提高大慶淺氣區(qū)調(diào)整井固井質(zhì)量技術(shù)研究

李蒼穹

中國石油大慶油田鉆探工程公司 鉆井二公司 （黑龍江 大慶 163413）

大慶油田在經(jīng)過多年勘探開發(fā)之后， 已經(jīng)由高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期進(jìn)入產(chǎn)量逐步下降的中后期。 為滿足國家能源戰(zhàn)略需求、保障大慶油氣資源產(chǎn)量，老區(qū)油田仍是油氣資源的主力產(chǎn)區(qū)。 喇嘛甸油田北東區(qū)塊和采油四廠杏7 區(qū)塊是大慶老區(qū)油田最具代表性的淺層氣區(qū)塊：地質(zhì)條件復(fù)雜，淺層氣和氣頂氣（位于油氣藏頂部的天然氣）發(fā)育，在完井過程中容易發(fā)生竄槽和氣竄等情況；同時，在經(jīng)過多年開采之后，地層壓力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生變化， 使得各層位滲透性差異越來越大，完井過程中極易發(fā)生井漏、油氣水侵和二界面膠結(jié)質(zhì)量差等技術(shù)難題，導(dǎo)致固井質(zhì)量整體較低。因此， 通過技術(shù)攻關(guān)研發(fā)出雙凝水泥漿和低溫淺層防氣竄水泥漿兩套體系， 并根據(jù)地層壓力分布情況采用套管外封隔技術(shù)和井口壓力控制技術(shù)，制定了“壓穩(wěn)”和“防竄”相結(jié)合的固井質(zhì)量提高技術(shù)措施，使喇嘛甸氣庫區(qū)和采油四廠杏7 區(qū)固井質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)率大幅度提高[1]。

1 淺層氣調(diào)整井特點及提高固井質(zhì)量技術(shù)對策

1.1 固井質(zhì)量難點分析

1）淺層氣及氣頂氣發(fā)育。 喇嘛甸油田東北區(qū)塊和采油四廠杏7 區(qū)塊是長垣內(nèi)施工的重點區(qū)塊，其典型的地質(zhì)特點就是淺層氣及氣頂氣發(fā)育， 且分布范圍廣，垂深在1 600~1 800 m，井底溫度在50~80℃。在鉆完井作業(yè)中極易發(fā)生井噴和氣竄，這對鉆完井施工安全和固井質(zhì)量保障提出了極高要求。

2）地層壓力異常。 喇嘛甸油田和采油四廠調(diào)整井的開發(fā)層位，在經(jīng)過長期的注水開發(fā)后，地層壓力已經(jīng)失去原始平衡狀態(tài)，地層壓力越發(fā)復(fù)雜，預(yù)測地層壓力系數(shù)在1.70～1.80，且層間存在大量虧空層和憋壓層，經(jīng)常發(fā)生層間互竄，這也導(dǎo)致固井質(zhì)量無法得到保證。

3）頂替效率低、易發(fā)生氣竄。由于喇嘛甸油田北東區(qū)塊和采油四廠杏7 區(qū)塊的復(fù)雜地質(zhì)條件， 鉆井后井徑擴(kuò)大率都較高，甚至有大肚子井眼存在，井壁上的泥餅質(zhì)量差，直接導(dǎo)致水泥漿的頂替效率低，使固井質(zhì)量無法達(dá)到要求，形成氣竄[2-3]。

1.2 提高固井質(zhì)量技術(shù)對策

為保障淺氣區(qū)井“壓穩(wěn)”和“防氣竄”工作，精細(xì)制定技術(shù)方案， 有針對性地制定了一系列淺層氣井固井質(zhì)量保障措施。

1）研發(fā)雙凝水泥漿體系。 通過在上部水泥漿中添加促凝劑，下部水泥漿中添加緩凝劑，并調(diào)整促凝劑和緩凝劑配方達(dá)到凝固時間可調(diào)， 實現(xiàn)上部水泥漿和下部水泥漿不同時凝固， 保證水泥候凝期間的液柱壓力對地層的有效壓穩(wěn)作用。

2）研發(fā)低溫淺層防氣竄水泥漿體系。 在丁苯膠乳水泥漿基礎(chǔ)上，通過調(diào)整緩凝劑和纖維材料加量，形成防氣竄水泥漿體系， 增大水泥漿體系的氣浸阻力、縮短過渡時間，改善了水泥環(huán)性能；另一方面通過滲透、吸附、交聯(lián)、粘接等多種反應(yīng)機(jī)制，改善過渡層結(jié)構(gòu)，提高水泥環(huán)雙界面膠結(jié)質(zhì)量，達(dá)到固井防氣竄的目的。

3）根據(jù)地層壓力分布，有針對性地應(yīng)用套管外封隔技術(shù)。 一方面針對油層異常高壓井，應(yīng)用套管外封隔器，封隔異常壓力層；另一方面針對采油五廠杏76 扶余區(qū)塊雙套油層組井，在兩套油層之間應(yīng)用套管外封隔器，將雙油層組分隔成兩套獨立的壓力體系，保證每組油層壓力的相對穩(wěn)定，提高固井質(zhì)量。

2 雙凝水泥漿體系研究

根據(jù)喇嘛甸油田地質(zhì)特點， 采用雙凝水泥漿體系分段封固的方式固井，即領(lǐng)漿（先注入水泥漿）后凝固，尾漿（后注入水泥漿）先凝固的方式。在領(lǐng)漿中添加促凝劑縮短水泥漿的凝固時間， 在尾漿中添加緩凝劑延長水泥漿凝固時間[4]。 當(dāng)領(lǐng)漿段先凝固失水造成失重狀態(tài)時， 尾漿后凝段仍然保持著壓力傳遞， 保證水泥候凝期間的液柱壓力對地層的有效壓穩(wěn)作用，避免井噴的同時，也使固井質(zhì)量得到保證。

2.1 尾漿優(yōu)選

根據(jù)封固地層和井段長度的情況， 要求雙凝水泥漿體系的尾漿稠化時間在80~90 min。 在50 ℃、32 MPa 條件下，通過調(diào)整促凝劑的加量，形成3 種配方的水泥漿體系。配方1：G 級水泥+15%硅粉+6%促凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+12%微硅+6%消泡劑+5%降失水劑+50%水；配方2：高G 級水泥+15%硅粉+8%促凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+12%微硅+6%消泡劑+5%降失水劑+50%水； 配方3：G 級水泥+15%硅粉+10%促凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+12%微硅+6%消泡劑+5%降失水劑+50%水。 對其流動度、抗壓強(qiáng)度和稠化時間等指標(biāo)進(jìn)行了評價分析，實驗結(jié)果見表1。 從表1 可知，在促凝劑的不同加量條件下， 水泥漿只是稠化時間逐漸縮短，而流動度、抗壓強(qiáng)度、失水量等指標(biāo)沒有發(fā)生明顯變化，當(dāng)促凝劑加量在10%時，稠化時間為86 min，能夠滿足雙凝水泥漿尾漿施工需求。

表1 雙凝水泥漿體系尾漿性能

2.2 領(lǐng)漿優(yōu)選

根據(jù)施工要求， 雙凝水泥漿體系的領(lǐng)漿凝固時間在180 min 左右，這樣與尾漿凝固時間（86 min）配比效果最好。 在60 ℃、32 MPa 條件下，通過調(diào)整緩凝劑的加量來延長領(lǐng)漿的稠化時間， 形成3個配方。 配方1：G 級水泥+15%硅粉+0.1%緩凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+12%微硅+6%消泡劑+5%降失水劑+50%水；配方2：高G 級水泥+15%硅粉+0.2%緩凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+12%微硅+6%消泡劑+5%降失水劑+50%水； 配方3：G 級水泥+15%硅粉+0.3%緩凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+12%微硅+6%消泡劑+5%降失水劑+50%水。 對其流動度、抗壓強(qiáng)度和稠化時間等指標(biāo)進(jìn)行分析，實驗結(jié)果見表2。 從表2 可知，隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿的流動度、抗壓強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)沒有明顯變化，只是稠化時間逐漸延長，當(dāng)緩凝劑加量在0.3%時，稠化時間為183 min，對雙凝水泥漿體系的現(xiàn)場施工最為有利。

2.3 相容性試驗

在現(xiàn)場施工過程中， 不同性能水泥漿混漿段的流動度相對較差，會出現(xiàn)泵送困難的情況。 因此，對領(lǐng)漿和尾漿及混漿段的常規(guī)性能進(jìn)行了對比分析，實驗結(jié)果見表3。 由表3 可知，領(lǐng)漿和尾漿混合后，流動度沒有發(fā)生明顯變化，未出現(xiàn)增稠的現(xiàn)象，有效解決了泵送困難的問題， 對水泥漿的其他性能也沒有負(fù)面影響， 水泥石的抗壓強(qiáng)度也能夠滿足施工要求。

表2 雙凝水泥漿體系領(lǐng)漿性能

表3 雙凝水泥漿領(lǐng)漿、尾漿和混漿段常規(guī)性能對比

3 低溫淺層防氣竄水泥漿研究

為了提高水泥漿體系的穩(wěn)定性、 達(dá)到防氣竄的目的，再結(jié)合采油四廠杏7 區(qū)塊地質(zhì)特點，將優(yōu)選出的丁苯膠乳加入到水泥漿中， 再加入緩凝劑和纖維材料， 從而形成適用于大慶淺氣區(qū)的防氣竄水泥漿體系。 膠乳是以聚合物球形顆粒狀態(tài)分散在水泥漿中，膠乳粒子與水泥漿極性相斥，使水泥漿中的膠乳呈高度分散和懸浮狀態(tài)，從而提高水泥漿穩(wěn)定性[5]；同時，膠乳水泥漿具有成膜性好、流變性好和滲透率低等特點， 從而大幅度提高了水泥漿體系的防竄性能。 緩凝劑能延長水泥漿固化時間， 以達(dá)到最佳效果。纖維材料能提高水泥漿的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)一步提升防氣竄能力。

3.1 緩凝劑加量確定

在優(yōu)選丁苯膠乳的基礎(chǔ)上， 形成水泥漿基礎(chǔ)配方：G 級水泥+10%硅粉+5%消泡劑+35%砂+5%降失水劑+15%丁苯膠乳。在此配方基礎(chǔ)上依次改變緩凝劑加量，對形成的水泥漿性能進(jìn)行測試，從而確定緩凝劑的加量，實驗結(jié)果見表4。 由表4 可知，隨著緩凝劑加量增加，水泥漿的密度沒有發(fā)生變化，濾失量和水泥漿游離液變化不明顯，略有增加趨勢，稠化時間依次增大。 當(dāng)緩凝劑加量為1.5%~ 2.0%時，濾失量小于300 mL，稠化時間接近300 min。 因此，緩凝劑的最終加量為1.5%~2.0%。

3.2 纖維材料加量確定

在基礎(chǔ)水泥漿配方（G 級水泥+10%硅粉+5%消泡劑+35%砂+5%降失水劑+15%丁苯膠乳）上，加入不同量的纖維材料， 評價纖維對水泥漿性能參數(shù)的影響[6]，實驗結(jié)果見表5。由表5 可知，加入纖維材料后，水泥石的24 h 和48 h 抗沖擊強(qiáng)度都明顯提高，說明纖維材料對提高水泥石的強(qiáng)度具有正面影響作用。 但是當(dāng)加量大于0.5%時，水泥漿的抗沖擊強(qiáng)度又呈現(xiàn)下降趨勢。因此為了達(dá)到最好的增韌效果，纖維材料加量定為0.5%。

表4 緩凝劑對水泥漿性能的影響

表5 纖維材料對水泥漿性能的影響

通過以上實驗， 形成大慶淺氣區(qū)防氣竄水泥漿配方：G 級水泥+4.0%穩(wěn)定劑+2.0% 緩凝劑+0.3%分散劑+15%降失水劑L+0.5%纖維材料+35%砂+5%硅粉。

3.3 防氣竄性能測試

形成大慶淺氣區(qū)防氣竄水泥漿配方后， 在室內(nèi)利用油井水泥氣竄模擬分析儀對其防氣竄性能進(jìn)行分析和評價。 模擬條件為100 ℃、7 MPa 下，模擬地層壓力3.5 MPa。 實驗結(jié)果可知，形成的防氣竄水泥漿在300 min 時地層壓力開始下降， 在350 min 時孔隙壓力降至最低， 此時水泥漿筒內(nèi)下部壓力即為地層氣竄壓力， 在整個實驗過程中沒有出現(xiàn)氣體竄出的現(xiàn)象， 表明該水泥漿配方能夠適用于大慶淺氣區(qū)防氣竄技術(shù)需求。

4 套管外封隔器固井技術(shù)

根據(jù)大慶淺氣區(qū)調(diào)整井地質(zhì)特點， 部分使用雙凝水泥漿和低溫淺層防氣竄水泥漿無法滿足固井質(zhì)量要求的井，采用水泥漿充填管外封隔器完井技術(shù)，以提高淺氣區(qū)調(diào)整井固井質(zhì)量。 這種封隔器是由中心管、膠筒和閥箍等幾個部件組成，通過下接頭、上接箍連接到相鄰兩個套管上。閥箍是由單向閥、限壓閥和打開閥串聯(lián)在一起；膠筒由內(nèi)膠筒、撓性保護(hù)鋼片和外膠筒三層結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)封隔器下到井底以后，打壓坐封封隔器，當(dāng)坐封壓力達(dá)到一定值后，剪斷打開閥的銷釘， 水泥漿流體會進(jìn)入到中心管和內(nèi)膠筒之間的腔體，膠筒會在膨脹至一定壓力后，通過剪斷限壓閥而關(guān)閉流體通道， 使封隔器一直處于漲封狀態(tài)。 該技術(shù)具有封隔器不易變形、密封效果好、機(jī)械強(qiáng)度高、油氣層保護(hù)效果好等優(yōu)點[7]。

套管外封隔器固井技術(shù)需要與超緩凝水泥漿體系配套使用， 在室內(nèi)形成一套超緩凝水泥漿體系配方:G 級水泥+5%緩凝劑+0.5%穩(wěn)定劑+1.5%降濾失劑+0.2%消泡劑+0.6%分散劑。 其相關(guān)性能參數(shù)為:稠化時間（80 ℃，45 MPa）大于620 min，濾失量小于50 mL，抗壓強(qiáng)度（80 ℃，72 h）大于16 MPa，自由水為0。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

研究形成雙凝水泥漿、 低溫淺層防氣竄水泥漿和套管外封隔器固井技術(shù)，2018 年在大慶喇嘛甸油田東北區(qū)塊和采油四廠杏7 區(qū)塊累計應(yīng)用506 口井，實現(xiàn)了淺氣區(qū)、氣庫區(qū)完井安全與固井質(zhì)量的雙重保障。 其中，在喇嘛甸氣庫區(qū)施工208 口，優(yōu)質(zhì)井196 口，合格井12 口，優(yōu)質(zhì)率94.23%，與2017 年相比提高2.5 個百分點； 采油四廠杏七區(qū)施工298 口井,聲變檢測294 口，優(yōu)質(zhì)井265 口，優(yōu)質(zhì)率90.14%,固井優(yōu)質(zhì)率比2017 年提高了10.14 個百分點。

具體現(xiàn)場應(yīng)用實例分析如下： ①雙凝水泥漿體系和套管外封隔器固井技術(shù)相結(jié)合， 在Y5-FPX 井進(jìn)行了應(yīng)用， 水平段長1 124 m， 水平段優(yōu)質(zhì)段長920 m，優(yōu)質(zhì)率超過了81%，比同區(qū)塊Y5-FP8 井的優(yōu)質(zhì)率70%提高了10 個百分點； ②低溫淺層防氣竄水泥漿和套管外封隔器固井技術(shù)，在N263-PX 井進(jìn)行了應(yīng)用，水平段長612 m，優(yōu)質(zhì)段長612 m，水平段固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了100%。

6 結(jié)論

1）針對大慶油田淺氣區(qū)地質(zhì)特點，通過技術(shù)研發(fā)， 形成了雙凝水泥漿和低溫淺層防氣竄兩套水泥漿體系，并形成套管外封隔器固井技術(shù)，解決了喇嘛甸油田和采油四廠淺氣區(qū)地層壓力異常、 頂替效率低、易發(fā)生氣竄等技術(shù)難題。

2）形成的固井質(zhì)量提高技術(shù)在大慶油田喇嘛甸油田東北區(qū)塊和采油四廠杏7 區(qū)塊累計應(yīng)用超過500 口井，固井質(zhì)量和固井優(yōu)質(zhì)率都大幅度提高，有效保證了大慶油田淺氣區(qū)固井質(zhì)量的提高， 保護(hù)了油氣層，為完井安全和固井質(zhì)量提供了雙重保障。