華北油田楊稅務(wù)潛山內(nèi)固井技術(shù)

和建勇，　李擁軍，　宋元洪，　崔樹清，　馬倩蕓，　唐鴻斌，　李歡

（1.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062550；2.華北油田公司勘探事業(yè)部，河北任丘 062550；3.渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300457）

河西務(wù)潛山帶位于廊固凹陷東部，是受河西務(wù)斷層、楊稅務(wù)斷層控制的“地壘”型潛山帶，整體呈南高北低、東高西低的構(gòu)造背景，潛山頂部主要為中奧陶統(tǒng)，包括峰峰組（O2f）、上馬家溝組（O2s）、下馬家溝組（O2x）、亮甲山組和冶里組地層，潛山內(nèi)幕則發(fā)育寒武系、青白口系、薊縣系等碳酸鹽巖地層；潛山頂面之上依次由石炭系—二疊系和古近系覆蓋[1]。隨著潛山油氣藏勘探開發(fā)程度的不斷提高，潛山油藏年產(chǎn)量急劇下降，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)潛山內(nèi)高效油氣儲(chǔ)量，華北油田在冀中坳陷廊固凹陷楊稅務(wù)潛山構(gòu)造先期部署了安探1X、安探2X、安探3等3口重點(diǎn)探井，目的是為了探明上馬家溝、下馬家溝、亮甲山組油氣儲(chǔ)量。在潛山內(nèi)固井，固井質(zhì)量直接影響大型體積壓裂求產(chǎn)效果。因此固井作業(yè)成為楊稅務(wù)潛山開發(fā)的關(guān)鍵工序之一。楊稅務(wù)潛山內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層壓力系數(shù)為0.94～1.09，存在多套活躍油氣層共存、埋藏深、易漏失、地溫梯度高、小井眼小間隙、尾管封固段長(zhǎng)、對(duì)水泥環(huán)完整性要求高等特點(diǎn)，給潛山內(nèi)φ127 mm尾管固井帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，固井施工安全和固井質(zhì)量難以保證。針對(duì)以上固井難點(diǎn)，結(jié)合安探1X井、安探3井φ127 mm尾管固井出現(xiàn)的憋高壓、固井工具失效等復(fù)雜情況，探索出一套提高華北油田深層潛山內(nèi)固井質(zhì)量的工藝技術(shù)，該技術(shù)在安探2X井φ127 mm尾管和安探4X井φ177.8 mm尾管固井推廣應(yīng)用，為今后華北油田楊稅務(wù)潛山內(nèi)固井提供技術(shù)支撐。

1　井身結(jié)構(gòu)

楊稅務(wù)潛山構(gòu)造井身結(jié)構(gòu)為：一開使用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深400 m，下入φ339.7 mm套管常規(guī)固井；二開使用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深3 000～3 500 m，下入φ244.5 mm套管雙級(jí)固井；三開使用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 800～4 900 m，下入φ177.8 mm套管尾管固井；四開使用φ152.4 mm鉆頭鉆至井深5 500～5 900 m，下入φ127 mm套管尾管固井，再使用φ177.8 mm套管回接固井。

2　超深小間隙尾管固井難點(diǎn)

2.1　井底溫度高

水泥漿在高溫條件下穩(wěn)定性差，高溫外加劑敏感性較強(qiáng)，水泥漿失水及稠化時(shí)間不易調(diào)節(jié)。先期部署的3口井，安探2X井井底靜止溫度195 ℃，尾管懸掛器位置靜止溫度150 ℃，要求封固地層上下溫差達(dá)到45 ℃，在大溫差條件下重合段水泥容易出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象[2]，將嚴(yán)重影響后期作業(yè)。

2.2　尾管段長(zhǎng)、環(huán)空間隙小

φ127 mm尾管固井裸眼井段理論水泥環(huán)厚12.7 mm，尾管懸掛器最大外徑為147 mm，水泥環(huán)厚度為5 mm，屬于小間隙尾管固井作業(yè)。通井作業(yè)中，由于井深、裸眼段長(zhǎng)、環(huán)空間隙小，循環(huán)壓耗大，受壓力限制通井循環(huán)排量受限，裸眼大肚子井段沉砂驅(qū)替不干凈，固井過程中水泥漿的稠度較高，攜帶沉砂上返，易在重合段或小井眼井段發(fā)生環(huán)空憋堵，憋漏地層或管內(nèi)預(yù)留水泥塞[3]，造成水泥漿低返，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

2.3　地層壓力系數(shù)低、油氣層活躍

潛山內(nèi)地層壓力系數(shù)低，且油氣層活躍。由于地層承壓能力低，水泥漿密度和施工排量受到限制，下套管作業(yè)激動(dòng)壓力和固井環(huán)空液柱壓力增加易造成井漏。安探1X和安探2X井分別在井深5 104.94 m、4 911 m鉆進(jìn)過程中發(fā)生溢流，碰壓后起出中心管，管內(nèi)外壓力平衡被破壞，易發(fā)生油、氣、水竄，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量[4]。

2.4　水泥環(huán)完整性要求高

固井作業(yè)后，采用體積壓裂技術(shù)增產(chǎn)，對(duì)水泥環(huán)的完整性要求更高。常規(guī)水泥石在體積壓裂條件下易破碎，壓裂過程中容易發(fā)生層間互竄。若上部回接井段固井質(zhì)量較差，使得井口出現(xiàn)環(huán)空帶壓或冒油冒氣現(xiàn)象，周邊環(huán)境受到影響，井口裝備和作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重影響油氣井的壽命。

3　超深小間隙尾管固井技術(shù)

3.1　井眼清潔技術(shù)

超深小間隙尾管模擬套管剛性合理選配鉆具組合，采用3個(gè)扶正器通井，扶正器外徑選擇φ146 mm。下鉆到底后，充分循環(huán)鉆井液，啟動(dòng)所有的凈化設(shè)備，如振動(dòng)篩、除砂器等，循環(huán)排量選擇環(huán)空返速達(dá)到1.2 m/s，循環(huán)處理鉆井液不少于2周，循環(huán)正常后配制8～10 m3黏度為150 s左右的高黏鉆井液，裹砂1次。高黏鉆井液中加入了纖維[5-6]，其具有抗高溫性能，有助于清除井底及大肚子井段沉砂。起鉆之前注入的封閉漿禁止加入塑料小球潤(rùn)滑，以免影響尾管懸掛器坐掛。

3.2　井下工具附件設(shè)計(jì)

1)懸掛器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。φ127 mm尾管固井環(huán)空間隙小，理論設(shè)計(jì)增加懸掛器坐掛后過流面積，可降低循環(huán)阻力。安探3井φ177.8 mm尾管固井采用內(nèi)嵌式卡瓦懸掛器，坐掛后過流面積比普通懸掛器增加34%[7]，但下完套管后開泵困難，受循環(huán)壓力限制，循環(huán)排量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。分析原因認(rèn)為內(nèi)嵌式卡瓦懸掛器整體過流面積雖增加，但單孔尺寸減小，大顆粒的沉砂不能通過，循環(huán)和固井作業(yè)易發(fā)生憋堵等問題，影響固井施工安全。安探2X井選用普通懸掛器，配合井眼清潔技術(shù)，循環(huán)排量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證了固井施工安全。

2）扶正器設(shè)計(jì)。φ127 mm尾管固井環(huán)空間隙小，如果裸眼段采用鉸鏈?zhǔn)綇椥苑稣鳎艽氯脒^程中，扶正器易損壞，影響套管安全下入。因此，安探區(qū)塊直井采用整體彈弓彈性扶正器（見圖1（a）），外徑為φ152 mm，定向井采用套管旋流短節(jié)扶正器（見圖1（b）），外徑為φ146 mm，保證套管安全下入。

小間隙固井由于環(huán)空間隙小、套管居中度及注替排量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，固井質(zhì)量很難保證的情況，以安探2X井為例，對(duì)比裸眼段最大井徑186.24 mm（井深5 425 m）處頂替效率，分析套管居中度對(duì)固井頂替效率的影響。一是按設(shè)計(jì)在裸眼井段的關(guān)鍵處加入套管旋流短節(jié)扶正器，該處平均套管居中度為7.05%（見圖2（a）、圖3（a））；二是在裸眼井段加入剛彈相間扶正器，該處平均套管居中度為55.06%（見圖2（b）、圖3（b））。由此可知，在其他參數(shù)相同的條件下，套管居中度越高，固井頂替效率就越高。因此，在保證套管安全下入的前提下，關(guān)鍵井段扶正器按照剛彈相間設(shè)計(jì)，頂替效率可以達(dá)到90%以上。

圖1　整體彈弓彈性和套管旋流短節(jié)扶正器

圖2　不同設(shè)計(jì)方法扶正器對(duì)安探2X井裸眼井段套管居中度的影響

圖3　井深5 425 m處橫向剖面頂替效率模擬曲線

3）前置液設(shè)計(jì)。清除低固相鉆井液形成的泥餅，最有效的方法就是使用含有氧化劑的沖洗液[8]，因此注水泥前必須使用含有氧化劑的沖洗液（10%JPY-01水溶液）清除井壁泥餅和清洗管壁。但淡水低固相鉆井液與水泥漿的相容性差，因此在使用沖洗液的同時(shí)，還必須選用一種沖洗加重隔離液，間隔鉆井液與水泥漿，為此選用菱角形加重材料配制沖洗隔離液（水+高溫懸浮劑+沖洗劑+加重材料+抗污染劑），既提高沖洗效果，又可以隔離鉆井液與水泥漿，保證施工安全。沖洗液及沖洗隔離液性能見表1。由此可知，相同條件下沖洗加重隔離液比單一的沖洗液沖洗效率高。由于室內(nèi)模擬條件與實(shí)際情況存在差異，為使井壁和套管壁沖洗干凈，在設(shè)計(jì)沖洗接觸時(shí)間上附加45%～70%，保證有效接觸時(shí)間達(dá)到10 min以上。因此，φ127 mm尾管固井沖洗液一般用量為2～3 m3，沖洗隔離液用量為10～15 m3，能夠解決井壁的水潤(rùn)濕情況，提高水泥漿頂替效率和界面膠結(jié)質(zhì)量。

表1　沖洗液及沖洗隔離液性能

4）韌性水泥漿設(shè)計(jì)。在潛山內(nèi)進(jìn)行體積壓裂，套管和水泥環(huán)均要承受高強(qiáng)度的擠壓，要求水泥石具有一定的塑性形變，用來滿足水泥環(huán)的完整性，達(dá)到保護(hù)套管和有效封隔油氣層的目的。為提高水泥漿的防竄性能，在水泥漿中加入膠乳防竄劑和防竄調(diào)節(jié)劑[8]。并在水泥漿中加入增韌劑和增強(qiáng)材料，提高水泥石的抗拉強(qiáng)度和塑性形變的能力，提高抗沖擊動(dòng)能的吸收，延緩微裂縫的擴(kuò)展速率，增強(qiáng)水泥石的韌性[9]。水泥漿配方如下。

G級(jí)水泥+40%高溫增強(qiáng)材料DRB-2S+5%增韌材料DRE-300S+0.8%分散劑DRS-1S+0.5%懸浮劑DRY-S2+0.8%穩(wěn)定劑DRK-3S+8%膠乳防竄劑DRT-100L+1.2%防竄調(diào)節(jié)劑DRT-100LT+2.5%降失水劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+（1.3%、2.2%）緩凝劑DRH-200L +48%現(xiàn)場(chǎng)水

水泥漿性能見表2，稠化曲線見圖4。由此可知，稠化曲線有波動(dòng)，但是稠度控制在20 Bc左右，尾漿同樣具有良好的可泵性，不影響現(xiàn)場(chǎng)施工。

表2　韌性水泥漿基本性能

圖4　楊稅務(wù)潛山內(nèi)φ127 mm尾管固井用韌性水泥漿稠化權(quán)限

采用三軸巖石應(yīng)力儀，考察了增韌材料對(duì)水泥石力學(xué)形變能力的影響[10-12]，其三軸差應(yīng)力－應(yīng)變曲線見圖5。

圖5　楊稅務(wù)潛山內(nèi)φ127 mm尾管固井用韌性水泥漿水泥石的三軸差應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖5可以看出，水泥石在低差應(yīng)力下表現(xiàn)出較好的韌性，隨著差應(yīng)力逐漸增加，水泥石應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)達(dá)到極限差應(yīng)力40 MPa時(shí)，水泥石應(yīng)變?yōu)?.03%，水泥石瞬間碎裂。因此在大型體積壓裂求產(chǎn)過程中，控制差應(yīng)力不超過40 MPa，可以保持水泥石的完整性，實(shí)現(xiàn)油氣水層有效封隔。

5）膠塞試下技術(shù)。目前，固井作業(yè)計(jì)量主要采用渦輪式流量計(jì)，該流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，計(jì)量誤差為±3%，滿足常規(guī)固井作業(yè)基本要求。但對(duì)于復(fù)合鉆具+小尾管固井頂替液設(shè)計(jì)復(fù)雜，頂替過程中開停泵、鉆井液儲(chǔ)存罐更換次數(shù)頻繁，容易出現(xiàn)計(jì)量誤差大，固井不能保證正常碰壓，且替漿時(shí)易造成管內(nèi)留塞或環(huán)空替空事故。針對(duì)以上問題，下尾管前采用復(fù)合鉆桿膠塞試下的方法，入井管柱結(jié)構(gòu)為復(fù)合鉆桿 +滑套短節(jié)+刮壁器，對(duì)送入鉆具的內(nèi)容積、內(nèi)表面及復(fù)合膠塞的通過能力、隔離能力、耐磨損能力和流量計(jì)的誤差進(jìn)行校對(duì)，確保固井施工計(jì)量準(zhǔn)確，防止管內(nèi)留水泥塞或環(huán)空替空，漏封油氣層。

6）關(guān)鍵點(diǎn)壓力設(shè)計(jì)。通過軟件模擬關(guān)鍵點(diǎn)施工壓力變化情況，進(jìn)一步優(yōu)化施工參數(shù)，保證固井施工期間關(guān)鍵點(diǎn)處于壓力平衡狀態(tài)。從先期完成的3口井來看，楊稅務(wù)潛山內(nèi)油氣藏活躍，要求固井施工必須實(shí)現(xiàn)三壓穩(wěn)。例如，安探2X井鉆進(jìn)至井深4 911 m時(shí)，全烴值達(dá)到99.99%，槽面見2～5 mm氣泡密集，液面升高約2 cm，鉆井液入口密度為1.05 g/cm3，取樣點(diǎn)火試驗(yàn)，淡藍(lán)色火焰。通過加重鉆井液密度至1.09 g/cm3恢復(fù)鉆進(jìn)。

圖6　安探2X井4 911 m固井施工壓力當(dāng)量密度預(yù)測(cè)曲線

從圖6可知，井深4 911 m處固井期間壓力當(dāng)量密度控制在1.23～1.29 g/cm3之間變化，大于地層孔隙壓力當(dāng)量密度，小于漏失壓力當(dāng)量密度。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工數(shù)據(jù)對(duì)比，固井施工期間沒有發(fā)生漏失、溢流等復(fù)雜情況，軟件模擬與實(shí)際施工效果相符合。但正常碰壓后起出中心管，破壞原有的壓力平衡。為保證固井候凝期間壓力平衡，鉆具起到安全位置，循環(huán)清理多余的水泥漿，關(guān)井憋壓候凝，使井筒實(shí)現(xiàn)二次壓力平衡。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1）安探2X井φ127尾管固井。安探2X井四開使用φ152.4 mm鉆頭鉆至井深5 899 m，完鉆鉆井液密度為1.13 g/cm3，黏度為95 s，初切為2 Pa，終切為4 Pa，最大井斜為24.31°/5 825 m，最大井徑為186.4 mm/5 400～5 425 m，實(shí)測(cè)井底靜止溫度為195 ℃。φ127 mm尾管下深為5 896 m，尾管全長(zhǎng)為1 284.81 m，阻位為5 827.29 m，下入鋁合金剛性扶正器3只，旋流短節(jié)12只。固井前鉆井液密度為1.13 g/cm3，黏度為87 s，初切為2 Pa，終切為4 Pa。

2）井眼清潔。采用三扶通井，三扶通井管串中扶正器外徑為φ146 mm，通井到底后，充分循環(huán)鉆井液，并啟動(dòng)所有的凈化設(shè)備，循環(huán)排量1.2 m3/min，處理鉆井液3周，循環(huán)正常后配制加入纖維且黏度為155 s的高黏鉆井液8 m3，裹砂1次。

3）施工過程。下完套管循環(huán)排量1.05 m3/min，最高泵壓20 MPa。固井依次注入2 m3沖洗液JPY-01、7.5 m3密度為1.40 g/cm3沖洗隔離液、2 m3配漿水；4.8 m3密度為1.85 g/cm3領(lǐng)漿、9 m3密度為1.85 g/cm3尾漿，注灰排量為0.81 m3/min；1 m3壓塞液、12 m3密度為1.40 g/cm3間隔液、30.4 m3密度為1.13 g/cm3鉆井液，替漿排量1 m3/min，最高泵壓為15 MPa，碰壓18 MPa。

3）質(zhì)量分析。該井采用八扇區(qū)固井質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，由固井質(zhì)量聲幅圖可知，實(shí)現(xiàn)了油氣水層的有效封隔，固井質(zhì)量合格。但部分井段膠結(jié)中等，對(duì)比井徑、聲幅圖和扶正器的加法，今后還需優(yōu)化井眼清潔技術(shù)措施，采用軟件合理設(shè)計(jì)扶正器，提高套管居中度，提升固井一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

5　結(jié)論

1.采用旋流短節(jié)扶正器，解決了超深小間隙尾管下套管過程中，扶正器損壞造成的卡套管等復(fù)雜事故，保證了套管安全下入。

2.采用軟件模擬頂替效率和預(yù)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)壓力變化情況，合理調(diào)整施工參數(shù)，預(yù)防井下漏失，實(shí)現(xiàn)活躍油氣層壓穩(wěn)，保障固井施工實(shí)現(xiàn)“三壓穩(wěn)”。

3.采用韌性防氣竄固井水泥漿體系，配合批混批注技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了注入井筒內(nèi)水泥漿密度均勻，確保水泥漿性能穩(wěn)定，水泥石韌性滿足體積壓裂要求。

4.采用復(fù)合膠塞試下技術(shù)，驗(yàn)證送入鉆具的內(nèi)容積、內(nèi)表面及復(fù)合膠塞的通過能力、隔離能力、耐磨損能力。并對(duì)流量計(jì)的誤差進(jìn)行校對(duì)，防止管內(nèi)留水泥塞或環(huán)空替空，漏封油氣層。