河南油田稠油井一體化固井技術(shù)研究

張鵬偉，先 花，田 旭，藺紅軍，顧 軍，耿 蘭

（1.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽473132；2.中國石化河南石油勘探局鉆井工程公司；3.中國地質(zhì)大學(xué)；4.中國石化河南油田分公司第一采油廠）

河南油田稠油井由于井深淺，地層疏松，形成的泥餅厚且疏松，固井時不能固化，經(jīng)注汽開發(fā)后，第二界面易形成汽竄［1-5］。據(jù)統(tǒng)計熱采區(qū)塊汽竄井超過220口，稠油井固井質(zhì)量直接影響了油田開發(fā)效益。經(jīng)分析，產(chǎn)生這些固井質(zhì)量問題的根源都是油井水泥與地層界面密封失效所致［6］。為此，開展了一體化固井技術(shù)研究，實現(xiàn)水泥環(huán)-泥餅-地層的整體膠結(jié)，大幅度提高了固井二界面的膠結(jié)強度，解決了長期以來鉆井液泥餅不可固化的技術(shù)難題，膠結(jié)強度可提高200%以上。

1 室內(nèi)實驗評價

1.1 配伍性實驗

為確保一體化固井技術(shù)使用的各種處理劑不會破壞現(xiàn)有鉆井液及水泥漿性能，影響現(xiàn)場施工及井下安全，在不改變現(xiàn)有鉆井液及水泥漿體系的情況下，進行了配伍性實驗。

1.1.1 泥餅改性劑（GM-I）與鉆井液的配伍性實驗

實驗用鉆井液配方為：（3～5）%膨潤土＋（0.3～0.5）%純堿＋（0.5-0.7）%FA367＋（0.5～1）%SHN-1＋（0.3～0.5）%XY-27＋（1～2）%ZRH-2＋（2～3）%單封＋加重劑。從表1可看出，加入GM-1高速攪拌后，有輕度起泡現(xiàn)象，對鉆井液流變性參數(shù)影響較小，且能滿足鉆井施工要求。

表1 GM-I與鉆井液配伍性實驗情況

1.1.2 凝餅形成劑（GA-Ⅱ）與水泥漿污染實驗

實驗用水泥漿配方為33.3%砂＋2%TW200S＋2.5%W-99＋0.5%USZ＋2.16%HN-B3；配方1為水泥漿＋10%凝餅形成劑GA-Ⅱ＋適量XP；配方2為水泥漿＋5% 凝餅形成劑GA-Ⅱ＋適量XP。配方1、2污染實驗中水泥漿稠化曲線平滑，實驗過程中水泥漿均無“閃凝”現(xiàn)象，水泥漿40 Bc以下分別為95 min、100 min。從表2中可看出，凝餅形成劑GA-Ⅱ?qū)λ酀{的性能影響較小，可以滿足現(xiàn)場固井安全施工。

1.1.3 凝餅形成劑（GA-Ⅱ）與鉆井液、水泥漿污染實驗

取凝餅形成劑GA-Ⅱ與現(xiàn)場用水按質(zhì)量15∶85配成一體化前置液，然后直接與干水泥混配成水泥漿（水灰比為0.58，密度為1.87 g／cm3），在溫度38 ℃、50 ℃和90 ℃三種測試條件下，測其稠化時間，并混入一定比例的鉆井液進行污染實驗（表3）。從中可看出：①一體化前置液對水泥漿的影響較小，可以滿足現(xiàn)場固井安全施工；②從兩組污染實驗的結(jié)果看，一體化前置液和與5%、10%摻有GM-I×2%的鉆井液混合進行污染實驗，對水泥漿的性能影響較小，可以滿足現(xiàn)場固井安全施工。

表2 GA-Ⅱ與水泥漿的污染實驗

表3 GA-Ⅱ與水泥漿、鉆井液的污染實驗

水泥漿配方為GHSR 水泥600.0g＋一體化前置液373.0g＋石英砂200.0g＋W99 12.0g＋G203 14.0g＋USZ2.4 g＋消泡劑2 mL；鉆井液配方為（3～5）%膨潤土＋（0.3～0.5）%純堿＋（0.5～0.7）%FA367＋（0.5～1）%SHN-1＋（0.3～0.5）%XY-27＋（1～2）%ZRH-2＋（2～3）%單封＋加重劑。

1.2 膠結(jié)強度實驗

1.2.1 實驗材料及作用

實驗為井樓油田常用鉆完井液＋1%～3%泥餅改性劑（自制），實驗用前置液配方為自來水＋18%凝餅形成劑（自制）；選用井樓油田固井常用的水泥漿體系；自制仿地井筒（滲透率和孔隙度模擬井樓油田地層主要封固段），內(nèi)筒外徑33 mm，外筒內(nèi)徑100 mm。

鑒于井樓油田固井質(zhì)量檢測時間為2 d左右，且欲觀察固井第二界面膠結(jié)強度的發(fā)展趨勢，因此，選擇的力學(xué)性能實驗樣品養(yǎng)護時間為2 d、7 d和14 d，養(yǎng)護方式為浴養(yǎng)，養(yǎng)護溫壓為38～90 ℃-常壓，泥餅厚度為0.5～1.0mm，前置液與泥餅的接觸時間為2 min。膠結(jié)強度實驗結(jié)果見表4。研究前泥餅形成條件為現(xiàn)場鉆井液，研究后泥餅形成條件為現(xiàn)場井漿＋GM-Ⅰ型泥餅改性劑（取自批量產(chǎn)品）；研究前后水泥漿配方為現(xiàn)場干混好的水泥＋1.4%TW-502；研究后前置液為GA-Ⅱ型凝餅形成劑配制（接觸時間≥2 min）；泥餅厚度0.5～1 mm。現(xiàn)場試驗時，確定GM-Ⅰ型泥餅改性劑的加量為鉆井液重量的3%。

1.2.2 實驗結(jié)果分析

分析一：①GM-Ⅰ型泥餅改性劑的加量為2%～3%時，養(yǎng)護2 d以上，即可實現(xiàn)了使固井二界面膠結(jié)強度較井樓油田現(xiàn)有水平提高200%以上，且隨著養(yǎng)護時間延長，固井二界面膠結(jié)強度顯著提高；②隨著GM-Ⅰ型泥餅改性劑的加量增大，固井二界面膠結(jié)強度增大。

分析二：溫度對固井二界面膠結(jié)強度無明顯影響，該實驗中隨著溫度升高，固井二界面膠結(jié)強度有所下降，可能是水泥漿添加劑TW-502 膨脹所引起，因為養(yǎng)護時不能加壓而導(dǎo)致溫度高，引起水泥石膠結(jié)疏松。

1.2.3 油井水泥-泥餅-地層一體化膠結(jié)實驗結(jié)果

（1）水泥硬化體-凝餅界面環(huán)境掃描電鏡（ESEM）分析。因泥餅與水泥硬化體是分離的，因此無法獲得界面膠結(jié)樣品。圖1為水泥硬化體-凝餅界面的ESEM 測試結(jié)果，圖中左邊為凝餅，右邊為水泥硬化體。從中可看出，凝餅表面形成了一層均勻的硬化體，凝餅與水泥硬化體已緊密地膠結(jié)為一個整體，結(jié)構(gòu)致密，孔洞很少，且左右兩部分之間有少量相互滲透，界面處沒有裂縫，表明凝餅與水泥硬化體兩部分的體積變化系數(shù)基本相同，在干燥過程中能夠協(xié)同變形，從而保證了凝餅與水泥硬化體的良好粘接性能。還可看出，凝餅中均勻分布有粘土顆粒，且被水化產(chǎn)物所包裹。這些都說明凝餅與水泥硬化體已經(jīng)實現(xiàn)了整體固化膠結(jié)，用肉眼觀察發(fā)現(xiàn)兩部分已充分膠結(jié)為一體，難以用簡單的物理方法從結(jié)合界面處將業(yè)已膠結(jié)為一體的兩部分分開，即二者已一體化膠結(jié)。

表4 研究前后固井二界面膠結(jié)強度評價結(jié)果

圖1 水泥硬化體-凝餅界面的ESEM 圖

（2）流體溶蝕分析。為了更直觀地驗證泥餅仿地成凝餅和固井二界面整體固化膠結(jié)，進行了流體溶蝕實驗。由研究前（泥餅）后（凝餅）流體溶蝕實驗結(jié)果可以看出，浸泡28 d后泥餅已消失，即泥餅還原成為渾濁的稀鉆井液，而研究后則泥餅變成了凝餅，表現(xiàn)為杯內(nèi)自來水清澈且凝餅與水泥硬化體已膠結(jié)在了一起，固井二界面整體固化膠結(jié)顯而易見。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為驗證稠油井一體化固井技術(shù)應(yīng)用效果，對河南油田井樓區(qū)塊6口井進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果見表5。

2.1 加入泥餅改性劑后鉆井液粘度變化及維護情況

表5 現(xiàn)場試驗情況

在鉆井液中按2%～3%加入GM-Ⅰ型泥餅改性劑，鉆井液粘度變化及維護情況見表6，固井前鉆井液各項性能指標(biāo)見表7。數(shù)據(jù)表明，這些均可滿足現(xiàn)場固井施工要求。

表6 現(xiàn)場鉆井液性能變化及維護情況（混配GM-Ⅰ）

表7 固井前鉆井液性能

2.2 固井質(zhì)量情況

一體化固井施工的6口井，固井施工順利，固井質(zhì)量合格率100%。經(jīng)VDL 測井解釋，固井第一、二界面使用一體化固井技術(shù)段與未使用段的膠結(jié)質(zhì)量有了明顯提高，其中三口全井優(yōu)質(zhì)，三口優(yōu)質(zhì)段占全井的75%以上，樓11020井第一、二界面固井質(zhì)量均為優(yōu)質(zhì)。

3 結(jié)論與建議

（1）一體化固井技術(shù)在河南油田現(xiàn)場試驗6口井，固井二界面膠結(jié)質(zhì)量較鄰井顯著提高，其中樓11020井投產(chǎn)后經(jīng)二輪注汽，產(chǎn)油500 t，目前油井生產(chǎn)正常。

（2）GM-Ⅰ型泥餅改性劑的加量為2%～3%時，養(yǎng)護2 d以上，即可實現(xiàn)固井二界面膠結(jié)強度較井樓油田現(xiàn)有水平提高200%以上，且隨著養(yǎng)護時間的延長，固井二界面膠結(jié)強度顯著提高。

（3）ESEM 測試和流體溶蝕實驗表明，凝餅與水泥硬化體膠結(jié)為一體，且凝餅未被溶蝕，說明實現(xiàn)了油井水泥-泥餅-地層的一體化膠結(jié)。

［1］ Gu Jun，Yang Weihua，Qin Wenzheng，et al.Cement-ormation interface system and its effect on the petroleum engineering［G］／／IEEE international conference on engineering，Services and knowledge management，Piscataway，USA：IEEE，2007：6505-6508.

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［5］ Ladva H K J，Craster B，Jones T G J.The cementto-formation interface in zonal isolation［R］.SPE 88016，2004.

［6］ 顧軍，楊衛(wèi)華，秦文政，等.固井二界面封隔能力評價方法研究［J］.石油學(xué)報，2008，29（3）：451-454.