提高塔里木油田碎屑巖固井質(zhì)量對(duì)策研究

楊 川，陳 曦，石 慶

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610051）

塔里木碎屑巖是塔里木盆地的主要油氣儲(chǔ)集層，其儲(chǔ)量(探明+控制)及產(chǎn)量均占總儲(chǔ)量、總產(chǎn)量75%以上[1]，碎屑巖儲(chǔ)層礦物組分多，變化復(fù)雜[2]，本區(qū)碎屑巖廣泛分布于志留系至第三系，其中上泥盆統(tǒng)東河砂巖、三疊系上、中、下油組、下白堊統(tǒng)卡普沙良群、上白堊統(tǒng)—下第三系及上第三系中新統(tǒng)等是盆地主要碎屑巖油氣產(chǎn)層。

目前塔里木碎屑巖井固井質(zhì)量不高，尤其是目的層固井質(zhì)量差，對(duì)引入新體系前5年所有區(qū)塊碎屑巖井固井質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全井平均合格率54.8%，平均優(yōu)質(zhì)率25.8%。目的層封固質(zhì)量同樣較差；投產(chǎn)新井69口，其中目的層段固井質(zhì)量不合格井20 口井占比29.0%，典型區(qū)塊輪南油田：24口新井固井合格率53%，目的層TI油組固井合格率54.2%，11口水井TI油組只有5口井合格；后期試修：固井質(zhì)量差后期表現(xiàn)就是后期試修、生產(chǎn)過程中部分井含水率上升過快，油水竄，進(jìn)而進(jìn)行補(bǔ)救，共補(bǔ)救固井質(zhì)量14 口（完井、試油期間補(bǔ)救11口，投產(chǎn)后補(bǔ)救3口），平均作業(yè)時(shí)間33d。補(bǔ)救率占到20%左右，嚴(yán)重影響整個(gè)塔里木油田的產(chǎn)能。

1 影響固井質(zhì)量因素

1.1 地層特性

（1）火成巖孔隙和裂縫發(fā)育，地層承壓能力低。塔里木盆地碎屑巖儲(chǔ)集空間以孔隙為主，少量裂縫[1,3]。地層壓力系數(shù)在1.15~1.30 之間，二疊系火成巖段裂縫更為發(fā)育，承壓能力更低，當(dāng)量密度一般為1.45g/cm3，下套管循環(huán)及固井易發(fā)生漏失，漏失造成后期無法環(huán)空憋壓，影響水泥與套管之間膠結(jié)。

（2）儲(chǔ)層孔滲相對(duì)較高，地層易發(fā)生滲漏。志留—泥盆系儲(chǔ)層：塔塔埃爾塔格組在沙西孔隙度16.65%，平均滲透率266.15×10-3μm2，東河塘組主要分布在塔中及塔北地區(qū)，孔隙度主要分布于6.2%~18.5%，滲透率分布于（25.4~75）×10-3μm2。

石炭系儲(chǔ)層：滲透率主要分布于（2.58~71）×10-3μm2，下石炭系砂巖儲(chǔ)層孔隙度主要分布于4%~19.2%，滲透率主要分布于（6~163）×10-3μm2。

已有研究表明[4-8]在候凝過程中，水泥漿在儲(chǔ)層中易發(fā)生滲漏導(dǎo)致二界面膠結(jié)弱化，儲(chǔ)層段封固質(zhì)量降低，圖1可以看出，孔滲較高的地方固井質(zhì)量較差。

圖1 T1-8井志留系固井質(zhì)量與孔滲對(duì)應(yīng)關(guān)系

（3）油水界面近。底水活躍且油水隔層厚度最小2m，如表1所示。對(duì)層間封固質(zhì)量要求高；后期增產(chǎn)作業(yè)，由于水泥石脆性導(dǎo)致水泥石破裂，發(fā)生油水竄。

表1 塔中區(qū)域志留系油水間距分布

1.2 漿體性能

（1）井筒條件。塔里木油田碎屑巖井常用泥漿體系為聚磺鉆井液體系，密度1.20~1.33g/cm3，屈服值8~15Pa之間，塑性粘度20~40mPa·s之間。泥漿性能屈服值偏高，不滿足《中國石油天然氣集團(tuán)公司固井技術(shù)規(guī)范》，不易于頂替，增加漏失風(fēng)險(xiǎn)，其它條件不變，通過軟件模擬，鉆井液的切力由10Pa降低至4Pa，循環(huán)摩阻當(dāng)量密度可降低0.02~0.04g/cm3，且循環(huán)驅(qū)替效率由60%提高到98%，如圖2、圖3所示。

圖2 屈服值=10Pa循環(huán)驅(qū)替效率

圖3 屈服值=4Pa循環(huán)驅(qū)替效率

（2）水泥漿性能。碎屑巖常用水泥漿體系，尾漿初稠低(10~20Bc)，滲漏阻力小；尾漿稠化時(shí)間過長，滲漏時(shí)間長，影響固井質(zhì)量。

從表2中可以看出，尾漿稠度在(20~30Bc)之間，稠化時(shí)間附加30min 左右的井，由于增加滲流阻力，減少候凝期間滲流時(shí)間，有利于提高固井質(zhì)量。

表2 水泥漿初稠及稠化時(shí)間與固井質(zhì)量對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 提高固井質(zhì)量技術(shù)措施

2.1 井筒條件改善

固井施工前調(diào)整泥漿性能，降低泥漿粘切，塑性粘度、初終切，調(diào)整粘度小于50s，屈服值小于5Pa，可有效沖刷井壁，降低流動(dòng)摩阻壓力，防止頂替過程中泵壓過高，壓漏薄弱地層，同時(shí)減小泥漿觸變性，由賓漢流體轉(zhuǎn)為冪律流體。

2.2 水泥漿性能優(yōu)化

（1）優(yōu)化機(jī)理。根據(jù)對(duì)地層特性的分析，改進(jìn)的重點(diǎn)是：為防止由于候凝期間滲漏引起的油水竄，采用“靜止堵漏”的原理[9]，傾向于提高水泥漿的塑性粘度和屈服值，同時(shí)也容易實(shí)現(xiàn)壁面剪應(yīng)力固井工藝[10-11]。

提高水泥漿初稠，增強(qiáng)體系的觸變性，尤其是高溫下的觸變性，增大漿體對(duì)地層的滲流阻力，水泥漿泵送到位靜置后膠凝強(qiáng)度發(fā)展迅速，提高了水泥漿內(nèi)部應(yīng)對(duì)地層流體竄的結(jié)構(gòu)阻力，極大降低了形成竄流通道的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）原有水泥漿體系性能調(diào)整。通過加大微硅用量可以達(dá)到提高固相含量的目的。一方面微硅可以降低水泥石的滲透率，低滲透率的水泥石具備良好層間封隔能力[12]，且有助于水泥石抵御腐蝕地層流體的侵蝕[13-14]。但微硅粒徑較小，平均粒徑在0.1~0.3μm，比表面積20~28m2/g，細(xì)度和比表面積達(dá)到水泥的80~100倍，因此，過大的微硅用量會(huì)帶來漿體流動(dòng)度變差，微硅加量超過8%后，使?jié){體常溫流動(dòng)性變差，可泵性變差，影響施工安全。見表3。

表3 LD、GT水泥漿體系調(diào)整性能表

現(xiàn)有研究中表明[15-16]，加有微硅的水泥石強(qiáng)度明顯比未加微硅的水泥石強(qiáng)度高，但水泥石的強(qiáng)度并不隨著微硅的加量而持續(xù)增加，而是隨著微硅加量的增加先增加，在微硅加量達(dá)到一定的值后，開始隨著微硅加量的增加而減小，并且水泥石后期強(qiáng)度出現(xiàn)衰退情況，如圖4所示。因此，通過改變微硅加量來實(shí)現(xiàn)碎屑巖固井質(zhì)量的提高不可行。

圖4 微硅(5%)對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響

（3）BX 水泥漿體系。通常情況下，水泥漿體經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)后表現(xiàn)出高溫稀釋的性能，而通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BX 水泥漿體系的抗溫能力較強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性較好，體系表現(xiàn)出高溫增稠的性能，經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)后的水泥漿體系K值增大，n值降低，同時(shí)，高溫下的觸變性較強(qiáng)，并且觸變性發(fā)展較快。本試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法，以初、終切差值反映觸變性強(qiáng)弱。觸變性發(fā)展及強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 水泥漿體系流變性能對(duì)比

由表4可知，BX水泥漿體系經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)后，K值增大，n值降低，表現(xiàn)出高溫增稠的現(xiàn)象，而LD、GT 水泥漿體系均表現(xiàn)為高溫稀釋，同時(shí)，BX 水泥漿體的觸變性經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)后得到加強(qiáng)，初、終切力差值由常溫的9.2Pa 增長到高溫下的16.4Pa，增長了78%。并且高溫下觸變性的發(fā)展也較為迅速，5min 的終切已經(jīng)達(dá)到10min的終切的92%。

環(huán)空竄流理論認(rèn)為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間(48~240Pa)是最容易發(fā)生竄流的時(shí)間段，因此，應(yīng)盡量縮短過渡時(shí)間，降低竄流風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BX 水泥漿體系具有比LD、GT水泥漿體系更短的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。BX水泥漿體系靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間曲線見圖5。

表5 BX、LD、GT水泥漿體系靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(110℃)

圖5 BX水泥漿體系靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間曲線圖

同時(shí)，通過SPN值法進(jìn)一步考察三種水泥漿體系的防竄能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。通過試驗(yàn)可以看出，BX水泥漿體系高溫增稠的性能、高溫下觸變性快速發(fā)育的能力更適合于滲漏地層的“靜止堵漏”作業(yè)；較短的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間及較低的SPN值說明其防竄能力更強(qiáng)，更適合于地層流體復(fù)雜的固井施工作業(yè)。

表6 BX、LD、GT水泥漿體系防竄評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(95℃)

從漿體性能優(yōu)化來看，BX水泥漿體系通過降失水劑控制20~30Bc 的初始稠度，較強(qiáng)的觸變性更適用于碎屑巖固井。

（4）優(yōu)化結(jié)果分析。BX體系表現(xiàn)出的這些特性源于它的降失水劑B-200，為多元共聚的高分子聚合物降失水劑，通過合成單體的的優(yōu)選、官能團(tuán)的優(yōu)化配比使聚合物的分子鏈具有微交聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且分子量分布合理，分子量大小適中，使得水泥漿體系的高溫高壓濾失量較小，具有良好的抗高溫性能。同時(shí)，微交聯(lián)的結(jié)構(gòu)又能使水泥漿體系靜置后的觸變性迅速發(fā)育并在強(qiáng)度上得到增強(qiáng)。降失水劑B-200的熱失重試驗(yàn)曲線如圖6所示。

圖6 BX體系降失水劑B-200的熱失重試驗(yàn)曲線圖

BX 水泥漿體系中性能優(yōu)異的降失水劑B-200 決定了該水泥漿體系較LD、GT水泥漿體系更適合于碎屑巖高滲漏、地層流體復(fù)雜情況下的的固井施工。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過改善井筒條件，降低泥漿的粘切，采用BX 水泥漿體系，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率大幅度提高。通過對(duì)BX體系下的10井次碎屑巖固井質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全井固井質(zhì)量平均合格率70.2%，平均優(yōu)質(zhì)率49.3%；目的層固井質(zhì)量平均合格率83.2%，平均優(yōu)質(zhì)率為61.4%，見表7。

表7 BX體系碎屑巖固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）改善井筒條件，降低泥漿粘切，減小泥漿觸變性，有助于提高固井頂替效率，提高固井質(zhì)量；

（2）無法通過增大漿體中微硅加量來實(shí)現(xiàn)固井質(zhì)量的提高；

（3）基于多元共聚的高分子聚合物降失水劑下的BX 水泥漿體系，其水泥漿的高初稠、較強(qiáng)的觸變性及防竄性能能夠更好地適應(yīng)碎屑巖地層的高孔滲特性，阻止水泥漿在候凝期間的滲漏，減少對(duì)水泥漿的污染，提升層間封隔，從而提高固井質(zhì)量。