超深井小间隙安全注水泥技术研究与应用

第37卷第2期2015年3月石油钻采工艺OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol.37No.2Mar.2015文章编号：1000–7393（2015）02–0039–05　　　doi:10.13639/j.odpt.2015.02.011超深井小间隙安全注水泥技术研究与应用郭小阳1　张　凯1　李早元1　常洪渠2　姚坤全2（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都　610500；2.西南油气田公司，四川成都　610041）引用格式：郭小阳，张凯，李早元，等.超深井小间隙安全注水泥技术研究与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（2）：39-43.摘要：对于超深井小间隙来讲，注水泥施工设计较为重要，直接影响固井质量。由于井眼深、环空间隙小，在固井施工过程中摩阻大、泵压高、顶替效率差，易诱发井漏、污染等诸多实际问题，严重影响注水泥施工安全。针对以上难题开展技术攻关，提出了优化环空浆柱结构设计，抗污染先导浆设计，高效隔离液设计，防污染实验设计，结合浆体流变性对注替排量参数的设计等技术。该技术的运用，不仅保证了注水泥施工的安全，还提高了超深井小间隙固井质量。以双探1井Ø127mm尾管悬挂固井为例介绍了超深井小间隙安全注水泥的技术措施与实施效果，现场应用表明该技术是适用的，能够保证注水泥时的施工安全，且固井质量合格。关键词：超深井；小间隙；安全；注水泥；固井质量中图分类号：TE256　　　文献标识码：AResearchandapplicationofsafecementingtechnologyinultra-deepwellsofsmallclearanceGUOXiaoyang1,ZHANGKai1,LIZaoyuan1,CHANGHongqu2,YAOKunquan2（1.StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitationEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.SouthwestOil&GasFieldCompany,CNPC,Chengdu610041,China）Abstract:Cementingisakeylinkincementingoperation,anditssuccessorfailurewilldirectlyaffectthelifeofoil/gaswells.Forsmallclearanceinultra-deepwells,thedesignofcementingjobismostimportant,whichwilldirectlyaffectthecementingquality.Duetogreatwelldepthandsmallannularspace,thecementingoperationinvolveslargefrictiondrag,highpumppressureandpoordisplacementefficiencyduringusuallyinducesfluidlossandcontamination,whichwillseverelyaffectthesafetyofcementingjob.Inviewoftheaboveproblems,technicalresearchhasbeenperformedandanumberoftechniqueshavebeenpresentedsuchasoptimizingthedesignofannularfluidandstringstructure,thedesignofanti-contaminationprepadfluid,thedesignofefficientspacerfluid,thedesignofanti-contaminationexperimentandthedesignofcementinganddisplacementparametersinconjunctionwithfluidrheology.Theapplicationofthistechnologynotonlyensuresthesafetyofcementingoperation,butalsoimprovesthecementingqualityinsmallclearanceinultra-deepwells.TheShuangtan-1WellcementedwithØ127mmlinerwastakenasanexample,toshowthetechnicalmeasuresofsafetycementinginsmallclearanceultra-deepwellsandtheapplicationeffect;fieldapplicationindicatesthatthistechnologyisapplicableandcanensuresafetyofcementingoperation.Thecementingqualityisalsogood.Keywords:ultra-deepwell;smallclearance;safety;cementing;cementingquality基金项目：川庆钻探公司工程技术研究院资助项目“特殊工艺井固井技术现状调研与分析”（编号：GCC201206010）。作者简介：郭小阳，1951年生。西南石油大学“油气藏地质及开发”国家重点实验室，主要从事固井与完井工程及材料体系研究，教授，博士生导师。电话：[phone]。E-mail：[e-mail]。目前超深井普遍存在于我国塔里木、准噶尔以及四川等盆地，这些盆地均具有储层埋藏深，地质条件复杂，多套压力系统并存，易漏易喷，井壁稳定性较差等特点，给固井施工带来较大的难度。在固井作业过程中，超深井小间隙与常规井在注水泥施工过程中主要区别是超深井小间隙井环空间隙小、井眼较长，易产生过大的环空循环摩阻，施工泵压高，易压漏地层；井底温度比较高，钻井液体系比较复石油钻采工艺　2015年3月（第37卷）第2期40杂，而且水泥浆稠化时间不好控制；其次，注水泥时的流动形态难以保持紊流流态，对顶替效率影响较大［1-2］。如：元坝11井Ø146.1mm尾管下深7026m，环空间隙9.5mm，封固段6200~7026m，井底静止温度高达157℃，由于居中度难以保证，导致顶替效率差，固井质量合格率仅54.6%［3］；云安21井完钻井深达5858mm，Ø177.8mm套管下深至5785m，裸眼段73m，注浆量仅5m3，在注替过程中发生严重漏失，最大漏失速度达45m3/h［4］；龙16井Ø149.2mm钻头钻至5988m茅口组地层完钻并进行了尾管注水泥施工，由于地层承压低，钻井液密度高达2.34g/cm3，在注替过程中环空摩阻达10~15MPa，导致泵压急剧升高，超过地层的承压能力，发生严重漏失，累计漏失量45.5m3［5］。因此，为保证注水泥时的施工安全，笔者针对超深井小间隙实际技术难题，开展了综合技术攻关，探讨出了一套具有针对性的工艺措施，为今后超深井小间隙安全注水泥提供技术参考。1　超深井小间隙注水泥技术难点1.1　环空间隙小由于环空间隙太小，扶正器下入极其困难，甚至不能下入，套管不易居中，容易造成水泥环薄，施工过程中环空压耗大，注水泥浆施工泵压高，极易压漏地层，导致顶替效率低等问题，严重影响超深井小间隙的固井质量与施工安全。1.2　井底温度高与常规井不同，超深井注水泥井下温度较高，水泥浆稠化时间不易控制，对水泥浆抗高温的能力提出更高的要求，特别是在高温缓凝剂的优选上存在较大困难。如：双探1井，井深7308m，井底循环温度达到143℃，大大增加了水泥浆性能化验的难度；元坝11井，井深7026.28mm，井底静止温度为157℃，循环温度135℃［2］。1.3　顶替效率低环空间隙小，注灰量少，加之水泥浆运移段长，钻井液与水泥浆极易发生污染，且注入的位置特别深，若要把水泥浆顶替到位，操作难度大［6］。如：双探1井Ø127mm尾管悬挂固井，平均环容6.4L/m，顶替水泥浆仅5m3，封固段长807m，在运行过程中极易掺混，严重影响注水泥时的施工安全。1.4　井眼较长井深，摩阻高，不能大幅度上提下放活动套管；不能转动套管；深井建立循环风险大，在固井作业时开泵、停泵、管柱活动下均会引起较大压力波动，从而引起井塌和井漏的发生［7］。如：中古263H井二开完钻井深6126m，在固井施工过程中，环空摩阻较大，发生严重漏失，最大漏速40.4m3/h。针对以上超深井小间隙注水泥技术难点，主要存在的问题是顶替效率差、防污染难度大、井眼质量难以保证。为了更好地解决这些难题，文中从环空浆柱结构设计、抗污染先导浆设计、高效隔离液设计、防污染实验设计以及注替参数排量设计方面入手，进行深入的分析与研究。2　超深井小间隙安全注水泥技术研究2.1　环空浆柱结构设计超深井小间隙在固井施工过程中，由于环空间隙小，井眼较长，注水泥时流体通道变小，环空摩阻增大，造成常规冲洗液在驱替钻井液过程中，无法保证将全部钻井液驱替干净，井壁周围残留的钻井液一旦与水泥浆发生掺混，会产生严重的接触污染，影响注水泥施工时的安全［8］。而先导浆是通过对原钻井液进行稀释，加入合理的处理剂等一系列的措施，来改变其常规性能，起到抗污染的能力。常规隔离液属于增黏悬浮性浆体，黏度与切力都比较大，流动性较差，导致顶替效率较低，不仅影响界面的胶结质量，还对尾管注水泥施工造成极大的安全隐患，而高效隔离液是针对常规隔离液的不足，并结合超深井小间隙的特点，使其在满足黏切力的条件下，提高其流动性，来保证注水泥过程中有较高的顶替效率。为了进一步提高超深井小间隙的顶替效率，保证注水泥时的施工安全，环空浆柱结构的设计也应满足平衡压力注水泥的压稳和不漏原则，在注替过程中环空液柱产生的动压力既能压稳地层但又不压漏地层和防止窜流的发生。并且要求设计浆体之间的密度差应满足顶替液的密度大于被顶替液密度，即钻井液、先导浆、隔离液、水泥浆密度应保持梯度递增，这样可减轻各流体间相互窜槽，并有利于提高顶替效率，为此，一般要求ρ钻井液ρ先导浆ρ隔离液ρ水泥浆。环空浆柱结构如图1所示：图中红色表示先导浆，绿色表示隔离液，蓝色表示水泥浆，灰色表示钻井液。图1　环空浆柱结构41郭小阳等：超深井小间隙安全注水泥技术研究与应用2.2　抗污染先导浆设计针对这种特殊的环空浆柱结构设计，需要对先导浆做进一步的研究与分析，来验证它是否能在超深井小间隙起到抗污染的作用。按API规范10进行室内流动度实验与污染稠化实验（143℃×90MPa×60min）见表1。表1　室内混合浆体污染实验水泥浆百分比/%钻井液百分比/%隔离液百分比/%先导浆百分比/%流动度/cm初稠/Bc达到100Bc稠化时间/min703015307070201017.5262207020102024430当水泥浆与钻井液质量比为7∶3时，搅动混合浆体变稠，流动度仅15cm，浆体70min稠度达到100Bc，表明水泥浆与钻井液接触污染比较严重；当水泥浆、钻井液、隔离液的质量比为7∶2∶1时，搅动混合浆体比较稠，流动度17.5cm，浆体220min稠度达到100Bc，表明隔离液在超深井小间隙的井况下，不能有效地解除水泥浆与钻井液的污染；当水泥浆、钻井液、先导浆的质量比为7∶2∶1时，搅动混合浆体，流动度较好为20cm，浆体经430min稠度才达到100Bc，表明先导浆的使用能有效解除水泥浆与钻井液的接触污染。根据以上的实验数据说明，在超深井小间隙中仅使用隔离液已无法解除钻井液与水泥浆的污染。因此，针对超深井小间隙的复杂情况，需要设计一种特殊的浆体，来保证注水泥时的施工安全。笔者设计的一种先导浆，具备低黏低切的特点，在注隔离液之前注入先导浆，先导浆在小间隙中