厄瓜多爾Parahuacu油田低壓高滲小間隙尾管固井技術

劉鈺龍，劉小利，唐 凱

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710021）

Parahuacu增產項目是中油油服成立以來簽訂的第一個油田增產一體化服務項目，該項目是厄瓜多爾國家石油公司在資金匱乏的情況下，和中國石油公司以新的合作模式進行的嘗試。Parahuacu油田已有40余年的開發歷史，已進入開發的中后期，主力油藏為NAPO組U、T層砂巖，油層孔隙度和滲透率高，經過長期的注采開發，油層能量衰竭嚴重，地層壓力系數低，油水關系復雜。該油田采用三開井身結構，?406.4 mm鉆頭下?339.7 mm表層套管到垂深1 800 m左右，?311.2 mm鉆頭下?244.5 mm技術套管到垂深2 700 m左右，?215.9 mm鉆頭下? 177.8 mm尾管到垂深3 000 m左右，尾管環空間隙僅19.05 mm，鉆井液采用保護儲層的DRILL-IN低傷害水基鉆井液，密度為1.05 g/cm3，黏度為40～50 s，塑性黏度為20 mPa·s左右，動切力為25 Pa左右。針對尾管固井對油層封固質量和油層孔隙低傷害的雙重要求，通過研究固井對儲層傷害機理、水泥漿防水竄機理及前置液界面增強機理等，優選了低密度減輕材料HGS6000、低密度懸浮穩定劑BCJ-310S、界面增強劑SS-5L，形成了低傷害防竄水泥漿體系、復合酸性界面增強前置液體系及配套工藝技術，解決了低密度水泥漿強度低穩定性差、水泥漿污染儲層、水泥環界面膠結強度低等問題。

1 固井對儲層傷害機理

1.1 固井質量對儲層的影響

固井質量的主要技術指標是環空封固質量，環空封固質量不好會產生以下后果：①不同壓力系統的油氣水層相互干擾和竄流，易引發油氣層中潛在損害因素，如形成有機垢、無機垢、發生水鎖作用，從而對投產的油氣層產生損害，影響產量；②會使油氣上竄至非產層，引起油氣資源損失；③投產后原油含水率高，甚至出現只出水不出油的現象［1-3］。

1.2 水泥漿對儲層孔隙的傷害

水泥漿對儲層的傷害機理可以歸納為以下三個方面：①水泥漿中的固相顆粒堵塞油氣層孔隙產生的損害，如果固井中發生漏失，則水泥漿中固相顆粒就有可能進入油氣層深部，造成嚴重損害；②水泥漿濾液與油氣層巖石和流體作用產生分散運移、結垢，發生水鎖作用與乳化堵塞，以及濾液中表面活性物質可能使巖石發生潤濕反轉等引起的損害；③水泥漿中無機鹽結晶沉淀對油氣層的損害，降低油氣層滲透率［1-3］。

2 低傷害防竄水泥漿體系

2.1 水泥漿防水竄機理

就抑制油、水、伴生氣竄流而言，水泥漿膠凝結構快速形成而產生的內部結構阻力是防止環空竄流的關鍵，觸變性水泥漿能在頂替結束后增大水泥漿膠凝結構阻力并具有一定防漏堵漏的作用。另外，水泥漿長時間凝結也會增大環空竄流的風險，再者，水泥石收縮的固有特性會使水泥環界面膠結能力減弱，甚至形成微環隙，導致層間竄流的發生。因此，對于防止環空水竄，需要著重提高水泥漿的觸變早凝膨脹性能［4-8］。

2.2 低密度減輕材料和懸浮穩定劑的優選

常見的低密度減輕材料有漂珠、膨脹珍珠巖、粉煤灰，膨潤土等。普通低密度水泥漿由于摻入大量外摻料，水固比增大，導致水泥石抗壓強度降低，滲透率增大，水泥漿濾失量增大，部分減輕材料隨著壓力增大而破碎，導致井底水泥漿的實際密度增大［9］。選用3M公司生產的中空玻璃微珠作為低密度減輕材料，可以避免上述缺陷，該材料是一種堿石灰硼硅酸鹽，粒徑15～80μm，壁厚2～3μm，不溶于水和油，有降低黏度和改善流動度的功能，能堵塞水泥漿濾餅從而降低失水；并且其破碎壓力高，在泵送過程中不易破碎，對實際密度沒有影響，其顆粒直徑滿足正態分布，粒徑在40～80μm占50%，較漂珠、膨脹珍珠巖粒徑小，在小間隙尾管固井過程中摩阻較低且不易堵塞環空，能減少施工帶來的漏失風險［10］。Parahuacu油田尾管固井井底壓力為30 MPa左右，考慮到成本因素選擇HGS6000作為低密度減輕材料。HGS性能見表1。

表1 3M中空玻璃微珠系列產品性能

由于HGS6000密度為0.46 g/cm3，水泥的密度為3.15 g/cm3，水泥漿中易出現HGS上浮，水泥顆粒下沉的問題，并且溫度升高后，聚合物內降失水劑會出現熱稀釋現象，漿體穩定性變得更差，因此，需要加入懸浮劑來提高水泥漿的穩定性［11］。用BP管沉降法評價了三種懸浮劑的沉降穩定性和水泥石抗壓強度，基礎配方為：G+5%HGS6000+2%BXF-200L+42%水，PAM是大聚合度聚丙烯酰胺類有機大分子，G404SP是改性纖維素類高分子，BCJ-310S是無機與有機高分子復配材料，水泥漿養護溫度為85℃/常壓，加入懸浮劑后，在恒速攪拌器上保持相同轉速3000 r/min，低密度水泥漿的沉降穩定性和抗壓強度評價結果見表2。

表2 懸浮劑評價結果

可以看出，BCJ-310S防沉降效果最好，并且對水泥石抗壓強度影響最小，分析是BCJ-310S隨溫度變化，黏度可以保持相對穩定，并與水泥顆粒和玻璃微珠形成致密網架結構的懸浮體系，從而保持水泥漿的穩定性［11］。

2.3 低傷害防竄水泥漿綜合性能

領漿：西班牙G級+16%HGS6000+1.3%BCJ-310S+2%BXF-200L+0.1%G603+2%EXC-13（膨 脹劑）+2%CA-13L（早強觸變劑）+0.35%BXR-200L+46%水，密度為1.44 g/cm3。

尾漿：西班牙G級+5%HGS6000+0.5%BCJ-310S+2%BCT-800L+2%BXF-200L+0.2%D50+0.1%G603+2%EXC-13（膨脹劑）+2% CA-13L（早強觸變劑）+0.27%BXR-200L+38%水，密度為1.74 g/cm3。

低傷害防竄水泥漿綜合性能見表3，抗壓強度實驗條件為85℃/常壓，領漿稠化實驗條件為65℃/30MPa/批混40 min/中停時間60 min，尾漿稠化實驗條件為65℃/30 MPa/批混60 min。由表3可知，領漿、尾漿失水較低，穩定性較好，水泥石抗壓強度滿足尾管固井的要求，并且水泥漿環空靜液柱壓力較低，能避免壓差過大使水泥漿中液相和固相顆粒污染儲層，另外，水泥漿稠度高、觸變性較強，初終凝時間及過渡時間較短，具有微膨脹效果，可以較好地防止地層流體竄流。

表3 低傷害防竄水泥漿綜合性能

3 復合酸性界面增強前置液體系

3.1 界面增強機理及界面增強劑的優選

提高水泥環界面膠結強度的方法主要有兩種：①通過使用一種含活性顆粒的沖洗液沖洗膠結面，在沖刷掉殘余鉆井液的同時附著上大量活性顆粒，這些微粒可視為預留的“活性楔子”，可在后期強化水泥水化作用，常見的活性顆粒材料主要有微硅、高爐礦渣、粉煤灰等［12-13］；②在前置液中加入硅酸鈉，它能與地層流體中的鈣離子發生反應生成不溶性的硅酸鈣凝膠，其活化、清洗及堿性特征可以提高水泥環界面膠結強度［14］。受現場實驗條件限制，采用以下簡易方法評價了硅酸鈉、微硅、粉煤灰、SS-5L（當地采購的一種界面增強劑）對水泥環界面膠結強度的影響：將靜膠凝強度漿杯壁上均勻涂抹上相同濃度的界面增強劑，然后倒入水泥漿進行靜膠凝強度實驗，85℃/30 MPa/24 h和85℃/30 MPa/48 h下把漿杯拆下來，在壓力實驗機上用鐵棒將水泥圓柱體頂替下來，在壓力實驗機上讀取壓力值，再除以膠結面積便可得到界面膠結強度值，以此值的大小作為評價界面增強劑效果的依據。評價方法和結果分別見圖1和表4。

圖1 界面增強劑評價方法

表4 界面增強劑評價結果

由表4可知，相比于微硅、粉煤灰、硅酸鈉，SS-5L能顯著加快水泥環界面的水化反應速度，提高水泥環界面膠結強度，從而達到提高水泥環層間密封效果的作用。

3.2 前置液體系綜合性能

前置液體系組成見表5。

表5 前置液體系組成

3.2.1泥餅的沖洗效率

研究發現，井壁只要有泥餅存在，不管多薄，都會導致固井二界面膠結強度下降，水泥環與井壁之間都有可能形成微間隙，給地下油、氣、水等流體提供竄流的通道［15］。采用以下方法評價泥餅的沖洗效率：將泥餅捆綁在旋轉粘度計轉筒上，計量稱重，將配置好的沖洗液、沖洗酸和沖洗液依次倒入旋轉粘度計漿杯中，在200 r/min下清洗，依次清洗2 min后計量稱重，計算清洗下來的泥餅的質量占粘在旋轉黏度計轉筒上總泥餅質量的百分比，即為泥餅的沖洗效率。室內實驗得到沖洗液、沖洗酸和沖洗液依次倒入的方案對泥餅的沖洗效率達到95%，相對而言，單獨的沖洗液對泥餅的沖洗效率僅為30%。圖2是沖洗液、沖洗酸和沖洗液先后沖洗泥餅的效果，圖3是沖洗液對泥餅的沖洗效果。可見圖2沖洗效果較好，分析原因是化學沖洗液先對泥餅進行滲透和沖刷，酸性沖洗液再與泥餅中骨架顆粒CaCO3發生反應使泥餅疏松易散，化學沖洗液最后對疏松泥餅進行沖刷剝離。

圖3 沖洗液沖洗泥餅的效果

3.2.2界面增強隔離液與水泥漿的相容性實驗

按API規范10進行室內流動度實驗與污染稠化實驗（65℃/30 MPa）見表6，可見領漿與界面增強隔離液的相容性較差，需要加上隔離液把二者隔開。

表6 室內混合漿體污染實驗

4 配套工藝技術

4.1 套管居中度設計

合理調整套管扶正器的加放數量和位置，提高套管居中度。利用美國PVI公司研發的居中度設計軟件CentraDesign-Centralizer Placement模擬設計扶正器安放。以PRH-X1井?177.8 mm尾管固井為例，完鉆井深3 033 m，井底垂深2 947 m，尾管段2 751～3 045 m，油層位置2 910 m～2 950 m，油層垂深2 801～2 829 m，尾管段平均井斜角26.6°，設計產層段每根套管加放2個整體式彈性扶正器，非產層段每根套管加放1個整體式彈性扶正器，套管居中度能達到85.8%。

4.2 注替參數排量設計

對于低壓高滲小間隙尾管固井而言，水泥漿難以達到紊流頂替，為了提高頂替效率，采用紊流-塞流復合頂替技術，即前置液出套管后采用紊流頂替，水泥漿出套管后采用塞流頂替。以PRH-X1井177.8 mm尾管固井為例，實驗室利用六速黏度計測定不同流體在不同轉速下的讀數，根據讀數計算出冪律流體的n，k值和賓漢流體的塑性黏度、動切力，通過環空塞流及紊流臨界排量公式［16］計算出各個流體環空塞流頂替和紊流頂替的臨界排量。根據計算，前置液出套管后排量控制在1.11～0.95 m3/min能保證前置液處于紊流狀態，水泥漿出套管后排量降至0.47～0.39 m3/min能保證水泥漿處于塞流狀態，利用固井頂替流態模擬軟件CEMPRO+-Mud Displacement模擬施工參數，得到尾管段水泥漿頂替效率達到93.75%，施工過程中低壓產層能滿足壓穩防漏，模擬結果見圖4、圖5。

圖4 PRH-X1頂替效率模擬

圖5 低壓產層靜液柱壓力變化曲線

4.3 混配工藝

現場施工采用批混工藝，液體化工混配好后往批混池中吹入水泥，待水泥漿形成一定懸浮能力后將不溶于水的玻璃微珠HGS6000、懸浮劑BCJ-310S、膨脹劑EXC-13加入，直到設計的密度為止。

5 現場應用

以上工藝技術措施在厄瓜多爾Parahuacu油田尾管固井中應用了2井次，油層固井優質率100%，尾管全井段優質率90%，投產后日均增產原油10 m3，原油含水率下降3%，顯示了良好的應用效果。

以PRH-X1井為例，下套管結束后，循環2周，接旋轉水泥頭，批混領漿、尾漿，注入4.77 m3密度為1.03 g/cm3的沖洗液，注入4.77 m3密度為1.03 g/cm3的沖洗酸，注入3.18 m3密度為1.03 g/cm3的沖洗液，注入4.77m3密度為1.32 g/cm3的界面增強隔離液，注入3.18 m3密度為1.32 g/cm3的隔離液，注入3.98 m3密度為1.44 g/cm3的領漿，注入5.25 m3密度為1.74 g/cm3的尾漿，釋放鉆桿膠塞，用水泥車頂替密度為1.10 g/cm3的鉆井液41 m3，碰壓，放回水，執行坐掛程序，起鉆循環，施工結束。固井施工結束后采用CAST超聲波成像測井評價固井質量，油層段固井優質率100%，尾管全井段固井優質率98%。

6 結論

（1）優選的HGS6000中空玻璃微珠具有摩阻低、泵送過程中不易破碎且形成的水泥石抗壓強度高的特征，能滿足Parahuacu油田尾管固井的要求。

（2）用靜膠凝強度漿杯和壓力實驗機評價界面增強劑，該評價方法簡單易行，可以模擬高溫高壓的井下環境；界面增強隔離液對水泥漿有促凝、增稠的作用，應用過程中應將其與領漿充分隔離開來，避免發生污染。

（3）沖洗酸可以破壞泥餅的骨架結構，沖洗液和沖洗酸的循環沖洗有利于清除附著在井壁上的泥餅，給水泥環與地層膠結創造良好條件。

（4）低傷害防竄水泥漿體系具有密度低、失水低、穩定性好、強度高、摩阻低、抗水竄等特征，適用于油水活躍條件下的儲層保護固井。

（5）應用套管居中度軟件和頂替流態模擬軟件可以指導現場扶正器加放及優化現場施工參數，對于提高水泥漿頂替效率具有很大幫助。