塔中碎屑岩井自愈合水泥浆固井技术

田宝振， 李清洁， 覃 毅， 孙万兴， 沈 磊， 陈大沧， 张 亮， 周 坚

（渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘062552）

塔中碎屑岩井自愈合水泥浆固井技术

田宝振， 李清洁， 覃 毅， 孙万兴， 沈 磊， 陈大沧， 张 亮， 周 坚

（渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘062552）

田宝振等.塔中碎屑岩井自愈合水泥浆固井技术[J].钻井液与完井液，2016，33（6）：84-90.

塔里木油田塔中区块碎屑岩地层结构复杂、成岩性差、韧性小、脆性高，钻井施工过程中井壁易垮塌、剥落，导致形成 “大肚子”、“糖葫芦”等不规则井眼；生产套管固井存在二叠系承压能力较低、易漏，地层油水同层、砂泥互层、砂层薄含油层多、油层水层相隔很近，油水互窜，难压稳，固井质量要求高等难点。针对这些难点，通过水泥浆气窜机理研究，采用硅粉、减轻增强材料BCE-610S、中温缓凝剂BXR-200L、减阻剂BCD-210L、自愈合剂BCY-200S、防窜降失水剂BCG-200L，研究出了密度为1.35 g/cm3的领浆与密度1.88 g/cm3的尾浆。该水泥浆体系具有稳定性好、流动性好、零析水，失水量低（小于50 mL）、弹性模量接近于7 GPa，抗压强度高，防窜能力强等特点。同时优化水泥浆柱结构实现平衡压力固井，应用固井软件模拟提高顶替效率，形成了一套适合塔中碎屑岩井固井的自愈合水泥浆固井技术。塔中4口井固井结果显示，4口井全井封固质量合格，主力油气层段封固优质，有效解决了塔里木碎屑岩固井施工难题。

碎屑岩井；自愈合水泥浆；平衡压力固井；现场应用

近年来，随着油田产量压力的增大及老油田产能的递减，塔里木油田在老油区中部部署了部分加密井及调整井，以增加产能。在塔里木盆地，目前在碎屑岩中发现的油气藏个数大约占整个油气藏的82%，其探明储量占全部储量的99.7%，碎屑岩储层主要分布于石炭系、三叠系、侏罗系、白垩系、下第三系、上第三系, 其中前3者是当前油气的主力储层[1]。

在轮南、轮古、桑塔木、解放及塔中中古区块，大部分目的层是碎屑岩地层。碎屑岩固井主要是封固产层，产层生产套管固井质量的好坏直接影响到一口井能否顺利交井及后期开采。

塔中石炭系巴楚组存在生屑灰岩段，易形成不规则“大肚子”、“糖葫芦”井眼；地层油水同层、油层水层相隔很近，油水易互窜，难压稳；同时二叠系易井漏，难以保证水泥浆返高；该地区采用常规固井施工结束后，CBL测井检测固井质量很好，但射孔压裂时地层出水，验窜地层间封隔不好，还需要进行挤水泥补救，严重影响完井周期。采用自愈合水泥浆固井技术可以封固产层，满足完井试油要求。

1 固井技术难点

①井眼条件差。塔中石炭系巴楚组存在生屑灰岩段，由于碎屑岩地层成岩性差，韧性小、脆性高，钻进过程中易垮塌、剥落，形成“大肚子”、“糖葫芦”等不规则井眼，且井径扩大率大（一般在15%～50%之间），易造成窜槽、环空憋堵及钻井液不能被水泥浆替净等问题[2-3]。②地层结构复杂。塔里木塔中区块碎屑岩井套管下至设计井深后，若井下条件不能满足大排量循环洗井要求，施工中水泥浆进入环空后易造成环空憋堵，导致现场施工复杂。加上下完套管后先坐挂后固井，井口循环通道减小，造成固井施工压力增大，增加了井漏风险。③固井水泥浆。水泥浆量大，封固段长，上下温差大，对水泥浆浆体整体性能要求高，尤其是目的层对水泥浆防气窜能力提出了更高的要求。④顶替效率差。二叠系渗漏率和孔隙度大，施工压力高，下套管及固井期间易发生漏失，水泥浆一次性上返难度较大，固井施工排量受限，影响固井顶替效率。⑤工具附件。下套管时间长，套管下完后循环时间长，对回压凡尔冲击较大，易引起回压凡尔失灵，致使固井施工结束后，容易出现水泥浆倒流现象，对固井工具附件提出高的要求。⑥固井质量要求高。石炭系目的层具有地层油水同层、砂泥互层、砂层薄含油层多、油层水层相隔很近，油水互窜，难压稳等特点，水泥浆在凝固过程中失重易被油气水侵，影响固井胶结质量。

2 自愈合水泥浆固井技术

自愈合水泥是以BCY-200S自愈合剂为主剂，对水泥环内部微缝隙或微间隙具有自动封堵作用，保证水泥环封隔性能。BCY-200S自愈合剂由多种乙烯类单体通过特殊共聚工艺制得，具有遇油气自愈合能力和高温下膨胀特性；它能够愈合水泥石中微裂缝或界面微环隙，防止环空窜流；还可以改善水泥石力学性能，使水泥石具有部分弹性水泥特性。水泥浆中同时加入防窜降失水剂，其具有低失水、微触变、高“内聚力”等特点。共聚物中主要单体具有良好的耐温性，分子链经过微交联处理后，具备一定的空间网络结构，可以提供触变性能[4-6]。用自愈合剂和防窜降失水剂制备的水泥浆失水量小，具有中等稠度和一定的触变性，泵送到位后由液态转变为固态的过渡期内，胶凝强度迅速增大，提高了水泥浆的内部结构阻力，降低了渗漏发生的概率，从而达到防止气窜的目的。

2.1 自愈合剂性能评价

2.1.1自愈合剂基本物理特性

自愈合剂的平均粒径为110 μm，其粒径分布见图1，电镜扫描图片如图2所示。

图1 自愈合剂粒径分布图

图2 自愈合剂粒径扫描电镜图

在温度0～420 ℃范围内不分解， 超过420 ℃自愈合剂才开始分解，表明自愈合剂具有良好的耐温性能，热失重曲线见图3。

图3 自愈合剂热失重曲线图

2.1.2自愈合剂膨胀性能

对自愈合剂在不同介质中进行膨胀测试，结果见表1。由表1可以看出，自愈合剂在不同介质中均具有膨胀性能。自愈合水泥环出现微裂缝后，渗入的油气会激活结晶成分，生成结晶体堵塞微裂缝，阻止了微裂缝的继续发育，降低了水泥石渗透率，维持了水泥环的封固性[7]。

表1 自愈合剂在不同介质中膨胀测试

利用TAW-1000深水孔隙压力伺候实验系统，如图4所示。在单轴条件下对水泥柱加载，当加载到水泥柱出现宏观裂缝时停止加载，然后再将卸载后的水泥柱放入高压釜内并施加3 MPa的围压，水泥柱的一端加2 MPa的孔压，另一端与大气压相连，测量孔隙流体分别为水和原油时通过水泥柱的流体流量。

图4 TAW-1000深水孔隙压力伺候实验系统

将自愈合水泥石试件人工制造微裂缝后测定渗流变化， 见图5～图7。从图5～图7可以看出，加入自愈合剂能够降低水泥石的渗透；随着自愈合剂BCY-200S掺入量的增加，原油在水泥石中的渗流时间随之缩短。

图5 空白水泥石渗流变化情况

图6 掺有5%BCY-200S的水泥石渗流变化情况

图7 掺有10%BCY-200S的水泥石渗流变化情况

2.1.3自愈合剂力学性能

加入不同含量自愈合剂BCY-200S的水泥石力学性能如表2所示。由表2可以看出，掺入自愈合剂后，水泥石抗压强度和弹性模量均有所降低，泊松比有较大幅度提高，具有弹性水泥的性质，有利于保持密封完整性[8]。

表2 自愈合水泥石力学性能数据

2.2 水泥浆体系综合性能

实验水泥浆配方如下，水泥浆稠化曲线见图8～图10。

前置领浆 阿克苏G级油井水泥+5%硅粉+ 75%减轻增强材料BCE-610S+7.8%防窜降失水剂BCG-200L+0.52%中温缓凝剂BXR-200L+1.95%减阻剂BCD-210L+0.26%消泡剂G603+79%水（密度为1.30 g/cm3）

领浆 阿克苏G级油井水泥+5%硅粉+75%减轻增强材料BCE-610S+6%防窜降失水剂BCG-200L+0.5%中温缓凝剂BXR-200L+2%减阻剂BCD-210L+0.2%消泡剂G603+62%水（密度为1.35 g/cm3）

尾浆 阿克苏G级油井水泥+5%自愈合剂BCY-200S+6%防窜降失水剂BCG-200L+0.05%中温缓凝剂BXR-200L+0.1%消泡剂G603+45%水（密度为1.88 g/cm3）

图8 自愈合水泥浆前置领浆稠化曲线

图9 自愈合水泥浆领浆稠化曲线

图10 自愈合水泥浆尾浆稠化曲线

由图8～图10可知，领浆和尾浆的稠化曲线过渡时间短，均在15 min 以内，对防止地层流体窜流具有良好作用。水泥浆性能见表3。

表3 水泥浆性能

由表3可以看出，自愈合水泥浆体系流变性能好，抗压强度高，稠化时间可调，失水量低，渗流率低，SPN值小于3，防气窜效果好，综合性能好，水泥浆混配时，产生的气泡较少，满足碎屑岩固井要求。

为保证施工安全，进行了领浆停机实验（防止停注倒闸门及不可预见的停注），水泥浆温度高点（防止电测温度不准确）、密度高点（实际注水泥浆时密度波动）的稠化实验和污染实验，结果均在固井设计的安全范围之内。

3 平衡压力固井

以塔中区块TZ405-S4井为例，该井为侧钻井，一开使用φ244.5 mm表层套管下至井深为800 m；二开φ215.9 mm井眼，完钻井深为3 949 m，裸眼段长度为3 149 m，侧钻点位于2 150 m；井底垂深为3 748 m，下入φ177.8 mm 套管至井底，单级固井水泥浆一次返至地面，实现全井封固。油层底3 931 m/3 732 m（斜深/垂深），油层顶3 531/3 368 m（斜深/垂深）；二叠系底部3 369/3 242 m（斜深/垂深）。使用氯化钾聚磺钻井液体系， 完钻钻井液密度为1.28 g/cm3；实测井底静止温度为106 ℃。

3.1 地层承压计算

考虑易漏层位在二叠系，按施工排量25 L/s计算承压值如下：二叠系以上环空增加液柱压力+二叠系以上环空循环摩阻+坐挂后增加节流压力= 2.2+10.62+ 1=13.82 MPa。考虑该区块地层特点，按钻井设计要求，在钻过二叠系后对地层做5 MPa承压。

3.2 压稳设计

1）以平衡压力固井技术作为指导[9-14]，优化浆柱结构，采用双凝水泥浆体系，且使隔离液、领浆、尾浆形成密度梯度，浆柱结构：1.03 g/cm3冲洗型隔离液（300 m/6 m3）+1.30 g/cm3前置领浆（500 m/10 m3）+1.35 g/cm3领浆（0～3 369 m）+1.88 g/cm3尾浆（3 369～3 949 m）。前置领浆可以充分隔离水泥浆与钻井液的接触，并且前置领浆能够充分稀释钻井液，有效地冲刷井壁上的虚泥饼；领浆封固二叠系底至井口，尾浆封固井底至二叠系底，降低了管外静液柱压力，同时避免了水泥浆失重压不稳地层现象，实现了防漏防窜，保证目的层的封固质量。

2）压稳计算（油层底以上，按垂深计算）：油层底（斜深3 932 m）以上原液柱压力为：P=0.00981×1.28×3732=46.9 MPa。①若水泥浆返至地面，尾浆失重后油层底以上管外液柱压力：0.00981×[(3732-3242)×1.07+3242×1.35)]=48.1 MPa，大于施工前油层底位置压力1.2 MPa，能够压稳目的层。②若固井期间发生井漏，假设漏层为表层套管鞋处（800 m），重合段环空为钻井液，则尾浆失重后管外液柱压力：0.00981×{（3732-3242）×1.07+（3242-800）×1.35+800×1.28}=47.5 MPa，大于施工前油层底位置压力0.6 MPa，能够压稳目的层。③若固井期间发生井漏，假设漏层为二叠系底（斜深为3 369 m），二叠系以上流体考虑为钻井液，则尾浆失重后管外液柱压力：0.00981×{（3732-3242）× 1.07+3242×1.28}=45.9 MPa，小于施工前油底位置压力1 MPa，不能压稳目的层，施工结束后憋压候凝。

3）利用固井设计软件对井底动态压力进行模拟。由图11～图13可以看出，环空压力分布介于地层压力和破裂压力之间，既能压稳地层又不压漏地层；井底3 949 m处静态当量密度1.42 g/cm3，动态当量密度1.54 g/cm3；二叠系底部3 369 m处静态当量密度1.35 g/cm3，动态当量密度1.44 g/cm3。

图11 环空压力分布图

图12 井底压力当量密度变化图

图13 二叠系底压力当量密度变化图

3.3 顶替效率设计

1）施工压力排量控制。采用变排量顶替方案，安全控制施工压力防止漏失，施工过程排量与压力变化曲线如图14，前置液、领浆过储层段采用大排量顶替，环空上返速度不低于1.2 m/s，保证顶替效率，尾浆出套管鞋后降低顶替排量，控制井底动态当量密度不大于井底破裂压力，即不大于1.48 g/cm3；在替浆后期5 m3，降低施工排量采用塞流顶替，控制在快干浆接近稠化时间时施工结束。

图14 施工排量变化图

2）利用固井设计软件模拟顶替效率。如图15所示，根据电测井径数据，优化套管扶正器加放位置，利用固井软件进行模拟，保证套管居中度不小于67%，从而提高顶替效率。

领浆过尾浆段（3 369～3 949 m）时排量为1.5 m3/min，上返速度为0.87 m/s（计算值），保证了顶替效率大于60%。

施工中以确保储层段固井质量为核心，尽可能一次上返；二叠系防漏是关键，排量控制尤为重要，施工需兼顾防漏与排量的矛盾。

4 现场应用案例

TZ405-S4井位于塔里木盆地塔中4油田塔中405区块，目的层为CⅢ油组兼探CⅠ油组，设计完钻层位为石炭系。该井为侧钻井，钻遇地层自上而下为新生界，中生界侏罗系、三叠系，古生界二叠系、石炭系；下入φ177.8 mm 套管至井底，单级固井水泥浆一次返至地面。采用1.03 g/cm3冲洗型前隔离液，密度为1.30 g/cm3前置领浆、密度为1.34～1.36 g/cm3注低密度水泥浆、 高密度水泥浆1.86～1.90 g/cm3以及密度为1.03 g/cm3的冲洗后隔离液的浆柱结构设计。前置液用量6 m3，前置领浆用量10 m3，领浆用量90 m3，尾浆用量17 m3，尾浆设计返高到二叠系底部3 369 m。固井施工顺利碰压，压力由12 MPa升高至15 MPa，水泥浆返出地面，泄压无回流，固井施工结束。候凝72 h 后进行固井质量声波变密度声幅检测，结果显示，全井固井封固质量合格率100%，主力油气层段封固优质率100%。

截至2015年12月，该自愈合防气窜水泥浆技术已在塔里木油田塔中区块成功地应用了4口井，分别为TZ405-S4、塔中412,、塔中167和TZ16-29，4口井固井质量均优质，有效封固了产层，满足完井射孔需求，合格率100%，取得了良好的经济效益。

5 结论与讨论

1.自愈合防气窜水泥浆体系稳定、流动性好、析水量为零，API失水量小于50 mL，稠化时间可调，强度发展快，抗压强度高，防窜效果好，满足了塔里木塔中区块碎屑岩井固井技术难题。

图15 顶替效率模拟

2.自愈合防气窜水泥浆技术可以减少地下流体（油、气、水）层间窜流，增强水泥环的封隔作用，提高固井质量，从而可以减少层间窜，避免补救情况发生，可以大幅度减少完井周期，提高油井寿命，经济效益巨大。

3.碎屑岩固井的核心问题是防窜与压稳，通过提高地层承压能力和采用平衡压力固井在塔里木塔中区块碎屑岩井使用取得了良好的效果，测井结果表明，采用该固井技术的井，固井质量均良好，解决了碎屑岩固井质量问题。

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Cementing Wells Penetrating Clastic Rocks with Self-healing Cement in Block Tazhong

TIAN Baozhen, LI Qingjie, QIN Yi, SUN Wanxing, SHEN Lei, CHEN Dacang, ZHANG Liang, ZHOU Jian
(The First Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Renqiu,Hebei062552)

The clastic formations in the Block Tazhong have complex structures, poor lithological characters and toughness, and high brittleness. During drilling operation, wells penetrating the clastic formation have experienced borehole collapse and sloughing, and borehole of irregular sizes was formed. Cementing of the production casing string has long been facing with difficulties such as low formation pressure and mud losses in the Permian system, coexistence of oil and water in the same zone, interbedding of sandstone and shale, thin sandstones and hence multiple pay zones, short distance between a pay zone and a water zone, and inter-channeling of oil and water, etc. Based on the study on the mechanism of gas-channeling in cement slurry, a leading slurry with density of 1.35 g/cm3, and a tail slurry with density of 1.88 g/cm3were formulated with several additives, such as silica powder, lightweight material BCE-610S, medium temperature retarder BXR-200L, drag reducer BCD-210L, self-healing agent BCY-200S and anti-channeling filter loss reducer BCG-200L. This cement slurry had good stability, mobility, zero free water, low filtration rate (filter loss < 50 mL), elastic modulus near 7 GPa, high compressive strength, and ability of anti-channeling. By optimizing the composition of the cement slurry column in hole, pressure balancing during well cementing was realized. Using well cementing software, the displacing efficiency was improved. As a set of self-healing cementing technology, it has been used in 4 wells in Tazhong, all cementing jobs successful, especially the main pay zones which were cemented with excellent job quality, effectively solved the difficulties in well cementing in clastic rock formations.

Well penetrating clastic rocks; Self-healing cement slurry; Well cementing under balanced pressure; Field application

TE256

A

1001-5620（2016）06-0084-07

2016-8-10；HGF=1605M10；编辑 马倩芸）

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.015

中国石油集团渤海钻探工程有限公司局级项目“塔里木台盆区碎屑岩固井技术研究与试验”（2015ZD12Y-2）部分研究成果。

田宝振，1987年生，工程师，2012年毕业于中国石油大学（华东）并获得硕士学位，现从事固井技术研究及现场施工工作。电话 15716851252；E-mail： 1410281226@qq.com。