摘要：鉆井液和水泥漿的理化性質(zhì)存在本質(zhì)差異，超深井固井作業(yè)時(shí)，二者極易發(fā)生化學(xué)污染，不但影響頂替效率，而且危及固井施工安全，這在“三高”(高壓、高含硫、高危)氣田超深井固井作業(yè)中尤為突出。為此，針對(duì)上述問題，提出了超深井固井隔離液的設(shè)計(jì)原則和配制工藝，并對(duì)相容性實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究和總結(jié)，現(xiàn)場(chǎng)固井實(shí)踐認(rèn)為：①隔離液的使用是保障“三高”氣田超深井固井作業(yè)安全和提高頂替效率的重要舉措；②應(yīng)對(duì)隔離液的沉降穩(wěn)定性與鉆井液、水泥漿的化學(xué)兼容性予以充分重視，確保隔離液不沉降，對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間無(wú)不良影響，防止發(fā)生井下復(fù)雜情況；③前后隔離液防污染技術(shù)可有效防止尾管固井工程事故的發(fā)生。隔離液的正確使用可有效地防止化學(xué)污染、保證固井作業(yè)安全和提高頂替效率。

關(guān)鍵詞：高壓高含硫高危氣田；超深井；固井；隔離液；沉降穩(wěn)定性；化學(xué)兼容性；污染稠化

   鉆井液和水泥漿在化學(xué)組分和性能上存在顯著差異，固井作業(yè)時(shí)若二者直接接觸，可能會(huì)形成一些難以破壞的膠凝結(jié)構(gòu)，輕則影響水泥漿工程性能，重則導(dǎo)致固井作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行，引發(fā)固井工程事故^[1]，這在“三高”(高壓、高含硫、高危)氣田超深井固井作業(yè)中尤為突出。“三高”氣田超深井固井井下溫度、壓力很高，產(chǎn)層含酸性氣體，地質(zhì)條件和工程條件異常復(fù)雜，固井難度極大，隔離液的使用是保證施工安全、提高頂替效率和環(huán)空封固質(zhì)量的重要舉措。

   隔離液設(shè)計(jì)應(yīng)以有效隔離、虛濾餅清除以及界面狀態(tài)改善為原則，不影響工程設(shè)計(jì)對(duì)水泥漿濾失量和稠化時(shí)間的要求，與鉆井液、水泥漿均具有良好的化學(xué)兼容性，沉降穩(wěn)定性好，且具備良好的流變性能以利于提高頂替效率^[2～5]。其設(shè)計(jì)原則為：

    1) 隔離液的密度應(yīng)介于鉆井液和水泥漿之間(ρ_鉆井液＜ρ_隔離液＜ρ_水泥漿)，保證注替過(guò)程中實(shí)現(xiàn)平衡壓力固井，密度級(jí)差使隔離液在頂替過(guò)程中對(duì)鉆井液產(chǎn)生浮力作用，水泥漿對(duì)隔離液和鉆井液產(chǎn)生浮力作用，減少漿體之間的摻混，從而提高頂替效率。

    2) 隔離液的用量應(yīng)保證7～10min紊流接觸時(shí)間，以有效沖刷井壁，驅(qū)替窄環(huán)空以及大肚子井段的鉆井液和虛厚濾餅，提高界面膠結(jié)質(zhì)量，其用量還必須保證流體竄槽或嚴(yán)重?fù)交鞎r(shí)能有效隔開鉆井液和水泥漿。

    3) 隔離液的流變性應(yīng)滿足動(dòng)塑比：，使環(huán)空流體流變性滿足梯級(jí)匹配，能實(shí)現(xiàn)層層推進(jìn)有效提高頂替效率，也可以Ф₁₀₀讀數(shù)來(lái)衡量，滿足Ф_100鉆井液＜Ф_100隔離液＜Ф_100水泥漿。

    現(xiàn)場(chǎng)配制隔離液的程序一般分為以下兩步：①基液配制：首先淘洗配漿罐，防止罐內(nèi)殘留的水泥漿、鉆井液或處理劑對(duì)隔離液性能造成不良影響，保證隔離液配制質(zhì)量。然后向配漿罐(混漿車的混漿罐或鉆井液罐)內(nèi)注入設(shè)計(jì)用水量，再通過(guò)水泥車或混合漏斗緩慢勻速加入隔離劑，同時(shí)攪拌循環(huán)，保證隔離劑充分溶解，隔離劑的加量根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)基液黏度進(jìn)行調(diào)配。②加重：優(yōu)選加重材料，防止雜質(zhì)影響隔離液性能以及與水泥漿的相容性。尤其是黏土成分的雜質(zhì)，其含量越高，配制的隔離液黏切越高，不利于提高頂替效率，且會(huì)增加相容性實(shí)驗(yàn)難度和固井施工泵壓。重晶石、鐵礦粉等加重劑加重時(shí)，應(yīng)緩慢勻速加入，防止隔離液配制過(guò)程中加重劑下沉和密度不均。加重至所需密度后，充分?jǐn)嚢柩h(huán)，保證隔離液性能均勻一致。

    應(yīng)經(jīng)常檢查鉆井液罐或混漿罐，注意觀察隔離液體積、顏色是否發(fā)生變化，防止罐間互竄。若隔離液量增加，應(yīng)取樣復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)污染實(shí)驗(yàn)，考察侵入的鉆井液或其他流體是否影響隔離液的性能；若隔離液量減少，應(yīng)調(diào)整隔離液量，保障施工安全。

    隔離液的流變性應(yīng)能保證在較低排量下達(dá)到紊流，有效地解決沉降穩(wěn)定性與流變性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)紊流驅(qū)替，充分頂替不規(guī)則井眼中殘留的鉆井液，有效清除井壁上的虛濾餅和套管壁上的油膜或鉆井液吸附層，從而提高界面膠結(jié)質(zhì)量^[6]。由圖1可以清楚地看到，固井施工完畢時(shí)混漿罐底部無(wú)沉降的重晶石，說(shuō)明隔離液的沉降穩(wěn)定性完全滿足固井作業(yè)的要求。此外，還可采用水泥車即配即打的方式，配制隔離液的同時(shí)往井內(nèi)泵注隔離液開始固井作業(yè)。

 

    隔離液作為一種“特殊”的鉆井液，隔離液必須保證與鉆井液、水泥漿均具有良好的化學(xué)兼容性，與水泥漿或鉆井液摻混后對(duì)混漿的流動(dòng)性和稠化時(shí)間均無(wú)不良影響。但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)異常情況，以川渝油氣田某區(qū)塊LG12井為例，該井Ø127mm尾管固井作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)配制的隔離液、調(diào)整的先導(dǎo)鉆井液與水泥漿摻混后，雖然混漿的流動(dòng)度均大于15cm，但都導(dǎo)致水泥漿的稠化時(shí)間大幅度縮短，嚴(yán)重威脅固井施工安全。鉆井液密度為1.37g/cm³，水泥漿密度為1.88g/cm³；隔離液密度為1.45g/cm³。常規(guī)污染實(shí)驗(yàn)、污染稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。

 

    通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，最終只能在緩凝水、隔離液和沖洗液中添加一定量的緩凝劑，以保證污染稠化實(shí)驗(yàn)(兩相和四相)的稠化時(shí)間滿足安全固井作業(yè)的要求。緩凝水中緩凝劑FS-31L加量從2.88%增加至3.36%，隔離液中添加2%FS-31L，沖洗液中補(bǔ)加FS-31L至4%，鉆井液中添加1%Na₂CO₃和1%SMT。該區(qū)塊幾口井Ø127mm尾管固井作業(yè)都出現(xiàn)了類似的問題，最終都是通過(guò)在隔離液和沖洗液中添加緩凝劑才解決了此問題。因此，現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)前必須開展隔離液與水泥漿的相容性實(shí)驗(yàn)，確保隔離液對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間無(wú)不良影響。

   1) 尾管固井作業(yè)應(yīng)采用前后隔離液防污染技術(shù)，確保固井作業(yè)全過(guò)程安全。泵注水泥漿之前泵入前隔離液以在泵注水泥漿和頂替鉆井液時(shí)隔離水泥漿和鉆井液，在中心管附近泵注一定量的隔離液是為了防止水泥漿頂替到位拔中心管時(shí)回落的鉆井液與水泥漿發(fā)生污染，從而有效保障固井作業(yè)全過(guò)程的安全。

   該技術(shù)已在川渝地區(qū)“三高”氣田多口超深井尾管固井作業(yè)中得到了成功應(yīng)用，以分水1井為例(2008年中石油陸上第一口超深井，井深為7353.84m)，該井Ø177.8mm尾管固井采用前后隔離液防污染技術(shù)，先注20m³前隔離液，中心管附近注6m³后隔離液，有效隔離了鉆井液和水泥漿，防止頂替過(guò)程和拔中心管后水泥漿和鉆井液直接接觸引發(fā)井下復(fù)雜。施工時(shí)間為4.5h，泵注水泥漿和頂替過(guò)程以及拔中心管后大排量循環(huán)鉆井液期間，泵壓平穩(wěn)。碰壓為19MPa，碰壓后起鉆5柱未遇阻，鉆具懸重與稱重時(shí)基本一致，后以1.8m³/min大排量正循環(huán)，鉆井液、隔離液以及水泥漿返出界面清晰，相互之間無(wú)較嚴(yán)重污染現(xiàn)象，3種流體及摻混段流動(dòng)性均很好，充分說(shuō)明隔離液與水泥漿化學(xué)兼容性良好。井口返出流體照片從左至右分別是鉆井液、隔離液和水泥漿(見圖2)。

 

   2) 應(yīng)加大隔離液的用量，以更有效地隔離鉆井液和水泥漿、沖刷井壁和套管壁，保障固井作業(yè)安全和提高固井質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)固井實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，有的井雖然隔離液與鉆井液、水泥漿化學(xué)兼容性良好，但因隔離液量少，達(dá)不到完全隔離的目的，鉆井液和水泥漿竄槽形成流動(dòng)性較差的混漿導(dǎo)致固井作業(yè)頂替過(guò)程中泵壓不平穩(wěn)，最后的聲波測(cè)井結(jié)果也佐證了此觀點(diǎn)，泵壓不平穩(wěn)的井固井質(zhì)量極差。

   1) 隔離液的使用是保障“三高”氣田超深井固井作業(yè)安全和提高頂替效率的重要舉措。

   2) 超深井固井要求隔離液具有良好的沉降穩(wěn)定性和流變性，有利于泵送和提高頂替效率，且與鉆井液、水泥漿的化學(xué)兼容性良好。

   3) 必須開展隔離液與水泥漿的污染稠化實(shí)驗(yàn)，保證隔離液對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間無(wú)不良影響，避免固井工程事故的發(fā)生。

    4) 前后隔離液防污染技術(shù)可有效防止尾管固井工程事故的發(fā)生。

    5) 建議加大隔離液用量，多倍體積隔離液有助于保障固井施工安全和進(jìn)一步提高頂替效率。

[1] 馬勇.固井環(huán)空氣體竄流原因分析及防控技術(shù)[D].成都：西南石油大學(xué)，2009.

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[3] 張明霞，向興金，童志能，等.水泥漿前置液評(píng)價(jià)方法總論[J].鉆采工藝，2002，25(6)：81-83.

[4] 楊旭.前置液的紊流臨界返速和使用量的推導(dǎo)[J].鉆采工藝，1995，18(4)：76-79.

[5] 李友臣，吳旭輝，張軒.固井前置液技術(shù)研究[J].西部探礦工程，2005，(增刊1)：128-129.

[6] 馬文英，張輝，田軍，等.提高第二界面固井質(zhì)量的鉆井液與前置液研究[J].鉆井液與完井液，2003，20(4)：27-30.

 

(本文作者：馬勇¹ 劉偉² 唐庚¹ 張洪印³ 謝明華¹ 周劍⁴ 高德偉³ 李國(guó)¹ 1.中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司采集事業(yè)部；3.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司固井公司；4.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦)