苏里格南区块小井眼井固井工艺研究*

杨 晨

(中国石油天然气集团公司川庆钻探工程有限公司长庆固井公司,陕西 西安 710018)

苏里格南区块位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西南侧。为降低环境污染风险，有效控制成本，该区块将小井眼井列为开发方向(井身结构：ф215.9 mm+ф177.8 mm管串+ф152.4 mm+88.9 mm管串)，并部署大位移丛式井组，采取单通道钻完井技术[1-4]。由于单通道完井作业采用无油管体系结构，因此须对整个祼眼段进行封隔；然而该区块二开裸眼井段长达3000～3500 m，且具有井眼尺寸小，井斜大、地层破裂压力低、安全窗口窄等特点[5-9]，在下套管及注水泥作业过程中，高黏度流体在环空上返时产生较大压耗，导致薄弱地层刘家沟组发生压差性裂缝漏失，严重影响固井质量[10-12]。因此，本文针对该区的地层特性，选择合适的水泥浆体系及相应施工工艺，最大程度的满足该区块全井段封固的质量要求。

1 室内实验

1.1 低密度水泥浆体系

根据苏里格南区块固井施工数据可知：弱地层刘家沟组的破裂当量密度在1.35 g/cm3，因此选择密度密度为1.32 g/cm3膨胀珍珠岩水泥浆体系作为该区块填充段基浆。为提升该水泥浆体系的综合性能，在水泥浆体系中加入聚酯纤维及增强材料，并对水泥浆体系进行优化。

1.1.1 不同尺寸聚酯聚酯纤维对膨胀珍珠岩水泥浆性能的影响

改变聚酯纤维的尺寸及加量，考察其对膨胀珍珠岩水泥浆体系流变性及抗压强度的影响，结果见表1。

当加入聚酯纤维的水泥浆进入地层漏失通道时，聚酯纤维通过堆积与桥接作用形成网状结构，增加流动阻力，固相颗粒在压力作用下逐步对网状结构进行填充，在压差下慢慢填实，借助水化胶凝作用形成一堵隔墙，从而达到防漏目的。从表1可知：随着聚酯纤维长度的变长及加量变大，水泥浆体系的稠度变大，流变性变差，而水泥石强度却出现先增大后降低的现象。这是因为聚酯纤维形成的网状结构对水泥浆具有一定的束缚作用，从而导致流变性能变差；聚酯纤维属于惰性材料，并不参与水化反应，少量的聚酯纤维的加入，使其在水泥石胶结过程中起到钢筋骨架作用，因此强度有小幅度增加，但是加入量较大时，水泥石的应力结构被改变，因此水泥石强度逐渐降低。

表1 聚酯纤维对水泥浆流变性能及水泥石强度的影响Table 1 Influence of polyester fiber on rheological properties of cement slurry and strength of cement set

1.1.2 增强材料对高强微珠水泥浆性能的影响

水泥石强度是影响填充段胶结质量的主要因素之一，在膨胀珍珠岩水泥浆体系中加增强材料，考察其加量对水泥浆性能的影响，结果见表2。

表2 增强材料对水泥浆性能的影响Table 2 Effect of reinforcing material on cement slurry properties

由表2可知：随着增强材料加量的增加，水泥浆流变性能变差，但水泥石的强度大幅度增加。这是因为该增强材料是一种纳米级硅基化合物，其材料尺寸在1～100 nm之间，因此其具有较大的比表面能，极易与其它助剂发生水化键合，生成以增强材料为核心的三维网状结构，大幅度提高水泥石强度；但是其较大的比表面积使得吸附自由水的能力大幅度增强，在增加水泥浆稳定性的同时也降低了水泥浆的流变性能。

1.1.3 正交实验

为提高水泥浆综合性能，在单因素条件的实验基础上，对其进行优化.选择3 mm 聚酯纤维(A)、6 mm 聚酯纤维(B)、9 mm 聚酯纤维(C)、增强材料(D)的质量分数为考察因素，每个因素取4水平。以45 ℃实验条件下24 h 强度为考察指标，用 L16(4)4正交表设计实验，实验结果如表3所示。

表3 正交实验数据及处理结果Table 3 Orthogonal experimental data and processing results

续表3

由表4可以看出， 从 RD>Rc>Ra>RB得出4因素对高强微珠水泥浆强度的影响从主到次依次为增强材料、3 mm聚酯纤维、9 mm聚酯纤维、6 mm聚酯纤维。最佳水平组合为 A2B2C2D3，即纳米基复合增强剂、3 mm聚酯纤维、9 mm聚酯纤维、6 mm聚酯纤维质量分数分别为2%、1%、1%、1%。

1.1.4 堵漏先导浆的基本性能

将上述最佳配比的外加剂加入膨胀珍珠岩水泥浆体系中，配制的2000 mL水泥浆，进行水泥浆堵漏性能评价，实验结果见表4。

表4 水泥浆堵漏性能评价结果Table 4 Evaluation results of plugging performance of cement slurry

从水泥浆堵漏性能实验可知：打开模拟通道可以发现，纤维防漏水泥浆缝板上方均形成桥堵塞。这说明了，该水泥浆体系具有优良的防漏性能，能有效提升水泥返高，提高固井质量。该水泥浆体系的其他性能见表5，其性能均满足现场施工技术要求。

表5 纤维防漏水泥浆性能Table 5 Fiber waterproof cement performance

1.2 常规密度水泥浆体系

该区块为提高单井产量，需要在主力气层反复实施体积压裂，但产层段仅仅封固400 m左右，对常规密度水泥浆的韧性及防窜性能要求较高，因此在该区使用胶乳水泥浆体系。其性能如表6所示。

表6 胶乳水泥浆性能Table 6 Performance of latex cement slurry

从实验结果可知，胶乳水泥浆的静胶凝过度时间仅21 min，其优良的防气窜性能，使得水泥浆在候凝期间能压稳气层；24 h水泥石强度高达38 MPa，以及其优良的机械性能使得在后期连续试气及采取增产措施时，能最大程度的保持水泥环的完整性。

1.3 前置液体系

苏里格南区块具有井眼尺寸小、易漏等特点，常规的前置液体系难以适用于该区块，因此在该区块使用了一种防漏加重型冲洗隔离剂。其配方如下：水+悬浮剂+表面活性剂+石灰石+聚酯纤维(密度：1.25 g/cm3)。其相容性实验结果见表7。

表7 相容性实验结果Table 7 Compatibility test results

该体系中的固相颗粒能有效的冲刷水泥饼；表面活性剂能使第一、二界面润湿反转，提升水泥环胶结质量；聚酯纤维会在前置液流经裸眼段时吸附到井壁上，通过堆积和桥接作用形成一道网状结构，提升井壁承压能力，以达到提高水泥返高的目的。由表6实验数据可知，防漏加重型冲洗隔离剂与泥浆或水泥浆按不同比例混合后，其流变性能并未超坏的方向变化，因此具有优良的相容性能。

2 现场应用

2.1 SNX平台概况

SNX平台位于乌审旗苏力德，井型为小井眼定向井。一开完钻井深700～800 m，二开完钻井深3600～4100 m；完钻钻井液密度为1.17 g/cm3，钻进过程在刘家沟组发生渗漏，采取随钻堵漏方式钻进至完钻。在SNX-1井固井施工时，填充段使用密度为1.32 g/cm3的膨胀珍珠岩水泥浆体系，替量期间发生漏失，漏失量约10 m3；后期根据固井质量声幅图显示，水泥返高仅940 m，未进入上层套管。因此该平台后续井均使用防漏加重型冲洗隔离液及纤维防漏水泥浆。

2.2 浆柱结构设计

纤维防漏水泥浆必须放置在合理的浆柱位置，才能最大程度的起到防漏作用，达到提升水泥返高的目的。根据ECD(循环当量密度)计算，放置延长中下部最佳。这是因为若放置延长中下部，当其经过漏层时，ECD与漏层破裂当量密度相差不大，地层处于破裂边缘，此时部分防漏浆漏入地层，起到较好的防漏作用。而放至其他位置，当其流经漏层时，ECD小于或大于漏层破裂当量密度，无法起到较好的防漏效果。

2.3 固井技术措施

固井前井眼准备是影响后期固井质量的关键因素之一，因此在该区块制定如下技术措施：①下套管前应对薄弱地层进行承压实验，为固井防漏设计提供依据；②套管下到位后，小排量顶通后逐渐提高排量，循环洗井两周以上；③并采用高粘切泥浆循环带砂；④固井前，处理泥浆，要求粘度50～60 s，动切7 Pa左右；⑤固井前井眼情况达到“四无”即无沉砂、无漏失、无垮塌、无后效，方可进行固井施工。

2.4 固井质量分析

按以上技术方案在SNX平台后续小井眼井进行固井施工，其固井质量及声幅图如表8和图1所示。

表8 SNX平台固井质量Table 8 SNX platform cementing quality

续表8

从上述施工数据可知,该平台水泥平均返高提升至470 m，且水泥返高均进入上层套管；该平台段裸眼段第一界面固井质量平均合格率为 97.55%，裸眼段第二界面固井质量平均合格率为98.8%，这说明该使用上述防漏加重型冲洗隔离液、纤维防漏水泥浆及固井技术措施，能大幅度提高该区块小井眼井返高。

图1 SNX-02井固井质量声幅Fig.1 Sound amplitude of cementing quality in well SNX-02

3 结 论

(1)研制了一套适合该区块的纤维防漏水泥浆体系，并对其性能进行了优化，实验结果表明，该水泥浆体系具有优良的防漏性能，且各项性能指标均能满足现场技术要求。

(2)在该区使用了一种防漏加重型冲洗隔离剂，并针对该区块地质特性设计了合理的浆柱结构及固井工艺措施。现场实验结果表明，以上技术措施能大幅度提升该区块小井眼井的固井质量。