超深井小間隙安全注水泥技術研究與應用

郭小陽　張　凱　李早元　常洪渠　姚坤全（.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都　60500；.西南油氣田公司，四川成都　6004）

超深井小間隙安全注水泥技術研究與應用

郭小陽1張凱1李早元1常洪渠2姚坤全2
（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500；2.西南油氣田公司，四川成都610041）

對于超深井小間隙來講，注水泥施工設計較為重要，直接影響固井質量。由于井眼深、環空間隙小，在固井施工過程中摩阻大、泵壓高、頂替效率差，易誘發井漏、污染等諸多實際問題，嚴重影響注水泥施工安全。針對以上難題開展技術攻關，提出了優化環空漿柱結構設計，抗污染先導漿設計，高效隔離液設計，防污染實驗設計，結合漿體流變性對注替排量參數的設計等技術。該技術的運用，不僅保證了注水泥施工的安全，還提高了超深井小間隙固井質量。以雙探1井?127 mm尾管懸掛固井為例介紹了超深井小間隙安全注水泥的技術措施與實施效果，現場應用表明該技術是適用的，能夠保證注水泥時的施工安全，且固井質量合格。

超深井；小間隙；安全；注水泥；固井質量

目前超深井普遍存在于我國塔里木、準噶爾以及四川等盆地，這些盆地均具有儲層埋藏深，地質條件復雜，多套壓力系統并存，易漏易噴，井壁穩定性較差等特點，給固井施工帶來較大的難度。在固井作業過程中，超深井小間隙與常規井在注水泥施工過程中主要區別是超深井小間隙井環空間隙小、井眼較長，易產生過大的環空循環摩阻，施工泵壓高，易壓漏地層；井底溫度比較高，鉆井液體系比較復雜，而且水泥漿稠化時間不好控制；其次，注水泥時的流動形態難以保持紊流流態，對頂替效率影響較大［1-2］。如：元壩 11井?146.1 mm尾管下深7 026 m，環空間隙9.5 mm，封固段6 200～7 026 m，井底靜止溫度高達157 ℃，由于居中度難以保證，導致頂替效率差，固井質量合格率僅54.6%［3］；云安21井完鉆井深達5 858 mm，?177.8 mm套管下深至5 785 m，裸眼段73 m，注漿量僅5 m3，在注替過程中發生嚴重漏失，最大漏失速度達45 m3/h［4］；龍16井?149.2 mm鉆頭鉆至5 988 m茅口組地層完鉆并進行了尾管注水泥施工，由于地層承壓低，鉆井液密度高達2.34 g/cm3，在注替過程中環空摩阻達10～15 MPa，導致泵壓急劇升高，超過地層的承壓能力，發生嚴重漏失，累計漏失量45.5 m3［5］。因此，為保證注水泥時的施工安全，筆者針對超深井小間隙實際技術難題，開展了綜合技術攻關，探討出了一套具有針對性的工藝措施，為今后超深井小間隙安全注水泥提供技術參考。

1　超深井小間隙注水泥技術難點

1.1環空間隙小

由于環空間隙太小，扶正器下入極其困難，甚至不能下入，套管不易居中，容易造成水泥環薄，施工過程中環空壓耗大，注水泥漿施工泵壓高，極易壓漏地層，導致頂替效率低等問題，嚴重影響超深井小間隙的固井質量與施工安全。

1.2井底溫度高

與常規井不同，超深井注水泥井下溫度較高，水泥漿稠化時間不易控制，對水泥漿抗高溫的能力提出更高的要求，特別是在高溫緩凝劑的優選上存在較大困難。如：雙探1井，井深7 308 m，井底循環溫度達到143 ℃，大大增加了水泥漿性能化驗的難度；元壩11井，井深7 026.28 mm，井底靜止溫度為157 ℃，循環溫度135 ℃［2］。

1.3頂替效率低

環空間隙小，注灰量少，加之水泥漿運移段長，鉆井液與水泥漿極易發生污染，且注入的位置特別深，若要把水泥漿頂替到位，操作難度大［6］。如：雙探1井?127 mm尾管懸掛固井，平均環容6.4 L/m，頂替水泥漿僅5 m3，封固段長807 m ，在運行過程中極易摻混，嚴重影響注水泥時的施工安全。

1.4井眼較長

井深，摩阻高，不能大幅度上提下放活動套管；不能轉動套管；深井建立循環風險大，在固井作業時開泵、停泵、管柱活動下均會引起較大壓力波動，從而引起井塌和井漏的發生［7］。如：中古263H井二開完鉆井深6 126 m，在固井施工過程中，環空摩阻較大，發生嚴重漏失，最大漏速40.4 m3/h。

針對以上超深井小間隙注水泥技術難點，主要存在的問題是頂替效率差、防污染難度大、井眼質量難以保證。為了更好地解決這些難題，文中從環空漿柱結構設計、抗污染先導漿設計、高效隔離液設計、防污染實驗設計以及注替參數排量設計方面入手，進行深入的分析與研究。

2　超深井小間隙安全注水泥技術研究

2.1環空漿柱結構設計

超深井小間隙在固井施工過程中，由于環空間隙小，井眼較長，注水泥時流體通道變小，環空摩阻增大，造成常規沖洗液在驅替鉆井液過程中，無法保證將全部鉆井液驅替干凈，井壁周圍殘留的鉆井液一旦與水泥漿發生摻混，會產生嚴重的接觸污染，影響注水泥施工時的安全［8］。而先導漿是通過對原鉆井液進行稀釋，加入合理的處理劑等一系列的措施，來改變其常規性能，起到抗污染的能力。常規隔離液屬于增黏懸浮性漿體，黏度與切力都比較大，流動性較差，導致頂替效率較低，不僅影響界面的膠結質量，還對尾管注水泥施工造成極大的安全隱患，而高效隔離液是針對常規隔離液的不足，并結合超深井小間隙的特點，使其在滿足黏切力的條件下，提高其流動性，來保證注水泥過程中有較高的頂替效率。

為了進一步提高超深井小間隙的頂替效率，保證注水泥時的施工安全，環空漿柱結構的設計也應滿足平衡壓力注水泥的壓穩和不漏原則，在注替過程中環空液柱產生的動壓力既能壓穩地層但又不壓漏地層和防止竄流的發生。并且要求設計漿體之間的密度差應滿足頂替液的密度大于被頂替液密度，即鉆井液、先導漿、隔離液、水泥漿密度應保持梯度遞增，這樣可減輕各流體間相互竄槽，并有利于提高頂替效率，為此，一般要求ρ鉆井液<ρ先導漿<ρ隔離液<ρ水泥漿。環空漿柱結構如圖1所示：圖中紅色表示先導漿，綠色表示隔離液，藍色表示水泥漿，灰色表示鉆井液。

圖1　環空漿柱結構

2.2抗污染先導漿設計

針對這種特殊的環空漿柱結構設計，需要對先導漿做進一步的研究與分析，來驗證它是否能在超深井小間隙起到抗污染的作用。按API規范10進行室內流動度實驗與污染稠化實驗（143℃×90MPa×60 min）見表1。

表1　室內混合漿體污染實驗

當水泥漿與鉆井液質量比為7∶3時，攪動混合漿體變稠，流動度僅15 cm，漿體70 min稠度達到100 Bc，表明水泥漿與鉆井液接觸污染比較嚴重；當水泥漿、鉆井液、隔離液的質量比為7∶2∶1時，攪動混合漿體比較稠，流動度17.5 cm，漿體220 min稠度達到100 Bc，表明隔離液在超深井小間隙的井況下，不能有效地解除水泥漿與鉆井液的污染；當水泥漿、鉆井液、先導漿的質量比為7∶2∶1時，攪動混合漿體，流動度較好為20 cm，漿體經430 min稠度才達到100 Bc，表明先導漿的使用能有效解除水泥漿與鉆井液的接觸污染。

根據以上的實驗數據說明，在超深井小間隙中僅使用隔離液已無法解除鉆井液與水泥漿的污染。因此，針對超深井小間隙的復雜情況，需要設計一種特殊的漿體，來保證注水泥時的施工安全。筆者設計的一種先導漿，具備低黏低切的特點，在注隔離液之前注入先導漿，先導漿在小間隙中易形成紊流流態，有較高的頂替效率，同時具有較好的抗污染能力，為后面注水泥提供一個安全的流動通道，從而避免鉆井液與水泥漿的混合而發生污染，保證了注水泥時的施工安全與層間封固質量［9］。

針對超深井小間隙的復雜情況，配制的先導漿應滿足以下要求：（1）具有抗污染性能力，低黏、低切的特點，性能應該與現場鉆井液接近，密度與現場鉆井液一致。（2）沉降穩定性。經90 ℃高溫養護之后，靜止2 h，上下密度差不大于0.02 g/cm3。（3）相容性。要求與鉆井液、水泥漿、隔離液有良好的相容性，按不同比例混合、不影響水泥漿稠化時間。（4）用量設計。根據理論計算與現場實踐經驗表明，先導漿用量建議按紊流接觸時間7～10 min計算為最佳，為保證注水泥時的安全，建議加大施工用量［10］。

抗污染先導漿配方：鉆井液+10%水+X %抗污染隔離劑A+Y %抗污染隔離劑B+重晶石，基本性能見表2。

表2　抗污染先導漿的基本性能

根據表2數據可以看出，不同密度的抗污染先導漿在常溫與高溫條件下，都具有較好的黏切力，特別在高溫條件下，先導漿的黏切力更小，漿體的流動性更好，能有效地頂替鉆井液，減少與水泥漿的接觸污染，有利于現場施工。

2.3高效隔離液設計

為了進一步確保注水泥時的施工安全，提高層間封隔質量，在使用先導漿的基礎之上，還需設計高效隔離液。高效隔離液起增黏懸浮的作用，具有較好的流動性，能有效地隔離鉆井液和水泥漿、沖刷井壁和套管壁，并攜帶井壁上的殘留物，保證井眼的清潔質量，同時能在井壁形成一層具有一定黏度的薄膜，提高鉆井液頂替效率和改善界面膠結質量。另外，該高效隔離液流變性能容易調節，并與鉆井液、水泥漿體系具有很好的流變性相容性能力，對水泥漿的稠化時間無影響，能有效保證注水泥施工時的安全［11］。

針對超深井小間隙的復雜情況，設計的高效隔離液應滿足以下要求：

（1）密度。應考慮平衡壓力固井及井下安全的需要確定所需隔離液密度，隔離液的密度應盡可能達到ρ隔離液=1/2（ρ鉆井液+ρ水泥漿），至少應滿足ρ鉆井液<ρ隔離液<ρ水泥漿。

（2）相容性。要求與鉆井液、水泥漿有良好的相容性，按不同比例混合不能影響水泥漿稠化時間。

（3）沉降穩定性。經90 ℃高溫養護之后，靜止2h上下密度差不大于0.02 g/cm3。

（4）流變性。為了有效提高環空頂替效率，環空流體流變性應滿足梯級匹配，環空流體層層推進以有效提高頂替效率。隔離液流變性應滿足動塑比：

（5）用量設計。根據理論計算與現場經驗，高效隔離液用量同樣按紊流接觸時間7～10 min計算，且隔離液用量宜不少于先導漿用量的1.5倍，這樣才能保證隔離液能充分清洗干凈井筒，為保證施工安全，則建議施工的隔離液用量應加倍［12］。

高效隔離液配方：現場水+W%GYW-201+Z%GYW-301+重晶石，基本性能見表3。

表3　高效隔離液的基本性能

根據上表數據可以看出，不同密度的高效隔離液在常溫與高溫條件下，高溫時的流動性優于常溫，它能改善界面與水泥環的親合性，提高頂替效率和界面膠結強度，防止環空界面微間隙形成，減少環空氣竄等后續作業的安全隱患，滿足了設計的要求。

2.4防污染實驗設計

鉆井液與水泥漿只要接觸均存在不同程度的污染，形成一些難以破壞的膠凝結構，不但影響頂替效率，而且危及注水泥時的施工安全，這是導致超深井小間隙固井質量低的重要原因和引發固井工程事故的隱患。目前對于常規井，為防止井下漿體之間發生污染，僅針對水泥漿、鉆井液、隔離液三相之間的污染實驗展開了研究，但對于超深井小間隙，該防污染實驗設計并不適用，因為，在超深井小間隙采用的是水泥漿、鉆井液、先導漿、隔離液的環空漿柱結構，應對它們四相之間展開防污染實驗設計［13］。為此以西南油氣田雙探1井?127 mm尾管固井為例開展實驗研究，該井鉆井液、先導漿、隔離液、水泥漿密度分別為1.9 g/cm3、1.9 g/cm3、1.92 g/cm3和2.02 g/ cm3。參照API規范10對漿體進行四相污染稠化實驗，現場固井施工安全時間290 min，污染稠化實驗在143 ℃×90 MPa×60 min條件下進行，結果見表4。

表4　雙探1井污染稠化實驗

根據以上實驗數據表明，采用水泥漿、鉆井液、隔離液、先導漿四相之間的防污染實驗設計，不僅能說明在防止水泥漿與鉆井液的污染時，抗污染先導漿和高效隔離液的應用起到了較好的效果，而且還表明采用該防污染實驗設計有效地保證了注水泥施工的安全。

2.5注替參數排量設計

通過大量的研究結果及現場施工經驗表明，頂替水泥漿的最佳流態是紊流，其次是塞流。在常規井固井中通常采用紊流頂替來提高水泥漿頂替效率，但對于超深井小間隙而言，水泥漿難以達到紊流頂替的情況，為了提高頂替效率，采用紊流-塞流復合頂替技術，即先導漿與隔離液出套管后采用紊流頂替；水泥漿出套管后，采用塞流頂替［14］。

根據水泥漿臨界排量計算公式［15］

對于塞流，取Rec=100，得

對于紊流，取Rec=3 470-1 370 n，得

對式（2）、（3）分別取對數相減得

式中，Vc為臨界返速，m/s；Rec為臨界雷諾數，無因次；n為流性指數，無因次；K為稠度系數，Pa·sn；Dh為井眼直徑，mm；DP為套管外徑，mm；Qw為紊流頂替排量，L/s；Qs為塞流頂替排量L/s；ρ為水泥漿密度，g/cm3。

根據上述公式，以西南油氣田雙探1井?127 mm尾管固井為例開展研究。已知漿體的流動參數，可以計算出該井的注替參數施工排量，見表5。

表5　漿體性能參數

再根據上述公式，結合表5漿體性能參數，計算出水泥漿、先導漿、隔離液施工排量見表6。

表6　紊流、塞流臨界頂替排量

現場可以根據理論計算出的參數作為參考，先導漿與隔離液出套管后采用紊流頂替，即先導漿排量為14.2 L/s，隔離液排量為10.8 L/s，水泥漿出套管后，采用塞流頂替，即排量為1.83 L/s。針對超深井小間隙注水泥，通過合理的設計注替參數的施工排量，能有效提高頂替效率，保證注水泥的施工安全。

3　現場應用情況及效果

雙探1井是中石油西南油氣田分公司在四川盆地雙魚石潛伏構造上的一口重點預探井，電測井溫159℃，設計井深6 940 m，實際完鉆井深7 308.65 m，是川渝地區垂深最深井。本井五開?127 mm尾管固井下深7 308 m，鉆井液密度1.90g/cm3，由于井眼深，環空間隙小，頂替難度大，為了保證注水泥時的安全，設計采用特殊的漿柱結構鉆井液、先導漿、隔離液、水泥漿，先導漿體積用量28.5 m3密度為1.90 g/cm3，隔離液用量20.1 m3密度為1.92 g/cm3，經注替參數臨界排量公式計算，施工排量為10L/s。尾管段理論容積6.6 m3，頂替水泥漿5 m3，尾管段總替漿量6.7 m3，替漿總量為43.4 m3。

從聲幅測井情況顯示，在測井井段總長度999.5 m中，測井結果顯示優的總長度726.6 m占73%，中等的總長度116.9 m占11.7%；顯示差的井段只有152.9 m占15.3%，其中合格率達到84.7%。表明該井界面反應良好，膠結質量好，充分說明采用該安全注水泥的一系列技術能有效地避免鉆井液與水泥漿的接觸污染，改善了界面膠結狀態，提高了層間封隔和界面膠結質量，保證了注水泥時的施工安全。

4　結論與認識

（1）針對超深井小間隙，采用特殊環空漿柱結構，以及抗污染先導漿與高效隔離液的設計，不僅解決了超深井小間隙的鉆井液與水泥漿界面接觸污染的問題，而且有效清除了井壁虛濾餅、膠凝鉆井液，尤其是環空井眼不規則井眼滯留的膠凝物質，提高了層間封固質量，保證了超深井小間隙的注水泥時的安全。

（2）防污染實驗的設計，有效地評價了超深井小間隙水泥漿、鉆井液、先導漿、隔離液四相漿體之間的相容性，并且說明抗污染先導漿與高效隔離液的使用效果是明顯的。

（3）通過對注替參數施工排量的設計，指導了水泥漿、先導漿、隔離液的施工排量，不僅能有效提高頂替效率，還保證注水泥時的施工安全。

（4）注水泥風險很大，施工前應充分做好各個施工環節的風險分析、應急預案，做好充分的應急準備。該技術在超深井小間隙雙深1井?127mm尾管固井中的成功應用，為今后超深井小間隙的安全注水泥技術提供了成熟條件。

［1］周仕明，丁士東，桑來玉.西部地區復雜深井固井技術［J］.石油鉆探技術，2005，33（11）：83-86.

［2］汪海閣，白仰民，高振果，等.小井眼環空壓耗模式的建立及其在吉林油田的應用［J］.石油鉆采工藝，1999，21（4）：1-6.

［3］周仕明，李根生，方春飛.元壩地區?146.1mm尾管固井技術難點與對策 ［J］.石油鉆探技術，2010，38（4）：41-44.

［4］任欽平，陳斌，樂尚文，等.云安21井127mm超短尾管固井技術 ［J］.鉆采工藝，2006，29（3）：110-112.

［5］ 林強，鄭力會，崔小勃，等.高溫高壓小井眼尾管固井技術應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，11（4）：24-26.

［6］ 馬勇，郭小陽，姚坤全，等.鉆井液與水泥漿化學不兼容原因初探［J］.鉆井液與完井液，2010，27（6）：46-48.

［7］ 李少池，周煜輝.小井眼環空水力學評述［J］.石油鉆采工藝，1997，19（5）：27-31.

［8］ 劉崇建，黃柏宗，等.油氣井注水泥理論與技術［M］.北京：石油工業出版社，2001.

［9］ 王東．塔深1井固井技術［J］．石油鉆采工藝，2007，29（4）：23-27.

［10］MORRIS W, CRIADO A,et al. Design of high toughness cement for effective long lasting well isolations ［R］. SPE 81001,2003.

［11］HANSEN Svein A, ROLV Rommetveit. A new hydraulics model for slim hole drilling applications ［J］. SPE 57579,1999.

［12］T GILMORE Odd, HARRISON James. Effective slimhole cementing in a challenging environment –Agulf of Thailand case history ［J］. SPE 68671, 2001.

［13］劉崇建，劉孝良，劉乃震，等.提高小井眼水泥漿頂替效率的研究［J］.天然氣工業，2003，23（2）：46-49.

［14］吳朗.小井眼窄間隙注水泥設計與軟件系統研制［D］.成都：西南石油大學，2012.

［15］丁士東.塔河油田紊流、塞流復合頂替固井技術［J］.石油鉆采工藝，2002，24（2）：20-22.

（修改稿收到日期2015-01-25）

〔編輯薛改珍〕

Research and application of safe cementing technology in ultra-deep wells of small clearance

GUO Xiaoyang1, ZHANG Kai1, LI Zaoyuan1, CHANG Hongqu2, YAO Kunquan2
（1. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Southwest Oil & Gas Field Company, CNPC, Chengdu 610041, China）

Cementing is a key link in cementing operation, and its success or failure will directly affect the life of oil/gas wells. For small clearance in ultra-deep wells, the design of cementing job is most important, which will directly affect the cementing quality. Due to great well depth and small annular space, the cementing operation involves large friction drag, high pump pressure and poor displacement efficiency during usually induces fluid loss and contamination, which will severely affect the safety of cementing job. In view of the above problems, technical research has been performed and a number of techniques have been presented such as optimizing the design of annular fluid and string structure, the design of anti-contamination prepad fluid, the design of efficient spacer fluid, the design of anti-contamination experiment and the design of cementing and displacement parameters in conjunction with fluid rheology. The application of this technology not only ensures the safety of cementing operation, but also improves the cementing quality in small clearance in ultra-deep wells. The Shuangtan-1 Well cemented with ?127 mm liner was taken as an example, to show the technical measures of safety cementing in small clearance ultra-deep wells and the application effect; field application indicates that this technology is applicable and can ensure safety of cementing operation. The cementing quality is also good.

ultra-deep well; small clearance; safety; cementing; cementing quality

TE256

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0039 – 05

10.13639/j.odpt.2015.02.011

川慶鉆探公司工程技術研究院資助項目“特殊工藝井固井技術現狀調研與分析”（編號：GCC201206010）。

郭小陽，1951年生。西南石油大學“油氣藏地質及開發”國家重點實驗室，主要從事固井與完井工程及材料體系研究，教授，博士生導師。電話：18583280528。E-mail：guoxiaoyangswpi@126.com。

引用格式：郭小陽，張凱，李早元，等.超深井小間隙安全注水泥技術研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：39-43.