裸眼事故復雜高壓氣井注側(cè)鉆水泥塞技術(shù)

黨冬紅，宋元洪，吳永超，王沖，韓革委，吳晉波，尹璐

（1.渤海鉆探第一固井公司，河北任丘062552；2.渤海鉆探油氣測試公司，河北廊坊065007 ；3.長慶油田分公司第二采油廠,甘肅慶陽745100）

SBC-200井是委內(nèi)瑞拉東部油氣田內(nèi)的一口復雜高壓油氣井。該井井身結(jié)構(gòu)：φ508 mm表層套管 ×360.98 m+φ339.7 mm技術(shù)套管 ×2174.39 m+φ244.5 mm技術(shù)套管×4864 m。四開為φ215.7 mm 井眼， 使用油基鉆井液體系， 鉆至井深4945.12 m 卡鉆， 落魚位置 4897.56～4926.83 m， 魚頂距φ244.5 mm套管鞋35.53 m；最大井斜25.23°；井下靜止溫度132 ℃。使用多種方法處理，未解卡，爆破松扣套銑至井深4897.56 m， 對35.53 m裸眼段實施注高強度側(cè)鉆水泥塞作業(yè)。該井四開鉆遇11套砂巖儲層和漏失層， 鉆井液密度1.415 g/cm3發(fā)生油氣侵， 低排量循環(huán)壓井， 將密度提高至1.44 g/cm3建立井下壓力微弱平衡，當量密度1.49 g/cm3井下漏失。地層平衡壓力69.52 MPa；漏失壓力為71.94 MPa。四開油基鉆井液密度為1.44 g/cm3，漏斗黏度為 50 s， API濾失量為 6 mL，φ600、φ300、φ6、φ3流變讀值分別為 56、 33、 7、 6， 靜止 10 s、 10 min、 30 min 的φ3讀值分別為 9、 15、 19，塑性黏度為23 mPa·s，動切力為10 Pa；含油量為73%，固相含量為24%，含水量為3%。

1 技術(shù)難點

1）側(cè)鉆水泥塞裸眼段長僅為35.53 m，側(cè)鉆點在φ244.5 mm套管鞋以下3 m，側(cè)鉆的新井眼軌跡，既不能出現(xiàn)大井斜變化率的“狗腿”現(xiàn)象，又要避開鉆具落魚。長時間處理卡鉆事故，形成“大肚子”或鍵槽狀不規(guī)則井眼，注水泥作業(yè)頂替效率低，油基鉆井液遺留，水泥混竄污染使強度下降，水泥與地層膠結(jié)能力差，不能滿足側(cè)鉆強度要求。

2）儲層壓力高，油氣活躍，地層承壓能力低，安全密度窗口窄，注水泥塞過程中的壓穩(wěn)和防漏矛盾突出。水泥漿稠化失重期，井下靜液柱壓力下降，壓力失衡，易導致氣竄和井噴事故；施工動液柱壓力高，易發(fā)生井漏，注水泥塞失敗。

3）油基鉆井液與水泥漿相容性差，兩者接觸，鉆井液破乳穩(wěn)定性降低；水泥漿受油基鉆井液污染，流動性變差，稠化時間延長甚至超緩凝，水泥石強度降低；油基泥餅的非親水性，水泥界面膠結(jié)能力差，影響水泥塞質(zhì)量。

2 優(yōu)化固井前置液體系

2.1 前置液設(shè)計原則

該井前置液設(shè)計原則有以下幾方面。①良好的相容性。前置液對油基鉆井液有良好的稀釋、溶解、置換作用，與水泥漿有良好的相容性，前置液與兩者接觸混合后有良好的流動性。②漏層封堵作用。封堵孔隙漏道，阻止水泥漿漏失和濾失，確保漿體性能和水泥返高。③改善界面條件。前置液對井壁有良好的沖洗效果，能夠促使油基泥餅親油性向親水性的潤濕翻轉(zhuǎn)，提高水泥界面膠結(jié)能力。④良好的隔離、頂替效果。利用液體間密度差浮力效應(yīng)，膠凝強度差拖曳和黏性推移作用，及有效接觸時間的作用原理，提高頂替效率，滿足ρ（鉆井液）＜ρ（隔離液）＜ρ（水泥漿）和PV（鉆井液）＜PV（隔離液）＜PV（水泥漿）的階梯差。⑤調(diào)節(jié)液柱壓力。使用合理的前置液組分結(jié)構(gòu)、密度和用量，建立井下壓力平衡。發(fā)揮壓穩(wěn)防漏作用，確保施工安全和質(zhì)量。

2.2 前置液組成及配方

前置液組分：油基沖洗液+硅酸鈉水溶液+硅粉加重隔離液。其中油基沖洗液配方：74%柴油+20%溶解稀釋劑+5%乳化劑+1%BCS-010L表面活性劑；硅酸鈉溶液：清水+55%硅酸鈉[1]；加重隔離液：清水+2.5%BCS-010L+2.5%BCS-021稀釋劑+0.1%GW-4懸浮劑+0.1%G603消泡劑，用硅粉加重至設(shè)計密度。

2.3 前置液各組分功能

油基沖洗液密度為0.96 g/cm3，沖洗隔離鉆井液，溶解稀釋井壁油污，實現(xiàn)井壁油基泥餅向親水性的濕潤反轉(zhuǎn)，改善水泥與井壁膠結(jié)條件[2]。 濃度55%硅酸鈉水溶液，密度為1.26 g/cm3，滲透到井壁泥餅或地層孔隙中，與鈣、鎂等離子反應(yīng)生成硅凝膠絮凝物，增強泥餅密實性和強度，改善泥餅質(zhì)量；沉淀堆積在孔隙喉道內(nèi)發(fā)揮膠凝堵漏作用；硅酸鈉溶液有較強去油污清洗作用，能提高井壁清潔效果；硅酸鈉對水泥中氧化物有活化作用，吸附在井壁上的硅酸鈉，可促進水泥強度發(fā)展，增強水泥界面膠結(jié)強度[1]。硅粉加重隔離液，密度為1.67 g/cm3，充分隔離驅(qū)替硅酸鈉溶液，避免與水泥漿接觸污染促凝增稠，導致“插旗桿”事故；隔離液中的硅粉，在井眼環(huán)空上返流動過程中，對井壁產(chǎn)生沖刷作用，清除井壁油污和虛厚泥餅，改善水泥界面膠結(jié)環(huán)境；硅粉顆粒在漏層孔隙喉道內(nèi)堆積，發(fā)揮橋堵作用；硅粉是隔離液和耐高溫水泥漿的共同外摻料，使兩者具有良好的相容性[3]。

2.4 性能分析

前置液與鉆井液具有良好的相容性和穩(wěn)定性。前置液中隔離液的密度、塑性黏度和動切力大于鉆井液和硅酸鈉溶液，能夠發(fā)揮較好的密度差的浮力效應(yīng)，膠凝強度差拖曳和黏性推移作用，輔以較大用量和較長的接觸時間，隔離液能夠?qū)τ突@井液產(chǎn)生較高的頂替效率。

3 水泥漿體系設(shè)計

3.1 水泥漿性能優(yōu)化

該井側(cè)鉆水泥塞作業(yè)對水泥漿性能提出以下要求。①水泥石強度。該井深度大，地層壓實性較強，巖性硬度高，回填側(cè)鉆塞的水泥石要有較高強度，以滿足側(cè)鉆要求。②低失水。失水可造成水泥漿的液相丟失，成分改變，漿體性能偏離設(shè)計要求，漿體增稠，膠凝強度快速增高，流動性降低，施工壓力增大，增加施工井漏風險；失重期延長，氣竄風險增大；稠化時間縮短，易導致“插旗桿”卡鉆事故。低失水可使?jié){體固相顆粒間充滿液相，降低顆粒間的空隙度，阻止地層流體的入侵，提高水泥漿防氣竄能力[4]。③良好的流變性。降低施工流動阻力和施工壓力，提高施工安全性，降低作業(yè)風險；管柱內(nèi)水泥漿壁面阻力小，管柱起出過程中水泥漿迅速下落，填充鉆具體積遺留空間，保證水泥塞的密實性和強度；良好的水泥漿流變性、較高的塑性黏度和動切力，利于提高水泥漿對前置液的驅(qū)替效果，減少隔離液與水泥漿的混竄量，確保水泥漿性能穩(wěn)定。

3.2 水泥漿配方及性能

依據(jù)緊密堆積理論，優(yōu)化固相顆粒間的粒徑配比，提高PVF堆積體積分數(shù)，減小固相顆粒縫隙，降低液固比和游離水量，提高漿體致密性、穩(wěn)定性、潤滑性和水泥石強度[5-7]。經(jīng)室內(nèi)大量的摸索實驗，優(yōu)選出如下配方：“B”級油井水泥+ 25%硅粉+10%微硅+ 0.3% CF40S分散劑+1% G60S降失水劑+1% BXR-300L高溫緩凝劑+0.1% G-603。該水泥漿密度為 2.04 g/cm3,塑性黏度為 96 mPa·s， 靜切力為 6/16 Pa/Pa， 動切力為 11 Pa；析水為 0， API失水42 mL， 30 Bc、 70 Bc稠化時間分別為412 min和 420 min， 12 h、 24 h、 36 h 超聲波強度分別為22.9、 25.4、 35.2 MPa。

3.3 漿體分析

水泥漿分別由水泥、硅粉和微硅3種不同粒徑固相材料級配，實現(xiàn)了固相顆粒間的緊密堆積，縮小了顆粒間空隙，提高了水泥漿密實性，36 h水泥石強度達到35.2 MPa，滿足側(cè)鉆高強度要求。水泥漿的液固比降低，自由水含量減少，析水和API失水更容易控制，相同失水量情況下，漿體密度由常規(guī)1.87 g/cm3提高到2.04 g/cm3，G60S降失水劑加量由原來的3.5%減少到了1.0%，降失水劑用量減少71.4%，且水泥漿仍然保持良好流動性。由此證明：優(yōu)化顆粒級配，不但能夠控制漿體失水，改善水泥漿的密實性，提高水泥強度，而且顆粒間的球體堆積，固相顆粒間的相互滾動潤滑，能改善漿體的流變性依據(jù)水泥漿性能系數(shù)公式計算，SPN系數(shù)僅為1.5，水泥漿具有良好的防氣竄能力。分析得出，該水泥漿體系具有優(yōu)良的綜合性能，滿足側(cè)鉆水泥塞施工要求。

4 施工液柱設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

該井地層孔隙壓力高，漏失壓力低，安全密度窗口窄。依據(jù)壓力平衡原則，設(shè)計液柱結(jié)構(gòu)。即注替過程中最大動液柱壓力小于地層漏失壓力；低密度油基沖洗液和硅酸鈉水溶液進入環(huán)空后的動液柱壓力大于地層孔隙壓力；水泥漿稠化失重期的液柱壓力大于平衡壓力。依此計算各類漿液段長和用量，實現(xiàn)壓穩(wěn)防漏。

4.2 井下壓力平衡設(shè)計

鉆井過程中鉆井液密度為1.415 g/cm3發(fā)生氣侵， 儲層孔隙壓力為68.56 MPa；循環(huán)壓井鉆井液密度調(diào)整到1.44 g/cm3， 建立井下壓力微弱平衡， 地層平衡壓力為69.52 MPa；當動液柱壓力為71.93 MPa時， 井下出現(xiàn)漏失現(xiàn)象；按施工排量為16 L/s計算，施工環(huán)空循環(huán)流阻為0.63 MPa。注水泥塞液柱設(shè)計為：油基沖洗液密度為0.86 g/cm3，套管內(nèi)段長54 m；硅酸鈉溶液密度為1.26 g/cm3，套管內(nèi)段長68 m；隔離液密度為1.67 g/cm3，套管內(nèi)段長217 m；水泥漿回填封固段4896.34～4681.90 m，段長214.44 m，失重狀態(tài)下當量密度為1.05 g/cm3。油基沖洗液和硅酸鈉溶液進入環(huán)空后的動液柱壓力為69.73 MPa，大于地層平衡壓力69.52 MPa；注替終了動液柱壓力為71.53 MPa，小于漏失壓力71.93 MPa；注替結(jié)束管柱起至加重隔離液頂部，將油基沖洗液和硅酸鈉溶液循環(huán)出井后，繼續(xù)循環(huán)鉆井液直至水泥漿稠化，水泥漿失重時液柱壓力為69.83 MPa，大于地層平衡壓力69.52 MPa。綜合以上數(shù)據(jù)，注水泥塞作業(yè)全過程能夠?qū)崿F(xiàn)壓力平衡，壓穩(wěn)油氣層，避免漏失情況發(fā)生。

5 配套措施

注水泥塞管柱結(jié)構(gòu)為：φ88.9 mm×壁厚6.45 mm油管×長度410 m +φ127 mm鉆桿。薄壁6.45 mm油管壁體積僅為1.72 L/m，管柱排開水泥漿量少，內(nèi)徑尺寸大，管柱內(nèi)水泥漿下沉流阻小。且薄壁油管抗拉強度低，一旦發(fā)生卡管柱事故，處理簡單，經(jīng)濟損失小。采取的技術(shù)措施有以下幾方面。①注水泥塞作業(yè)過程中，以20～30 r/min的速度轉(zhuǎn)動鉆具，攪動不規(guī)則井筒內(nèi)鉆井液，使其旋轉(zhuǎn)流動，降低鉆井液靜切力，提高水泥漿對鉆井液和前置液的頂替效率。②以16 L/s低排量施工，降低施工流阻，確保作業(yè)過程中的動液柱壓力小于地層漏失壓力；利用塞流的平推作用，提高環(huán)空頂替效率。③依據(jù)施工管柱內(nèi)外壓差，控制合理的平衡液密度和用量；精確計量替漿量，確保管柱內(nèi)外壓力平衡，水泥漿不混竄污染。④注替結(jié)束，管柱在水泥塞段內(nèi)時，起鉆控制較低的上提速度，使油管內(nèi)的水泥漿有充足時間下沉流出管內(nèi)，填充油管起出后的余留空間，確保水泥塞的密實性。

6 現(xiàn)場施工

通井至魚頂深度，大排量循環(huán)洗井，攜帶干凈井下巖屑，在井壁穩(wěn)定前提下，調(diào)整鉆井液黏度和切力至最低值；起鉆下入注漿管柱至設(shè)計深度，以20～30 r/min的速度轉(zhuǎn)動鉆具，循環(huán)調(diào)整鉆井液2～3周；注入密度為 0.86 g/cm3油基沖洗液 2.0 m3，密度為1.26 g/cm3硅酸鈉水溶液2.5 m3，密度為1.67 g/cm3硅粉加重隔離液8.0 m3，密度為2.04 g/cm3水泥漿8.0 m3；注后置平衡液1.6 m3，油基沖洗液1.1 m3和設(shè)計量的鉆井液；起管柱至隔離液頂部位置，循環(huán)鉆井液直至水泥漿稠化，關(guān)井侯凝36 h，下鉆探修水泥塞面，水泥強度達到側(cè)鉆要求。

7 結(jié)論

1. 裸眼事故復雜高壓氣井注側(cè)鉆水泥塞作業(yè)，建立施工全過程的井下壓力平衡，是施工安全和成功的前提。

2.優(yōu)化水泥漿配方，實現(xiàn)漿體高致密、高強度、低失水，是窄密度窗口高壓氣井注側(cè)鉆水泥塞的基礎(chǔ)。

3．環(huán)空替凈封實，實現(xiàn)油基泥餅向親水性的濕潤翻轉(zhuǎn)，是保證水泥漿高強度和膠結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵。