劉秀成 吳會年 閆醒宇 李 艷

（中國石化中原石油工程有限公司固井公司，河南 濮陽 457001）

0 引言

松遼盆地松科2井是迄今為止國內(nèi)最深的大陸科學(xué)探井，也是亞洲國家實施的最深大陸科學(xué)鉆探井，該井為深部能源勘探提供了新方向，對保障國家能源安全、建設(shè)“百年大慶”和實施“振興東北老工業(yè)基地”戰(zhàn)略具有重要意義。松科2井五開直徑152.0 mm鉆頭完鉆井深為7 018 m，直徑127 mm套管下深為7 000 m，尾管懸掛位置為5 800 m，上層套管為177.8 mm尾管，下深為5 908.99 m，測井?dāng)?shù)據(jù)表明井底地層溫度為241℃，對水泥漿的抗高溫高壓性能要求高；由于井深，水泥漿頂、底部溫差大，存在頂部水泥漿凝結(jié)時間長、環(huán)空間隙小、套管扶正居中困難等難點。異常高溫是該井的最大難點，高溫高壓會引起水泥漿稠化時間突變、水泥石強度衰退、高溫材料混合水延遲使用失效等系列問題［1-2］，因此研選超高溫水泥外加劑，尤其是緩凝劑和降失水劑，形成超高溫固井水泥漿體系和切實可行的施工工藝技術(shù)，成為該層次固井的關(guān)鍵。

1 固井技術(shù)難點

松科2井固井主要有以下4點技術(shù)難點：① 本開次固井尾管下入深度為7 000 m，安全下至設(shè)計井深的難度較大，同時外徑127 mm深井尾管懸掛固井下入套管懸重只有23.29 t，判斷是否丟手坐掛困難，對固井工具、附件的安全可靠性能要求高；② 直徑152.0 mm鉆頭完鉆，環(huán)空間隙小，水泥漿密度高達(dá)1.90 g／cm3，懸掛器處過流面積小，下套管前循環(huán)洗井如果不徹底，井內(nèi)殘留的巖屑、沉砂極易在懸掛器處堆積堵塞。此外因循環(huán)及施工壓力高，增加了井漏的風(fēng)險，甚至可能造成固井失??；③ 該層尾管固井入井水泥漿量較少，水泥漿運移段長，容易導(dǎo)致漿體互竄造成水泥漿被污染，保證隔離液和頂替效率是本次固井難點之一；④ 由于井底溫度高（實測井底靜止溫度達(dá)到241℃）尾管封固段長、上下溫差大、水泥漿頂部強度受緩凝劑加量影響大，對水泥漿性能要求高。

2 水泥漿體系及性能

2.1 超高溫緩凝劑和降失水劑

大多數(shù)超高溫緩凝劑和降失水劑不再以單劑的形式存在，通常都是兩者配合使用來調(diào)節(jié)水泥漿性能。對多家外加劑廠家的超高溫緩凝劑和降失水劑進(jìn)行評價對比，優(yōu)選出超高溫降失水劑M86L和超高溫緩凝劑M63L，其性能評價結(jié)果見表1。從表1可以看出，水泥漿初始稠度較低，易于泵送；同一溫度下稠化時間隨緩凝劑M63L加量增加基本呈線性增長；溫度升高，增大緩凝劑M63L用量即可得到對應(yīng)的稠化時間。在190～250℃超高溫條件下，降失水劑M86L加量7%以上可以將失水量控制在50 mL以內(nèi)，溫度較高時可適量多加，且降失水劑M86L具有一定的緩凝作用，增加M86L的加量稠化時間也有所延長。

表1 不同溫度下緩凝劑和降失水劑性能評價情況表

2.2 硅粉-水泥耐高溫試驗

超高溫高壓環(huán)境下的水泥環(huán)，在服役周期內(nèi)為保證水泥石力學(xué)強度、膠結(jié)性能和層間封隔效果，必須考慮防止水泥環(huán)的耐高溫性能衰退，由于超過110℃水泥水化產(chǎn)物發(fā)生晶體轉(zhuǎn)型而導(dǎo)致強度和完整性降低，因此需要在水泥中添加高溫防衰退劑，依據(jù)鈣硅比理論可加入硅質(zhì)材料如石英砂等，未加入石英砂的凈漿水泥石試驗數(shù)據(jù)見圖1。

2.2.1 石英砂加量

松科2井四開鉆進(jìn)至5 900 m時測得地層溫度為196℃，五開鉆進(jìn)至6 400 m時地層溫度為220℃，五開外徑127 mm尾管固井設(shè)計水泥封固段為井深5 800～7 000 m，實測井內(nèi)靜止溫度為241℃，利用高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜，分別測試不同石英砂加量下水泥石在204℃養(yǎng)護(hù)下的抗壓強度，通常當(dāng)石英砂加量達(dá)到40%時，水泥漿中的鈣硅比可以達(dá)到水泥石抗高溫強度衰退有效性和安全性［3］，試驗結(jié)果見圖2。

圖1 凈漿水泥石抗壓強度變化圖

圖2 204℃下不同加量的石英砂水泥石強度變化圖

2.2.2 石英砂的細(xì)度

石英砂在水泥漿中加量較大，超高溫降失水劑M86L和超高溫緩凝劑M63L具有一定的分散作用，為避免水泥漿出現(xiàn)沉降現(xiàn)象需要對石英砂的粒徑進(jìn)行選擇以得到穩(wěn)定的漿體。分別選用80～120目、120～180目、180～200目、300～350目4種石英砂樣品添加到水泥漿中，測試其游離液和水泥漿靜置2 h后的上下密度差以考察不同粒徑石英砂對水泥漿漿體穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表2。從表2可以看出，石英砂粒徑越小，水泥漿體穩(wěn)定性越好。為避免水泥漿因加入石英砂而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，固井應(yīng)用試驗中選用200目的石英砂與300目的石英砂搭配使用，比例為2∶1，總加量為45%。

2.3 超高溫水泥漿體系

通過大量的室內(nèi)試驗，對超高溫緩凝劑M63L、超高溫降失水劑M86L、石英砂SiO2、彈韌劑TR-3、膨脹劑GPZ-1、穩(wěn)定劑WDJ-2、增強劑ZQJ-1、消泡劑XPJ-1、加重劑JZJ-1等外加劑按照不同比例進(jìn)行配伍試驗。在不同的溫度范圍內(nèi)，在穩(wěn)定性、流變性能等滿足要求的基礎(chǔ)上，通過添加不同量的緩凝劑、降失水劑測試稠化時間、失水量、游離液量，得到不同溫度下水泥漿體系性能情況，部分試驗數(shù)據(jù)見表3、表4。

表2 石英砂細(xì)度對漿體穩(wěn)定性的影響

試驗配方的水泥漿流動性好、濾失量低、游離液少、稠化時間易調(diào)并能實現(xiàn)直角稠化，方案4、方案5稠化曲線見圖3、圖4。

經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后的水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、勻稱、飽滿，同時考慮到超高溫高壓井底條件下后期作業(yè)對水泥石性能的影響，配方體系中加入了彈韌劑、增強劑（SEM圖片可清晰見纖維狀增韌材料）有效增強了水泥石的抗擠、抗折等效果，如圖5、圖6所示。

表3 外加劑加量及試驗條件表

表4 超高溫水泥漿體系綜合性能表

圖3 方案4稠化曲線圖

圖4 方案5稠化曲線圖

圖5 水泥石斷面結(jié)構(gòu)圖

圖6 水泥石斷面SEM微觀形貌圖

采用上述配方，進(jìn)行水泥石260℃條件下的性能綜合測定，試驗數(shù)據(jù)見表5。經(jīng)260℃高溫養(yǎng)護(hù)的抗高溫體系水泥石的抗高溫強度衰退性能明顯，水泥石滲透率較普通加砂水泥石降低了97.9%、彈性變形量增強2.09倍。

表5 超高溫水泥石性能表

3 采取的技術(shù)措施

針對松科2井外徑127 mm尾管固井面臨的技術(shù)難點，采取了以下技術(shù)措施：① 為防止井漏，下尾管前對漏失井段進(jìn)行預(yù)堵漏，經(jīng)地層承壓試驗，全井當(dāng)量鉆井液密度為1.64 g／cm3，比施工結(jié)束后環(huán)空液柱當(dāng)量密度高0.14 g／cm3；套管下完后循環(huán)排量控制在8～13 L／s、注灰和替漿上返速度為0.8～1.0 m／s，現(xiàn)場根據(jù)環(huán)空返漿情況及施工壓力變化隨時作出合理調(diào)整。② 所有入井的套管工具、附件必須滿足抗溫241℃以上的要求，采用帶側(cè)循環(huán)孔的加長浮鞋，浮鞋上部使用2個彈浮式浮箍，生產(chǎn)廠家要在地面進(jìn)行浮力裝置的模擬試驗確保浮力設(shè)備關(guān)閉可靠。③ 為保證套管居中度，尾管與上層套管重復(fù)段每3根套管加1只剛性扶正器，裸眼井段每2根套管加1只彈性扶正器，懸掛器下部2根套管每根套管加1只剛性扶正器，幫助扶正懸掛器。④ 固井采用耐高溫沖洗隔離液，有效沖洗固井界面，隔離鉆井液與水泥漿，提高漿體的頂替效率；固井水泥漿為1.90 g／cm3的雙凝抗高溫水泥漿體系，雙凝界面6 300 m，懸掛器上部留水泥塞100 m。⑤ 嚴(yán)格控制7 MPa壓力下水泥漿30 min的濾失量在50 mL以內(nèi)、游離液量接近于零，保持水泥漿體系的穩(wěn)定，避免在環(huán)空形成自由水帶，保證水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。⑥為防止水泥漿與井底鉆井液置換，施工開始先注入密度為1.80～1.85 g／cm3的前導(dǎo)水泥漿5 m3，采用過渡注灰漿方式，即一車配漿、一車注漿，確保入井水泥漿密度的均勻性。⑦ 為降低施工時的替漿壓力，保證施工安全，同時防止浮箍浮鞋失效導(dǎo)致水泥漿倒返回尾管，現(xiàn)場準(zhǔn)備密度為1.80 g／cm3的加重頂替液10 m3以上作為備用；為避免起鉆后水泥漿和鉆井液接觸，替完加重頂替液后，注入3 m3密度為1.0 g／cm3的保護(hù)液。⑧ 固井施工結(jié)束后迅速起出井內(nèi)所有鉆具候凝，起鉆過程中應(yīng)做到邊起鉆邊灌漿；候凝大于72 h后，方可鉆開尾管懸掛器處水泥塞，期間禁止進(jìn)行套管試壓等作業(yè)。

4 施工情況

松科2井五開外徑127 mm尾管固井，尾管封固段為5 800～7 000 m，根據(jù)實測5 900～6 300 m處井徑擴大率為18.70%，環(huán)容為12.90 L／m；6 300～7 000 m井徑擴大率為3.85%，環(huán)容為6.91 L／m。

水泥漿設(shè)計為雙凝水泥漿，試驗溫度為241℃，領(lǐng)漿配方為G級水泥＋45%SiO2＋4.0%（WDJ-2）＋12%M86L＋7.5%M63L＋3.0%（TR-3）＋3.0%（ZQJ-1）＋1.0%（GPZ-1）＋0.5%（XPJ-1），密度為1.90 g／cm3；尾漿配方為G級水泥＋45%SiO2＋4.0%（WDJ-2）＋12%M86L＋6.5%M63L＋3.0%（TR-3）＋3.0%（ZQJ-1）＋1.0%（GPZ-1）＋0.5%（XPJ-1），密度為1.90g／cm3；對現(xiàn)場配置的液體配方進(jìn)行復(fù)試，領(lǐng)漿稠化時間為423 min、失水量為43 ml、游離液量為0、穩(wěn)定性密度差為0.01 g／cm3，190℃、21 MPa條件下72 h養(yǎng)護(hù)抗壓強度為21.3 MPa；尾漿稠化時間220 min、失水量為41 mL、游離液量為0、穩(wěn)定性密度差為0，241℃、21 MPa條件下72 h養(yǎng)護(hù)抗壓強度為23.5 MPa。

施工開始首先注入沖洗隔離液5.5 m3，密度為1.05 g／cm3，固井施工共注入領(lǐng)漿17.55 m3、尾漿5.16 m3、替 1.80 g／cm3加重漿 10 m3、1.0 g／cm3保護(hù)液3.0 m3、1.48 g／cm3鉆井液42.06 m3，總計替漿量為55.06 m3，作業(yè)時間總計達(dá)170 min，固井施工順利，測井結(jié)果顯示該層級固井質(zhì)量合格段100%，優(yōu)質(zhì)段88%，總評固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

5 結(jié)論

1）超高溫緩凝劑M63L和高溫降失水劑M86L具有較好的抗高溫（可達(dá)260℃）性能及配伍性能。

2）根據(jù)松科2井固井要求，通過對配套超高溫穩(wěn)定劑、膨脹劑、增強劑、彈韌劑等的優(yōu)選、優(yōu)化形成的超高溫水泥漿體系在241℃、102 MPa下性能穩(wěn)定，流變性能好、API失水量低于50 mL、游離液量低，水泥石致密、頂部及底部水泥石抗壓強度均大于14 MPa，滿足了該井超高溫的固井需要。

3）超高溫水泥漿體系在松科2井五開外徑127 mm尾管超高溫固井作業(yè)中的成功應(yīng)用，為在類似超高溫深井條件下的固井作業(yè)積累了經(jīng)驗、提供了技術(shù)保證。