薄隔层防水窜固井技术探究

薄隔层防水窜固井技术探究

张利华

中石化胜利石油工程公司固井技术服务中心  山东东营  257064

摘要：通过研究分析A区块薄隔层水窜机理，优选各类外加剂，形成了抗盐增韧防窜水泥浆体系，配合使用封隔器双卡固井工艺，优先在油田取得应用，成功解决了油田薄隔层油水窜槽的问题，保障了油田后期生产。

关键词：薄隔层；水窜机理；抗盐增韧防窜水泥浆体系；固井技术

本文针对油田A区块薄隔层防水窜固井技术难点，通过对水窜发生机理和防水窜配套固井工艺研究，在原有常规防窜水泥浆体系的基础上，采用紧密堆积理论研制抗盐增韧水泥浆体系，各项性能指标满足了井下作业的需要；针对薄隔层固井中存在的腐蚀问题，利用了管外封隔技术，解决了实际的问题，形成了适用于该区块的固井配套技术，现场应用4口井，固井合格率100%。

1 水窜机理

1.1 水窜过程中压力变化

水泥浆在候凝过程中，随着胶凝强度的发展，环空水泥浆柱的内部结构力不断增强，水泥浆具有了支撑自身重量的能力，形成“失重”，导致环空压力下降（图1）。

1.2 水泥浆水化过程中自由水析出

水泥浆在水化过程中，过多的自由水析出，分布于两个交接面上，因重力差，导致水泥进行轴向流动，形成槽缝和水带，降低了对地层的压力，引发了地层水流窜。

图1水窜压力变化图

1.3 固井后期产生微间隙

水泥浆在凝结硬化过程中，由于物理和化学反应的影响，形成的水泥石体积缩小，水泥环和套管、地层之间形成微间隙；固井施工过程中由于顶替效率低导致环空水泥浆窜槽，固井“一、二”界面胶结质量差，导致水泥环和套管、地层之间形成微间隙，都会引发高压地层流体出现上窜现象。

1.4 油、水间薄隔层

油田A区块的油、水层隔层薄，射孔稍有误差便会产生窜流通道；水泥石韧性不足，射孔后易产生微裂缝形成窜流通道，都会引发水窜。

2 防水窜配套固井技术

油田在盆地A区域H组中部发现油藏，由于储层隔层薄、部分为油水同层、射孔后易产生窜流通道引发水窜，导致油田开采效率低。因此，研制一种适用于油田A薄隔层防水窜固井配套技术具有重要意义。

2.1 抗盐增韧水泥体系的研究

根据封固A区块水上油藏的特点，水泥石必须具有耐地层水腐蚀的抗腐蚀性，且在射孔后不产生微裂缝的韧性。

（1）防窜剂优选。地层水长时间侵蚀，水泥石表面变得多孔，致使水泥石强度降低、渗透率增大。从而导致封固能力降低，层间封隔失效机率增大，优选使用了成都川峰的防气窜剂KQ-B，一种新型固井水泥外加剂，它在水泥浆和井下温度的作用下会产生气体，以微小的气泡均匀分布在水泥浆体系内。微小气泡产生的膨胀压力补偿了水泥浆“失重”时的压力损失，并提高套管与井壁的胶结效果，从而达到防止环空气窜或其他流体窜的目的。水泥石腐蚀98天后强度降至27.1MPa，渗透率升至181×10-3μm2，能满足封固要求

（2）增韧剂优选。水泥石韧性不足，射孔后易产生微裂缝，会引发水窜，优选四川凯尔的增韧剂KR-400，依靠复合纤维的阻裂和增韧特性，利用纤维对载荷的传递，使水泥石内部缺陷的应力分散，增加水泥石的抗冲击能力；在挠曲载荷作用下，提高水泥石形成可见裂缝的载荷能力，防止水泥石的应力开裂；在载荷作用下阻止裂缝扩展，并在强冲击载荷作用下对裂纹尖端应力场形成屏蔽，从而显著提高水泥石的韧性。加入0.8%KR400水泥石的弹性模量较常规水泥石下降20%~35%，较大程度上增加了水泥石在弹性区内的力学形变能力（表1）。

（3）降失水剂优选。常规水泥浆体系失水量大，受到地层水腐蚀后水泥石表面变得多孔，致使水泥石强度降低、渗透率增大。从而导致封固能力降低，层间封隔失效机率增大，发生水窜。采用G33S聚合物抗盐降失水剂，有一定的防腐蚀效果，通过提高水泥浆水相粘度和形成聚合物聚集链而达到降低失水的目的，并能增加水泥浆的稳定性。

（4）分散剂优选。分散剂可以削弱和拆散水泥颗粒之间的成团连接，释放自由水，改变水化产物形状，降低摩阻力，改善油井水泥浆的流变性能以降低固井作业时的泵压，提高对钻井液的顶替效率和固井“一二”界面胶结质量（表2）。采用聚合物分散剂USZ，流动度高，初始稠度低，可泵性强。

表1不同KR400加量下水泥石三轴应力表

表2不同分散剂实验数据对比

表3抗盐防窜水泥浆基本性能

表4不同水泥浆SPN值对比

图2   0.8%KQ-B加量下水泥石的强度和渗透率的变化

2.2 形成的配方

优选防窜剂、膨胀剂、降失水剂、分散剂，形成适用于A薄隔层的抗盐增韧水泥浆体系。

（1）基本性能评价（表3）。配方：天山G+1.5%G33S+0.8%KQ-B+0.9%USZ+0.8%KR400+44%2O。

（2）防窜能力评价。SPN法是常用的简介评价水泥浆防窜能力的方法，水泥浆由液体转化为固态过度时间的长短可以用水泥浆的静凝胶强度发展速率来描述，还可以用稠化过度时间来表述，水泥浆空隙压力下降的主要原因水泥浆向地层失水，因此，浆水泥浆稠化过度时间与水泥浆失水速率综合考虑考虑为水泥浆的防窜性能参数。

2.3 封隔双卡工艺

由于腐蚀不可避免，即使使用抗盐增韧防窜水泥浆体系，常规固井工艺也难以长期封隔要求。尤其是第二界面，地层、泥饼、水泥三者之间的界面关系错综复杂，难以实现长期有效的封固。套管外封隔器是一种永久式管外封隔器，采用膨胀胶筒为密封元件，实现各种目的的井下封隔与桥堵，对改善和提高油、气、水井的固井完井质量有显著作用。通过加压致使胶筒膨胀达到环空密封效果。防止油水互窜，确保长期封隔效果，在油层的上、下部各卡放一支封隔器，阻断因水泥环破坏造成的层间互窜，即封隔器双卡工艺。根据油水层位置确定封隔器具体位置，保证油层上下水层都在封隔器有效封隔范围。

2.4 套管居中技术

根据套管扶正器在定向井中的居中临界角以及井下实际情况，利用专业软件模拟，优化扶正器加法，保证居中度＞67%，据封隔器具体位置，在封隔器上下都加添加整体扶正器，保证封隔器居中，提高固井施工中顶替效率。

3 现场应用

该项技术在A区块应用4口井，固井质量合格率100%，成功解决了油田A区块“水上漂浮油藏”的固井难题，保证油田的后期开采。

参考文献：

[1]中石油固井技术进展研究[J]. 王志伟.西部探矿工程,2021(06)

[2]青海油田漏失性油藏选择性固井技术[J]. 金凯;牛刚强.能源与节能,2021(08)

[3]关于油田固井技术的几点思考[J]. 李玉华.石化技术,2018(12)

[4]固井技术进展及面临的问题简析[J]. 张亚洲;桑明.中国石油和化工标准与质量,2018(10)