塔里木山前構(gòu)造鹽膏層固井難點與技術(shù)對策

張曉兵，李長坤，衡宣亦，邱愛民，虞海法，于永金

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油集團西部鉆探公司準東鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油塔里木油田分公司油氣田產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000；4.中國石油股份有限公司華北油田公司，河北 任丘 062552）

塔里木山前構(gòu)造高壓氣井是塔里木油田增儲上產(chǎn)的重要區(qū)域，具有地質(zhì)情況復雜、超深、超高壓、高溫的特點，目前該地區(qū)完鉆井深普遍大于7000m，一般采用五開井身結(jié)構(gòu)，四開封固庫姆格列木群組的鹽膏層。由于受到復雜的地質(zhì)及工程因素影響，導致該地區(qū)鹽膏層段固井質(zhì)量不高，部分井投產(chǎn)后B環(huán)空異常帶壓，給后續(xù)生產(chǎn)帶來了巨大隱患[1-2]。因此有必要系統(tǒng)分析該地區(qū)鹽膏層段固井難點并提出針對性技術(shù)對策，提高固井質(zhì)量，保證后續(xù)安全生產(chǎn)。

1 山前構(gòu)造鹽膏層固井技術(shù)難點

（1）鹽膏層蠕變，套管下入難度較大，居中度難以保證。由于鹽膏層在高溫高壓條件下的蠕變，導致井眼縮徑，套管下放至裸眼段仍容易遇阻或下不到設(shè)計位置。此外，由于缺少適用于鹽膏層段的小接箍或者無接箍的扶正器，鹽膏層段普遍未加放扶正器，導致套管整體居中度較低（約為20%～30%），頂替過程中易發(fā)生竄槽、接觸污染等風險[3-4]。

（2）水泥漿體系設(shè)計困難。鹽膏層封固段為6000～7500m，溫度超過140℃，壓力大于130MPa，Cl-含量（1.0～2.0）×105mg/L，固井普遍采用高密度鹽水水泥漿，一般采用微錳或鐵礦粉進行加重，二者均為惰性材料，導致高密度水泥石強度低，且高溫條件下強度存在衰退現(xiàn)象；此外施工過程中，由于井深較深、溫度高、施工時間長（6～10h），需加入一定量的緩凝劑，高溫條件下，緩凝劑稠化時間與加量之間的線性關(guān)系較差，同時對水泥漿靜膠凝強度發(fā)展存在一定影響，影響水泥漿防竄性能[5-6]。

（3）沖洗隔離液性能要求高。山前構(gòu)造鹽膏層一般采用高密度油基鉆井液鉆進，密度普遍大于2.30g/cm3，其中含大量聚合物類處理劑，粘度高，在井壁及套管上附著力強，難以清洗。為保證固井施工安全及固井后的界面膠結(jié)質(zhì)量，要求隔離液具有良好的清洗、抗污染以及潤濕反轉(zhuǎn)的作用，隔離液體系設(shè)計困難[7-8]。

（4）壓力系統(tǒng)復雜，漏失頻發(fā)，固井水泥漿一次性上返難度大。山前構(gòu)造鹽膏層普遍發(fā)育高壓鹽水，同時鹽膏層夾砂泥巖或白云巖，鹽巖與泥巖、泥巖與砂巖之間存在不整合面，鹽底含泥巖或砂巖等薄弱層，同一裸眼段高壓鹽水層（2.45g/cm3以上）、砂泥巖薄弱層（2.05～2.2g/cm3）并存，壓力系統(tǒng)復雜[9-10]，固井過程中漏失頻發(fā)。統(tǒng)計到的近3 年完鉆的34 口井中，22 口在鹽膏層固井期間發(fā)生漏失，占比64.75%，漏失導致水泥漿難以返至設(shè)計位置，固井質(zhì)量合格率不高。

為提高山前構(gòu)造鹽膏層固井質(zhì)量，應著重提高鹽膏層段固井工作液性能，同時優(yōu)化固井技術(shù)措施，確保套管順利下放到位以及高性能水泥漿在環(huán)空的有效填充，從而提高固井質(zhì)量。

2 抗高溫高密度固井工作液

2.1 抗高溫高密度固井水泥漿體系

2.1.1 高溫緩凝劑DRH-2L

緩凝劑DRH-2L是一種五元共聚物，其分子主鏈上的雙羥基、陽離子基團、磺酸基團等賦予了緩凝劑分子鏈的抗高溫性能和緩凝性能，適用溫度范圍70℃～210℃，根據(jù)山前鹽膏層段埋深及地溫梯度，選取溫度150℃、180℃開展實驗，結(jié)果見表1和圖1，由表1及圖1可知，隨著緩凝劑加量的增加，稠化時間逐步增長，且緩凝劑加量與稠化時間線性關(guān)系良好，水泥漿過渡時間較短（≤10min），強度發(fā)展較快（稠化時間147min，260min時即開始起強度），漿體防竄能力較強，能較好地滿足固井施工的需要。

圖1 水泥漿靜膠凝強度測試（180℃）

表1 不同溫度下DRH-2L加量對水泥漿稠化時間及靜膠凝強度過渡時間的影響

2.1.2 高溫防強度衰退材料

溫度超過150℃時，僅加入石英砂無法抑制水泥石強度衰退，優(yōu)選礦石粉類高溫增強材料DRB-2S（加量20%～40%），通過DRB-2S 與水泥水化產(chǎn)物在高溫條件下生成高強度的晶體物質(zhì)，防止水泥石在高溫條件下發(fā)生強度衰退[11]。測試了DRB-2S加量對水泥石的抗壓強度的影響，結(jié)果見表2。由表2可知，在150℃養(yǎng)護溫度下，僅加入石英砂后，水泥石2d 抗壓強度19.7MPa，7d 抗壓強度16.4MPa，抗壓強度較低，且出現(xiàn)了衰退，在加入石英砂的基礎(chǔ)上引入增強材料DRB-2S（加量20%～40%）后，在150℃～180℃范圍內(nèi)，水泥石2d 抗壓強度大于30MPa，7d 抗壓強度大于40MPa，抗壓強度提升明顯，且能有效防止強度衰退。

表2 不同DRB-2S加量下的水泥石強度

以高溫緩凝劑DRH-2L以及高溫防強度衰退材料為主，輔以配套分散劑、降失水劑等，最終形成抗高溫高密度固井水泥漿體系，密度范圍2.45～2.65g/cm3，API失水量小于50mL，游離液含量為0，沉降穩(wěn)定性小于0.05g/cm3，2d抗壓強度大于30MPa，7d抗壓強度大于40MPa，強度未衰退，滿足山前構(gòu)造鹽膏層固井技術(shù)需求。

2.2 抗高溫高效沖洗隔離液體系

2.2.1 懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL

優(yōu)選了懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL，由特殊層狀結(jié)構(gòu)的無機鹽以及非離子型聚合物組成。層狀結(jié)構(gòu)無機鹽具有高度的親水性，在水中分散形成表面帶負電，端面帶正電的薄片，薄片包含著大量水分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將大量自由水變成束縛水。非離子型聚合物遇水后，分子鏈逐漸伸展，分子鏈上的羥基與水分子結(jié)合形成大量氫鍵，增大了分子與水分子之間的內(nèi)摩擦力。二者協(xié)同作用可有效增強顆粒間內(nèi)摩擦力及吸附力，形成穩(wěn)定的懸浮體系。測試了150℃、180℃條件下，DRY-SL加量對隔離液沉降穩(wěn)定性及流變性的影響，結(jié)果見表3。由表3 可知，在150℃及180℃條件下，隨著DRY-SL加量的增加，隔離液的沉降穩(wěn)定性得到明顯改善，加量達到2%時，沉降穩(wěn)定性小于0.05g/cm3，同時流性指數(shù)大于0.6，稠度系數(shù)小于0.8Pa·sn，滿足固井施工對隔離液的性能要求。

表3 懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL加量對隔離液沉降穩(wěn)定性及流變性的影響

2.2.2 高效沖洗劑DRY-WL

優(yōu)選了高效沖洗劑DRY-WL，由表面活性劑、有機溶劑及螯合劑等組成。表面活性劑分子可產(chǎn)生破乳作用，促使油水分離。有機溶劑降低界面張力。螯合劑分子可與油基鉆井液中的金屬離子通過螯合作用生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，避免金屬離子與表面活性劑反應而降低表面活性劑的活性，提高沖洗和潤濕反轉(zhuǎn)效果。

（1）沖洗效率測試。采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計以200r/min 的速度進行不同DRY-WL 加量下隔離液的沖洗效率測試，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，隨著DRY-WL加量以及沖洗時間的增加，沖洗效率逐步提高，當加量達到15%，沖洗時間180s 時，即可達到較好的沖洗效果（沖洗效率95.1%），加量超過15%時，沖洗效率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 不同DRY-WL加量及不同沖洗時間下的沖洗效率

（2）潤濕反轉(zhuǎn)性能評價。采用測定潤濕接觸角的方法判定不同DRY-WL加量對界面的潤濕反轉(zhuǎn)作用[12]，將鋼片及人造巖芯放置在油基鉆井液中浸泡24h后取出烘干，分別用不同DRY-WL加量的隔離液沖洗鋼片及人造巖芯3min，模擬沖洗過程，隨后測量清水在其表面的接觸角，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著DRY-WL加量的增加，鋼片及人造巖芯與水的接觸角都逐漸減小。當DRY-WL加量為15%～20%時，鋼片及人造巖芯的接觸角在20°左右，界面處于強親水狀態(tài)，此時再增加DRY-WL加量，潤濕接觸角變化不明顯，即DRY-WL加量在15%～20%時，可實現(xiàn)較為理想的潤濕反轉(zhuǎn)效果。

圖3 不同DRY-WL加量的隔離液沖洗后的潤濕接觸角

以懸浮穩(wěn)定劑DRY-SL、高效沖洗劑DRY-WL為主，形成了抗高溫高效沖洗隔離液體系。體系沉降穩(wěn)定性及流變性良好，沖洗劑DRY-WL加量在15%～20%時即可達到較好的沖洗效果及界面潤濕反轉(zhuǎn)效果，加量對比區(qū)塊常用隔離液配方（沖洗劑加量不低于30%）降低約50%，大幅節(jié)約了成本。

3 現(xiàn)場應用

3.1 克深X井基本情況

克深X井是部署在山前構(gòu)造克深區(qū)塊上的一口開發(fā)井，四開鹽膏層段采用密度2.47g/cm3的油基鉆井液鉆進，鉆至7358m處中完，下入?196.85mm+?206.38mm復合套管采用尾管懸掛固井工藝進行固井。本開次固井難點主要集中在以下幾個方面：①鹽膏層埋深超7000m，下套管過程容易遇阻；②井底溫度172℃，對水泥漿性能要求高；③鉆至井深7358m 處時發(fā)生井漏失返，固井過程中漏失風險大。

3.2 抗高溫高密度固井工作液

采用雙凝抗高溫高密度固井工作液體系，水泥漿設(shè)計密度2.52g/cm3，領(lǐng)漿封固重合段，上塞300m，尾漿封固裸眼段，下塞300m，設(shè)計領(lǐng)漿稠化時間460～490min，尾漿稠化時間330～360min，高效沖洗隔離液密度2.49g/cm3，具體性能見表4。

表4 抗高溫高密度固井工作液性能

3.3 配套關(guān)鍵技術(shù)措施

（1）井眼準備及下套管技術(shù)措施。為確保鹽層套管能順利下放到位，采用鹽層擴眼+模擬管柱通井。安全時間要求不少于80h，套管下放速度按照通井循環(huán)時鉆井液在?177.8mm 鉆鋌處上返速度（0.87m/s）為依據(jù)計算。計算得出每根套管下放時間不少于30s，每根立柱下放時間不少于200s，5000m 以后每根立柱下放時間不少于300s。下套管中途分別在3000m、5000m和出上層套管前頂通，充分破壞稠漿切力。

（2）漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計本開次懸掛器位置6430m，與上層套管重合約600m，確保重合段固井質(zhì)量，前置液用量15m3，占鉆具外環(huán)空高度433m，保證對油基鉆井液的高效沖洗和隔離，同時保證領(lǐng)漿與上開次套管外環(huán)空鉆井液的有效隔離。設(shè)計后置保護液8m3，占套管內(nèi)高度172m，鉆桿內(nèi)高度439m，防止中心管拔出后尾管內(nèi)的鉆井液與環(huán)空中的水泥漿摻混污染。

（3）地層承壓能力設(shè)計。結(jié)合本井漿柱結(jié)構(gòu)及鄰井施工情況，設(shè)計施工排量為9L/s，碰壓前降低至4～5L/s，計算得出井底最大動態(tài)當量密度2.54g/cm3。按照本井完鉆時鉆井液密度2.47g/cm3計算，理論需進行5MPa地層承壓能力試驗，考慮懸掛器處節(jié)流及安全附加，固井前需進行地層承壓6MPa，若地層承壓能力不滿足，則采取承壓堵漏措施提高地層承壓能力，確保固井過程中不發(fā)生漏失。

（4）施工結(jié)束候凝期間，尾漿發(fā)生膠凝失重，靜液柱壓力損失5.74MPa，綜合考慮井漏及井控風險，施工結(jié)束后關(guān)井憋壓2MPa候凝。

3.4 現(xiàn)場實施效果

固井前進行了承壓堵漏，將地層承壓能力提升至6MPa，穩(wěn)壓30min 不降，滿足固井施工要求，套管順利下放到位，固井時注入高效沖洗隔離液15m3，領(lǐng)漿22.8m3，尾漿14.4m3，后置保護液8m3，替漿59m3，順利碰壓，固井過程中未發(fā)生漏失。本開次固井質(zhì)量合格率為84.4%，優(yōu)質(zhì)率68.4%，對比鄰井同開次平均水平分別提高了25%和40%，目的層鉆進過程中未出鹽水，投產(chǎn)后環(huán)空未異常帶壓，驗證了抗高溫高密度固井工作液以及配套固井技術(shù)措施在山前構(gòu)造鹽膏層的適用性，對進一步提高山前構(gòu)造鹽膏層固井質(zhì)量、保證水泥環(huán)長期密封完整性具有借鑒意義。

4 結(jié)論與建議

（1）抗高溫高密度固井水泥漿體系，解決了高溫高密度條件下穩(wěn)定性與流變性之間的矛盾，水泥石強度高，綜合性能良好，滿足山前構(gòu)造鹽膏層固井技術(shù)需求。

（2）抗高溫高效沖洗隔離液體系，密度范圍2.40～2.60g/cm3，沖洗效率大于95%，能有效改善界面水潤濕性，提高固井界面膠結(jié)質(zhì)量。

（3）抗高溫高密度固井工作液及配套固井技術(shù)措施在山前構(gòu)造克深X 井鹽膏層固井成功應用，表明了該套技術(shù)對策在山前構(gòu)造鹽膏層的適用性，對提高該地區(qū)固井質(zhì)量具有借鑒意義。

（4）開展密度2.70g/cm3、抗溫200 ℃高密度固井水泥漿體系研究，為山前構(gòu)造8000m 以上超深井開發(fā)提供技術(shù)儲備。