渤海油田小間隙環(huán)空固井技術(shù)及應(yīng)用

李治衡，李 進，張 磊，霍宏博，董平華

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津 300459)

自2014年10月以來，國際油價呈斷崖式下跌，下跌超50%，2015年油價低位徘徊，更是一度跌破30美元/桶。近兩年油價雖略有所回升，但未改低位震蕩格局，油價“寒冬”仍在持續(xù)[1-2]。在“低油價”新常態(tài)形勢下，依靠技術(shù)實現(xiàn)降本增效是渤海油田應(yīng)對油價形勢的重要舉措之一[3-4]。優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，將原來常用井身結(jié)構(gòu)尺寸(17-1/2″×13-3/8″+12-1/4″×9-5/8″+8-1/2″×7″)優(yōu)化為(12-1/4″×10-3/4″+9-1/2″×7-5/8″+6-1/2″×5″或5-1/2″)，整體縮小井眼尺寸和對應(yīng)的套管尺寸，可實現(xiàn)單井鉆井成本降幅約200萬元。但在降本增效的同時，井眼及套管尺寸縮小會給一開和三開小間隙環(huán)空(間隙值≤19.05 mm)固井帶來很多技術(shù)難題[5-7]。同時隨著渤海油田開發(fā)走向中深層鉆井，儲層埋深的增加必然會增加套管開次，深部儲層小間隙或小井眼固井挑戰(zhàn)越來越大。因此，亟須針對渤海油田小間隙環(huán)空固井技術(shù)開展研究。

1 小間隙環(huán)空固井技術(shù)難點

優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)，一開(12-1/4″井眼下10-3/4″套管)間隙為19.05 mm，屬于小間隙范疇；三開(6-1/2″井眼下5″或5-1/2″尾管)井眼尺寸小于8-1/2″，屬于小井眼范疇，同時環(huán)空間隙1為9.05 mm或12.7 mm，又屬于小間隙范疇[5,8]。

由于小間隙或小井眼窄空間的特點，使得其固井較常規(guī)井眼固井有更大的難度，具體表現(xiàn)在如下幾方面[5,9-12]：

(1)套管居中問題：由于套管和井壁的環(huán)空間隙很小，扶正器下入困難甚至無法下入，套管居中度不能保證。套管偏心造成的窄邊鉆井液難以頂替，水泥漿容易竄槽，從而影響頂替效率，并且容易形成蹩泵和橋堵，注替壓力大。

(2)環(huán)空摩阻大：小間隙環(huán)空流動阻力大。研究表明[11]，小間隙環(huán)空中的壓力損耗占總壓力損耗的70%以上，環(huán)空壓耗的增大勢必造成液柱當量密度的增加，因此在頂替過程中容易壓裂地層，發(fā)生井漏，導(dǎo)致水泥漿低返。

(3)水泥漿性能問題：小間隙環(huán)空流體流動通道整體變窄，注水泥作業(yè)中流動阻力明顯增大，會造成泵壓增高，使水泥漿在窄環(huán)空中處于高剪切狀態(tài)，因此可能會造成水泥漿在高壓差作用下迅速失水，導(dǎo)致流動性變差，增大環(huán)空摩阻，致使環(huán)空發(fā)生橋堵和蹩泵的概率增大。

(4)水泥石力學(xué)性能問題：小間隙環(huán)空中水泥環(huán)明顯變薄，使得稠化凝固后的水泥石強度較低，水泥石與地層、套管的膠結(jié)質(zhì)量難以保證。

(5)頂替效率低：由于小間隙環(huán)空頂替循環(huán)壓耗大、流動阻力大，為減小頂替過程中過高的泵壓，因此排量不能過大，只能采取小排量頂替，難以實現(xiàn)紊流頂替，導(dǎo)致頂替效率低。

2 水泥漿體系研發(fā)與性能評價

2.1 試驗設(shè)備、材料及方法

主要設(shè)備：常壓密度計、OWC-2002S壓力機(抗壓強度)、Chandler3530流變儀、Chandler8040稠化儀、量筒、OWC-9710失水儀、天平、Chandler7375養(yǎng)護釜、GCTS三軸實驗機、全尺寸水泥環(huán)破壞模擬裝置。

主要材料：山東G級油井水泥SD“G”；膠乳GR1；防竄增強劑GS12L；纖維B62；降失水劑G81L；緩凝劑H21L、H40L；消泡劑X60L、X62L；分散劑F44L；隔離液S32S。

試驗方法：按照GB/T 19139—2012《油井水泥實驗方法》中的方法制備水泥漿，進行性能測試[13]。

2.2 外加劑材料優(yōu)選及水泥漿體系

2.2.1 主要外加劑材料優(yōu)選

針對渤海油田小間隙環(huán)空固井技術(shù)難點，在水泥漿體系開發(fā)過程中，重點對減輕劑、膠乳、防竄增強劑和堵漏纖維等外加劑或材料進行了優(yōu)選，優(yōu)選后的外加劑或材料介紹如下：

(1) 減輕劑：優(yōu)選材料PC-P30為水泥減輕劑，該材料為一種粉末狀實心球體顆粒，較水泥顆粒小，具有比表面積大(可達800～19 500 cm2/g)的特點。其化學(xué)成分中硅含量高，其次為鋁和鈣，具有較強活性，參與水泥反應(yīng)。將PC-P30在顯微鏡下放大10 000倍的形狀如圖1所示。此外，該種減輕劑較空心漂珠更為便宜，可以進一步降低成本。

(2)膠乳：膠乳是描述乳化聚合物的通用名稱，一般為細粒球狀(粒度200～500 nm)聚合物顆粒的懸浮乳狀液[14-18]。固井中常用的膠乳有聚乙烯類、醋酸乙烯酯及苯乙烯/丁二烯樹脂，前兩種只能在50 ℃以下使用。本文所采用膠乳GR1為苯乙烯/丁二烯共聚物，與Latex2000、D600等屬同類產(chǎn)品，使用溫度為40～175 ℃。具有良好的失水控制能力、較好的力學(xué)性能(彈性)和耐酸性，能提高水泥石的界面膠結(jié)能力和整體強度，有效抑制微環(huán)隙或微裂縫的形成和發(fā)育。

(3)防竄增強劑：本文所采用的防竄增強劑GS12L的主要化學(xué)成分是活性微粒，因其具有很好的水化活性，因此在水泥水化過程中能與生產(chǎn)的Ca(OH)2反應(yīng)生成凝膠，使水泥漿凝固過程中產(chǎn)生體積微膨脹，促進水泥固化過程的膠凝強度發(fā)展，大大降低水泥石的滲透率，從而使水泥石具有高氣侵阻力。該防竄增強劑的超微細粒徑使其具有高達21 m2/g的比表面積，因此該防氣竄劑具有極強的吸附水能力，能夠有效束縛水泥漿中的間隙水，控制和減少游離液，防止在定向井或水平井固井中產(chǎn)生水泥漿高邊水竄槽。同時其“超微細顆粒填充”理論能夠迅速提高水泥漿的膠凝速度，增加氣竄阻力；由于顆粒微細，大大增加了膠結(jié)面的“著力點”，提高了膠結(jié)質(zhì)量和膠結(jié)力，大大改善固井界面膠結(jié)質(zhì)量。

(4)堵漏纖維：通過試驗評價優(yōu)選混合纖維PC-B62和顆粒級配的硬質(zhì)顆粒PC-B66兩種材料適合作為堵漏材料。其中，混合纖維PC-B62為3～6 mm的“軟硬結(jié)合、長短結(jié)合”的纖維，耐溫150 ℃，具有高水分散性特點，遇水即迅速分散開，混漿快，不易成團；PC-B66為20～80目硬質(zhì)顆粒，不規(guī)則表面形狀。該復(fù)配堵漏材料在水泥漿或隔離液中均可使用。其堵漏原理為：在水泥漿或隔離液中加入混合纖維PC-B62與優(yōu)化后的不同粒徑組合的硬質(zhì)顆粒PC-B66，利用小顆粒級配+纖維纏繞及二者協(xié)同的架橋作用，封堵井下裂縫，達到堵漏或防漏目的，如圖2所示。

圖1 減輕劑P30(×10 000倍)Fig.1 Lighter agent P30(×10 000 times)

圖2 復(fù)配堵漏材料堵漏示原理示意Fig.2 Schematic of plugging principle of compound plugging material

2.2.2 水泥漿體系及常規(guī)性能評價

在外加劑材料優(yōu)選基礎(chǔ)上，通過試驗評價確定加量百分比，研發(fā)了兩種密度分別為1.50 g/cm3和1.90 g/cm3、適用于渤海油田小間隙環(huán)空固井的水泥漿體系，具體配方如下：

1.50 g/cm3：100%混合水泥(水泥+減輕劑P30)+5.6%G81L+10%GR1+5%GS12L+0.25%H21L+0.4%X60L+2.5%F44L。

1.90 g/cm3：100%水泥+3%G81L+5%GR1+3%GS12L+0.4%H21L+0.4%X60L+0.4%X62L+0.13%F44L。

兩種體系的基本性能見表1。由表1可知，該體系具有低摩阻的特點，可有效降低循環(huán)壓耗，防止因環(huán)空摩阻過大造成井漏或水泥低返的問題；同時該體系失水低，可有效避免水泥在窄環(huán)空高剪切狀態(tài)下迅速失水導(dǎo)致其流變性變差的問題；此外，該體系具有較好的沉降穩(wěn)定性和防竄性能。除上述兩種密度外，可根據(jù)實際作業(yè)設(shè)計需要通過加量調(diào)節(jié)密度為1.50～1.90 g/cm3，稠化時間根據(jù)實際要求可在180～240 min內(nèi)調(diào)節(jié)，如圖3所示。

表1 水泥漿體系基本性能Table 1 Basic performance of cement slurry system

2.3 水泥石力學(xué)性能評價

在體系研發(fā)和基本工程性能評價基礎(chǔ)上，為了解決小間隙環(huán)空水泥環(huán)薄、易破壞的難題，對上述兩種水泥漿體系的力學(xué)性能進行了評價，其結(jié)果如表2、圖4所示。由表2可知，該體系具有低彈性模量的特點，說明水泥環(huán)的韌性較好，在小間隙環(huán)空中水泥環(huán)較薄的情況下也能很好地保持水泥環(huán)力學(xué)完整性不受破壞。

圖3 1.5 g/cm3體系稠化曲線Fig.3 1.5 g/cm3 system thickening curves

圖4 水泥石力學(xué)性能評價結(jié)果Fig.4 Results of mechanical properties evaluation of cement stone

表2 水泥石力學(xué)性能評價結(jié)果Table 2 Evaluation of mechanical properties of cement stones

為了評價該體系與套管或地層巖石的膠結(jié)性能，采用全尺寸水泥環(huán)破壞模擬裝置(圖5)進行試驗，分別評價了膠乳加量0%、5%、10%和18%對應(yīng)的氣竄情況，試驗試壓為7 MPa，試驗發(fā)生氣竄的試壓次數(shù)分別為4次、6次、10次。如圖6所示，其中膠乳加量18%的體系7 MPa試壓12次未發(fā)生氣竄。試驗結(jié)果顯示，膠乳加量越多，和套管固結(jié)后的防竄性能越好，能經(jīng)受住的試壓測試次數(shù)更多。

圖5 全尺寸水泥環(huán)破壞模擬裝置Fig. 5 Full size cement ring failure simulation device

圖6 7 MPa試壓12次未發(fā)生氣竄Fig.6 7 MPa trial pressure 12 times without gas flow

3 配套固井工藝技術(shù)研究

研發(fā)的“低摩阻、低密、低彈性模量”水泥漿體系只能解決小間隙環(huán)空固井中環(huán)空摩阻大、水泥漿和水泥石性能要求高等難點，針對套管居中困難、頂替效率低等難點還得從配套固井工藝技術(shù)入手。本章主要介紹小間隙環(huán)空固井配套井眼凈化、套管居中技術(shù)。

3.1 井眼凈化技術(shù)

井眼清潔凈化對提高小間隙環(huán)空固井頂替效率、界面膠結(jié)質(zhì)量尤為重要[5,16]。為了做好固井前的井眼凈化工作，研發(fā)了以PC-S32S為主劑的隔離液，并篩選了高效沖洗液體系。

主劑PC-S32S主要由無機材料、高分子材料和生物合成膠類材料構(gòu)成。水化后具有較好的懸浮能力和極強的耐溫性能；高分子材料為AMPS類聚合高分子物質(zhì)，具有較好的懸浮和控失水能力；生物合成膠類物質(zhì)具有良好的提黏提切作用，同時具有極好的抗鹽性，能夠輔助無機和高分子材料共同提高隔離液的穩(wěn)定性。

該隔離液體系污染水泥漿后，漿體流動性良好，無沉降結(jié)塊現(xiàn)象出現(xiàn)，有效解決了以前的隔離液污染水泥漿后出現(xiàn)豆腐渣狀沉淀，嚴重時底部出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象，如圖7所示。

采用第二章優(yōu)選的復(fù)合堵漏材料，試驗評價了隔離液的堵漏性能，結(jié)果見表3。由表3可知，復(fù)合堵漏材料加量越多，其堵漏承壓能力越好。在實際固井作業(yè)時，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)加量以滿足作業(yè)需求。

圖7 優(yōu)化前后的隔離液體系Fig.7 The isolation liquid system previous and after optimized

優(yōu)選后的沖洗液沖洗效率高，試驗結(jié)果表明，沖洗效率可高達90%以上，可很好地滿足渤海油田小間隙環(huán)空固井井眼凈化需求。

3.2 套管居中技術(shù)

針對優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)中的三開(6-1/2″井眼下5″或5-1/2″尾管)小井眼或小間隙環(huán)空居中度進行模擬分析。模擬分析了井斜52°～77°工況下，目的層每2根套管下1個扶正器時6-1/2″井眼下5″或5-1/2″尾管的居中度情況(井段2 289～3 733 m)，其結(jié)果如圖8所示。

a.6-1/2″井眼下5-1/2″尾管

b.6-1/2″井眼下5″尾管圖8 套管居中度模擬Fig.8 Centralizer simulation of casing

從圖8a可知，6-1/2″井眼下5-1/2″尾管貼邊特別嚴重，頂替效率差；由圖8b可知，6-1/2″井眼下5″尾管居中度為20%，頂替效率差。因此，6-1/2″井眼下5″或5-1/2″尾管，若不加扶正器或在非目的層不加扶正器，套管貼邊現(xiàn)象尤為嚴重，居中度遠低于67%的最低要求，頂替效率差，無法保證固井質(zhì)量。因此，為了保障小間隙環(huán)空固井質(zhì)量，建議在不影響套管安全下入前提下，盡可能多安放扶正器，盡可能地提高套管居中度，保證注水泥頂替效率。同時，扶正器可選擇配套尺寸的一體化彈性扶正器。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

6-1/2″井眼下5″或5-1/2″尾管小間隙環(huán)空固井技術(shù)在渤海油田尚未應(yīng)用，目前作為儲備技術(shù)研究，本節(jié)實例應(yīng)用以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的墾利16-1-4井為例進行分析。該井井身結(jié)構(gòu)為12-1/4″×10-3/4″+9-1/2″×7-5/8″+6″裸眼，如圖9所示。

該井水泥漿性能及固井工藝見表4，二開、三開固井采用本研究研發(fā)的小間隙環(huán)空固井水泥漿體系。由表4可知，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)由于井眼更小，因此在固井頂替時所采用的排量較常規(guī)井身結(jié)構(gòu)更低。同時，該井三開7-5/8″套管固井采用本研究介紹的新型隔離液和高效沖洗液，500 m井深內(nèi)每2～3根套管下入1個扶正器。固井質(zhì)量測井結(jié)果顯示，固井質(zhì)量良好，如圖10所示。此外，該項小間隙環(huán)空固井工藝技術(shù)已在渤海油田多個區(qū)塊成功應(yīng)用4井次7-5/8″油層套管固井作業(yè)，固井質(zhì)量全部優(yōu)秀。

圖9 KL16-1-4井井身結(jié)構(gòu)Fig.9 Well structure of KL16-1-4

據(jù)測算，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)和常規(guī)井身結(jié)構(gòu)對比，小尺寸井眼固井水泥、添加劑使用量大大減少，添加劑減少30%，水泥量減少近40%，直接節(jié)約成本25%左右，同時縮短了固井泵注水泥漿時間，是有效應(yīng)對“低油價”寒冬的降本增效措施，并在渤海油田逐步推廣應(yīng)用。

圖10 KL16-1-4固井質(zhì)量Fig.10 Cement quality of KL16-1-4

5 結(jié)論與建議

(1)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化是渤海油田有效應(yīng)對低油價寒冬的降本增效重要措施之一，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)井眼和環(huán)空間隙更小，為固井帶來了諸多技術(shù)難點，如套管居中、環(huán)空摩阻大、高效頂替難、水泥石性能要求更高等。

(2)針對渤海油田小間隙環(huán)空固井技術(shù)難點，研發(fā)形成了一套具有“低摩阻、低密、低彈性模量”特點的水泥漿體系，并對其基本工程性能和力學(xué)性能進行了評價，同時研究形成了配套的井眼凈化、套管居中等固井工藝技術(shù)。

(3)應(yīng)用表明，該項技術(shù)能很好地解決因井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來的小間隙環(huán)空固井問題，保障固井質(zhì)量，同時可節(jié)約成本25%左右，對公司實現(xiàn)降本增效具有重要意義，推廣應(yīng)用前景廣闊。

表4 KL16-1-4井固井水泥漿體系及工藝技術(shù)Table 4 The cement slurry system and technology of KL16-1-4