李成全 何世明 張平

1.“油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室”·西南石油大學2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部 3.四川工業(yè)科技學院

自2011年7月風險探井高石1井在震旦系獲得102×104m3/d的高產工業(yè)氣流后[1]，揭開了高石梯-磨溪震旦-寒武系儲量規(guī)模超萬億立方米特大型氣田評價勘探的序幕，取得了四川盆地47年來古隆起勘探的重大戰(zhàn)略突破[2-3]。為了加快該高溫高壓高產氣藏的開發(fā)進度，在最后兩個開次大都采用尾管固井的方式。因尾管封固井段長、地層溫度壓力高、上下溫差大和氣層發(fā)育等多因素引發(fā)的固井質量低的問題[4-7]，一直是制約龍王廟氣藏安全經濟高效開發(fā)的技術瓶頸之一，亟待解決。

國內外研究者對深井高溫尾管固井做了一些研究，ARCO石油天然氣公司和Wester公司使用一種非滲透性水泥體系在美國和墨西哥等地高溫深井進行了多次的套管和尾管固井，取得了較好的應用效果[8]。張峰等針對塔里木油田庫車山前溫度高(120～180 ℃)、窄環(huán)空間隙難點問題，優(yōu)選抗高溫高強度水泥漿體系、抗高溫沖洗隔離液體系，配套固井工藝，解決高溫深井窄間隙小尾管固井難題[9]。羅翰等針對川深1井四開固井超高溫高壓地層長效密封的問題，通過增大硅粉加量和合理匹配硅粉粒徑抑制水泥石強度衰退，優(yōu)選合適的水泥漿，解決了高溫高壓地層的技術難點[10]。秦克明針對元壩7井超高溫高壓、油氣活躍、地層易漏、尾管環(huán)空間隙小、頂替效率難以保證等諸多固井難點，通過優(yōu)化固井方案和優(yōu)選抗高溫防氣竄加重膠粒水泥漿體系和沖洗型加重隔離液體系，解決固井過程氣竄、漏失等問題[11]。吳江等為解決鶯歌海盆地東方13-1氣田小井眼尾管固井時存在的氣竄和CO2腐蝕問題，研發(fā)了高密度高效清洗液和新型抗高溫高密度水泥漿，并采用旋轉尾管固井工藝，形成了高溫高壓氣井尾管固井技術[12]。何樹山等針對歧深1井尾管裸眼封固段油氣活躍、溫度高、環(huán)空間隙小等問題,提出了采用套管居中、井眼清潔及界面清洗、隔離液、防竄水泥漿及動態(tài)壓力平衡固井技術等綜合技術體系，有效地解決了尾管固井質量差的問題[13]。筆者分析總結了磨溪-高石梯構造超深定向井尾管固井難點，優(yōu)選適用于高溫高壓大溫差且氣層發(fā)育條件下的寬溫帶緩凝劑和高溫降失水劑，同時優(yōu)選適用于高溫高壓大溫差條件下的防竄水泥漿體系，以此為基礎來指導磨溪-高石梯工區(qū)的尾管固井施工作業(yè)，為龍王廟氣田的安全經濟高效開發(fā)提供保障。

1 川西地區(qū)固井面臨的重點難點

2013年以前，針對磨溪龍王廟構造的開發(fā)井，按照直井固井模式，完成5井次的大斜度井、水平井固井作業(yè)，其中3井次的177.8 mm尾管固井作業(yè)固井質量僅一口井合格，其中磨溪008-H1井合格率僅為5.2%，優(yōu)質率僅為0.2%(圖1)。2井次的127 mm尾管固井作業(yè)固井質量優(yōu)質率相對不高。其中，磨溪009-X1井優(yōu)質率僅為19.4%，磨溪16-C1優(yōu)質率為76.3%。

通過磨溪-高石梯構造前期固井結果分析，影響工區(qū)超深大斜度井、水平井尾管(177.8 mm和127 mm)固井質量的主要原因有：

(1) 大斜度、水平井封固段長，環(huán)空間隙小(最小11～12 mm)，頂替效率不高，嚴重影響尾管段固井質量。

(2) 高密度大溫差水泥漿體系防竄性能效果差，早期強度發(fā)育不完全，導致固井候凝過程中出現(xiàn)氣竄。尾管封固段長最長超2 000 m，最高溫度超140 ℃，封固段上下最大溫差超60 ℃。磨溪008-X2井177.8 mm尾管水泥漿在80 ℃條件下養(yǎng)護48 h后的水泥石強度僅為7.0 MPa。

(3) 鉆井液、隔離液和水泥漿的密度及流變性能匹配性差，影響固井頂替效率的提高。磨溪008-H1井177.8 mm尾管固井井段的鉆井液密度2.15 g/cm3，隔離液和水泥漿的密度均為2.25 g/cm3，鉆井液、隔離液和水泥漿的動切力幾乎相同，分別為9 Pa、10 Pa和10 Pa，難以實現(xiàn)高效頂替。

(4) 油氣層顯示多，尤其是上部井段油氣水活躍，固井候凝過程中由于水泥漿失重導致井筒液柱壓力降低，使得油氣水竄，影響固井質量。磨溪009-X1井177.8 mm尾管固井井段有8個層段油氣顯示活躍，龍?zhí)丁w仙關、嘉陵江地層全烴最高超過90%，嚴重影響候凝后的固井質量。

為解決該地區(qū)固井面臨的難點，將從水泥漿技術開展研究，通過優(yōu)化高密度大溫差水泥漿和高溫防竄水泥漿，來提高大斜度、水平井頂替效率和防竄能力。

2 高密度大溫差水泥漿外加劑優(yōu)選

在前期開發(fā)形成的大溫差水泥漿體系(嘉華G級)的基礎上，通過優(yōu)選高溫緩凝劑、降失水劑，進一步優(yōu)化高密度大溫差防竄水泥漿體系早期強度及防竄性能。

2.1 寬溫帶緩凝劑優(yōu)選

由于地層封固段長，地層縱向溫度變化大(60～135 ℃)，要求緩凝劑不僅在中溫和高溫具有優(yōu)良的緩凝效果，同時在低溫下也要具有較好的凝結性能，需對緩凝劑進行優(yōu)選。SD210緩凝劑由含磺酸基和含有高電荷羰基、酰胺基團的單體加成聚合而成[14]。一方面，緩凝劑雙羧基的磺酸基通過鰲合作用，在水泥顆粒表面形成不溶性薄層優(yōu)先吸附C3A，鋁酸鹽組分水化速度首先被抑制，表現(xiàn)出很強的緩凝作用，而對C3S表現(xiàn)較弱的吸附性能，起減緩水化的作用，隨著水化過程的進行，晶核長大，屏障結構被逐漸破壞，保證水泥石后期強度。另一方面，共聚物分子在高溫下呈伸展狀態(tài)，活性基團排列在分子側面而暴露，對Ca2+、Al3+充分螫合，全包裹吸附晶格中抑制正常水化；低溫時分子鏈蜷縮，使部分羧基被包在內側，其鰲合分散受限，緩凝能力降低[14]。即緩凝劑隨溫度的升高而伸展，達到井底高溫時處于打開的狀態(tài)，與水泥顆粒作用發(fā)揮緩凝作用；而當水泥漿返到環(huán)空一定位置時，該緩凝劑也隨溫度的降低而收縮，由完全吸附狀態(tài)過渡為部分吸附狀態(tài)。以水泥石強度為指標，對SD210緩凝劑進行了高溫寬溫帶適應性考察，見表1。

表1 SD210寬溫帶適應性試驗循環(huán)溫度/℃稠化時間/min24 h強度/MPa(養(yǎng)護溫度)水泥頂面強度/MPa(養(yǎng)護溫度×時間)11534025.0(135 ℃)14.0(65 ℃×24 h)13531226.3(150 ℃)14.5(75 ℃×24 h)15030529.5(165 ℃)16.2(75 ℃×36 h)

由表1可知：在滿足施工稠化時間要求的前提下，SD210水泥石強度發(fā)育高，水泥漿體系在115 ℃條件下稠化時間340 min、135 ℃條件下稠化時間312 min、150 ℃條件下稠化時間305 min，模擬注水泥過程攪拌以后，在24 h內養(yǎng)護凝固分別達到25.0 MPa、26.3 MPa和29.5 MPa。同時，其水泥漿柱頂部溫度較低時，最低強度可達14.0 MPa，其強度也能夠較快發(fā)展，克服了大溫差效應對高溫水泥漿體系帶來的超緩凝問題。

2.2 高溫降失水劑優(yōu)選

水泥漿失水量過大，會產生一系列的嚴重后果：使水泥漿密度顯著升高，流變性變差，水泥漿發(fā)生閃凝現(xiàn)象或橋堵，導致注水泥失敗；水泥漿濾液浸入地層引起地層損害；水泥漿發(fā)生失水失重引起層間竄通，降低封固質量。采用AM、AMPS等[15]為主要原料合成的共聚物SD130高溫降失水劑為黏稠狀的透明液體，直接混入水中使用，其加量一般為水泥質量的2%～5%，漿體穩(wěn)定性好，無自由水，隨著其加量增加，漿體稍微增稠，加入適量分散劑配合使用可保證水泥漿具有良好的流變性。圖2(a)為SD130聚合物降失水劑在120 ℃條件下的API失水評價結果。由圖2(a)可看出，隨著SD130加量增加，失水量逐漸降低，當其加量超過3%(w)以后，能夠控制水泥漿的失水量在100 mL以內，隨著其加量的進一步增加，失水量的降低幅度變小。圖2(b)為該降失水劑在加量4%(w)時，失水量隨溫度的變化情況。圖2(b)表明，降失水劑有很寬的溫度適應性，在135 ℃時，仍然能夠有效地發(fā)揮其降失水的性能。

由于該聚合物分子結構引入AMPS基團，起到了抑制丙稀酰胺-CONH2基團水解的作用，提高了共聚物的穩(wěn)定性，相對減弱了降失水劑的緩凝作用。圖3為溫度110 ℃時不同密度條件下水泥漿的API失水量測試結果。由圖3可知，當水泥漿密度在2.10～2.50 g/cm3范圍內變化時，相同加量的SD130降失水劑的API失水量幾乎保持不變，能有效滿足工程作業(yè)需求。

3 高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系

通過室內實驗，形成了以SD210、SD130、SD35與加重劑為主體，密度2.00～2.50 g/cm3、溫度60～135 ℃的水泥漿體系配方，具體的配方如表2所示。

表2 高密度大溫差防竄水泥漿配方密度/(g·cm-3)溫度/℃G級/gw(鐵礦粉)/%w(硅粉)/%w(SD130)/%w(SD210)/%w(SD35)/%液固比2.001151002031.60.50.362.001351002042.40.50.362.10115100502031.60.50.342.10135100502042.40.50.342.20115100502031.610.322.20135100502042.410.322.301151001302031.610.312.301351001302042.410.312.401151001302031.610.282.401351001302042.410.282.501151001802031.610.252.501351001802042.410.25

3.1 水泥漿工程性能評價

(1) 沉降穩(wěn)定性評價。高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系以磁鐵礦粉為加重劑，穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在水泥漿上、下密度的差異。為考察水泥漿沉降穩(wěn)定性，將部分配方水泥漿靜置觀察后，測量其上下密度差，測試結果如圖4所示。由圖4可知，該水泥漿體系有較好的穩(wěn)定性，頂部和下部密度差均小于0.020 g/cm3，良好的沉降穩(wěn)定性防止了上部水泥環(huán)膠結疏松，強度下降，有助于提高固井質量。

(2) 水泥漿常規(guī)性能評價。在室內按照API操作規(guī)范對以上配方進行了水泥漿常規(guī)性能測試，得到高密度大溫差水泥漿體系常規(guī)性能，測試結果如圖5所示。由圖5可知：水泥漿體系兼顧了穩(wěn)定性與流變性，黏度切力低，流動度均在20～23 cm，游離液較小，穩(wěn)定性良好；水泥漿體系能有效控制失水。115 ℃和135 ℃條件下API失水量均小于70 mL，有利于保護油氣層。

(3) 水泥漿稠化時間與抗壓強度性能評價。稠化時間和抗壓強度是高密度大溫差水泥漿體系的主要矛盾，是大溫差最本質的問題。通過實驗考察了這兩方面的性能，結果如圖6所示。由圖6可知：水泥石在高溫(135 ℃和110 ℃)條件下養(yǎng)護48 h的強度均大于14.0 MPa，低溫下(75 ℃)養(yǎng)護48 h的抗壓強度達到了8.0 MPa以上；當循環(huán)溫度為135 ℃時保持400 min左右，能夠有效解決水泥石頂部出現(xiàn)超緩凝的問題。

表3給出了水泥石經高溫過渡到低溫后的強度結果。由表3可知：優(yōu)選出的緩凝劑對水泥石的強度發(fā)展無不良影響，24 h強度高，能夠滿足工程的要求；在稠化時間滿足施工要求的前提下，水泥漿柱頂部溫度較低時，其強度也能夠較快發(fā)展，克服了大溫差效應對高溫水泥漿體系帶來的超緩凝的問題，可以解決長封固段頂部水泥漿長期不凝的固井質量難題。

表3 由高溫過渡到低溫后的水泥石強度循環(huán)溫度/℃稠化時間/min底部強度/MPa頂部強度/MPa11044326.5(133 ℃×24 h)20(70 ℃×24 h)13036832.4(154 ℃×24 h)20(75 ℃×45 h)15034835.2(175 ℃×24 h)20(80 ℃×24 h)

3.2 水泥漿防竄性能評價

大量的生產實踐及研究表明，造成油、氣、水竄的主要原因是水泥漿在凝結過程中，其液柱壓力不斷降低(即水泥漿失重)。當作用于井筒內的漿柱(泥漿和水泥漿)壓力逐漸降到低于油、氣、水層壓力的某一時刻，油、氣、水就會侵入環(huán)形空間，造成油、氣、水的竄流和井口冒油、冒氣。

根據(jù)水泥漿失重規(guī)律，對2.30 g/cm3水泥漿，當漿柱壓力當量密度降至1.90、1.45、1.00時，分別進行氣侵實驗。由實驗得到正常密度和水泥漿氣侵數(shù)據(jù)，表4是將水泥漿氣侵數(shù)據(jù)轉化為壓力當量密度進行抗氣侵的能力比較。

分析表4可知：

(1) 大溫差防竄水泥漿體系都有較強的防竄能力。在保證水泥漿膠結良好的情況下，地層壓力梯度小于2.0，不會發(fā)生氣竄。

(2) 大溫差防竄水泥漿體系在不同的靜置時刻，其氣侵壓力當量密度都大于漿柱的原始壓力當量密度，并且隨著水泥漿的膠凝強度的發(fā)展，氣侵壓力當量密度明顯增大，說明水泥漿的膠凝強度愈大，抗氣侵能力也愈大。

(3) 不同配方的水泥漿抗氣侵能力是不相同的，當水泥漿柱壓力降至水柱高度壓力時，其抗氣侵的強弱與水泥漿稠度從40 BC變化至100 BC的時間長短有關，稠度變化快，其抗氣侵能力相對較強，反之則較弱。由此說明，水泥漿稠度從40 BC變化至100 BC的時間長短也可反映水泥漿的膠凝強度發(fā)展快慢。

表4 不同溫度下的水泥漿柱在不同壓力當量密度時刻的氣侵壓力當量密度和稠化時間氣侵時刻數(shù)據(jù)水泥漿大溫差防竄水泥漿體系/MPa不同溫度氣侵壓力當量密度樣品1樣品2樣品395 ℃108 ℃120 ℃漿柱當量密度1.90p10.033 00.032 50.032 0p20.022 00.023 00.023 0Δp0.011 00.009 50.009 0p30.018 60.018 60.018 63.303.253.20漿柱當量密度1.45p10.037 50.036 00.034 5p20.023 00.022 50.022 0Δp0.014 50.013 50.012 5p30.014 20.014 20.014 23.753.603.45漿柱當量密度1.0p10.072 00.068 00.062 0p20.034 50.035 00.032 0Δp0.037 50.033 00.030 0p30.100 00.100 00.100 07.206.806.2040～100 BC稠化時間/min212629

(4) 氣侵的實驗結果說明，大溫差防竄水泥漿體系穩(wěn)定性較好，不存在自由水分離而形成氣侵的通道。

4 現(xiàn)場應用

利用該研究成果在磨溪-高石梯工區(qū)的大斜度井、水平井中的177.8 mm尾管和127 mm的尾管固井中開展了11口井的現(xiàn)場試驗。表5給出了試驗井的基本情況，圖7給出了試驗井的聲幅測井質量統(tǒng)計結果。

表5 試驗井情況簡表井號套管/mm深度/m溫度/℃水泥漿密度/(g·cm-3)磨溪009-X2127.05 4251421.90磨溪009-3-X1127.05 4701351.90磨溪009-X6127.05 2001411.90磨溪008-X16177.84 9681302.25磨溪008-11-X1127.05 6501351.90高石001-H2177.85 1881392.25磨溪008-20-H2177.85 8301352.35高石001-X1177.85 1051382.25磨溪008-7-X2177.84 8151312.30磨溪008-18-X1177.84 7781272.32磨溪009-4-X2177.84 8551292.40

由表5和圖7分析可知：現(xiàn)場試驗中固井最深5 188 m，最長尾管封固段長2 823 m，最高井底溫度達到142 ℃，最高水泥漿密度達到2.40 g/cm3；聲幅測井質量平均合格率83.7 %，平均優(yōu)質率48.9%；與應用前相比，固井質量評價優(yōu)良率提高約30%，評價合格率提高超過50%；固井后無一口井發(fā)生喇叭口氣竄或氣測異?！，F(xiàn)場試驗表明，高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系能夠顯著提高磨溪-高石梯工區(qū)的尾管封固質量。

5 結論

(1) 在前期開發(fā)形成的大溫差水泥漿體系基礎上，以水泥石強度為指標，對SD210緩凝劑進行了高溫寬溫帶適應性考察；研究共聚物高溫降失水劑SD130的加量和隨溫度的變化情況，優(yōu)化高密度大溫差防竄水泥漿體系早期強度及防竄性能。

(2) SD210水泥漿體系在高溫165 ℃養(yǎng)護24 h和低溫65 ℃養(yǎng)護24 h的抗壓強度分別達到29.5 MPa和14.0 MPa以上，克服了大溫差效應對高溫水泥漿體系帶來的超緩凝的問題；SD130降失水劑具有很寬的溫度和密度適應性，加量(w)超過3%以后，能夠控制水泥漿的失水量在100 mL以內；在大溫差下水泥漿體系在保證水泥漿膠結良好的情況下(地層壓力梯度小于2.0)，能有效防止氣竄發(fā)生，具有良好的抗溫穩(wěn)定性和防竄性能。

(3) 現(xiàn)場應用高溫大溫差防氣竄水泥漿體系后，固井質量優(yōu)良率提高約30%，評價合格率提高超過50%，固井后無一口井發(fā)生氣竄或氣測異常。高溫高密度大溫差防竄水泥漿體系能夠顯著提高磨溪-高石梯工區(qū)的尾管封固質量，為龍王廟氣田的安全經濟高效開發(fā)提供保障。