吉林油田紅崗高臺(tái)子區(qū)塊固井技術(shù)研究與實(shí)踐

吉林油田紅崗高臺(tái)子區(qū)塊固井技術(shù)研究與實(shí)踐賀浩強(qiáng)肖金柱馮水山劉春雨（大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司）摘要:吉林油田紅崗高臺(tái)子區(qū)塊地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同一井筒縱向既存在高壓層、又存在易漏層，固井質(zhì)量難以保障。針對(duì)該區(qū)塊存在易漏、易竄等固井難點(diǎn)，我們從水泥漿體系、固井施工工藝等方面入手，研究總結(jié)出了一套以高強(qiáng)低密度水泥漿、微膨脹水泥漿體系為核心的固井配套工藝技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)有效的解決了該區(qū)塊的易漏、易竄等固井難題，提高了固井質(zhì)量。關(guān)鍵詞：高臺(tái)子油層固井質(zhì)量水泥漿體系防漏頂替效率吉林油田紅崗高臺(tái)子區(qū)塊地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，縱向剖面上油氣層多，巖性、滲透性不均衡，既存在淺氣層、活躍的油水層又存在破裂壓力比較低的易漏層。這些因素直接導(dǎo)致了這一地區(qū)壓穩(wěn)與防漏的矛盾十分突出，嚴(yán)重制約了該地區(qū)的固井質(zhì)量。從2007年到2011年，這一地區(qū)一共完成油氣層固井76口，其中優(yōu)質(zhì)34口、合格68口，優(yōu)質(zhì)率僅為44.74%，合格率僅為89.47%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于吉林油田其他地區(qū)。固井質(zhì)量比較差嚴(yán)重影響了油田的后續(xù)開發(fā)戰(zhàn)略。為此，我們對(duì)影響該區(qū)塊的固井質(zhì)量的因素展開了深入的研究，重點(diǎn)從井眼準(zhǔn)備、固井施工工藝及水泥漿體系入手，優(yōu)化固井施工設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總結(jié)出了一套適合高臺(tái)子區(qū)塊的固井配套技術(shù)措施?，F(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果十分明顯，高臺(tái)子區(qū)塊的的固井質(zhì)量有了顯著地提高。一、固井技術(shù)難點(diǎn)1.一些井長(zhǎng)期存在停注不放壓的現(xiàn)象紅崗采油廠目前是三次加密調(diào)整階段，由于長(zhǎng)期注水開采，地層原始?jí)毫ο到y(tǒng)遭到破壞，形成異常高壓區(qū)，而采油廠注水井只停注不放壓，注水井最低井口壓力4MPa，個(gè)別井高達(dá)12-13MPa。2.地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，層間矛盾突出同一井筒縱向既存在高壓層、又存在易漏層。固井時(shí)對(duì)高壓層采取措施，會(huì)引起井漏，若針對(duì)漏失層采取防漏固井措施，又會(huì)因壓不穩(wěn)高壓層而影響固井質(zhì)量，壓穩(wěn)與防漏的矛盾十分突出，嚴(yán)重制約了該地區(qū)的固井質(zhì)量。3.封固段比較長(zhǎng)，上下溫差大,上部水泥漿凝結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng),強(qiáng)度發(fā)展較慢紅崗高臺(tái)子地區(qū)水泥漿封固段長(zhǎng)，上下部地層溫差大，上部水泥漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、24小時(shí)抗壓強(qiáng)度低，水泥漿抗竄能力下降，影響油頂及上部油層段封固質(zhì)量。例如紅G+13-03井套管下深1524m，水泥返至地面，封固段長(zhǎng)1524m，水泥漿分段位置在1100m左右，上下溫差達(dá)20-30℃，水泥漿凝結(jié)時(shí)間相差2h以上。4.地層承壓能力低，封固段比較長(zhǎng)，在施工過程中易發(fā)生井漏，造成水泥漿低返，影響固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。二、水泥漿體系研究與選擇針對(duì)高臺(tái)子區(qū)塊的井下特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，領(lǐng)漿優(yōu)選了普通低密度水泥漿體系（1.50g/cm3-1.65g/cm3）和高強(qiáng)低密度水泥漿體系（密度1.30g/cm3-1.50g/cm3），尾漿優(yōu)選了微膨脹水泥漿體系。1.普通低密度水泥漿體系低密度水泥漿體系的穩(wěn)定性和早期強(qiáng)度是衡量低密度水泥漿體系性能優(yōu)劣的兩個(gè)主要指標(biāo),低密度水泥漿體系要求穩(wěn)定性好、早期強(qiáng)度高。根據(jù)顆粒級(jí)配緊密堆積理論,通過優(yōu)化低密度混合物中粒度分布,提高水泥漿體系的密實(shí)程度,可以使普通低密度水泥漿體系的強(qiáng)度和其它性能大幅度的提高[1]。因此,要注意以下問題:（1）較好的穩(wěn)定性:水泥漿在一定的條件下,漿體不發(fā)生分層離析,形成的水泥石縱向密度分布要基本一致,析水小、體積收縮小。（2）合適的流變性和密度:選擇減輕劑的類型和級(jí)別粒徑,不能盲目增大用水量,用水量應(yīng)嚴(yán)格控制在所選擇減輕劑的最大允許范圍內(nèi)。（3）較高的早期強(qiáng)度:不能盲目追求水泥漿的流變性能和濾失量控制,而損害水泥漿的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性。選擇不同粒徑的低密度材料緊密堆積輔以外加劑以提高早期強(qiáng)度。普通低密度水泥漿體系性能數(shù)據(jù)表水泥：漂珠：微硅G302G203USZGH-175：12：131.82.50.60.10.551.6548℃30min30Mpa15448℃30min30Mpa60℃24h常壓10.470：20：101.82.50.600.551.6048℃30min30Mpa14948℃30min30Mpa60℃24h常壓10.260：25：151.82.50.600.551.5048℃30min30Mpa16148℃30min30Mpa60℃24h常壓10.0從表中數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)調(diào)整后的普通低密度水泥漿失水量低、流動(dòng)性好、稠化時(shí)間可調(diào)性好、24h抗壓強(qiáng)度能達(dá)到10MPa，水泥漿總體性能相對(duì)比較穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2.高強(qiáng)低密度水泥漿1）材料的選擇減輕材料：漂珠，是一種空心、密閉、壁薄、粒細(xì)的玻璃球體，視密度為0.7g/cm3左右，外殼含硅鋁，有活性。合成鈉硼微珠減輕劑密度0.38g/cm3，耐壓性能最高可達(dá)18000psi，粒度10~80μm。增強(qiáng)材料：PZW，是一種具有合理顆粒級(jí)配的活性超細(xì)膠凝材料，其中部分材料為自然成型的球體材料，而研磨的粉體材料采用氣流研磨技術(shù)，提高粉體材料的圓形系數(shù)，可與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)，生成低堿度的C-S-H凝膠，形成更致密的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)劑中的超細(xì)顆粒的充填作用，形成更緊密的堆積，實(shí)現(xiàn)緊密堆積的效果。2）高強(qiáng)低密度水泥漿性能高強(qiáng)低密度水泥漿性能表50℃20min20Mpa16850℃30min7Mpa常壓50℃20min20Mpa16550℃30min7Mpa常壓50℃20min20Mpa15750℃30min7Mpa常壓從表中數(shù)據(jù)可以看出，高強(qiáng)低密度體系性能穩(wěn)定，失水量小于50ml，密度較普通低密度更低，能夠更好的降低液柱壓力，稠化時(shí)間可調(diào)，各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3.微膨脹防竄水泥漿體系在井下環(huán)空內(nèi)，晶體膨脹材料產(chǎn)生的膨脹壓主要作用于濾餅/地層系統(tǒng)，而不是套管/水泥環(huán)系統(tǒng)，故在硬地層（非滲透）和薄濾餅（或無濾餅）的環(huán)境中，只要水泥漿體不發(fā)生體積收縮即可膠結(jié)良好，但在軟地層（滲透性地層）和存在厚濾餅的條件下，水泥漿體必須具有足夠的膨脹量（增大膨脹劑摻量）方可獲得優(yōu)質(zhì)的膠結(jié)性能。因此，水泥漿硬化后能否產(chǎn)生有效的體積膨脹（特別是在高壓條件下）是選擇優(yōu)質(zhì)水泥膨脹劑的主要性能指標(biāo)。我們根據(jù)試驗(yàn)情況優(yōu)選了膨脹劑F17A，該膨脹劑是以非金屬礦物和有機(jī)物單體為原料，經(jīng)過特殊的物理化學(xué)方法聚合而成，可在不同的水泥漿水化階段保持穩(wěn)定的體積膨脹。在塑性體狀態(tài)下，反應(yīng)活性較高的組分與水化產(chǎn)物反應(yīng)，使水泥漿體積膨脹。在硬化體狀態(tài)，反應(yīng)活性較低的組分起主要作用，晶體生長(zhǎng)壓驅(qū)使水泥石體積膨脹，從而達(dá)到防竄目的。微膨脹防竄水泥漿體系性能數(shù)據(jù)表水泥外加劑加量，%水

灰

比流動(dòng)度，mm密度

，g/cm3稠化時(shí)間，min失水量，ml24h抗壓強(qiáng)度，MpaGG302GH-1USZ條件時(shí)間條件失水條件強(qiáng)度G1.500.80.422301.950℃20min20Mpa10850℃30min7Mpa2060℃24h常壓21.5G1.50.10.80.422301.950℃30min30Mpa14550℃30min7Mpa2860℃24h常壓22.2G1.50．150.80.422301.950℃30min30Mpa14150℃30min7Mpa1560℃24h常壓22.1由表數(shù)據(jù)可以看出，微膨脹防竄水泥漿的性能優(yōu)良：流動(dòng)度好、失水量低、水泥石抗壓強(qiáng)度高、稠化時(shí)間易于調(diào)節(jié)，達(dá)到了固井設(shè)計(jì)的要求。微膨脹水泥漿稠化曲線圖氣竄分析曲線從微膨脹水泥漿水泥漿的稠化曲線我們可以看出，曲線近似直角稠化，過渡時(shí)間非常短；從氣竄分析曲線也可以驗(yàn)證出，微膨脹水泥漿體系防竄性能良好。調(diào)整后的微膨脹水泥漿性能：流動(dòng)度：>220mm密度：1.85-1.95g/cm3失水量：<50mL自由液：0mL稠化時(shí)間：根據(jù)要求可調(diào)30-100Bc用時(shí):<20min24h抗壓強(qiáng)度：>20.0MPa沉降密度差:<0.02g/cm3微膨脹防竄水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)水泥漿體系能否防止油氣水竄，最關(guān)鍵的性能是水化階段該體系對(duì)油氣水竄的相對(duì)滲透率及內(nèi)部阻力變化的大小。水泥漿對(duì)地層流體不滲透能力形成越快，竄槽的機(jī)率就越小；另一個(gè)要考慮的因素是水泥漿的失水特性。把水泥漿的滲透性和失水兩項(xiàng)需要考慮的性能歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)即水泥漿性能系數(shù)SPN。水泥漿失水量與時(shí)間的平方根成近似線性關(guān)系，SPN的計(jì)算式為：式中API失水—水泥漿30min、6.9MPa條件下的失水量，mL；—水泥漿達(dá)到100Bc的時(shí)間，min；—水泥漿達(dá)到30Bc的時(shí)間，min；應(yīng)用SPN值，可以對(duì)水泥漿進(jìn)行防竄評(píng)價(jià)。SPN值越小，水泥漿防竄能力越強(qiáng)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見下表。水泥漿性能系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)SPN值1-33-7>7評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較好中等差采用水泥漿性能系數(shù)對(duì)水泥漿SPN進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果均小于3，可以看出通過加入膨脹劑，提高了早期強(qiáng)度，增強(qiáng)了水泥漿的防竄能力，配合其它的綜合防竄措施，能滿足防竄的要求。防竄水泥漿的SPN值序號(hào)失水量，mL，min，min過渡時(shí)間，minSPN118106116102.08225130142122.44320125137121.75三、應(yīng)用的主要技術(shù)措施1.防漏配套工藝技術(shù)措施1）做好堵漏工作，提高地層承壓能力鉆入漏失層頂部在鉆井液中加入堵漏材料進(jìn)行堵漏，為固井防漏創(chuàng)造條件。2）做好地層承壓實(shí)驗(yàn)，為固井防漏設(shè)計(jì)提供依據(jù)完鉆后，根據(jù)模擬固井施工中環(huán)空承受最大動(dòng)液柱壓力并附加2.0-3.5MPa，在井口蹩壓。若有漏失，進(jìn)一步堵漏。3）控制套管下放速度防止由于套管下放速度過快對(duì)地層產(chǎn)生較大的激動(dòng)壓力，壓漏薄弱地層。4）優(yōu)化固井施工設(shè)計(jì)，合理的設(shè)計(jì)固井施工參數(shù)按照地層壓力合理設(shè)計(jì)環(huán)空液柱結(jié)構(gòu)及水泥漿密度、分段位置，保證液柱壓力小于最薄弱的地層所能承受壓力。采用變排量頂替工藝，替量前期采用紊流頂替，后期采用塞流頂替。并用固井施工軟件對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，確保在整個(gè)固井施工工程中不壓漏薄弱地層[2]。軟件模擬紅G1-51環(huán)空壓力分布2.提高頂替效率的技術(shù)措施1）制定合理的鉆關(guān)方案與新鉆井位距離400米以內(nèi)的注水井提前15天停注，確保鉆開油層前井口壓力降到3.0MPa以下,超過3.0MPa的井需要放溢流降壓，滿足開鉆和環(huán)保要求。鉆控后采取分步恢復(fù)注水做法，逐漸恢復(fù)地層壓力。對(duì)距新鉆井位50米以內(nèi)的采油井，或連通關(guān)系較好的一線采油井,在鉆開油層時(shí)到固井后48小時(shí)之內(nèi)關(guān)井，固井后48小時(shí)后開井生產(chǎn)。2）做好井眼準(zhǔn)備工作下套管前，認(rèn)真通井，凈化井眼和鉆井液；下套管前用原鉆具通井，下入過程中分段大排量循環(huán)，循環(huán)過程中活動(dòng)管柱，使井眼更規(guī)則，到底后充分循環(huán)2周以上，強(qiáng)化固控設(shè)備的使用，確保巖屑清除分離出來，循環(huán)至振動(dòng)篩無巖屑，然后用泥漿泵泵入清掃液洗井[3]。3）合理加放套管扶正器，提高套管居中度油層段每一根套管加一個(gè)限位彈性扶正器，油層段以上每?jī)筛坠芗右粋€(gè)限位彈性扶正器，在井徑大且不規(guī)則處每一根套管加一個(gè)限位彈性扶正器，充分保證套管的居中度，提高頂替效率，形成均勻的水泥環(huán)。4）控制好固井前鉆井液性能在保證井下安全和井壁穩(wěn)定的情況下，下套管前認(rèn)真按照鉆井設(shè)計(jì)要求調(diào)整鉆井液性能，盡量降低鉆井液粘度、切力和磨阻，保證鉆井液性能達(dá)到低粘、低切、低失水，鉆井液能平衡壓穩(wěn)地層壓力[4]。5）上下活動(dòng)套管特別是水泥漿出套管鞋后，通過上下活動(dòng)套管改變環(huán)空寬窄分布，套管接箍和扶正器上下移動(dòng)動(dòng)態(tài)改變液體流場(chǎng)，提高橫向波及范圍，利用上下活動(dòng)剪切應(yīng)力破壞泥漿膠凝結(jié)構(gòu)，改變泥漿流變性，提高頂替效率。6）優(yōu)選了性能良好的JSS-1沖洗液和NCH-2加重隔離液JSS-1沖洗液由清水、高聚物、降失水劑和抑制劑組成，具有低失水的特點(diǎn)，能夠防止油層受到污染，有效沖洗井壁泥餅，隔離鉆井液和水泥漿，給水泥漿提供一個(gè)清潔干凈的膠結(jié)環(huán)境，提高水泥漿頂替效率和固井質(zhì)量。JSS-1沖洗液性能項(xiàng)目單位指標(biāo)密度g/cm31.03塑性粘度mPa.s3-7濾失量ml<50熱穩(wěn)定性℃0-150NCH-2隔離液由清水、高聚物、降失水劑、抑制劑、懸浮劑和加重材料組成，能夠高效攜帶殘留泥漿泥餅和沉淀巖屑，隔離鉆井液和水泥漿，防止泥頁巖膨脹、減少油氣層污染，壓穩(wěn)下部水泥漿液柱防止發(fā)生氣竄。NCH-2隔離液性能項(xiàng)目單位指標(biāo)密度g/cm31.20-1.30塑性粘度mPa.s13-20濾失量ml<50熱穩(wěn)定性℃0-1507）按照地層壓力合理設(shè)計(jì)環(huán)空液柱結(jié)構(gòu)及水泥漿密度、分段位置，在保證液柱壓力小于最薄弱的地層所能承受壓力同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)水泥漿自下而上階梯凝固，減緩水泥漿失重影響。水泥漿產(chǎn)生環(huán)空竄流的根本原因是由于水泥漿自身的膠凝特征而引起的，水泥漿在凝結(jié)過程中，不發(fā)生竄流的基本條件是P環(huán)+P阻﹥P地，即環(huán)空液柱有效壓力和氣侵阻力之和大于地層流體壓力時(shí)，地層流體就不會(huì)侵入環(huán)空發(fā)生竄流。固井侯凝過程中水泥漿處于失重狀態(tài)，環(huán)空液柱壓力不能再往下傳遞時(shí)，如果水泥基質(zhì)的防竄能力差，環(huán)空液柱壓力加上水泥自身的內(nèi)部阻力低于地層的壓力，活躍的流體就會(huì)侵入到水泥環(huán)中，無法實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)，引起層間互竄，從而難以實(shí)現(xiàn)層間的有效封隔，地層流體上竄，影響固井質(zhì)量，嚴(yán)重的造成固井失敗。為此高臺(tái)子地區(qū)設(shè)計(jì)使用了雙凝的水泥漿結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計(jì)首漿與尾漿的分段位置及稠化時(shí)間，避免水泥漿失重，導(dǎo)致層間竄流或高壓地層油氣水竄入井筒，起到壓穩(wěn)下部油層的作用。8）加強(qiáng)固井施工管理，實(shí)現(xiàn)固井標(biāo)準(zhǔn)化施工固井中隊(duì)到達(dá)固井施工現(xiàn)場(chǎng)，要全面徹底檢查水泥車動(dòng)力、液力部分及操作控制機(jī)構(gòu)，確保工作正常，上水良好，能達(dá)到額定排量和水泥漿密度。認(rèn)真檢查壓風(fēng)機(jī)，確保工作正常。下灰車氣路不堵、不漏，連接可靠。固井車到達(dá)井場(chǎng)后，合理擺放，進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，有問題時(shí)及時(shí)排除，確保水泥車、灰罐車、壓風(fēng)機(jī)、流量計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，不出現(xiàn)機(jī)械故障。固井施工作業(yè)前召開現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底會(huì)，把固井設(shè)計(jì)內(nèi)容詳細(xì)交代給固井施工指揮和各個(gè)崗位操作人員，確保每一名參加固井施工人員掌握固井施工流程和技術(shù)要求。固井施工時(shí)嚴(yán)格按照固井施工設(shè)計(jì)要求控制各項(xiàng)施工參數(shù)，確保水泥漿的密度、注水泥漿排量和置替水泥漿排量等各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。專人負(fù)責(zé)觀察鉆井液返出情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象及時(shí)通報(bào)施工指揮人員，以便采取應(yīng)急措施，確保固井地面施工質(zhì)量。四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用在充分的固井前準(zhǔn)備、性能優(yōu)良的水泥漿體系、合理的固井施工工藝等一系列技術(shù)措施的保障下，紅崗高臺(tái)子調(diào)整區(qū)塊的固井質(zhì)量有了明顯的提高。2012至2013年，現(xiàn)場(chǎng)一共應(yīng)用10口井，全部，合格率100%，優(yōu)質(zhì)7口，優(yōu)質(zhì)率70%。2007年-2013年固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表時(shí)間完成口數(shù)合格口數(shù)優(yōu)質(zhì)口數(shù)合格率，%優(yōu)質(zhì)率，%20072317973.9139.13200833110033.3320091413792.8650201010959050201126261210046.15201244310075201366410066.67紅G1-51井油層套管固井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1、井深結(jié)構(gòu)示意圖2、固井基本數(shù)據(jù)油氣層頂界，m1218套管下深，m1637油氣層底界，m1607完鉆井深，m2342阻流環(huán)位置，m1627短套管位置，m1208-1218水泥返深，m280雙凝界面，m10683、水泥漿體系首漿低密度水泥漿體系水泥漿類型低密度流動(dòng)度，mm≥220水泥漿密度，g/cm31.55-1.65抗壓強(qiáng)度，MPa(24h)≥12稠化時(shí)間，min130-160造漿量，m3/t0.9初始稠度，Bc≤30失水量，ml≤50水泥漿體系：68（G級(jí)）:22(漂珠):10(硅粉)+2.5%早強(qiáng)劑+1.5%降失水劑+0.5%減阻劑+0.6%緩凝劑+0.05%消泡劑尾漿微膨脹水泥漿體系水泥漿類型微膨脹流動(dòng)