抑制油井層間水竄的固井技術(shù)探析

王云川

中國石化勝利油田魯明油氣勘探開發(fā)有限公司

0 引言

新疆油田中拐區(qū)塊位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，具有廣闊的油氣勘探前景和悠久的開采歷史。該區(qū)塊屬典型的火山巖油氣藏，探區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層結(jié)構(gòu)多變。由于目的層石炭系地層裂縫發(fā)育、油水層交錯且受邊底水及注水井等因素的影響，油井完井投產(chǎn)后無水采油期短、油井含水率上升快。油井存在油水互層時，油層和水層間具有良好的封隔效果是延長油井見水期的方法之一[1-2]。

通?？梢酝ㄟ^優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及管串組合、改善常規(guī)水泥漿體系性能等方法提高固井質(zhì)量來減緩層間竄流的問題，但由于射孔及壓裂等完井工藝會對水泥環(huán)產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊力及拉伸、擠壓效應(yīng)，常規(guī)水泥漿體系形成的水泥石在受到不同方向上的作用力時會與套管之間形成微環(huán)空、水泥石破裂等問題。因此，如何確保油井完井投產(chǎn)后仍具有良好的固井質(zhì)量和層間封隔性，是提高該類油井生產(chǎn)周期和產(chǎn)量的主要方法之一[3-10]。中拐區(qū)塊使用過大量改善油層固井質(zhì)量的方法，如采用領(lǐng)漿1.50 g/cm3、尾漿1.90 g/cm3的雙密度雙凝水泥漿體系，在不壓漏地層的情況下，提高尾漿密度增強(qiáng)目的層的固井質(zhì)量；通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及管串組合，縮短目的層水泥漿柱高度，降低尾漿稠化時間提高固井質(zhì)量等，仍然無法解決油井完井后水竄等問題。文章以已施工4口井中的X井為例，通過優(yōu)化水泥漿體系和水泥石力學(xué)性能，并結(jié)合壓裂施工后的投產(chǎn)情況說明如何解決此類油井投產(chǎn)問題，為同類油井提供一定的借鑒意義。

1 X井井況概述

X井位于位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起中拐，目的層為石炭系，層厚98 m，鉆深3 000 m。一開采用直徑444.5 mm鉆頭鉆至500 m，表層套管直徑339.7 mm；二開采用直徑311.1 mm鉆頭鉆至2 580 m，技術(shù)套管直徑為244.5 mm；三開采用直徑215.9 mm鉆頭鉆至3 000 m，油層套管直徑為139.7 mm。在管鞋處進(jìn)行地層破裂壓力測試可知，地層破裂壓力當(dāng)量密度為1.73 g/cm3。井底靜止溫度66 ℃，循環(huán)溫度56 ℃，溫度梯度2.2 ℃/100 m，目的層采用1.32 g/cm3鉀鈣基聚磺鉆井液體系。最大井斜角13.7 °，井底水平位移30.97 m，垂深2 998 m。油層套管設(shè)計水泥漿返高面位于2 380 m，即封固井段為2 380～3 000 m。

2 固井難點(diǎn)分析與解決方案

通過分析8口探井的歷史數(shù)據(jù)可知，該區(qū)塊固井主要存在以下難點(diǎn)及問題：

(1)采用鉀鈣基聚磺鉆井液體系，影響水泥漿膠結(jié)及水泥漿與井壁第一膠結(jié)面質(zhì)量。

(2)受邊底水流體影響，目的層固井質(zhì)量較差。主要表現(xiàn)在水層固井質(zhì)量差，油層、水層之間無法形成有效的封隔。

(3)射孔及壓裂后，造成水泥環(huán)與套管之間形成微環(huán)空、水泥石破裂，形成水竄通道。已封隔水層與油層再次聯(lián)通，油井投產(chǎn)后，地層水沿著微環(huán)空及水泥石破裂縫流通至井筒。

三種因素綜合，造成油井投產(chǎn)后油井含水率上升快，產(chǎn)油量迅速下降和無水采油期縮短。

針對上述中固井存在的主要問題，擬采用以下措施：

(1)優(yōu)化施工參數(shù)。確保井眼干凈、穩(wěn)定、不漏、不涌、無阻卡，提高施工時的頂替效率。

(2)采用1.03 g/cm3沖洗液與1.50 g/cm3隔離液相結(jié)合，對井內(nèi)鉆井液及井壁濾餅進(jìn)行有效的稀釋與沖洗清除，同時隔離液可對水泥漿與鉆井液形成隔離效果，降低水泥漿受污染程度。

(3)水泥漿固相采用顆粒級配原理。與常規(guī)水泥漿體系相比，新型水泥漿體系采用大、中、小顆粒按照一定體積比例進(jìn)行混配，在相同密度1.80 g/cm3條件下，水泥漿體系固相含量高達(dá)54.8%，而常規(guī)水泥漿固相含量為36%～40%左右。顆粒級配理論下水泥漿體系依然具有良好的流動性，固相含量的增加有效降低水泥漿體系的孔隙度和滲透率，提高水泥漿體系的防竄性能，同時凝固后的水泥石機(jī)械性能增強(qiáng)，有效應(yīng)對射孔、壓裂等完井作業(yè)造成的水泥石破壞。

(4)顆粒級配中的大顆粒材料采用韌性材料。優(yōu)選具有高抗壓強(qiáng)度的韌性材料，抗壓強(qiáng)度達(dá)到45 MPa，粒徑范圍為100～800 μm，密度0.90 g/cm3。韌性材料可有效降低、改善水泥石楊氏模量和泊松比，與常規(guī)水泥石相比在同等應(yīng)力作用下，具有更好的延展性，緩解應(yīng)力破壞作用。

(5)水泥漿體系中加入膨脹劑。水泥漿凝固后具有一定的膨脹性能，解決套管收縮、地層蠕動等造成微環(huán)空問題；通過水泥環(huán)線性膨脹率測試裝置測定油層溫度條件下的線性膨脹率。膨脹率的具體計算公式為[3-6]:

P=(L2-L1)/L

(1)

式中:P—水泥石膨脹率，%；L—膨脹環(huán)的周長，mm；L1和L2—分別為水泥漿倒入試模后和水泥漿養(yǎng)護(hù)到期齡后測得的膨脹環(huán)間距，mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，加入5%水泥重量的膨脹劑，在確保水泥石強(qiáng)度范圍內(nèi)的條件下，水泥漿凝固后的膨脹率達(dá)到1.14%，有效解決微環(huán)空或微間隙問題,如圖1所示，同時水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫，而且會增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強(qiáng)度，增大壁面抗水壓滲透能力，阻止流體在環(huán)空中竄移。

圖1 水泥環(huán)線性膨脹率隨時間變化曲線

(6)針對水竄問題，使用中高溫膠乳體系。膠乳體系為微小聚合物顆粒材料，具有良好的分散性，可均勻分布于水泥漿體系中，有效降低水泥漿體系的孔隙度和滲透率。同時膠乳體系具有觸變性，可增強(qiáng)靜止水泥漿體系的防竄性能。

3 韌性膨脹防竄水泥漿體系優(yōu)化

3.1 水泥漿體系的防竄性能測試與力學(xué)性能優(yōu)化

3.1.1 水侵后水泥漿失水量測試

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分別將10%、15%比例地層水與水泥漿體系均勻混合，垂直放置于恒溫水浴鍋至水泥漿凝固。將水泥柱均勻切割成四段，測定從上到下水泥柱密度。研究水泥漿受地層水侵入后的穩(wěn)定性及密度變化幅度，如表1所示，水泥漿在受到15%以內(nèi)不同程度水侵后，水泥石密度下降但變化值范圍為0.008～0.044 g/cm3，且上下密度均勻，穩(wěn)定性不受影響。

表1 不同水侵條件下的1.80 g/cm3水泥漿密度與穩(wěn)定性測試結(jié)果表

3.1.2 水侵后水泥石抗壓強(qiáng)度測試

室內(nèi)將地層水按照5%、10%、15%不同比例與水泥漿體系均勻混合，倒入模塊并在油層條件下(66 ℃、38 MPa)養(yǎng)護(hù)48 h，使用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行破裂強(qiáng)度測試。如表2所示，加入不同比例地層水后，水泥石強(qiáng)度雖然呈下降趨勢，但是其強(qiáng)度完整性仍然能得到保證，變化范圍在13.27～18.29 MPa之間。

表2 不同水侵條件下水泥石抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果表

3.1.3 水侵后水泥漿API失水量測試

室內(nèi)將地層水按照5%、10%、15%不同比例與水泥漿體系均勻混合，放入高溫高壓稠化儀進(jìn)行養(yǎng)護(hù)30 min，取出樣品放置于高溫高壓API失水測定儀上進(jìn)行失水量測試。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，受不同比例地層水水侵后，水泥漿API失水量小于15 mL/30 min，避免失水量過多造成的水泥漿不穩(wěn)定等問題。

表3 不同水侵條件下水泥漿API失水量測試結(jié)果表

3.1.4 水泥漿體系靜膠凝值時間測試

中高溫防竄膠乳體系，降低水泥漿體系的滲透率和孔隙度，具有極強(qiáng)的防竄、防侵能力。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明水泥漿在井內(nèi)失重環(huán)境下，靜膠凝值從48 Pa上升到240 Pa時間小于45 min，防竄、防侵能力強(qiáng),如圖2所示。

圖2 水泥漿靜膠凝防竄性能測試曲線

3.2 水泥石力學(xué)性能測試與優(yōu)化

(1)改變大、中、小顆粒配比，優(yōu)化水泥石的韌性與強(qiáng)度并用力學(xué)軟件模擬水泥石在受到拉伸、擠壓等不同作用力情況下的力學(xué)完整性。通過CemSTRESS軟件模擬獲取的結(jié)果可知，溫差從0～45℃、壓差從0～50 MPa變化時，常規(guī)水泥漿體系形成的水泥石抗壓性能完好無損，但最大拉應(yīng)力5.30 MPa時會產(chǎn)生抗拉破壞，且在環(huán)空寬邊形成25.6 μm的微環(huán)空；韌性膨脹膠乳水泥漿體系形成的水泥石在受壓、受拉均不會破裂，且在酸壓后不會產(chǎn)生微環(huán)空，水泥石保持完好。

(2)實(shí)驗(yàn)室測定油層、套管和水泥石三者的楊氏模量和泊松比，對比分析三者在受同等作用力下優(yōu)先破壞程度。水泥石抗壓強(qiáng)度38.6 MPa，抗拉強(qiáng)度4.25 MPa，彈性模量3 616.0 MPa，泊松比0.37。對比三種不同介質(zhì)楊氏模量和泊松比可知，在受到同等應(yīng)力作用下，水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比，展現(xiàn)出良好的彈性和韌性，水泥石受到保護(hù)。

4 固井與壓裂后生產(chǎn)質(zhì)量評價

4.1 固井效果評價

根據(jù)CBL/VDL測井評價解釋結(jié)果,X井全井段均合格，平均優(yōu)質(zhì)段達(dá)90%以上。其中,油水同層、氣水同層發(fā)育段固井質(zhì)量優(yōu)；三開目的層固井質(zhì)量優(yōu)，目的層石炭系2 910～2 972 m內(nèi)一界面、二界面水泥膠結(jié)優(yōu)。聲波幅度成像反映井周膠結(jié)均勻，水泥充填密度1.75～1.82 g/cm3之間，CBL聲幅值均小于20%。

4.2 壓裂效果評價

采用SDP-89/60°型射孔彈，孔密16 孔/m，每段厚度8.00 m，采用2500型壓裂車進(jìn)行壓裂作業(yè)。壓裂施工結(jié)束后，安裝油嘴試產(chǎn)，油壓17.8～20.0 MPa，套壓16.0～19.0 MPa，日產(chǎn)油23.51 m3，日產(chǎn)氣0.766×104m3，累計產(chǎn)油778.00 m3,井口未見水。該水泥漿體系滿足固井質(zhì)量及壓裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1)韌性膨脹膠乳水泥漿體系相對于常規(guī)水泥漿體系具有固相含量高、防竄性能高、機(jī)械性能優(yōu)質(zhì)的特性，可有效的對油層和水層進(jìn)行封隔。

(2)該水泥漿體系較低的楊氏模量、較大的泊松比和一定的微膨脹特性，可確保射孔、壓裂等完井作業(yè)時水泥石完整性，預(yù)防射孔及壓裂后，造成水泥環(huán)與套管之間形成微環(huán)空、水泥石破裂。

(3)X井固井作業(yè)的成功，表明優(yōu)化后的水泥漿體系具有良好的防竄性能，強(qiáng)防竄、防侵能力。

(4)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥漿在井內(nèi)失重環(huán)境下，靜膠凝值從48 Pa上升到240 Pa所用時間小于45 min，同時泊松比、楊氏模量等力學(xué)性能測試結(jié)果展現(xiàn)出良好的彈性和韌性，水泥石受到保護(hù)，固井后壓裂投產(chǎn)后基本不產(chǎn)水。