明15 井?244.5 mm 套管高密度水泥漿固井技術

中國石油西部鉆探工程公司國際工程公司

費爾甘納盆地普遍具有高溫、高壓、高含鹽、高含硫、油藏埋藏深的特點，其明格布拉克區塊壓力安全窗口窄，對施工材料、設備、工具和固井工藝要求高，固井難度、風險和成本大。明15 井是2017 年中石油集團公司布署在烏茲別克斯坦費爾甘納盆地明格布拉克油田重點深井探井，具有典型的“四高一超”特征。

明15 井三開完鉆層位在第三系KKC2 組，鉆進穿過第三系BPC3～BPC8 組，該地層上部為粉砂巖和灰色泥巖互層，下部為灰色棕色泥巖，夾泥質粉砂巖；在4 713～4 715 m、5 082～5 088 m 井段見活躍的油氣顯示，鉆井液密度2.26 g/cm3，測后效，錄井顯示全烴值最高84.9%，油氣上竄速度97.4 m/h；提高鉆井液密度至2.28 g/cm3，測后效正常，該段鉆井液安全密度窗口只有0.02 g/cm3。

1 固井技術難點

明15 井三開?311.2 mm 井眼完鉆井深5 177 m，裸眼段長1 327.08 m (3 847.94～5 175.02 m)，設計?244.5 mm 套管下至5 175.02 m，其中分級箍位置3 401.2 m，一級套管與上一級套管的重疊井段為3 401.20～3 847.94 m，長度446.74 m，完鉆鉆井液密度2.26 g/cm3，折算井底壓力116 MPa，測井顯示地層溫度132 ℃。

1.1 高密度水泥漿體系調試難度大

深井、高溫高壓環境要求水泥漿具備平衡地層壓力、抵抗地層高溫的能力。要增加高密度水泥漿密度和改善水泥漿抗高溫、防竄等性能，必須加入外摻料和外加劑，然而外摻料和外加劑的加入會在水泥漿配制、注入和水化過程中相互作用，影響水泥漿的密度、穩定性、強度和失水等性能。明15 井水泥漿體系中加入了加重劑、高溫穩定劑、緩凝劑、防竄劑和懸浮劑等外摻料和外加劑，增加了水泥漿高溫高壓條件下的密度、流動性、穩定性、強度、自由水等性能調試中的不確定因素和試驗難度。

1.2 隔離液體系調試難度大

(1)井底溫度132 ℃，常規高密度隔離液黏度高、穩定性差、抗高溫能力差，達不到高密度水泥漿固井的要求。

(2)分級固井在工藝上鉆井液與水泥漿有多次接觸的可能，有機鹽體系對水泥漿的污染性強，因此隔離液的調試難度極大。

1.3 窄安全密度窗口，環空液柱壓力設計難度大

完鉆鉆井液密度2.26 g/cm3時，后效嚴重，油氣上竄速度大，調整至2.28 g/cm3后達到固井要求，安全鉆井液密度窗口只有0.02 g/cm3，因此液柱壓力設計不合理，固井出現油氣上竄現象不能實現層間封隔的風險極大。

1.4 大套管環空返速低，頂替效率差

深井大套管固井，循環排量和壓力達到設備極限，但環空返速遠低于紊流頂替的要求排量，固井過程的兩相頂替效率很難保證，井壁鉆井液驅替不干凈，容易產生混竄通道，影響固井質量。

1.5 分級固井微環隙影響預防困難

分級固井后鉆分級箍和附件過程中鉆具的轉動和套管的震動易造成一、二界面產生微環隙，聲幅和變密度測井對微間隙很敏感，易導致測井質量差。

2 抗高溫、抗鹽高密度水泥漿體系

高密度水泥漿性能調試中，密度越高，需要加入的加重劑、外加劑的量越多，對水泥漿的性能影響更大。因此在調試實驗中首先以2.45 g/cm3高密度水泥漿體系為基礎，以“緊密堆積”、“顆粒級配”和“滾珠效應”等理論為依據，優選加重材料和外加劑，優化水泥漿性能。在2.45 g/cm3水泥漿性能基礎上調試較低密度的水泥漿體系，以達到優化水泥漿性能的效果。

2.1 加重劑優選

加重劑密度、粒徑和圓度直接影響水泥漿性能。實驗發現密度越高，加重效果越好；顆粒級配越科學，高密度水泥漿強度越大；加重劑顆粒圓度越好，漿體的流動阻力越小，流動度越大。目前通常使用的高密度加重材料有重晶石粉、鈦鐵礦、赤鐵礦和Micromax (氧化錳加重劑)，主要性能見表1。

表1 加重劑主要性能Table 1 The main properties of weighting agent

明15 井三開設計水泥漿密度2.30～2.45 g/cm3，結合加重材料的“二元配比”和“三元配比”，考慮實驗效果和經濟效益，優選了赤鐵礦和氧化錳(BCW-500S)的“二元配比”作為主要加重劑［1-3］。

水泥石強度是固井的基礎，由于外摻料的增加，水泥相對含量降低導致高密度水泥石強度偏低，因此在穩定性和流動性實驗基礎上，根據實際加重材料的粒徑情況，結合顆粒級配，以二元級配為基礎，通過實驗優化了加重劑的配比和水灰比，提高了水泥石的強度(表2)。

表2 110 ℃、20.7 MPa 條件下水泥石抗壓強度Table 2 Compressive strength of the cement stone under 110 ℃ and 20.7 MPa

2.2 防竄降濾失劑優選

目前適用于深井的耐溫、防竄水泥漿體系主要有不滲透水泥漿和膠乳水泥漿兩大類。不滲透水泥漿的高溫適應性差，而且抗鹽效果差；膠乳水泥漿耐高溫、抗鹽能力強，混配難度大，且不環保。而BXF-200L 抗鹽防竄水泥漿體系在費爾甘納盆地有過成功應用的經驗，既有較強的防竄能力和抗鹽能力，同時能有效控制失水，適用水泥漿密度范圍廣。通過進一步調研，選擇了改良型的基體抗侵防竄劑BCG-200L，該防竄劑主要成分是具有微交聯結構的AMPS 多元共聚物，分子鏈經過微交聯處理后具有基體抗侵特性，抗鹽能力強，抗高溫性能好，網狀交聯效果好。泵送到位后由液態轉變為固態的過渡期內，膠凝強度迅速增大，提高了水泥漿的內部結構阻力，從而達到防竄目的。

(1) 1.90 g/cm3常規密度水泥漿在80 ℃時濾失對比實驗。在常規密度配方中分別加入相同質量BCG-200L 和BXF-200L 進行濾失實驗，當加量相對水泥質量為3%時BCG-200L 濾失50 mL，BXF-200L 濾失64 mL；當加量相對水泥質量為3.5%時，BCG-200L 濾失41 mL，BXF-200L 濾失52 mL。對比實驗發現相同加量條件下BCG-200L 控制濾失效果要好于BXF-200L，且BCG-200L 在較小的摻量下就能達到理想的濾失控制效果。

(2) 2.45 g/cm3高密度水泥漿在95 ℃時濾失對比實驗。在高密度配方中分別加入相同質量BCG-200L和BXF-200L 進行濾失實驗，當加量相對水泥質量為5.5%時BCG-200L 濾失42 mL，BXF-200L 濾失48 mL；當加量相對水泥質量為6%時，BCG-200L濾失30 mL，BXF-200L 濾失33 mL。對比發現相同加量下BCG-200L 濾失控制效果好于BXF-200L。

2.3 懸浮劑優選

為了提高水泥漿密度加入了大量加重劑，導致水泥漿體系需水量和稠度提高，流動度下降；如果增加體系中的自由水量，則會提高水泥漿體系的流動度，但是水泥漿容易出現分層現象，導致穩定性下降，因此調試高密度水泥漿性能時要綜合考慮穩定性和流動性。為了優化水泥漿的懸浮能力，適當加入起提黏作用的懸浮劑BCJ-300S，提高漿體密度在高溫高壓下的穩定性，并且確保良好的流動性(見表3)。

2.4 緩凝劑優選

井底循環溫度110 ℃是緩凝劑性能突變的臨界點。高溫緩凝劑敏感度高，加量控制難度大，極易出現超緩凝、閃凝現象；且大溫差條件下頂部低溫區易出現不凝現象。通過實驗優選了BCR-260L 中高溫緩凝劑，該型緩凝劑采用分子設計理論和溶液聚合反應技術，在緩凝劑分子中引入不同緩凝功能基團，合成了不同結構的緩凝劑分子，擴大了緩凝劑的緩凝能力。通過在基礎實驗配方(100 g 俄G 級水泥+35 g 硅粉+185 g 加重劑+6 g BCG-200L)加入不同質量的緩凝劑，在循環溫度80～120 ℃進行實驗，結果表明緩凝劑BCR-260L 能有效控制稠化時間(表4)，在溫度低于110 ℃、大溫差條件下加量不敏感，稠化時間易調節，對水泥漿流變性能沒有影響，且能實現直角稠化。

表3 95 ℃條件下不同配比漿體(2.45 g/cm3)主要性能Table 3 The main properties of different proportion’sslurries under 95 ℃

表4 不同溫度下不同加量緩凝劑性能Table 4 The function of retarder for different temperatures and dosis

3 分級固井高密度隔離液

在高壓、高溫環境下，隔離液密度穩定性、耐溫性和抗污染能力必須滿足固井要求，且分級固井水泥漿與隔離液接觸時間長，易出現水泥漿受污染引起的環空堵塞或閃凝；分級箍投塞、開孔至再循環過程時間長，隔離液靜止時間長，必須要有良好的穩定性，確保不會發生沉降導致環空堵塞。明15 井隔離液是以BCS 系列抗鹽型隔離劑為主劑配以沖洗劑、懸浮劑和加重劑制成的沖洗型隔離液。為了保證與領漿的配伍性，需配以與領漿相同質量濃度的降濾失劑和緩凝劑，保證整個體系密度可調、穩定性好、流變性能好、耐溫性好、抗污染能力強。

3.1 穩定性

對比普通重晶石和活化重晶石對穩定性的影響，通過在基礎配方(100 g H2O +7 g 防竄劑+6 g 沖洗液+2 g 隔離劑+1.1 g 懸浮劑+重晶石)基礎上分別加入不同比例的普通重晶石和活化重晶石，配制不同密度隔離液，在95 ℃養護后靜止2 h 測得加入活化重晶石的隔離液穩定性更好、懸浮能力更強(表5)。

表5 隔離液穩定性測試數據Table 5 Stability test data of spacer

3.2 流變性

BCS 隔離液體系可調性好，密度為2.20～2.40 g/cm3時，95 ℃養護后測得漿體流變性能好(表6)。

表6 隔離液流變性能數據Table 6 Rheological property of spacer

3.3 相容性

2.35 g/cm3隔離液與水泥漿以體積比1∶1 (圖1)直接接觸，相容性良好，增壓稠化實驗沒有出現包心、增稠和稠化現象；其與鉆井液、水泥漿以體積比1∶1∶1 (圖2)接觸，增壓稠化實驗沒有出現增稠和稠化現象。

圖1 隔離液與水泥漿體積比為1∶1 時稠化曲線Fig.1 The consistency curve of spacer and liquid cement with 1∶1 volume

圖2 鉆井液、隔離液、水泥漿體積比為 1∶1∶1 稠化曲線Fig.2 The consistency curve of drilling fluid,spacer and liquid cement with 1∶1∶1 volume

4 固井平衡壓穩技術

三開有兩個油層顯示，鉆井液密度為2.26 g/cm3時起下鉆后效嚴重，密度為2.28 g/cm3時起下鉆時井下正常，鉆井液安全密度窗口只有0.02 g/cm3，固井壓力平衡難度大，環空當量密度一旦低于2.26 g/cm3，混竄甚至溢流風險增大。通過水泥漿失重理論計算，油層段速凝水泥水化過程中失重壓力降低為5.6 MPa，為實現平衡壓穩需做到以下幾點：一是在水泥漿柱設計上一級固井使用雙密度雙凝水泥漿體系，速凝水泥漿返至上層套管腳，緩凝水泥漿返至分級箍以上150 m，并使用“重帽”漿柱結構，2.45 g/cm3高密度水泥漿在頂部，保持套管重疊段的填充，實現分段水化，確保速凝水泥漿水化失重下的地層壓穩；二是固井過程控制排量，確保壓穩的同時不出現漏失；三是水泥漿稠化時間上要求必須直角稠化，縮短水泥漿初凝過渡時間，降低油氣層竄的機率。

5 低返速頂替效率研究

環空返速低是大套管固井的難點，井深且鉆井液密度高，施工排量受到固井設備和管線的承壓能力限制，通常環空返速達不到紊流，一般情況會影響環空頂替效率。根據壁面剪應力研究實踐，在頂替排量低的情況下，保持水泥漿的切力大于鉆井液的切力，且控制水泥漿壁面剪應力在15～30 Pa 之間［4］，可以實現對鉆井液的有效頂替。固井施工中優化頂替效率的方法：(1)固井前降低全井段鉆井液的塑性黏度；(2)用密度2.21 g/cm3、塑性黏度小于90 mPa·s、屈服值小于10 Pa 的低密度鉆井液對原鉆井液進行稀釋和沖刷；(3)設計2.35 g/cm3加重隔離沖洗液，對低黏鉆井液進一步稀釋和沖刷7 min 以上；(4)調整領漿性能，壁面剪應力控制在15～30 Pa，確保有效頂替；(5)通過固井軟件模擬套管強度校核和套管居中，科學安裝套管扶正器，確保套管居中度大于67%以上。

6 微環隙預防技術

分級固井中產生微環隙，一般認為有以下幾種方式：(1)二級固井前降低鉆井液密度，套管內液柱壓力降低，引起套管收縮，在一二界面產生微環隙［5］；(2)二級循環、固井、碰壓過程中的壓力變化和水泥石水化的自然收縮；(3)測井前鉆分級箍附件和水泥塞過程鉆具碰撞和震動容易產生微間隙。為了預防微環隙的產生，一是在尾漿水泥漿體系上加入微膨脹自愈合劑，預防和修復一級裸眼井段微環隙；二是通過優化套管串結構和套管剛級，3 000 m 以下井段使用鋼級為TP125TT 的高抗外擠套管，降低套管的收縮量；三是一級固井后循環加壓24 h，持續候凝48 h 確保水泥環候凝時間；四是鉆分級箍、附件和水泥塞時輕鉆壓、低轉速降低鉆具對套管壁的碰撞。

7 現場應用

明15 井三開?311.2 mm 井眼完鉆井深5 177 m，完鉆時鉆井液密度2.28 g/cm3，井底溫度132 ℃。?244.5 mm 套管下深5 175.02 m，要求分級固井水泥返至地面，分級箍位置3 401.06 m。水泥漿體系均以基體抗侵防竄劑為主劑，配合“二元配比”的高密度加重劑和赤鐵礦形成基礎漿體結構。

7.1 一級固井施工

一級固井設計2.30 g/cm3+2.45 g/cm3雙密度雙凝水泥漿體系。一級領漿通過優選外摻料和外加劑，通過實驗模擬優化加量配比，形成了2.45 g/cm3抗高溫水泥漿體系，封固分級箍以下套管重疊段；一級尾漿在領漿配比基礎上進一步提高球形顆粒加重劑在加重劑中的占比，加入自愈合劑優化水泥石微膨脹性能預防微環隙，形成了2.30 g/cm3抗高溫微膨脹自愈合水泥漿體系封固裸眼段。

一級施工注入2.21 g/cm3輕鉆井液15 m3，2.35 g/cm3加重隔離沖洗液15 m3，環空沖刷7 min；注入密度2.45 g/cm3領漿20 m3；注入密度2.3 g/cm3尾漿50 m3。水泥漿密度均勻，漿體性能穩定，替漿排量35 L/s (保持水泥漿壁面剪應力19 Pa)，施工壓力13～17 MPa，無漏失，碰壓正常。開孔后循環，分級箍以上水泥漿正常返出地面，持續以40 L/s 排量、12 MPa 壓力循環加壓候凝24 h。

7.2 二級固井施工

二級固井設計2.2 g/cm3水泥漿體系，實現上部井段大溫差長封固。固井水泥漿體系在一級尾漿的基礎上以控制自由水和稠化時間為重點，控制水泥漿柱頂部的強度，形成2.2 g/cm3高密度水泥漿體系，封固套管重疊段。

二級施工前調整鉆井液密度至2.0 g/cm3，注入2.2 g/cm3水泥漿110 m3，替漿131.2 m3，替漿、碰壓、關孔正常，水泥漿性能穩定，密度均勻，施工過程壓力平穩，環空憋壓3 MPa，候凝48 h。

7.3 應用效果

成功完成了明15 井?244.5 mm 套管高密度水泥漿體系分級固井施工。聲幅測井顯示一級裸眼井段固井質量合格率63.05%，實現了對主要油氣層的封固；二級固井質量合格率96.09%,實現了對重疊段的高效封固。

8 結論

(1) 對于密度超過2.40 g/cm3的水泥漿體系，建議優選錳鐵礦和還原鐵等加重劑和優化“二元配比”或“三元配比”，可以有效提高水泥漿的密度，改善流變性、強度等性能，降低現場調試難度和施工風險。

(2) 以基體抗侵防竄劑BCG-200L 為主劑形成的高密度基體抗侵水泥漿體系抗鹽、抗高溫高壓性能良好，漿體穩定性好，稠化時間可調，與地層配伍性好，能夠有效封固地層。

(3) 對于大套管、低返速固井，通過調整鉆井液和水泥漿性能，確保水泥漿有足夠的壁面切應力(15～30 Pa)，且應力大于鉆井液應力，可以實現低返速條件下的有效頂替。

(4) 高密度水泥漿體系分級固井井筒液柱壓力變化和鉆分級箍引起的一級水泥環微環隙可以通過改善水泥漿漿柱結構、優化管串結構和改進候凝措施得到有效預防。