中国石化复杂地层深井超深井固井技术丁士东 桑来玉 周仕明（中国石化石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所,山东德州 253005）摘要：深井超深井复杂地层固井面临着高温、高压、高含腐蚀性气体、压稳与防漏、盐膏层、顶替效率低等固井技术难题，固井难度大。
为此，采用了“封”、“堵”、“压”、“快”和“新”等综合固井技术措施，应用新型非渗透和胶乳防气窜水泥浆体系，提高了水泥浆本身抗窜能力，减低CO2和H2S对水泥石的腐蚀；采用纤维堵漏水泥浆，提高了水泥浆堵漏能力和地层承压能力，扩大了钻井液安全密度窗口；建立了动态循环承压试验方法，采用分段压稳设计模型分析固井后环空压力，实现压稳和防漏的协调统一；采用双凝双密度水泥浆设计，确保主力气层快速形成早期强度，实现“以快制气”，有效控制气层气体；采用旋转尾管固井新技术，在洗井和注水泥过程中旋转尾管，提高了洗井质量和水泥浆顶替效率。
通过上述技术措施，为解决中国石化复杂压力深井超深井固井技术难题作了有益的尝试，取得了较好的现场应用效果。
主题词： 中国石化 深井超深井 复杂压力 水泥浆体系 固井应用近年来，随着中国石化油气勘探开发的不断深入，钻井技术水平的提高，出现了越来越多的深井超深井，完钻井深大多超过了6000m，主要集中在新疆塔里木盆地、川东北地区等区域。
在钻井中过程中，经常遇到高压地层，如塔河油田秋南1井、巴楚区块，川东北地区河坝等区块；以及遇到低压易漏失地层，如塔河油田二叠系，深部奥陶系，川东北地区海相地层，这些复杂地层都增加了固井的难度。
中国石化塔河油田2008年产能建设超过600万吨，川东北盆地海相层系油气勘探也取得了很大进展，发现了目前国内最大的海相整装气田-普光气田，在其外围也相继发现了清溪、河坝等高产气田，元坝等外围区块准备进一步加快，以普光气田为主体的川气东送已列入国家“十一五” 重点工程并正式开工建设，川东北海相油气勘探开发展示了良好的前景。
塔里木盆地、川东北地区海相气井井深、温度高，地层压力高，特别是川东北地区、塔河雅克拉气田，很多气井含有酸性或腐蚀性气体H2S和CO2，给油气田安全勘探与开发带来了巨大挑战。
2006年的罗家2井泄漏出含H2S的天然气，都造成了对周围生命、财产和环境的极大破坏，分析认为这与其固井质量差有很大关系；在普光气田先期8口探井中，有6口井正是主要由于固井质量不好和没有充分考虑井下CO2和H2S气体对水泥环以及套管柱腐蚀问题，不能直接转化生产井，造成了数亿元经济损失。
1 主要固井技术难题分析深井超深井固井受到的影响因素众多（如井眼条件、钻井液性能、地层漏失和地层流体等），技术难度大，风险非常高。
(1)气层压力高，气层活跃，固井后易发生环空气窜。
由于气体可压缩，易膨胀，控制难度大，固井后如何防止环空气窜是所有气井必须要解决的技术难题。
在川东北地区的毛坝、河坝、元坝等构造，塔里木盆地巴什托等区块，其油气层压力梯度达到2MPa/100m以上，加之井深（一般大于5000m）、封固段长（一般超过2000m），计算其潜气窜因子（GFR）达到7～9，根据相关分级标准，属于固井后环空气窜高危险井，控制环空气窜和提高固井质量难度大。
(2)地层压力系统复杂，压稳和防漏矛盾突出。
塔里木盆地、川东北地区储层多为碳酸盐岩裂缝型气藏，油、气、水显示层位多，可交互出现静水压力和异常高压多个压力系统，地层纵向的压力梯度变化很大（压力系数1.2～2.30 g/cm3），在钻遇高压气层的井眼内，同时存在低压易漏甚至裂缝型的漏失层，要压稳高压气层，就有压漏低压层的危险，钻井液密度安全窗口窄，压稳和防漏矛盾十分突出。
川东北河坝1井在进入飞三段(4870m-5018m)后，多次发生井涌、井漏。
不压井时发生气侵，压井时又产生井漏，钻井液密度由2.19上升到2.35g/cm3勉强建立平衡。
压稳是固井防气窜的前提，采用密度为2.35g/cm3水泥浆固井，固井时有发生了漏失，导致不能压稳气层，固井过程中就发生了环空气窜。
塔里木盆地塔河油田二叠系地层分布不均匀，由于地层的激烈运动，与上下地层呈不整合接触，造成地层破碎，地层易跨塌，造成地层承压能力低，从而发生固井漏失；塔河油田奥陶系属于裂缝性灰岩，地层承压能力低，固井易发生漏失。
(3)防止H2S、CO2腐蚀固井技术难题塔河油田雅克拉气田、川东北地区大部分高压气层富含H2S或CO2或二者混合的有害气体，而且含量较高。
如普光气田天然气的H2S含量达到180g/m3，CO2含量达到80g/m3；位于开江的罗家寨气田天然气的H2S含量达到150g/m3，CO2含量达到100g/m3，雅克拉凝析气田部分井含有丰富的CO2。
CO2、H2S都属于腐蚀性酸性气体，国外研究表明，CO2和H2S气体在井底高温高压条件下将与水泥石中的水化产物如Ca(OH)2和CSH凝胶等发生反应，从而降低水泥石的强度并增加渗透率，为气窜提供通道。
(4)高密度钻井液顶替难度大深井超深井复杂高压地层，需要采用高密度钻井液平衡气层压力。
如：河坝1井钻飞3段时的钻井液密度为2.33 g/cm3，粘度90S，静切力12/29Pa，塑性粘度60mPa.s，动切力28Pa，造成流动摩阻大，顶替难度大，同时，由于钻井液安全密度窗口窄，无法采用相应的提高水泥浆顶替效率技术措施，水泥浆胶结质量难以保证。
秋南1井钻井液密度2.28g/cm3，CL-离子含量高达110000 mg/l，对钻井液及水泥浆性能要求严格，水泥浆顶替效率低。
（5）高密度盐层固井技术难大塔里木盆地盐膏层分布较广泛，蠕变速率可达成1～2mm/h，盐层井段易产生溶蚀，井眼不规则，顶替效率低。
如秋南1井是中石化在新疆塔里木盆地山前构造带部署的一口重点超深探井，在Φ244.5mm+φ250.8mm尾管悬挂、超长φ206.4mm尾管固井中存在膏盐层与高压，超高压地层，全井采用高密度钻井液钻进，苏维依组复合膏盐层井段，泥浆密度高（2.28 g/cm3），CL-离子含量高(110000mg/l)，对水泥浆性能要求严格；压力窗口窄，环空间隙小，施工压力高，水泥浆易窜槽。
2 主要固井技术措施2.1综合固井技术方案针对塔里木盆地、川东北地区等复杂地层深井超深井主要固井技术难题，采用了“封”、“堵”、“压”、“快”和“新”的技术措施来解决该地区固井技术难题：“封”是采用新型非渗透和胶乳防气窜水泥浆体系，将气层气体封住，提高水泥浆本身抗窜能力；利用胶乳和非渗透水泥浆凝固后水泥石低渗透的特点，减低CO 2和H 2S对水泥石的腐蚀；“堵”是在固井前强化钻井液堵漏，提高地层承压能力，扩大钻井液安全密度窗口；在固井时，采用纤维堵漏水泥浆，提高水泥浆堵漏能力；“压”是在固井前采用分段压稳设计模型，考虑固井后水泥浆失重的影响，分析固井后环空压力分布，保证压稳气层；“快”是固井水泥浆采用双凝或多凝设计，确保主力气层快速形成早期强度，实现“以快制气”，有效控制气层气体；“新”是采用旋转尾管固井新技术，在洗井和注水泥过程中旋转尾管，提高洗井质量和水泥浆顶替效率。
2.2防气窜水泥浆体系的优选针对川东北地区海相地层固井不同井深的要求，优选出了适合不同温度范围的FSAM-J 非渗透防气窜水泥浆体系和LX-200胶乳防气窜水泥浆体系。
2.2.1 FSAM-J 非渗透防气窜水泥浆体系FSAM-J 是一种新型预胶联的液态成膜防气窜降失水剂,将线型PVA 分子与引发剂通过化学反应制成的具有一定立体网状结构和较高分子量的产品。
这种预胶联防气窜剂通过初期瞬间滤失，使聚合物浓度急剧升高，并通过交联作用在滤饼下面滤失层表面形成一层有一定韧性的完整致密聚合物膜,这种膜对液体和气体的渗透率非常小，不仅具有优异的降滤失作用，而且可以有效阻止气窜。
FSAM-J 具有较好的抗高温能力，滤失膜在120℃时仍稳定,滤失量不显著增大，优选出的FSAM-J 防气窜水泥浆体系典型配方及性能见表1：表1 FSAM-J 高密度防气窜水泥浆综合性能流变性能序号 密度 g/cm3温度 ℃ 剪切读数 n K API 失水 稠化时间(min) 过渡时间 min 防窜性能系数 强度 MPa 1 2.25 115 226/150/75/7/5 0.78 0.7521ml 166 7 1.05 17.912 2.25 115 216/148/77/11/8 0.77 0.8319ml 266 10 1.07 20.023 2.3 115 151/102/53/6/4 0.93 0.2316ml 240 15 1.44 18.024 2.4 120 181/112/60/9/7 0.91 0.2915ml 302 15 1.20 21.2 52.5115244/165/83/12/70.820.5418ml244181.9322注：表中配方为：1：JHG+稳定剂＋加重剂＋8％FSAM-J＋0.7％USZ＋2％DZP-2＋0.8％DZH-2+29%水固比2：JHG+稳定剂＋加重剂＋8％FSAM-J＋0.7％USZ＋2％DZP-2＋2.0％DZH-2+29%水固比 3：JHG+稳定剂＋加重剂＋8％FSAM-J＋0.7％USZ＋2％DZP-2＋1.2％DZH-2+29%水固比 4：JHG+稳定剂＋加重剂＋8％FSAM-J＋0.7％USZ＋2％DZP-2＋0.8％DZH-2+29%水固比 5：JHG+稳定剂＋加重剂＋8％FSAM-J＋0.7％USZ＋2％DZP-2＋0.6％DZH-2+29%水固比从表1可以看出，FSAM-J 非渗透防气窜水泥浆综合性能指标达到：流型指数n 值大于0.7；API 失水小于30ml/6.9MPa.30min；24小时高温抗压强度大于14MPa，稠化时间在240min～360min 间可调；水泥浆性能系数（SPN）均小于3，具有较强的防气窜能力。
2.2.2 LX-200乳胶防气窜水泥浆体系LX-200乳胶防气窜水泥中胶乳粒径为200～500nm，比水泥颗粒粒径（一般约在20～50µm）小得多，胶粒具有弹性，水泥浆形成滤饼时一部分胶粒挤塞、填充于水泥颗粒间的空隙中使滤饼的渗透率降低，另一方面，胶粒在压差的作用下在水泥颗粒间聚集成膜，这层覆盖在滤饼表面的膜，阻止气体窜入水泥浆。
胶乳体系水泥浆在较宽的温度范围内（40～170℃）都有良好的失水控制能力（可控制低于20ml），因此具有“成膜”防窜和“颗粒”防窜双重功能。
LX-200乳胶具有很好的抗高温能力，可满足200℃固井技术要求。
优选出的LX-200乳胶防气窜水泥浆体系典型配方及性能见表2：表2 LX-200乳胶防气窜水泥浆综合性能流变性能序号密度 g/cm 3温度 ℃剪切读数 n KAPI失水 稠化时间(min) 过渡时间 min 防窜性能系数强度 MPa1 1.94 130 285/150/101/49/5/3 0.89 0.9423ml 242 8 1.20 20.1 2 2.30 140 225/128/89/49/18/10 0.78 0.8920ml26691.10 17.9注：表中配方为：1：JHG+硅粉+15%LX-200+2%SUP602S+0.8%SF-100+0.9%RPM-L+1.25%HTR100+22.5%水固比 2：JHG+加重剂+硅粉＋18%LX-200+2%SUP602S+1.0%SF-100+1.2%RPM-L+1.45%HTR100+29%水固比从表2可以看出，LX-200乳胶防气窜水泥浆体系具有抗高温、低失水、稠化时间过渡时间短，防气窜能力强的特点。