張永福，李佳佳，鐘 凱，童曉炬

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶固井公司，陜西 西安 710018)

姬塬區(qū)塊從2005年開始投產(chǎn)至今，地質(zhì)儲(chǔ)量采出程度較低，剩余油富集。為了提高儲(chǔ)量控制程度，提高單井產(chǎn)量和區(qū)塊采收率，該區(qū)塊通過老井開窗側(cè)鉆改造，進(jìn)行產(chǎn)能挖潛。但區(qū)塊內(nèi)的洛河、直羅層位水系發(fā)育，水質(zhì)礦化度高，水層跨度長(zhǎng)。尤以洛河水層水量最大，腐蝕性最強(qiáng)[1]，因此固井時(shí)水侵問題嚴(yán)重，水泥石膠結(jié)質(zhì)量差，套管抗腐蝕能力弱，井筒生命周期完整性遭到嚴(yán)重破壞，亟需解決。

1 區(qū)塊概況

姬塬油田姬塬區(qū)塊主要含油層系為延長(zhǎng)組長(zhǎng)1油層組，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。自2018年開始，為提高油田開發(fā)水平，實(shí)現(xiàn)降本增效，該區(qū)塊采用開窗側(cè)鉆技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)能挖潛，滾動(dòng)增儲(chǔ)。通過對(duì)近5年區(qū)塊內(nèi)部署的側(cè)鉆井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，上部水層及水層以上 30 m 內(nèi)，膠結(jié)質(zhì)量差井占比57.89%。不合格井段大部分位于洛河、直羅層位，不合格段長(zhǎng)6～38 m 不等.隨著后期開發(fā)程度的加快，不合格井段套管的腐蝕嚴(yán)重，井筒生命周期完整性面臨著重大挑戰(zhàn)。

2 固井技術(shù)難點(diǎn)

分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井水層固井質(zhì)量差的根本原因是水泥漿在地層條件下抗分散能力弱，受水侵后性能發(fā)生改變；而地層水、地層溫度、地層承壓能力等因素受限于地層本身，被動(dòng)決定著入井水泥漿的性能。本文分析這些間接因素對(duì)固井質(zhì)量的具體影響，優(yōu)化水泥漿性能，改善固井工藝，形成針對(duì)性技術(shù)方案。

2.1 地層水影響

姬塬區(qū)塊內(nèi)洛河、直羅層位水系活躍，礦化度為4700～6900 mg/L，單一水層跨度最高達(dá) 150 m。固井施工期間，水泥漿經(jīng)過地層竄流點(diǎn)，或上返至水層活躍處，受水侵，結(jié)構(gòu)被破壞，性能發(fā)生變化，形成水泥石后膠結(jié)強(qiáng)度低；固井候凝階段，環(huán)空水泥漿靜液柱壓力下降，高壓地層水不斷侵蝕水泥漿體，液相中的 Ca2+、OH-、Mg2+等離子被帶走或反應(yīng)交換，氫氧化鈣晶體析出減少[2]，未凝固成型的水泥漿被稀釋、分散、解體，破壞了原有的膠凝結(jié)構(gòu)，形成局部小段或大段竄槽，測(cè)井后水侵段顯示弱膠結(jié)或無膠結(jié)的空白。

2.2 地層溫度影響

姬塬區(qū)塊洛河、直羅層平均埋深在900～1700 m 之間，上部水層段地層靜止溫度為25～40 ℃，水泥漿水化反應(yīng)緩慢，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的時(shí)間延長(zhǎng)[3]，抗地層流體干擾能力差，早期強(qiáng)度發(fā)展慢；同時(shí)，由于井眼間隙小，防漏設(shè)計(jì)所要求的慢替工藝(頂替排量在3～4 L/s)和施工安全雙重因素影響，低溫井段水泥漿受地層水沖刷時(shí)間長(zhǎng)，防竄性能要求更高。

2.3 地層壓力影響

姬塬區(qū)塊自2005年開始投產(chǎn)至今，長(zhǎng)期的開采導(dǎo)致地層壓力虧空，后期注水開發(fā)、壓裂增產(chǎn)等措施導(dǎo)致地層壓力體系紊亂，層間竄流形成局部高壓或局部低壓。低壓區(qū)域，水泥漿上返過程中發(fā)生漏失，井筒內(nèi)液柱壓力降低導(dǎo)致水層無法實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)；高壓區(qū)域地層出水竄流，注入水泥漿被稀釋，性能發(fā)生改變。

2.4 固井工具影響

區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井傳統(tǒng)的尾管懸掛固井工藝，懸掛器類型以液壓封隔式尾管懸掛器為主。該類型懸掛器具有可懸掛、封隔牢靠的特點(diǎn)，但由于施工結(jié)束后需進(jìn)行封隔器脹封，關(guān)閉環(huán)空流體傳輸通道，導(dǎo)致候凝期間井筒內(nèi)上部液柱壓力無法向下傳遞，上部活躍水層段難以壓穩(wěn)，形成竄流。

3 固井方案優(yōu)化

受長(zhǎng)慶油田低成本開發(fā)戰(zhàn)略和開發(fā)模式限制，側(cè)鉆井固井方式有限，單一的尾管懸掛固井工藝要滿足固井過程中防漏和壓穩(wěn)等一系列固井難題。同時(shí)，由于濾餅、井眼縮頸等客觀因素的存在，環(huán)空實(shí)際間隙有時(shí)甚至?xí)陀?6 mm，固井施工作業(yè)時(shí)水泥漿上返摩阻大，環(huán)空壓耗增加，井內(nèi)安全壓力窗口窄，動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度設(shè)計(jì)困難。綜合分析，解決該區(qū)塊水侵問題重點(diǎn)從以下兩方面入手：

1)固井開始至侯凝期間，井筒內(nèi)液柱結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到水層“壓穩(wěn)防竄”；2)水泥漿具有不分散特性，進(jìn)入地層后不易受地層水侵?jǐn)_改變?cè)行阅?；低溫條件下，強(qiáng)度發(fā)展?jié)M足防水侵和施工安全兩方面要求。

3.1 頂替排量?jī)?yōu)化

施工排量選擇是窄間隙固井防漏技術(shù)的核心內(nèi)容。固井施工時(shí)，井底所受壓力暨井筒內(nèi)當(dāng)量密度，除鉆井液、前置液、水泥漿本身影響外，還受施工排量大小的影響。即使靜態(tài)條件下液柱壓力與漏失壓力平衡，施工排量的增加也會(huì)導(dǎo)致環(huán)空壓耗增大，最終導(dǎo)致環(huán)空循環(huán)摩阻當(dāng)量密度增加，在頂替過程中壓漏地層，導(dǎo)致水泥漿低返[4]。

通過固井軟件模擬計(jì)算出施工排量對(duì)于摩阻以及頂替效率的影響如表1。

表1 排量對(duì)摩阻及頂替效率的影響

姬塬油田老井開窗側(cè)鉆井傳統(tǒng)固井工藝，循環(huán)排量范圍為5.0～7.0 L/s，施工排量范圍為3.8～4.2 L/s。通過軟件模擬計(jì)算出不同施工排量對(duì)于摩阻、頂替效率以及施工要的影響。若保證95%以上頂替效率，環(huán)空返速應(yīng)大于 1.0 m/s，即施工排量高于 300 L/min，但高環(huán)空返速同時(shí)會(huì)帶來循環(huán)摩阻當(dāng)量密度的增加，從而導(dǎo)致固井過程中的漏失。因此合理的排量在排量超過 207 L/min(3.4 L/s)時(shí)頂替效率也能超過90%，在保證防漏的同時(shí)也能帶來較高的頂替效率。

3.2 固井工具優(yōu)化

按照固井前期至侯凝期間“壓穩(wěn)防竄”的要求，優(yōu)選直連式尾管懸掛器。該工具減少了以往封隔式尾管懸掛器的環(huán)空脹封構(gòu)件，精簡(jiǎn)了卡瓦和液缸結(jié)構(gòu)，規(guī)避了卡瓦掛蹭套管、提前座掛、硬卡套管，以及開泵循環(huán)時(shí)液缸提前打開的風(fēng)險(xiǎn)，因此安全性高，可實(shí)現(xiàn)無限循環(huán)。管串采用強(qiáng)制復(fù)位式+浮球式浮箍的單流結(jié)構(gòu)組合，保證斷流效果；密封短節(jié)、套管膠塞唇邊采用一體硫化橡膠結(jié)構(gòu)，密封承壓(50 MPa)可靠；鉆桿膠塞、套管膠塞上設(shè)計(jì)有卡簧，在進(jìn)入碰壓位置后，鎖緊密封效果良好，連接可靠。

3.3 水泥漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于側(cè)鉆井環(huán)空間隙小，姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井眼裸眼段實(shí)際環(huán)容不足 6 m3，因此施工過程控制對(duì)于固井質(zhì)量顯得尤為重要。在保證井筒內(nèi)水泥漿柱結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡壓力設(shè)計(jì)的前提下，井筒內(nèi)水泥漿類型越少，施工過程一致性和連續(xù)性越強(qiáng)，因此，姬塬區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井水泥漿柱結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為兩凝體系。常規(guī)密度水泥漿選擇 1.90 g/cm3早強(qiáng)微膨脹水泥漿體系，封固目的層長(zhǎng)1及上部延安組活躍水層。低密度水泥漿以滿足地層壓穩(wěn)防漏要求密度設(shè)計(jì)如下：

通過查閱分析，該區(qū)塊已完鉆數(shù)據(jù)，平均垂深 2000 m，裸眼段封固段長(zhǎng)在600～800 m，套管重合段長(zhǎng)為 100 m，完鉆泥漿密度在1.14～1.16 g/cm3，目的層長(zhǎng)1漏失當(dāng)量密度約 1.43 g/cm3，局部高壓區(qū)最高壓井泥漿比重 1.23 g/cm3，常規(guī)密度水泥漿封固段長(zhǎng)度根據(jù)油層和上部延安組水層分布位置設(shè)計(jì)為 350 m，前置液按照7～9 min 接觸時(shí)間設(shè)計(jì)段長(zhǎng) 250 m。

要求目的層長(zhǎng)1動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度ECD滿足：

ECD漏失>ECD>ECD泥漿

式中：ECD為長(zhǎng)1層位固井施工時(shí)動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度，g/cm3；ECD泥漿為井筒內(nèi)最高泥漿當(dāng)量密度，g/cm3；ECD漏失為長(zhǎng)1層位漏失當(dāng)量密度，g/cm3。

經(jīng)過計(jì)算和固井軟件模擬等數(shù)據(jù)分析可得，姬塬區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井固井時(shí)動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度ECD介于1.23～1.43 g/cm3，計(jì)算可得即領(lǐng)漿設(shè)計(jì)密度區(qū)間為1.23～1.60 g/cm3。

因此，姬塬區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井水泥漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩凝水泥漿體系，產(chǎn)層段選擇 1.90 g/cm3早強(qiáng)微膨脹水泥漿體系，封固目的層長(zhǎng)1及上部延安組活躍水層；填充段水泥漿選擇密度在1.23～1.60 g/cm3之間的低密度水泥漿。

3.4 水泥漿性能優(yōu)化

3.4.1 抗分散絮凝劑BCY-100S的作用機(jī)理

提高水泥漿抗水侵性能的直接方法是通過加入少量外加劑，優(yōu)選油井水泥用抗分散絮凝劑多元共聚物BCY-100S[5]調(diào)試水泥漿配方。其能夠通過電中及和雙電層壓縮作用，降低水泥顆粒間的排斥能，使得排斥能和吸引能相加而產(chǎn)生的相互作用力以引力為主，從而減小了水泥顆粒間的距離。此外，抗分散絮凝劑分子鏈上帶有的羥基與拌合水分子形成氫鍵[6]，與水分子親和力增加。隨著抗分散絮凝劑摻量的加大，長(zhǎng)分子鏈間相互吸引，并相互纏聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將水泥顆粒以及拌合水包裹起來，使之不易收到外界水分子的沖洗而分散，從而達(dá)到一定的絮凝效果，形成的水泥漿在低溫水中不離析不分散，具有良好的抗水侵作用。

3.4.2 產(chǎn)層段常規(guī)密度水泥漿體系優(yōu)化

姬塬區(qū)塊長(zhǎng)1層位油藏的埋深較淺，井筒內(nèi)目的層泥漿循環(huán)溫度在40～50 ℃。常規(guī)密度水泥漿封固產(chǎn)層，性能需達(dá)到早強(qiáng)、快凝，過渡時(shí)間短的特點(diǎn)，避免淺層油藏油水同層在侯凝期間水侵而影響目的層固井質(zhì)量。以現(xiàn)有的早強(qiáng)水泥漿為基漿加入適量的BCY-100S，得到性能滿足固井要求的抗分散水泥漿體系。如表2。

表2 不同BCY-100S加量下低溫早強(qiáng)水泥漿性能對(duì)比

由表2看出，加入BCY-100S后，低溫早強(qiáng)水泥漿稠化時(shí)間稍有延長(zhǎng)，但水干擾試驗(yàn)下水泥損失量明顯低于基漿，且對(duì)原水泥漿體系抗壓強(qiáng)度和失水性能影響較??；但在低溫條件下，BCY-100S加量越多，會(huì)導(dǎo)致稠化時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)BCY-100S加量調(diào)整為2%時(shí)，在40～50 ℃ 的地層溫度下，水泥漿稠化時(shí)間60～80 min，能夠滿足施工要求。此時(shí)水泥漿達(dá)到較好的分散效果且不影響原有的早強(qiáng)、快凝性能。

3.4.3 填充段低密度水泥漿優(yōu)化

低密度水泥漿在井筒中上返時(shí)經(jīng)過多段水層，受水侵時(shí)間長(zhǎng)，性能影響較大。根據(jù)漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，從漿體流動(dòng)性、早期強(qiáng)度等多方面因素考慮，優(yōu)選 1.55 g/cm3的粉煤灰低密度水泥漿體系作為基本試驗(yàn)體系。通過加入BCY-100S和早強(qiáng)劑GJ-F，提高低密度水泥漿抗分散特性，縮短稠化時(shí)間，增加早期強(qiáng)度從而得到適宜于該區(qū)塊側(cè)鉆井水層封固的低密度水泥漿體系。如表3。

表3 不同BCY-100S加量下低密度水泥漿性能對(duì)比

由表3可知，當(dāng)BCY-100S加量為1.5%時(shí)，水泥漿抗分散性能較差，水泥損失量較大，且水干擾實(shí)驗(yàn)，水泥漿入水即分散(圖1)；當(dāng)BCY-100S加量為2.5%時(shí)，水泥漿抗分散性能得到明顯改善，水泥損失量略小，水泥漿入水分散不明顯(圖2)；當(dāng)BCY-100S加量為3.5%時(shí)，水泥漿抗分散性能良好，水泥漿損失量較小，水泥漿入水保持連貫性，幾乎沒有分散(圖3)，但稠化時(shí)間開始縮短，說明BCY-100S加量有一定的飽和度。

(a) (b) (c)圖1 1.5% BCY-100S水泥漿 圖2 2.5%BCY-100S水泥漿 圖3 3.5%BCY-100S水泥漿

而BCY-100S比例從1.5%增加至3.5%時(shí)，低密度水泥漿稠化時(shí)間呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，說明過飽和的BCY-100S無法參與水化反應(yīng)，從而達(dá)不到應(yīng)有的抗分散效果和延緩稠化作用，但早期強(qiáng)度基本無明顯區(qū)別。從經(jīng)濟(jì)，性能多角度綜合考慮，BCY-100S在低密度水泥漿比例中優(yōu)選為2.5%。

根據(jù)表4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GJ-F加量調(diào)整至2%時(shí)，早期強(qiáng)度明顯提升，可泵時(shí)間 156 min 左右，過渡時(shí)間短，早期強(qiáng)度高；當(dāng)GJ-F加量繼續(xù)提高時(shí)，稠化時(shí)間縮短但早期強(qiáng)度變化不明顯。綜合考慮，以GJ-F加量為2.0%時(shí)為優(yōu)選。

表4 不同GJ-F加量下低密度水泥漿性能對(duì)比

一系列的室內(nèi)優(yōu)化試驗(yàn)表明，BCY-100S2%+1.90 g/cm3低溫早強(qiáng)水泥漿能達(dá)到較好的抗分散效果，且不影響原有的早強(qiáng)、快凝性能；BCY-100S2.5%+GJ-F2%+1.55 g/cm3低密度水泥漿抗分散性能良好，早期強(qiáng)度高，優(yōu)化后的兩凝不分散水泥漿體系能夠滿足該區(qū)塊側(cè)鉆井固井質(zhì)量要求。

4 應(yīng)用效果

后期以兩凝不分散水泥漿體系和直連式尾管懸掛器應(yīng)用為工藝核心，在姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)5口井，施工正常，全井段平均封固率99.80%，平均優(yōu)質(zhì)率97.30%，水層段平均封固率100%，水層段平均優(yōu)質(zhì)率98.07%(見表5)，同比前期固井質(zhì)量提高明顯，試驗(yàn)效果良好。

表5 試驗(yàn)井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用舉例如下：

X側(cè)40～42井，完鉆層位長(zhǎng)1，大段水層位于直羅組1660～1760 m，設(shè)計(jì) 1.90 g/cm3早強(qiáng)不分散常規(guī)密度水泥漿返高至 1750 m，1.55 g/cm3不分散低密度水泥漿返至 1280 m，施工排量 206 l/min，現(xiàn)場(chǎng)施工正常，測(cè)井固井質(zhì)量合格(見圖4)，全井段合格率99.77%，優(yōu)質(zhì)率99.31%。

圖4 X側(cè)40-42井水層段固井質(zhì)量

通過5口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果看出，以兩凝不分散水泥漿體系和直連式懸掛器為技術(shù)核心的固井工藝對(duì)于解決姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井水侵問題效果良好，水層及以上固井質(zhì)量明顯提高，推廣應(yīng)用后對(duì)延長(zhǎng)該區(qū)塊側(cè)鉆井生命周期有著重大意義。

5 結(jié)論

1)姬塬區(qū)塊內(nèi)洛河、直羅水系發(fā)育，地層溫度低、層間壓力異常是導(dǎo)致側(cè)鉆井固井水侵的根本原因。

2)依靠抗分散絮凝劑BCY-100S優(yōu)化水泥漿體系，優(yōu)選直連式懸掛器應(yīng)用能夠有效解決區(qū)塊內(nèi)固井水侵問題。

3)兩凝不分散水泥漿體系和直連式懸掛器為技術(shù)核心的固井工藝在姬塬區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)5口井，試驗(yàn)效果良好，固井質(zhì)量明顯提升。