劉鈺龍，劉小利，唐 凱

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710021）

Parahuacu增產(chǎn)項(xiàng)目是中油油服成立以來簽訂的第一個油田增產(chǎn)一體化服務(wù)項(xiàng)目，該項(xiàng)目是厄瓜多爾國家石油公司在資金匱乏的情況下，和中國石油公司以新的合作模式進(jìn)行的嘗試。Parahuacu油田已有40余年的開發(fā)歷史，已進(jìn)入開發(fā)的中后期，主力油藏為NAPO組U、T層砂巖，油層孔隙度和滲透率高，經(jīng)過長期的注采開發(fā)，油層能量衰竭嚴(yán)重，地層壓力系數(shù)低，油水關(guān)系復(fù)雜。該油田采用三開井身結(jié)構(gòu)，?406.4 mm鉆頭下?339.7 mm表層套管到垂深1 800 m左右，?311.2 mm鉆頭下?244.5 mm技術(shù)套管到垂深2 700 m左右，?215.9 mm鉆頭下? 177.8 mm尾管到垂深3 000 m左右，尾管環(huán)空間隙僅19.05 mm，鉆井液采用保護(hù)儲層的DRILL-IN低傷害水基鉆井液，密度為1.05 g/cm3，黏度為40～50 s，塑性黏度為20 mPa·s左右，動切力為25 Pa左右。針對尾管固井對油層封固質(zhì)量和油層孔隙低傷害的雙重要求，通過研究固井對儲層傷害機(jī)理、水泥漿防水竄機(jī)理及前置液界面增強(qiáng)機(jī)理等，優(yōu)選了低密度減輕材料HGS6000、低密度懸浮穩(wěn)定劑BCJ-310S、界面增強(qiáng)劑SS-5L，形成了低傷害防竄水泥漿體系、復(fù)合酸性界面增強(qiáng)前置液體系及配套工藝技術(shù)，解決了低密度水泥漿強(qiáng)度低穩(wěn)定性差、水泥漿污染儲層、水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度低等問題。

1 固井對儲層傷害機(jī)理

1.1 固井質(zhì)量對儲層的影響

固井質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)是環(huán)空封固質(zhì)量，環(huán)空封固質(zhì)量不好會產(chǎn)生以下后果：①不同壓力系統(tǒng)的油氣水層相互干擾和竄流，易引發(fā)油氣層中潛在損害因素，如形成有機(jī)垢、無機(jī)垢、發(fā)生水鎖作用，從而對投產(chǎn)的油氣層產(chǎn)生損害，影響產(chǎn)量；②會使油氣上竄至非產(chǎn)層，引起油氣資源損失；③投產(chǎn)后原油含水率高，甚至出現(xiàn)只出水不出油的現(xiàn)象［1-3］。

1.2 水泥漿對儲層孔隙的傷害

水泥漿對儲層的傷害機(jī)理可以歸納為以下三個方面：①水泥漿中的固相顆粒堵塞油氣層孔隙產(chǎn)生的損害，如果固井中發(fā)生漏失，則水泥漿中固相顆粒就有可能進(jìn)入油氣層深部，造成嚴(yán)重?fù)p害；②水泥漿濾液與油氣層巖石和流體作用產(chǎn)生分散運(yùn)移、結(jié)垢，發(fā)生水鎖作用與乳化堵塞，以及濾液中表面活性物質(zhì)可能使巖石發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)等引起的損害；③水泥漿中無機(jī)鹽結(jié)晶沉淀對油氣層的損害，降低油氣層滲透率［1-3］。

2 低傷害防竄水泥漿體系

2.1 水泥漿防水竄機(jī)理

就抑制油、水、伴生氣竄流而言，水泥漿膠凝結(jié)構(gòu)快速形成而產(chǎn)生的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力是防止環(huán)空竄流的關(guān)鍵，觸變性水泥漿能在頂替結(jié)束后增大水泥漿膠凝結(jié)構(gòu)阻力并具有一定防漏堵漏的作用。另外，水泥漿長時間凝結(jié)也會增大環(huán)空竄流的風(fēng)險，再者，水泥石收縮的固有特性會使水泥環(huán)界面膠結(jié)能力減弱，甚至形成微環(huán)隙，導(dǎo)致層間竄流的發(fā)生。因此，對于防止環(huán)空水竄，需要著重提高水泥漿的觸變早凝膨脹性能［4-8］。

2.2 低密度減輕材料和懸浮穩(wěn)定劑的優(yōu)選

常見的低密度減輕材料有漂珠、膨脹珍珠巖、粉煤灰，膨潤土等。普通低密度水泥漿由于摻入大量外摻料，水固比增大，導(dǎo)致水泥石抗壓強(qiáng)度降低，滲透率增大，水泥漿濾失量增大，部分減輕材料隨著壓力增大而破碎，導(dǎo)致井底水泥漿的實(shí)際密度增大［9］。選用3M公司生產(chǎn)的中空玻璃微珠作為低密度減輕材料，可以避免上述缺陷，該材料是一種堿石灰硼硅酸鹽，粒徑15～80μm，壁厚2～3μm，不溶于水和油，有降低黏度和改善流動度的功能，能堵塞水泥漿濾餅從而降低失水；并且其破碎壓力高，在泵送過程中不易破碎，對實(shí)際密度沒有影響，其顆粒直徑滿足正態(tài)分布，粒徑在40～80μm占50%，較漂珠、膨脹珍珠巖粒徑小，在小間隙尾管固井過程中摩阻較低且不易堵塞環(huán)空，能減少施工帶來的漏失風(fēng)險［10］。Parahuacu油田尾管固井井底壓力為30 MPa左右，考慮到成本因素選擇HGS6000作為低密度減輕材料。HGS性能見表1。

表1 3M中空玻璃微珠系列產(chǎn)品性能

由于HGS6000密度為0.46 g/cm3，水泥的密度為3.15 g/cm3，水泥漿中易出現(xiàn)HGS上浮，水泥顆粒下沉的問題，并且溫度升高后，聚合物內(nèi)降失水劑會出現(xiàn)熱稀釋現(xiàn)象，漿體穩(wěn)定性變得更差，因此，需要加入懸浮劑來提高水泥漿的穩(wěn)定性［11］。用BP管沉降法評價了三種懸浮劑的沉降穩(wěn)定性和水泥石抗壓強(qiáng)度，基礎(chǔ)配方為：G+5%HGS6000+2%BXF-200L+42%水，PAM是大聚合度聚丙烯酰胺類有機(jī)大分子，G404SP是改性纖維素類高分子，BCJ-310S是無機(jī)與有機(jī)高分子復(fù)配材料，水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度為85℃/常壓，加入懸浮劑后，在恒速攪拌器上保持相同轉(zhuǎn)速3000 r/min，低密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度評價結(jié)果見表2。

表2 懸浮劑評價結(jié)果

可以看出，BCJ-310S防沉降效果最好，并且對水泥石抗壓強(qiáng)度影響最小，分析是BCJ-310S隨溫度變化，黏度可以保持相對穩(wěn)定，并與水泥顆粒和玻璃微珠形成致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系，從而保持水泥漿的穩(wěn)定性［11］。

2.3 低傷害防竄水泥漿綜合性能

領(lǐng)漿：西班牙G級+16%HGS6000+1.3%BCJ-310S+2%BXF-200L+0.1%G603+2%EXC-13（膨 脹劑）+2%CA-13L（早強(qiáng)觸變劑）+0.35%BXR-200L+46%水，密度為1.44 g/cm3。

尾漿：西班牙G級+5%HGS6000+0.5%BCJ-310S+2%BCT-800L+2%BXF-200L+0.2%D50+0.1%G603+2%EXC-13（膨脹劑）+2% CA-13L（早強(qiáng)觸變劑）+0.27%BXR-200L+38%水，密度為1.74 g/cm3。

低傷害防竄水泥漿綜合性能見表3，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)條件為85℃/常壓，領(lǐng)漿稠化實(shí)驗(yàn)條件為65℃/30MPa/批混40 min/中停時間60 min，尾漿稠化實(shí)驗(yàn)條件為65℃/30 MPa/批混60 min。由表3可知，領(lǐng)漿、尾漿失水較低，穩(wěn)定性較好，水泥石抗壓強(qiáng)度滿足尾管固井的要求，并且水泥漿環(huán)空靜液柱壓力較低，能避免壓差過大使水泥漿中液相和固相顆粒污染儲層，另外，水泥漿稠度高、觸變性較強(qiáng)，初終凝時間及過渡時間較短，具有微膨脹效果，可以較好地防止地層流體竄流。

表3 低傷害防竄水泥漿綜合性能

3 復(fù)合酸性界面增強(qiáng)前置液體系

3.1 界面增強(qiáng)機(jī)理及界面增強(qiáng)劑的優(yōu)選

提高水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度的方法主要有兩種：①通過使用一種含活性顆粒的沖洗液沖洗膠結(jié)面，在沖刷掉殘余鉆井液的同時附著上大量活性顆粒，這些微?？梢暈轭A(yù)留的“活性楔子”，可在后期強(qiáng)化水泥水化作用，常見的活性顆粒材料主要有微硅、高爐礦渣、粉煤灰等［12-13］；②在前置液中加入硅酸鈉，它能與地層流體中的鈣離子發(fā)生反應(yīng)生成不溶性的硅酸鈣凝膠，其活化、清洗及堿性特征可以提高水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度［14］。受現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件限制，采用以下簡易方法評價了硅酸鈉、微硅、粉煤灰、SS-5L（當(dāng)?shù)夭少彽囊环N界面增強(qiáng)劑）對水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響：將靜膠凝強(qiáng)度漿杯壁上均勻涂抹上相同濃度的界面增強(qiáng)劑，然后倒入水泥漿進(jìn)行靜膠凝強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，85℃/30 MPa/24 h和85℃/30 MPa/48 h下把漿杯拆下來，在壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)上用鐵棒將水泥圓柱體頂替下來，在壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)上讀取壓力值，再除以膠結(jié)面積便可得到界面膠結(jié)強(qiáng)度值，以此值的大小作為評價界面增強(qiáng)劑效果的依據(jù)。評價方法和結(jié)果分別見圖1和表4。

圖1 界面增強(qiáng)劑評價方法

表4 界面增強(qiáng)劑評價結(jié)果

由表4可知，相比于微硅、粉煤灰、硅酸鈉，SS-5L能顯著加快水泥環(huán)界面的水化反應(yīng)速度，提高水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度，從而達(dá)到提高水泥環(huán)層間密封效果的作用。

3.2 前置液體系綜合性能

前置液體系組成見表5。

表5 前置液體系組成

3.2.1泥餅的沖洗效率

研究發(fā)現(xiàn)，井壁只要有泥餅存在，不管多薄，都會導(dǎo)致固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度下降，水泥環(huán)與井壁之間都有可能形成微間隙，給地下油、氣、水等流體提供竄流的通道［15］。采用以下方法評價泥餅的沖洗效率：將泥餅捆綁在旋轉(zhuǎn)粘度計轉(zhuǎn)筒上，計量稱重，將配置好的沖洗液、沖洗酸和沖洗液依次倒入旋轉(zhuǎn)粘度計漿杯中，在200 r/min下清洗，依次清洗2 min后計量稱重，計算清洗下來的泥餅的質(zhì)量占粘在旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)筒上總泥餅質(zhì)量的百分比，即為泥餅的沖洗效率。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到?jīng)_洗液、沖洗酸和沖洗液依次倒入的方案對泥餅的沖洗效率達(dá)到95%，相對而言，單獨(dú)的沖洗液對泥餅的沖洗效率僅為30%。圖2是沖洗液、沖洗酸和沖洗液先后沖洗泥餅的效果，圖3是沖洗液對泥餅的沖洗效果。可見圖2沖洗效果較好，分析原因是化學(xué)沖洗液先對泥餅進(jìn)行滲透和沖刷，酸性沖洗液再與泥餅中骨架顆粒CaCO3發(fā)生反應(yīng)使泥餅疏松易散，化學(xué)沖洗液最后對疏松泥餅進(jìn)行沖刷剝離。

圖3 沖洗液沖洗泥餅的效果

3.2.2界面增強(qiáng)隔離液與水泥漿的相容性實(shí)驗(yàn)

按API規(guī)范10進(jìn)行室內(nèi)流動度實(shí)驗(yàn)與污染稠化實(shí)驗(yàn)（65℃/30 MPa）見表6，可見領(lǐng)漿與界面增強(qiáng)隔離液的相容性較差，需要加上隔離液把二者隔開。

表6 室內(nèi)混合漿體污染實(shí)驗(yàn)

4 配套工藝技術(shù)

4.1 套管居中度設(shè)計

合理調(diào)整套管扶正器的加放數(shù)量和位置，提高套管居中度。利用美國PVI公司研發(fā)的居中度設(shè)計軟件CentraDesign-Centralizer Placement模擬設(shè)計扶正器安放。以PRH-X1井?177.8 mm尾管固井為例，完鉆井深3 033 m，井底垂深2 947 m，尾管段2 751～3 045 m，油層位置2 910 m～2 950 m，油層垂深2 801～2 829 m，尾管段平均井斜角26.6°，設(shè)計產(chǎn)層段每根套管加放2個整體式彈性扶正器，非產(chǎn)層段每根套管加放1個整體式彈性扶正器，套管居中度能達(dá)到85.8%。

4.2 注替參數(shù)排量設(shè)計

對于低壓高滲小間隙尾管固井而言，水泥漿難以達(dá)到紊流頂替，為了提高頂替效率，采用紊流-塞流復(fù)合頂替技術(shù)，即前置液出套管后采用紊流頂替，水泥漿出套管后采用塞流頂替。以PRH-X1井177.8 mm尾管固井為例，實(shí)驗(yàn)室利用六速黏度計測定不同流體在不同轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)，根據(jù)讀數(shù)計算出冪律流體的n，k值和賓漢流體的塑性黏度、動切力，通過環(huán)空塞流及紊流臨界排量公式［16］計算出各個流體環(huán)空塞流頂替和紊流頂替的臨界排量。根據(jù)計算，前置液出套管后排量控制在1.11～0.95 m3/min能保證前置液處于紊流狀態(tài)，水泥漿出套管后排量降至0.47～0.39 m3/min能保證水泥漿處于塞流狀態(tài)，利用固井頂替流態(tài)模擬軟件CEMPRO+-Mud Displacement模擬施工參數(shù)，得到尾管段水泥漿頂替效率達(dá)到93.75%，施工過程中低壓產(chǎn)層能滿足壓穩(wěn)防漏，模擬結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 PRH-X1頂替效率模擬

圖5 低壓產(chǎn)層靜液柱壓力變化曲線

4.3 混配工藝

現(xiàn)場施工采用批混工藝，液體化工混配好后往批混池中吹入水泥，待水泥漿形成一定懸浮能力后將不溶于水的玻璃微珠HGS6000、懸浮劑BCJ-310S、膨脹劑EXC-13加入，直到設(shè)計的密度為止。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

以上工藝技術(shù)措施在厄瓜多爾Parahuacu油田尾管固井中應(yīng)用了2井次，油層固井優(yōu)質(zhì)率100%，尾管全井段優(yōu)質(zhì)率90%，投產(chǎn)后日均增產(chǎn)原油10 m3，原油含水率下降3%，顯示了良好的應(yīng)用效果。

以PRH-X1井為例，下套管結(jié)束后，循環(huán)2周，接旋轉(zhuǎn)水泥頭，批混領(lǐng)漿、尾漿，注入4.77 m3密度為1.03 g/cm3的沖洗液，注入4.77 m3密度為1.03 g/cm3的沖洗酸，注入3.18 m3密度為1.03 g/cm3的沖洗液，注入4.77m3密度為1.32 g/cm3的界面增強(qiáng)隔離液，注入3.18 m3密度為1.32 g/cm3的隔離液，注入3.98 m3密度為1.44 g/cm3的領(lǐng)漿，注入5.25 m3密度為1.74 g/cm3的尾漿，釋放鉆桿膠塞，用水泥車頂替密度為1.10 g/cm3的鉆井液41 m3，碰壓，放回水，執(zhí)行坐掛程序，起鉆循環(huán)，施工結(jié)束。固井施工結(jié)束后采用CAST超聲波成像測井評價固井質(zhì)量，油層段固井優(yōu)質(zhì)率100%，尾管全井段固井優(yōu)質(zhì)率98%。

6 結(jié)論

（1）優(yōu)選的HGS6000中空玻璃微珠具有摩阻低、泵送過程中不易破碎且形成的水泥石抗壓強(qiáng)度高的特征，能滿足Parahuacu油田尾管固井的要求。

（2）用靜膠凝強(qiáng)度漿杯和壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)評價界面增強(qiáng)劑，該評價方法簡單易行，可以模擬高溫高壓的井下環(huán)境；界面增強(qiáng)隔離液對水泥漿有促凝、增稠的作用，應(yīng)用過程中應(yīng)將其與領(lǐng)漿充分隔離開來，避免發(fā)生污染。

（3）沖洗酸可以破壞泥餅的骨架結(jié)構(gòu)，沖洗液和沖洗酸的循環(huán)沖洗有利于清除附著在井壁上的泥餅，給水泥環(huán)與地層膠結(jié)創(chuàng)造良好條件。

（4）低傷害防竄水泥漿體系具有密度低、失水低、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、摩阻低、抗水竄等特征，適用于油水活躍條件下的儲層保護(hù)固井。

（5）應(yīng)用套管居中度軟件和頂替流態(tài)模擬軟件可以指導(dǎo)現(xiàn)場扶正器加放及優(yōu)化現(xiàn)場施工參數(shù)，對于提高水泥漿頂替效率具有很大幫助。