7-9]。

(2)變排量頂替。對(duì)于水竄、水侵嚴(yán)重的井，在固井施工的后期，將頂替排量由前期的2 m3/min調(diào)整為0.5 m3/min，在水泥漿稠化時(shí)間內(nèi)延長(zhǎng)施工時(shí)間，將水泥漿稠化安全附加時(shí)間縮短到5～10 min。該工藝可以降低頂替后期對(duì)油氣層產(chǎn)生過(guò)高的壓力，避免低壓層的漏失；同時(shí)能夠減少水泥漿在環(huán)空中靜止的時(shí)間，減緩高壓水竄層出水對(duì)水泥漿的侵入破壞，以此提高油氣層井段的固井質(zhì)量[10]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

風(fēng)化店油田二次開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)(棗1266區(qū)塊)共固井17口井，前期實(shí)施的棗1266-23井等12口未能有效識(shí)別水侵、水竄，以及未能實(shí)施有針對(duì)性的防水侵、水竄的配套工藝措施，固井質(zhì)量差，平均固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)段率僅為30.31%。通過(guò)開(kāi)展固井工藝的研究、優(yōu)化與實(shí)踐，后期實(shí)施的棗1266-14井等5口井(見(jiàn)表7)，在鉆井過(guò)程中根據(jù)水侵狀況提高鉆井液密度壓穩(wěn)油、水層，下套管前進(jìn)行承壓堵漏試驗(yàn)，采用固體降失水、組合膨脹水泥漿體系，環(huán)空漿柱中增加密度為1.60 g/cm3的加重沖洗隔離液，實(shí)施變排量頂替工藝。實(shí)施后，平均固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)段率達(dá)到67.51%，較優(yōu)化前提高了37.2百分點(diǎn)，滿足了二次開(kāi)發(fā)對(duì)固井質(zhì)量的要求。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于注水開(kāi)發(fā)的老油田，根據(jù)鉆井監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層段鉆井液密度和失水的變化判斷水侵、水竄的發(fā)生，通過(guò)調(diào)整鉆井液密度壓穩(wěn)水侵、水竄層，并以此作為平衡壓力固井的依據(jù)。

(2)固體降水泥漿體系(YX-200S)較液體降水泥漿體系(YX-200L)具有低失水、速凝、早強(qiáng)的特性，其良好的防竄性能滿足二次開(kāi)發(fā)區(qū)塊固井要求。

表7 固井配套工藝優(yōu)化及固井質(zhì)量情況統(tǒng)計(jì)

(3)采用發(fā)氣膨脹劑、晶格膨脹劑組合方式，可以較好地解決水泥漿水化反應(yīng)過(guò)程中的凝結(jié)收縮問(wèn)題，有利于兩界面膠結(jié)質(zhì)量的提高。

(4)變排量頂替工藝能夠有效調(diào)節(jié)漿柱壓力及縮短泥漿在井底的靜止時(shí)間，有助于進(jìn)一步提高二次開(kāi)發(fā)區(qū)塊防水侵、防水竄的能力。

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編輯：王金旗

1673-8217(2017)01-0127-04

2016-07-15

唐世忠，高級(jí)工程師，1969年生，1990年畢業(yè)于天津大學(xué)石油分校石油地質(zhì)勘查專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆完井工藝技術(shù)研究工作。

中油股份公司重大專項(xiàng)“大港油區(qū)大油氣田勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”的子課題“高效鉆完井及油氣層保護(hù)配套技術(shù)研究”(2012E-10)。

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