复杂超深井KS1 井四开尾管固井技术

邓昌松 何思龙 段永贤 何勇 张宗谭

中国石油塔里木油田分公司

KS1 井是塔里木油田库车坳陷克拉苏构造带上的一口评价井，其钻头程序为：Ø558.8 mm 钻头×289.35 m+Ø431.8 mm 钻头×3 035 m+Ø333.38 mm钻头×5 000 m+Ø241.3 mm 钻头×6 558 m+Ø149.2 mm钻头×6 700 m。其井身结构为：Ø478.56 mm 套管×289.35 m+ Ø374.56 mm 套管×3 035 m+Ø273.05 mm套管×2 960 m+Ø293.45 mm 套管×(2 960～5 000)m+Ø196.85 mm 套 管×4 800 m+Ø177.8 mm 套 管×(4 800～5 000) m+Ø181.99 mm 套管×(5 000～6 556)m+Ø127 mm 套管×(6 098～6 698) m。本次为四开技术套管悬挂(尾管)固井，采用Ø241.3 mm 钻头钻进至井深6 558 m 中完，下入Ø177.8 mm 套管封固复杂裸眼段地层。尾管悬挂固井采用正注反挤工艺，待五开完钻并完成Ø 127 mm 尾管固井后，再下入Ø196.85 mm 套管进行回接套管固井。固井前钻井液为UDM-3 油基钻井液体系，其主要性能：密度2.19 g/cm3、漏斗黏度106 s、破乳电压517 V、初切/终切3/5 Pa、屈服值7.5 Pa、Cl-含量56 700 mg/L、API 滤失量0.6 mL、滤饼厚0.1 mm。

1 钻井复杂处理技术

本层套管为四开钻进，依次钻遇了井漏、溢流、高压盐水、缩径等复杂情况，采取多种处理技术、安全钻达设计中完井深。

(1)钻进至井深5 285.5 m 发生井漏，降排量循环时漏速明显减小，于是采取降密度(密度由2.32 g/cm3降为2.30 g/cm3)及在钻井液中加入随钻堵漏剂等措施恢复钻进。

(2)钻进至井深5 505.6 m 发生溢流1.4 m3，迅速关井。关井套压1.4 MPa，使用密度2.33 g/cm3压井液节流循环压井后停泵观察，发现钻井液出口呈线流状态。考虑下部地层可能钻遇盐间水，一旦提密度压井可能会造成上部薄弱地层压漏，而井漏导致液柱压力下降、下部岩盐有缩径卡钻的风险。于是决定先不提密度而是通过调整排量，以循环产生循环压耗，达到增加井底压力以平衡地层压力的目的。通过变换不同的排量，最终使钻井液处于一个微漏状态，保证了钻进安全。钻进至井深5 635.5 m再次发生井漏，通过迅速降低排量、在钻井液中加入油基封堵剂等方法恢复钻进。

(3)钻进至井深5 879.6 m 再次发生溢流0.7 m3，关井套压4.9 MPa。经循环排污、压井后开井，钻井液出口依然线流。返出钻井液密度降低由2.28 g/cm3下降至2.17 g/cm3、氯根含量由37 000 mg/L 增加至67 900 mg/L、出口电导率由2.54 s/m 上升至2.63 s/m、破乳电压由510 V 下降至230 V、岩屑中见少量白色盐结晶。依据区块以往经验，判断钻遇盐间泥岩透镜体，泥岩透镜体压裂形成圈闭空间，由高压盐水充填泥岩透镜体圈闭形成高压盐水区域。因上部存在薄弱地层，很难通过提高钻井液密度压稳出水地层，对地层采用放水泄压技术。经控压放水18 次、排污1 516 m3、放盐水450 m3后，关井求压(套压为0.8 MPa)，打重浆帽，静止观察、出口断流。起钻、关闸板防喷器、安装旋转防喷器转入控压钻进。

(4)控压钻进至井深6 055.5 m 井口失返，采用反循环管线小排量连续环空灌浆的方法起钻至套管鞋。随后按起出钻具本体体积的2 倍吊灌起钻，吊灌起钻至井深857 m 发现出口线流，立即泵入密度2.55 g/cm3加重钻井液11.2 m3，使环空液面下降至距井口200 m 以下的安全距离。下钻过程中每30 min环空吊灌0.5 m3钻井液，防止环空液面过低而引发井壁失稳和井控问题。采取下入光钻杆承压堵漏，承压堵漏作业时发现返出低密度盐水，井底存在溢流同存、恶性置换现象。承压堵漏效果不理想，决定采取再次放水释放地层能量后再降密度。经15 次放水排污、地层泄压，排污2 879 m3、放盐水295 m3，钻井液密度从2.28 g/cm3降低至2.19 g/cm3，采用小钻头导眼钻进。

采用小钻头导眼钻进更好地解决地质卡层问题，第1 次使用Ø168.3 mm 钻头导眼钻进，井段6 055.5～6 078 m；接着下入Ø241.3 mmPDC 钻头扩眼钻进，井段6 055.5～6 461 m。第2 次使用Ø168.3 mm 钻头导眼钻进，井段6 461～6 519 m；Ø241.3 mmPDC 钻头扩眼该井段。第3 次使用Ø168.3 mm 钻头导眼钻进6 519～6 558 m，Ø241.3 mmPDC 钻头扩眼至井底，达到设计中完井深。

2 固井难点

四开固井采用尾管加回接固井工艺，尾管固井采用正注反挤工艺封固库姆格列木群下部含盐泥岩地层，为五开以细砂岩、粉砂岩夹薄层泥岩为产层的目的层钻进打下良好基础。鉴于该井实际情况，必须达到“穿鞋戴帽”的要求。

(1)裸眼段长1 558 m，主要存在3 套盐层、总厚度达496 m(盐层段：5 024～5 162 m、5 907～5 940 m、6 121～6 147 m 及6 256～6 555 m)，盐层蠕变无法满足下套管要求，套管如何安全通过盐层是固井作业主要难点之一［1]。

(2)地层敏感、溢漏同存，固井安全压力系数窗口窄。最小漏失压力系数2.27，溢流压力系数2.24，窗口区间2.24～2.27 g/cm3，安全密度窗口仅为0.03 g/cm3，兼顾压稳与防漏难度较大。既要保证压稳地层又不能压漏地层，下套管作业易发生井漏而固井作业易引发盐水溢流。地层承压能力低，已被钻进时证实不可采用地层承压堵漏，如采用桥浆堵漏容易堵塞环空，可能造成更大的事故［2]。因此固井中存在水泥浆漏失导致固井失败的风险，更为严重的是可能会先漏失后发生溢流引发井控安全问题［3]。

(3)本井属超深井固井，水泥段长1 960 m，井底温度高(五开中完裸眼电测井底温度165.3 ℃)、上下温差大(三开井底电测温度106.0 ℃、温差约59.3 ℃)，水泥浆稠化时间不一，易导致上部水泥浆因井温低变成超缓凝水泥，水泥石强度发展缓慢，影响固井质量［4]。其次对水泥浆综合性能要求高，油基钻井液条件下水泥浆与钻井液相容性差，盐水侵情况下进一步加剧水泥浆与油基钻井液相容性问题［5]。

(4)盐层套管未使用扶正器，居中度差、顶替效率低，严重影响固井质量［6-7]。裸眼段含盐水层，在固井施工前后均存在盐水侵的风险，从而造成固井质量不高。

3 技术措施

3.1 通井技术

为确保套管顺利到位，第1 趟通井钻具组合：Ø241.3 mm 钻头+Ø177.8 mm 钻铤×2 根+Ø241.3 mm扶正器×1 个+Ø177.8 mm 钻铤×1 根+Ø127 mm 加重钻杆×12 根+Ø127 mm 钻杆至井口，对比套管刚度比1.794，采取修复井眼轨迹为主、扩划盐层段为辅的措施。盐层遇阻后，先小吨位活动钻具、以检验井眼缩径情况，再上提钻具至盐层以上进行划眼。划眼过程中有憋停现象时，控制上提吨位220 t(原悬重200 t)，如无法提脱，则放至原悬重释放扭矩、逐步增加上提吨位［8]。划眼过程中还要确保钻具有5 m 活动空间，划眼通过后，反复正倒划眼、上下活动钻具至顺畅无阻卡方可继续下钻；通过盐层后缓慢下钻，严防盐间泥岩、砂岩、石膏缩径卡钻，如缩径按盐层进行划眼。

第2 趟扩眼通井钻具组合：Ø241.3 mm 钻头+双母转换接头+扩眼器(扩眼范围：Ø215.9-Ø279.4 mm)×1 个+ Ø177.8 mm 钻铤×1 根+Ø127 mm 加重钻杆×12 根+Ø127 mm 钻杆至井口。扩眼器对盐层段扩眼，盐层以上下钻过程中遇阻不超过100 kN，否则划眼。从盐层顶部5～10 m 处以扩眼器额定工作排量的70%～80%进行扩眼，逐步提高泵排量至额定工作排量，若无钻压则控制钻时8～10 min/m 进行扩眼钻进。扩眼结束需要检验盐层蠕变情况，从起钻至下套管到底预计用时52 h，考虑安全时间后为55 h；从起钻至固井结束预计用时70 h，考虑安全时间后为73 h。故测蠕变需用时55～73 h，现场综合考虑决定采用65 h。测蠕变可与电测、刮壁作业同时进行。悬挂器坐挂位置反复刮壁3 次，刮壁到悬挂位置对钻具称重，为以后悬挂器丢手作业工况判断提供可靠参数。调校好指重表，对钻具进行开泵上提、下放、静止，停泵上提、下放、静止、空载多种工况［9]的称重作业。

刮壁结束后进行以模拟下入Ø182 mm 套管柱刚度的三扶通井，钻具组合：Ø215.9 mm 钻头+Ø215.9 mm 扶正器×1 个+Ø158.75 mm 钻铤×1 根+Ø215.9 mm 扶正器×1 个+Ø158.75 mm 钻铤×1 根+Ø215.9 mm 扶正器×1 个+Ø158.75 mm 钻铤×1 根+Ø127 mm 加重钻杆×12 根+Ø127 mm 钻杆至井口，对比套管刚度比1.392。通井下钻至套管鞋，等待裸眼静止时间达65 h 测蠕变结束后，继续下钻进入裸眼。通井管柱下钻遇阻严重，表明扩眼后应力释放快或地层缩径严重，需进行第2 次扩眼，第2 次下Ø279.4 mm 扩眼器对盐层段2 次扩眼，同第1 次扩眼，扩眼通井直到三扶通井顺畅后方可进行下套管作业。

3.2 下套管技术

为防止压漏地层，必须严格控制好套管下放速度。根据钻进情况分析，钻井液安全密度窗口差值为0.05 g/cm3，在井底产生的压力约为3.2 MPa，下套管激动压力值要求小于3 MPa。通过计算，每根套管在上层套管内下放速度控制在0.3 m/s 以内、每柱钻杆在套管内下放速度控制在0.2 m/s 以内、每根套管在裸眼内下放速度控制在0.15 m/s 以内，均能满足激动压力小于3 MPa 要求。采用连续灌浆方法，每下一根套管灌钻井液一次并保证每10 根套管核对并灌满钻井液一次；每下一柱钻杆在起游车时进行灌浆，每5 柱灌满钻井液一次。当灌返量差值大于1.5 m3(下套管)/1 m3(下钻杆)时，必须及时提醒司钻进行灌浆作业。出套管鞋前一次性灌满钻井液，进入裸眼后不再停止作业而单独灌浆。套管进入裸眼后，深度在5 000 m 以下发现井漏，若环空液面在井口，则继续下送入管柱并观察环空液面情况；若环空液面不在井口，则采取环空连续灌浆的方法，控制送入钻具下放速度在每柱0.15 m/s 以内，以减弱激动压力。

3.3 固井工艺

针对封固段长、易漏、易窜槽、盐岩缩径严重的特点，采用复合尾管固井工艺，以降低风险、实现安全施工［10]。(1)采用优化套管串结构，将原设计套管外径196.85 mm、206.38 mm 分别改为177.8 mm、182 mm。减小套管尺寸，可缩短下套管时间、降低阻卡风险；还可减小激动压力、降低固井环空压耗，从而降低漏失风险；(2)全过程采用控压固井工艺，控压值最大设计6 MPa(控压设备额定控压值10 MPa)，控压值根据固井返浆情况进行及时调节节流阀开度。施工完毕起钻800 m，关井憋压5 MPa 候凝，以此补偿水泥浆稠化凝固中的失重、有效防止盐水侵。(3)采用特殊厚壁高抗挤套管下入盐层段，防止盐岩蠕变将套管挤毁。

注水泥浆及替泥浆过程中发生井漏，但未失返，则采用控制施工排量、较小控压值，按正常程序完成施工工序，准确计量水泥浆出套管鞋后的漏失量。若水泥浆失返，则完成固井工序后直接关井反推井浆，以保留反推通道，为反挤水泥浆准备。注替过程中发生溢流，首先调整控压值看能否压稳地层，能压稳地层，则继续作业。否则注前置液时发生溢流，则立即停止注前置液，根据溢流情况立即关井并采取压井处理措施，确保压稳地层后重新组织固井施工；注水泥浆过程中发生溢流，则根据溢流情况立即关井，要节流循环出注入的水泥浆并采取压井措施，压稳地层后重新组织固井施工；替浆出现溢流时，则实施关井后节流注水泥作业，抢压胶塞、节流顶替，同时启动井控应急预案。

3.4 优选水泥浆体系

采用两凝浆柱结构，缓凝水泥浆体系和快干水泥浆体系，水泥配方分干混和湿混两部分，干混组分：水泥48.32%、GM28.97%、硅粉18.35%、防窜剂0.5%、微硅3.86%；湿混组分：降滤失剂11.49%、分散剂9.85%、缓凝剂4.59%、盐8.2%、消泡剂0.33%、水65.54%，液固比0.283，按水泥浆体积加入0.2%纤维。要求水泥浆强度发展快，防止候凝期间的盐水侵；快干水泥浆要求在上层管鞋处温度下12 h 内发展起强度。注水泥前调整好钻井液性能，使其与水泥浆相容性、稳定性更好。水泥浆与钻井液混合比7∶3 时，稠化时间130 min(100 Bc)；水泥浆与隔离液混合比9∶1 时，稠化时间240 min(19 Bc)未稠。水泥浆稳定性实验，用高温高压稠化仪(120 ℃、141 MPa、80 min)养护20 min，然后迅速降温到93 ℃取出，将浆体倒入250 mL 量筒中静置2 h 后，测其上部、中部、下部密度分别为2.29 g/cm3、2.29 g/cm3、2.30 g/cm3，上部、中部、下部密度差≤0.03 g/cm3，说明浆体在120 ℃、141 MPa 下无沉降分层，浆体稳定性好。

其次要求隔离液与水泥浆相容性、沉降稳定性好。鉴于水泥浆和钻井液污染严重，在隔离液前注入30 m3先导浆。先导浆是通过对钻井液加入一定量的处理剂，改变其性能，提高其抗污染能力。隔离液用量按紊流接触时间7～10 min 计算，这样保证了隔离液能将井筒清洗干净［11-12]。本井采用密度2.22 g/cm3的冲洗型加重隔离液实现润湿反转，隔离液成分：淡水、隔离剂、铁矿粉、盐、微锰、冲洗剂、消泡剂。该隔离液主要起到两方面作用：一是使水泥浆与油基钻井液二者有效隔离，最大程度地避免相互污染，保障井下安全；二是冲刷井壁时其中的表面活性剂组分使得井壁上的油相发生润湿反转，能与水基水泥浆配伍，提高水泥胶结强度［13]。此外，水泥浆中加入一定量的盐，有效地控制了盐层对水泥浆性能的影响，满足了盐层段固井的技术要求。

3.5 优选固井排量

依靠控压技术“控漏防溢”原则，合理选择固井排量，保障安全固井及高压盐水层封固。固井施工排量通过分析不发生井漏时的钻井液、水泥浆的最大环空返速，以及参考实钻时的泵压、排量来确定［14-15]。采用固井软件对固井排量和浆体性能进行优化和封固模拟，固井排量0.4～1.15 m3/min 时，不能消除窜槽风险、固井过程有溢流风险、无法封隔高压盐水层；固井排量达1.5 m3/min 时，模拟显示能保证管鞋及以上约150 m 的有效封固，可以有效封隔高压水层，实现“穿好鞋”，但该排量加剧井漏风险；固井排量达1.2 m3/min、隔离液流变参数n=0.70 及K=0.83 Pa · sn时，模拟显示能保证管鞋及以上约50 m 实现完全封固。通过进一步优化隔离液流变性能，顶替排量1.2 m3/min 不变，隔离液流变参数n＞0.80 及K＜0.3 Pa · sn时，也可实现顶替效率为92.36%、有效封固管鞋及以上170 m，可确保 “穿好鞋”。按照该排量施工，薄弱层6 055 m 处动态当量密度2.30 g/cm3，考虑节流作用，薄弱层当量密度可能达2.32 g/cm3，而薄弱层漏失压力系数为2.27，不具备一次上返固井条件必须反挤固井。

尾管在Ø293.45 mm 套管内重合段长约350 m(与Ø177.8 mm 套管重合约300 m、与Ø182 mm 套管重合约50 m)，反挤水泥浆建立尾管喇叭口段封隔屏障。重合段每2 根套管加1 只扶正器、悬挂器下部套管连续加2 只，确保套管在上层套管内居中达75%，大大提高顶替效率。裸眼段为Ø182 mm 套管，接箍处居中度约为20%。居中度为反挤固井成功创造了有利条件，采用快干水泥浆体系，有力保障了 “戴好帽”。

4 注水泥施工工艺

正注水泥浆按照返高至5 700 m 以上、封固井段5 700～6 558 m、裸眼段按照Ø241.3 mm 钻头扩大率5%计算，需要水泥浆量26.5 m3，实际用量27 m3。由于水泥浆与钻井液污染严重，为保证顶替效率注水泥浆前注密度2.19 g/cm3的先导浆30 m3、密度2.22 g/cm3的前置液30 m3，占环空高度1 234 m。后置液密度2.22 g/cm3、体积5.5 m3，占Ø182 mm 套管内高度300 m。排量1.2 m3/min 时上返速度1 m/s、施工最高泵压约为21 MPa。顶替密度2.19 g/cm3钻井液66 m3时立压从21 MPa 突然增至23 MPa 碰压成功、泄压无回流，拆水泥头、循环排混浆4.2 m3后起钻至井深4 439 m、关井候凝。井口保持套压6 MPa，每两小时正挤钻井液0.5 m3。在正注水泥浆稠化时间基础上附加2 h，对喇叭口进行试挤，根据地层吃入及回吐情况，进行反挤施工。

反挤施工隔离液情况为：密度2.22 g/cm3前置液24 m3，占Ø273.05 mm 套管内高度510 m；密度2.22 g/cm3后置液5 m3，占套管内高度106 m。按照第1 个漏失点井深5 285 m、上塞300 m 计算，反挤需水泥浆量28.5 m3；按照井底井深6 558 m、上塞300 m 计算反挤水泥浆，需用量59.4 m3，本次反挤固井实际消耗密度2.30 g/cm3水泥浆36 m3。先正注水泥浆17 m3后关节流阀，再正挤水泥浆19 m3。正挤完后置液后，先正挤钻井液42.3 m3、后反挤钻井液4.4 m3。替浆37.3 m3时将后置液全部替出钻杆鞋，环空反挤4.4 m3钻井液使水泥浆形成的上塞高约300 m，作业结束关井憋压候凝。

5 固井质量评价

下钻至井深4 495 m 探得上塞面，喇叭口位置在4 599 m。钻上塞，对喇叭口试压20 MPa、稳压30 min 无压降，钻完回接筒内水泥塞对喇叭口进行反向验窜实验。用密度1.71 g/cm3的钻井液进行替换密度2.19 g/cm3原钻井液，在喇叭口附件形成20 MPa 液柱压力负差，观察30 min 无异常，说明喇叭口固井质量满足要求。钻下塞至距套管鞋约10 m，对尾管进行刮壁和固井声幅测井作业。声幅测井解释结果显示套管鞋附件141 m、喇叭口周围203 m 固井质量为优，实现了“穿鞋戴帽”要求；盐层段固井质量为优，高压盐水被有效封隔和封固，为目的层钻进创造良好条件。电测后套管试压20 MPa，稳压30 min 无压降；套管替入密度1.71 g/cm3钻井液进行反向验窜，静止6 h 验窜合格。套管试压和反向验窜再次表明，在复杂条件下本次固井取得成功。

6 结论

(1)针对钻井复杂，对固井作业可能出现的风险进行了论证，形成了“优化套管管串结构、依靠控压技术平衡地层压力、优选水泥浆体系”的技术方案。

(2)优化套管串组合，减小套管尺寸，降低了阻卡和漏失风险；面对盐层缩径严重，无法满足下套管条件，使用扩眼器扩眼、测蠕变等通井技术确保套管顺利到位；制定严密的下套管措施，减少漏失、保障井壁安全。

(3)采用固井模拟软件对低返速固井工艺进行充分论证，优化浆体性能、选择合理的固井排量、控压固井技术，确保有效封固高压盐水层，实现了“穿鞋戴帽”的目标。