張華，王大權(quán)，胡霖

（1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探長(zhǎng)慶固井公司，西安710018；3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦工程技術(shù)與監(jiān)督部，四川遂寧629000）

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安岳氣田磨溪009-4-X2井尾管固井技術(shù)

張華1，王大權(quán)2，胡霖3

（1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探長(zhǎng)慶固井公司，西安710018；3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦工程技術(shù)與監(jiān)督部，四川遂寧629000）

張華等.安岳氣田磨溪009-4-X2井尾管固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：84-88.

摘要針對(duì)磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井存在的井底溫度高、封固段長(zhǎng)、油氣顯示活躍且跨度長(zhǎng)、鉆井液密度高且污染嚴(yán)重、下開(kāi)鉆井液密度降低等難題，通過(guò)開(kāi)展加重材料進(jìn)行優(yōu)選、對(duì)膨脹增韌機(jī)理、污染機(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)等研究，形成了高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿體系、高效抗污染/沖洗隔離液體系及配套工藝技術(shù)等措施，解決了頂部水泥漿強(qiáng)度發(fā)展慢、高密度水泥石韌性改造難度大、水泥漿與鉆井液污染嚴(yán)重、界面膠結(jié)質(zhì)量差等問(wèn)題，保證了固井施工安全，固井質(zhì)量合格率為94.5%，優(yōu)質(zhì)率為74.8%，解決了固井質(zhì)量差的難題，為該區(qū)塊整體固井質(zhì)量的提高提供技術(shù)支撐，為安岳氣田高壓深井的安全高效開(kāi)發(fā)提供保障。

關(guān)鍵詞尾管固井；長(zhǎng)封固段；高密度水泥漿；大溫差；防竄

安岳氣田是迄今中國(guó)發(fā)現(xiàn)的單體規(guī)模最大的海相碳酸鹽巖整裝氣藏。高石梯-磨溪區(qū)塊資源豐富，但由于該區(qū)塊氣井的油、 氣、 水同層現(xiàn)象較為普遍，開(kāi)采難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。固井技術(shù)是保障安岳氣田高壓深井后續(xù)鉆完井及增產(chǎn)的核心技術(shù)。高石梯-磨溪區(qū)塊整體固井質(zhì)量較好，但φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量較差，主要原因是下部深井尾管段的地質(zhì)條件復(fù)雜。為提高φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量，前期采取了增加抗污染及沖洗隔離液用量、優(yōu)化水泥漿配方，縮短稠化過(guò)渡時(shí)間、懸掛器頂部帶封隔器等技術(shù)措施，使固井質(zhì)量有所提高，2014年平均固井質(zhì)量合格率達(dá)41.9%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)20.5%。由于水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)溫度系數(shù)取值過(guò)高，且領(lǐng)漿尾漿稠化時(shí)間附加90～120 min，附加時(shí)間長(zhǎng)，不利于水泥漿強(qiáng)度發(fā)展；高密度水泥漿加重材料密度低（5.05 g/cm3），惰性材料加量大，活性材料加量小，影響體系強(qiáng)度發(fā)展，降低了防竄能力；水泥漿與鉆井液污染嚴(yán)重，通過(guò)加入大量酸性物質(zhì)如高溫緩凝劑到抗污染隔離液（酸性物質(zhì)處理完鉆鉆井液）中，延長(zhǎng)污染稠化時(shí)間，影響了界面膠結(jié)質(zhì)量，嚴(yán)重制約了固井質(zhì)量的提高，因此仍未達(dá)到φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量合格率70%、 優(yōu)質(zhì)率40%的要求。磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井存在的難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：井底溫度高（130 ℃），上下溫差大（50 ℃）； 氣水層同層，分布范圍廣（3 200～4 200 m） ，顯示活躍，后效嚴(yán)重；井徑擴(kuò)大率達(dá)3.8%，環(huán)空間隙??；裸眼段長(zhǎng)2 010 m；大斜度（75°），鉆井液密度高，達(dá)2.32 g/cm3，沖洗頂替效率難以保證；鉆井液與水泥漿污染嚴(yán)重等。針對(duì)這些難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)加重材料進(jìn)行優(yōu)選、對(duì)膨脹增韌機(jī)理、污染機(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)等進(jìn)行研究，形成了高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿體系、高效抗污染/沖洗隔離液體系及配套工藝技術(shù)等措施，解決了高密度水泥漿強(qiáng)度發(fā)展慢及防竄能力差、水泥漿與鉆井液污染嚴(yán)重、界面膠結(jié)質(zhì)量差等問(wèn)題。磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量合格率達(dá)94.5%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)74.8%，為區(qū)塊整體固井質(zhì)量提升奠定技術(shù)基礎(chǔ)，為后續(xù)鉆完井及增產(chǎn)提供保障。

1　高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿體系

1.1膨脹增韌機(jī)理

膨脹增韌材料DRE-300S加量對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響見(jiàn)表1。由表1可知，隨著DRE-300S加量增加，水泥石彈性模量逐漸降低，抗壓強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)加量為10%時(shí)，韌性改造水泥石抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，且體系中摻入膨脹增韌材料也可有效防止水泥石的體積收縮。DRE-300S是一種具有火山灰活性、低彈性模量的膨脹增韌材料，其與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)可生成具有纖維狀、晶格膨脹效應(yīng)的物質(zhì)（見(jiàn)圖1）；該物質(zhì)具有阻裂、增韌作用，提高水泥石韌性，且自身的低彈性模量特性也可降低水泥石彈性模量，實(shí)現(xiàn)雙重韌性改造水泥石[1-2]；晶格膨脹效應(yīng)使水泥石具有微膨脹特性；而膨脹增韌材料DRE-300S的火山灰活性促進(jìn)了其與水泥水化反應(yīng)速率，有利于提高體系的早期強(qiáng)度發(fā)展，從而使摻有膨脹增韌材料DRE-300S的水泥漿具有膨脹、韌性、早強(qiáng)特性。

表1　膨脹增韌材料DRE-300S加量對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響

圖1　摻有膨脹增韌材料DRE-300S的水泥石

1.2水泥漿綜合性能

對(duì)水泥漿進(jìn)行溫度高點(diǎn)的停機(jī)實(shí)驗(yàn)，從室溫開(kāi)始升溫升壓到106 ℃、110 MPa、50 min，恒溫恒壓30 min后停馬達(dá)30 min，重新打開(kāi)馬達(dá)，進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)到水泥漿硬化，水泥漿稠度達(dá)到100 Bc的時(shí)間記為t稠化′。進(jìn)行升降溫實(shí)驗(yàn)，從室溫開(kāi)始升溫升壓到101℃、110 MPa、50 min，恒溫恒壓30 min后降到90 ℃、110 MPa、20 min，進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)到水泥漿硬化，水泥漿稠度達(dá)到100 Bc的時(shí)間記為t稠化″。結(jié)果見(jiàn)表2。水泥漿配方如下。

領(lǐng)漿 四川夾江G級(jí)水泥+110%鐵粉（密度為7.20 g/cm3）+20%高溫增強(qiáng)材料DRB-2S+1.5%微硅+10%膨脹增韌材料DRE-300S+1.1%分散劑DRS-1S+1.3%穩(wěn)定劑DRK-3S+3.2%降失水劑DRF-120L+2.2%緩凝劑DRH-200L+0.5%消泡劑DRX-1L+ 0.5%抑泡劑DRX-2L+69%井場(chǎng)水，密度為2.40 g/cm3

1#尾漿 四川夾江G級(jí)水泥+110%鐵粉（密度為7.20 g/cm3）+20%DRB-2S+1.5%微硅+10% DRE-300S+1.1%DRS-1S+1.3%DRK-3S+3.2%DRF-120L+0.55%DRH-200L+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+ 70%井場(chǎng)水，密度為2.40 g/cm3

2#尾漿 四川夾江G級(jí)水泥+125%鐵粉（密度6.05 g/cm3）+20%DRB-2S+1.5%微硅+10%DRE-300S+1.1%DRS-1S+1.3%DRK-3S+3.2%DRF-120L+ 0.55%DRH-200L+0.5%DRX-1L+0.5%DRX-2L+71%井場(chǎng)水（密度2.40 g/cm3）。

表2　高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿的綜合性能

據(jù)表2可知，2.40 g/cm3高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿體系具有良好的綜合性能，可滿足上下溫差50 ℃，井底溫度達(dá)130 ℃的施工要求；具有良好的防竄能力；溫度高點(diǎn)的停機(jī)稠化時(shí)間、升降溫稠化時(shí)間均滿足固井施工要求。

在同等條件下，用密度為7.20 g/cm3鐵礦粉加重比用密度為6.05 g/cm3鐵礦粉加重水泥漿的早期強(qiáng)度發(fā)展時(shí)間快1.3 h。這是因?yàn)槊芏雀叩募又夭牧蠐饺氲礁呙芏人酀{中，大大降低了高密度水泥漿中惰性材料的含量，間接增加了高密度水泥漿中膠凝材料的含量，有效促進(jìn)了水泥水化速率，縮短了體系的水化誘導(dǎo)期時(shí)間，提高了水泥石的早期強(qiáng)度。

具有火山灰活性的膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產(chǎn)生的堿性物質(zhì)如片狀的Ca（OH）2（見(jiàn)圖2（a）常規(guī)密度純水泥石中含有片狀Ca（OH）2）發(fā)生反應(yīng)消耗掉了水泥中的堿性物質(zhì)（圖2（b）高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥石中未發(fā)現(xiàn)明顯的片狀Ca（OH）2），從而生成了膠凝材料，促進(jìn)了水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展，縮短了水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間并增大了水泥漿對(duì)地層流體的黏滯性，水泥漿性能防竄系數(shù)SPN值均小于3，證明具有良好的防氣竄性能[3]。同時(shí)，膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的纖維類物質(zhì)具有晶格膨脹效應(yīng)，使水泥石呈現(xiàn)出微膨脹特性。

圖2　2種水泥石的SEM照片

1.3水泥石力學(xué)性能

由于井底溫度高，水泥石高溫長(zhǎng)期強(qiáng)度易衰退；下開(kāi)鉆井液密度降低易引起環(huán)空微間隙，影響層間封隔能力，而常規(guī)高溫高密度水泥石脆性大，長(zhǎng)期強(qiáng)度難以保證，無(wú)法滿足工程需求。為了提高水泥石的高溫結(jié)構(gòu)完整性，摻入高溫增強(qiáng)材料DRB-2S，其高溫下與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成高溫下有膠結(jié)能力的晶相，減少甚至消除無(wú)膠結(jié)相，有效提高了水泥石的高溫穩(wěn)定性；而其材料粒徑與水泥漿體系中其他材料粒徑形成顆粒級(jí)配，提高單位體積水泥漿體系的堆積率，降低水泥石的孔隙度和滲透率，從而保證了水泥石強(qiáng)度，因此在135 ℃和150℃下，水泥石抗壓強(qiáng)度仍超過(guò)50 MPa，見(jiàn)表3，且高溫長(zhǎng)期強(qiáng)度無(wú)衰退。為了實(shí)現(xiàn)高溫水泥石的韌性改造，采用膨脹增韌材料DRE-300S的低彈性模量特性降低水泥石的彈性模量小于7 GPa，見(jiàn)表3；同時(shí)，膨脹增韌材料DRE-300S與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的纖維類物質(zhì)具有阻裂、增韌作用（如圖2（b）所示，纖維類生成物均勻分散在水泥石中），進(jìn)一步改善了水泥石韌性。

因此，通過(guò)高溫增強(qiáng)材料DRB-2S、膨脹增韌材料DRE-300S復(fù)合改性水泥石，使水泥石呈現(xiàn)出“高強(qiáng)度、低彈性模量”的特性，通過(guò)低彈性模量降低外界作用力在水泥石中的傳遞系數(shù)，減小了外界作用力的作用強(qiáng)度；高強(qiáng)度抵御外界作用力對(duì)水泥石基體的破壞，有效保證了水泥石的力學(xué)結(jié)構(gòu)完整性，保障了封隔質(zhì)量。

表3　水泥石力學(xué)性能

2　高密度抗污染/沖洗隔離液體系

2.1高密度沖洗隔離液體系

沖洗、隔離一體化的高密度沖洗隔離液體系由懸浮劑DRY-S1、高溫懸浮劑DRY-S2、油基鉆井液沖洗液DRY-100L、棱形加重材料DRW-2S、重晶石組成。2種懸浮劑有效保證了體系的沉降穩(wěn)定性；油基鉆井液沖洗液DRY-100L對(duì)鉆井液中油性物質(zhì)起到潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用，將鉆井液中的油性物質(zhì)“溶解”出來(lái)，有效增強(qiáng)界面親水性；配合棱形加重材料DRW-2S對(duì)壁面的物理沖刷作用，進(jìn)一步提高了界面清潔度，使沖洗效率較清水提高1倍，增強(qiáng)了界面與水泥石基體的膠結(jié)作用力，為二界面膠結(jié)質(zhì)量的提高創(chuàng)造良好條件[4]。

沖洗隔離液配方為：水+3.0%DRY-S1+3.0% DRY-S2+10.0%DRY-100L+310%重晶石+30%DRW-2S+0.5%DRX-1L。其密度為2.32 g/cm3，漏斗黏度為55 s，130 ℃沉降穩(wěn)定性小于0.03 g/cm3。

2.2高密度抗污染隔離液體系

鉀鹽聚磺鉆井液常用添加劑中的磺甲基酚醛樹(shù)脂SMP-1、防塌劑聚丙烯酰胺鉀鹽KPAM、生物增黏劑等材料對(duì)水泥漿的污染增稠、稠化時(shí)間縮短現(xiàn)象明顯，其污染機(jī)理主要表現(xiàn)為大分子吸附、電荷作用等引起水泥異常膠凝、促進(jìn)水泥水化縮短污染稠化時(shí)間[5-7]。由于鉀鹽聚磺鉆井液與水泥漿污染嚴(yán)重，直接影響到固井施工安全。而抗污染隔離液技術(shù)是保證固井施工安全的重要技術(shù)措施之一。但是要處理好污染問(wèn)題，必須從污染機(jī)理出發(fā)，鉀鹽聚磺鉆井液與水泥漿的污染增稠主要屬于大分子吸附、電荷作用，而抗污染劑DRP-1L是有機(jī)鹽和復(fù)合鹽的混合物，主要通過(guò)螯合作用、同種電荷排斥的分散作用來(lái)降低污染漿的絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)聚力，提高污染漿的流動(dòng)性，防止污染漿異常膠凝及稠化時(shí)間縮短。如表4所示，不同污染比例的抗污染稠化實(shí)驗(yàn)240 min均未稠，滿足固井施工要求，證明抗污染劑DRP-1L具有良好的抗污染處理效果。

抗污染隔離液配方為：水+3.0%DRY-S1+3.0% DRY-S2+6.0%抗污染劑DRP-1L+330%重晶石+ 0.5%DRX-1L。其密度為2.32 g/cm3，漏斗黏度為52 s，130 ℃沉降穩(wěn)定性小于0.03 g/cm3。

鉀鹽聚磺鉆井液來(lái)自于磨溪009-4-X2井，密度為2.32 g/cm3。

表4　抗污染隔離液體系的抗污染效果

3　配套工藝技術(shù)

1）稠化實(shí)驗(yàn)溫度系數(shù)由0.85降至0.78，縮短實(shí)驗(yàn)溫差；降低稠化附加時(shí)間（領(lǐng)漿稠化時(shí)間附加60～100 min，尾漿稠化時(shí)間附加40～60 min）；有效減少緩凝劑加量；優(yōu)化配方，促進(jìn)水泥水化，提高頂部水泥石強(qiáng)度。

2）固井施工前，大排量循環(huán)洗井1個(gè)循環(huán)周以上，消除后效，防止水泥漿凝固前出現(xiàn)地層流體竄流現(xiàn)象；憋壓候凝，補(bǔ)償因水泥漿水化失重而降低的靜液柱壓力；平衡壓力固井，堅(jiān)持固井“三壓穩(wěn)”方針。

3）固井施工前，采用固井施工的大排量模擬，防止固井過(guò)程中出現(xiàn)井漏，為后續(xù)作業(yè)做好保障。

4）設(shè)計(jì)水泥漿多返5 m3，保證凈水泥漿充填封固段；優(yōu)化鉆井液性能，漏斗黏度不大于50 s，高溫高壓失水量不大于10 mL；沖洗隔離液用量為25 m3，保證接觸時(shí)間大于10 min。扶正器安放位置：裸眼造斜段為1根套管一只φ208 mm剛性螺旋扶正器；裸眼直井段為2根套管一只φ208 mm剛性螺旋扶正器；重合段為3根套管一只φ210 mm普通剛性扶正器，保證了套管居中度；施工注替排量為1.2～1.4 m3/min，提高沖洗頂替效率。

5）抗污染隔離液用量至少15 m3，有效隔離鉆井液與水泥漿；喇叭口位置處抗污染隔離液鉆桿內(nèi)7 m3，套管內(nèi)3 m3作為間隔隔離液，防止懸掛器中心管拔出時(shí)，鉆井液與水泥漿污染；喇叭口處，懸掛器中心管拔出瞬間，管外靜液柱壓力略大于管內(nèi)，降低鉆井液與水泥漿的接觸機(jī)會(huì)。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果

根據(jù)磨溪009-4-X2井φ177.8 mm尾管固井的特點(diǎn)，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)固井工藝流程，入井水泥漿平均密度為2.40 g/cm3，入井抗污染及沖洗隔離液密度為2.32 g/cm3，泵注施工排量為1.2～1.40 m3/min，水泥漿頂替到位后，泄壓、檢查無(wú)回流、拆水泥頭，環(huán)空憋壓10 MPa，上提下壓中心管座封懸掛器頂部封隔器，起鉆10柱后，正循環(huán)洗井1周，再上提1柱后，關(guān)井候凝72 h。其CBL/VDL的綜合解釋結(jié)果為固井質(zhì)量合格率達(dá)94.5%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)74.8%。

5　結(jié)論與建議

1.高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿體系具有良好的綜合性能，可滿足上下溫差50 ℃，其水泥石24 h抗壓強(qiáng)度大于14 MPa，彈性模量小于7 GPa；135℃和150 ℃的高溫長(zhǎng)期強(qiáng)度均大于50 MPa，無(wú)衰退現(xiàn)象；實(shí)現(xiàn)了水泥石的早期強(qiáng)度發(fā)展快、“高強(qiáng)度低彈性模量”特性，防止了環(huán)空微間隙。

2.高密度抗污染與沖洗隔離液體系具有良好的綜合性能，解決了鉆井液與水泥漿的污染問(wèn)題，保證了固井施工安全；提高了界面的清潔程度，為界面膠結(jié)質(zhì)量的提高創(chuàng)造良好條件。

3.形成了以高密度抗污染/沖洗隔離液技術(shù)、高強(qiáng)高密度韌性防竄水泥漿技術(shù)、配套工藝技術(shù)等為核心的配套技術(shù)措施，成功應(yīng)用于磨溪009-4-X2 井φ177.8 mm尾管固井中，保證了固井施工安全，固井取得新突破，固井質(zhì)量合格率為94.5%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)74.8%，促進(jìn)了安岳氣田整體固井質(zhì)量的提高，并為高壓深井后續(xù)鉆完井及增產(chǎn)提供技術(shù)保障，具有重要的推廣價(jià)值。

4.建議進(jìn)一步降低溫度系數(shù)至0.75，有利于提高頂部水泥漿強(qiáng)度發(fā)展，并通過(guò)升降溫稠化實(shí)驗(yàn)?zāi)M水泥漿現(xiàn)場(chǎng)施工的溫度變化情況，為固井施工安全提供技術(shù)支撐。

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Liner Cementing Technology for Well Moxi009-4-X2 in Block Anyue

ZHANG Hua1, WANG Daquan2, HU Lin3
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206;2. CCDC Changqing Cementing Company, Xi’an, Shaanxi 710018; 3. Chuanzhong Oil and Gas Engineering Technology and Supervision Department, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Suining, Sichuan 629000)

AbstractIn running the φ177.8 mm liner string in well Moxi009-4-x2, many difficulties have been expected to be encountered, such as high bottom hole temperature, long cementing section, long and active oil and gas shows, drilling fluid of high density that are severely contaminated, and decreased mud density in the next interval, etc. To deal with these difficulties, a high strength high density anti-gas-migration cement slurry and a high performance contamination-resistant spacer fluid have been developed based on the choice of weighting materials and studies on these issues such as the mechanisms of enhancing the toughness of set cement through expansion, the mechanism of cement slurry contamination, and the optimization of cementing techniques. With the cement slurry, the spacer, and the corresponding techniques, the development of the strength of the top cement slurry has been accelerated, and the toughness of the high density set cement has been improved. The contamination of cement slurry and drilling fluid has been minimized, and the bond strengths of set cement with casing string and borehole wall have been enhanced. 94.5% of the liner string cemented has been up to the standard, and the merit factor of cementing job has reached 74.8%. This cementing technology provides a support for the improvement of the quality of well cementing in the area, and a guarantee for the safe and efficient development of the deep high pressure wells in Anyue gas field.

Key wordsLiner cementing; Long section of well cementing; High density cement slurry; Big temperature difference; Anti- migration

中圖分類號(hào)：TE256.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5620（2016）03-0084-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.017

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大專項(xiàng)課題（2011ZX05021004）；中國(guó)石油集團(tuán)公司項(xiàng)目“安岳深層優(yōu)快鉆完井與儲(chǔ)層改造技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?！保?014F-1801）。

第一作者簡(jiǎn)介：張華，工程師，男，1984年生，2012年碩士研究生畢業(yè)于西南石油大學(xué)，主要從事固井工作液體系與工藝研究。E-mail：zhanghuadr@cnpc.com.cn。

收稿日期（2015-10-9；HGF=1506M7；編輯馬倩蕓）