三胶塞固井水泥头在海上高温高压井中的应用

罗黎敏

(中国海洋石油国际有限公司，北京 100027)

三胶塞固井水泥头在海上高温高压井中的应用

罗黎敏

(中国海洋石油国际有限公司，北京 100027)

高温高压气井的固井是一个世界级难题，高温高压条件下固井存在水泥浆难以有效压稳地层、容易发生气窜等问题，造成高温高压井段固井质量差，进而影响井筒完整性，不利于气田的高效开发。其中一个原因系固井首尾浆不同体系之间相互接触易发生污染，从而导致水泥浆性能变差，对此通过设计采用了三胶塞固井水泥头装置，利用上、中、下3个胶塞有效地将前置液、首浆、尾浆及后置液相互隔开，减少接触时间和接触面积，有效地保障了水泥浆的性能，实际应用后固井质量明显提高，确保了海上高温高压井的井筒完整性，为后续高温高压井的勘探开发提供了技术基础。

高温高压；三胶塞；固井水泥头；水泥浆；固井质量

东方13-1气田是国内首个投产的海上高温高压气田，地处南海北部大陆架西区的莺歌海盆地中央泥底辟背斜构造带的西北部，主要目的层为中深层黄流组一段，垂深约2800m，井底温度141℃、地层压力53MPa，压力因数高达1.96[1,2]。前期探井作业中存在地层压力高，水泥浆易气窜而难以压稳，目的层固井质量差的问题，为确保生产井的井筒完整性，提高固井的封固质量，因此设计了三胶塞式固井水泥头装置，避免不同体系类型的水泥浆之间相互污染，从而有效提高了固井质量，为高温高压气田的安全生产提供了保障。

1 高温高压井固井难点分析

高温高压井有地层压力因数高、地层温度高、安全密度窗口窄等特点，由此给高温高压井段的固井带来极大挑战，高温高压条件下固井存在水泥浆难以有效压稳地层、容易发生气窜等问题。以东方13-1气田为例，地层压力因数高达1.96，固井时极易因水泥浆失重而难以压稳地层等原因而引起气窜，严重影响固井质量，无法保障后期生产安全。在该地区前期的探井作业中，存在∅9in套管固井质量差的问题，导致套管鞋处承压能力不足，给下一开高温高压目的层井段钻进带来了困难，而且在地漏试验失败，管鞋承压难以满足要求之后，需要重新起钻并下入光钻杆挤注水泥，这就增加了钻井周期和费用，不利于切实做好降本增效。

2 三胶塞固井水泥头的应用

2.1 常规固井工艺措施存在问题

为有效压稳地层，防止发生高压气窜降低固井质量、高温条件下套管膨胀伸长抬升井口等问题，确保后续气田安全开发和顺利生产，因此在该气田生产井钻井施工中应用了全井段水泥首尾浆封固的方式进行固井作业，其中首浆采用低密度高强粉煤灰水泥浆体系，设计相对密度为1.70，而尾浆采用具有“防腐、防窜、防漏、防温变、防应变”等五防功能的树脂水泥浆体系，相对密度最高达到2.00，通过设计首尾浆采用不同的水泥浆体系，以达到增强水泥环质量，压稳地层流体且不发生井漏，以及防止气窜并降低成本费用的目的[3]。

然而在实际固井过程中，由于首尾浆采用了不同的水泥浆体系，在固井顶替过程中两种水泥浆处于上下两个胶塞之间，容易因水泥浆相混而导致其原本性能发生变化，从而造成固井质量变差，环空水泥易气窜等问题，实际电测固井质量显示为中等偏差，不利于确保高温高压井的井筒完整性。对此，现场人员设计在注入冲洗液及隔离液之后，拆卸掉固井水泥头或者简易循环头，手工投入第一个下胶塞；再重新安装上固井水泥头，注入首浆；然后打开第一个挡销，投入第二个下胶塞，注入尾浆；最后再打开第二个挡销，投入上胶塞，并进行顶替作业直至碰压。该方法采用第二个下胶塞有效地隔开了首尾浆，避免了两者之间的相互污染问题，有利于提高水泥环封固质量，但是固井作业流程较为繁琐，投塞时间长，倘若水泥浆稠化时间较短，则容易因水泥过早稠化凝固而导致作业失败，不利于确保固井作业过程的安全及顺利，而且会在第一个下胶塞前后形成空气柱，难以保证水泥环的封固质量。

2.2 三胶塞固井水泥头现场使用

针对固井工艺措施存在问题，工程技术人员设计出了一种三胶塞固井水泥头装置，装置示意图如图1所示[4,5]。在水泥头筒状本体的侧壁连接有用于注入前置液的洗管线阀门，用于注入水泥浆的第一及第二注水泥阀门，用于注入顶替泥浆替浆阀门，阀门的入口通过管汇连接至固井管线。在下胶塞的下方、底座的上方处设置有一个指示销，用于观察判断水泥头本体内胶塞是否已经成功下行。

图1 三胶塞固井水泥头装置示意图

该水泥头的使用步骤：①在钻台上将固井水泥头装置吊至已下入井内的套管柱的顶端，通过底座与套管进行连接，将洗管线阀门、第一注水泥阀门、第二注水泥阀门、替浆阀门与固井管线相连接并试压；②固井管线试压结束之后，开始固井时，首先打开洗管线阀门，泵注冲洗液及隔离液；③关闭洗管线阀门，打开下释放挡销及第一注水泥阀门，泵入首浆，下胶塞在首浆的推动下开始下行；④泵注完首浆之后，关闭第一注水泥阀门，打开中释放挡销及第二注水泥阀门，泵入尾浆，中胶塞在尾浆推动下开始下行；⑤泵注完尾浆之后，关闭第二注水泥阀门，打开上释放挡销及替浆阀门，泵入泥浆，上胶塞在泥浆推动下开始下行；⑥当泵注到设定的顶替量并碰压之后，关闭替浆阀门，完成固井作业。

该水泥头装置安装了3个胶塞，有效地将固井前置液、首浆、尾浆及后置液彼此隔开，最大限度地减少相互之间的接触时间及接触面积，减少了水泥浆之间的相互污染，从而可以有效提高高温高压井的固井质量，同时保证了注水泥作业的连贯性，确保固井作业的安全及顺利进行。

3 现场应用效果

三胶塞固井水泥头装置在东方13-1气田开发中初步应用，取得了良好的效果，电测结果(图2)显示，某井使用了三胶塞固井水泥头之后水泥环质量明显提高，有效地封固了高温高压地层，确保了高温高压井的井筒完整性，为后期气田安全生产提供了保障。

图2 使用三胶塞固井水泥头前后∅9in套管测井声幅图

4 结论

1)三胶塞固井水泥头能够有效地将前置液、首浆、尾浆及后置液彼此隔开，最大限度地减少不同浆柱之间的接触时间及接触面积，减少了浆液的相互污染。

2)三胶塞固井水泥头在东方13-1气田开发过程中得到了良好应用，电测结果显示高温高压井段固井质量明显提高，为后续高温高压气田开发提供了技术基础。

[1]谢玉洪，黄保家.南海莺歌海盆地东方13-1高温高压气田特征与成藏机理[J].中国科学(地球科学),2014,44(8):1731～1739.

[2]罗鸣,黄熠,陈良,等.莺歌海盆地高温高压气井水泥浆研究与应用[J].科学技术与工程,2013,13(36):10899～10902.

[3]杨广国,穆海鹏,高元,等.活化粉煤灰低密度水泥浆体系研究及应用[J].科学技术与工程,2014,14(17):193～196.

[4]龙祥晖,孙国栋,马认琦.新型固井水泥头的研制及应用[J].石油钻采工艺,2001,23(3):39～40.

[5]周战云,张一佳,雍洁.分体式双塞套管水泥头的设计及应用[J].石油钻采工艺,2010,32(5): 105～106.

[编辑] 帅群

2016-08-22

罗黎敏(1979-)，男，工程师，现主要从事海上油气田钻完井方案设计及作业组织管理工作，luolm@cnooc.com.cn。

TE256

A

1673-1409(2017)7-0053-03

[引著格式]罗黎敏.三胶塞固井水泥头在海上高温高压井中的应用[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(7):53～55.