川西沙溪廟組不規(guī)則井眼高壓氣井固井技術(shù)

馬小龍

中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南 濮陽(yáng)

1. 引言

川西地區(qū)天然氣開發(fā)是中國(guó)石化西南地區(qū)油氣勘探開發(fā)重要地區(qū)之一，目前重點(diǎn)開發(fā)高廟子、中江區(qū)塊，主要目的層為上、下沙溪廟組。上沙溪廟組完鉆井深2800～3300 m，下沙溪廟組，完鉆井深3700～4100 m，水平段700～1000 m，由于地層壓力系數(shù)高，泥巖發(fā)育，井壁穩(wěn)定性差，鉆完井施工難度大[1]-[7]。部分井固井后就有不同程度帶壓，如江沙301-4HF 環(huán)空帶壓達(dá)9.4 МPa，江沙102-1HF 井環(huán)空帶壓達(dá)2.5 МPa，高沙305HF、江沙103HF、江沙33-1HF 等均有不同程度的帶壓，須進(jìn)行短回接施工后方可進(jìn)行投產(chǎn)作業(yè)，費(fèi)時(shí)耗力，嚴(yán)重影響了后期開發(fā)的需要。針對(duì)上述難題，通過對(duì)氣竄原因進(jìn)行剖析，通過優(yōu)選高密度沖洗隔離液，研發(fā)了高密度雙膨脹防竄水泥漿體系，優(yōu)化固井施工工藝，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，較好的解決了固井后井口帶壓情況，提高了固井質(zhì)量[1]-[7]，滿足了沙溪廟組地層開發(fā)的需求。

2. 影響固井質(zhì)量的主要難點(diǎn)

2.1. 頂替效率低

1) 鉆井采用鉀石灰聚磺水基鉆井液體系，泥頁(yè)巖易水化分散，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，掉塊嚴(yán)重，最大掉塊達(dá)12 cm，見圖1。井徑不規(guī)則且擴(kuò)大率大，經(jīng)推算高廟33-9HF 井井徑擴(kuò)大率達(dá)33.6%，導(dǎo)致水泥漿上返速度低，鉆井液不能有效驅(qū)替；

Figure 1. Gaomiao 33-4HF and Gaomiao 33-9HF well fall-block 圖1. 高廟33-4HF 與高廟33-9HF 井掉塊

2) 水平段摩阻大，下套管困難，為了增加下套管配重，將全井下套管固井改為尾管固井工藝，送入采用φ139.7 mm 或φ127 mm 加重鉆具，鉆具水眼減小，再者尾管坐掛后過流面積減小，導(dǎo)致注替排量不能有效提高；

因此，頂替效率低是制約固井質(zhì)量提高的主要矛盾。

2.2. 鉆井液密度高，攜砂困難，影響膠結(jié)質(zhì)量

壓穩(wěn)地層所需鉆井液密度一般1.85～1.95 g/cm3就可滿足鉆井要求，但為了攜砂鉆進(jìn)中鉆井液密度要高于2.05 g/cm3，而且粘度高、切力高，方可滿足要求，這導(dǎo)致施工泵壓高，環(huán)空返速低，大斜度井段巖屑不易被鉆井液或前置液攜帶出來(lái)；由于起下鉆摩阻大，鉆井液中一般加入5%～10%原油降低摩阻，沉砂、油膜影響了一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量[8]。

2.3. 氣層段長(zhǎng)而且活躍，壓穩(wěn)困難

大部分井進(jìn)入水平段后，槽面有超過35%針尖狀氣泡，部分井大斜度段就有氣層顯示，由于無(wú)井徑數(shù)據(jù)，尾漿附加量不能過大，領(lǐng)漿會(huì)下降至水平段，導(dǎo)致領(lǐng)漿全井段失重，發(fā)生氣竄。

2.4. 高密度水平井固井，對(duì)水泥漿各項(xiàng)性能要求高

設(shè)計(jì)水泥漿密度2.10～2.15 g/cm3要求析水為0 mL，失水小于50 mL，沉降穩(wěn)定性小于0.03 g/cm3，抗壓強(qiáng)度大于14 МPa，水泥石不收縮，因此，水泥漿設(shè)計(jì)困難。

3. 固井關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1. 高密度雙膨脹水泥漿體系的研發(fā)

G 級(jí)油井水泥顆粒粒徑為100 μm 左右，水化所需的水量為25%左右，而在配制水泥漿所需的最小水灰比為44%，因而水泥顆粒之間存在許多自由水，水泥凝固后形成很大的膠空狀現(xiàn)象，固井后最終會(huì)導(dǎo)致水泥石體積收縮，造成水泥石與套管的剝離，產(chǎn)生微間隙，在高壓氣井中易形成通道導(dǎo)致氣竄，因此，需在水泥漿中加入膨脹劑解決水泥石收縮性。

通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選晶格膨脹劑和氣鎖膨脹劑，晶格膨脹劑通過與水泥反應(yīng)生成鈣礬石，鈣礬石晶體的成長(zhǎng)會(huì)吸水引起水泥石體積膨脹；氣鎖膨脹劑是鋁粉通過包被劑包裹，在一定溫度下與水泥反應(yīng)可生成H2，可補(bǔ)充水泥石體積收縮，另可起到降低水泥漿“失重”的作用，在晶格膨脹劑和氣鎖膨脹劑的雙重作用下，有效控制了水泥石的收縮，兩種膨脹機(jī)加入高密度和常規(guī)水泥漿[9]中，其配方如下：

領(lǐng)漿：JHG + 40%赤鐵礦粉 + 1.5%晶格膨脹劑 + 1.3%氣鎖膨脹劑 + 2.5%降失水劑 + 1.5%緩凝劑+ 0.5%分散劑 + 3.0%納米填充劑 + 1.0%弾塑劑 + 0.45%水；

尾漿：JHG + 1.5%晶格膨脹劑 + 1.3%氣鎖膨脹劑 + 2.5%降失水劑 + 0.5%緩凝劑 + 0.5%分散劑 + 3%納米填充劑 + 1.0%弾塑劑 + 0.42%水，水泥漿性能見表1。

Table 1. Performance of high-density double-expansion cement slurry system 表1. 高密度雙膨脹水泥漿體系性能

從上表可以看出該領(lǐng)尾漿體系膨脹率均為正值，失水小于等于30 mL，自由水為0，強(qiáng)度大于14 МPa，上下密度差也能控制在0.02 g/cm3范圍內(nèi)，滿足于沙溪廟組地層固井的需求。

3.2. 高密度前置液的優(yōu)化

西南工區(qū)所應(yīng)用的驅(qū)油隔離劑有4 種，通過評(píng)價(jià)優(yōu)選出性價(jià)比較高的作為使用目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)方法：將320 目水砂紙?jiān)阢@井液中浸泡15 min，用捆扎帶固井在流速粘度計(jì)轉(zhuǎn)軸上，再將所配隔離液經(jīng)85℃養(yǎng)護(hù)20 min 后，使用六速粘度計(jì)300 轉(zhuǎn)/min 對(duì)試樣沖洗10 min，對(duì)比砂紙的潔凈程度，優(yōu)選出所需隔離液體系。

方案1：400 g 水 + 2.5%懸浮劑 + 200%重晶石粉 + 5%驅(qū)油劑，4 種驅(qū)油劑效果測(cè)試結(jié)果見圖2。

Figure 2. Evaluation test results of scheme 1 圖2. 方案1 評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果

從評(píng)價(jià)效果來(lái)看，1#試樣和4#試樣沖洗效果較好，2#和3#試樣沖洗效果較差。

為增加隔離液的物理沖刷，在隔離液中加入石英砂。石英砂顆粒越大，對(duì)井壁的沖刷效果越明顯，但大顆粒容易產(chǎn)生沉降，需要增加懸浮穩(wěn)定劑的加量，同時(shí)也會(huì)使隔離液稠度增加，不利于泵送。因此，選擇在隔離液中加入80～120 目石英砂，并通過試驗(yàn)觀察隔離液的流變性能、沉降穩(wěn)定性及沖刷能力來(lái)確定石英砂的加量，結(jié)果見表2。

Table 2. Effect of different dosage of quartz sand on isolation fluid 表2. 不同加量的石英砂對(duì)隔離液的影響

由表2 可以看出，加入石英砂可以提高隔離液的沖刷能力，而加入過多的石英砂則會(huì)導(dǎo)致隔離液稠度增加、流動(dòng)性變差，影響泵送，所以石英砂較為合適的加量為20%。用與方案1 相同的試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)方案2，結(jié)果見圖3。

方案2：400 g 水 + 2.5%懸浮劑 + 196%重晶石粉 + 20%石英砂(80～120 目) + 5%驅(qū)油劑

Figure 3. Evaluation test results of scheme 2 圖3. 方案2 評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出1#試樣和4#試驗(yàn)沖洗效果比方案1 有所改善，主要是由于石英砂的加入，增加了物理沖刷效果，物理和化學(xué)沖洗的相互作用下提高了沖刷效果。

通過上述實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選1#試樣中的懸浮穩(wěn)定劑和清油型沖洗劑，懸浮穩(wěn)定劑主劑由高分子聚合物、表面活性劑、熱穩(wěn)定劑按比例組成，其室內(nèi)最高密度可配2.30 g/cm3，沉降穩(wěn)定性小0.03 g/cm3。清油型沖洗劑含有大量復(fù)合表面活性劑，可與烴鏈分子形成分子間力，降低界面張力，滲入油膜內(nèi)部，產(chǎn)生潤(rùn)濕、逆乳化、親水增溶作用，加速油膜的分離，使油膜分散懸浮于沖洗隔離液中，從而將其清除；常規(guī)加重劑一般選用4.0～4.2 g/cm3重晶石，但為了增加物理沖刷效果，加入80～120 目密度2.65 g/cm3石英砂，石英砂按20%比例加入，可使沉降穩(wěn)定性與物理沖刷均滿足設(shè)計(jì)要求。

其沖洗液配方為：水 + 2%懸浮劑 + 5%清油型沖洗劑；密度2.10 g/cm3加重配方：水 + 196%重晶石+ 20%石英砂 + 3% WH-2 + 5% WH-5，性能見表3。

Table 3. High density increases the performance of the isolator 表3. 高密度加重隔離液性能

由于大量表面活性劑對(duì)領(lǐng)漿、鉆井液不同比例混漿實(shí)驗(yàn)均可大于領(lǐng)漿自身稠化時(shí)間，上下密度差小于0.03 g/cm3，沖洗效率大于95%，滿足了隔離液設(shè)計(jì)要求。

3.3. 提高頂替效率措施

1) 通井時(shí)，在井斜40°～50°和70°～89°以30 L/min 排量做分段循環(huán)和短程起下鉆，旋轉(zhuǎn)活動(dòng)鉆具，以破壞巖屑床；通井到底后，用15 m3密度與鉆井液相當(dāng)，粘度150 S 以上并加入1%～2% 10～15 mm 長(zhǎng)纖維的稠鉆井液循環(huán)一周，將井內(nèi)沉砂攜帶干凈。

2) 優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，采用φ139.7 mm 加重鉆具加φ139.7 mm 鉆具送入，替換原φ127 mm 鉆具，以降低循環(huán)摩阻，增大循環(huán)排量；

3) 下完套管后循環(huán)時(shí)改善鉆井液的流動(dòng)性能，動(dòng)切降至10 Pa 以內(nèi)，粘度 ≤ 65 S，施工前注入30 m3粘度 ≤ 50 S、動(dòng)切 ≤ 8 Pa、PH ≤ 8，具有抗鈣性、冷卻、不含油的先導(dǎo)泥漿，提高頂替效率；

4) 采用雙車大排量注灰，使注灰過程水平段的上返速度大于0.9 m/s，確保水平段在注灰過程中達(dá)到紊流；

5) 水平段和大斜度段采用整體式彈性扶正器，水平段大斜度段每2 根套管加1 只、直井段每3 根加1 只裝剛性螺旋扶正器。

3.4. 防氣竄技術(shù)措施

1) 實(shí)際了解鉆井過程中掉塊情況，與同類型井做參考，再不測(cè)井徑的條件西啊，確保尾漿能有效封至氣頂，領(lǐng)漿返出懸掛器；

2) 拔出中心管，采用大于40 L/min 排量循環(huán)，利用循環(huán)摩阻對(duì)下部水泥漿加壓；

3) 如回壓凡爾正常，未井漏，則不留上塞，防止鉆穿水泥塞后，尾管內(nèi)壓力突然釋放，套管快速收縮，水泥環(huán)弾性變化速度慢，易造成微間隙；

4) 水泥漿循環(huán)干凈后第一時(shí)間加回壓，回壓值應(yīng)考慮水泥漿全井段失重，最終回壓值應(yīng)大于或等于該失重值。

4. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研發(fā)的雙膨脹水泥漿體系和優(yōu)選的前置液體系以及相關(guān)工藝技術(shù)首先在高廟33-9HF 井產(chǎn)層固井得到應(yīng)用，該井采用φ215.9 mm 鉆頭鉆至4046 m，懸掛器位置2191.8 m，與上層φ244.5 mm 套管重疊294.02 m，尾管下深4045.5 m，固井施工過程為：1) 下完套管后29 L/s 循環(huán)4 h；2) 投球，憋壓15 МPa 坐掛，倒扣30 圈成功，憋球座18 МPa 3) 管線試壓35 МPa；4) 注入密度2.07 g/cm3先導(dǎo)漿30 m3；5) 注沖洗液1 m3，密度2.10 g/cm3隔離液15 m3；6) 注密度2.15 g/cm3領(lǐng)漿50 m3，密度1.93 g/cm3尾漿31 m3；排量2.3 m3/min，泵壓31～26 МPa；7) 壓膠塞3 m3；8) 替漿40.32 m3，排量1.7～1.6 m3/min，泵壓20 МPa；9) 水泥車替2 m3，至碰壓，壓力30 МPa；10) 拔出中心管循環(huán)；11) 加回壓12 МPa；關(guān)井候凝48 h。

經(jīng)電測(cè)解釋固井質(zhì)量全井優(yōu)良，優(yōu)質(zhì)75%，良好17.7%，優(yōu)良率92.7%，中等膠結(jié)2.4%。

該區(qū)域施工的江沙312 井、江沙102-8 井、高沙307-1、江沙201-4HF 等井固井質(zhì)量均評(píng)定為良好，較好的解決了川西沙溪廟組地層不規(guī)則井眼高密度氣井固井質(zhì)量低的難題。

5. 結(jié)論

1) 通井時(shí)破壞巖屑床，應(yīng)用稠漿加長(zhǎng)纖維攜砂，優(yōu)化沖洗液隔離液體系，提高注替排量是提高頂替效率的有效手段；

2) 性能良好的雙膨脹水泥漿體系，尤其是水平井中析水為0，水泥石自身膨脹，是防止氣竄，保證固井質(zhì)量的前提；

3) 確保尾漿返高，最大限度的考慮水泥漿失重，利用拔出中心管后，大排量循環(huán)和環(huán)空加回壓技術(shù)是壓穩(wěn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。