皮山北區(qū)塊超深井高密度固井技術(shù)

赫英狀， 李 斐， 王翔宇， 胡鱈茹， 趙愛芳

(1中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2渤海鉆探第二固井分公司 3玉門油田分公司老君廟采油廠)

皮山北區(qū)塊構(gòu)造位置位于塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠西南部，鉆探目的為評價(jià)古生界白堊系油藏規(guī)模，埋深7 000 m左右，主要技術(shù)難題為克孜洛依組至阿爾塔什組均發(fā)育不同壓力系統(tǒng)的高壓鹽水層，齊姆根組和阿爾塔什組發(fā)育膏巖層。首次部署皮山北1井，三開在克孜洛依組5 283.25 m，巴什布拉克組5 554 m、6 312 m、6 449 m、烏拉根組6 473 m、卡拉塔爾組6 483 m、阿爾塔什組6 531.07 m發(fā)生高壓鹽水侵，鉆井液密度分別提高至1.75 g/cm3、1.82 g/cm3、1.87 g/cm3、1.89 g/cm3和2.35 g/cm3，鉆至井深6 929 m后因高壓鹽水層上部克孜洛依組壓差卡鉆處理復(fù)雜棄井，鉆井周期393.69 d。

表1 昆侖101井身結(jié)構(gòu)和封固地層簡表

平距2 km處重新部署皮山北新1井，井身結(jié)構(gòu)調(diào)整為二開封固克孜洛依組鹽水層，下部高壓鹽水層和膏巖層同開次揭示，實(shí)鉆過程中鉆井液密度提至2.35 g/cm3漏失后降至2.30 g/cm3，三開井徑擴(kuò)大率小(3.65%)，膏巖層存在縮頸，下?177.8 mm+?184.15 mm復(fù)合套管至6 864.9 m遇阻就地固井，口袋35.1 m，后期下入?142.88 mm直連扣套管固井補(bǔ)救，高密度固井質(zhì)量不理想，完鉆后測試儲(chǔ)層為油水同層。為了確定白堊系油藏特征，評價(jià)儲(chǔ)層水來源，平距2 km處再次部署昆侖101井(表1)。高壓鹽水層嚴(yán)重影響了該區(qū)勘探進(jìn)程，因此，昆侖101井重點(diǎn)為保障三開高壓鹽層高密度固井質(zhì)量，封隔高壓水層，有效評價(jià)儲(chǔ)層[1]。

一、固井難題

(1)發(fā)育多套高壓鹽水層和膏巖層。三開井段5 500～6 985 m發(fā)育多套高壓鹽水層，鉆井液密度由1.85 g/cm3逐漸提至2.30 g/cm3壓穩(wěn)鹽水層。實(shí)鉆井段6 647.5～6 977 m為白色膏巖層，中完靜止24 h井徑對比測井，蠕變速度最大位于井深6 956 m，蠕變速率0.76 mm/h。

(2)漏失風(fēng)險(xiǎn)大。高密度鉆井液條件下漏失風(fēng)險(xiǎn)大，漏失縫形成后封堵難度增加。皮山北新1井2.35 g/cm3鉆至井深6 884 m發(fā)生井漏，降密度至2.30 g/cm3恢復(fù)鉆進(jìn)。漏失風(fēng)險(xiǎn)造成固井壓力窗口窄，水泥漿頂替密度差低，影響頂替效率[2]。

(3)為了有效封固高壓鹽水層，選用高鋼級(jí)?184.15 mm套管固井，套管等同于?158.8 mm鉆鋌，增加套管下入難度。實(shí)鉆井徑擴(kuò)大率6.9%，環(huán)空間隙窄，水泥環(huán)薄，影響封隔高壓鹽水層質(zhì)量。

(4)井底溫度高，靜止溫度160℃，為了防止水泥石發(fā)生高溫強(qiáng)度衰退，需設(shè)計(jì)加入35%～40%硅粉，硅粉密度偏低2.60 g/cm3，增加了高密度水泥漿體系調(diào)配難度。

(5)封隔高壓鹽水層需選用抗鹽外加劑，造成外加劑加量增加，高密度沉降穩(wěn)定性和流變性矛盾，同時(shí)填充劑加量多，水泥有效成分少，水泥石抗壓強(qiáng)度低等造成抗高溫高密度水泥漿體系調(diào)配難度大[3]。

(6)管鞋以下為低壓儲(chǔ)層，前期探井測試儲(chǔ)層含水，水源來歷不清，對管鞋固井質(zhì)量要求高，必須有效封隔上部高壓鹽水層，保障儲(chǔ)層準(zhǔn)確測試評價(jià)。

二、固井措施

1.管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)鉆古近系鹽水層地層壓力當(dāng)量密度2.25 g/cm3，齊姆根組和阿爾塔什組膏巖層蠕變，埋藏深，對套管抗外擠要求高，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)套管難以滿足封固要求，通過采用高鋼級(jí)和外加厚?184.15 mm套管(接箍?196 mm)與?177.8 mm套管組合，保障套管柱抗外擠能力(表2、表3)。為確保套管串順利到位和中途循環(huán)不受影響，現(xiàn)場將懸掛器卡瓦部分拆除，套管串坐底倒扣固井。

表2 套管強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

注：?177.8 mm套管扣型為TPCQ,?184.2 mm套管扣型為TP-NF。

表3 套管柱強(qiáng)度校核

注：膏巖層井段抗外擠按全掏空設(shè)計(jì)，上覆地層壓力系數(shù)為2.45。

2.擴(kuò)孔

針對膏巖層縮頸難題，對膏巖層及井底共200 m采用威德福RipTide 擴(kuò)眼器擴(kuò)孔至251 mm，保障套管順利下放到位，增加管鞋之上水泥環(huán)厚度，利于水泥環(huán)對上部高壓鹽水層的有效封隔。

3.動(dòng)態(tài)承壓及通井

(1)鉆井液密度高，地層漏失風(fēng)險(xiǎn)大，若地層誘導(dǎo)縫產(chǎn)生后，進(jìn)一步降低承壓能力和增加封堵難度，為了驗(yàn)證井筒的承壓能力，同時(shí)預(yù)防壓漏地層，采用動(dòng)態(tài)承壓方式，泵入2.50 g/cm3鉆井液50 m3，逐步提高排量至1.8 m3/min，循環(huán)一周，井底循環(huán)當(dāng)量密度達(dá)2.50 g/cm3，為固井施工參數(shù)和防漏提供了技術(shù)驗(yàn)證。

(2)雙扶正器+?165.1 mm鉆鋌通井，采用?215.9 mm牙輪鉆頭+?165 mm鉆鋌2根+?213 mm扶正器+?165 mm鉆鋌1根+?210 mm扶正器+?165 mm鉆鋌9根通井，通井鉆鋌與?184.15 mm套管剛度比>1.18，驗(yàn)證了套管下放到位可行性。

4.漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高密度鉆井液流動(dòng)性較差，影響水泥漿頂替效率。通過優(yōu)化隔離液流變性，低于1.5 m3/min排量下達(dá)到紊流頂替，同時(shí)為了保障紊流時(shí)間≥10 min，加大隔離液用量至16 m3。設(shè)計(jì)4 m3隔離液作為保護(hù)液，在鉆具、尾管內(nèi)分別占高200 m和100 m，避免中心管拔出后水泥漿與鉆井液直接接觸污染導(dǎo)致復(fù)雜情況[4]。

5.紊流-塞流復(fù)合頂替

高密度水泥漿流變性較差，難以實(shí)現(xiàn)紊流頂替[5]，通過隔離液大于10 min的紊流頂替提高頂替效率，管鞋200 m擴(kuò)孔至251 mm，為了預(yù)防管鞋存在鉆井液滯留，最后6 m3水泥漿降排量至0.5 m3/min，使水泥漿塞流驅(qū)替，提高管鞋大環(huán)空井段驅(qū)替效率。

6.優(yōu)化扶正器設(shè)計(jì)

采用樹脂旋流剛性扶正器[6]，降低下套管對井壁刮削破壞作用，提高水泥漿驅(qū)替擾動(dòng)效益。通過Landmark軟件模擬，井段678～6 982 m、6 322～6 542 m和6 102～6 190 m三處套管居中度低，針對性實(shí)施每根套管加一個(gè)扶正器。

7.水泥漿試打作業(yè)

冬季施工氣溫低，高密度水泥漿固相含量高，下灰難度大，現(xiàn)場水泥泵車能否順利混配至設(shè)計(jì)密度存在不確定性，通過地面配漿試打作業(yè)，驗(yàn)證高密度水泥漿混配方案。試打混配中，水泥泵車內(nèi)成功將水泥漿密度從2.30 g/cm3逐漸上升到2.55 g/cm3，流動(dòng)性良好，試打水泥漿與實(shí)驗(yàn)室小樣性能一致，確定了該體系現(xiàn)場應(yīng)用的可行性，為水泥漿新體系現(xiàn)場應(yīng)用墊底了基礎(chǔ)。根據(jù)水泥漿試打情況，確定固井采用雙泵施工，一臺(tái)雙級(jí)泵混配水泥漿，泵入第二臺(tái)雙級(jí)泵二次攪拌后入井。

三、抗高溫高密度鹽水水泥漿體系

1.隔離液設(shè)計(jì)

采用MS-R隔離液體系[7]，具有水力、物理和化學(xué)三種沖洗作用，API失水較小，同時(shí)具有一定的成膜作用。使用重晶石加重，配置2.40 g/cm3高密度鹽水隔離液體系，流變性良好，在低排量下(1.2 m3/min±)可實(shí)現(xiàn)紊流頂替，沉降穩(wěn)定性≤0.02 g/cm3，與鉆井液、水泥漿相容性好，起到了提高頂替效率的主要作用。

配方：水+5%隔離劑MS+1%隔離劑MS-R+1%降失水劑DZJ-Y+350%重晶石+2%緩凝劑DZH-2+0.5%消泡劑DZX+15%鹽。

2.水泥漿設(shè)計(jì)

(1)優(yōu)選還原鐵粉、鐵礦粉和微錳復(fù)合加重。優(yōu)選加重材料時(shí)考慮的主要因素:一是加重劑粒度分布與水泥相匹配,顆粒太粗易使水泥漿產(chǎn)生離析,顆粒太細(xì)又容易增加水泥漿的稠度；二是用水量少；三是加重劑在水化過程中呈化學(xué)惰性，不影響水泥水化進(jìn)程,與其它添加劑有良好的相容性[8]。根據(jù)常規(guī)水泥加重劑的特征，選用粒徑18～47 μm的還原鐵粉，密度7.2 g/cm3，顯著提高加重效率；微錳粒徑小、表面光滑、需水量小，可起加重、充填、滾珠、懸浮及增強(qiáng)效應(yīng)，利于改善高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性和流動(dòng)性[9]；再復(fù)配赤鐵礦粉加重，降低綜合成本。組合還原鐵粉、微錳和赤鐵礦復(fù)合加重劑，實(shí)現(xiàn)單位體積內(nèi)水泥有效成分多，保障水泥石強(qiáng)度發(fā)育，同時(shí)水泥漿流變性良好。

(2)三級(jí)粒徑級(jí)配優(yōu)化水泥漿體系，以硅粉、水泥、還原鐵粉、鐵礦粉、微錳和微硅，形成粗細(xì)粒徑以1 ∶0.4 ∶0.07比例[10]的三級(jí)粒徑級(jí)配，形成緊密堆積固井高密度水泥漿體系。

(3)復(fù)配SiO2顆粒[11]，為了預(yù)防高溫水泥石強(qiáng)度衰退，復(fù)配硅粉和微硅組合，加量大于40%，保障160℃高溫條件下水泥石強(qiáng)度穩(wěn)定。

(4)優(yōu)選抗高溫抗鹽外加劑，選用具有吸附和絡(luò)合雙作用的抗高溫緩凝劑DZH-2[12]和引入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)合成的多元聚合物降失水劑DZJ-Y，同時(shí)復(fù)配膨脹劑DZP-2和分散劑DZS，加入10%鹽，優(yōu)化出抗高溫高密度鹽水水泥漿體系。

3.水泥漿性能

室內(nèi)優(yōu)化出耐溫160℃～180℃(靜止溫度)抗高溫高密度水泥漿體系，常規(guī)性能見表4。水泥漿體系稠化時(shí)間與溫度、緩凝劑加量呈良好的線性關(guān)系，水泥漿呈直角稠化，過渡時(shí)間短，SPN小于1.1，防竄能力強(qiáng)；水泥漿體系失水控制能力強(qiáng)，循環(huán)溫度131℃～153℃條件下API失水<50 mL；160℃高溫強(qiáng)度穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度大于26 MPa。水泥漿沉降穩(wěn)定性≤0.02 g/cm3，析水接近0 mL，綜合性能良好，滿足超深井高溫固井要求。

配方1：AG+35%硅粉+9%微硅+100%鐵礦粉+81%鐵粉+25%錳粉+3%DZP-2+9%DZJ-Y+ 1.8%DZS+1.6%DZH-2+10%鹽+70%水。

配方2：AG+42%硅粉+10%微硅+112%鐵礦粉+92%鐵粉+30%錳粉+3%DZP-2+10%DZJ-Y +2.2%DZS+4%DZH-2+10%鹽+70%水。

表4 抗高溫高密度鹽水水泥漿體系常規(guī)性能

四、現(xiàn)場施工

昆侖101井?177.8 mm+?184.15 mm復(fù)合尾管下深6 985 m，因鉆井液密度2.30 g/cm3井筒穩(wěn)定，水泥漿密度調(diào)整為2.45 g/cm3，入井2.40 g/cm3隔離液16 m3，平均密度2.43 g/cm3水泥漿領(lǐng)漿24 m3，入井平均密度2.45 g/cm3尾漿18 m3，2.40 g/cm3保護(hù)液4 m3，替漿量78.6 m3，注入保護(hù)液后47.6 m3替漿排量1.13 m3/min，泵壓12～17.8 MPa，隨后6 m3替漿排量降至0.5 m3/min，碰壓8.4↑11.1 MPa，起鉆25柱反循環(huán)2 h，起鉆5柱關(guān)井憋壓4.7 MPa候凝26.5 h后開井候凝，上塞430.8 m，下塞185 m。井筒內(nèi)鉆井液密度1.93 g/cm3和降密度至1.23 g/cm3，分別兩次測聲幅，井筒壓力變化達(dá)48 MPa，兩次測井對比，第二次聲幅由于水泥石強(qiáng)度持續(xù)發(fā)展，固井質(zhì)量較第一略好，聲幅小于30%井段達(dá)76%。

五、結(jié)論

(1)皮山北區(qū)塊采用?177.8 mm+?184.15 mm高鋼級(jí)套管有效封隔高壓鹽水層和膏巖層，通過去掉懸掛器卡瓦坐底固井和采用樹脂旋流剛性扶正器，降低了套管下放難度。

(2)通過膏巖層擴(kuò)孔，降低套管遇阻風(fēng)險(xiǎn)和提高了管鞋水泥環(huán)封固質(zhì)量，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)承壓方式，有效驗(yàn)證了地層承壓能力和避免了常規(guī)承壓壓漏地層、形成新裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)采用還原鐵粉、微錳、鐵礦粉組合加重和三級(jí)顆粒級(jí)配，并采用粗細(xì)硅粉組合和10%鹽加量，優(yōu)化出2.55 g/cm3抗高溫高密度鹽水水泥漿體系，綜合性能良好，為皮山北區(qū)塊超深井高壓鹽水層固井提高水泥漿技術(shù)支撐。