海上超高溫高壓探井棄井水泥塞技術

李祝軍，韓成，魏安超，劉賢玉，楊玉豪

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

鶯瓊盆地超高溫高壓探井的井底溫度超過200 ℃，井底壓力達到100 MPa，高壓氣層活躍，棄井作業過程中為封固井底高壓氣層，高密度棄井水泥塞面臨著井底溫度高，漿體穩定性要求高，高壓氣層易發生氣竄，井底安全密度窗口窄，注水泥塞過程中極易發生漏失，封隔段較長，棄井水泥塞頂底溫差大，頂部水泥強度發展緩慢等諸多難題[1-5]，針對現場存在的難題，經過一系列優化措施，形成了鶯瓊盆地超高溫高壓棄井水泥塞技術，該技術在鶯瓊盆地多口超高溫高壓探井中得到成功應用，其中應用最高井底靜置溫度達213 ℃，循環溫度達183 ℃，水泥漿最高密度達2.50 g/cm3，注水泥作業過程中無井漏及氣竄發生，均成功封固住高壓氣層，為類似超高溫高壓棄井作業注水泥塞提供技術參考。

1 棄井水泥塞難題

1）地層壓力復雜，安全密度窗口窄。鶯瓊盆地目的層砂巖承壓能力薄弱，安全密度窗口極窄，前期鉆井過程中井漏頻繁。注棄井水泥塞過程中，高密度水泥漿流動性差，黏度大，泵送過程中循環壓耗較大，易壓漏地層，同時高密度水泥漿易沉降，影響棄井水泥塞質量[6]。

2）地層壓力系數高，易發生氣竄。鶯瓊盆地井底地層壓力系數超過2.30，且氣層活躍，注棄井水泥塞到位后，水泥漿失水以及靜膠凝失重過程中，靜液柱壓力越來越小，且會發生不同程度收縮，形成氣竄通道，地層流體竄入環空，嚴重影響固井質量[7-8]。

3）地層溫度高，封固段頂部水泥易“超緩凝”。鶯瓊盆地井底靜止溫度超過200 ℃，由于封隔水泥塞較長，導致頂底溫差大，超高溫下水泥漿緩凝劑加量大，易造成頂部水泥長期不凝，出現“超緩凝”現象。另外，水泥石強度高溫下易衰退，水泥石滲透率增大，影響棄井水泥塞封固質量[9-10]。

2 棄井水泥塞設計

2.1 優選加重材料

為解決高密度水泥漿流動性及沉降穩定性之間的矛盾，使用球形顆粒狀微錳礦加重水泥漿。微錳礦顆粒粒徑小，在水泥漿中懸浮性好，同時由于微錳礦顆粒為球形顆粒，有利于提高漿體密度，且球形顆粒間摩擦系數小，在流動過程中顆粒間的摩擦表現為滾動摩擦，可顯著提高水泥漿的流動性。因而微錳礦加重的高密度水泥漿的流動性及沉降穩定性均較好，能顯著降低高密度水泥漿泵送過程中的循環壓耗，降低窄安全密度窗口井井漏風險[11-12]。

2.2 防氣竄性能設計

為提高水泥漿防氣竄性能，在水泥漿中引入抗溫能力超過200 ℃抗高溫成膜降失水劑U-7。該降失水劑能在水泥顆粒上吸附形成一層致密封堵膜，由于分子之間形成網架結構，可防止水泥顆粒相互聚結，圈閉自由水，降低高密度水泥漿失水量，提高防氣竄能力。圖1 為未加抗高溫成膜降失水劑U-7 及加入U-7 形成的水泥石截面掃描電鏡圖，水泥石基礎配方及養護條件相同。由圖1 可知，加有U-7 的水泥石明顯較未加U-7 的水泥石致密，可顯著降低水泥石的滲透性，防止氣竄發生。

圖1 水泥石截面掃描電鏡圖

2.3 優選高溫強度穩定劑

水泥漿中加入硅粉可降低水泥石中Ca（OH）2和鈣硅比（C/S），能抑制高密度水泥石在高溫環境下的強度衰退現象[13-14]。室內優選了硅粉S-8 的加量。水泥石養護溫度均為200 ℃，抗壓強度測試結果如圖2 所示。

圖2 不同硅粉加量及養護時間下水泥石抗壓強度（200 ℃）

由圖2 可知，硅粉S-8 加量在45%下，水泥石經過長時間作用仍然能保持良好的抗壓強度。

3 棄井水泥塞評價

通過室內實驗獲得密度為2.40 及2.50 g/cm3高密度水泥漿的基本配方如下。

G 級水泥+水+消泡劑F-2+防氣竄劑B-8+抗溫降失水劑U-7+分散劑C-3+高溫緩凝劑R-4+硅粉S-8+微錳礦

3.1 流變性與沉降穩定性

室內對比測量了微錳礦及鐵礦粉加重的密度為2.40 及2.50 g/cm3高密度水泥漿流變性能及沉降穩定性，結果如表1 所示。由表1 可知，使用微錳礦加重的高密度水泥漿塑性黏度較鐵礦粉加重的高密度水泥漿低，同時微錳礦加重的高密度水泥漿沉降密度差為0.01 g/cm3，低于鐵礦粉加重的高密度水泥漿沉降密度差0.03 g/cm3，說明微錳礦加重的高密度水泥漿具有良好的流動性，同時具有良好的沉降穩定性。

表1 使用不同加重劑的水泥漿流變性及沉降穩定性對比

3.2 防竄性能

通過考察使用微錳礦加重的密度為2.40 g/cm3及2.50 g/cm3高密度水泥漿的SPN值來評價其高溫高壓下的防氣竄性能，結果如表2 所示。微錳礦高密度水泥漿失水量低，且水泥漿稠化過渡時間低于10 min，SPN值均小于1，說明優化后高密度水泥漿具有良好的防氣竄性，另一方面，在20 ℃溫差范圍內，優化后高密度水泥漿稠化時間相差不大。

表2 高密度水泥漿防竄性能評價

3.3 水泥石高溫強度

利用超聲波抗壓強度測試儀測試了密度為2.50 g/cm3水泥漿在高溫高壓下的抗壓強度，模擬溫度為185 ℃，實驗壓力為97 MPa，實驗結果如圖3所示。由圖3 可知，在高溫高壓環境下，水泥石的強度發展較快，20 h 后強度達到20 MPa，且不衰退，說明水泥塞的抗高溫強度較好。

圖3 水泥石高溫高壓條件下強度評價

4 防漏隔離液

針對窄壓力窗口注高密度水泥塞易發生漏失問題，進行了隔離液防漏性能優化。前期隔離液配方為水+0.4%消泡劑F-2+2%微硅B-8+3%降失水劑P+1.0%分散劑C-3+重晶石，在隔離液中引入抗溫能力超過200 ℃的納米封堵材料Sealbond。室內評價了加入10%封堵材料Sealbond 及未加Sealbond隔離液的砂床封堵情況，實驗使用40/60 目石英砂，實驗壓力為0.69 MPa，實驗漿密度為2.35 g/cm3，實驗漿均經過200 ℃熱滾16 h，實驗結果如圖4所示。由實驗結果可知，引入封堵材料Sealbond的實驗漿經過24 h 后砂床侵入深度為1.5 cm，低于優化前實驗漿砂床侵入深度3.5 cm，這是由于Sealbond 納米極性基團在地層可形成親水性堵漏膜，可提高漏失地層承壓能力。

圖4 隔離液封堵性能評價

5 擠入式固井工藝

超高溫高壓井氣層活躍，水泥塞頂底溫差大，底部水泥漿易終凝而頂部水泥漿易緩凝，壓不住地層，極易發生氣竄。為防止超高溫高壓井井筒大溫差引起的氣竄，現場多采用擠入式固井注水泥塞方式。即在頂替水泥漿過程中，實際頂替量較設計頂替量少頂替一定量，然后上提注水泥塞鉆具至安全深度，關防噴器，通過固井泵進行擠入水泥漿，控制實際擠入量不超過設計頂替量，同時擠入壓力不超過要求的井底當量，憋壓候凝至水泥塞設計時間。

6 現場應用

鶯瓊盆地超高溫高壓探井棄井水泥塞技術在南海西部多口井得到成功應用，現場注水泥塞過程中無漏失發生，作業順利。現場應用統計結果如表3所示，由統計結果可知，應用井最高井底靜止溫度為213 ℃，循環溫度為183 ℃，安全密度窗口僅為0.07 g/cm3，水泥漿密度最高為2.50 g/cm3。

表3 鶯瓊盆地超高溫高壓井測試氣層封隔水泥塞現場應用統計

以LD1011A 井為例，該井進行套管射孔測試作業，射孔段深度為4210～4290 m，根據測試壓力計記錄的溫度及壓力數據，推算井底溫度為213℃，井底壓力達到96 MPa，地層壓力系數為2.30。測試結束后，解封封隔器循環壓井過程中發生井漏，漏失壓力當量鉆井液密度約為2.37 g/cm3，安全密度窗口僅為0.07 g/cm3。測試結束后轉入本井注棄井水泥塞作業，為防止井漏發生，調整井筒測試液密度至2.30 g/cm3，現場設計水泥漿循環溫度為183℃。為降低水泥漿與測試液混漿量，設計水泥漿密度為2.50 g/cm3，前置液采用防漏隔離液，充分清洗井壁，強化井壁穩定，提高地層承壓能力。設計水泥塞段長267 m，使用密度為2.30 g/cm3測試液頂替水泥漿，根據軟件模擬頂替過程中ECD結果，保持頂替壓力不超過14.11 MPa，則井底ECD不超過2.35 g/cm3，注水泥塞過程比較安全。現場使用擠入式固井注水泥塞，實際頂替水泥漿較設計頂替量少1.11 m3，折算井筒水泥高度為100 m 時，即井筒預留100 m 的水泥塞，上提注水泥塞鉆具至安全深度，關防噴器進行試擠，根據試擠排量和壓力調整擠注泵速和擠入量，控制最高壓力不超過2.42 MPa，折算井底承壓當量密度為2.37 g/cm3，同時擠入量不超過1.11 m3。水泥漿設計可泵時間為420 min，安全時間為126 min，可擠注時間為94 min。后面憋壓2.07 MPa 候凝至設計時間，起鉆，下入鉆塞鉆具，探水泥塞面深度為4100 m，鉆塞至4123 m 后，關閉閘板防噴器，利用泥漿泵進行試壓，壓力通過鉆桿到井底，同時壓力通過阻流管匯到環空再作用到井底，兩條通道對井底試壓4.14 MPa（600 psi），試壓期間立管壓力及套管壓力穩定，井口無返出，井筒穩定，折算井筒承壓當量密度為2.40。圖5 是現場試壓作業過程中的錄井圖。由圖5 可以看出，試壓期間立管壓力及套管壓力穩定在4.14 MPa（600 psi），井口無返出，計量罐體積沒有增加，井筒穩定，折算井筒承壓當量密度為2.40 g/cm3。

圖5 LD1011A 井注水泥塞后進行試壓錄井圖

7 結論

1.通過使用微錳礦加重水泥漿可解決高密度流動性與漿體穩定性之間的矛盾，優選抗高溫成膜降濾失劑提高高密度水泥漿防氣竄性能，優化硅粉加量提高高密度水泥石高溫抗壓強度等一系列措施，優化得到了使用于超高溫高壓井的水泥漿體系。

2.使用優化后的高密度水泥漿體系及防漏隔離液，配合擠入式固井工藝，可解決鶯瓊盆地超高溫高壓井探井棄井水泥塞面臨的難題，且現場應用效果較好。