張曉兵，李長坤，衡宣亦，邱愛民，虞海法，于永金

（1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油集團西部鉆探公司準東鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油塔里木油田分公司油氣田產(chǎn)能建設事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000；4.中國石油股份有限公司華北油田公司，河北 任丘 062552）

塔里木山前構造高壓氣井是塔里木油田增儲上產(chǎn)的重要區(qū)域，具有地質(zhì)情況復雜、超深、超高壓、高溫的特點，目前該地區(qū)完鉆井深普遍大于7000m，一般采用五開井身結構，四開封固庫姆格列木群組的鹽膏層。由于受到復雜的地質(zhì)及工程因素影響，導致該地區(qū)鹽膏層段固井質(zhì)量不高，部分井投產(chǎn)后B環(huán)空異常帶壓，給后續(xù)生產(chǎn)帶來了巨大隱患[1-2]。因此有必要系統(tǒng)分析該地區(qū)鹽膏層段固井難點并提出針對性技術對策，提高固井質(zhì)量，保證后續(xù)安全生產(chǎn)。

1 山前構造鹽膏層固井技術難點

（1）鹽膏層蠕變，套管下入難度較大，居中度難以保證。由于鹽膏層在高溫高壓條件下的蠕變，導致井眼縮徑，套管下放至裸眼段仍容易遇阻或下不到設計位置。此外，由于缺少適用于鹽膏層段的小接箍或者無接箍的扶正器，鹽膏層段普遍未加放扶正器，導致套管整體居中度較低（約為20%～30%），頂替過程中易發(fā)生竄槽、接觸污染等風險[3-4]。

（2）水泥漿體系設計困難。鹽膏層封固段為6000～7500m，溫度超過140℃，壓力大于130MPa，Cl-含量（1.0～2.0）×105mg/L，固井普遍采用高密度鹽水水泥漿，一般采用微錳或鐵礦粉進行加重，二者均為惰性材料，導致高密度水泥石強度低，且高溫條件下強度存在衰退現(xiàn)象；此外施工過程中，由于井深較深、溫度高、施工時間長（6～10h），需加入一定量的緩凝劑，高溫條件下，緩凝劑稠化時間與加量之間的線性關系較差，同時對水泥漿靜膠凝強度發(fā)展存在一定影響，影響水泥漿防竄性能[5-6]。

（3）沖洗隔離液性能要求高。山前構造鹽膏層一般采用高密度油基鉆井液鉆進，密度普遍大于2.30g/cm3，其中含大量聚合物類處理劑，粘度高，在井壁及套管上附著力強，難以清洗。為保證固井施工安全及固井后的界面膠結質(zhì)量，要求隔離液具有良好的清洗、抗污染以及潤濕反轉的作用，隔離液體系設計困難[7-8]。

（4）壓力系統(tǒng)復雜，漏失頻發(fā)，固井水泥漿一次性上返難度大。山前構造鹽膏層普遍發(fā)育高壓鹽水，同時鹽膏層夾砂泥巖或白云巖，鹽巖與泥巖、泥巖與砂巖之間存在不整合面，鹽底含泥巖或砂巖等薄弱層，同一裸眼段高壓鹽水層（2.45g/cm3以上）、砂泥巖薄弱層（2.05～2.2g/cm3）并存，壓力系統(tǒng)復雜[9-10]，固井過程中漏失頻發(fā)。統(tǒng)計到的近3 年完鉆的34 口井中，22 口在鹽膏層固井期間發(fā)生漏失，占比64.75%，漏失導致水泥漿難以返至設計位置，固井質(zhì)量合格率不高。

為提高山前構造鹽膏層固井質(zhì)量，應著重提高鹽膏層段固井工作液性能，同時優(yōu)化固井技術措施，確保套管順利下放到位以及高性能水泥漿在環(huán)空的有效填充，從而提高固井質(zhì)量。

2 抗高溫高密度固井工作液

2.1 抗高溫高密度固井水泥漿體系

2.1.1 高溫緩凝劑DRH-2L

緩凝劑DRH-2L是一種五元共聚物，其分子主鏈上的雙羥基、陽離子基團、磺酸基團等賦予了緩凝劑分子鏈的抗高溫性能和緩凝性能，適用溫度范圍70℃～210℃，根據(jù)山前鹽膏層段埋深及地溫梯度，選取溫度150℃、180℃開展實驗，結果見表1和圖1，由表1及圖1可知，隨著緩凝劑加量的增加，稠化時間逐步增長，且緩凝劑加量與稠化時間線性關系良好，水泥漿過渡時間較短（≤10min），強度發(fā)展較快（稠化時間147min，260min時即開始起強度），漿體防竄能力較強，能較好地滿足固井施工的需要。

圖1 水泥漿靜膠凝強度測試（180℃）

表1 不同溫度下DRH-2L加量對水泥漿稠化時間及靜膠凝強度過渡時間的影響

2.1.2 高溫防強度衰退材料

溫度超過150℃時，僅加入石英砂無法抑制水泥石強度衰退，優(yōu)選礦石粉類高溫增強材料DRB-2S（加量20%～40%），通過DRB-2S 與水泥水化產(chǎn)物在高溫條件下生成高強度的晶體物質(zhì)，防止水泥石在高溫條件下發(fā)生強度衰退[11]。測試了DRB-2S加量對水泥石的抗壓強度的影響，結果見表2。由表2可知，在150℃養(yǎng)護溫度下，僅加入石英砂后，水泥石2d 抗壓強度19.7MPa，7d 抗壓強度16.4MPa，抗壓強度較低，且出現(xiàn)了衰退，在加入石英砂的基礎上引入增強材料DRB-2S（加量20%～40%）后，在150℃～180℃范圍內(nèi)，水泥石2d 抗壓強度大于30MPa，7d 抗壓強度大于40MPa，抗壓強度提升明顯，且能有效防止強度衰退。

表2 不同DRB-2S加量下的水泥石強度

以高溫緩凝劑DRH-2L以及高溫防強度衰退材料為主，輔以配套分散劑、降失水劑等，最終形成抗高溫高密度固井水泥漿體系，密度范圍2.45～2.65g/cm3，API失水量小于50mL，游離液含量為0，沉降穩(wěn)定性小于0.05g/cm3，2d抗壓強度大于30MPa，7d抗壓強度大于40MPa，強度未衰退，滿足山前構造鹽膏層固井技術需求。

2.2 抗高溫高效沖洗隔離液體系

2.2.1 懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL

優(yōu)選了懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL，由特殊層狀結構的無機鹽以及非離子型聚合物組成。層狀結構無機鹽具有高度的親水性，在水中分散形成表面帶負電，端面帶正電的薄片，薄片包含著大量水分子形成網(wǎng)狀結構，將大量自由水變成束縛水。非離子型聚合物遇水后，分子鏈逐漸伸展，分子鏈上的羥基與水分子結合形成大量氫鍵，增大了分子與水分子之間的內(nèi)摩擦力。二者協(xié)同作用可有效增強顆粒間內(nèi)摩擦力及吸附力，形成穩(wěn)定的懸浮體系。測試了150℃、180℃條件下，DRY-SL加量對隔離液沉降穩(wěn)定性及流變性的影響，結果見表3。由表3 可知，在150℃及180℃條件下，隨著DRY-SL加量的增加，隔離液的沉降穩(wěn)定性得到明顯改善，加量達到2%時，沉降穩(wěn)定性小于0.05g/cm3，同時流性指數(shù)大于0.6，稠度系數(shù)小于0.8Pa·sn，滿足固井施工對隔離液的性能要求。

表3 懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL加量對隔離液沉降穩(wěn)定性及流變性的影響

2.2.2 高效沖洗劑DRY-WL

優(yōu)選了高效沖洗劑DRY-WL，由表面活性劑、有機溶劑及螯合劑等組成。表面活性劑分子可產(chǎn)生破乳作用，促使油水分離。有機溶劑降低界面張力。螯合劑分子可與油基鉆井液中的金屬離子通過螯合作用生成穩(wěn)定的絡合物，避免金屬離子與表面活性劑反應而降低表面活性劑的活性，提高沖洗和潤濕反轉效果。

（1）沖洗效率測試。采用六速旋轉粘度計以200r/min 的速度進行不同DRY-WL 加量下隔離液的沖洗效率測試，結果如圖2 所示。由圖2 可知，隨著DRY-WL加量以及沖洗時間的增加，沖洗效率逐步提高，當加量達到15%，沖洗時間180s 時，即可達到較好的沖洗效果（沖洗效率95.1%），加量超過15%時，沖洗效率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 不同DRY-WL加量及不同沖洗時間下的沖洗效率

（2）潤濕反轉性能評價。采用測定潤濕接觸角的方法判定不同DRY-WL加量對界面的潤濕反轉作用[12]，將鋼片及人造巖芯放置在油基鉆井液中浸泡24h后取出烘干，分別用不同DRY-WL加量的隔離液沖洗鋼片及人造巖芯3min，模擬沖洗過程，隨后測量清水在其表面的接觸角，結果如圖3所示。由圖3可知，隨著DRY-WL加量的增加，鋼片及人造巖芯與水的接觸角都逐漸減小。當DRY-WL加量為15%～20%時，鋼片及人造巖芯的接觸角在20°左右，界面處于強親水狀態(tài)，此時再增加DRY-WL加量，潤濕接觸角變化不明顯，即DRY-WL加量在15%～20%時，可實現(xiàn)較為理想的潤濕反轉效果。

圖3 不同DRY-WL加量的隔離液沖洗后的潤濕接觸角

以懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL、高效沖洗劑DRY-WL為主，形成了抗高溫高效沖洗隔離液體系。體系沉降穩(wěn)定性及流變性良好，沖洗劑DRY-WL加量在15%～20%時即可達到較好的沖洗效果及界面潤濕反轉效果，加量對比區(qū)塊常用隔離液配方（沖洗劑加量不低于30%）降低約50%，大幅節(jié)約了成本。

3 現(xiàn)場應用

3.1 克深X井基本情況

克深X井是部署在山前構造克深區(qū)塊上的一口開發(fā)井，四開鹽膏層段采用密度2.47g/cm3的油基鉆井液鉆進，鉆至7358m處中完，下入?196.85mm+?206.38mm復合套管采用尾管懸掛固井工藝進行固井。本開次固井難點主要集中在以下幾個方面：①鹽膏層埋深超7000m，下套管過程容易遇阻；②井底溫度172℃，對水泥漿性能要求高；③鉆至井深7358m 處時發(fā)生井漏失返，固井過程中漏失風險大。

3.2 抗高溫高密度固井工作液

采用雙凝抗高溫高密度固井工作液體系，水泥漿設計密度2.52g/cm3，領漿封固重合段，上塞300m，尾漿封固裸眼段，下塞300m，設計領漿稠化時間460～490min，尾漿稠化時間330～360min，高效沖洗隔離液密度2.49g/cm3，具體性能見表4。

表4 抗高溫高密度固井工作液性能

3.3 配套關鍵技術措施

（1）井眼準備及下套管技術措施。為確保鹽層套管能順利下放到位，采用鹽層擴眼+模擬管柱通井。安全時間要求不少于80h，套管下放速度按照通井循環(huán)時鉆井液在?177.8mm 鉆鋌處上返速度（0.87m/s）為依據(jù)計算。計算得出每根套管下放時間不少于30s，每根立柱下放時間不少于200s，5000m 以后每根立柱下放時間不少于300s。下套管中途分別在3000m、5000m和出上層套管前頂通，充分破壞稠漿切力。

（2）漿柱結構設計。設計本開次懸掛器位置6430m，與上層套管重合約600m，確保重合段固井質(zhì)量，前置液用量15m3，占鉆具外環(huán)空高度433m，保證對油基鉆井液的高效沖洗和隔離，同時保證領漿與上開次套管外環(huán)空鉆井液的有效隔離。設計后置保護液8m3，占套管內(nèi)高度172m，鉆桿內(nèi)高度439m，防止中心管拔出后尾管內(nèi)的鉆井液與環(huán)空中的水泥漿摻混污染。

（3）地層承壓能力設計。結合本井漿柱結構及鄰井施工情況，設計施工排量為9L/s，碰壓前降低至4～5L/s，計算得出井底最大動態(tài)當量密度2.54g/cm3。按照本井完鉆時鉆井液密度2.47g/cm3計算，理論需進行5MPa地層承壓能力試驗，考慮懸掛器處節(jié)流及安全附加，固井前需進行地層承壓6MPa，若地層承壓能力不滿足，則采取承壓堵漏措施提高地層承壓能力，確保固井過程中不發(fā)生漏失。

（4）施工結束候凝期間，尾漿發(fā)生膠凝失重，靜液柱壓力損失5.74MPa，綜合考慮井漏及井控風險，施工結束后關井憋壓2MPa候凝。

3.4 現(xiàn)場實施效果

固井前進行了承壓堵漏，將地層承壓能力提升至6MPa，穩(wěn)壓30min 不降，滿足固井施工要求，套管順利下放到位，固井時注入高效沖洗隔離液15m3，領漿22.8m3，尾漿14.4m3，后置保護液8m3，替漿59m3，順利碰壓，固井過程中未發(fā)生漏失。本開次固井質(zhì)量合格率為84.4%，優(yōu)質(zhì)率68.4%，對比鄰井同開次平均水平分別提高了25%和40%，目的層鉆進過程中未出鹽水，投產(chǎn)后環(huán)空未異常帶壓，驗證了抗高溫高密度固井工作液以及配套固井技術措施在山前構造鹽膏層的適用性，對進一步提高山前構造鹽膏層固井質(zhì)量、保證水泥環(huán)長期密封完整性具有借鑒意義。

4 結論與建議

（1）抗高溫高密度固井水泥漿體系，解決了高溫高密度條件下穩(wěn)定性與流變性之間的矛盾，水泥石強度高，綜合性能良好，滿足山前構造鹽膏層固井技術需求。

（2）抗高溫高效沖洗隔離液體系，密度范圍2.40～2.60g/cm3，沖洗效率大于95%，能有效改善界面水潤濕性，提高固井界面膠結質(zhì)量。

（3）抗高溫高密度固井工作液及配套固井技術措施在山前構造克深X 井鹽膏層固井成功應用，表明了該套技術對策在山前構造鹽膏層的適用性，對提高該地區(qū)固井質(zhì)量具有借鑒意義。

（4）開展密度2.70g/cm3、抗溫200 ℃高密度固井水泥漿體系研究，為山前構造8000m 以上超深井開發(fā)提供技術儲備。