楊勝剛

中國石油大慶鉆探工程公司鉆井二公司 （黑龍江 大慶 163413）

隨著大慶油田開發(fā)進入中后期，為保證油氣資源產(chǎn)量，對老區(qū)油田的開發(fā)力度也日益增大。然而，在經(jīng)過60年的開采之后，有的產(chǎn)油區(qū)塊井底情況已經(jīng)發(fā)生改變，地下壓力差異大、不同儲層間的壓差也很高，縱向上各層位滲透性和孔隙度差別大、地質(zhì)情況復雜。鉆完井施工過程中，易出現(xiàn)井漏、井涌、油水氣侵（竄）以及二界面膠結(jié)質(zhì)量不佳等復雜情況，固井質(zhì)量難以保證。長此以往，不僅影響單井的油氣產(chǎn)量、注采效果，還會產(chǎn)生井間或?qū)娱g干擾，影響采收率和井網(wǎng)布置，甚至導致油氣水井報廢，增大投資成本、影響開發(fā)效果[1]。因此，通過合成增韌防竄劑和優(yōu)選納米材料，開發(fā)出兩套水泥漿體系，再結(jié)合固井工具等技術(shù)措施，使大慶老區(qū)油田調(diào)整井固井質(zhì)量得到提升，為保證油氣資源的長期開發(fā)和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供有力技術(shù)支持[1]。

1 老區(qū)油田調(diào)整井的特點

1）多套壓力體系共存。老區(qū)油田開發(fā)井所處的層位多為主力油藏，由于長期的注水開發(fā)，地下原始壓力平衡遭到破壞、油水界面之間會產(chǎn)生不規(guī)則移動，使得地層壓力更加復雜。再加上長時間采油作業(yè)的進行，層間存在虧空層和憋壓層共存的現(xiàn)象，很容易發(fā)生層間互竄。在壓力虧空層，還存在著壓穩(wěn)和防漏的矛盾，這都導致固井質(zhì)量無法得到保證。

2）地下流體處于動態(tài)環(huán)境。雖然在鉆進過程可采取停注、放溢等一整套降壓措施，但由于注采不平衡和層間竄流，地層流體壓力始終處于流動狀態(tài)，加之老區(qū)油層縱向上多而薄、間距小、封隔段長等不利因素，也會嚴重影響固井質(zhì)量。

3）井徑不規(guī)則、清潔度低。由于老區(qū)井下多套壓力系統(tǒng)的存在和地質(zhì)情況的改變，鉆井過程中容易因鉆井液性能不達標而發(fā)生剝落、掉塊，甚至是井壁垮塌等井下復雜事故，最終導致井徑擴大率相對較高，有的井段甚至出現(xiàn)“大肚子”井眼，井壁上的泥餅也會出現(xiàn)虛、厚的情況，這都將影響水泥漿的頂替效率和固井質(zhì)量。同時，低滲泥頁巖井段的地層壓力的升高，會促使巖層蠕動，加劇套損程度，形成氣竄。

4）水泥漿性能劣化。當高壓層水泥漿靜壓低于地層孔隙壓力，會對泥餅產(chǎn)生溶蝕和運移作用，地層流體中的陽離子會對環(huán)空水泥石產(chǎn)生侵蝕和損害，降低其強度，降低水泥環(huán)膠結(jié)強度和質(zhì)量，形成上竄通道，嚴重時發(fā)生管外冒。此外，注水泥過程中頂替效率低，形成水泥漿夾帶的竄槽。水泥漿凝固后，受射孔、地層蠕動、熱應力等外力沖擊，也會造成水泥與套管或地層膠結(jié)面質(zhì)量差，影響封隔效果[2-5]。

2 提高固井質(zhì)量的技術(shù)對策

2.1 增韌防竄劑水泥漿體系研究

為了提高水泥防竄性能，改善水泥石韌性，必須利用功能型固井外加劑。而目前國內(nèi)外常用的外加劑主要為纖維、膠乳、膨脹劑等材料。但這些材料都存在著一定的缺陷：纖維材料無法進行干混，給現(xiàn)場操作帶來較大困難；膠乳雖然是較好的增韌防竄外加劑，但環(huán)保要求限制了應用范圍；膨脹劑對水泥的強度、耐久性和水泥石的完整性會產(chǎn)生不利影響。針對此難題，研發(fā)了一種油井水泥用高分子聚合物類增韌防竄劑，在提高水泥漿防竄性能的同時，改善水泥石力學性能。

2.1.1 增韌防竄劑作用機理分析

使用小分子單體在一定反應條件下合成出具有體型結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，該聚合物在水泥漿中分散開會形成網(wǎng)絡狀的空間三維結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的存在，可以提高水泥漿的內(nèi)聚力，降低水泥漿滲透率，防止地層水和油氣侵入到水泥漿中，使水泥漿具有良好的防竄性能。但是分子量大小的控制直接決定著水泥中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大小和強弱：分子量太大會造成水泥漿的黏度和稠度過高影響施工安全；分子量太小又會使形成的水泥漿強度不夠，無法改善水泥漿的防竄性能。此外，通過優(yōu)選能夠調(diào)節(jié)高分子聚合物聚合度和粒徑的柔性單體添加到水泥漿中，會使水泥石的彈性模量降低，增加水泥石的抗沖擊能力，達到改善水泥石韌性的目的。

2.1.2 增韌防竄劑的合成

在反應釜中加入一定量的去離子水，并稱取一定量的反應單體，在勻速攪拌條件下，在反應釜中配成濃度為15%的溶液；加入濃度為30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值在3～4之間，通氮氣除氧，升溫至60～65℃；在氮氣保護及持續(xù)攪拌情況下加入引發(fā)劑，反應3～4 h，冷卻并烘干，可得到高分子聚合物增韌防竄劑FC-1。為了達到最好的防竄效果，其分子量控制在（100～130）×104。

2.1.3 性能評價

以增韌防竄劑FC-1為基礎，配套降失水劑、緩凝劑等固井外加劑，形成增韌防竄水泥漿基漿配方：G級水泥+68%減輕劑+7.0%降失水劑+0.25%緩凝劑。在室內(nèi)對增韌防竄劑FC-1在不同加量下對水泥漿失水和游離液性能、水泥漿防竄性能和水泥石抗沖擊能力分別進行了評價，實驗結(jié)果見表1、表2和表3。由表1可知，增韌防竄劑在水泥漿中形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高了水泥漿的穩(wěn)定性，使水泥漿中的游離液減少，也有利于水泥漿失水的降低。由表2可知，在常規(guī)水泥漿中添加3%FC-1之后，即可有效防止竄流的發(fā)生，并且能夠顯著降低水泥漿靜膠凝過渡時間。由表3可知，增韌防竄劑FC-1在2%～6%的加量范圍內(nèi)，能顯著提高水泥石的強度和韌性，但超過這個范圍時，水泥石的強度和韌性則會降低。

表1 增韌防竄水泥漿游離液和失水性能

表2 增韌防竄劑水泥漿防竄試驗結(jié)果

2.2 納米基低密度水泥漿體系研究

老區(qū)油田調(diào)整井固井中常遇到低壓易漏失地層問題。應用低密度水泥漿，可以降低固井液柱壓力，防止漏失，能實現(xiàn)一次注水泥全井套管固井，減少分級固井的風險和費用，節(jié)約建井時間。目前常用的低密度水泥漿體系有很多種，但都存在著耐壓能力差、強度低、穩(wěn)定性差等問題，而且成本也較高。為了解決這些問題，將納米材料引入到低密度水泥漿中，不僅在大水灰比條件下可改善水泥漿穩(wěn)定性，還能提高水泥石強度[6]。

2.2.1 低密度水泥漿用納米材料優(yōu)選原則

為了研制出綜合性能優(yōu)良、低成本的低密度水泥漿體系，必須優(yōu)選出性能達標的納米材料。優(yōu)選原則如下：

1）分散性好，在水泥漿中易分散，不會影響水泥漿的相關(guān)性能。

2）水活化性，能夠提高水泥石的強度。

3）良好的懸浮穩(wěn)定性，可使低密度水泥漿在較大的水灰比條件下保持良好的穩(wěn)定性。

4）價格適中。

根據(jù)以上優(yōu)選原則結(jié)合目前鉆完井液行業(yè)的微納米材料研究情況，從氧化硅、氧化鋁、氧化鐵和膨潤土等眾多材料中，優(yōu)選出一種能夠改善水泥漿穩(wěn)定性、對稠化時間影響不大、還能提高水泥石強度的納米材料DN-2作為低密度水泥漿體系的外加劑。

2.2.2 納米材料對水泥漿性能影響評價

以優(yōu)選的納米材料DN-2為基礎，配套降失水劑等水泥漿外加劑，形成了納米基低密度水泥漿體系：G級水泥+75%減輕增強材料+2.0%納米材料+5.0%降失水劑+93%水，對其稠化時間、失水、強度和穩(wěn)定性等綜合性能進行了測試，實驗結(jié)果見表4。由表4可知，加入納米材料DN-2后，水泥石的強度也在逐漸增加，也使水泥漿的穩(wěn)定性顯著改善。說明以納米材料DN-2為基礎研制的納米級低密度水泥漿體系具有稠化時間可調(diào)、失水可控、耐壓性能高等特點，是一種綜合性能優(yōu)異的新型低密度水泥漿體系。

表4 低密度水泥漿性能評價

2.3 配套工藝及技術(shù)措施

2.3.1 水泥漿充填管外封隔器固井技術(shù)

根據(jù)調(diào)整井特點，使用水泥漿充填管外封隔器完井技術(shù)，也能大幅度提高老區(qū)油田調(diào)整井固井質(zhì)量。這種封隔器是由中心管、膠筒和閥箍等幾個部件組成，通過下接頭、上接箍連接到相鄰兩個套管上。閥箍是由單向閥、限壓閥和打開閥串聯(lián)在一起；膠筒由內(nèi)膠筒、撓性保護鋼片和外膠筒三層結(jié)構(gòu)組成。當封隔器下到井底以后，打壓坐封封隔器，當坐封壓力達到一定值后，剪斷打開閥的銷釘，流體會進入到中心管和內(nèi)膠筒之間的腔體，膠筒會在膨脹至一定壓力后，通過剪斷限壓閥而關(guān)閉流體通道，使封隔器一直處于漲封狀態(tài)。

2.3.2 提高頂替效率技術(shù)措施

提高水泥漿的頂替效率，是清除井底鉆井液竄槽、提高水泥環(huán)密封效果、保證水泥質(zhì)量的有效技術(shù)措施。影響頂替效率的因素有很多，井眼的規(guī)則度、套管的居中度、頂替液與鉆井液性能之間的差異，這些都會影響到水泥漿的頂替效率。要想通過提高頂替效率達到提高固井質(zhì)量的目的，可采取的方法有：①套管居中；②活動套管；③采用前置液紊流頂替；④延長紊流接觸時間與增大紊流程度；⑤增大水泥漿與鉆井液密度差；⑥調(diào)整鉆井液性能。

2.3.3 提高二界面膠結(jié)質(zhì)量技術(shù)措施

提高二界面膠結(jié)質(zhì)量，也是提高固井質(zhì)量的重要技術(shù)手段。通過以下幾種技術(shù)可明顯提高二界面的膠結(jié)質(zhì)量：①提高鉆井液的抑制防塌能力，保證井壁完整性和井眼的規(guī)則度；②根據(jù)鉆井液性能和相關(guān)工程參數(shù)，配制性能優(yōu)異的前置液，達到有效驅(qū)替鉆井液和清除井壁泥餅的目的；③根據(jù)實際情況調(diào)整鉆井液相關(guān)性能，并在井底工況許可條件下循環(huán)洗井，控制井壁鉆井液殘余量；④使用增韌防竄水泥漿體系和納米級低密度水泥漿體系，提高水泥漿的穩(wěn)定性和水泥石的強度等指標，進而可提高二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

2.3.4 老井側(cè)鉆井固井技術(shù)

側(cè)鉆小井眼固井時，環(huán)空內(nèi)套管分布不均，甚至有的套管始終偏向井眼低邊，造成固井過程中水泥不能進入到井眼環(huán)空的全部空隙，造成部分套管與井壁之間沒有水泥充填，這樣導致不能正常進行固井施工作業(yè)。同時，部分井在開窗進行側(cè)鉆后，比較容易發(fā)生地層出水、地層漏失等現(xiàn)象。要解決此類井的固井質(zhì)量問題，可以采用延遲凝固套管插入技術(shù)、小井眼擴孔技術(shù)或者延遲固井技術(shù)。這些技術(shù)是固井領(lǐng)域中的一項特種技術(shù)，是在小間隙井眼固井扶正技術(shù)無法滿足要求情況下的新技術(shù)，可有效克服或減輕套管的偏心和貼壁問題，控制水泥漿二次上返的速度，控制井筒內(nèi)外壓力，從而提高頂替效率，提高側(cè)鉆井套管與井壁之間水泥充填的完整度，以提高固井質(zhì)量。

3 現(xiàn)場應用效果

研發(fā)的增韌防竄水泥漿體系在大慶老區(qū)油田調(diào)整井累計應用井數(shù)超過100口，對水泥膠結(jié)質(zhì)量進行了統(tǒng)計：一界面、二界面平均優(yōu)質(zhì)率為92.60%和61.72%，同比鄰井固井質(zhì)量分別提高15%和25%以上；在后期均為發(fā)現(xiàn)水竄現(xiàn)象，同比鄰井含水率降低5%左右，有效抑制了井底壓裂后油氣水竄問題，產(chǎn)油量也得到提高。

大慶油田薩爾圖區(qū)塊受地質(zhì)構(gòu)造、注采關(guān)系等因素的影響，不同地層間矛盾比較突出。6%左右的井壓力系數(shù)小于1.6，接近40%的井壓力系數(shù)在1.6～1.7之間，超過50%的井壓力系數(shù)在1.7以上。而低壓層集中在葡一層，層間壓差在11 MPa以上，采用常規(guī)水泥漿體系固井優(yōu)質(zhì)率小于60%，管外冒發(fā)生率大于5%。

納米基低密度水泥漿體系在該區(qū)塊累計應用超過200口井，固井優(yōu)質(zhì)率大于70%，管外冒發(fā)生率為0.65%。與應用之前相比，固井優(yōu)質(zhì)率提高了13%，管外冒發(fā)生率降低了4.5%。

4 結(jié)論與認識

1）針對大慶老區(qū)油田地層條件復雜、多套壓力系統(tǒng)共存的技術(shù)難題，通過合成增韌防竄劑和優(yōu)選納米材料，分別開發(fā)出防竄水泥漿和低密度水泥漿兩套體系。

2）在老區(qū)油田固井作業(yè)中，通過采用兩套水泥漿體系，結(jié)合固井工具等配套工藝措施，使調(diào)整井固井優(yōu)質(zhì)率得到大幅度提高，有效解決了大慶老區(qū)油田調(diào)整井固井質(zhì)量問題，具有良好的應用前景。