華北油田楊稅務潛山內固井技術

和建勇，　李擁軍，　宋元洪，　崔樹清，　馬倩蕓，　唐鴻斌，　李歡

（1.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062550；2.華北油田公司勘探事業部，河北任丘 062550；3.渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300457）

河西務潛山帶位于廊固凹陷東部，是受河西務斷層、楊稅務斷層控制的“地壘”型潛山帶，整體呈南高北低、東高西低的構造背景，潛山頂部主要為中奧陶統，包括峰峰組（O2f）、上馬家溝組（O2s）、下馬家溝組（O2x）、亮甲山組和冶里組地層，潛山內幕則發育寒武系、青白口系、薊縣系等碳酸鹽巖地層；潛山頂面之上依次由石炭系—二疊系和古近系覆蓋[1]。隨著潛山油氣藏勘探開發程度的不斷提高，潛山油藏年產量急劇下降，為進一步發現潛山內高效油氣儲量，華北油田在冀中坳陷廊固凹陷楊稅務潛山構造先期部署了安探1X、安探2X、安探3等3口重點探井，目的是為了探明上馬家溝、下馬家溝、亮甲山組油氣儲量。在潛山內固井，固井質量直接影響大型體積壓裂求產效果。因此固井作業成為楊稅務潛山開發的關鍵工序之一。楊稅務潛山內地質條件復雜，地層壓力系數為0.94～1.09，存在多套活躍油氣層共存、埋藏深、易漏失、地溫梯度高、小井眼小間隙、尾管封固段長、對水泥環完整性要求高等特點，給潛山內φ127 mm尾管固井帶來極大的風險，固井施工安全和固井質量難以保證。針對以上固井難點，結合安探1X井、安探3井φ127 mm尾管固井出現的憋高壓、固井工具失效等復雜情況，探索出一套提高華北油田深層潛山內固井質量的工藝技術，該技術在安探2X井φ127 mm尾管和安探4X井φ177.8 mm尾管固井推廣應用，為今后華北油田楊稅務潛山內固井提供技術支撐。

1　井身結構

楊稅務潛山構造井身結構為：一開使用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深400 m，下入φ339.7 mm套管常規固井；二開使用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深3 000～3 500 m，下入φ244.5 mm套管雙級固井；三開使用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 800～4 900 m，下入φ177.8 mm套管尾管固井；四開使用φ152.4 mm鉆頭鉆至井深5 500～5 900 m，下入φ127 mm套管尾管固井，再使用φ177.8 mm套管回接固井。

2　超深小間隙尾管固井難點

2.1　井底溫度高

水泥漿在高溫條件下穩定性差，高溫外加劑敏感性較強，水泥漿失水及稠化時間不易調節。先期部署的3口井，安探2X井井底靜止溫度195 ℃，尾管懸掛器位置靜止溫度150 ℃，要求封固地層上下溫差達到45 ℃，在大溫差條件下重合段水泥容易出現超緩凝現象[2]，將嚴重影響后期作業。

2.2　尾管段長、環空間隙小

φ127 mm尾管固井裸眼井段理論水泥環厚12.7 mm，尾管懸掛器最大外徑為147 mm，水泥環厚度為5 mm，屬于小間隙尾管固井作業。通井作業中，由于井深、裸眼段長、環空間隙小，循環壓耗大，受壓力限制通井循環排量受限，裸眼大肚子井段沉砂驅替不干凈，固井過程中水泥漿的稠度較高，攜帶沉砂上返，易在重合段或小井眼井段發生環空憋堵，憋漏地層或管內預留水泥塞[3]，造成水泥漿低返，達不到設計要求。

2.3　地層壓力系數低、油氣層活躍

潛山內地層壓力系數低，且油氣層活躍。由于地層承壓能力低，水泥漿密度和施工排量受到限制，下套管作業激動壓力和固井環空液柱壓力增加易造成井漏。安探1X和安探2X井分別在井深5 104.94 m、4 911 m鉆進過程中發生溢流，碰壓后起出中心管，管內外壓力平衡被破壞，易發生油、氣、水竄，嚴重影響固井質量[4]。

2.4　水泥環完整性要求高

固井作業后，采用體積壓裂技術增產，對水泥環的完整性要求更高。常規水泥石在體積壓裂條件下易破碎，壓裂過程中容易發生層間互竄。若上部回接井段固井質量較差，使得井口出現環空帶壓或冒油冒氣現象，周邊環境受到影響，井口裝備和作業人員的安全風險增加，嚴重影響油氣井的壽命。

3　超深小間隙尾管固井技術

3.1　井眼清潔技術

超深小間隙尾管模擬套管剛性合理選配鉆具組合，采用3個扶正器通井，扶正器外徑選擇φ146 mm。下鉆到底后，充分循環鉆井液，啟動所有的凈化設備，如振動篩、除砂器等，循環排量選擇環空返速達到1.2 m/s，循環處理鉆井液不少于2周，循環正常后配制8～10 m3黏度為150 s左右的高黏鉆井液，裹砂1次。高黏鉆井液中加入了纖維[5-6]，其具有抗高溫性能，有助于清除井底及大肚子井段沉砂。起鉆之前注入的封閉漿禁止加入塑料小球潤滑，以免影響尾管懸掛器坐掛。

3.2　井下工具附件設計

1)懸掛器結構設計。φ127 mm尾管固井環空間隙小，理論設計增加懸掛器坐掛后過流面積，可降低循環阻力。安探3井φ177.8 mm尾管固井采用內嵌式卡瓦懸掛器，坐掛后過流面積比普通懸掛器增加34%[7]，但下完套管后開泵困難，受循環壓力限制，循環排量達不到設計要求。分析原因認為內嵌式卡瓦懸掛器整體過流面積雖增加，但單孔尺寸減小，大顆粒的沉砂不能通過，循環和固井作業易發生憋堵等問題，影響固井施工安全。安探2X井選用普通懸掛器，配合井眼清潔技術，循環排量達到設計要求，保證了固井施工安全。

2）扶正器設計。φ127 mm尾管固井環空間隙小，如果裸眼段采用鉸鏈式彈性扶正器，管串下入過程中，扶正器易損壞，影響套管安全下入。因此，安探區塊直井采用整體彈弓彈性扶正器（見圖1（a）），外徑為φ152 mm，定向井采用套管旋流短節扶正器（見圖1（b）），外徑為φ146 mm，保證套管安全下入。

小間隙固井由于環空間隙小、套管居中度及注替排量達不到設計要求，固井質量很難保證的情況，以安探2X井為例，對比裸眼段最大井徑186.24 mm（井深5 425 m）處頂替效率，分析套管居中度對固井頂替效率的影響。一是按設計在裸眼井段的關鍵處加入套管旋流短節扶正器，該處平均套管居中度為7.05%（見圖2（a）、圖3（a））；二是在裸眼井段加入剛彈相間扶正器，該處平均套管居中度為55.06%（見圖2（b）、圖3（b））。由此可知，在其他參數相同的條件下，套管居中度越高，固井頂替效率就越高。因此，在保證套管安全下入的前提下，關鍵井段扶正器按照剛彈相間設計，頂替效率可以達到90%以上。

圖1　整體彈弓彈性和套管旋流短節扶正器

圖2　不同設計方法扶正器對安探2X井裸眼井段套管居中度的影響

圖3　井深5 425 m處橫向剖面頂替效率模擬曲線

3）前置液設計。清除低固相鉆井液形成的泥餅，最有效的方法就是使用含有氧化劑的沖洗液[8]，因此注水泥前必須使用含有氧化劑的沖洗液（10%JPY-01水溶液）清除井壁泥餅和清洗管壁。但淡水低固相鉆井液與水泥漿的相容性差，因此在使用沖洗液的同時，還必須選用一種沖洗加重隔離液，間隔鉆井液與水泥漿，為此選用菱角形加重材料配制沖洗隔離液（水+高溫懸浮劑+沖洗劑+加重材料+抗污染劑），既提高沖洗效果，又可以隔離鉆井液與水泥漿，保證施工安全。沖洗液及沖洗隔離液性能見表1。由此可知，相同條件下沖洗加重隔離液比單一的沖洗液沖洗效率高。由于室內模擬條件與實際情況存在差異，為使井壁和套管壁沖洗干凈，在設計沖洗接觸時間上附加45%～70%，保證有效接觸時間達到10 min以上。因此，φ127 mm尾管固井沖洗液一般用量為2～3 m3，沖洗隔離液用量為10～15 m3，能夠解決井壁的水潤濕情況，提高水泥漿頂替效率和界面膠結質量。

表1　沖洗液及沖洗隔離液性能

4）韌性水泥漿設計。在潛山內進行體積壓裂，套管和水泥環均要承受高強度的擠壓，要求水泥石具有一定的塑性形變，用來滿足水泥環的完整性，達到保護套管和有效封隔油氣層的目的。為提高水泥漿的防竄性能，在水泥漿中加入膠乳防竄劑和防竄調節劑[8]。并在水泥漿中加入增韌劑和增強材料，提高水泥石的抗拉強度和塑性形變的能力，提高抗沖擊動能的吸收，延緩微裂縫的擴展速率，增強水泥石的韌性[9]。水泥漿配方如下。

G級水泥+40%高溫增強材料DRB-2S+5%增韌材料DRE-300S+0.8%分散劑DRS-1S+0.5%懸浮劑DRY-S2+0.8%穩定劑DRK-3S+8%膠乳防竄劑DRT-100L+1.2%防竄調節劑DRT-100LT+2.5%降失水劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+（1.3%、2.2%）緩凝劑DRH-200L +48%現場水

水泥漿性能見表2，稠化曲線見圖4。由此可知，稠化曲線有波動，但是稠度控制在20 Bc左右，尾漿同樣具有良好的可泵性，不影響現場施工。

表2　韌性水泥漿基本性能

圖4　楊稅務潛山內φ127 mm尾管固井用韌性水泥漿稠化權限

采用三軸巖石應力儀，考察了增韌材料對水泥石力學形變能力的影響[10-12]，其三軸差應力－應變曲線見圖5。

圖5　楊稅務潛山內φ127 mm尾管固井用韌性水泥漿水泥石的三軸差應力－應變曲線

由圖5可以看出，水泥石在低差應力下表現出較好的韌性，隨著差應力逐漸增加，水泥石應變逐漸增大，當達到極限差應力40 MPa時，水泥石應變為1.03%，水泥石瞬間碎裂。因此在大型體積壓裂求產過程中，控制差應力不超過40 MPa，可以保持水泥石的完整性，實現油氣水層有效封隔。

5）膠塞試下技術。目前，固井作業計量主要采用渦輪式流量計，該流量計內部結構設計簡單，操作簡便，計量誤差為±3%，滿足常規固井作業基本要求。但對于復合鉆具+小尾管固井頂替液設計復雜，頂替過程中開停泵、鉆井液儲存罐更換次數頻繁，容易出現計量誤差大，固井不能保證正常碰壓，且替漿時易造成管內留塞或環空替空事故。針對以上問題，下尾管前采用復合鉆桿膠塞試下的方法，入井管柱結構為復合鉆桿 +滑套短節+刮壁器，對送入鉆具的內容積、內表面及復合膠塞的通過能力、隔離能力、耐磨損能力和流量計的誤差進行校對，確保固井施工計量準確，防止管內留水泥塞或環空替空，漏封油氣層。

6）關鍵點壓力設計。通過軟件模擬關鍵點施工壓力變化情況，進一步優化施工參數，保證固井施工期間關鍵點處于壓力平衡狀態。從先期完成的3口井來看，楊稅務潛山內油氣藏活躍，要求固井施工必須實現三壓穩。例如，安探2X井鉆進至井深4 911 m時，全烴值達到99.99%，槽面見2～5 mm氣泡密集，液面升高約2 cm，鉆井液入口密度為1.05 g/cm3，取樣點火試驗，淡藍色火焰。通過加重鉆井液密度至1.09 g/cm3恢復鉆進。

圖6　安探2X井4 911 m固井施工壓力當量密度預測曲線

從圖6可知，井深4 911 m處固井期間壓力當量密度控制在1.23～1.29 g/cm3之間變化，大于地層孔隙壓力當量密度，小于漏失壓力當量密度。與現場實際施工數據對比，固井施工期間沒有發生漏失、溢流等復雜情況，軟件模擬與實際施工效果相符合。但正常碰壓后起出中心管，破壞原有的壓力平衡。為保證固井候凝期間壓力平衡，鉆具起到安全位置，循環清理多余的水泥漿，關井憋壓候凝，使井筒實現二次壓力平衡。

4　現場應用

1）安探2X井φ127尾管固井。安探2X井四開使用φ152.4 mm鉆頭鉆至井深5 899 m，完鉆鉆井液密度為1.13 g/cm3，黏度為95 s，初切為2 Pa，終切為4 Pa，最大井斜為24.31°/5 825 m，最大井徑為186.4 mm/5 400～5 425 m，實測井底靜止溫度為195 ℃。φ127 mm尾管下深為5 896 m，尾管全長為1 284.81 m，阻位為5 827.29 m，下入鋁合金剛性扶正器3只，旋流短節12只。固井前鉆井液密度為1.13 g/cm3，黏度為87 s，初切為2 Pa，終切為4 Pa。

2）井眼清潔。采用三扶通井，三扶通井管串中扶正器外徑為φ146 mm，通井到底后，充分循環鉆井液，并啟動所有的凈化設備，循環排量1.2 m3/min，處理鉆井液3周，循環正常后配制加入纖維且黏度為155 s的高黏鉆井液8 m3，裹砂1次。

3）施工過程。下完套管循環排量1.05 m3/min，最高泵壓20 MPa。固井依次注入2 m3沖洗液JPY-01、7.5 m3密度為1.40 g/cm3沖洗隔離液、2 m3配漿水；4.8 m3密度為1.85 g/cm3領漿、9 m3密度為1.85 g/cm3尾漿，注灰排量為0.81 m3/min；1 m3壓塞液、12 m3密度為1.40 g/cm3間隔液、30.4 m3密度為1.13 g/cm3鉆井液，替漿排量1 m3/min，最高泵壓為15 MPa，碰壓18 MPa。

3）質量分析。該井采用八扇區固井質量檢測技術，由固井質量聲幅圖可知，實現了油氣水層的有效封隔，固井質量合格。但部分井段膠結中等，對比井徑、聲幅圖和扶正器的加法，今后還需優化井眼清潔技術措施，采用軟件合理設計扶正器，提高套管居中度，提升固井一、二界面的膠結質量。

5　結論

1.采用旋流短節扶正器，解決了超深小間隙尾管下套管過程中，扶正器損壞造成的卡套管等復雜事故，保證了套管安全下入。

2.采用軟件模擬頂替效率和預測關鍵點壓力變化情況，合理調整施工參數，預防井下漏失，實現活躍油氣層壓穩，保障固井施工實現“三壓穩”。

3.采用韌性防氣竄固井水泥漿體系，配合批混批注技術，實現了注入井筒內水泥漿密度均勻，確保水泥漿性能穩定，水泥石韌性滿足體積壓裂要求。

4.采用復合膠塞試下技術，驗證送入鉆具的內容積、內表面及復合膠塞的通過能力、隔離能力、耐磨損能力。并對流量計的誤差進行校對，防止管內留水泥塞或環空替空，漏封油氣層。