吳柏志，張懷兵

（1.中石化中原石油工程有限公司，河南濮陽457001；2.中石化中原石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒841000）

滿深1井位于新疆沙雅縣境內(nèi)，是塔里木油田部署在塔河南岸勘探新區(qū)的一口重點(diǎn)探井，目的層為距今4.4億年的古老海相碳酸鹽巖地層，埋深近8000.00m[1]。該井的井身結(jié)構(gòu)：一開，采用φ444.5mm鉆頭鉆至井深 1498.00m，φ365.4mm 套管下至井深1498.00m；二開，采用φ333.4mm 鉆頭鉆至井深5209.50m，φ273.1mm 套管下至井深 5209.50m；三開，采用 φ241.3mm 鉆頭鉆至井深 7509.50m，φ196.9mm套管下至井深 4700.00～7509.50m；四開，采用φ168.3mm 鉆頭鉆至井深 7665.60m，裸眼完井[2]。三開鉆遇的志留系、奧陶系為破碎地層，鉆進(jìn)中灰色泥巖剝落掉塊嚴(yán)重，造成井眼不規(guī)則、存在多段大肚子井眼，嚴(yán)重影響固井時(shí)的頂替效率[3]。多口鄰井三開下套管、固井期間發(fā)生漏失，后期作業(yè)中環(huán)空氣竄等問題頻發(fā)，加上目的層一間房組油氣顯示活躍，井筒壓穩(wěn)和地層防漏矛盾突出，固井質(zhì)量難以滿足奧陶系生產(chǎn)套管管鞋及以上井段連續(xù)膠結(jié)優(yōu)質(zhì)水泥環(huán)長度不少于25.00m的設(shè)計(jì)要求。針對以上技術(shù)難點(diǎn)，采用了具有良好防氣竄能力，遇油氣可自動(dòng)修復(fù)微裂縫，并具備二次發(fā)育能力的自愈合水泥漿。針對該井的具體情況，在根據(jù)地質(zhì)和工程 “一體化”[4]準(zhǔn)確判斷漏層位置的基礎(chǔ)上，采用了正注反擠固井工藝，確保了奧陶系下部地層以及志留系地層和套管重疊段的有效封固，解決了環(huán)空帶壓難題，保證了下一開次鉆進(jìn)和完井試油工序的正常進(jìn)行。

1 尾管固井技術(shù)難點(diǎn)

滿深1井三開采用φ241.3mm鉆頭鉆至井深7509.50m，下入 φ196.9mm 尾管進(jìn)行尾管固井作業(yè)，尾管懸掛器位于井深4904.70m處。三開鉆進(jìn)中因井眼失穩(wěn)，造成回填側(cè)鉆；該井為定向井，井斜角較大，尾管難以居中[5]；而且，鄰井三開在下套管、固井期間均發(fā)生不同程度的漏失，井漏風(fēng)險(xiǎn)高。

1）該井三開在鉆進(jìn)奧陶系桑塔木組7392.50～7480.60m井段時(shí)井下情況十分復(fù)雜，由于地層破碎，井眼因應(yīng)力釋放而出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌，且亞微米級裂縫對鉆井液濾液敏感性強(qiáng)，剝落掉塊一直存在，上提下放阻卡嚴(yán)重，距井底30.00m長井段的劃眼時(shí)間長達(dá) 2d，在鉆至井深 7480.60m 時(shí)發(fā)生斷鉆具事故，因打撈困難回填側(cè)鉆，側(cè)鉆時(shí)使用高性能防塌水基鉆井液順利鉆至井深7509.50m中完。由于未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測井，無井徑數(shù)據(jù)，無法量化判斷井身質(zhì)量，但從側(cè)鉆前后的掉塊情況可以定性判斷，該井段井徑擴(kuò)大率大、井眼不規(guī)則。

2）井斜角較大，套管居中度難以保障。該井回填后于井深 7150.00m 定向鉆進(jìn)，鉆至井深 7509.50m中完時(shí)，井斜角達(dá)到40.4°，雖然下入尾管時(shí)加入了套管扶正器，但套管與井壁環(huán)空間隙不均勻，水泥漿上返及替漿質(zhì)量難以保障，影響頂替效率。

3）地層承壓能力低，固井漏失風(fēng)險(xiǎn)高。鄰井富源210H井三開進(jìn)入一間房組4.00m，鉆至井深7446.00m 中完時(shí)，鉆井液密度為 1.28kg/L，三開固井水泥漿密度1.88～1.90kg/L，固井及替漿期間發(fā)生漏失，漏失量達(dá)150.6m3；鄰井果勒1井三開使用密度1.48kg/L的鉆井液鉆進(jìn)，中完通井時(shí)發(fā)生漏失，后將鉆井密度降至1.46kg/L進(jìn)行中完作業(yè)。滿深1井中完時(shí)鉆井液密度1.44kg/L，結(jié)合鄰井資料可判斷，該井固井時(shí)的井漏風(fēng)險(xiǎn)相對較高。

4）奧陶系一間房組孔隙發(fā)育，屬中高孔隙度、中高滲儲層，且地層壓力系數(shù)較小，在水泥漿失重前水泥漿靜液柱壓力遠(yuǎn)高于地層壓力，易發(fā)生滲透性漏失，在第二界面產(chǎn)生微間隙，引起膠結(jié)質(zhì)量下降和層間竄流，影響固井質(zhì)量。

5）試油及后期儲層改造時(shí)套管內(nèi)壓力變化大，目的層套管與水泥環(huán)承受應(yīng)力變化大，對水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量、力學(xué)性能和其長期完整性要求高[6]。

2 自愈合水泥漿配方確定及性能評價(jià)

為保證滿深1井四開鉆進(jìn)和后期開發(fā)的需求，要求水泥環(huán)遇油氣后能自修復(fù)因壓裂形成的裂縫，保證井筒的完整性，進(jìn)而使井筒的生命周期達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了確保尾管固井施工安全，要求水泥漿具有以下性能：1）領(lǐng)漿，封固 4710.00～6627.00m井段，密度 1.88kg/L，流動(dòng)度 20～23cm，稠化時(shí)間360～420min，濾失量不高于 50mL，游離液量為 0，頂部 48h 抗壓強(qiáng)度不低于 7.0MPa。2）尾漿，封固6627.00～7627.00m 井段，密度 1.88kg/L，流動(dòng)度20～23cm，稠化時(shí)間 200～240min，濾失量不高于50mL，游離液量為 0，底部 48h 抗壓強(qiáng)度不低于7.0MPa。

國內(nèi)外有不少遇油氣具有自愈合性能的自愈合劑，考慮成本等因素采用自愈合劑BCY-200S[7]配制自愈合水泥漿。

2.1 自愈合劑的作用機(jī)理

自愈合水泥漿是在水泥漿中加入自愈合劑，當(dāng)水泥環(huán)產(chǎn)生微裂縫和微間隙時(shí)，油氣會沿微裂縫或微間隙竄流而激活自愈合劑，自愈合劑的體積發(fā)生膨脹，體積膨脹后的自愈合劑可以對微裂縫進(jìn)行封堵，由此實(shí)現(xiàn)固井水泥環(huán)微裂縫的自修復(fù)，從而抑制油氣竄流[8]。

圖1 自愈合劑 BCY-200S 的作用機(jī)理Fig.1 Mechanism of action of self-healing agent BCY-200S

自愈合劑BCY-200S采用刺激響應(yīng)型聚合物技術(shù)，通過在聚合物分子中引入具有特殊功能的基團(tuán)、優(yōu)化聚合工藝和結(jié)構(gòu)聚合而成，是一種智能響應(yīng)型自愈合劑，通過吸收竄流流體中的油氣而產(chǎn)生膨脹，進(jìn)而修復(fù)水泥環(huán)中的裂縫和竄流通道，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，其作用機(jī)理如圖1所示。

2.2 自愈合性能評價(jià)

因滿深1井井深達(dá)7509.50m，井底溫度超過110℃，因此需要在水泥漿中加入硅粉，以防止水泥石強(qiáng)度在高溫下發(fā)生衰退。分別在加有35%硅粉的水泥漿中加入5%和10%的自愈合劑BCY-200S，將其密度調(diào)至1.87kg/L，并將其形成的水泥石在142℃×20.7MPa 條件下養(yǎng)護(hù) 48h 后，測其抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比，結(jié)果見表1。

表1 加入自愈合劑 BCY-200S 水泥石的力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of consolidated cement with BCY-200S

由表1可知，加入和未加入自愈合劑BCY-200S水泥石的抗壓強(qiáng)度均大于14MPa，均滿足固井質(zhì)量要求，但加入5%和10%自愈合劑BCY-200S水泥石的彈性模量均降低58%以上，泊松比均增大11%以上，說明加入自愈合劑BCY-200S的水泥石具有一定的彈塑性，在外力作用下能產(chǎn)生可恢復(fù)的變形。

將養(yǎng)護(hù)好的含有和不含有自愈合劑BCY-200S的水泥石進(jìn)行人工造縫，裝入密封裝置內(nèi)，在底部通清水和原油，測量清水和原油通過水泥石的流量，結(jié)果見圖2。

圖2 清水和原油通過不同水泥石的流量Fig.2 Flow rate of clear water and crude oil passing through different cement stones

從圖2可以看出：自愈合劑對水沒有明顯的反應(yīng)，而輕質(zhì)原油在加入自愈合劑水泥石中產(chǎn)生滲流時(shí)，自愈合劑可以膨脹封堵微裂縫，阻止?jié)B流[9]；加入5%自愈合劑水泥石的滲流持續(xù)約12min后停止，說明加入5%自愈合劑就能有效封堵微裂縫。結(jié)合力學(xué)性能評價(jià)結(jié)果（見表1）可判定，加入5%自愈合劑就可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 自愈合水泥漿配方及性能評價(jià)

自愈合水泥漿基礎(chǔ)配方為G級水泥+5%自愈合劑BCY-200S+35%硅粉+40%水。結(jié)合滿深1井固井設(shè)計(jì)要求，需要控制水泥漿的濾失量、加強(qiáng)防氣竄能力，有效控制水泥漿的稠化時(shí)間，改善其流動(dòng)性和可泵性。因此，加入降濾失劑BCG-200L、減阻劑BCD-210L、緩凝劑BXR-200L、消泡劑G603等水泥添加劑，設(shè)計(jì)不同配方的自愈合水泥漿，通過評價(jià)其性能，確定適用于滿深1井三開固井的自愈合水泥漿配方。

1）降濾失劑BCG-200L是一種三元共聚物，其抗鹽耐溫性能好，降濾失能力強(qiáng)[10]。由BCG-200L組成的基體抗侵水泥漿具有輕微的觸變性和較高的內(nèi)聚力，能夠有效提高水泥漿基體防止地層流體竄流的能力[11]；同時(shí)其自身的微膨脹性可避免水泥石因體積收縮導(dǎo)致第一、二膠結(jié)界面出現(xiàn)微縫隙，從而防止地層流體在水泥環(huán)中的竄流。

2）減阻劑BCD-210L是一種聚合物類油井水泥減阻劑，與水泥外摻料和水泥添加劑均具有良好的配伍性，具有良好的分散減阻效果，可明顯提高水泥漿的流動(dòng)性，改善水泥漿的流性和動(dòng)切力，降低水泥漿的稠度[12]。

3）緩凝劑BXR-200L是一種小分子有機(jī)物類中高溫緩凝劑，具有良好的緩凝效果，與其他水泥添加劑的配伍性良好，稠化時(shí)間與其加量具有良好的線性關(guān)系，對水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展影響較小[10]。

4）消泡劑G603具有較強(qiáng)的消泡能力和抑泡能力，能有效消除高分子聚合物、表面活性劑產(chǎn)生的泡沫。

根據(jù)所用水泥添加劑的推薦加量，初步設(shè)計(jì)了8種自愈合水泥漿配方：

配方1為G級水泥+35.00%硅粉+5.00%BCY-200S+2.00%BCG-200L+0.30%BXR-200L+0.05%G603+51.50% 水；

配方2為G級水泥+35.00%硅粉+5.00%BCY-200S+3.00%BCG-200L+2.00%BCD-210L+0.30%BXR-200L+0.05%G603+51.50%水；

配方3為G級水泥+35.00%硅粉+5.00%BCY-200S+3.00%BCG-200L+3.00%BCD-210L+0.50%BXR-200L+0.05%G603+51.50%水；

配方4為G級水泥+35.00%硅粉+5.00%BCY-200S+5.00%BCG-200L+3.00%BCD-210L+0.50%BXR-200L+0.05%G603+51.50%水；

配方5為G級水泥+35.00%硅粉+5.00%BCY-200S+5.00%BCG-200L+3.00%BCD-210L+0.30%BXR-200L+0.05%G603+51.50%水；

配方6為G級水泥+35.00%硅粉+5.00%BCY-200S+5.00%BCG-200L+2.00%BCD-210L+0.10%BXR-200L+0.05%G603+52.00%水；

配方7為G級水泥+35.0%硅粉+5.0%BCY-200S+5.0%BCG-200L+3.0%BCD-210L+0.5%BXR-200L+0.5%G603+49.5%水；

配方8為G級水泥+35.00%硅粉+5.50%BCG-200L+5.00%BCY-200S+2.00%BCD-210L+0.10%BXR-200L+0.05%G603+50.00%水。

評價(jià)了8種配方自愈合水泥漿的性能，結(jié)果見表2。

表2 不同配方自愈合水泥漿的性能Table2 Performance of self-healing cement slurries with different formulas

由表2可知：不加減阻劑BCD-210L，水泥漿的流動(dòng)性太差不易泵送，減阻劑BCD-210L的加量為3%～5%時(shí)，水泥漿的流動(dòng)性較為合適；緩凝劑BXR-200L加量在0.1%～0.5%時(shí)，可將水泥漿的稠化時(shí)間控制在118～410min，滿足領(lǐng)漿和尾漿對稠化時(shí)間的要求；降濾失劑BCG-200L加量在3%～5%時(shí)，可將水泥漿的濾失量控制在50mL以內(nèi)；8種配方自愈合水泥漿靜置上下無密度差，沉降穩(wěn)定好，流動(dòng)度可大于22cm，抗壓強(qiáng)度均大于14MPa，稠化過渡時(shí)間短（小于15min）、防竄性能優(yōu)良（防竄系數(shù)小于3），彈性模量小于8GPa，表現(xiàn)出彈性水泥的特點(diǎn)，水泥環(huán)徑向抗變形能力高，可降低由內(nèi)壓增大擠壓水泥環(huán)帶來的損傷風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮8種配方水泥漿的性能和配方7、配方8所形成水泥石的自愈合時(shí)間（不長于12min），以配方7為領(lǐng)漿、配方8為尾漿能夠滿足該井三開固井要求。

2.4 固井技術(shù)措施

針對水泥漿上返及替漿質(zhì)量難以保障，影響頂替效率，同時(shí)漏失風(fēng)險(xiǎn)大的技術(shù)難點(diǎn)，優(yōu)化了固井工藝。下入φ196.9mm尾管進(jìn)行尾管固井施工，尾管下至井深 7509.50m，雙凝界面在井深6500.00m處，尾管懸掛器位于井深4905.60m，封固井段為4705.60～7509.50m，與上層套管重合段 4905.60～5209.50m。如果下尾管、循環(huán)期間沒有發(fā)生漏失，采用尾管固井工藝、一次注水泥方案，封固井段為4705.60～7509.50m，水泥漿密度 1.88kg/L；如果下尾管、循環(huán)或固井過程中發(fā)生漏失，根據(jù)漏失泵壓判斷是否是井底一間組漏失，如果泵壓高于10.0MPa，說明漏失位置在上部志留系，則以志留系底為目標(biāo)，進(jìn)行反擠水泥作業(yè)，以確保水泥環(huán)有效對接。

2.4.1 提高頂替效率措施

為提高頂替效率和驅(qū)替效果，改善界面的膠結(jié)質(zhì)量，選用抗高溫堵漏型前置液，采用高效沖洗液+隔離液，前置液環(huán)空占高 1000.00m，接觸時(shí)間大于20min，以提高沖洗效率、降低漏失風(fēng)險(xiǎn)。提高鉆井液黏度并加入纖維進(jìn)行洗井，纖維分散在鉆井液中，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以更好地清潔井眼[14]。

在井下條件受限的情況下，優(yōu)化頂替工藝，采用前置液紊流頂替、部分尾漿塞流頂替的復(fù)合頂替模式，在防漏的前提下有效提高水泥漿頂替效率。

2.4.2 “三級固井” 工藝優(yōu)化

提高動(dòng)態(tài)、靜態(tài)承壓能力，以避免在固井過程中發(fā)生漏失。對于承壓能力低的井，采用 “正注反擠” 工藝，從套管頭進(jìn)行反擠水泥作業(yè)。

模擬固井時(shí)液柱壓力和循環(huán)摩阻，進(jìn)行地層承壓試驗(yàn)。如承壓能力滿足要求，則按常規(guī)固井工藝進(jìn)行固井施工；如地層承壓能力低，堵漏困難，采用水泥漿定位技術(shù)，應(yīng)用 “正注反擠” 工藝進(jìn)行雙級固井，完畢后從套管頭進(jìn)行反擠水泥作業(yè)，形成 “三級固井” ，以最大程度地縮短承壓堵漏時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)有效對接，滿足井筒完整性要求。

3 現(xiàn)場施工

根據(jù)不同配方自愈合水泥漿性能評價(jià)結(jié)果，結(jié)合滿深1井三開固井要求，以配方7為領(lǐng)漿、配方8為尾漿（主要性能見表3）進(jìn)行現(xiàn)場施工，尾漿封固 7509.50～6500.00m 井段，領(lǐng)漿封固 6500.00～4700.00m 井段。尾管內(nèi)留 227.00m 水泥塞，懸掛器頂部留200.00m上水泥塞。

表3 滿深 1 井三開自愈合水泥漿的性能Table3 Performance of self-healing cement slurries in the third spud of the Well Manshen1

圖3和圖4為滿深1井三開固井所用領(lǐng)漿和尾漿的稠化曲線。由圖3和圖4及表3可知，領(lǐng)漿和尾漿的流動(dòng)性好，能夠降低頂替過程中的循環(huán)摩阻和上部發(fā)生漏失的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)尾漿具有一定的滲流阻力，可防止候凝期間水泥漿滲漏；領(lǐng)漿和尾漿具有較強(qiáng)的內(nèi)聚力，防竄系數(shù)小于3，靜膠凝過渡時(shí)間短（尾漿水泥漿靜膠凝過渡時(shí)間10min），可避免層間發(fā)生竄流，提高隔層段的封固質(zhì)量。

圖3 領(lǐng)漿的稠化曲線Fig.3 Thickening curve of the lead slurry

圖4 尾漿的稠化曲線Fig.4 Thickening curve of the tail slurry

下尾管固井前，采用雙穩(wěn)定器通井鉆具組合進(jìn)行通井。使用φ127.0mm非標(biāo)準(zhǔn)鉆桿送入尾管，尾管總長 2606.60m，下至井深 4803.00m，控制立壓小于5MPa循環(huán)2h，尾管下至井底后頂通循環(huán)。

尾管管柱組合為φ196.9mm浮鞋+變扣短套管+φ196.9mm 套管×10 根+變扣短套管+φ196.9mm浮箍+變扣短套管+φ196.9mm 套管×10 根+變扣短套管+φ196.9mm 球座+變扣短套管+φ196.9mm 套管×218根+尾管懸掛器總成+密封短節(jié)+回接筒+送入工具+511×410+411×NC52T+φ127.0mm 非標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，浮鞋下至井深7509.50m，浮箍下至井深7395.60m，球座下至井深 7282.20m，喇叭口位于井深 4905.60m。

下入尾管后，頂通循環(huán)鉆井液，頂通壓力7.5MPa，循環(huán) 11h 后投球，投球后逐級加壓至 16.0MPa，懸掛器坐掛成功，加壓至25.0MPa憋通球座，下放懸重至 1650kN，正轉(zhuǎn) 45 圈，成功丟手尾管懸掛器，注入 20m3膨潤土漿。

固井管線試壓（30MPa）合格后，注入密度 1.03kg/L的前置液 15m3、密度 1.86～1.88kg/L 的領(lǐng)漿 41m3、密度 1.86～1.88kg/L 的尾漿 27m3。投鉆桿膠塞，替入密度 1.45kg/L 的鉆井液 98m3，最高泵壓 12.0MPa，未碰壓，泄壓無回流，漏失鉆井液101m3。

將送入管柱起至井深4406.00m，進(jìn)行反擠作業(yè)。試擠密度 1.45kg/L 的鉆井液 10m3，排量 26L/s，立壓 17.0～19.5MPa，套壓 9.8MPa；注入 20m3前置液，排量 20L/s，泵壓 9MPa；注入密度 1.86～1.88kg/L的水泥漿 25m3，排量 20L/s，泵壓 7～9MPa；注入密度 1.03kg/L 的后置隔離液 10m3（注入 3.4m3時(shí)關(guān)井）；正擠密度 1.45kg/L 的鉆井液 35.4m3，排量30L/s，立壓 24.0MPa，套壓 11.5MPa；反擠密度1.45kg/L 的鉆井液 11.8m3，排量 42L/s，立壓 7.7MPa，套壓 8.8MPa。停泵觀察，立壓 2.7MPa，套壓 1.5MPa。關(guān)井憋壓候凝，套壓 14.96MPa，候凝 57h 后逐步泄壓至0，開井觀察出口正常。

起鉆下入φ241.3mm牙輪鉆頭進(jìn)行探塞掃塞作業(yè)，水泥塞位于井深4727.00m，實(shí)鉆喇叭口位于井深 4906.60m，喇叭口試壓 20MPa，穩(wěn)壓 30min，壓降為0。下入φ168.3mm牙輪鉆頭探下塞至井深7283.80m 遇阻 50kN（球座位于 7283.80m），掃塞至井深 7489.00m，尾管試壓至 20MPa，穩(wěn)壓30min，壓降為 0.49MPa，合格。

該次固井封固地層油氣顯示活躍，防竄難度大，利用自愈合水泥漿成功封固了有效產(chǎn)層，在后期作業(yè)中也未出現(xiàn)環(huán)空氣竄現(xiàn)象。用φ10.0mm油嘴求產(chǎn)，日產(chǎn)原油 624m3、天然氣 37.1×104m3。

4 結(jié) 論

1）選用的自愈合劑與常用水泥添加劑配伍性好，形成的自愈合水泥漿綜合性能良好，濾失量小于 50mL，抗壓強(qiáng)度大于 14MPa，稠化時(shí)間可調(diào)，具有良好的力學(xué)性能，彈性模量小于8GPa。

2）自愈合水泥漿漿可以減少地下流體（油、氣、水）層間竄流，增強(qiáng)水泥環(huán)的封隔作用，提高固井質(zhì)量，可以大幅縮短完井周期，延長油氣井壽命。

3）根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層特征、鉆井過程中的漏失情況及固井過程中的漏失泵壓，判斷漏層位置，可為反擠水泥作業(yè)提供依據(jù)。

4）滿深1井三開成功封堵氣層，未出現(xiàn)環(huán)空氣竄現(xiàn)象，表明可利用自愈合水泥漿解決高壓油氣井環(huán)空帶壓及層間竄流的問題。