羅 翰 ， 何世明， 羅德明

（1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；2. 中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽(yáng)618000；3. 中石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德陽(yáng) 618000）

川深1井位于四川省閬中市，是中國(guó)石化部署在四川盆地川中隆起北部斜坡帶柏埡鼻狀構(gòu)造的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，主探震旦系燈影組地層含油氣情況，兼探寒武系龍王廟組地層含油氣情況，完鉆井深8 420.00 m。該井四開(kāi)采用?241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)，在6 880.00～8 060.00 m 井段下入?206.4 mm+?193.7 mm套管，尾管下至井深8 059.50 m，尾管懸掛器位于井深6 527.20 m處。該開(kāi)次鉆遇二疊系、志留系、奧陶系、寒武系地層，累計(jì)鉆遇14個(gè)氣層，氣層壓力系數(shù)1.77～1.89，鉆井液密度1.97 kg/L，井底靜止溫度172 ℃。由于地層的儲(chǔ)集空間為裂縫和溶洞，井筒內(nèi)流體與縫洞中氣體的置換作用強(qiáng)，液柱壓力不能有效壓穩(wěn)氣層，鉆進(jìn)過(guò)程中油氣顯示活躍。該井四開(kāi)井段固井作業(yè)屬于典型的超深井超高溫高壓固井，須封住裸眼井段內(nèi)的多套高壓地層，為五開(kāi)低壓地層（壓力系數(shù)為1.10～1.20）鉆進(jìn)及后期測(cè)試提供合格的井筒條件[1]。

高壓氣井固井作業(yè)時(shí)，由于水泥漿膠凝失重，環(huán)空液柱壓力降低，不能壓穩(wěn)氣層，氣體會(huì)竄入水泥環(huán)與套管或水泥環(huán)與井壁之間的間隙，造成層間互竄甚至竄入井口，導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效。而且在高溫（＞110 ℃）環(huán)境下，水泥石的強(qiáng)度會(huì)衰退，造成水泥石滲透率增大，導(dǎo)致水泥環(huán)失去密封能力。為防止氣竄，國(guó)內(nèi)外主要采取應(yīng)用加入膠乳、納米液硅等防氣竄劑的防氣竄水泥漿的方法；為防止水泥石強(qiáng)度衰退，主要采用在水泥中添加硅粉的方法。但對(duì)于高溫高壓氣井，這些方法均不能有效解決氣竄問(wèn)題。因此，根據(jù)川深1井四開(kāi)固井需求，將高溫苯丙膠乳與納米液硅結(jié)合，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)超高溫高密度防氣竄水泥漿，并優(yōu)化固井技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了四開(kāi)超高溫高壓地層的有效封固，為五開(kāi)低壓地層鉆進(jìn)及后期測(cè)試提供了合格的井筒條件。

1 固井主要技術(shù)難點(diǎn)

1.1 氣竄風(fēng)險(xiǎn)高、防氣竄難度大

1）高壓氣層防氣竄難度大。該井四開(kāi)累計(jì)鉆遇14個(gè)氣層，氣層顯示活躍。對(duì)7 507.00～7 511.00 m、7 661.00～7 666.36 m和7 731.00～7 757.00 m井段鉆遇的氣層進(jìn)行了測(cè)試，氣體上竄速度最大達(dá)到458 m/h，最大全烴值99.7%，進(jìn)出口鉆井液密度差0.12 kg/L；裸眼段氣層壓力最大達(dá)到142 MPa，氣層壓力梯度達(dá)到1.89 MPa/100m，潛氣竄因子GFR為10.8，屬于固井后環(huán)空氣竄高危井。

2）重疊井段氣竄風(fēng)險(xiǎn)高。該井四開(kāi)固井環(huán)空返速設(shè)計(jì)為1.0 m/s，而重疊段內(nèi)漿體的環(huán)空返速僅為0.49 m/s，頂替效率低，環(huán)空會(huì)殘留鉆井液，重疊段的固井質(zhì)量通常都較差。同時(shí)，重疊段為領(lǐng)漿封固，為確保固井施工安全，將領(lǐng)漿稠化時(shí)間設(shè)計(jì)為500 min，頂部強(qiáng)度發(fā)展緩慢，氣竄風(fēng)險(xiǎn)高。上層套管鞋以下1.50，10.00和70.00 m位置處存在3個(gè)氣層，重疊段防氣竄難度極大。

3）縫洞型地層氣液置換效應(yīng)強(qiáng)。氣測(cè)顯示明顯的氣層位于茅口組、洗象池群、陡坡寺組、龍王廟組、滄浪鋪組、仙女洞組等地層，均為碳酸鹽巖地層，裂縫和溶洞較發(fā)育，氣液置換作用強(qiáng)，依靠液柱壓力不能阻止氣體進(jìn)入環(huán)空。

1.2 超高溫高密度水泥漿性能調(diào)整困難

1）超高溫條件下高分子水泥添加劑性能會(huì)降低。超高溫環(huán)境下降濾失劑、分散劑、膠乳、緩凝劑等有機(jī)高分子水泥添加劑的性能降低，水泥漿的防氣竄能力、降濾失性能、高溫分散性、穩(wěn)定性等都得不到有效控制。以降濾失劑為例，國(guó)內(nèi)目前使用的超高溫降濾失劑均為AMPS共聚物，當(dāng)前廣泛使用的AMPS降濾失劑高溫老化前后（老化條件為在180 ℃條件下養(yǎng)護(hù)3 h）的特性黏數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該類降濾失劑高溫老化后的特性黏數(shù)損失率均超過(guò)25.79%，這說(shuō)明高分子降濾失劑在高溫條件下均會(huì)發(fā)生高溫降解，從而影響水泥漿的性能。

表1 AMPS降濾失劑高溫老化后的特性黏數(shù)損失率Table 1 Intrinsic viscosity loss rate of AMPS fluid loss additive after high temperature aging

2）水泥石需具備長(zhǎng)期封固能力。根據(jù)API的規(guī)定，在溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，需在G級(jí)油井水泥漿中加入30%～40%的硅粉抑制水泥石強(qiáng)度衰退，但常規(guī)加砂水泥漿加入硅粉后并不能滿足高溫固井需求。室內(nèi)研究表明：常規(guī)加砂水泥石在180 ℃條件下養(yǎng)護(hù)14 d后，用掃描電鏡可以觀察到針狀、片狀或者粒狀產(chǎn)物，膠結(jié)物不致密（見(jiàn)圖1）；高溫養(yǎng)護(hù)后其強(qiáng)度急劇衰退，降至5 MPa左右；孔隙度和滲透率增大，滲透率可增至10 mD，導(dǎo)致水泥環(huán)失去密封能力。同時(shí)，常規(guī)高溫高密度水泥石的彈性模量達(dá)到12 GPa以上，表現(xiàn)為硬脆性，難以滿足五開(kāi)鉆進(jìn)及后期射孔、測(cè)試等作業(yè)對(duì)水泥環(huán)密封完整性的需求，因此，該井四開(kāi)固井，要求水泥石具備一定的彈韌性[2]。

1.3 頂替效率難以保證

該井四開(kāi)所用鉆井液的密度為1.97 kg/L，黏度為56 s，動(dòng)切力為10 Pa，且鉆井液中混有3%的原油，固相含量高達(dá)34%，難以將井壁上的油膜沖洗干凈；鉆井液與隔離液的密度差僅為0.05 kg/L，井深7 300.00 m以深井徑擴(kuò)大率僅有1.05%，?206.4 mm小接箍套管無(wú)法安裝扶正器，套管居中度低，提高頂替效率難度大[3]。

圖1 常規(guī)加砂水泥石高溫養(yǎng)護(hù)后的SEM結(jié)果Fig. 1 SEM results of set cement by conventional sandadding after high temperature curing

2 超高溫水泥漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

通過(guò)研究不同溫度下水泥石強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，優(yōu)化硅粉粒徑和加量來(lái)抑制水泥石強(qiáng)度在高溫下的衰退。針對(duì)單一防氣竄劑不能有效解決高壓氣竄的問(wèn)題，將膠乳和液硅進(jìn)行復(fù)配使用，利用膠乳成膜和液硅堵塞的防氣竄特性，增強(qiáng)水泥漿防氣竄能力，提高水泥石的彈性，降低其滲透率。

2.2 優(yōu)化加砂參數(shù)控制強(qiáng)度衰退

當(dāng)井底溫度高于150 ℃時(shí)，常規(guī)加砂水泥石的強(qiáng)度快速衰退，孔隙結(jié)構(gòu)變大，水化產(chǎn)物為以板塊狀C2SH與CH為主的混合物[3]。解決常規(guī)加砂水泥石強(qiáng)度高溫快速衰退的主要方法是將硅粉加量增大到50%～60%，并優(yōu)選粗硅粉和細(xì)硅粉的配比，進(jìn)一步降低水泥石的鈣硅（Ca/Si）比，消耗CH與高溫下生成的C2SH。選取80目（粗）與200目（細(xì)）2種硅粉，將加入不同量硅粉（粗硅粉和細(xì)硅粉配比）常規(guī)加砂水泥漿形成的水泥石在180 ℃下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)其在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知：加入50%粗硅粉和60%粗硅粉形成的水泥石，在養(yǎng)護(hù)到3 d時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)衰退，在養(yǎng)護(hù)到14 d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別為22.2和26.7 MPa，衰退幅度分別為38.0%和32.4%；80目與200目硅粉復(fù)配可以顯著抑制水泥石強(qiáng)度的衰退，30%粗硅粉與30%細(xì)硅粉復(fù)配，養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)抗壓強(qiáng)度為34.2 MPa，衰退幅度為4.5%。因此，選用30%粗硅粉與30%細(xì)硅粉復(fù)配。粗細(xì)硅粉復(fù)配增大了二氧化硅的比表面積，在二氧化硅加量相同的條件下可以消耗更多的C2SH與CH，其水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密（見(jiàn)圖3）。

圖2 硅粉加量及粗細(xì)硅粉配比對(duì)水泥石強(qiáng)度發(fā)展的影響Fig. 2 Effect of silicon powder dosage and coarse-fine silicon powders ratio on the strength development of set cement

圖3 添加30%粗硅粉和30%細(xì)硅粉加砂水泥石在180 ℃下養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)的SEM結(jié)果Fig. 3 SEM results of set cement with adding 30% coarse silicon powder vs 30% fine silicon powder at 180 °C for 14 d

2.3 復(fù)合納米添加劑增強(qiáng)水泥漿的防氣竄能力

1）添加膠乳改善水泥漿性能。a. 膠乳能提高水泥漿的防氣竄能力。選用玻璃化溫度90 ℃的苯丙膠乳提高水泥漿的高溫防氣竄能力，膠乳粒徑為300～400 nm，其具有“成膜”防氣竄和“堵塞”防氣竄的作用。正壓差作用下膠乳顆粒在水泥顆粒間聚集成膜，膜覆蓋在濾餅表面可以阻止氣竄的發(fā)生。同時(shí)，膠乳也具有顆粒堵塞作用，可降低水泥石的滲透率。b. 膠乳能改善水泥石的力學(xué)性能。膠乳顆粒具有彈性，膠乳水泥漿固化后可以顯著降低水泥石的彈性模量。c. 膠乳能進(jìn)一步降低水泥漿的濾失量、提高水泥漿的高溫沉降穩(wěn)定性[4-8]。

2）納米液硅改善水泥漿的性能[9]。納米液硅中含有45%活性納米二氧化硅微球，粒徑10～300 nm，中值粒徑160 nm。a. 提高水泥漿的防氣竄能力。納米二氧化硅“硬球體”和膠乳“軟球體”填充在水泥顆?？紫独?，交織在一起，可以增強(qiáng)其堵塞能力，提高水泥漿的高溫防氣竄能力。b. 提高水泥石高溫強(qiáng)度的穩(wěn)定性。納米液硅中二氧化硅的比表面積達(dá)到了25 m2/g，可以顯著提高水泥石高溫強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

2.4 超高溫高密度水泥漿配方與性能評(píng)價(jià)

2.4.1 超高溫高密度水泥漿配方

依據(jù)超高溫高密度水泥漿設(shè)計(jì)方法及性能需求，優(yōu)選抗高溫的降濾失劑（高溫黏度損失率小于10%）和緩凝劑（抗溫200 ℃，耐溫差60 ℃）等，通過(guò)優(yōu)化形成了超高溫高密度水泥漿配方：水泥+30.0%硅粉（80目）+30.0%硅粉（200目）+30.0%鐵礦粉+2.5%降濾失劑（SCF200L）+10.0%苯丙膠乳（SCJR）+10.0%納米液硅（SCLS）+x%緩凝劑（SCR-3）+1.0%抑泡劑（SCXP）+48.0%水。其基本性能為：密度2.05 kg/L；稠化時(shí)間可調(diào)，緩凝劑加量為7.5%和5.0%時(shí)，在155 ℃、155 MPa條件下的稠化時(shí)間分別為571 和293 min，稠化過(guò)渡時(shí)間1 min，均為直角稠化；濾失量38 mL；流動(dòng)度21 cm；流性指數(shù)0.75，稠度系數(shù) 1.28 mPa·sn；自由液 0 mL；無(wú)沉降；72 h 頂部強(qiáng)度15.3 MPa；水泥石在180 ℃條件下養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)的強(qiáng)度可達(dá)41 MPa，未見(jiàn)強(qiáng)度衰退。

2.4.2 性能評(píng)價(jià)

1）防氣竄性能。根據(jù)稠化時(shí)間、稠化過(guò)渡時(shí)間和API濾失量計(jì)算出超高溫高密度水泥漿的防氣竄系數(shù)SPN值為0.20～0.43。使用7150型防氣竄模擬分析儀評(píng)價(jià)了超高溫高密度水泥漿的防氣竄能力，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)水泥漿處于“失重”（膠凝）狀態(tài)時(shí)，未見(jiàn)氣竄現(xiàn)象發(fā)生。超高溫高密度水泥漿形成的水泥石在180 ℃下養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的氣測(cè)滲透率為0.008 1 mD，僅為常規(guī)水泥石的3%，說(shuō)明苯丙膠乳和納米液硅結(jié)合防氣竄作用顯著。

2）水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)[10-11]。超高溫高密度水泥漿形成的水泥石在180 ℃、21 MPa條件下養(yǎng)護(hù)7 d，單軸彈性模量為7.54 GPa，較常規(guī)水泥石降低了30%。這是由于超高溫高密度水泥漿中的膠乳為有機(jī)顆粒，其在高溫下具有較好的彈韌性；納米液硅中的納米二氧化硅顆粒填充在水泥顆粒間，通過(guò)參與水化反應(yīng)，生成CSH凝膠來(lái)修補(bǔ)水泥石中的微觀缺陷（微裂縫等），改善了水泥石的力學(xué)性能，提高了水泥石的彈性形變能力，有利于在井下溫度、壓力條件下及壓裂施工時(shí)，保持水泥環(huán)的完整性，提高環(huán)空密封能力。

圖4 水泥漿防氣竄模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Anti-gas channeling simulation test results of cement slurry

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 固井技術(shù)措施

針對(duì)該井四開(kāi)固井防竄難度大、頂替效率低的技術(shù)難點(diǎn)，采用了“替凈”、“壓穩(wěn)”和“封嚴(yán)”等技術(shù)措施來(lái)提高固井質(zhì)量。

1）“替凈”技術(shù)措施包括：a. 使用性能良好的低黏低切先導(dǎo)漿，占裸眼段長(zhǎng)度2 000.00 m；b. 優(yōu)化漿柱流變性能，控制隔離液屈服值大于鉆井液的屈服值、小于水泥漿的屈服值；c. 設(shè)計(jì)隔離液占裸眼段長(zhǎng)度1 500.00 m，沖洗時(shí)間25 min；d. 使用洗油型隔離液，隔離液潤(rùn)濕點(diǎn)30%，提高界面水潤(rùn)濕性，增強(qiáng)界面膠結(jié)能力。

2）“壓穩(wěn)”技術(shù)措施包括：a. 使用分段壓穩(wěn)設(shè)計(jì)模型，以確保壓穩(wěn)氣層，壓穩(wěn)系數(shù)設(shè)計(jì)為1.05；b.為確保施工過(guò)程中全程壓穩(wěn)，采用加重沖洗液，其密度為2.0 kg/L；c. 環(huán)空加壓5 MPa候凝。3）“封嚴(yán)”技術(shù)措施是使用帶頂部封隔器的尾管懸掛器，在水泥漿頂替到位后，坐封頂部封隔器，切斷氣體上竄的通道。

3.2 固井施工

注入30 m3密度1.97 kg/L的低黏低切先導(dǎo)漿；注入20 m3密度2.02 kg/L的加重隔離液；注入密度2.03 kg/L的領(lǐng)漿和尾漿，注入量分別為22和18 m3；下鉆桿膠塞，替入1 m3密度2.02 kg/L的壓塞液，排量0.50 m3/min；替入26 m3密度1.97 kg/L的井漿，排量1.53 m3/min；替入14 m3密度2.02 kg/L的保護(hù)液，排量0.88 m3/min；替入57 m3密度1.97 kg/L的井漿，排量1.50 m3/min；用泵車(chē)替入2.8 m3密度1.00 kg/L的清水，排量0.70 m3/min；泄壓，放回水?dāng)嗔鳎幌聣?00 kN，坐封頂部封隔器；憋壓5 MPa，驗(yàn)封正常；起鉆15柱，正循環(huán)洗井一周；關(guān)井憋壓5 MPa候凝。

3.3 固井質(zhì)量

候凝72 h后，通井后檢測(cè)井深7 273.00 m以深固井質(zhì)量，第一界面優(yōu)良率94.8%，第二界面優(yōu)良率為96.4%，整體固井質(zhì)量達(dá)到良好。在五開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中，未發(fā)生氣竄等異?，F(xiàn)象，滿足了超深井超高溫高壓地層的長(zhǎng)效封固需求。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)膠乳水泥漿防氣竄、加入硅粉控制水泥石強(qiáng)度衰退的思路，通過(guò)優(yōu)化形成了適用于超高溫高壓地層固井的高密度防氣竄水泥漿。該水泥漿加入30%的80目硅粉和30%的200目硅粉控制水泥石強(qiáng)度高溫衰退，再加入10%納米液硅改善水泥石高溫強(qiáng)度的穩(wěn)定性，形成的水泥石在180 ℃下養(yǎng)護(hù)14 d強(qiáng)度達(dá)到了41 MPa，未見(jiàn)強(qiáng)度衰退現(xiàn)象。

2）超高溫高壓高密度防氣竄水泥漿利用高溫苯丙膠乳“軟球體”和納米液硅“硬球體”提高水泥漿高溫高壓下的防氣竄能力，防氣竄模擬試驗(yàn)未見(jiàn)氣竄現(xiàn)象，形成水泥石的氣測(cè)滲透率僅為0.008 1 mD，單軸彈性模量為7.54 GPa。

3）川深1井四開(kāi)采用超高溫高壓高密度防氣竄水泥漿，采取“替凈”、“壓穩(wěn)”和“封嚴(yán)”等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四開(kāi)井眼內(nèi)多個(gè)氣層的有效封隔，為后期鉆井、測(cè)試等作業(yè)提供了安全的井筒條件。