張曉兵,李長坤,衡宣亦,邱愛民,虞海法,于永金
(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206;2.中國石油集團(tuán)西部鉆探公司準(zhǔn)東鉆井公司,新疆 克拉瑪依 834000;3.中國石油塔里木油田分公司油氣田產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部,新疆 庫爾勒 841000;4.中國石油股份有限公司華北油田公司,河北 任丘 062552)
塔里木山前構(gòu)造高壓氣井是塔里木油田增儲上產(chǎn)的重要區(qū)域,具有地質(zhì)情況復(fù)雜、超深、超高壓、高溫的特點(diǎn),目前該地區(qū)完鉆井深普遍大于7000m,一般采用五開井身結(jié)構(gòu),四開封固庫姆格列木群組的鹽膏層。由于受到復(fù)雜的地質(zhì)及工程因素影響,導(dǎo)致該地區(qū)鹽膏層段固井質(zhì)量不高,部分井投產(chǎn)后B環(huán)空異常帶壓,給后續(xù)生產(chǎn)帶來了巨大隱患[1-2]。因此有必要系統(tǒng)分析該地區(qū)鹽膏層段固井難點(diǎn)并提出針對性技術(shù)對策,提高固井質(zhì)量,保證后續(xù)安全生產(chǎn)。
(1)鹽膏層蠕變,套管下入難度較大,居中度難以保證。由于鹽膏層在高溫高壓條件下的蠕變,導(dǎo)致井眼縮徑,套管下放至裸眼段仍容易遇阻或下不到設(shè)計位置。此外,由于缺少適用于鹽膏層段的小接箍或者無接箍的扶正器,鹽膏層段普遍未加放扶正器,導(dǎo)致套管整體居中度較低(約為20%~30%),頂替過程中易發(fā)生竄槽、接觸污染等風(fēng)險[3-4]。
(2)水泥漿體系設(shè)計困難。鹽膏層封固段為6000~7500m,溫度超過140℃,壓力大于130MPa,Cl-含量(1.0~2.0)×105mg/L,固井普遍采用高密度鹽水水泥漿,一般采用微錳或鐵礦粉進(jìn)行加重,二者均為惰性材料,導(dǎo)致高密度水泥石強(qiáng)度低,且高溫條件下強(qiáng)度存在衰退現(xiàn)象;此外施工過程中,由于井深較深、溫度高、施工時間長(6~10h),需加入一定量的緩凝劑,高溫條件下,緩凝劑稠化時間與加量之間的線性關(guān)系較差,同時對水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展存在一定影響,影響水泥漿防竄性能[5-6]。
(3)沖洗隔離液性能要求高。山前構(gòu)造鹽膏層一般采用高密度油基鉆井液鉆進(jìn),密度普遍大于2.30g/cm3,其中含大量聚合物類處理劑,粘度高,在井壁及套管上附著力強(qiáng),難以清洗。為保證固井施工安全及固井后的界面膠結(jié)質(zhì)量,要求隔離液具有良好的清洗、抗污染以及潤濕反轉(zhuǎn)的作用,隔離液體系設(shè)計困難[7-8]。
(4)壓力系統(tǒng)復(fù)雜,漏失頻發(fā),固井水泥漿一次性上返難度大。山前構(gòu)造鹽膏層普遍發(fā)育高壓鹽水,同時鹽膏層夾砂泥巖或白云巖,鹽巖與泥巖、泥巖與砂巖之間存在不整合面,鹽底含泥巖或砂巖等薄弱層,同一裸眼段高壓鹽水層(2.45g/cm3以上)、砂泥巖薄弱層(2.05~2.2g/cm3)并存,壓力系統(tǒng)復(fù)雜[9-10],固井過程中漏失頻發(fā)。統(tǒng)計到的近3 年完鉆的34 口井中,22 口在鹽膏層固井期間發(fā)生漏失,占比64.75%,漏失導(dǎo)致水泥漿難以返至設(shè)計位置,固井質(zhì)量合格率不高。
為提高山前構(gòu)造鹽膏層固井質(zhì)量,應(yīng)著重提高鹽膏層段固井工作液性能,同時優(yōu)化固井技術(shù)措施,確保套管順利下放到位以及高性能水泥漿在環(huán)空的有效填充,從而提高固井質(zhì)量。
2.1.1 高溫緩凝劑DRH-2L
緩凝劑DRH-2L是一種五元共聚物,其分子主鏈上的雙羥基、陽離子基團(tuán)、磺酸基團(tuán)等賦予了緩凝劑分子鏈的抗高溫性能和緩凝性能,適用溫度范圍70℃~210℃,根據(jù)山前鹽膏層段埋深及地溫梯度,選取溫度150℃、180℃開展實(shí)驗,結(jié)果見表1和圖1,由表1及圖1可知,隨著緩凝劑加量的增加,稠化時間逐步增長,且緩凝劑加量與稠化時間線性關(guān)系良好,水泥漿過渡時間較短(≤10min),強(qiáng)度發(fā)展較快(稠化時間147min,260min時即開始起強(qiáng)度),漿體防竄能力較強(qiáng),能較好地滿足固井施工的需要。
圖1 水泥漿靜膠凝強(qiáng)度測試(180℃)
表1 不同溫度下DRH-2L加量對水泥漿稠化時間及靜膠凝強(qiáng)度過渡時間的影響
2.1.2 高溫防強(qiáng)度衰退材料
溫度超過150℃時,僅加入石英砂無法抑制水泥石強(qiáng)度衰退,優(yōu)選礦石粉類高溫增強(qiáng)材料DRB-2S(加量20%~40%),通過DRB-2S 與水泥水化產(chǎn)物在高溫條件下生成高強(qiáng)度的晶體物質(zhì),防止水泥石在高溫條件下發(fā)生強(qiáng)度衰退[11]。測試了DRB-2S加量對水泥石的抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果見表2。由表2可知,在150℃養(yǎng)護(hù)溫度下,僅加入石英砂后,水泥石2d 抗壓強(qiáng)度19.7MPa,7d 抗壓強(qiáng)度16.4MPa,抗壓強(qiáng)度較低,且出現(xiàn)了衰退,在加入石英砂的基礎(chǔ)上引入增強(qiáng)材料DRB-2S(加量20%~40%)后,在150℃~180℃范圍內(nèi),水泥石2d 抗壓強(qiáng)度大于30MPa,7d 抗壓強(qiáng)度大于40MPa,抗壓強(qiáng)度提升明顯,且能有效防止強(qiáng)度衰退。
表2 不同DRB-2S加量下的水泥石強(qiáng)度
以高溫緩凝劑DRH-2L以及高溫防強(qiáng)度衰退材料為主,輔以配套分散劑、降失水劑等,最終形成抗高溫高密度固井水泥漿體系,密度范圍2.45~2.65g/cm3,API失水量小于50mL,游離液含量為0,沉降穩(wěn)定性小于0.05g/cm3,2d抗壓強(qiáng)度大于30MPa,7d抗壓強(qiáng)度大于40MPa,強(qiáng)度未衰退,滿足山前構(gòu)造鹽膏層固井技術(shù)需求。
2.2.1 懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL
優(yōu)選了懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL,由特殊層狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)鹽以及非離子型聚合物組成。層狀結(jié)構(gòu)無機(jī)鹽具有高度的親水性,在水中分散形成表面帶負(fù)電,端面帶正電的薄片,薄片包含著大量水分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將大量自由水變成束縛水。非離子型聚合物遇水后,分子鏈逐漸伸展,分子鏈上的羥基與水分子結(jié)合形成大量氫鍵,增大了分子與水分子之間的內(nèi)摩擦力。二者協(xié)同作用可有效增強(qiáng)顆粒間內(nèi)摩擦力及吸附力,形成穩(wěn)定的懸浮體系。測試了150℃、180℃條件下,DRY-SL加量對隔離液沉降穩(wěn)定性及流變性的影響,結(jié)果見表3。由表3 可知,在150℃及180℃條件下,隨著DRY-SL加量的增加,隔離液的沉降穩(wěn)定性得到明顯改善,加量達(dá)到2%時,沉降穩(wěn)定性小于0.05g/cm3,同時流性指數(shù)大于0.6,稠度系數(shù)小于0.8Pa·sn,滿足固井施工對隔離液的性能要求。
表3 懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL加量對隔離液沉降穩(wěn)定性及流變性的影響
2.2.2 高效沖洗劑DRY-WL
優(yōu)選了高效沖洗劑DRY-WL,由表面活性劑、有機(jī)溶劑及螯合劑等組成。表面活性劑分子可產(chǎn)生破乳作用,促使油水分離。有機(jī)溶劑降低界面張力。螯合劑分子可與油基鉆井液中的金屬離子通過螯合作用生成穩(wěn)定的絡(luò)合物,避免金屬離子與表面活性劑反應(yīng)而降低表面活性劑的活性,提高沖洗和潤濕反轉(zhuǎn)效果。
(1)沖洗效率測試。采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計以200r/min 的速度進(jìn)行不同DRY-WL 加量下隔離液的沖洗效率測試,結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知,隨著DRY-WL加量以及沖洗時間的增加,沖洗效率逐步提高,當(dāng)加量達(dá)到15%,沖洗時間180s 時,即可達(dá)到較好的沖洗效果(沖洗效率95.1%),加量超過15%時,沖洗效率逐漸趨于穩(wěn)定。
圖2 不同DRY-WL加量及不同沖洗時間下的沖洗效率
(2)潤濕反轉(zhuǎn)性能評價。采用測定潤濕接觸角的方法判定不同DRY-WL加量對界面的潤濕反轉(zhuǎn)作用[12],將鋼片及人造巖芯放置在油基鉆井液中浸泡24h后取出烘干,分別用不同DRY-WL加量的隔離液沖洗鋼片及人造巖芯3min,模擬沖洗過程,隨后測量清水在其表面的接觸角,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著DRY-WL加量的增加,鋼片及人造巖芯與水的接觸角都逐漸減小。當(dāng)DRY-WL加量為15%~20%時,鋼片及人造巖芯的接觸角在20°左右,界面處于強(qiáng)親水狀態(tài),此時再增加DRY-WL加量,潤濕接觸角變化不明顯,即DRY-WL加量在15%~20%時,可實(shí)現(xiàn)較為理想的潤濕反轉(zhuǎn)效果。
圖3 不同DRY-WL加量的隔離液沖洗后的潤濕接觸角
以懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL、高效沖洗劑DRY-WL為主,形成了抗高溫高效沖洗隔離液體系。體系沉降穩(wěn)定性及流變性良好,沖洗劑DRY-WL加量在15%~20%時即可達(dá)到較好的沖洗效果及界面潤濕反轉(zhuǎn)效果,加量對比區(qū)塊常用隔離液配方(沖洗劑加量不低于30%)降低約50%,大幅節(jié)約了成本。
克深X井是部署在山前構(gòu)造克深區(qū)塊上的一口開發(fā)井,四開鹽膏層段采用密度2.47g/cm3的油基鉆井液鉆進(jìn),鉆至7358m處中完,下入?196.85mm+?206.38mm復(fù)合套管采用尾管懸掛固井工藝進(jìn)行固井。本開次固井難點(diǎn)主要集中在以下幾個方面:①鹽膏層埋深超7000m,下套管過程容易遇阻;②井底溫度172℃,對水泥漿性能要求高;③鉆至井深7358m 處時發(fā)生井漏失返,固井過程中漏失風(fēng)險大。
采用雙凝抗高溫高密度固井工作液體系,水泥漿設(shè)計密度2.52g/cm3,領(lǐng)漿封固重合段,上塞300m,尾漿封固裸眼段,下塞300m,設(shè)計領(lǐng)漿稠化時間460~490min,尾漿稠化時間330~360min,高效沖洗隔離液密度2.49g/cm3,具體性能見表4。
表4 抗高溫高密度固井工作液性能
(1)井眼準(zhǔn)備及下套管技術(shù)措施。為確保鹽層套管能順利下放到位,采用鹽層擴(kuò)眼+模擬管柱通井。安全時間要求不少于80h,套管下放速度按照通井循環(huán)時鉆井液在?177.8mm 鉆鋌處上返速度(0.87m/s)為依據(jù)計算。計算得出每根套管下放時間不少于30s,每根立柱下放時間不少于200s,5000m 以后每根立柱下放時間不少于300s。下套管中途分別在3000m、5000m和出上層套管前頂通,充分破壞稠漿切力。
(2)漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計本開次懸掛器位置6430m,與上層套管重合約600m,確保重合段固井質(zhì)量,前置液用量15m3,占鉆具外環(huán)空高度433m,保證對油基鉆井液的高效沖洗和隔離,同時保證領(lǐng)漿與上開次套管外環(huán)空鉆井液的有效隔離。設(shè)計后置保護(hù)液8m3,占套管內(nèi)高度172m,鉆桿內(nèi)高度439m,防止中心管拔出后尾管內(nèi)的鉆井液與環(huán)空中的水泥漿摻混污染。
(3)地層承壓能力設(shè)計。結(jié)合本井漿柱結(jié)構(gòu)及鄰井施工情況,設(shè)計施工排量為9L/s,碰壓前降低至4~5L/s,計算得出井底最大動態(tài)當(dāng)量密度2.54g/cm3。按照本井完鉆時鉆井液密度2.47g/cm3計算,理論需進(jìn)行5MPa地層承壓能力試驗,考慮懸掛器處節(jié)流及安全附加,固井前需進(jìn)行地層承壓6MPa,若地層承壓能力不滿足,則采取承壓堵漏措施提高地層承壓能力,確保固井過程中不發(fā)生漏失。
(4)施工結(jié)束候凝期間,尾漿發(fā)生膠凝失重,靜液柱壓力損失5.74MPa,綜合考慮井漏及井控風(fēng)險,施工結(jié)束后關(guān)井憋壓2MPa候凝。
固井前進(jìn)行了承壓堵漏,將地層承壓能力提升至6MPa,穩(wěn)壓30min 不降,滿足固井施工要求,套管順利下放到位,固井時注入高效沖洗隔離液15m3,領(lǐng)漿22.8m3,尾漿14.4m3,后置保護(hù)液8m3,替漿59m3,順利碰壓,固井過程中未發(fā)生漏失。本開次固井質(zhì)量合格率為84.4%,優(yōu)質(zhì)率68.4%,對比鄰井同開次平均水平分別提高了25%和40%,目的層鉆進(jìn)過程中未出鹽水,投產(chǎn)后環(huán)空未異常帶壓,驗證了抗高溫高密度固井工作液以及配套固井技術(shù)措施在山前構(gòu)造鹽膏層的適用性,對進(jìn)一步提高山前構(gòu)造鹽膏層固井質(zhì)量、保證水泥環(huán)長期密封完整性具有借鑒意義。
(1)抗高溫高密度固井水泥漿體系,解決了高溫高密度條件下穩(wěn)定性與流變性之間的矛盾,水泥石強(qiáng)度高,綜合性能良好,滿足山前構(gòu)造鹽膏層固井技術(shù)需求。
(2)抗高溫高效沖洗隔離液體系,密度范圍2.40~2.60g/cm3,沖洗效率大于95%,能有效改善界面水潤濕性,提高固井界面膠結(jié)質(zhì)量。
(3)抗高溫高密度固井工作液及配套固井技術(shù)措施在山前構(gòu)造克深X 井鹽膏層固井成功應(yīng)用,表明了該套技術(shù)對策在山前構(gòu)造鹽膏層的適用性,對提高該地區(qū)固井質(zhì)量具有借鑒意義。
(4)開展密度2.70g/cm3、抗溫200 ℃高密度固井水泥漿體系研究,為山前構(gòu)造8000m 以上超深井開發(fā)提供技術(shù)儲備。