提高大庆浅气区调整井固井质量技术研究

李苍穹

中国石油大庆油田钻探工程公司 钻井二公司 （黑龙江 大庆 163413）

大庆油田在经过多年勘探开发之后， 已经由高产稳产期进入产量逐步下降的中后期。 为满足国家能源战略需求、保障大庆油气资源产量，老区油田仍是油气资源的主力产区。 喇嘛甸油田北东区块和采油四厂杏7 区块是大庆老区油田最具代表性的浅层气区块：地质条件复杂，浅层气和气顶气（位于油气藏顶部的天然气）发育，在完井过程中容易发生窜槽和气窜等情况；同时，在经过多年开采之后，地层压力系统已经发生变化， 使得各层位渗透性差异越来越大，完井过程中极易发生井漏、油气水侵和二界面胶结质量差等技术难题，导致固井质量整体较低。因此， 通过技术攻关研发出双凝水泥浆和低温浅层防气窜水泥浆两套体系， 并根据地层压力分布情况采用套管外封隔技术和井口压力控制技术，制定了“压稳”和“防窜”相结合的固井质量提高技术措施，使喇嘛甸气库区和采油四厂杏7 区固井质量和优质率大幅度提高[1]。

1 浅层气调整井特点及提高固井质量技术对策

1.1 固井质量难点分析

1）浅层气及气顶气发育。 喇嘛甸油田东北区块和采油四厂杏7 区块是长垣内施工的重点区块，其典型的地质特点就是浅层气及气顶气发育， 且分布范围广，垂深在1 600~1 800 m，井底温度在50~80℃。在钻完井作业中极易发生井喷和气窜，这对钻完井施工安全和固井质量保障提出了极高要求。

2）地层压力异常。 喇嘛甸油田和采油四厂调整井的开发层位，在经过长期的注水开发后，地层压力已经失去原始平衡状态，地层压力越发复杂，预测地层压力系数在1.70～1.80，且层间存在大量亏空层和憋压层，经常发生层间互窜，这也导致固井质量无法得到保证。

3）顶替效率低、易发生气窜。由于喇嘛甸油田北东区块和采油四厂杏7 区块的复杂地质条件， 钻井后井径扩大率都较高，甚至有大肚子井眼存在，井壁上的泥饼质量差，直接导致水泥浆的顶替效率低，使固井质量无法达到要求，形成气窜[2-3]。

1.2 提高固井质量技术对策

为保障浅气区井“压稳”和“防气窜”工作，精细制定技术方案， 有针对性地制定了一系列浅层气井固井质量保障措施。

1）研发双凝水泥浆体系。 通过在上部水泥浆中添加促凝剂，下部水泥浆中添加缓凝剂，并调整促凝剂和缓凝剂配方达到凝固时间可调， 实现上部水泥浆和下部水泥浆不同时凝固， 保证水泥候凝期间的液柱压力对地层的有效压稳作用。

2）研发低温浅层防气窜水泥浆体系。 在丁苯胶乳水泥浆基础上，通过调整缓凝剂和纤维材料加量，形成防气窜水泥浆体系， 增大水泥浆体系的气浸阻力、缩短过渡时间，改善了水泥环性能；另一方面通过渗透、吸附、交联、粘接等多种反应机制，改善过渡层结构，提高水泥环双界面胶结质量，达到固井防气窜的目的。

3）根据地层压力分布，有针对性地应用套管外封隔技术。 一方面针对油层异常高压井，应用套管外封隔器，封隔异常压力层；另一方面针对采油五厂杏76 扶余区块双套油层组井，在两套油层之间应用套管外封隔器，将双油层组分隔成两套独立的压力体系，保证每组油层压力的相对稳定，提高固井质量。

2 双凝水泥浆体系研究

根据喇嘛甸油田地质特点， 采用双凝水泥浆体系分段封固的方式固井，即领浆（先注入水泥浆）后凝固，尾浆（后注入水泥浆）先凝固的方式。在领浆中添加促凝剂缩短水泥浆的凝固时间， 在尾浆中添加缓凝剂延长水泥浆凝固时间[4]。 当领浆段先凝固失水造成失重状态时， 尾浆后凝段仍然保持着压力传递， 保证水泥候凝期间的液柱压力对地层的有效压稳作用，避免井喷的同时，也使固井质量得到保证。

2.1 尾浆优选

根据封固地层和井段长度的情况， 要求双凝水泥浆体系的尾浆稠化时间在80~90 min。 在50 ℃、32 MPa 条件下，通过调整促凝剂的加量，形成3 种配方的水泥浆体系。配方1：G 级水泥+15%硅粉+6%促凝剂+0.5%早强剂+12%微硅+6%消泡剂+5%降失水剂+50%水；配方2：高G 级水泥+15%硅粉+8%促凝剂+0.5%早强剂+12%微硅+6%消泡剂+5%降失水剂+50%水； 配方3：G 级水泥+15%硅粉+10%促凝剂+0.5%早强剂+12%微硅+6%消泡剂+5%降失水剂+50%水。 对其流动度、抗压强度和稠化时间等指标进行了评价分析，实验结果见表1。 从表1 可知，在促凝剂的不同加量条件下， 水泥浆只是稠化时间逐渐缩短，而流动度、抗压强度、失水量等指标没有发生明显变化，当促凝剂加量在10%时，稠化时间为86 min，能够满足双凝水泥浆尾浆施工需求。

表1 双凝水泥浆体系尾浆性能

2.2 领浆优选

根据施工要求， 双凝水泥浆体系的领浆凝固时间在180 min 左右，这样与尾浆凝固时间（86 min）配比效果最好。 在60 ℃、32 MPa 条件下，通过调整缓凝剂的加量来延长领浆的稠化时间， 形成3个配方。 配方1：G 级水泥+15%硅粉+0.1%缓凝剂+0.5%早强剂+12%微硅+6%消泡剂+5%降失水剂+50%水；配方2：高G 级水泥+15%硅粉+0.2%缓凝剂+0.5%早强剂+12%微硅+6%消泡剂+5%降失水剂+50%水； 配方3：G 级水泥+15%硅粉+0.3%缓凝剂+0.5%早强剂+12%微硅+6%消泡剂+5%降失水剂+50%水。 对其流动度、抗压强度和稠化时间等指标进行分析，实验结果见表2。 从表2 可知，随着缓凝剂加量的增加，水泥浆的流动度、抗压强度等技术参数没有明显变化，只是稠化时间逐渐延长，当缓凝剂加量在0.3%时，稠化时间为183 min，对双凝水泥浆体系的现场施工最为有利。

2.3 相容性试验

在现场施工过程中， 不同性能水泥浆混浆段的流动度相对较差，会出现泵送困难的情况。 因此，对领浆和尾浆及混浆段的常规性能进行了对比分析，实验结果见表3。 由表3 可知，领浆和尾浆混合后，流动度没有发生明显变化，未出现增稠的现象，有效解决了泵送困难的问题， 对水泥浆的其他性能也没有负面影响， 水泥石的抗压强度也能够满足施工要求。

表2 双凝水泥浆体系领浆性能

表3 双凝水泥浆领浆、尾浆和混浆段常规性能对比

3 低温浅层防气窜水泥浆研究

为了提高水泥浆体系的稳定性、 达到防气窜的目的，再结合采油四厂杏7 区块地质特点，将优选出的丁苯胶乳加入到水泥浆中， 再加入缓凝剂和纤维材料， 从而形成适用于大庆浅气区的防气窜水泥浆体系。 胶乳是以聚合物球形颗粒状态分散在水泥浆中，胶乳粒子与水泥浆极性相斥，使水泥浆中的胶乳呈高度分散和悬浮状态，从而提高水泥浆稳定性[5]；同时，胶乳水泥浆具有成膜性好、流变性好和渗透率低等特点， 从而大幅度提高了水泥浆体系的防窜性能。 缓凝剂能延长水泥浆固化时间， 以达到最佳效果。纤维材料能提高水泥浆的抗压强度，进一步提升防气窜能力。

3.1 缓凝剂加量确定

在优选丁苯胶乳的基础上， 形成水泥浆基础配方：G 级水泥+10%硅粉+5%消泡剂+35%砂+5%降失水剂+15%丁苯胶乳。在此配方基础上依次改变缓凝剂加量，对形成的水泥浆性能进行测试，从而确定缓凝剂的加量，实验结果见表4。 由表4 可知，随着缓凝剂加量增加，水泥浆的密度没有发生变化，滤失量和水泥浆游离液变化不明显，略有增加趋势，稠化时间依次增大。 当缓凝剂加量为1.5%~ 2.0%时，滤失量小于300 mL，稠化时间接近300 min。 因此，缓凝剂的最终加量为1.5%~2.0%。

3.2 纤维材料加量确定

在基础水泥浆配方（G 级水泥+10%硅粉+5%消泡剂+35%砂+5%降失水剂+15%丁苯胶乳）上，加入不同量的纤维材料， 评价纤维对水泥浆性能参数的影响[6]，实验结果见表5。由表5 可知，加入纤维材料后，水泥石的24 h 和48 h 抗冲击强度都明显提高，说明纤维材料对提高水泥石的强度具有正面影响作用。 但是当加量大于0.5%时，水泥浆的抗冲击强度又呈现下降趋势。因此为了达到最好的增韧效果，纤维材料加量定为0.5%。

表4 缓凝剂对水泥浆性能的影响

表5 纤维材料对水泥浆性能的影响

通过以上实验， 形成大庆浅气区防气窜水泥浆配方：G 级水泥+4.0%稳定剂+2.0% 缓凝剂+0.3%分散剂+15%降失水剂L+0.5%纤维材料+35%砂+5%硅粉。

3.3 防气窜性能测试

形成大庆浅气区防气窜水泥浆配方后， 在室内利用油井水泥气窜模拟分析仪对其防气窜性能进行分析和评价。 模拟条件为100 ℃、7 MPa 下，模拟地层压力3.5 MPa。 实验结果可知，形成的防气窜水泥浆在300 min 时地层压力开始下降， 在350 min 时孔隙压力降至最低， 此时水泥浆筒内下部压力即为地层气窜压力， 在整个实验过程中没有出现气体窜出的现象， 表明该水泥浆配方能够适用于大庆浅气区防气窜技术需求。

4 套管外封隔器固井技术

根据大庆浅气区调整井地质特点， 部分使用双凝水泥浆和低温浅层防气窜水泥浆无法满足固井质量要求的井，采用水泥浆充填管外封隔器完井技术，以提高浅气区调整井固井质量。 这种封隔器是由中心管、胶筒和阀箍等几个部件组成，通过下接头、上接箍连接到相邻两个套管上。阀箍是由单向阀、限压阀和打开阀串联在一起；胶筒由内胶筒、挠性保护钢片和外胶筒三层结构组成。当封隔器下到井底以后，打压坐封封隔器，当坐封压力达到一定值后，剪断打开阀的销钉， 水泥浆流体会进入到中心管和内胶筒之间的腔体，胶筒会在膨胀至一定压力后，通过剪断限压阀而关闭流体通道， 使封隔器一直处于涨封状态。 该技术具有封隔器不易变形、密封效果好、机械强度高、油气层保护效果好等优点[7]。

套管外封隔器固井技术需要与超缓凝水泥浆体系配套使用， 在室内形成一套超缓凝水泥浆体系配方:G 级水泥+5%缓凝剂+0.5%稳定剂+1.5%降滤失剂+0.2%消泡剂+0.6%分散剂。 其相关性能参数为:稠化时间（80 ℃，45 MPa）大于620 min，滤失量小于50 mL，抗压强度（80 ℃，72 h）大于16 MPa，自由水为0。

5 现场应用效果

研究形成双凝水泥浆、 低温浅层防气窜水泥浆和套管外封隔器固井技术，2018 年在大庆喇嘛甸油田东北区块和采油四厂杏7 区块累计应用506 口井，实现了浅气区、气库区完井安全与固井质量的双重保障。 其中，在喇嘛甸气库区施工208 口，优质井196 口，合格井12 口，优质率94.23%，与2017 年相比提高2.5 个百分点； 采油四厂杏七区施工298 口井,声变检测294 口，优质井265 口，优质率90.14%,固井优质率比2017 年提高了10.14 个百分点。

具体现场应用实例分析如下： ①双凝水泥浆体系和套管外封隔器固井技术相结合， 在Y5-FPX 井进行了应用， 水平段长1 124 m， 水平段优质段长920 m，优质率超过了81%，比同区块Y5-FP8 井的优质率70%提高了10 个百分点； ②低温浅层防气窜水泥浆和套管外封隔器固井技术，在N263-PX 井进行了应用，水平段长612 m，优质段长612 m，水平段固井优质率达到了100%。

6 结论

1）针对大庆油田浅气区地质特点，通过技术研发， 形成了双凝水泥浆和低温浅层防气窜两套水泥浆体系，并形成套管外封隔器固井技术，解决了喇嘛甸油田和采油四厂浅气区地层压力异常、 顶替效率低、易发生气窜等技术难题。

2）形成的固井质量提高技术在大庆油田喇嘛甸油田东北区块和采油四厂杏7 区块累计应用超过500 口井，固井质量和固井优质率都大幅度提高，有效保证了大庆油田浅气区固井质量的提高， 保护了油气层，为完井安全和固井质量提供了双重保障。