窄密度窗口正注反擠低密度水泥漿固井技術(shù)

丁志偉，李嘉奇，趙靖影，張明輝，殷昌盛，何理

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.西南油氣田分公司勘探事業(yè)部，成都 610000；3.西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部，成都 610021；4.中國石油天然氣股份公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；5.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552；6.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610052）

鎣北1井是西南油氣田分公司在四川盆地川東地區(qū)華鎣山北段曾家山西潛伏構(gòu)造布置的一口預(yù)探井，為探索下古生界震旦系燈四段、寒武系龍王廟組，兼探洗象池組地層含氣性，對尋找后備氣藏，拓展資源戰(zhàn)略空間具有重要意義。

1 地質(zhì)工程概況

鎣北1井采用φ333.4 mm鉆頭鉆至井深3660 m中途完鉆，擬下入φ273.05 mm套管固井，封固上部相對低壓地層，為下步鉆進創(chuàng)造條件。該井在本開鉆井期間漏層分布廣，在993.00～3308.98 m井段均有分布，在長興組、龍?zhí)督M、茅口組、韓家店組、小河壩組、洗象池組、高臺組累計有20個漏層，最大漏速82 m3/h，中途完鉆鉆井液密度為1.20 g/cm3，通過軟件模擬推算地層ECD值為1.24 g/cm3，固井施工井漏風(fēng)險大；油氣顯示活躍，在鉆井過程中，龍?zhí)督M、茅口組、梁山組、龍馬溪組、十字鋪組、桐梓組、洗象池組、高臺組、長興組存在22個油氣顯示，其中桐梓組（2365.50～2367.00 m）全烴峰值高達95.6497%，井漏和氣竄共存，安全密度窗口窄（1.20～1.24 g/cm3），固井防竄防漏的漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，固井施工過程兼顧壓穩(wěn)和防漏風(fēng)險大；環(huán)空間隙大，井眼不規(guī)則，混漿嚴重，影響頂替效率和固井質(zhì)量；低溫低密度水泥漿強度低及發(fā)展慢，候凝時間長，竄氣風(fēng)險大。

針對該井存在的上述固井技術(shù)難點，采用正注反擠固井施工方案，正注水泥漿封固2400～3660 m，采用密度為1.23 g/cm3低密度高強度韌性防氣竄水泥漿體系封固2400～3000 m井段，密度為1.90 g/cm3常規(guī)密度韌性防竄水泥漿體系封固3000～3660 m井段；反擠裸眼段490～2400 m井段，采用密度為1.23 g/cm3低密度高強度韌性防氣竄水泥漿體系；反擠重合段0～490 m井段，采用密度為1.90 g/cm3常規(guī)密度韌性防竄水泥漿體系。

2 低密度高強度韌性防竄水泥漿體系開發(fā)

低密度高強度韌性防竄水泥漿體系采用玻璃微珠為減輕材料，配合微硅、懸浮穩(wěn)定劑DRK-3S、增強材料DRB-1S、早強劑DRA-1S，確保了低密度水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性，水泥石強度發(fā)展快；結(jié)合具有火山灰活性的膨脹增韌材料DRE-300S[1]，促進了水泥水化反應(yīng)速率，提高了水泥漿的強度，縮短了水泥漿稠化過渡時間，水泥漿SPN值均小于3，具有良好的防氣竄性能[2-5]。

膨脹增韌材料DRE-3S與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成具有晶格膨脹的晶體物質(zhì)，使水泥石表現(xiàn)出微膨脹特性。另外利用膨脹增韌材料DRE-300S中的增韌材料自身的低彈性模量實現(xiàn)了水泥石的低彈性模量，保障了水泥石的結(jié)構(gòu)完整性[6-9]，防止后期作業(yè)因井筒溫度壓力變化，引發(fā)環(huán)空微間隙，導(dǎo)致環(huán)空帶壓。低溫下，早強劑DRA-1S促進增強材料DRB-1S中的超細水泥水化反應(yīng)，超細水泥水化產(chǎn)物通過顆粒級配提高堆積密實度，從而提高水泥石低溫下的抗壓強度[10-13]。

水泥漿中摻入中低溫緩凝劑DRH-1L和抗鹽降失水劑DRF-1S，使其稠化時間可調(diào)，保障了施工安全。因此，低密度高強度韌性防竄水泥漿體系具有沉降穩(wěn)定性好、零析水、稠化時間可調(diào)等良好的綜合性能，且水泥石彈性模量小于7 GPa，具有微膨脹特性，領(lǐng)漿頂部30 ℃下48 h強度為9.5 MPa，循環(huán)溫度62 ℃下24 h強度為14.5 MPa，62 ℃下靜膠凝強度7.5 h起強度，正注和反擠水泥漿性能均滿足固井施工要求。實驗數(shù)據(jù)見表1，水泥漿配方如下。

1#（正注水泥漿領(lǐng)漿）四川嘉華G級水泥+50%玻璃微珠+15%DRB-1S+8%DRE-3S+4%防竄增韌材料DRT-1S+4%DRA-1S+5%微硅+1.3%分散劑DRS-1S+1.1%穩(wěn)定劑DRK-3S+3.5%DRF-1S+0.8% DRH-1L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+105%現(xiàn)場水，密度為1.23 g/cm3

2#（正注水泥漿尾漿）四川嘉華G級水泥+6%增韌材料DRE-1S+4%DRT-1S+0.8%DRS-1S+2.5%DRF-1S+5%微硅+0.5%DRH-1L+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+46%現(xiàn)場水，密度為1.90 g/cm3

3#（反擠水泥漿領(lǐng)漿）四川嘉華G級水泥+15%DRB-1S+8%DRE-3S+4%DRT-1S+50% 玻璃微珠+4%DRA-1S+1.3%DRS-1S+1.1%DRK-3S+5%微硅+3.5%DRF-1S+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+105.8%現(xiàn)場水，密度為1.23 g/cm3

表1 正注和反擠水泥漿性能

4#（反擠水泥漿尾漿）四川嘉華G級水泥+6%DRE-1S+4%DRT-1S+0.8%DRS-1S+5%微硅+2.5%DRF-1S+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+46.5%現(xiàn)場水，密度為1.90 g/cm3

配套開發(fā)了抗污染沖洗隔離液，該隔離液具有抗污染、沖洗、隔離一體化的三重特性，其中使用高溫懸浮劑DRY-S1、DRY-S3可提高體系沉降穩(wěn)定性；沖洗液DRY-1L、DRY-2L為親油表面活性劑、親水表面活性劑，配合使用具有良好的潤濕反轉(zhuǎn)作用，提高界面親水性，增強了二界面與水泥漿基體的膠結(jié)作用力；棱形材料DRW-2S為棱形顆粒，強化井壁的物理沖刷作用力，提高沖洗效率；抗污染劑DRP-1L是通過螯合、絡(luò)合、同種電荷排斥等作用降低了絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)聚力，提高水泥漿與鉆井液的相容性和污染漿體的流動性，保障固井施工安全。該抗污染沖洗隔離液密度為1.12 g/cm3，漏斗黏度為36 s，62 ℃沉降穩(wěn)定性為0.01 g/cm3。其配方如下。

抗污染沖洗隔離液 現(xiàn)場水+3%DRY-S1+3%DRY-S3+6%DRY-1L+3%DRY-2L+25%DRW-2S+0.5%DRX-1L+6%DRP-1L

實驗使用清水和該抗污染沖洗隔離液分別沖洗鉆井液，旋轉(zhuǎn)黏度計以100 r/min的轉(zhuǎn)速沖洗干凈轉(zhuǎn)子的時間分別為40、30 s，使用清水沖洗后轉(zhuǎn)筒表面有輕微油水膜，而使用該抗污染沖洗隔離液沖洗的轉(zhuǎn)筒表面無油水膜，沖洗干凈，說明該抗污染沖洗隔離液沖洗效果良好，可保障固井施工安全。

對該抗污染沖洗隔離液進行了污染實驗，結(jié)果見表2。由污染實驗結(jié)果可知，由于抗污染隔離液的間隔作用，水泥漿與鉆井液7∶3混漿初始稠度由24 Bc降低至水泥漿與隔離液混漿的13 Bc，混漿流動性明顯改善，避免了水泥漿與鉆井液直接接觸增稠，降低井漏風(fēng)險及井下復(fù)雜情況。

表2 抗污染沖洗隔離液污染實驗

3 現(xiàn)場工藝技術(shù)措施

1）鉆井期間漏失嚴重，漏層分布廣，累計20個漏層，最大漏速為82 m3/h，推算井底ECD為1.24 g/cm3，固井施工井漏風(fēng)險大。針對井漏風(fēng)險，采取如下配套工藝技術(shù)措施：①優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計正注低密度水泥漿封固2400～3000 m井段，常規(guī)密度水泥漿封固3000～3660 m井段，兼顧壓穩(wěn)和防漏，為反擠施工創(chuàng)造條件；②設(shè)計抗污染沖洗隔離液密度為1.12 g/cm3，具有抗污染、沖洗、隔離、降低注替過程環(huán)空液柱壓力四重特性；③設(shè)計入井清水10 m3，領(lǐng)漿配漿水20 m3，密度為1.0 g/cm3，進一步降低注替過程環(huán)空液柱壓力，從而降低施工井漏風(fēng)險。

2）油氣顯示活躍，在鉆井過程中，存在22個油氣顯示，全烴峰值高達95.65%，兼顧壓穩(wěn)和防漏漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計困難，固井施工過程井漏風(fēng)險大。針對壓穩(wěn)，采取如下配套工藝技術(shù)措施：①創(chuàng)新采用正注（低密度+常規(guī)密度）和反擠（低密度+常規(guī)密度）施工工序，較單純采用常規(guī)密度正注反擠更能確保水泥漿返高，同時能兼顧壓穩(wěn)和防漏；②采用常規(guī)密度防竄水泥漿體系，稠化時間短、強度發(fā)展快的尾漿封隔井底活躍的層位，為反擠施工創(chuàng)造條件；③固井施工前，充分循環(huán)洗井一個循環(huán)周以上，消除后效，降低竄氣風(fēng)險。

3）井底溫度低，低溫條件下低密度水泥漿體系頂部強度發(fā)展慢。優(yōu)化水泥漿配方：①摻入早強劑DRA-1S，提高低密度水泥漿頂部強度發(fā)展及早期強度；②采用玻璃微珠、增強材料DRB-1S、微硅、水泥顆粒級配，提高水泥漿的致密性，實現(xiàn)緊密堆積；③摻入懸浮穩(wěn)定劑DRK-3S，提高低密度水泥漿體系沉降穩(wěn)定性。

4）環(huán)空大，井眼不規(guī)則（1700～1900 m井段存在“大肚子”），套管居中度不易保證，頂替效率不易保障，影響固井質(zhì)量。采取如下配套工藝技術(shù)措施：①適當(dāng)增加扶正器，重合段3根套管一只φ320 mm普通剛性扶正器，裸眼井段2根套管一只φ320 mm螺旋倒角剛性扶正器，保證套管居中度，有利于提高沖洗頂替效率；②注替施工排量為1.8～2.4 m3/min，實現(xiàn)紊流頂替，提高沖洗頂替效率；③采用軟件模擬計算沖洗頂替效率，為施工參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

5）其他配套工藝措施。

①通井技術(shù)措施。對阻卡井段進行反復(fù)劃眼，確保井眼暢通、無阻卡、無沉砂，確保套管順利下到設(shè)計井深。通井鉆具組合如下：第一次通井：φ333.4 mm鉆頭+雙母接頭+φ330 mm扶正器1只+φ228.6 mm鉆鋌3根+原鉆具組合；第二次通井：φ333.4 mm鉆頭+雙母接頭+φ330 mm扶正器1只+φ228.6 mm鉆鋌1根+φ325 mm扶正器1只+φ228.6 mm鉆鋌1根+φ325 mm扶正器1只+φ228.6 mm鉆鋌1根+原鉆具組合。

通井必須注意噸位變化，不能猛提猛放，以防阻卡；每次遇阻噸位不能超過5 t，對掛卡、遇阻及全角變化率大的井段必須加強劃眼，通井到位后堅持短程起下鉆并大排量循環(huán)鉆井液不少于2個循環(huán)周，使井眼干凈、無垮塌、無沉砂、無后效。

②管串組合。引鞋+管鞋+套管（φ273.05 mm×TP110TS×13.84 mm×TPCQ）×5根+浮箍+套管（φ273.05 mm ×TP110TS×13.84 mm×TPCQ）×5根+浮 箍+套 管（φ273.05 mm×TP110TS×13.84 mm×TPCQ）×323根+雙公短節(jié)+套管掛+聯(lián)入。

套管下入井深3658 m；口袋長度為2 m；設(shè)計碰壓位置為井深3558 m；下水泥塞100 m。

4 軟件優(yōu)化模擬施工參數(shù)

4.1 套管強度校核

1）套管強度。套管尺寸×鋼級×壁厚×扣型為φ273.05 mm×TP110TS×13.84 mm×TPCQ，質(zhì)量為90.33 kg/m，抗拉強度為8549 kN，抗擠強度為49.7 MPa，抗內(nèi)壓強度為67.3 MPa。

2）套管強度校核條件。強度校核方法為三軸應(yīng)力校核，地層水密度為1.05 g/cm3，儲層類型為氣層，下開最大鉆井液密度為2.10 g/cm3，套管類型為技術(shù)套管，下開最小鉆井液密度為1.47 g/cm3，未考慮彎曲，天然氣相對密度為0.55 g/cm3，掏空系數(shù)取100%。

3）套管強度校核結(jié)果。套管位置為0～3658 m井段，段長為3658 m；套管累計質(zhì)量為330.42 t；套管抗拉強度安全系數(shù)為3.12；套管抗擠安全系數(shù)為1.15；套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)為1.22。

4）套管強度校核曲線。采用三軸應(yīng)力強度校核方法對管柱進行抗拉、抗擠、抗內(nèi)壓強度校核，校核曲線如圖1套管強度校核曲線所示。由圖1可以看出，三軸抗拉強度隨井深的增加而降低，井口最后1根套管所受的抗拉載荷最高，為管柱的浮重；管柱按100%掏空系數(shù)校核，抗擠強度隨井深的增加而增大，井底套管所受抗擠強度最大，為管外液柱壓力；抗內(nèi)壓強度由于管柱底部有液柱壓力的擠壓作用，抗內(nèi)壓強度隨井深的增加而降低。

4.2 套管居中度模擬

1）扶正器安放原則。重合段為0～490 m井段，每3根套管安放1只外徑為φ320 mm的普通鋼性扶正器，一共需要15個；裸眼井段為490～3658 m井段，每2根套管安放1只外徑為φ320 mm的螺旋倒角鋼性扶正器，一共需要144個。

2）套管居中度計算結(jié)果。套管居中度模擬結(jié)果圖2所示。由圖2可知，重合段套管居中度為72.99%，裸眼段套管居中度為62.31%，平均值為67.6%，滿足固井規(guī)范中的大于67%的要求。良好的套管居中有利于提高沖洗頂替效率，保障水泥環(huán)均勻性，提高固井質(zhì)量。

圖1 套管強度校核曲線

圖2 套管居中度模擬

4.3 固井施工中井口壓力模擬

模擬注替過程，井口壓力為2～10 MPa，如圖3所示。由圖3可知，固井施工前期入井隔離液、清水密度比鉆井液低，泵壓逐漸升高，當(dāng)密度為1.90 g/cm3的尾漿入井量達到一定量時，管內(nèi)壓力與管外液柱壓力和環(huán)空摩阻達到平衡，泵壓顯示為0。隨著替漿清水逐漸增加，管內(nèi)液柱壓力降低，同時入井隔離液、沖洗液逐漸返出環(huán)空，管外液柱壓力也逐漸降低，管內(nèi)壓力與管外液柱壓力和環(huán)空摩阻達到平衡時，泵壓顯示為0；替漿后期，水泥漿返出環(huán)空后，泵壓逐漸增加。

圖3 固井施工中井口壓力模擬

4.4 模擬注替施工過程

井底（3660 m）、關(guān)注點（顯示段3390.00～3391.00 m）、關(guān)注點（漏層高臺組3308.50～3308.98 m井段）ECD如圖4所示。

圖4 模擬注替施工過程井底、關(guān)注點ECD

由圖4可以看出，模擬注替過程，井底ECD為1.18～1.29 g/cm3；高臺組顯示段3390.00～3391.00 m當(dāng)量密度為1.17～1.25 g/cm3，頂替到位可以壓穩(wěn)氣層；漏層高臺組3308.50～3308.98 m井段當(dāng)量密度為1.17～1.25 g/cm3，注替施工過程井漏風(fēng)險小。

4.5 頂替效率模擬

鉆井過程中排量為50 L/s，φ228.6 mm鉆鋌處鉆井液流速為0.85 m/s，按φ273.05 mm套管外返速0.85 m/s設(shè)計施工排量為35 L/s；綜合井下實際情況和頂替效率，設(shè)計固井施工排量為30～40 L/s。根據(jù)固井施工漿柱結(jié)構(gòu)、固井施工參數(shù)，模擬不同注替排量下全井頂替效率，模擬結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 鉆井液注替排量為30 L/s時頂替效率模擬

圖6 鉆井液注替排量為35 L/s時頂替效率模擬

由圖5～圖7可知，模擬注替排量為30 L/s，全井平均頂替效率為93.15%；擬注替排量為35 L/s，全井平均頂替效率為95.27%；擬注替排量為40 L/s，全井平均頂替效率為96.68%，注替排量為35 L/s與40 L/s頂替效率相差不大，綜合考慮頂替效率和井下復(fù)雜情況等因素，固井施工注替排量取35 L/s。

圖7 鉆井液注替排量為40 L/s時頂替效率模擬

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果

根據(jù)鎣北1井φ273.05 mm套管固井存在的技術(shù)難點，采用低密度高強度韌性防竄水泥漿技術(shù)、抗污染沖洗隔離液一體化技術(shù)、軟件模擬、優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)、正注反擠等配套技術(shù)，順利完成了該井的固井施工。測井解釋結(jié)果為，固井質(zhì)量合格率為85%，優(yōu)質(zhì)率為65%，保證了固井施工安全和固井質(zhì)量，實現(xiàn)了對套管鞋、井口段、主要顯示地層進行了良好封固，為鎣北1井下步鉆進創(chuàng)造條件。

6 結(jié)論與建議

1.開發(fā)的低密度高強度韌性防竄水泥漿，領(lǐng)漿稠化時間為182 min，30 ℃領(lǐng)漿頂部48 h強度為9.5 MPa，領(lǐng)漿循環(huán)溫度（62 ℃）24 h強度為14.5 MPa，水泥石彈性模量為5.8 GPa。該水泥漿具有良好的綜合性能，滿足現(xiàn)場固井施工對水泥漿性能的要求。

2.創(chuàng)新采用低密度和常規(guī)密度水泥漿進行正注反擠，兼顧壓穩(wěn)和防漏，確保施工順利。

3.采用低密度高強度韌性防竄水泥漿、抗污染沖洗隔離液技術(shù)、軟件模擬、優(yōu)化漿柱結(jié)構(gòu)、正注反擠等配套工藝技術(shù)措施，有效保證了鎣北1井φ273.05 mm套管固井順利施工，固井質(zhì)量合格率為85%，優(yōu)質(zhì)率為65%。