劉虎，王軍，王學(xué)成，劉學(xué)智

1.中國石油吐哈油田分公司監(jiān)督中心（新疆鄯善838200）

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院（新疆鄯善838202）

雁木西油田層間封固技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉虎1，王軍2，王學(xué)成2，劉學(xué)智1

1.中國石油吐哈油田分公司監(jiān)督中心（新疆鄯善838200）

2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院（新疆鄯善838202）

吐哈盆地雁木西油田部分井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，但是投產(chǎn)后環(huán)空出現(xiàn)竄流通道、產(chǎn)液含水率高的問題，后期擠水泥產(chǎn)生了高額補(bǔ)救費(fèi)用。環(huán)空竄流的原因是射孔破壞隔層水泥環(huán)，界面膠結(jié)強(qiáng)度低。提出了使用動態(tài)振動固井技術(shù)提高頂替效率，管外封隔器隔開油水層，并且使用抗鹽增韌水泥漿體系提高水泥石抗沖擊性能等新技術(shù)方案，在現(xiàn)場成功應(yīng)用。

層間竄流；抗鹽水泥漿；固井技術(shù)；管外封隔器

吐哈盆地雁木西油田主要目的層為第三系鄯善群（Esh）和白堊系三十里大墩組（K1s），經(jīng)過多年注水開發(fā)，形成了多套壓力體系，且層間壓差大、隔層薄，固井質(zhì)量保證難度大；N1t上部、Esh下部地層含有鹽膏層，又進(jìn)一步增大了固井難度和風(fēng)險。2013-2014年通過實(shí)施停注泄壓、嚴(yán)格控制井身質(zhì)量、油層使用抗鹽早強(qiáng)水泥漿體系等措施，固井質(zhì)量有了明顯提高，共完井10口，固井質(zhì)量一次合格率達(dá)到100%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)到80%。但是新井投產(chǎn)過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重問題，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)井投產(chǎn)后環(huán)空存在層間竄流，產(chǎn)出液體高含水，后期補(bǔ)救產(chǎn)生了高額費(fèi)用［1］。2014年共完井6口，其中3口井投產(chǎn)后擠水泥補(bǔ)救，補(bǔ)救費(fèi)用高達(dá)238.2萬元，如何保證層間封固效果已成為繼續(xù)開發(fā)雁木西油田亟待解決的難題。

1 層間竄流原因分析

1.1 隔層薄，射孔易造成水泥環(huán)損壞

雁木西油田調(diào)整井地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜、隔層薄，厚度最小至1m，層間壓差高。以2014年8月完井的雁668井為例，發(fā)生層間竄流的兩個層位K1S2-1（1 824.8～1 831.1m）與K1S2-2（1 832.9～1 834.0m），隔層厚度僅為1.8m。若水泥石韌性差，射孔很可能損壞水泥環(huán)，形成微裂隙，造成投產(chǎn)后環(huán)空竄。

1.2 界面膠結(jié)強(qiáng)度低

雁木西油田油藏平均孔隙度20.4%，平均滲透率228.8×10-3μm2，為中孔中滲儲層，地層孔隙連通性好，鉆井液易向地層失水，在目的層段形成較厚的虛泥餅。從已鉆井井徑曲線來看，油層段普遍縮徑，部分井徑明顯小于鉆頭直徑，井壁附著的虛泥餅較厚［2］。固井過程中虛泥餅很難被清理干凈，導(dǎo)致界面膠結(jié)強(qiáng)度低，投產(chǎn)后在第二界面形成層間竄流通道。

2 技術(shù)對策

2.1 增強(qiáng)水泥石韌性，提高抗沖擊能力

優(yōu)選新型水泥漿體系，在滿足抗鹽性能的前提下，增強(qiáng)水泥石的韌性，提高水泥石抗沖擊能力，防止射孔沖擊水泥石產(chǎn)生微裂隙。

2.2 提高頂替效率，改善界面膠結(jié)效果

調(diào)研清除井壁虛泥餅的有效技術(shù)措施，提高頂替效率，改善界面膠結(jié)強(qiáng)度。

2.3 試驗應(yīng)用管外封隔器

在油水層之間下入管外封隔器，形成水泥環(huán)和管外封隔器兩重密封，保證層間封隔效果。

3 抗鹽增韌水泥漿體系

3.1 增韌防竄水泥漿體系性能特點(diǎn)

3.1.1 水泥石韌性

普通水泥是一種多相、非均質(zhì)體系，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在著大量的空隙和微孔道，宏觀表現(xiàn)為脆性，極限應(yīng)變較小、抗沖擊性能差。增韌防竄劑BCG-300S外觀為白色或淡黃色粉末，核心成分為熱塑性高分子柔性聚合物，具有一定的彈性和伸縮性，彈性模量比水泥低，摻入水泥漿中可使水泥石彈性模量有一定程度的降低［3］。另一方面，BCG-300S摻入到水泥漿中后，可以均勻分散于水泥漿中，并形成連續(xù)的薄膜，附著在水泥水化物表面，當(dāng)受到外部沖擊時可以分散一定的應(yīng)力，增加了水泥石的變形能力，從而改善了水泥石的韌性，是一種理想的水泥漿增韌材料。

1）水泥石韌性評價。實(shí)驗結(jié)果表明：隨著增韌材料摻量增加，彈性模量不斷降低，水泥石韌性增強(qiáng)（表1）。

表1 水泥韌性評價結(jié)果

通過研究可以看出：增韌材料摻量大于4.5%后，水泥石明顯表現(xiàn)出彈性水泥石的特征。

2）水泥石抗沖擊性能評價。實(shí)驗結(jié)果表明：隨著增韌材料摻量增加，水泥石抗沖擊功不斷增大，抗沖擊能力增強(qiáng)（表2）。

表2 水泥韌性評價結(jié)果

3.1.2 防竄性能

水泥水化期間，增韌防竄劑BCG-300S一方面在水泥機(jī)制中絮凝、聚結(jié)，形成抑制滲透的聚合物薄膜，防止流體、氣體侵入水泥漿柱中；另一方面，可以形成聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，縮短靜膠凝強(qiáng)度48～240Pa內(nèi)的過渡時間，減少氣竄發(fā)生的幾率（表3）。

表3 防竄試驗結(jié)果

在水泥水化過程中，BCG-300S吸水，形成聚合物膜附著在水泥水化顆粒上，具有一定的保水性，增強(qiáng)了水泥漿的內(nèi)聚力，在一定程度上防止水分蒸發(fā)，減少了水泥漿內(nèi)部由于水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的微裂縫和粗孔，使得水泥石表現(xiàn)出一定的微膨脹，達(dá)到防竄目的［4-5］。

根據(jù)膨脹試驗結(jié)果加入BCG-300S后，水泥表現(xiàn)出微膨脹性，克服了自身缺陷，有利于界面膠結(jié)。

綜合防竄試驗結(jié)果，溫度55℃條件下BCG-300S加量大于3.0%能夠保證較好的防竄性能（表4）。

表4 水泥漿膨脹試驗結(jié)果

3.2 抗鹽增韌水泥漿體系評價

BCG-300S的配伍降失水劑為BCF-200S或BXF-200L，兩種產(chǎn)品均為抗鹽型聚合物降失水劑。BXF-200L是液體，與目前使用的天山G級水泥配伍性好，在吐哈油田抗鹽固井領(lǐng)域成功使用多年。BCF-200S是BXF-200L的粉劑，降失水性能優(yōu)于BXF-200L，可與水泥及其他外摻料干混。在產(chǎn)品滿足抗鹽性能要求的前提下，綜合考慮現(xiàn)場施工因素選用BCF-200S作為降失水劑。

通過一系列評價試驗優(yōu)選出抗鹽增韌水泥漿體系配方為：100g天山G級水泥+44g水+3g降失水劑BCF-200S+3g增韌防竄劑BCG-300S+1.5g早強(qiáng)劑TW600S+0.7g分散劑。

1）水泥漿流變性能和濾失量。該體系水泥漿流變性能優(yōu)越，濾失量小，能夠滿足現(xiàn)場施工需求。

2）水泥漿抗污染性能。使用現(xiàn)場抗鹽聚磺鉆井液做污染試驗，體積比為水泥漿：鉆井液=70：30，實(shí)驗條件55℃、32MPa，40BC稠化時間113min，能夠保證施工安全。

3）水泥漿稠化時間。在52℃、32MPa條件下，稠化時間可調(diào)，能夠滿足現(xiàn)場施工要求，直角稠化，有利于提高固井質(zhì)量。

4 動態(tài)震動固井技術(shù)

4.1 技術(shù)原理

將激振器與固井膠塞合二為一，加工成激振膠塞（圖1），在替漿過程和到達(dá)井底后開始振動，激發(fā)套管串形成阻尼共振響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)替漿、侯凝全過程振動。通過大量的實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，振動固井技術(shù)主要通過以下幾方面改善固井質(zhì)量，防止固井后環(huán)空竄流。

圖1 激振膠塞

1）通過振動降低液體的黏度，有利于清除套管外壁的鉆井液膜和井壁上的虛泥餅，使頂替效率得到極大的提高。

2）振動使水泥漿得到充分水化，且密度均勻，有利于在油水井套管環(huán)空中形成堅硬而完整的水泥環(huán)。研究表明振動后水泥漿固化的強(qiáng)度能提高約20%。

3）振動可以加快水泥漿的充分水化，且使密度均勻，因而使水泥漿的稠化過渡時間縮短，易于早強(qiáng)，同時使水泥的防竄性能提高。

4）振動水泥漿有助于破壞其顆粒間的黏結(jié)，加劇了水與固相顆粒間的相對運(yùn)動，減小或消除了水泥漿的靜切力，使環(huán)空水泥漿在凝固過程中，由于體積收縮和靜切力增大而造成的靜液柱壓力損失得以補(bǔ)償，在水泥環(huán)第一、第二界面形成較高的徑向應(yīng)力，提高了兩個界面的膠結(jié)強(qiáng)度，有效地阻止了地層流體竄入。

4.2 施工工藝

因動態(tài)振動固井設(shè)計的激振器與固井膠塞是一體的，所以動態(tài)振動固井施工工藝與常規(guī)固井工藝兼容性較強(qiáng)，無需增加和改造現(xiàn)有的設(shè)備及工藝即可實(shí)現(xiàn)。激振器的狀態(tài)控制通過無線電子遙控，固井施工之前按照施工工藝的流程提前設(shè)置振動程序。施工工藝流程如圖2所示：①將激振膠塞（固井膠塞）安裝入固井水泥頭，通過無線電子遙控器設(shè)置振動延遲時間和振動持續(xù)時間，準(zhǔn)備固井施工；②按照正常固井施工流程，試壓、打前置液、注水泥，激振器按照預(yù)置程序開始振動，在井口檢測振動狀態(tài)；③壓膠塞，激振膠塞諧振替漿下行，自上而下振動梳理套管串，激活套管、水泥及井壁的界面，下行至浮箍處小排量碰壓自鎖激振，檢測回流，侯凝過程中自動調(diào)整振頻，實(shí)現(xiàn)阻尼共振效果，水泥凝固前共振完成，施工結(jié)束。

圖2 振動固井工藝流程

5 管外封隔器技術(shù)

圖3 E-Z Frac140封隔器

該工具膠筒采用進(jìn)口HNBR原料經(jīng)模壓加工而成，材料優(yōu)異的抗擠壓、抗撕扯強(qiáng)度以及耐溫性能確保了該工具的長期密封可靠，通過調(diào)整剪切銷釘數(shù)量可靈活調(diào)整工具啟動壓力。

性能參數(shù)：壓力級別70MPa；溫度級別150℃；啟動壓力16～19MPa（可調(diào)）；適用215.9mm（8.5″）井眼尺寸。

6 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

6.1 雁673井基本情況

該井為采油直井，設(shè)計井深1 880m，實(shí)際井深為1 888m，主力油層位于白堊系三十里大墩組（1 817～1 846m）。二開鉆頭尺寸為216mm，套管尺寸139.7mm。油層顯示段為1 597～1 662m、1 817～1 846m，油水隔層為1 844～1 846m，厚度為2m，油水同層段為1 846～1 861m。設(shè)計封固段為1 200～1 888m，封固段長688m。

6.2 現(xiàn)場施工情況

該井使用抗鹽增韌水泥漿，40BC稠化時間為128min。封隔器下入位置1 844.2～1 845.32m，現(xiàn)場施工過程如下。

1）套管及其附件按設(shè)計和作業(yè)指令下到位后，確認(rèn)水泥頭與固井管線和替泥漿管線等的聯(lián)結(jié)符合施工要求。

2）套管下到底后，先灌滿泥漿，再接循環(huán)接頭，小排量頂通，然后逐步增大泵的排量到正常打鉆排量，調(diào)整泵的參數(shù)，循環(huán)排量要達(dá)到32L/min，并連續(xù)循環(huán)兩周。

圖4a顯示大陸高壓正在入海,蘇南和長江口有溫度鋒區(qū);圖4b合成場顯示,江蘇沿海等高線與等溫線稀疏,處于槽后脊前的穩(wěn)定狀態(tài),有弱鋒區(qū)在長江口及長江南側(cè)。與副熱帶系統(tǒng)相比較,西風(fēng)帶系統(tǒng)勢力仍較強(qiáng),這與Ⅰ型海風(fēng)鋒環(huán)流背景中副高強(qiáng)盛顯著不同。另一方面西風(fēng)帶系統(tǒng)移動較快,因此Ⅱ型海風(fēng)鋒是處于短時穩(wěn)定形勢下,這也與Ⅰ型海風(fēng)鋒不同。進(jìn)一步地,斜壓鋒區(qū)的存在,營造了局地對流系統(tǒng)的活動空間,為海風(fēng)鋒相遇強(qiáng)對流系統(tǒng),并發(fā)生相互作用,激發(fā)強(qiáng)對流天氣過程提供了機(jī)遇。

3）水泥車到井后，開始處理鉆井液性能，降低黏切，停泵，接水泥頭。接好管線、水泥頭做好施工準(zhǔn)備工作后，壓入激振膠塞，遙控設(shè)置振動延遲時間為30min，振動持續(xù)時間為40min，并上緊水泥頭蓋子，時間5min。

4）沖洗管線，通過排污管線出口觀察管線沖洗情況，并按設(shè)計要求試壓30MPa，水泥車按設(shè)計注入前置液6.0m3，排量1.20m3/min，時間5min。

5）水泥車注入常規(guī)水泥漿25.0m3，領(lǐng)漿密度控制范圍1.80～1.85g/cm3，尾漿密度控制范圍在1.88～1.92g/cm3，排量1.00m3/min，時間25min，激振膠塞開始振動并檢測。

6）打開膠塞擋銷，注入壓塞液1.0m3，泵替鉆井液20m3，排量2.0m3/s，水泥車以0.50m3/min的排量替漿1.2m3求碰壓，碰壓壓力控制在16MPa，時間15.0min。

7）穩(wěn)壓5.0min，判斷浮箍浮鞋密封良好，繼續(xù)憋壓至28MPa，充分漲封管外封隔器，穩(wěn)壓2min。

8）拆卸水泥頭與固井替漿管線，關(guān)封井器，環(huán)容憋壓3MPa，侯凝24h，檢查固井水泥膠結(jié)質(zhì)量。

該井動態(tài)振動固井技術(shù)現(xiàn)場施工成功，注水泥漿20min后激振膠塞開始振動，替漿過程激振膠塞自上而下動態(tài)振動，激發(fā)套管高頻振動，碰壓后繼續(xù)振動20min自動停止。激振膠塞的安裝、振動控制都在設(shè)計范圍內(nèi)，整個過程連續(xù)，泵壓正常。

6.3 應(yīng)用效果分析

侯凝24h后，通過VBL、CDL測井檢驗固井質(zhì)量，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，水泥實(shí)際返高1 120m。2015年6月8日該井順利投產(chǎn)，日產(chǎn)液12.1m3，日產(chǎn)油6.1t，含水38%，證明油層、水層隔離效果良好。

7 結(jié)論與建議

1）抗鹽增韌水泥漿體系、動態(tài)振動固井技術(shù)、管外封隔器3項技術(shù)同時使用，保證了油水層封隔效果。

2）管外封隔器漲封壓力高，導(dǎo)致施工壓力過高，現(xiàn)場施工風(fēng)險較大，下一步應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，降低漲封壓力。

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A part of wells in Yanmuxi oilfield of Turpan Hami Basin have good well cementing quality，but there is channeling in annu?lar space and high water cut in produced liquid water after production，and therefore high remediation cost was produced in late cement squeezing.The cause leading to the channeling in annular space is that perforating destroys interlayer cement sheath to reduce interfa?cial bond strength.To solve this problem，some new techniques such as to use dynamic vibration cementing technology for improving the displacement efficiency，to use an outer packer for separating oil layer with water layer，to use salt-resistant and toughened cement slur?ry system for Improving the impact resistance of cement paste，etc.are proposed，and they are applied successfully in field.

interlayer channeling；salt-resistant cement slurry；cementing technology；outer casing packer

左學(xué)敏

2016-06-30

劉虎（1985-），男，工程師，主要從事油田固井監(jiān)督工作。