姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井固井水侵問題探討及對策

張永福，李佳佳，鐘 凱，童曉炬

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 長慶固井公司，陜西 西安 710018)

姬塬區(qū)塊從2005年開始投產(chǎn)至今，地質(zhì)儲量采出程度較低，剩余油富集。為了提高儲量控制程度，提高單井產(chǎn)量和區(qū)塊采收率，該區(qū)塊通過老井開窗側(cè)鉆改造，進行產(chǎn)能挖潛。但區(qū)塊內(nèi)的洛河、直羅層位水系發(fā)育，水質(zhì)礦化度高，水層跨度長。尤以洛河水層水量最大，腐蝕性最強[1]，因此固井時水侵問題嚴(yán)重，水泥石膠結(jié)質(zhì)量差，套管抗腐蝕能力弱，井筒生命周期完整性遭到嚴(yán)重破壞，亟需解決。

1 區(qū)塊概況

姬塬油田姬塬區(qū)塊主要含油層系為延長組長1油層組，儲層非均質(zhì)性強。自2018年開始，為提高油田開發(fā)水平，實現(xiàn)降本增效，該區(qū)塊采用開窗側(cè)鉆技術(shù)進行產(chǎn)能挖潛，滾動增儲。通過對近5年區(qū)塊內(nèi)部署的側(cè)鉆井固井質(zhì)量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，上部水層及水層以上 30 m 內(nèi)，膠結(jié)質(zhì)量差井占比57.89%。不合格井段大部分位于洛河、直羅層位，不合格段長6～38 m 不等.隨著后期開發(fā)程度的加快，不合格井段套管的腐蝕嚴(yán)重，井筒生命周期完整性面臨著重大挑戰(zhàn)。

2 固井技術(shù)難點

分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井水層固井質(zhì)量差的根本原因是水泥漿在地層條件下抗分散能力弱，受水侵后性能發(fā)生改變；而地層水、地層溫度、地層承壓能力等因素受限于地層本身，被動決定著入井水泥漿的性能。本文分析這些間接因素對固井質(zhì)量的具體影響，優(yōu)化水泥漿性能，改善固井工藝，形成針對性技術(shù)方案。

2.1 地層水影響

姬塬區(qū)塊內(nèi)洛河、直羅層位水系活躍，礦化度為4700～6900 mg/L，單一水層跨度最高達 150 m。固井施工期間，水泥漿經(jīng)過地層竄流點，或上返至水層活躍處，受水侵，結(jié)構(gòu)被破壞，性能發(fā)生變化，形成水泥石后膠結(jié)強度低；固井候凝階段，環(huán)空水泥漿靜液柱壓力下降，高壓地層水不斷侵蝕水泥漿體，液相中的 Ca2+、OH-、Mg2+等離子被帶走或反應(yīng)交換，氫氧化鈣晶體析出減少[2]，未凝固成型的水泥漿被稀釋、分散、解體，破壞了原有的膠凝結(jié)構(gòu)，形成局部小段或大段竄槽，測井后水侵段顯示弱膠結(jié)或無膠結(jié)的空白。

2.2 地層溫度影響

姬塬區(qū)塊洛河、直羅層平均埋深在900～1700 m 之間，上部水層段地層靜止溫度為25～40 ℃，水泥漿水化反應(yīng)緩慢，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的時間延長[3]，抗地層流體干擾能力差，早期強度發(fā)展慢；同時，由于井眼間隙小，防漏設(shè)計所要求的慢替工藝(頂替排量在3～4 L/s)和施工安全雙重因素影響，低溫井段水泥漿受地層水沖刷時間長，防竄性能要求更高。

2.3 地層壓力影響

姬塬區(qū)塊自2005年開始投產(chǎn)至今，長期的開采導(dǎo)致地層壓力虧空，后期注水開發(fā)、壓裂增產(chǎn)等措施導(dǎo)致地層壓力體系紊亂，層間竄流形成局部高壓或局部低壓。低壓區(qū)域，水泥漿上返過程中發(fā)生漏失，井筒內(nèi)液柱壓力降低導(dǎo)致水層無法實現(xiàn)壓穩(wěn)；高壓區(qū)域地層出水竄流，注入水泥漿被稀釋，性能發(fā)生改變。

2.4 固井工具影響

區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井傳統(tǒng)的尾管懸掛固井工藝，懸掛器類型以液壓封隔式尾管懸掛器為主。該類型懸掛器具有可懸掛、封隔牢靠的特點，但由于施工結(jié)束后需進行封隔器脹封，關(guān)閉環(huán)空流體傳輸通道，導(dǎo)致候凝期間井筒內(nèi)上部液柱壓力無法向下傳遞，上部活躍水層段難以壓穩(wěn)，形成竄流。

3 固井方案優(yōu)化

受長慶油田低成本開發(fā)戰(zhàn)略和開發(fā)模式限制，側(cè)鉆井固井方式有限，單一的尾管懸掛固井工藝要滿足固井過程中防漏和壓穩(wěn)等一系列固井難題。同時，由于濾餅、井眼縮頸等客觀因素的存在，環(huán)空實際間隙有時甚至?xí)陀?6 mm，固井施工作業(yè)時水泥漿上返摩阻大，環(huán)空壓耗增加，井內(nèi)安全壓力窗口窄，動態(tài)當(dāng)量密度設(shè)計困難。綜合分析，解決該區(qū)塊水侵問題重點從以下兩方面入手：

1)固井開始至侯凝期間，井筒內(nèi)液柱結(jié)構(gòu)能夠達到水層“壓穩(wěn)防竄”；2)水泥漿具有不分散特性，進入地層后不易受地層水侵?jǐn)_改變原有性能；低溫條件下，強度發(fā)展?jié)M足防水侵和施工安全兩方面要求。

3.1 頂替排量優(yōu)化

施工排量選擇是窄間隙固井防漏技術(shù)的核心內(nèi)容。固井施工時，井底所受壓力暨井筒內(nèi)當(dāng)量密度，除鉆井液、前置液、水泥漿本身影響外，還受施工排量大小的影響。即使靜態(tài)條件下液柱壓力與漏失壓力平衡，施工排量的增加也會導(dǎo)致環(huán)空壓耗增大，最終導(dǎo)致環(huán)空循環(huán)摩阻當(dāng)量密度增加，在頂替過程中壓漏地層，導(dǎo)致水泥漿低返[4]。

通過固井軟件模擬計算出施工排量對于摩阻以及頂替效率的影響如表1。

表1 排量對摩阻及頂替效率的影響

姬塬油田老井開窗側(cè)鉆井傳統(tǒng)固井工藝，循環(huán)排量范圍為5.0～7.0 L/s，施工排量范圍為3.8～4.2 L/s。通過軟件模擬計算出不同施工排量對于摩阻、頂替效率以及施工要的影響。若保證95%以上頂替效率，環(huán)空返速應(yīng)大于 1.0 m/s，即施工排量高于 300 L/min，但高環(huán)空返速同時會帶來循環(huán)摩阻當(dāng)量密度的增加，從而導(dǎo)致固井過程中的漏失。因此合理的排量在排量超過 207 L/min(3.4 L/s)時頂替效率也能超過90%，在保證防漏的同時也能帶來較高的頂替效率。

3.2 固井工具優(yōu)化

按照固井前期至侯凝期間“壓穩(wěn)防竄”的要求，優(yōu)選直連式尾管懸掛器。該工具減少了以往封隔式尾管懸掛器的環(huán)空脹封構(gòu)件，精簡了卡瓦和液缸結(jié)構(gòu)，規(guī)避了卡瓦掛蹭套管、提前座掛、硬卡套管，以及開泵循環(huán)時液缸提前打開的風(fēng)險，因此安全性高，可實現(xiàn)無限循環(huán)。管串采用強制復(fù)位式+浮球式浮箍的單流結(jié)構(gòu)組合，保證斷流效果；密封短節(jié)、套管膠塞唇邊采用一體硫化橡膠結(jié)構(gòu)，密封承壓(50 MPa)可靠；鉆桿膠塞、套管膠塞上設(shè)計有卡簧，在進入碰壓位置后，鎖緊密封效果良好，連接可靠。

3.3 水泥漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于側(cè)鉆井環(huán)空間隙小，姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井眼裸眼段實際環(huán)容不足 6 m3，因此施工過程控制對于固井質(zhì)量顯得尤為重要。在保證井筒內(nèi)水泥漿柱結(jié)構(gòu)達到平衡壓力設(shè)計的前提下，井筒內(nèi)水泥漿類型越少，施工過程一致性和連續(xù)性越強，因此，姬塬區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井水泥漿柱結(jié)構(gòu)可設(shè)計為兩凝體系。常規(guī)密度水泥漿選擇 1.90 g/cm3早強微膨脹水泥漿體系，封固目的層長1及上部延安組活躍水層。低密度水泥漿以滿足地層壓穩(wěn)防漏要求密度設(shè)計如下：

通過查閱分析，該區(qū)塊已完鉆數(shù)據(jù)，平均垂深 2000 m，裸眼段封固段長在600～800 m，套管重合段長為 100 m，完鉆泥漿密度在1.14～1.16 g/cm3，目的層長1漏失當(dāng)量密度約 1.43 g/cm3，局部高壓區(qū)最高壓井泥漿比重 1.23 g/cm3，常規(guī)密度水泥漿封固段長度根據(jù)油層和上部延安組水層分布位置設(shè)計為 350 m，前置液按照7～9 min 接觸時間設(shè)計段長 250 m。

要求目的層長1動態(tài)當(dāng)量密度ECD滿足：

ECD漏失>ECD>ECD泥漿

式中：ECD為長1層位固井施工時動態(tài)當(dāng)量密度，g/cm3；ECD泥漿為井筒內(nèi)最高泥漿當(dāng)量密度，g/cm3；ECD漏失為長1層位漏失當(dāng)量密度，g/cm3。

經(jīng)過計算和固井軟件模擬等數(shù)據(jù)分析可得，姬塬區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井固井時動態(tài)當(dāng)量密度ECD介于1.23～1.43 g/cm3，計算可得即領(lǐng)漿設(shè)計密度區(qū)間為1.23～1.60 g/cm3。

因此，姬塬區(qū)塊內(nèi)側(cè)鉆井水泥漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計兩凝水泥漿體系，產(chǎn)層段選擇 1.90 g/cm3早強微膨脹水泥漿體系，封固目的層長1及上部延安組活躍水層；填充段水泥漿選擇密度在1.23～1.60 g/cm3之間的低密度水泥漿。

3.4 水泥漿性能優(yōu)化

3.4.1 抗分散絮凝劑BCY-100S的作用機理

提高水泥漿抗水侵性能的直接方法是通過加入少量外加劑，優(yōu)選油井水泥用抗分散絮凝劑多元共聚物BCY-100S[5]調(diào)試水泥漿配方。其能夠通過電中及和雙電層壓縮作用，降低水泥顆粒間的排斥能，使得排斥能和吸引能相加而產(chǎn)生的相互作用力以引力為主，從而減小了水泥顆粒間的距離。此外，抗分散絮凝劑分子鏈上帶有的羥基與拌合水分子形成氫鍵[6]，與水分子親和力增加。隨著抗分散絮凝劑摻量的加大，長分子鏈間相互吸引，并相互纏聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將水泥顆粒以及拌合水包裹起來，使之不易收到外界水分子的沖洗而分散，從而達到一定的絮凝效果，形成的水泥漿在低溫水中不離析不分散，具有良好的抗水侵作用。

3.4.2 產(chǎn)層段常規(guī)密度水泥漿體系優(yōu)化

姬塬區(qū)塊長1層位油藏的埋深較淺，井筒內(nèi)目的層泥漿循環(huán)溫度在40～50 ℃。常規(guī)密度水泥漿封固產(chǎn)層，性能需達到早強、快凝，過渡時間短的特點，避免淺層油藏油水同層在侯凝期間水侵而影響目的層固井質(zhì)量。以現(xiàn)有的早強水泥漿為基漿加入適量的BCY-100S，得到性能滿足固井要求的抗分散水泥漿體系。如表2。

表2 不同BCY-100S加量下低溫早強水泥漿性能對比

由表2看出，加入BCY-100S后，低溫早強水泥漿稠化時間稍有延長，但水干擾試驗下水泥損失量明顯低于基漿，且對原水泥漿體系抗壓強度和失水性能影響較小；但在低溫條件下，BCY-100S加量越多，會導(dǎo)致稠化時間延長。當(dāng)BCY-100S加量調(diào)整為2%時，在40～50 ℃ 的地層溫度下，水泥漿稠化時間60～80 min，能夠滿足施工要求。此時水泥漿達到較好的分散效果且不影響原有的早強、快凝性能。

3.4.3 填充段低密度水泥漿優(yōu)化

低密度水泥漿在井筒中上返時經(jīng)過多段水層，受水侵時間長，性能影響較大。根據(jù)漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果，從漿體流動性、早期強度等多方面因素考慮，優(yōu)選 1.55 g/cm3的粉煤灰低密度水泥漿體系作為基本試驗體系。通過加入BCY-100S和早強劑GJ-F，提高低密度水泥漿抗分散特性，縮短稠化時間，增加早期強度從而得到適宜于該區(qū)塊側(cè)鉆井水層封固的低密度水泥漿體系。如表3。

表3 不同BCY-100S加量下低密度水泥漿性能對比

由表3可知，當(dāng)BCY-100S加量為1.5%時，水泥漿抗分散性能較差，水泥損失量較大，且水干擾實驗，水泥漿入水即分散(圖1)；當(dāng)BCY-100S加量為2.5%時，水泥漿抗分散性能得到明顯改善，水泥損失量略小，水泥漿入水分散不明顯(圖2)；當(dāng)BCY-100S加量為3.5%時，水泥漿抗分散性能良好，水泥漿損失量較小，水泥漿入水保持連貫性，幾乎沒有分散(圖3)，但稠化時間開始縮短，說明BCY-100S加量有一定的飽和度。

(a) (b) (c)圖1 1.5% BCY-100S水泥漿 圖2 2.5%BCY-100S水泥漿 圖3 3.5%BCY-100S水泥漿

而BCY-100S比例從1.5%增加至3.5%時，低密度水泥漿稠化時間呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢，說明過飽和的BCY-100S無法參與水化反應(yīng)，從而達不到應(yīng)有的抗分散效果和延緩稠化作用，但早期強度基本無明顯區(qū)別。從經(jīng)濟，性能多角度綜合考慮，BCY-100S在低密度水泥漿比例中優(yōu)選為2.5%。

根據(jù)表4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GJ-F加量調(diào)整至2%時，早期強度明顯提升，可泵時間 156 min 左右，過渡時間短，早期強度高；當(dāng)GJ-F加量繼續(xù)提高時，稠化時間縮短但早期強度變化不明顯。綜合考慮，以GJ-F加量為2.0%時為優(yōu)選。

表4 不同GJ-F加量下低密度水泥漿性能對比

一系列的室內(nèi)優(yōu)化試驗表明，BCY-100S2%+1.90 g/cm3低溫早強水泥漿能達到較好的抗分散效果，且不影響原有的早強、快凝性能；BCY-100S2.5%+GJ-F2%+1.55 g/cm3低密度水泥漿抗分散性能良好，早期強度高，優(yōu)化后的兩凝不分散水泥漿體系能夠滿足該區(qū)塊側(cè)鉆井固井質(zhì)量要求。

4 應(yīng)用效果

后期以兩凝不分散水泥漿體系和直連式尾管懸掛器應(yīng)用為工藝核心，在姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井開展現(xiàn)場試驗5口井，施工正常，全井段平均封固率99.80%，平均優(yōu)質(zhì)率97.30%，水層段平均封固率100%，水層段平均優(yōu)質(zhì)率98.07%(見表5)，同比前期固井質(zhì)量提高明顯，試驗效果良好。

表5 試驗井固井質(zhì)量統(tǒng)計

應(yīng)用舉例如下：

X側(cè)40～42井，完鉆層位長1，大段水層位于直羅組1660～1760 m，設(shè)計 1.90 g/cm3早強不分散常規(guī)密度水泥漿返高至 1750 m，1.55 g/cm3不分散低密度水泥漿返至 1280 m，施工排量 206 l/min，現(xiàn)場施工正常，測井固井質(zhì)量合格(見圖4)，全井段合格率99.77%，優(yōu)質(zhì)率99.31%。

圖4 X側(cè)40-42井水層段固井質(zhì)量

通過5口井現(xiàn)場試驗效果看出，以兩凝不分散水泥漿體系和直連式懸掛器為技術(shù)核心的固井工藝對于解決姬塬區(qū)塊側(cè)鉆井水侵問題效果良好，水層及以上固井質(zhì)量明顯提高，推廣應(yīng)用后對延長該區(qū)塊側(cè)鉆井生命周期有著重大意義。

5 結(jié)論

1)姬塬區(qū)塊內(nèi)洛河、直羅水系發(fā)育，地層溫度低、層間壓力異常是導(dǎo)致側(cè)鉆井固井水侵的根本原因。

2)依靠抗分散絮凝劑BCY-100S優(yōu)化水泥漿體系，優(yōu)選直連式懸掛器應(yīng)用能夠有效解決區(qū)塊內(nèi)固井水侵問題。

3)兩凝不分散水泥漿體系和直連式懸掛器為技術(shù)核心的固井工藝在姬塬區(qū)塊現(xiàn)場試驗5口井，試驗效果良好，固井質(zhì)量明顯提升。