元壩氣田超深探井小尾管防氣竄固井技術

楊紅歧 陳會年 鄧天安 李小江 魏浩光

1. 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院；2. 中國石化西南石油工程有限公司固井分公司

元壩氣田構造位置位于四川盆地川中低緩構造帶北緣，通南巴構造帶和九龍山背斜構造帶向川中低緩構造帶過渡地區，是全球首個7 000余米超深高含硫生物礁大氣田，累計獲得探明天然氣地質儲量 2 195.82×108m3，含氣面積 350 km2，氣藏平均埋深6 673 m，最深7 730 m，以二疊系長興組為主要目的層［1］。于2014年年底投產，年產氣 40×108m3，至今已穩產5年，累計生產天然氣160×108m3，是迄今為止我國埋藏最深的大型海相氣田，也是目前我國第二大酸性氣田。元壩氣田具有超深層、高產、高溫、超高壓、高含硫和多壓力系統等特點［2］，是世界上建設難度大、風險高的氣田之一。

隨著勘探開發的持續深入，固井工作面臨更大的挑戰，?139.7 mm小尾管的固井難題主要是超深、高溫、高壓和高含酸性氣體條件下實現固井水泥環的水力密封長期有效。通過優選耐溫200 ℃的防氣竄乳液和防腐蝕劑，研發出了抗高溫膠乳-納米硅乳液增強型防氣竄防腐蝕水泥漿體系；通過優化硅粉粒徑及摻量，基于緊密堆積設計原理設計高密度水泥漿配方，提高了水泥石的高溫強度穩定性；通過數值模擬優化水泥漿、前置液、鉆井液密度差和流變參數，解決了窄環空間隙條件下的頂替效率難題；現場應用取得了良好效果，形成了高酸性氣田超深層小尾管固井配套工藝。

1 地層特性及固井技術條件

1.1 地層特性

元壩氣田沉積層序自上而下為白堊系劍門關組，侏羅系蓬萊鎮組、遂寧組、上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組、自流井組，三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組，二疊系長興組、吳家坪組、茅口組等，雷口坡組及以下為海相沉積，須家河組及以上為陸相沉積［3］。開發的目的層為長興組，元壩7井、川深1井等部分井已探至吳家坪組、茅口組、棲霞組、梁山組、筇竹寺、燈影組。地層主要巖性以灰巖和白云巖為主，裂縫型氣藏發育，含有H2S和CO2等酸性氣體。完鉆時鉆井液密度普遍較高，如元壩7側1井鉆至茅口組時氣侵嚴重，氣測值居高不下，通過長時間循環排氣，并將鉆井液密度由1.93 g/cm3提高至2.20 g/cm3才壓穩氣層。

1.2 固井技術條件

(1)超深井，井身結構復雜、套管程序多。如元壩7側1井和川深1井均為五級井身結構(見圖1)，元壩7側1井完鉆井深6 988 m，川深1井完鉆井深8 420 m，最后一層?139.7 mm小尾管固井時井眼尺寸為?165.1 mm，環空間隙小(理論環空間隙12.7 mm)，固井施工時由于受壓力限制，施工排量低，不易提高水泥漿頂替效率。

圖1 川深1井井身結構Fig. 1 Casing program of Well Chuanshen 1

(2)海相深層井下溫度高。川深1井井底靜止溫度176 ℃，對水泥漿外加劑抗溫性和防氣竄性能要求高，且要求水泥石高溫下強度不衰退。

(3)鉆探層位地層壓力高。元壩7側1井長興組為裂縫型氣層，在6 795～6 801 m油氣上竄速度達60.03 m/h，高度達270.14 m，為了有效壓穩，鉆進過程中逐漸提高鉆井液密度，完鉆時鉆井液密度為2.20 g/cm3。

(4)儲層中腐蝕性氣體含量高［4-5］，H2S平均含量5.15%，CO2平均含量8.86%，酸性氣體對水泥石腐蝕后，會造成水泥石強度降低、滲透率增加，降低水泥環的密封效果。

2 固井關鍵技術

2.1 抗高溫防氣竄防腐蝕水泥漿體系設計

水泥漿性能應達到以下要求：(1)密度1.88～2.25 g/cm3；(2)防氣竄性能系數SPN值≤2；(3) 48 h、180 ℃水泥石抗壓強度≥14 MPa，且高溫下水泥石強度穩定，彈性模量≤8 GPa；(4) H2S和CO2共同腐蝕后水泥石抗壓強度損失率和滲透率增大率≤20%；(5)具有良好的沉降穩定性，水泥漿柱上下密度差≤0.03 g/cm3；(6)稠化時間可調，曲線穩定。

2.1.1 防氣竄與防CO2、H2S腐蝕技術

元壩超深探井井下溫度高、氣層壓力高、含有腐蝕性酸性氣體，縫洞型儲集體發育，氣竄速度快，從增強防氣竄性能和耐腐蝕方面進行外加劑優選。

(1)納米硅防氣竄乳液與膠乳防氣竄劑［6-8］。納米硅防氣竄乳液是將球形納米SiO2顆粒通過特殊的處理工藝與水混合形成的乳液，主要成分是球形SiO2，有效固含量達45%為無機材料，耐溫超過200 ℃。粒徑10～300 nm，一方面提高了水泥漿濾餅的致密性，另一方面有效降低了水泥石滲透率。SiO2表面含有大量硅羥基，具有很高的化學活性，可與水泥水化產物CH反應生成C—S—H凝膠，迅速提高水泥漿的膠凝值，增加了氣體在水泥漿中運移阻力，防止氣竄。同時SiO2參與水泥水化反應，能夠提高水泥石的抗壓強度。膠乳是一種聚合物乳液，粒徑 150～170 nm，固含 44.9%，耐溫達 200 ℃。該乳液的玻璃化溫度是90 ℃，在高溫下表現出良好的彈性，依靠柔性乳液粒子顆粒填充與聚結成膜作用防止氣竄，同時還能降低水泥石的彈性模量。將無機與有機防氣竄乳液復配使用，基于膠乳成膜、納米硅防氣竄乳液致密充填與活性膠凝于一體，協同增強防氣竄效果。

(2)防CO2、H2S腐蝕外加劑。微觀結構分析發現水泥石內部存在許多微孔和喉道，CO2、H2S利用這些孔道和喉道作為儲存空間和流動通道，對水泥石進行腐蝕。阻止H2S、CO2混合氣體腐蝕水泥石的關鍵是提高水化產物的耐腐蝕性，降低水泥漿體堿度和水泥石孔隙度、滲透率［9-10］。基于防腐蝕機理，研發了防腐外加劑，其主要成分是Al2O3和SiO2，活性硅鋁成分可參與水泥水化反應生成CaAl2Si2O8，從而最大限度降低水泥漿的堿度。同時水泥漿中粒徑為納米-亞微米級的納米SiO2和膠乳乳膜可充填在水泥石的微孔中，降低了水泥石的孔隙度和滲透率(圖2)，協同防腐蝕劑進一步提高水泥石的抗腐蝕能力。

圖2 納米SiO2充填和膠乳乳膜充填水泥石掃描電鏡照片Fig. 2 SEM photograph of the set cement filled with nano-SiO2 and latex film

2.1.2 水泥石高溫強度衰退控制技術

高溫下水泥石強度會發生衰退，固井時通常在水泥中摻入35%～40%的硅粉來改善水泥石高溫強度穩定［11-12］。但室內研究發現，當溫度超過160 ℃后，雖然加入35%的硅粉，但水泥石強度仍然會發生衰退(圖3)。硅粉與水泥水化產物間的反應靠參與反應物質的界面接觸及通過最初產物層擴散接觸而進行, 溫度增高有助于提高反應的速度。當溫度超過160 ℃后，硅粉參與反應的速度加快, 與水泥的水化反應幾乎同時進行, 但在強度曲線上并不存在明顯的強度再增長的跡象［13］，隨著時間的延長反而出現了降低的趨勢。因此，加入35%硅粉并不能有效解決超高溫下水泥石強度衰退的問題。

保持超高溫下水泥石強度穩定的主要方法是改善水泥漿中CaO-SiO2-Al2O3物相比例，降低物相中CaO、提高SiO2-Al2O3量，使水泥中Ca/Si摩爾比接近1，有效降低水泥石中氫氧化鈣(CH)，減少高堿性水化硅酸二鈣(C2SH2)生成，反應產物更多的是高溫下強度較高、滲透率較低的雪硅鈣石(C5S6H5)和硬鈣硅石(C6S6H)，水化產物掃描電鏡照片見圖4。

圖3 160 ℃下加入35%硅粉水泥石強度發展曲線Fig. 3 Strength curve of set cement with 35%fine silica under 160 ℃

圖4 180 ℃下水泥水化產物電鏡圖Fig. 4 SEM image of the hydration product of cement under 180 ℃

硅粉最佳加量為50%～70%，其中粒徑180 μm占硅粉總加量的30%，80 μm的占硅粉總加量的70%。而且水泥漿中加入的納米硅乳液和防腐蝕劑富含SiO2和Al2O3，高溫下SiO2先參與水泥水化反應，Si—O鍵打開，因部分Si—O鍵與Al—O鍵共用氧原子，Al—O鍵也隨之被打開，參與水化反應。對加入50%硅粉的水泥石進行XRD分析，產物主要為沸石結構的硅鋁鈣Ca(AlSiO4)2，在高溫下強度穩定。

2.1.3 高密度水泥漿設計方法

高密度水泥漿既要確保具有良好的流動性，又要提高體系的穩定性，基于顆粒級配原理，進行高密度水泥漿設計［14］。主要材料包括水泥、加重劑、硅粉、防腐蝕劑和微硅及水泥外加劑。G級油井水泥顆粒直徑 20～100 μm，加重劑顆粒直徑 45～75 μm，硅粉顆粒直徑 80～180 μm，防腐劑顆粒直徑30～40 μm，膠乳和納米硅乳液固相顆粒直徑0.01～0.3 μm，能夠更好地充填在空隙和裂縫中，形成良好的空間堆積，比較符合緊密堆積理論，形成致密的水泥石，進一步增強水泥石的強度，并降低滲透率，提升了水泥漿綜合性能。

2.1.4 防氣竄防腐蝕水泥漿配方

優選了高溫降濾失劑、高溫緩凝劑、分散劑、消泡劑等其他油井水泥外加劑，形成了抗高溫膠乳-納米硅乳液增強型防腐蝕防氣竄水泥漿，其基本配方為：嘉華G級水泥+50%～70%硅粉+0～80%鐵礦粉+15%～20%防腐蝕劑SCLK+8%～10%納米硅乳液SCLS+8%～12%膠乳SCJR-1+4%～6%降濾失劑SCFL-Y+2.5%～3%緩凝劑 SCR-3+0.8%～1.5%分散劑SCD-1+1.2%～1.5%消泡劑SCDF-4+39%～48%水。

2.2 水泥漿性能評價

模擬元壩氣田井下條件(稠化實驗溫度160 ℃、壓力150 MPa)，研究抗高溫膠乳-納米硅乳液增強型防腐蝕防氣竄水泥漿性能，結果見表1。

表1 抗高溫膠乳-納米硅乳液增強型防腐蝕防氣竄水泥漿基本性能Table 1 Basic properties of enhanced anti-gas channeling and anti-corrosion slurry containing high-temperature latex and nanometer silicon emulsion

2.2.1 水泥漿流變性能及穩定性

由表1可以看出，水泥漿流動度≥19.5 cm，表現出良好的流動性能，非常有利于現場施工時水泥漿混配；流性指數n值大于0.75，稠度系數K值小于0.6 Pa·sn，表明高溫下流變性能良好，有助于降低井下流動阻力，并有利于提高頂替效率；上下層密度差≤0.01 g/cm3，體系穩定。

2.2.2 水泥漿的稠化時間及濾失量

從表1可看出，不同密度水泥漿稠化時間可調，濾失量小于50 mL。圖5是密度2.05 g/cm3水泥漿稠化曲線，可看出水泥漿初始稠度低、曲線平穩、稠化過渡時間≤3 min、直角稠化，有利于防氣竄。

2.2.3 水泥漿防氣竄性能［15-16］

水泥漿靜膠凝強度發展隨時間的變化見圖6，可以看出，靜膠凝強度由48 Pa至240 Pa時間小于15 min，靜膠凝強度發展的過渡時間越短，水泥在凝結過程中的失重時間越短，其防止失重引起流體上竄的能力越強。根據表1中不同密度水泥漿稠化時間與API濾失量計算的SPN值分別為0.49、0.32、0.61和0.43，均小于1，證明水泥漿防氣竄性能優良。

圖5 抗高溫增強型防氣竄防腐蝕水泥漿稠化曲線Fig. 5 Thickening curve of enhanced high-temperature, anti-gas channeling and anti-corrosion slurry

圖6 抗高溫增強型防氣竄防腐蝕水泥漿靜膠凝強度曲線Fig. 6 Static bonding strength of enhanced high-temperature,anti-gas channeling and anti-corrosion slurry

2.2.4 高溫下水泥石力學性能

從表1可以看出，180 ℃、48 h 水泥石抗壓強度＞14 MPa，滿足固井設計要求，圖7是密度2.05 g/cm3的水泥漿180 ℃高溫養護下抗壓強度發展曲線，28 d抗壓強度26.5 MPa，水泥石強度始終處于增長趨勢，未出現強度衰退的跡象。

元壩氣田小尾管固井理論環空間隙12.7 mm，所形成的水泥環很薄，在射孔等外力作用下很容易發生破損，水泥環完整性被破壞，造成環空帶壓等安全隱患。通過降低水泥石的彈性模量來增強其彈韌性，提高其在外力作用下的形變能力，確保水泥環不易破損。表2是密度1.88 g/cm3的水泥漿抗折強度和彈性模量實驗結果，與常規水泥漿相比，膠乳-納米硅乳液防氣竄水泥漿形成的水泥石，在抗壓強度基本不變情況下，彈性模量降低了49.6%，抗折強度提高了158.8%。圖8是水泥石的應力-應變曲線，可以看出水泥石表現出了良好的彈塑性。這是因為水泥漿中的膠乳具有較低的玻璃化溫度，在高溫下表現出了良好的彈性，降低了水泥石的彈性模量。而納米硅乳液中的SiO2粒子直徑細微，可以填充在水泥顆粒間，同時這些粒子具有火山灰活性，能參與水泥顆粒間的水化反應，通過化學鍵的形式與水泥顆粒相互連接，減少了水泥石內部各種的微裂隙，提高了水泥石的整體力學性能。當受外力擠壓、剪切等作用時，整個水泥石不易被破壞。

圖7 180 ℃水泥石抗壓強度曲線Fig. 7 Compressive strength of set cement under 180 ℃

表2 水泥石彈性模量與抗折強度實驗結果Table 2 Experimental results of elastic modulus and rupture strength of set cement

圖8 180 ℃水泥石應力應變曲線Fig. 8 Stress and strain of set cement under 180 ℃

2.2.5 防 CO2、H2S 腐蝕性能

模擬元壩氣田儲層CO2、H2S含量，進行160 ℃腐蝕評價實驗。由表3可看出，腐蝕后的常規水泥石強度降低值和氣體滲透率增長值都較大，防竄防腐水泥石腐蝕后的強度降低和滲透率增加值均＜15%，說明在水泥漿加入防腐劑、納米級防氣竄劑等外加劑后，改善了水泥石孔滲結構，有效抑制了酸性氣體對水泥石的腐蝕。

表3 CO2、H2S共同腐蝕下水泥石抗壓強度與滲透率變化實驗結果Table 3 Experimental results of compressive strength and permeability of set cement under the joint corrosion of CO2 and H2S

2.3 提高固井質量工藝

2.3.1 提高水泥漿頂替效率技術

元壩氣田小尾管固井時由于井眼尺寸較小，通常下入無接箍或小接箍套管，不能安放套管扶正器，部分井使用扶正短節，居中度僅達到30%，水泥漿頂替效率低，嚴重影響固井質量。使用小尾管固井時的施工排量(0.8 m3/min)、利用FLUENT軟件進行模擬［17-18］，分析套管居中度為30%時的頂替效率，確定合理的鉆井液、隔離液、水泥漿密度差、流變參數。模擬發現，當密度差為0，隔離液接觸時間在15 min時，頂替效率在65%～70%之間；當密度差≥0.12 g/cm3時，頂替效率能夠大于85%，且需要的頂替時間較短。設計頂替排量為0.8 m3/min、居中度為30%、密度差為0.12 g/cm3、隔離液接觸時間15 min，通過數值模擬確定了3種流體的流變參數分別為：鉆井液動切力10～18 Pa，隔離液n值取0.3～0.6、K值取0.9～1.5 Pa · sn，水泥漿n值取0.6～0.9、K值取0.7～1.0 Pa · sn，頂替效率能夠大于89%。模擬還發現隔離液K值和接觸時間對頂替效率的影響比較大。

2.3.2 防氣竄工藝

(1)元壩氣田是裂縫型氣藏，氣竄速率快，氣液置換效應明顯，很難完全有效壓穩。采用“以快制氣”防氣竄固井工藝，用尾漿封固氣層段，盡可能壓縮尾漿稠化時間，在尾漿替漿到量后30 min內稠化，實現快速凝固，以降低氣竄發生的危險。

(2)采用分段壓穩設計方法，設計環空漿體結構［19-20］，并使用環空加壓候凝，候凝分2個階段，第1個階段是尾管固井結束后，起1柱鉆具，然后采用反循環洗井，給氣層施加一定的液柱壓力，第2階段是洗井結束后，關閉環空，憋壓候凝，直到水泥漿完全凝固。

3 現場應用

該技術在元壩7側1井和川深1井?139.7 mm小尾管進行了應用，固井質量綜合評定優良率達到了100%。該技術還在元壩204-1H井、河嘉202H井、川深1井等3口井的?193.7 mm生產套(尾)管固井中進行了應用，固井質量綜合評定合格率100%，優良率67%。

元壩7側1井是在元壩7井的原井眼用?165.1 mm鉆頭從6 160 m處側鉆，側鉆井深6 988 m，?139.7 mm小接箍尾管下深6 919 m，尾管懸掛器頂深5 295 m，完鉆鉆井液密度2.20 g/cm3，目的層為茅口組，井底靜止溫度155 ℃。該井6 407～6 952 m 井段內共有14個氣層，鉆進至井深6 834.63 m時，鉆井液密度2.13 g/cm3，后效嚴重，點火橘黃色火焰高6～8 m，提密度至2.20 g/cm3，火焰熄滅，后效消除。在6 805～6 880.3 m段存在著間斷性漏失，共漏失鉆井液262.66 m3。固井難題是高壓防氣竄、防酸性氣體腐蝕、防漏、窄環空間隙下提高頂替效率［21］和保持薄水泥環的完整性。

設計使用抗高溫膠乳-納米硅乳液增強型高密度防氣竄防腐蝕水泥漿體系，為降低固井漏失的風險，入井漿體密度基本保持一致，下完套管后，將鉆井液密度降為2.16 g/cm3。設計隔離液密度為2.18 g/cm3、領漿密度為 2.18 g/cm3、尾漿密度為2.18 g/cm3。由于密度差較小，使用固井軟件對施工過程進行模擬，當隔離液接觸時間≥20 min時，頂替效率能夠達到90%。為降低氣竄風險，在保證施工安全的前提下盡可能縮短尾漿稠化時間，確保尾漿能夠快速凝固，實現“以快制氣”。

固井時水泥漿基本配方為：嘉華G級水泥+50%硅粉+118%鐵礦粉+15%防腐蝕劑SCLK+8.0%納米硅乳液SCLS-1+8%膠乳SCJR-1+6%降濾失劑SCFL-Y+3%緩凝劑SCR-3+0.5%消泡劑SCDF-4+39%～51%水。水泥漿主要性能見表4。

表4 元壩7側1井小尾管固井水泥漿性能Table 4 Properties of the slurry for small-liner cementing in Well Yuanba 7-C1

現場入井液依次為16 m3密度2.18 g/cm3的加重隔離液，10 m3密度2.20 g/cm3的領漿，10 m3密度2.22 g/cm3的尾漿，1 m3密度2.20 g/cm3的壓塞液，替入14 m3密度2.16 g/cm3的鉆井液，6 m3密度2.20 g/cm3的保護液，替入17 m3密度2.16 g/cm3的鉆井液，1 m3的清水。起尾管送放鉆具、循環洗井，環空憋壓 5 MPa候凝48 h。

候凝結束后，下鉆探塞，上下部水泥塞達到設計要求，且強度高，掃塞鉆時長、鉆壓大，掃塞及循環處理鉆井液期間未氣竄。原井漿試壓12.5 MPa，穩壓30 min，壓降0.18 MPa，試壓合格。測固井質量顯示第一界面膠結優良段占整個封固段的77%，第二界面膠結優良段占整個封固段的79%，固井質量綜合評定為優良，達到了高壓防氣竄的固井目的。

4 結論

(1)研選了膠乳和納米硅乳液作為防氣竄劑，配套了防酸性氣體腐蝕劑，開發了抗高溫增強型防氣竄防腐蝕水泥漿體系，適應溫度達180 ℃，密度1.88～2.25 g/cm3，濾失量＜50 mL，SPN值小于 1，膠乳可以有效降低水泥石的彈性模量，納米硅乳液里的納米亞微米級的SiO2可充填在水泥石的空隙里，一方面降低了水泥石滲透率，另一方面提高了水泥石抗壓強度。水泥石180 ℃、48 h抗壓強度大于14 MPa，彈性模量小于8 GPa，且長期強度不衰退，耐H2S、CO2腐蝕。

(2)形成了提高固井質量配套技術，通過優化鉆井液、隔離液和水泥漿的流變性能，合理設計隔離液接觸時間，能夠提供低居中度下水泥漿頂替效率，采用“以快制氣”、分段壓穩設計等工藝可有效解決環空氣竄的難題。

(3)受實驗儀器耐溫及實驗室安全的限制，筆者對于酸性氣體腐蝕水泥石研究，實驗評價最高溫度為160 ℃，而元壩氣田海相碳酸鹽巖儲層地質條件復雜，超過7 500 m特深層井底靜止溫度超過170 ℃、壓力超過150 MPa，固井面臨超高溫、超高壓防氣竄難題，酸性氣體在該溫壓條件下對水泥石的腐蝕機理還不明確。建議針對特深油氣藏開展防氣竄防腐蝕固井技術需求，研發新型耐超高溫防氣竄劑，開展200 ℃的條件下H2S、CO2對水泥石的腐蝕規律研究。