河南油田稠油井一体化固井技术研究

张鹏伟，先 花，田 旭，蔺红军，顾 军，耿 兰

（1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳473132；2.中国石化河南石油勘探局钻井工程公司；3.中国地质大学；4.中国石化河南油田分公司第一采油厂）

河南油田稠油井由于井深浅，地层疏松，形成的泥饼厚且疏松，固井时不能固化，经注汽开发后，第二界面易形成汽窜［1-5］。据统计热采区块汽窜井超过220口，稠油井固井质量直接影响了油田开发效益。经分析，产生这些固井质量问题的根源都是油井水泥与地层界面密封失效所致［6］。为此，开展了一体化固井技术研究，实现水泥环-泥饼-地层的整体胶结，大幅度提高了固井二界面的胶结强度，解决了长期以来钻井液泥饼不可固化的技术难题，胶结强度可提高200%以上。

1 室内实验评价

1.1 配伍性实验

为确保一体化固井技术使用的各种处理剂不会破坏现有钻井液及水泥浆性能，影响现场施工及井下安全，在不改变现有钻井液及水泥浆体系的情况下，进行了配伍性实验。

1.1.1 泥饼改性剂（GM-I）与钻井液的配伍性实验

实验用钻井液配方为：（3～5）%膨润土＋（0.3～0.5）%纯碱＋（0.5-0.7）%FA367＋（0.5～1）%SHN-1＋（0.3～0.5）%XY-27＋（1～2）%ZRH-2＋（2～3）%单封＋加重剂。从表1可看出，加入GM-1高速搅拌后，有轻度起泡现象，对钻井液流变性参数影响较小，且能满足钻井施工要求。

表1 GM-I与钻井液配伍性实验情况

1.1.2 凝饼形成剂（GA-Ⅱ）与水泥浆污染实验

实验用水泥浆配方为33.3%砂＋2%TW200S＋2.5%W-99＋0.5%USZ＋2.16%HN-B3；配方1为水泥浆＋10%凝饼形成剂GA-Ⅱ＋适量XP；配方2为水泥浆＋5% 凝饼形成剂GA-Ⅱ＋适量XP。配方1、2污染实验中水泥浆稠化曲线平滑，实验过程中水泥浆均无“闪凝”现象，水泥浆40 Bc以下分别为95 min、100 min。从表2中可看出，凝饼形成剂GA-Ⅱ对水泥浆的性能影响较小，可以满足现场固井安全施工。

1.1.3 凝饼形成剂（GA-Ⅱ）与钻井液、水泥浆污染实验

取凝饼形成剂GA-Ⅱ与现场用水按质量15∶85配成一体化前置液，然后直接与干水泥混配成水泥浆（水灰比为0.58，密度为1.87 g／cm3），在温度38 ℃、50 ℃和90 ℃三种测试条件下，测其稠化时间，并混入一定比例的钻井液进行污染实验（表3）。从中可看出：①一体化前置液对水泥浆的影响较小，可以满足现场固井安全施工；②从两组污染实验的结果看，一体化前置液和与5%、10%掺有GM-I×2%的钻井液混合进行污染实验，对水泥浆的性能影响较小，可以满足现场固井安全施工。

表2 GA-Ⅱ与水泥浆的污染实验

表3 GA-Ⅱ与水泥浆、钻井液的污染实验

水泥浆配方为GHSR 水泥600.0g＋一体化前置液373.0g＋石英砂200.0g＋W99 12.0g＋G203 14.0g＋USZ2.4 g＋消泡剂2 mL；钻井液配方为（3～5）%膨润土＋（0.3～0.5）%纯碱＋（0.5～0.7）%FA367＋（0.5～1）%SHN-1＋（0.3～0.5）%XY-27＋（1～2）%ZRH-2＋（2～3）%单封＋加重剂。

1.2 胶结强度实验

1.2.1 实验材料及作用

实验为井楼油田常用钻完井液＋1%～3%泥饼改性剂（自制），实验用前置液配方为自来水＋18%凝饼形成剂（自制）；选用井楼油田固井常用的水泥浆体系；自制仿地井筒（渗透率和孔隙度模拟井楼油田地层主要封固段），内筒外径33 mm，外筒内径100 mm。

鉴于井楼油田固井质量检测时间为2 d左右，且欲观察固井第二界面胶结强度的发展趋势，因此，选择的力学性能实验样品养护时间为2 d、7 d和14 d，养护方式为浴养，养护温压为38～90 ℃-常压，泥饼厚度为0.5～1.0mm，前置液与泥饼的接触时间为2 min。胶结强度实验结果见表4。研究前泥饼形成条件为现场钻井液，研究后泥饼形成条件为现场井浆＋GM-Ⅰ型泥饼改性剂（取自批量产品）；研究前后水泥浆配方为现场干混好的水泥＋1.4%TW-502；研究后前置液为GA-Ⅱ型凝饼形成剂配制（接触时间≥2 min）；泥饼厚度0.5～1 mm。现场试验时，确定GM-Ⅰ型泥饼改性剂的加量为钻井液重量的3%。

1.2.2 实验结果分析

分析一：①GM-Ⅰ型泥饼改性剂的加量为2%～3%时，养护2 d以上，即可实现了使固井二界面胶结强度较井楼油田现有水平提高200%以上，且随着养护时间延长，固井二界面胶结强度显著提高；②随着GM-Ⅰ型泥饼改性剂的加量增大，固井二界面胶结强度增大。

分析二：温度对固井二界面胶结强度无明显影响，该实验中随着温度升高，固井二界面胶结强度有所下降，可能是水泥浆添加剂TW-502 膨胀所引起，因为养护时不能加压而导致温度高，引起水泥石胶结疏松。

1.2.3 油井水泥-泥饼-地层一体化胶结实验结果

（1）水泥硬化体-凝饼界面环境扫描电镜（ESEM）分析。因泥饼与水泥硬化体是分离的，因此无法获得界面胶结样品。图1为水泥硬化体-凝饼界面的ESEM 测试结果，图中左边为凝饼，右边为水泥硬化体。从中可看出，凝饼表面形成了一层均匀的硬化体，凝饼与水泥硬化体已紧密地胶结为一个整体，结构致密，孔洞很少，且左右两部分之间有少量相互渗透，界面处没有裂缝，表明凝饼与水泥硬化体两部分的体积变化系数基本相同，在干燥过程中能够协同变形，从而保证了凝饼与水泥硬化体的良好粘接性能。还可看出，凝饼中均匀分布有粘土颗粒，且被水化产物所包裹。这些都说明凝饼与水泥硬化体已经实现了整体固化胶结，用肉眼观察发现两部分已充分胶结为一体，难以用简单的物理方法从结合界面处将业已胶结为一体的两部分分开，即二者已一体化胶结。

表4 研究前后固井二界面胶结强度评价结果

图1 水泥硬化体-凝饼界面的ESEM 图

（2）流体溶蚀分析。为了更直观地验证泥饼仿地成凝饼和固井二界面整体固化胶结，进行了流体溶蚀实验。由研究前（泥饼）后（凝饼）流体溶蚀实验结果可以看出，浸泡28 d后泥饼已消失，即泥饼还原成为浑浊的稀钻井液，而研究后则泥饼变成了凝饼，表现为杯内自来水清澈且凝饼与水泥硬化体已胶结在了一起，固井二界面整体固化胶结显而易见。

2 现场应用效果分析

为验证稠油井一体化固井技术应用效果，对河南油田井楼区块6口井进行了现场试验，结果见表5。

2.1 加入泥饼改性剂后钻井液粘度变化及维护情况

表5 现场试验情况

在钻井液中按2%～3%加入GM-Ⅰ型泥饼改性剂，钻井液粘度变化及维护情况见表6，固井前钻井液各项性能指标见表7。数据表明，这些均可满足现场固井施工要求。

表6 现场钻井液性能变化及维护情况（混配GM-Ⅰ）

表7 固井前钻井液性能

2.2 固井质量情况

一体化固井施工的6口井，固井施工顺利，固井质量合格率100%。经VDL 测井解释，固井第一、二界面使用一体化固井技术段与未使用段的胶结质量有了明显提高，其中三口全井优质，三口优质段占全井的75%以上，楼11020井第一、二界面固井质量均为优质。

3 结论与建议

（1）一体化固井技术在河南油田现场试验6口井，固井二界面胶结质量较邻井显著提高，其中楼11020井投产后经二轮注汽，产油500 t，目前油井生产正常。

（2）GM-Ⅰ型泥饼改性剂的加量为2%～3%时，养护2 d以上，即可实现固井二界面胶结强度较井楼油田现有水平提高200%以上，且随着养护时间的延长，固井二界面胶结强度显著提高。

（3）ESEM 测试和流体溶蚀实验表明，凝饼与水泥硬化体胶结为一体，且凝饼未被溶蚀，说明实现了油井水泥-泥饼-地层的一体化胶结。

［1］ Gu Jun，Yang Weihua，Qin Wenzheng，et al.Cement-ormation interface system and its effect on the petroleum engineering［G］／／IEEE international conference on engineering，Services and knowledge management，Piscataway，USA：IEEE，2007：6505-6508.

［2］ 刘立平.吉林油田套保油区稠油出砂冷采技术研究与应用［D］.西安：西北大学，2008：26-27.

［3］ 王旭.辽河油区稠油开采技术及下步技术攻关方向探讨［J］.石油勘探与开发，2006，33（4）：484-490.

［4］ 赵黎安，孟宪宝，杜卉，等.钻屑与油井水泥的胶结特性［J］.大庆石油学院学报，1996，20（2）：90-93.

［5］ Ladva H K J，Craster B，Jones T G J.The cementto-formation interface in zonal isolation［R］.SPE 88016，2004.

［6］ 顾军，杨卫华，秦文政，等.固井二界面封隔能力评价方法研究［J］.石油学报，2008，29（3）：451-454.