川深1井是中石化西南石油工程有限公司在四川盆地川中隆起北部斜坡带柏垭鼻状构造的一口预探井，以震旦系灯影组为主要目的层，兼探寒武系龙王庙组，主探下寒武统龙王庙组和上震旦统灯影组。设计井深8 690 m，实际完钻井深8 420 m，目前是亚洲第一深井。川深1井固井难点：测井温度178 ℃，高温对水泥浆的抗高温性以及水泥石的长效封隔性要求高[1-2]; 环空间隙小，165.1 mm钻头下139.7 mm套管，理论间隙为12.7 mm，顶替困难；高温下钻井液性能波动大，钻井液含油4%(w)，钻井液不易驱替，顶替效率难保证，胶结面清洁困难，固井质量难以保障; 相互交错的多个油气层位，施工过程中与候凝过程中地层流体易侵入水泥浆体内，防气窜及层间有效封隔困难，防气窜难度大[3]；超高温钻井液体系与水泥浆体系相容性差，作业风险高[4-7]；可能存在H2S、CO2等酸性气体，对水泥石防腐蚀性能、长效封隔性、长期完整性提出了更高要求[8-10]。因此，设计和优化出一套满足高温高压防气窜、水泥环长期完整性好的水泥浆体系及固井工艺措施，是保证本开固井质量的关键。本研究筛选、优化出了一套功能型的超高温胶乳防气窜水泥浆体系，并成功地应用于该井8 420 m的139.7 mm尾管固井；结合适当的工艺措施和工程措施，固井质量优良，可为类似固井作业提供有益参考。
针对川深1井139.7 mm尾管悬挂固井难点，通过优化水泥浆体系及性能、各种功能材料种类的优选和加量的优化、前置液优化设计等措施来满足固井的相关要求。
对于水泥浆体系：通过硅粉加量和粒径配比关系的优化，解决水泥石在高温下强度的衰退问题[11-12]，通过塑性剂和弹性剂等功能性材料，改善水泥石力学性能，保证后期开采和其他作业过程中的水泥环在交替压力变化情况下水泥环的长期完整性和封隔性[13-14]；加入胶乳，通过其成膜、填充孔隙以及其较强的静止结构特性来提高水泥石的防气窜性能[15-16]；采用抗温四元共聚物降失水剂，提高键能，使其不易断链和水解，保证水泥浆在高温环境下良好的流变性能[17-18]；采用复配型两性离子缓凝剂，抗温和抗污染能力得到加强，强度发展快[19-20]；采用与胶乳配伍减阻剂，使水泥浆保持适度流变性，有利于提高顶替效率。
对于前置液：采用结构解离和冲刷型隔离液，使之具有解离泥饼结构和“刷子”双重作用，提高冲刷能力；使用具有较高清洗能力的清洗液来消除含油钻井液和清洗泥饼；通过冲洗型隔离液进一步清洗钻井液和油膜，并清除清洗液的残留，改善井眼清洁状态。
近几年来，随着对胶乳水泥浆体系研究的深入和性能不断的完善，胶乳广泛应用于实际固井工程中[21-25]。胶乳水泥浆体系的主要特点有：适度的黏度和触变性，具有较强的防窜能力；通过胶乳颗粒的柔性填充，形成的水泥石渗透性低，具有较好的防腐蚀能力；固化胶乳颗粒的弹性及胶乳颗粒聚集形成的有机膜抗拉力作用等，使水泥石的脆性降低，弹韧性提高，有利于保持水泥石的长期完整性和封隔性。这些特点能较好地满足川深1井对固井防气窜、长期完整性等方面的要求。因此，选用胶乳水泥浆体系为基础水泥浆体系，并对其基本性能进行研究和评价。胶乳水泥浆基础配方：JHG油井水泥+50%(w)硅粉+12%(w)胶乳+1%(w)胶乳稳定剂+1%(w)胶乳消泡剂+2%(w)减阻剂+8%(w)降失水剂+9%(w)缓凝剂+水。
改变胶乳加量，考察其对水泥浆基本性能的影响。实验配方为胶乳水泥浆基础配方，实验条件为178 ℃、125 MPa、升温时间65 min。实验结果见表 1。
从表 1可看出，胶乳水泥浆体系基本性能满足高温固井基本要求，具有失水小、稳定性好、适度的结构黏度等优良特点。
水泥浆的防气窜性能对高温高压油气井(如川深1井)尤为重要。由于胶乳的作用，胶乳水泥浆体系在静止时具有适度的胶凝结构，有利于防气窜。通过测定油滴窜入水泥浆破坏水泥浆结构所需的压力Δpb和油滴在水泥浆中连续窜流的速度Vb来考察胶乳加量对水泥浆防气窜性能的影响。实验配方为胶乳水泥浆基础配方，实验条件为178 ℃、125 MPa、稠化30 min，再降温至90 ℃的水泥浆；Vb为500 Pa下的测定值。实验结果见表 2。
由表 2可知，随着胶乳加量的增加，破坏水泥浆体系的胶凝结构所需的最小窜流突破压力值增大，窜流速度下降。其原因是增加加量会增强水泥浆的胶凝结构强度，气窜时破坏其胶凝结构所需的力越大，越有利于控制流体窜入水泥浆和抑制连续窜流，但胶乳加量在12.0%(w)以上时水泥浆体系较稠。
水泥石性能关系到固井水泥环的长期完整性和长期封隔性，以及水泥环的后期抗应力能力和防窜能力。改变胶乳加量, 考察其对水泥石的渗透性和弹性模量的影响。实验配方为胶乳水泥浆基础配方，参比体系除不加胶乳外，其他外加剂和加量与胶乳体系相同，以密度为1.90 g/cm3标准适当调整水灰比。水泥石养护条件：180 ℃×21 MPa×48 h。实验结果见表 3。
从表 3可看出：①胶乳水泥浆体系由于胶乳的柔性填充作用，在水泥石中形成的孔隙中，水泥石渗透性较小，有利于防止腐蚀介质向水泥石内部扩散，即有利于防止地层中H2S、CO2酸性介质对水泥的腐蚀；②在水泥浆中的水反应完后，胶乳有机材料形成微颗粒或彼此聚集成膜，填充在水泥石微观孔隙中或以网状形式分布于水泥石中微观固相之间，通过其胶粒的柔性或网状结构的应力分散作用，降低了水泥石的脆性，提高了水泥石的弹韧性，有利于水泥石在局部应力下保持其完整性。
胶乳由于其柔性填充作用和一定的成膜性，可以起到一定的控制失水作用，但仅用胶乳来控制失水，需要的胶乳加量较大，会对水泥浆流变性、强度等性能产生不良影响。通常在胶乳的水泥浆体系中加入适量的降失水剂来协同控制失水。本次固井为超高温固井，选取了一种抗温四元共聚物降失水剂BS100L-G考察其失水控制能力。实验配方为胶乳基础配方，胶乳加量12%(w)。实验条件为180 ℃、125 MPa、稠化30 min，再降温至90 ℃，在标准条件下测定失水量，实验结果见表 4。
从表 4可知，降失水剂BS100L-G与胶乳体系有良好的配伍性和失水控制能力，对于胶乳加量为12%(w)的水泥浆体系，降失水剂BS100L-G加量为6.0%(w)时，水泥浆体系的失水小于50 mL。
通过添加石英砂(硅粉)等高含硅材料来改变水泥浆体系钙硅比，以抑制水泥石在高温强度下的衰退。但石英砂的粒径、活性以及在不同温度段加入，对水泥石高温下组分结构转化形式及强度衰退抑制效果有较大影响。选择不同粒径的石英砂及改变加砂量，考察其强度衰退抑制效果。水泥浆配方为：嘉华G级水泥+35%(w)石英砂+4.0%(w)降失水剂BS100L-G+0.50%(w)减阻剂BS300 +2.0%(w)缓凝剂BS200R + 1.5%(w)SiO2+水，W/S=0.40。实验条件为180 ℃、21 MPa。实验结果见表 5和表 6。
表 5和表 6的实验数据表明：在180 ℃条件下，粒径0.096 mm的石英砂形成的水泥石强度最好；从14天的水泥石强度来看，硅粉加量在45%~50%时，水泥石具有较高的抗压强度和抑制强度衰退的作用；从28天的强度来看，在较高加砂量下，水泥石强度较高，长期抑制强度衰退作用强。因此，加砂量确定为45%~50%。
油气井完井后期进行的注水、压裂、酸化、射孔等提高生产压差的井下工程作业使井眼条件发生改变，套管内压改变、地层围岩压力变化以及井眼温度改变引起的温度应力等作用，使水泥环受力状态发生改变，可能导致水泥环产生裂纹，甚至会使水泥环的封隔作用失效，造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏，严重时造成油井报废。因此，研究固井水泥石力学性能，对于提高水泥环本体的完整性对生产及油水井的寿命具有重要的意义。本次固井选用了两种功能材料来调整水泥石力学性能：弹性剂通过材料本身具有的弹性来提高水泥石的弹性，防止其在局部应力下的脆性破裂；塑性剂通过特种强亲和性纤维的应力分散作用分散局部应力，保持水泥石的完整性。普通基础参比配方(1#配方)：600.0 g嘉华G级油井水泥+210.0 g石英砂+12.0 g膨胀剂BS500+15.0 g微硅WG+30.0 g降失水剂BS100L+20.0 g缓凝剂BS200R+6.0 g减阻剂BS300+3.0 g消泡剂BP-1B+300.0 g自来水。弹韧性体系配方(2#配方)：600.0 g嘉华G级油井水泥+210.0 g石英砂+12.0 g膨胀剂BS500+ 12.0 g BS600塑性剂+12.0 g弹性剂TX-2+15.0 g微硅WG+30.0 g降失水剂BS100L+20.0 g缓凝剂BS200R+6.0 g减阻剂BS300+3.0 g消泡剂BP-1B+300.0 g自来水。水泥石养护条件：180 ℃下养护48 h。实验结果见表 7，水泥石三轴应力-应变实验结果见图 1和图 2。
实验结果表明：与基础参比配方相比，加入弹性剂和塑性剂的水泥石具有较高的抗压抗折强度；水泥石弹性模量明显降低；水泥石压力应变范围大，应变形变范围大，即弹性范围大；弹性体系的残余应变小，残余应变量绝对值为0.010%~0.018%(基础参比配方为0.100%)，仅为基础参比体系的10%~18%；弹性体系有明显的回环环，按照回环环规则，有明显的储能作用和储能释放作用；应力解除后形变完全恢复，且变形与变形恢复重复性好。综合以上实验结果及数据可以看出，加入弹韧性功能材料的水泥石相比普通水泥石具有更好的力学性能。
根据川深1井139.7 mm尾管悬挂固井的技术难点、工程、固井质量要求，以胶乳水泥浆体系为基础，通过复合特定功能的材料，调配适合川深1井高温高压139.7 mm尾管悬挂防气窜固井需要的水泥浆体系。最终水泥浆配方为：JHG油井水泥+50%(w)硅粉+12%(w)胶乳(BWOC)+1%(w)胶乳稳定剂+1%(w)胶乳消泡剂+2%(w)减阻剂+8%(w)降失水剂+9%(w)缓凝剂+水。实验条件：178 ℃×125 MPa, 升温时间65 min，水泥浆体系综合性能见表 8，稠化曲线见图 3。
确定的水泥浆配方在小样、大样的实验过程中重复性良好。现场施工中，浆体配制顺利，密度稳定，施工连续无异常。
试压介质：泥浆1.51 g/cm3；试压29.7 MPa，稳压30 min，压降0.1 MPa，试压合格。声幅测井及固井质量分析结果见表 9，固井质量优良率为96.4%，综合评定为优秀。该次固井为保障后期探塞、扫塞、射孔、测试等作业以及勘探评价灯影组地层提供了可靠的井筒环境。
(1) 为满足川深1井139.7 mm尾管悬挂固井的抗高温、防气窜、长期封隔性，以胶乳水泥浆为基础的水泥浆体系，通过优化功能材料的种类、加量，调配出了一套适合高温高压防气窜小间隙固井的胶乳弹韧性防气窜水泥浆体系。
(2) 将所研制的胶乳弹韧性防气窜水泥浆体系应用于川深1井小间隙尾管悬挂固井，取得了优良的固井效果。
(3) 水泥浆体系具有抗高温、防气窜的能力；水泥石具有弹韧性好，强度衰退小的优点，有利于延长油气井生命周期。
2020, Vol. 49 Issue (5): 70-75
2020, Vol. 49 Issue (5): 70-75